汽车生产线冷却水循环系统的WinCC监控系统设计

2018-03-14刘长青李明海

制造业自动化 2018年2期

李军，席巍，刘长青，李明海

（1.北京市智能机械创新设计服务工程技术研究中心，北京 100020；2.北京联合大学机器人学院，北京 100020）

0 引言

冷却水循环系统广泛应用于热力发电、金属冶炼、钢铁加工和汽车制造等行业企业的降温处理工艺中，可以实现水的循环再利用，节约大量工业用水。应用PLC技术实现冷却水循环系统的自动控制，可以提高企业的工作效率，改善现场工作人员的工作环境、降低劳动强度，同时还能降低不安全因素，已经被越来越多的行业企业所接受[1～3]。

对于一个有实际应用价值的PLC控制系统，除了硬件和控制软件外，还应有适于用户操作的方便的人机界面（HMI），HMI承担的任务包括过程可视化、过程控制、报警显示、过程值归档以及过程和设备的参数管理等[4]。WinCC是由西门子公司推出的基于Windows操作系统的HMI/SCADA系统，广泛应用于工业、农业、楼宇等领域自动化系统的人机界面组态，可以为操作人员组态友好的图形用户界面，同时以Microsoft SQL Server为数据处理平台，可以实现大数据的访问、处理和分析[5]。

本文针对北京奔驰汽车有限公司汽车生产线焊接和冲压工艺的冷却水循环系统，设计基于WinCC的监控系统。

1 系统方案设计

1.1 冷却水循环系统控制系统的结构

图1 冷却水循环系统控制系统结构框图

北京奔驰汽车有限公司汽车生产线焊接和冲压工艺的冷却水循环系统，其控制系统结构框图如图1所示，主控制器为西门子S7-300 PLC。根据设备的分布情况，将PLC控制系统设计为主从站结构。主站在地下室的机房PLC控制柜内，用于控制位于地下室的系统现场设备，主站的CPU型号为CPU315-2PN/DP（自带PROFIBUS-DP接口和PROFINET接口）。从站位于屋顶PLC控制柜内，用于控制屋顶的13台闭式冷却塔，从站系统采用西门子的ET200M，接口模块为IM153-1。主站和从站通过PROFIBUS-DP网络进行通信。WinCC监控系统的中控计算机位于一层，WinCC监控系统通过PROFINET（工业以太网）与PLC主站进行通信。在该控制系统中，由PLC主站和从站组成的主控制器，是对冷却水循环系统进行实际控制的下位机，而WinCC监控系统是实现控制过程可视化的上位机。

1.2 主要监控设备监控信号分析

WinCC监控系统是通过PLC以过程变量的方式实现HMI与机械设备或过程之间的通信，因此，冷却水循环系统主要监控设备监控信号的分析结果，是WinCC监控系统中创建过程变量的依据。

冷却水循环系统的控制系统主要是对位于屋顶的13台闭式冷却塔以及位于地下室的水泵、阀和传感器等现场设备进行控制。

1）闭式冷却塔

每台闭式冷却塔均包含风机、喷淋泵、内循环辅助泵、水槽电加热装置、内循环电加热装置（2台）等设备。每台闭式冷却塔的出水口均有温度传感器检测出水温度，所有闭式冷却塔都通过出水口将冷却水排到一个密闭集水槽中，密闭集水槽设有5个温度传感器用于检测水的温度，另外还有一个液位传感器检测水槽的液位。整个闭式冷却塔系统的外部设有1个温度传感器和1个湿度传感器，用于检测室外的温度和湿度，主要用于实现冷却塔的防冻控制。

闭式冷却塔的风机、喷淋泵、内循环辅助泵、水槽电加热装置、内循环电加热装置等设备各自的主要监控信号包括运行状态、启停控制、过载报警以及手动/自动模式转换信号。

2）现场设备

位于地下室的冷却水循环系统现场设备包括4个工艺循环泵、12个蝶阀、1个旁通阀以及供冷却水循环的管道，在管道中设有6个温度传感器、6个压力传感器和2个流量传感器用于监测循环水的状态。

工艺循环泵的主要监控信号包括水流状态（开/关）、运行状态、过载报警、上口接触器状态、变频频率反馈、变频启停控制、变频频率设置和手动/自动模式转换信号。蝶阀的主要监控信号包括开关状态反馈、手动/自动模式转换信号和开关控制。旁通阀的主要监控信号包括旁通阀开度反馈和旁通阀开度设置。

2 监控系统设计

汽车生产线冷却水循环系统的WinCC监控系统采用SIMATIC WinCC V7.0进行组态，该版本的WinCC具有灵活而强大的过程可视化功能，从而实现现场数据的显示和工作过程的控制[6]。

设计WinCC监控系统首先需要创建WinCC监控系统项目，并建立WinCC与PLC的通信连接。按照设计方案，WinCC监控系统与PLC通过PROFINET进行通信，因此创建WinCC项目时，选择在SIMATIC PROTOCOL SUITE通信协议集的TCP/IP通道中建立WinCC与PLC的通信连接，并在该通信连接中创建过程变量。

