1 引言
雙邊剪機(jī)組是軋鋼廠精整車間的關(guān)鍵設(shè)備之一,主要負(fù)責(zé)對(duì)成型后的鋼板進(jìn)行毛邊剪切,使之成為最終成品。整個(gè)雙邊剪機(jī)組從控制角度可分為主剪系統(tǒng)、夾送輥和輥道控制系統(tǒng)、橫移系統(tǒng)、間隙調(diào)整系統(tǒng)、激光劃線系統(tǒng)、鋼板對(duì)正系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)。為了防止鋼板在剪切的過(guò)程中跑偏,確保鋼板的剪切尺寸和送板步長(zhǎng),雙邊剪8臺(tái)夾送輥的同步性控制非常重要。某軋鋼廠雙邊剪機(jī)組控制系統(tǒng)的改造項(xiàng)目中,采用了基于PROFIBUS總線的分布式全數(shù)字雙邊剪夾送輥傳動(dòng)控制方案,用以取代傳統(tǒng)的模擬量控制系統(tǒng)。
為了對(duì)改造后的雙邊剪夾送輥傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,方便機(jī)組的量化管理,采用西門子組態(tài)軟件WINCC作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái),用于開發(fā)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。WINCC是優(yōu)秀的工控組態(tài)軟件,特別是WINCC V6.0推出以后,在軟件體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等方面都有了很大的改進(jìn),使得它的功能更加完善,系統(tǒng)更加開放,組態(tài)更加靈活[1]。但是由于WINCC的變量歸檔周期過(guò)長(zhǎng)(最短也要500ms),不能滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求。為了突破WINCC這個(gè)組態(tài)瓶頸,充分利用WINCC的開放性特點(diǎn),采用C腳本編寫高速數(shù)據(jù)采集的全局動(dòng)作,用于對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)的打包接收和處理,并用Visual C++開發(fā)ActiveX控件用于高速數(shù)據(jù)曲線的顯示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
基于PROFIBUS總線的分布式全數(shù)字雙邊剪夾送輥傳動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,自上而下可劃分為監(jiān)視級(jí)﹑控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)三個(gè)層次。

圖1 雙邊剪夾送輥控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)視級(jí)
監(jiān)視級(jí)僅由一臺(tái)研華IPC610型工控機(jī)組成。工控機(jī)作為PROFIBUS-DP 2類主站,配置了通訊處理器CP5613,通過(guò)PROFIBUS DP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與控制級(jí)之間的通訊。監(jiān)視級(jí)不直接參與生產(chǎn)過(guò)程的控制,而是通過(guò)WINCC開發(fā)監(jiān)控軟件,實(shí)現(xiàn)以下功能:過(guò)程監(jiān)視畫面的開發(fā)、8臺(tái)直流電機(jī)的速度和電流數(shù)據(jù)的采集與顯示、控制系統(tǒng)主要參數(shù)的顯示與設(shè)置、系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)、雙邊剪機(jī)組運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)等。
2.2 控制級(jí)
控制級(jí)采用一臺(tái)S7 PLC 412-2DP作為控制主站,是整個(gè)夾送輥傳動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。利用STEP7軟件進(jìn)行整個(gè)控制級(jí)的硬件組態(tài)及控制程序的編寫與調(diào)試,主要完成以下功能:
(1) 根據(jù)雙邊剪機(jī)組的工藝要求,控制各夾送輥的運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證鋼板在剪切過(guò)程中不跑偏,必須確保對(duì)8臺(tái)夾送輥進(jìn)行同步性控制,因此設(shè)置了多種“主從控制”方式[2]。
(2) 完成與主剪控制PLC的信息交換。S7-400 PLC從主剪控制PLC接收夾送輥啟動(dòng)、停止和壓板壓下等信號(hào)。反饋給主剪控制PLC驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好、驅(qū)動(dòng)器故障、電機(jī)風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備好、電機(jī)風(fēng)機(jī)故障等信號(hào)。
(3) 為監(jiān)視級(jí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),同時(shí)接收來(lái)自監(jiān)視級(jí)的控制指令。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)由8套直流電機(jī)控制柜構(gòu)成。每個(gè)控制柜都安裝了一臺(tái)6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置和智能分布式從站ET200M。6RA70用于實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)夾送輥的直流電機(jī)進(jìn)行速度和力矩控制,而控制柜的開關(guān)量和面板操作及顯示裝置均通過(guò)ET200M來(lái)控制。6RA70和ET200M智能從站分別通過(guò)CBP2通訊模塊和IM153接口模塊,接入PROFIBUS-DP總線,實(shí)現(xiàn)與控制級(jí)PLC的通訊。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集方案
