SAWL焊管生产线数据采集及实时监控系统的研发

贺松松，韩智杰，李　军，鲁传林

（1.渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏 南京 210061；2.渤海石油装备制造有限公司，天津 300270）

SAWL焊管生产线数据采集及实时监控系统的研发

贺松松1，韩智杰2，李军1，鲁传林1

（1.渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏 南京 210061；2.渤海石油装备制造有限公司，天津 300270）

通过对SAWL焊管生产线工艺流程和控制要求的了解与分析，以技术实现的可能性和有效性为基础，利用工业以太网技术和OPC技术实现WinCC 7.0与PLC的数据通信，完成生产线数据采集与实时监控系统的研发；成功设计开发出生产现场物料分布状态的动态监控、设备启停机状态实时监控、设备关键参数实时趋势、设备参数报警等功能，并基于Web发布技术实现通过IE浏览器对系统的远程访问。

SAWL焊管生产线；数据采集；实时监控；工业以太网；OPC技术；WinCC 7.0

伴随着国内管道建设高峰期的到来，各大钢管制造企业纷纷引进国外先进的自动化设备以提高产品质量和市场竞争力。但是与国外同行业相比，国内企业生产管理水平仍存在着较大差距。国外企业通过数据采集与实时监控系统，能够实时掌控整个生产线各主机设备的运行参数、设备故障报警信息、生产线流程状况等，在极大程度上保证了产品质量，并为设备故障诊断提供了可靠保障，同时提高了企业的生产管理水平，保证了企业效益的大幅度提升［1-3］；因此，为了提高国内直缝埋弧焊（SAWL）管生产线的产品质量和管理水平，亟需建设一套数据采集与实时监控系统。

1　总体设计思路

本设计采用工业以太网技术和国际标准的OPC （OLE for Process Control，用于过程控制的对象链接和嵌入）通信技术与PLC控制系统进行数据通信，同时结合西门子WinCC 7.0工业组态软件设计开发生产线物料分布状况实时监控、设备开停机监控、设备关键参数实时趋势图、设备故障报警等功能。生产线中心调度室可通过WinCC 7.0客户端直接对系统进行访问。通过对本系统进行Web网络发布，使企业技术管理人员能够从办公网络对本系统进行安全访问。同时，本系统在设计时为渤海石油装备制造有限公司MES系统（Manufacturing Execution System，制造执行系统）预留数据接口，并通过网闸安全隔离设备对现场数据进行安全隔离后为MES系统提供底层数据。

2　网络架构

本系统采用3层网络架构：控制层网络、生产执行层网络和办公网络。控制层网络用于构建工业以太网，连接生产线各设备的PLC接口；生产执行层网络用于连接OPC客户端，与控制层网络之间通过网闸进行物理安全隔离，从而为MES系统提供数据接口；办公网络用于数据采集及监控系统的Web访问。

为保证控制层网络、生产执行层网络和办公网络的安全隔离，保证整个网络的安全性，同时还要保证信息沟通、实现信息共享，需要在生产执行层网络与办公网络之间增加一套防火墙进行网络安全隔离；在生产执行层网络与控制层网络之间增加一套网闸，对数据进行安全隔离。SAWL焊管生产线数据采集及实时监控系统网络架构如图1所示。

图1　SAWL焊管生产线数据采集及实时监控系统网络架构

3　PLC系统改造

由于生产线自动化控制系统均采用西门子S7-300、S7-400，为保证其均能通过OPC协议进行数据采集，因此需要对PLC控制系统建立工业以太网通信，PLC系统通过工业交换机等网络设备进行连接，从而构成控制层工业以太网［4-5］。由于部分PLC系统不具备工业以太网通信条件，因此需要对其增加工业以太网通信模块，S7-300系统增加CP343-1模块，S7-400系统增加CP441-1模块。通过西门子Step7编程软件对PLC系统进行编程，首先在硬件编程中添加CP343-1/CP441-1模块，且订货号应与实际以太网模块完全一致，并对以太网模块属性参数按照预定IP地址进行网络组态编程，从而完成PLC系统改造。PLC系统以太网模块配置如图2所示。

