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基于WinCC的条烟输送监控系统的设计与实现

作者：钟永进作者单位：上海格西信息科技有限公司 2013年6月29日

    摘要：本文设计了一套基于德国西门子公司组态软件WinCC 7.0的条烟输送监控系统。从规模上，满足采集PLC站点的10000点数据需求，数据库应能容纳100万条数据记录，并能保证数据实时处理、交换。从设计上，满足公司条烟输送生产线的系统监控、数据存储、数据查询业务需求。从技术上，充分发挥当今IT界优秀、成熟的技术，使系统表现出一定的先进性。本文简要介绍了系统的设计和实现方法。

    关键词：自动化软件；组态软件；条烟输送监控；WinCC


    1.引言
    随着计算机、网络、通信技术的日趋成熟，伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现，各种 “组态”的概念开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术不断发展和应用的过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
    国外有名的组态软件产品有Wonderware的InTouch、GE-Intellution的iFIX、Siemens的WinCC，国内的产品有北京亚控科技公司的KingView、紫金桥公司的Realinfo、北京世纪长秋科技公司的世纪星、北京三维力控科技公司的组态软件。
    本文主要介绍自主开发的一款基于德国西门子公司组态软件WinCC 7.0的应用于烟草行业的条烟输送监控系统，包括其总体设计方案和一些实现细节。本软件设计和实现上具有以下特点：
     本软件采用动态流程形式，遵循由宏观到微观、由整体到局部、层层深入、逐步放大的设计理念。采用整机画面动态显示卷包车间整个条烟输送系统流程图、系统工作状态、可直观的了解卷包车间生产设施、生产要素协同工作的情况。采用单机画面动态显示某一单机的实时生产运行状态信息。
     本软件监控画面采用图文并茂的设计方式，全中文显示，文字表达直观，简明易懂，表格排列有序美观。
     本软件具备报警提示功能，在系统运行过程中设备一旦出现故障，屏幕上将出现报警提示。
     本软件具有数据存储功能，能够完成数据的查询及打印功能，数据存储采用通用的数据库管理平台，数据能方便的接入第三方的业务系统。
     本软件带密码权限分级管理。

    2.系统概述
    2.1系统功能
    本条烟输送生产线系统由以下的主要设备组成：33台条烟提升机（其中5台高速提升机和28台中速提升机）、6条条烟输送线（每条输送线由若干个动力头组成）、3台条烟手工平台、12台条烟收集机。
    本软件系统采集PLC站点的点数大概在1万点，PLC之间的全部采用以太网连接。由于数据分布，本软件系统与PLC的连接需建立多个连接。
    本软件系统主要由监视条烟输送系统的状态、重要数据的存储、历史数据及报表的查询和重要参数的设置及一些附加操作等组成，可对单机设备进行状态故障报警监控，历史数据的存储并最少能保存30天90个班次，历史数据的查询和打印，设备参数设置。

    2.2软件平台与架构
    本软件采用WinCC平台进行开发，在系统实现上，采用目前国际流行的面向对象技术、MVC的设计模式和WinCC平台脚本编程技术，将整个系统从逻辑上分为用户界面层、业务逻辑层和数据访问层等几大部分，以提高系统的可扩展性、灵活性、易维护性。本软件的体系架构框图如图2-1所示。


    图2-1 体系架构框图

    本软件运行的操作系统是Windows XP SP3，组态软件是WinCC 7.0 SP2，数据库是Microsoft SqlServer 2005，脚本编程混合使用C和VB Script，借助WinCC强大的组态和HMI（Human Machine Interface人机界面）功能，一方面通过HMI和操作员之间的通讯，另一方面通过PLC组态通信模块与自动化系统通讯，实现过程监控的拟物化和可视化。
    本软件设计采用的WinCC子系统包括：
    1) 图形系统——用于创建画面的编辑器，也称作图形编辑器。
    2) 报警系统——对报警信号进行组态的过程，也称报警记录。
    3) 用户管理——用于对用户进行管理的编辑器。
    4) 通讯系统——提供WinCC与SIMATIC各系列可编程控制器的连接。

    2.3软件界面
    本软件采用动态流程形式，遵循由整体到局部、层层深入、逐步放大的设计理念。采用整机画面动态显示卷包车间整个条烟输送系统流程图、系统工作状态、可直观的了解卷包车间生产设施、生产要素协同工作的情况。
    2.3.1界面总体布局
    本软件界面的总体布局如图2-2所示。分为标题栏，菜单栏和工作区三部分，标题栏显示系统名称、当前时间、班次和登录信息；菜单栏采用按钮方式，把软件的各个功能展示出来；工作区为详细的功能展示区。

    图2-2 界面总体布局图

    2.3.2条烟系统纵览
    条烟系统纵览显示每个设备的运行状态和报警以及进入每个设备的单独的子画面链接。每个设备的使用4种颜色表示状态：绿色表示正常，红色表示待机，红色闪烁表示故障，灰色表示断网。上面的画面中以设备编号的按钮或其他图标表示对应的条烟提升机、条烟输送线、条烟收集机和条烟手工平台，用鼠标点击则进入相对数字的设备画面中。
    条烟系统纵览界面的如图2-3所示。

    图2-3 条烟系统纵览图

    2.3.3条烟提升机
    条烟提升机设备有以下的子项的状态数据：“翻板打开”、“一分二堵塞”、“上部故障”、“中部故障”、“输送线停”、“故障停机”、“正常停机”、“正常候机”、“正常运行”及各状态发生的次数和累计时间；当前生产所属的班号、牌号和对应的产量；当前的报警位置和报警说明，传感器的状态。
    条烟提升机界面的如图2-4所示。