2.1 监控画面设计

过程可视化和过程控制是监控系统最基本、最重要的功能和任务，其关键是监控画面的组态。设计良好的监控画面代表了友好的图形用户界面，操作员可以通过监控画面监视过程的工作状态，也可以对过程进行控制。

汽车生产线冷却水循环系统的WinCC监控系统组态了起始画面、工艺总流程、参数设置、报警显示、趋势图、PID调试共6个监控画面，画面结构如图2所示，箭头代表了画面之间的切换关系。WinCC监控系统激活进入运行状态后，显示起始画面，操作人员必须在起始画面单击“系统登录”按钮，在弹出的系统登录对话框中输入正确的用户名和密码后，才能通过单击“进入系统”按钮切换到工艺总流程画面。只有通过工艺总流程画面相应的切换按钮才能切换到趋势图、报警显示、参数设置、PID调试这4个画面，且这4个画面中均有切换按钮返回到工艺总流程画面。操作人员只能通过单击起始画面的“退出系统”按钮（受操作权限保护），才能退出WinCC监控系统的运行状态。

图2 监控系统画面结构

工艺总流程画面是汽车生产线冷却水循环系统WinCC监控系统的核心，是实现过程可视化和过程控制的主要画面，反映了整个冷却水循环系统的运行状态和工作过程，如图3所示。通过指示灯、文字、图形等反映冷却水循环系统的运行状态和工作过程，例如，通过I/O域显示每个冷却塔的出水温度和密闭式集水槽5个测温点的实时温度；通过指示灯的颜色变化反映工艺循环泵的工作状态（指示灯为绿，运行状态；指示灯为红，停止状态）。操作员可以在I/O域中输入数据来预制被控对象的参数，例如温度设定值，来实现对过程的人工干预和控制；可以单击按钮对被控设备进行启停控制，例如启动或停止工艺循环泵。应用WinCC提供的变量连接、直接连接、组态对话框、动态向导、直接连接以及C脚本和VBS脚本等组态方法，可以很方便地实现监控画面的过程可视化和过程控制功能。

图3 工艺总流程画面

对于冷却水循环系统中数量多、功能类似且运行时实际工艺状态不同的监控设备，例如13个闭式冷却塔、4个工艺循环泵以及12个蝶阀，为了避免反复组态这些设备，采用模块化的设计思路，应用WinCC的画面模板和结构变量功能[7,8]，组态了相应设备的控制模板，实现在一个监控画面中根据条件显示和控制多个这些设备（例如工艺总流程画面中13个闭式冷却塔的显示和控制），大大减少了监控画面组态的工作量，极大丰富了监控画面的信息。

2.2 报警系统设计

报警系统是冷却水循环系统WinCC监控系统非常重要的组成部分，用于监视冷却水循环系统运行过程中的异常和事件，可帮助操作人员快速发现、定位并解决处理系统的故障和错误，有效地减少或避免停机事件和生产事故的发生。

根据汽车生产线冷却水循环系统的工作原理和控制工艺，总共组态了343条报警信息，例如，根据工艺循环泵的控制工艺，为每个工艺循环泵组态了启动故障、停止故障、接触器启动故障和接触器停止故障共4条报警信息。报警采用离散量报警方式，离散量的两种相反的状态（0和1表示）定义报警的出现（1状态）和消失（0状态）。离散量报警需要在PLC中设计相应的程序，图4所示为1#工艺循环泵启动故障的PLC程序。

图4 报警的PLC程序

报警信息在监控系统运行时显示需要在WinCC监控画面中添加“WinCC Alarm Control”控件，图5为报警信息在监控画面中的显示。

图5 报警信息显示

2.3 趋势图设计

趋势图是变量在运行时的值的图形表示，以曲线的形式连续显示过程数据。WinCC用变量记录系统（Tag Logging）进行趋势图的设计，可实现工业现场过程数据的采集、处理和归档。

根据汽车生产线冷却水循环系统的控制工艺，对每个闭式冷却塔的出水温度、密闭集水槽中5个温度传感器所采集的温度以及管道中的6个温度传感器、6个压力传感器和2个流量传感器所采集的过程值组态了趋势图。在监控系统运行过程中显示趋势图，需要在WinCC监控画面中添加“WinCC Oline Trend Control”控件，用户可以根据需要在控件中选择一个或多个过程变量趋势图进行显示。图6所示为1#（红色）、2#（蓝色）和3#（绿色）闭式冷却塔出水温度的趋势图。

3 结论

本文应用西门子组态软件WinCC设计了汽车生产线冷却水循环系统的监控系统。汽车生产线冷却水循环系统的整个控制系统以西门子S7-300 PLC为核心控制器，

【】【】采用了主从站的结构，主控制器为CPU315-2PN/DP，WinCC监控系统应用PROFINET技术与主控制器进行通信连接。汽车生产线冷却水循环系统的WinCC监控系统实现了过程可视化、过程控制、报警显示以及过程值归档和趋势图显示等功能，为现场工作人员提供了友好的、操作方便的人机界面。该监控系统成功应用于北京奔驰汽车有限公司汽车生产线焊接和冲压工艺的冷却水循环系统。