西门子S7_400与WinCC在镀锌退火炉控制系统中的应用

【摘 要】 邯宝冷轧厂的产品未来将主要面向高档汽车板和家电板。作为邯宝冷轧厂的重要生产部门，对其产品的技术性能有着非常严格的要求，这就需要对生产设备的各个参数有着非常精确的控制。通过S7-400控制器及WINCC组态软件的应用，实现了集中可视化监控，保证了生产操作的可靠、稳定，大大减少了设备故障，为生产合格的冷硬卷奠定了基础。

【关键词】 集中可视化监控 镀锌退火炉 冗余功能 WinCC

1 工艺流程

镀锌线退火工艺段由立式退火炉、镀后冷却段、终冷段组成。采用了利用烟气余热加热保护气体喷射预热带钢、全辐射管加热和均热、箱式窄缝喷嘴喷吹保护气体快速冷却和镀后空气喷射冷却等技术。WinCC是西门子公司开发的基于Windows环境下解决生产和过程自动化、可视化信息显示的人机接口组态软件。利用WinCC强大的图形编辑器功能可以实现镀锌生产线退火炉工艺流程图、参数设置图、历史曲线图、报警信息等各种画面的制作。

2 控制系统构成及网络通讯

基础自动化控制系统中央处理器使用S7-400的PLC型号为CPU417-4，S7-400机架中配置以太网通讯模块CP443-1及profibus总线通讯处理器。现场使用远程I/O站，通过IM-153模板接口与profibus DP现场总线连接。

镀锌线退火炉机组在PLC室设有2台WinCC服务器（相互热备冗余），1台工程师站，操作室设有2台WinCC客户机。

网络配置如图1所示：

上位机监控操作系统的制作采用西门子WinCCV6.0组态软件，在WindowsXPSP2平台下运行。PLC控制系统软件采用PCS 7 V7.1版本编程。

3 WinCC的冗余功能

冗余功能通过在WinCC的Redundancy选项中激活冗余功能（Activate Redundancy）来实现。WinCC项目配置为多用户模式（Multi-user），并且工作在时钟同步方式下，将该系统内所有具有时钟的站点都工作在相同的时间系统上。运行过程中2台服务器（SE01，SE02）相互监控，当SE01发生故障时，所有的客户端自动进行切换，连接到正常运行的SE02。当SE01上的故障处理完成后，在故障期间的归档记录会从SE02自动复制到SE01中，从而保证了服务器数据的同步。

4 监控操作画面的设计

4.1 画面设计

监控操作画面的制作原则是在实用、便于操作的前提下尽量保持美观。系统画面主要由操作画面、报警画面、历史曲线画面组成。

根据镀锌加热炉的系统结构及程序结构将监控操作画面又划分为总体布局、烟气系统、冷却系统、燃烧系统、气氛控制系统、电加热系统、炉区供辅系统、合金化炉系统8个部分。在每个部分中根据功能要求在画面上显示所有设备的当前运行状况、所有温度、压力、流量的实时监控显示、系统工艺流程、操作员参数设定区域以及主要的工艺参数值。

报警画面分为实时报警画面、已复位报警画面以及操作历史记录画面。实时报警画面显示所有发生的报警记录；已复位报警画面显示操作员已确认过的报警信息；操作历史记录画面显示操作人员在画面上所做的所有操作的记录。报警历史记录功能通过WinCC Alarm Control控件实现。报警历史记录短期档案库为一个环形缓存区，最多可储存10 000条消息，遵循先进先出原则，超出存储范围的新来的消息总是首先覆盖最老的消息。报警历史记录可以通过工具栏中的筛选按钮按日期、类型等信息查看。

历史曲线画面是对退火炉主要工艺参数以曲线的形式进行跟踪显示并且可以记录保存下来。历史曲线画面将同一功能的数据集成在一个坐标系中对比显示，横坐标显示时间，纵坐标显示变化值，可直观又方便地观察压力、温度、流量的变化趋势，还可根据需要查阅近3个月的历史记录，便于对不同时期炉况进行分析。

在画面运行期间，WinCC的所有应用程序，包括图形、报警、归档等，必须通过调用Tag实现其功能。WinCC画面中的图表等控件向Data Manager请求Tag当前值，Data Manager通过通信驱动程序，使用通信处理器向PLC发送请求以调用Tag当前值。画面控件的图形或数值根据各自属性所调用的Tag当前值而变化。

4.2 典型画面

退火炉总体布局画面是退火炉系统的总貌画面，通过WinCC设置在系统运行时自动进入此画面，显示退火炉系统工艺流程运行情况，系统主要温度、压力、流量的实时监控显示、主要阀门的开关按钮和开关状态，退火炉气氛、热值等工艺参数的显示，以及其他画面的切换按钮。在此画面可以完成各工艺流程的手动及自动切换以及工作状态的选择（使用、停用）。如图2所示。

5 WinCC组态过程

（1）根据退火炉系统的输入输出设备分配I/O地址。

（2）根据I/O配置设计出系统的外部接线图，并与PLC相连，按照控制要求编写程序，并下载到PLC中进行调试，保证控制系统正确。

（3）启动WinCC软件，建立WinCC项目，在变量管理中添加PLC驱动程序，在实时数据库中创建数据变量。

（4）打开图形编辑器，根据工艺要求利用绘图工具完成退火炉系统个层级画面的设计。

（5）对画面中所使用的构件进行属性设置，为画面的输入输出域创建动态连接，与实时数据库中创建的数据变量连接，实现现场设备在HMI控制画面上的监控。

（6）WinCC通过“变量记录”组件来组态过程值的归档。已归档的过程值既可以连接到画面显示，还可以添加到趋势图曲线坐标系中，通过趋势图画面可以查阅近3个月的历史记录，便于对不同时期炉况进行分析。

（7）WinCC项目作为操作站插入PCS 7项目中，对该WinCC项目执行编译后，PCS 7报警DB块中编辑完成的报警信息自动导入Alarm Log-ging组件中，并以Tag的形式建立归档，归档中记录了每一条报警的内容、等级、故障来源等信息。当Ta对应的故障信号产生时，Ta被触发，画面上即时显示此Ta所对应的归档信息。

6 结语

镀锌退火炉控制系统的设计采用s7_400PLC为控制器、利用wincc组态软件设计操作界面，通过以太网和profibus两层网络进行数据通信，实现了镀锌退火炉系统的基础自动化。PLC作为控制系统的大脑，对现场参数进行采集，并接受上位机的控制指令，完成对设备的控制。WinCC通过通信线路接收到现场数据，实现了显示、记录、历史趋势以及故障报警等功能。镀锌退火炉系统实现了集中可视化监控，操作性灵活，系统稳定性和可靠性高，大大减少了设备故障，为生产合格的冷硬卷奠定了基础。

参考文献：

[1]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC[M].北京航空大学出版社，2005.

[2]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].机械工业出版社，2005.