    图2-4 条烟提升机图

    2.3.4条烟输送线
    条烟输送线有以下的子项状态数据：“正常停机”、“正常运行”、“故障停机”、“堵塞停机”、“正常待机”及各状态发生的次数和累计时间；当前的报警位置和报警说明。
    条烟输送线界面的如图2-5所示。

    图2-5 条烟输送线图

    2.3.5条烟收集机
    条烟收集机设备有以下的子项状态数据：“顶升卡烟”、“故障停机”、“出口堵塞”、“正常停机”、“人工操作”、“正常运行”、“下游故障”、“入口堵塞”及各状态发生的次数和累计时间；当前生产所属的班号、牌号和对应的产量；当前的报警位置和报警说明，传感器的状态等。对收集机滑道的选择，同一机台同一滑道的上下层不能同时选择，且同一区的不同机台的同一通道不能同时选择。
    条烟收集机界面的如图2-6所示。

    图2-6 条烟收集机图

    2.3.6条烟手工平台
    条烟手工平台有以下的子项状态数据： “正常运行”、“正常待机”、“故障停机”。及各状态发生的次数和累计时间；当前生产所属的班号和对应的产量；当前的报警位置和报警说明，传感器的状态等。
    条烟手工平台界面的如图2-7所示。

    图2-7 条烟手工平台图

    2.3.7网络状态
    每个设备的PLC或变频器如果和主PLC通讯正常后会在其设备旁无带有叉的图形，如果通讯不正常则带有叉的图形显示。。
    网络状态界面的如图2-8所示。

    图2-8 网络状态图

    2.3.8报警信息
    工具栏上是 “开始时间”和“结束时间”表示要查询的记录的时间区间段，设备号选择设备机台，可以查询、确认、导出报警信息。
    报警信息界面的如图2-9所示。

    图2-9 报警信息图

    2.3.9历史数据
    工具栏上是 “开始时间”和“结束时间”表示要查询的记录的时间区间段，设备号选择设备机台，可以查询、导出设备的运行状态数据或产量数据，这两种数据的报表都是excel报表格式。
    历史数据界面的如图2-10所示。

    图2-10 历史数据查询图

    2.3.10系统设置
    系统设置包括以本地电脑的时间或手工输入时间校正PLC的时间、班制设置、牌号设置、收集机选通滑道设置、动力头设置、退出系统、关机等功能，界面不一一列举。
    系统设置界面的如图2-11所示。

    图2-11 系统设置图

    3.关键技术
    本软件的设计涉及到一些关键技术，其中有框架设计层面的，也有具体算法实现方面的，这里从宏观的角度介绍其中几个最为主要的方面。

    3.1WinCC脚本技术
    WinCC提供类C语言脚本和VBScript语言脚本，以及一个调试环境。两种脚本语言可以混合使用，各有优缺点，C脚本对系统级的访问支持很出色，可以使用C脚本方便调用Windows系统提供的API函数，缺点是非面向对象语言，使用难度高，开发门槛高；而VBScript脚本则简单易用，WinCC提供了面向对象的库，入门简单，开发效率高。本软件的大部分脚本是使用VBScript语言进行开发，极少的需要和操作系统打交道的功能，如登录、退出系统、关机等，使用了C脚本进行控制。
    3.2界面交互技术
    工业化生产线，通常都是由大量相同的作业机器和传动线组成，在设计界面的时候，首要考虑的因素就是界面复用，同样的机器，界面只有一份，通过变量命名规则和脚本技术，控制同一型号的A机器和B机器的状态显示。在本软件中，类似于提升机、收集机等有n台一样的机器，都是通过规范的变量命名和统一的脚本进行控制的。

    3.3数据库技术
    工业化生产的数据，通常都需要进行实时存储，以方便按需查询和导出，再利用后台业务系统进行统计分析，反过来指导生产。WinCC提供归档功能可以实现对变量的实时归档，能够满足要求不高的系统需求，但是复用性、聚合性不强，不太适合大的生产线。本软件的数据存储没有选择WinCC的归档功能，而采用自定义的独立数据库，通过VBScript对数据库进行操作，具备了紧凑的结构和一致的访问接口，同时可以提供一致的第三方数据访问接口。

    3.4仿真测试技术
    一个合格的开发平台，仿真功能是必不可少的功能，WinCC平台提供了仿真测试功能，可以方便的对数据点进行仿真，模拟实际系统的运行。但是WinCC平台提供的仿真测试功能比较难用，实现困难很多。本软件只使用了WinCC的变量仿真功能，把外部变量移入内部变量进行仿真，按机器类别、按数据类型分别仿真测试，最终做到全覆盖每一个功能。

    4.系统应用
    本软件是基于西门子WinCC平台的条烟输送监控系统，可以作为条烟输送生产线监控软件的蓝本，面向条烟输送生产设备商、集成商以及第三方独立软件开发商，通过定制手段满条烟输送生产线监控市场的多样化需求。

    5.结束语
    随着工业自动化水平的迅速提高，人们对工业自动化的要求越来越高，烟草行业也不例外，生产的工业化和信息化迅速提高，出现了种类繁多的控制设备和过程监控装置的应用，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。组态软件处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，具有强大的界面显示组态功能、良好的开放性、丰富的功能模块、强大的数据库、可编程的命令语言、周密的系统安全防范与强大的仿真功能，可以为用户提供快速构建生产自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。西门子WinCC平台，借助其强大的硬件平台，将会取得迅速的发展。

    参考文献
    [1] 西门子. WinCC 7.0 Reference Manual
    [2] 西门子. WINCC连接siemens_PLC的常用方式
    [3] 百度百科. 组态软件. http://baike.baidu.com/view/380099.htm

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评论人：工控网网控工

评论时间：2022-10-24

本条烟输送生产线系统由以下的主要设备组成

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