相变储热试验炉HMI系统开发与应用

李志锋，宋君，吴萌，王奎越，金耀辉，刘宝权

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

相变储热试验炉HMI系统开发与应用

李志锋，宋君，吴萌，王奎越，金耀辉，刘宝权

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

介绍了新建的多功能相变储热试验炉系统概况，着重论述了HMI系统的功能组成、软件实现过程、技术特点及应用效果等。实际应用效果表明，该相变储热试验炉HMI系统功能设计合理，运行稳定，效果良好，为科研实验工作提供了宝贵的试验数据。

相变储热；HMI；WinCC；试验炉；变量归档

为更好地开展节能减排领域科技创新工作，筹建自己的大型节能减排热态中试基地，鞍钢集团钢铁研究院新建了一个集基础实验、中间试验为一体的节能研发型热态试验平台——相变储热试验炉。该试验炉能够进行相变蓄热材料制备及应用试验、热处理炉用各种烧嘴、换热器性能检测及开发试验、富氧燃烧及炉渣余热高效回收试验等，以此为节能减排领域的研发工作奠定坚实的基础。

本文以该相变储热试验炉的设计、编程为基础，介绍了该试验炉的基本概况，对HMI系统设计、功能组成、编程实现过程及实际应用效果进行了分析论述，并提出进一步优化HMI系统的具体建议。

1　系统概述

鞍钢相变储热试验炉包括大功率燃烧炉、脉冲燃烧试验炉和蓄热式试验炉三个部分。采用以PLC为核心的控制系统，对炉温、空煤气比例、流量、压力、温度等热工参数进行检测和控制。PLC硬件为S7-400，编程软件采用SIMATIC PCS7 V8.0，HMI系统采用SIMATIC WinCC V7.0编程，实现测量值数据显示、操作控制、过程报警及变量归档等功能。整个试验炉系统主要包括以下功能：

（1）从厂区总管将公辅介质接到实验室厂房内，试验炉内利用高炉煤气、混合煤气、焦炉煤气、氧气、氮气这5种能源动力介质进行燃烧试验。

（2）蓄热试验炉：对蓄热燃烧试验炉试验烧嘴的热态试验及热工参数检测，对单蓄热平焰烧嘴的热态试验及热工参数检测。

（3）大功率燃烧器试验炉：能够对一个大型长火焰烧嘴、一个平焰烧嘴进行1:1热态试验及热工参数检测。

（4）脉冲燃烧试验炉：能够完成脉冲烧嘴控制模式热态实验、换热器系统热态试验及相应配套的热工参数检测。

（5）试验炉PLC及HMI系统实现自动化控制，能按照加热曲线进行温度控制。

（6）三台试验炉具备水冷系统功能。

（7）实验室内部设置消防及报警装置。

试验炉系统建设时，为满足科研试验使用需要，将PLC及HMI系统设计为能够提供现场试验的实时监测数据。通过WinCC变量归档实现了数据采集和归档分析功能，为利用试验炉研究脉冲燃烧控制技术和加热炉节能技术创造了试验条件和设备保障。

2　HMI设计

2.1软件开发

工业监控组态软件WinCC是德国西门子（Siemens）公司研发的一款集成的人机界面（HMI）系统和数据采集监控管理（SCADA）系统，WinCC是视窗控制中心（Windows Control Center）的简称。用户在其友好的界面下进行组态、编程及数据管理，可以形成所需的监视画面、操作画面、控制画面、报警画面、数据归档及打印等。其显著特点就是全面开放，易于结合标准的和用户的程序建立人机界面，满足工业应用要求，安全可靠地控制生产过程［1］。WinCC软件可以单独安装使用，但通常在SIMATIC PCS7安装包下都有对应版本的WinCC软件，所以实际使用中，安装PCS7软件时选择安装OS工程师站即可。

WinCC提供各种PLC的通讯接口用于PLC和上位机HMI通讯。WinCC与PCS7（内置STEP7编程语言）结合在一起使用，PLC程序中的控制变量可以在与WinCC连接时的过程编程直接使用。同时在WinCC软件里可以手动创建控制变量，只需配置好变量地址（通常为PLC里的DB地址）即可与PLC建立关联［2-3］。

