基于WinCC盾构刀盘远程监控系统设计

摘要：该设计主要涉及利用WinCC组态软件进行盾构刀盘试验台实时监控系统的设计步骤和开发过程。课题研究了WinCC 软件组态、STEP 7 硬件组态和软件编程、WinCC与SIMATIC S7-300 PLC通信以及基于HMI(触摸屏)的监控软件设计。

关键词：盾构刀盘试验台；组态软件；WinCC；PLC

中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)18-4462-03

Remote Monitoring System Designs Based on the Wincc Shield Cutter

GAO Yong

(Changsha Electronic Technology School, Changsha 410116, China)

Abstract: The design mainly involves the use of WinCC configuration software test shield cutter real-time monitoring system of design procedure and the process of development. The research mainly focus on WinCC software configuration, STEP 7 hardware configuration and software programming，the communications between WinCC and SIMATIC S7-300 PLC, HMI monitor software design based on touch screen.

Key words: shield machine cutter head; configuration software; WinCC; PLC

1 监控系统整体方案设计

1.1 盾构刀盘试验台工作特点概述

盾构刀盘试验台工作过程是为了模拟实际盾构施工过程中的工况要求，该试验台工作特点主要有：

1) 大功率、闭式传动，结构简单、传动效率高。模拟不同工况的使用要求。

2) 通过比例放大器控制比例方向阀，实现对液压马达的无级调速。

3) 根据变量泵高压端压力传感器的实时检测值，限定比例放大器外部控制电压的给定值，可以实现系统的恒功率控制，控制精度根据使用要求由PLC程序设定，调整方便。

1.2 监控系统整体设计

根据盾构试验台的功能特点，兼顾系统的先进性、安全性、经济性和可扩展性，确定采用以工控机作为上位机，由PLC 完成数据的采集，完成对CP-5611卡初始化后，通过PROFIBUS―DP通讯，来实现上位机的实验数据的采集显示，同时通过HMI（触摸屏）来实现重要数据的监视并控制。

1.3 盾构刀盘监控系统硬件设计

本系统采用SIMENTIC S7-300作为WinCC组态的硬件基础，通过MPI，实现数字编程。如图2所示。

由图2可知，工控机和CP-5611卡经PCI连接后，通过PROFIBUS―DP完成于PLC间的通讯，传输电缆采用RS485系列。主站CPU模块为CPU 313C-2DP，该模块自带DP口，可以直接通过PROFIBUS_DP与上位机之间建立通讯。PLC从站IM模块具有分布式I/O接口，主要获取来自应变片传感信息，同时连接主站上还有两路高速计数通道，用来传递速度、位移等信息。

1.4 监控系统通讯方式的设计

本系统采用上位机PC集成CP5611通讯卡与PLC建立通讯，这里通讯方式主要选择有两种，一种是通过MPI协议建立通讯，另外一种则是通过PROFIBUS_DP组成通讯网络。

完成硬件组态后的项目经过编译，需设置PC侧PROFIBUS参数不再赘述。

2 监控系统软件设计及参数设置

2.1 监控软件设计

2.1.1 设计流程及整体设计

WinCC监控软件设计是监控系统的核心成分，一些重要数据的显示与监控都由监控画面完成，其设计流程图4示。

WinCC作为上位机监控软件，其主要作用是通过PLC通信采集到现场数据，根据现场条件和控制要求，并对其进行监控，保证盾构刀盘系统的正常运行。为方便操作员画面监控，对画面采用分级监控，如图5所示。