3.1 WINCC通訊原理
WINCC使用變量管理器對(duì)變量進(jìn)行集中管理。變量管理器的任務(wù)是從控制系統(tǒng)(如PLC)中取出請(qǐng)求的變量值。這個(gè)過(guò)程通過(guò)集成在WINCC項(xiàng)目中的通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成。通訊驅(qū)動(dòng)程序利用其通道單元構(gòu)成WINCC與過(guò)程處理之間的接口。變量管理器到控制系統(tǒng)的基于硬件的連接是利用通訊處理器(如CP5613)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。WINCC驅(qū)動(dòng)程序使用通訊處理器向PLC發(fā)送請(qǐng)求消息,然后,通訊處理器將PLC回答消息請(qǐng)求的過(guò)程值發(fā)回WINCC變量管理器。WINCC與PLC之間的數(shù)據(jù)交換是監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此,在利用WINCC進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)之前必須先進(jìn)行變量組態(tài),確定數(shù)據(jù)采集方案。

3.2 常規(guī)過(guò)程變量的組態(tài)
首先在變量管理器中添加SIMATIC S7 Protocol Suite驅(qū)動(dòng)程序,在PROFIBUS通道單元下建立一個(gè)與S7 PLC的連接。對(duì)于常規(guī)的過(guò)程變量,如控制系統(tǒng)的故障信息、每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及機(jī)組的工況等信號(hào),由于更新周期比較長(zhǎng)(通常不小于500ms),只要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型、變量地址等常規(guī)組態(tài)即可,變量管理器自動(dòng)完成對(duì)這些變量的處理,還可以充分利用WINCC強(qiáng)大的過(guò)程值歸檔功能進(jìn)行歸檔。
3.3 電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的高速采集
在雙邊剪夾送輥控制系統(tǒng)的調(diào)試和故障分析過(guò)程中,各夾送輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速曲線是非常重要的依據(jù),因此要求能夠在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)視8臺(tái)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速曲線。為了得到比較平滑的電流和轉(zhuǎn)速曲線,至少需要每20ms采集一個(gè)電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),然而WINCC最短的變量更新周期為250ms,最短的歸檔周期為500ms,顯然常規(guī)的過(guò)程變量組態(tài)功能無(wú)法滿足電流和轉(zhuǎn)速的高速采集的要求。
為了滿足采集快速改變的過(guò)程值或用于組合一臺(tái)設(shè)備的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)等場(chǎng)合的需要,WINCC提供了消息幀變量。在自動(dòng)化系統(tǒng)中,多個(gè)過(guò)程值可以被寫入連續(xù)的數(shù)據(jù)塊并以消息幀形式發(fā)送到WINCC,存儲(chǔ)在WINCC的原始數(shù)據(jù)變量中。原始數(shù)據(jù)變量的格式和長(zhǎng)度均不是固定的,只有發(fā)送者和接收者能解釋其內(nèi)容,WINCC不能對(duì)其進(jìn)行解釋。
利用上述方法,在WINCC上為每臺(tái)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速分別組態(tài)一個(gè)原始數(shù)據(jù)變量,變量長(zhǎng)度為52個(gè)字節(jié)。前50個(gè)字節(jié)依次存儲(chǔ)25個(gè)過(guò)程變量值(每個(gè)電流和轉(zhuǎn)速值均占兩個(gè)字節(jié)),最后兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè)標(biāo)志變量,用于指示最新的采樣值在該結(jié)構(gòu)中的存放位置。然后在PLC中使用循環(huán)中斷組織塊OB35,將循環(huán)周期設(shè)為20ms,并為WINCC組態(tài)的每一個(gè)原始數(shù)據(jù)變量分配相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與WINCC中的原始數(shù)據(jù)變量的結(jié)構(gòu)一致)。當(dāng)每次中斷后,PLC從每臺(tái)6RA70上采集一個(gè)電流和轉(zhuǎn)速值,并按時(shí)間先后次序?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),為了區(qū)分每次寫入的采樣值的時(shí)序,需要將最新寫入的采樣值在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的位置保存到最后兩個(gè)字節(jié)。這樣,在WINCC上每隔500ms采集一次原始數(shù)據(jù)變量,而每個(gè)原始數(shù)據(jù)變量中包含了25個(gè)過(guò)程值,從而間接獲得了20ms的數(shù)據(jù)采集周期。