图2　PLC系统以太网模块配置

4　系统设计

西门子WinCC 7.0是德国西门子公司开发的工业组态软件，集成了SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）、界面组态、脚本语言和OPC等先进技术，具有强大的画面编辑、脚本、报警、趋势等功能，其主要用于对生产过程进行实时监控。本设计选用WinCC 7.0工业组态软件作为开发平台，以实现生产线状态实时显示、设备运行参数趋势图、设备运行参数报警、Web发布等功能［6-8］。

4.1系统变量配置

在WinCC 7.0新建工程中的变量管理器添加Simatic S7 Protocol Sutie驱动。由于本系统是基于以太网的OPC通信协议，因此需要在TCP/IP驱动中建立连接项；由于生产线共有48套PLC控制系统，因此需要分别建立48个连接项，且均以各台设备名称命名，并在属性中将IP地址项设置为对应设备PLC的IP地址［9-10］。在各设备对应的连接项中建立变量参数，各变量参数地址为相应设备PLC的输入/输出地址，变量参数主要包括编码器、智能仪表、设备电流电压、水压试验等模拟量数值以及传感器开关量数值等设备关键参数。如若PLC对应传感器开关量输入地址为 I 1.1，对应的WinCC 7.0地址也应设置为I 1.1；若输出信号地址为O 2.1，则对应的WinCC 7.0地址应为O 2.1；编码器数据、智能仪表、电流电压、水压值等参数在PLC程序中是保存在DB块中，因此在WinCC 7.0中应设置其对应的DB块地址，如1号外焊1丝电压参数变量地址为DB200.DD0［11-12］。

4.2动态监控画面设计

西门子WinCC 7.0图形编辑器具有创建和动态修改过程画面的功能。本系统采用动态变量实时显示的方式实现整个生产线加工主料（钢板、钢管）的分布状态动画效果图和设备开停机状态实时显示。

在本套系统中将生产线流程划分为4个区域（南一区、南二区、北一区、北二区），并分别绘制4个区域的现场动态监控图。总貌图设计采用Picture Windows控件分别将4个区域的现场监控画面进行链接，从面形成现场监控系统总貌图。现场动态监控图是按照生产线现场设备实际位置比例的关系进行绘制，且流程关系与实际生产过程保持完全一致。

画面动态配置实时数据均采用主机设备PLC控制系统信号。钢板/钢管工位信息采用传感器开关量信号进行配置，当变量信号为0时，表示该工位没有钢管或钢板；当变量信号为1时，表示该工位有钢管或钢板。钢管输送小车的动态监控通过编码器数值配置运行状态，动态位置与实时生产一致。设备开停机状态采用设备开停机状态参数进行配置，钢板/钢管输送辊道传动方向采用PLC正转/反转信号来实现［13］。

4.3实时趋势图设计

实时趋势图主要是针对生产线流程中对设备关键参数要求较高的设备，如预焊机、内外焊接机和水压试验机等设备进行的设计。通过趋势图功能，技术人员可实时掌握焊接电流、电压、水压趋势，并对钢管焊接、水压试验工艺参数进行及时调整，以提高钢管的焊接和水压试验的质量水平。

本设计采用WinCC 7.0实时趋势图控件对电流、电压、水压等参数进行配置开发，设计有预焊机、1号内焊机、2号内焊机、1号外焊机、2号外焊机、水压试验机的关键参数实时趋势图共6个系统界面。在趋势图主界面设计有各主机设备趋势图切换功能，系统操作人员可自行选择查看各台主机设备的关键参数实时趋势图。1号外焊机电压、电流实时趋势如图3所示。