2.2功能设计

在基于SIMATIC WinCC作为开发软件的背景下，结合试验炉PLC控制设计要求，HMI系统设计主要实现六部分功能：软件框架（系统时间、公司标识、画面截屏、打印功能等）；测量值数据及状态显示；试验炉自动控制要求的各类操作控制（点火、急停等）；温度、压力、流量等测量值数据归档；实时报警功能；精确PID控制。

2.3功能组成

HMI画面设计时以满足实际应用、使用便捷为出发点，依据功能设计，需要在画面编程中设计实现6项子画面，如图1所示。

炉区纵览画面用于监视三台炉子的基本状态、基本操作控制，以便监控整个炉区；大功率试验炉画面，显示大功率炉的温度、压力、供气管道流量的测量值，火焰检测信号；脉冲燃烧炉画面包括脉冲投放占空比设定功能；蓄热炉画面包括8个换向阀换向操作功能（定时换向和定温换向）；公辅系统画面主要是加2台引风机、一台鼓风机、加压泵、稳压泵、冷却塔的远程/本地、手动/自动操作控制及运行状态显示。供气管道画面以棒图（bar）形式显示了进气管道的温度、压力、流量检测值；归档曲线画面把65个归档数据（包括温度、压力、流量）以趋势图形式显示出来，并提供了归档数据导出、趋势图打印功能，把所有的归档数据通过一个趋势表格（WinCC Trend Table控件）显示在WinCC界面上供查阅；PID监控画面主要是把PLC程序里的PID参数引入画面，并提供实时变化曲线，便于PID操作监控；报警功能画面主要是显示历史报警信息。

相变储热试验炉工艺流程HMI画面设计如图2所示。以三台试验炉物理布局设计了HMI画面分别用3个矩形表示，炉子之间通过气体管道相连，管道上布置有各类开关、控制阀、换热器等。详细HMI功能设计均按照整个炉区实际硬件布置为依据。

3　编程实现

3.1基本功能

鞍钢相变储热试验炉HMI系统编程以HMI功能设计为纲，实现了监控、报警、归档及PID控制功能。画面进入时提供用户身份验证，没有密码无权操作或查看画面。同时在主框架上显示了公司徽标，系统时间及画面截屏（HARDCOPY）功能，提高了美观性和易用性。

监视画面主要显示了试验炉上各个温度、压力、流量、火焰检测等仪表的测量值数据级状态，并逐一提供了注释（Tooltips），用户在光标点到监视点时能自动弹出该监视点的仪表名称、测量值数据单位、数据上下限等。操作画面主要是管道上各种切断阀的开关控制，投放时间设置、手动/自动、本地/远程等功能。

实际编程实现过程中利用WinCC软件的画面窗口（PictureWindow）实现窗口切换；建立统一的画面模板，在C脚本里进行判断，对不同的设备（各个切断阀、公辅设备）连接不同的WinCC通讯变量，减少了画面文件（PDL文件）数量，使得程序显得简洁；创建了一个帮助画面，在此画面上对其他各个中出现的画面元素的颜色、状态、对应含义统一标注，使得画面更易上手使用。

画面的报警功能是通过WinCC Alarm Control控件来显示的。由于编程时对具体需要添加哪些报警点不是十分明确，所以对所有的报警点的显示是通过读取PLC里布尔型的报警变量，手动在WinCC里添加报警内容。

3.2炉子状态画面

根据设计要求，3个试验炉状态画面分别单列为独立的子画面，并设计另一个总画面。单列炉子画面显示了当前试验炉所有相关的状态信息（开炉条件、停炉条件、冷却水管道采集的实际值），提供了具体的切断阀操作控制功能。总画面显示三台炉子的基本运行状态，如主要温度、压力、流量测量点的实际值，炉子相关管道测量点的实际值以及总管道上测量点的实际值。

WinCC编程时着重从三个方面着手：①根据工艺及设计要求合理安排画面显示元素的布局，使得整体画面布局美观大方；②建立脚本模板及项目函数，避免公用代码重复编写；③根据炉子工艺要求为PLC程序提供相关操作参数（主要有切断阀的开、关时间、脉冲燃烧时间、换向时间等）；编程时充分考虑工艺要求对画面布局进行美化，编写4个项目函数，绘制3个操作界面，实现了代码及画面模板重用，满足了整个炉子的操作控制需要，同时研究把PLC里的浮点型数据及S5TTIME类型数据转化为能和WinCC交互的数据格式，避免在PLC里再进行数据类型转换。