WINCC不能直接對(duì)原始數(shù)據(jù)變量進(jìn)行處理,但是可以通過(guò)WINCC提供的C腳本編寫用于處理原始數(shù)據(jù)變量的全局動(dòng)作,在該全局動(dòng)作中,調(diào)用WINCC內(nèi)部函數(shù)GetTagRaw()來(lái)更新原始數(shù)據(jù)變量,并對(duì)其中的消息幀內(nèi)容進(jìn)行拆包處理,最后將分解出來(lái)的電流和轉(zhuǎn)速的采樣值按照特定的格式保存到有關(guān)的數(shù)據(jù)文件中去,為了便于查詢歷史數(shù)據(jù),給每個(gè)數(shù)據(jù)包打上系統(tǒng)時(shí)間戳。整個(gè)全局動(dòng)作的程序流程如圖2所示。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集全局動(dòng)作的流程圖

4 監(jiān)控軟件開發(fā)
監(jiān)視級(jí)的監(jiān)控軟件主要利用西門子的組態(tài)軟件WINCC6.0進(jìn)行二次開發(fā)完成,同時(shí)利用Visual C++6.0開發(fā)專門用于顯示電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速曲線的ActiveX控件并嵌入到監(jiān)控系統(tǒng)中。
4.1 監(jiān)控軟件的功能分析及組態(tài)
整個(gè)監(jiān)控軟件按照工廠現(xiàn)場(chǎng)的具體功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)組態(tài)軟件的特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能都在單獨(dú)的圖形畫面中得以體現(xiàn)。按照監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，組態(tài)了以下基本畫面:
(1) 主畫面:當(dāng)WINCC項(xiàng)目運(yùn)行后自動(dòng)顯示該畫面，主畫面上方為該監(jiān)控系統(tǒng)的名稱，工廠標(biāo)志以及日期時(shí)間等信息，下方為功能切換按鈕，中間部分為子畫面顯示區(qū)。
(2) 剪切過(guò)程子畫面:該畫面動(dòng)態(tài)模擬雙邊剪的剪切過(guò)程,能夠準(zhǔn)確而形象的反映夾送輥的起停、正反轉(zhuǎn)、上輥的壓下與臺(tái)升、送板過(guò)程以及壓板壓下等狀態(tài)。動(dòng)畫是通過(guò)C腳本編寫代碼在后臺(tái)修改各圖形元件的屬性實(shí)現(xiàn)的。
(3) 虛擬操作臺(tái)子畫面:該畫面將操作臺(tái)及8套電機(jī)控制柜的面板上的主要操作機(jī)構(gòu)(如按鈕，轉(zhuǎn)換開關(guān)等)及顯示元件(如指示燈)集中在一起，形成一個(gè)虛擬操作臺(tái)。通過(guò)該畫面，可以直觀而全面的了解機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)與實(shí)際操作臺(tái)同等的操作功能。
(4) 故障檢測(cè)及報(bào)警子畫面:該畫面集中顯示和管理機(jī)組的故障和報(bào)警信息，主要通過(guò)調(diào)用WINCC內(nèi)置的報(bào)警控件實(shí)現(xiàn)。
(5) 工藝參數(shù)設(shè)定子畫面:該畫面用于設(shè)置剪切步長(zhǎng),剪切速度等重要的工藝參數(shù)。
(6) 臺(tái)帳及報(bào)表子畫面:該畫面統(tǒng)計(jì)機(jī)組的重要運(yùn)行數(shù)據(jù),如正常運(yùn)行時(shí)間、故障時(shí)間、停機(jī)時(shí)間等,并且以直方圖和表格等形式顯示和打印機(jī)組的各種報(bào)表。
(7) 電流和速度曲線子畫面:在該畫面上嵌入自行開發(fā)的電流和轉(zhuǎn)速曲線控件,用于實(shí)時(shí)顯示8套夾送輥直流電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速曲線。
4.2 電流和速度曲線控件的設(shè)計(jì)[3]
由于電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)不是通過(guò)WINCC進(jìn)行歸檔，而是保存在自定義的數(shù)據(jù)文件中，因而不能使用WINCC的曲線顯示控件進(jìn)行顯示，需要自行開發(fā)ActiveX控件，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的圖形顯示功能。ActiveX是基于COM的可視化控件結(jié)構(gòu)的商標(biāo)名稱。它是一種封裝技術(shù)，提供封裝COM組件并將其置入應(yīng)用程序的一種方法。Visual C++提供了多種開發(fā)ActiveX控件的方法，但是相對(duì)而言,利用MFC ActiveX ControlWizard向?qū)У姆椒ǜ尤菀锥铱旖荨Ｔ摽丶四軌驅(qū)崟r(shí)顯示電流和轉(zhuǎn)速曲線這個(gè)基本功能外,還實(shí)現(xiàn)了歷史曲線查詢、曲線保存、打印曲線等附加功能。WINCC是一個(gè)很好的ActiveX容器，在操作系統(tǒng)中注冊(cè)的所有ActiveX控件都可以被WINCC調(diào)用，因此將編好的控件注冊(cè)后直接嵌入WINCC的電流和速度曲線子畫面即可。

5 結(jié)束語(yǔ)
利用WINCC開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng),具有簡(jiǎn)單易學(xué)、開發(fā)周期短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)豐富的通訊驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)與控制系統(tǒng)的無(wú)縫接入。同時(shí),由于WINCC支持C腳本和ActiveX等開放性接口,所以可以利用第三方開發(fā)工具擴(kuò)展監(jiān)控系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)已于2005年4月投入現(xiàn)場(chǎng)使用,并連續(xù)運(yùn)行至今,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。