图3　1号外焊机电压、电流实时趋势

4.4设备故障报警设计

设备故障报警主要用于故障报警信息的归档与显示，并指示所检测的报警事件，故障查询、统计与分析等功能，为设备管理人员在生产过程中寻找设备发生的故障和错误信息提供了方便。设备故障报警系统有助于在早期阶段识别紧急情况，从而避免损坏设备而停工。在WinCC 7.0中，报警编辑器负责信息的采集和归档，包括过程、预加工、表达式及归档等信息的采集功能。在组态期间，可对过程中应触发的事件进行定义。这个事件可以是设置自动化系统中的某个特定位，也可以是过程值超出预定义的限制值。在组态时，要在报警记录中设置报警的信息块，报警的归档和添加组态信息同时还要在变量管理器中选择信息变量（如果信息变量不是Bool型变量还需要选择信息位），之后在图形编辑器中添加报警控件并组态控件的属性，在项目的计算机属性的启动列表中选择“报警记录运行系统”选项，如图4所示。在报警控件中，可以通过对报警发生时间、故障描述等进行任意查询与打印。

图4　设备故障报警记录

4.5Web发布

WinCC Web Navigator是WinCC的重要组件之一，主要作用是使WinCC具备Web发布功能。在系统设计中，首先在服务器上安装WinCC Web Navigator Sever软件并进行系统配置，使其作为系统Web服务器端，即可完成系统的Web发布［14-15］。具体配置步骤如下：

（1）首先在服务器管理工具中配置IIS（Internet Information Services，互联网信息服务），并设置Web站点，再组态Web Navigator Sever工程。在服务器端，启动WinCC工程项目，打开Web Configurator对话框，进行Web站点参数设置。

（2）发布过程画面。在WinCC工程项目中，打开Web View Publisher对话框，首先选择远程发布画面的路径，再选择需要发布的画面。

（3）客户端访问Web工程。打开IE浏览器，输入系统登录网址，按照系统提示下载安装Web Navigator Cilent（Web浏览器客户端），成功安装后，客户机会连接到正在运行的服务器工程中，用户定义的起始画面会被显示。

5　结　语

通过数据采集及实时监控系统的应用，企业管理者可以随时掌握SAWL焊管生产线的实际生产情况和现场出现的一系列问题，从而针对各种异常情况作出合理的判断和调整。设备管理人员能够从各个维度了解设备不同颗粒度的信息（信息颗粒度反映的是信息的详细程度），为生产过程中排查设备故障、提升产能利用率提供最原始的数据信息。焊接技术人员能够通过焊接设备电流、电压实时趋势掌握钢管焊接过程中出现的问题，并及时对焊接工艺进行调整，从而提高钢管的焊接质量水平。该系统的运行，显著提高了企业的生产效率、产品质量和设备管理水平，创造了较大的经济效益和社会效益，大幅度提高了企业的市场竞争力。

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R&D of Data Acquisition and Real-time Monitoring System of SAWL Pipe Production Line

HE Songsong1，HAN Zhijie2，LI Jun1，LU Chuanlin1
（1.Nanjing Julong Steel Pipe Company，CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China；2.CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin 300270，China）

Based on full knowledge and analysis of manufacturing process flow and control requirements of the SAWL pipe production line，and taking relevant possibility and effectiveness of technological realization into consideration，the R&D of the data acquisition and real-time monitoring system of the said production line is completed by means of materialization of the data communication between WinCC 7.0 and PLC via the industrial Ethernet technology and the OPC technology.Relevant functions of the said system as successfully developed cover such aspects as dynamic monitoring of workshop material distribution status，real-time monitoring of equipment start/ stop status，real-time trend of equipment key parameters，and alarming of equipment parameters.Moreover，the remote access to the system via the IE browser is realized on the basis of the Web publishing technology.

SAWL pipe production line；data acquisition；real-time monitoring；industrial Ethernet；OPC technology；WinCC 7.0

TG335.75

B

1001-2311（2015）02-0070-04

2014-06-04；修定日期：2015-02-26）

贺松松（1985-），男，助理工程师，主要从事电气自动化技术、信息化技术的设计开发工作。