3.3数据归档及PID监控

测量值数据归档功能对三个炉子共计65个测量点的数据归档，使用WinCC软件里Tag Logging功能和WinCC Online Trend Control控件显示归档数据、查看趋势图，提供配置菜单栏，用户能选择性的查看归档期内的任意时间区间的归档曲线，对归档数据趋势图可以自由导出、打印，脉冲炉两次烘炉温度曲线如图3所示。归档曲线为两次脉冲炉升温曲线（横坐标为时间轴，纵坐标为温度数据）。同时使用Excel宏功能，把导入的*.CSV文件一键导入Excel，以便于科研数据分析。

图3中，曲线1表示炉顶温度曲线，曲线2表示换热器温度曲线。通过曲线可见，两次试验中脉冲炉升温、降温趋势基本相同，最高温度达到设定的1 300℃。换热器工作正常，温度变化趋势合理。

PID监控画面主要是对3台炉子煤烟管道上调节炉膛压力的比例切断阀进行监控。把PLC程序里功能块FB41的PID关键参数一并引入WinCC画面，提供实时变化曲线，便于人工干预及状态观察。

4　应用效果

在生产试验过程中，3台试验炉可以一起试验或者有目标的选择一台或两台炉子进行试验。对3台试验炉分别进行试验和联合点炉试验结果表明，控制切断阀动作正常，公辅系统、管道检测仪表，烟道检测仪表灯都运行正常，PLC控制程序运行正常，HMI系统工作正常。通过导出的归档数据和归档曲线，为科研分析提供了可靠依据。

当前试验炉HMI系统运行稳定，可满足各类试验要求。程序设计时在HMI软件中预留了许多重要的接口，可以供后续点检维护使用。

结合生产实际，同时依据软件开发经验，对HMI系统进一步优化，进行二次开发，如需购买硬件设备，在HMI系统中增加声音报警功能、在HMI画面上增加控制信号，供PLC程序模拟使用等。

5　结论

（1）通过在SIMATIC WinCC中进行软件编程，将试验炉现场检测仪表测量值引入操作画面，（2）HMI系统实现了测量值归档功能。用户通过归档画面，能够直观地查看历史归档数据及归档曲线，并对数据进行统计分析。同时所有归档数据能够便捷地导入导出，为用户进一步进行科研数据分析提供了技术支撑。

提供了基本的操作控制功能，把现场运行状态及时呈现给用户，方便用户监控、操作及技术维护。

（3）现场应用效果良好。HMI画面功能设计合理，试验数据保存完整，系统维护方便，运行稳定，为鞍钢进行节能环保热态试验提供便利条件。

［1］苏昆哲．深入浅出西门子W inCC V6（第二版）［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［2］杜勇刚．基于PCS7的步进式加热炉计算机控制系统的研究与应用［D］．武汉，武汉科技大学，2007.

［3］李志锋，王军生，刘金刚，等.鞍钢1450mm冷轧生产线HMI系统组成与功能［J］.鞍钢技术.2009（6）：24-26.

（编辑袁晓青）

Development and Application of HMI System for Phase-change Thermal-storage Test Furnace

Li Zhifeng，Song Jun，Wu Meng，Wang Kuiyue，Jin Yaohui，Liu Baoquan
（Iron＆amp;Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

The new installed system for the multifunctional phase-change thermal storage test furnace was briefly introduced，including the structure of functions，software realization process，technical characteristics and application effect relating to the HMI system.The practical application effect shows that the design of the HMI（human machine interface）system is reasonable with stable operation and good results.And so the system can provide valuable experimental data for scientific research activities.

phase-change thermal-storage；HMI；windows control center；test furnace；tag logging

生产实践

TG174

A

1006-4613（2015）06-0031-04

2015-05-07

李志锋，高级工程师，2005年毕业于兰州理工大学计算机科学与技术专业。E-mail：xiao_yuan08@163.com