2.1.2 新建项目

WinCC组成主要包括七个主要部分组成：

1) 变量管理器，可以增加与删除变量；

2) 图形编辑器，静态流程图画面制作并进行变量关联；

3) 报警记录：当变量的数值超限时，触发报警事件；

4) 变量记录，进行历史曲线的制作与显示；

5) 报表编辑，进行循环报表与事件报表制作；

6) 用户权限管理，对操作功能进行等级限制，设置操作密码；

7) 脚本语言，进行复杂事件组态；

图6是WinCC组成画面，由图可以看出WinCC的七个主要组成部分，利用组成部分的各项功能，便可实现系统的监控。

2.1.3 WinCC通讯参数设定与变量链接

添加SIMTIC S7 PROTOCOL协议集后，系统自动添加S7系统支持的所有协议，为了实现与PLC之间的通讯，采用PROFIBUS通讯，右击选择添加新的驱动连接，弹出图7通讯参数设定对话框，为了方便管理，新建名设为signal，通讯参数与PLC对应，站地址设为2，插槽号以及机架号等均设为0。

2.1.4 静态画面设计

在图6中，点选Graphics Designer,便弹出静态图行设计界面，在一般情况下一幅完整的流程图有四个部分组成：

图形按钮区――实现不同流程图画面的切换

流程图名称区――前流程图画面名称

操作画面区――仿真的流程图

信息报警区――超限报警，设备的启停报警

本设计中我们利用绘图工具中文本和I/O域建立与变量链接的图形界面，用以显示被测量的当前值。同时还利用WinCC中的库图形文件，建立八路开关量。通过动态链接将对象属性动态化，从而实现直观的视觉效果。如图8所示：在信号采集区，新建了十六个I/O域，连接的变量类型都是32位浮点的模拟量，用以显示盾构刀盘的刀位信息。动态链接变量过程如图所示，在图形对象的“属性”中，选中输入\输出，右击选择添加变量，选中相应的变量即可。

按照上述所说的方法，我们把处理信号输出以及相应的开关量进行动态链接，处理信号输出量是采集后的信号通过个人PC处理，发出的刀盘动作信号。开关按钮用来控制运行系统的启停，系统内部发出脉冲信号，相应的开关图标动作，下面的I/O域文本值显示为ON或者OFF。

2.2 HMI（触摸屏）监控软件设计

HMI（触摸屏）监控软件设计流程：新建项目变量连接组态画面通讯设置下载触摸屏。

2.2.1 HMI项目组态与变量链接

Wincc Flexible是西门子推出的用于MP系列控制面板的组态软件。在操作员与Wincc Flexible(HMI设备端)之间以及Wincc Flexible与PLC之间均存在一个接口，HMI系统承担过程状态显示，HMI设备上的画面可根据过程变化动态更新；操作员可通过图形用户界面控制过程，直接设置参数值或操作设备。本项目通过项目向导创建了如图10所示项目画面。

项目画面主要由监控画面、起始画面、系统画面构成。主体是监控画面，图中添加了9个输入输出I/O,用来链接盾构刀盘系统应变片信息。图形界面创建后，要为每个图形界面添加变量，这里添加了16路变量，类型为Real，从PLC站取得地址，详见表1。

2.2.2 HMI与PLC之间的通讯

组态好的项目除了包括图形界面外，还设置了变量链接，以便从PLC读取或向其传送值，变量地址与PLC中的相应地址一致。WinCC Flexible使用通讯管理变量与连接，通讯的任务是从过程中取出请求的变量值，这个过程通过集成在WinCC Flexible项目中的通讯驱动程序来完成。如图11：

图11 HMI项目传送设置

3 监控系统实验验证

实验过程及结果分析

本模拟实验主要采用了二种信号的发生方式：

1) 信号发生器作为信号源

2) PLC自身I/O作信号源

下面就二种情况下，分析实验模拟过程：

1) 首先在信号发生器做信号源时，我们调定了一系列曲线，它们的波形相似，输出电压为方波，输出电流为正弦波。 我们的实验目标是在上位机中能够观察到信号的值，并通过与示波器的调定值的对比，来检验数据的通讯是否成功。如图12所示。

图12 信号发生器信号显示图13 开关脉冲信号输入

图12中，处理信号输出栏连接的变量是信号发生器通过PLC传输的信号，左侧是方波信号显示值为5，右侧是正弦波信号的随机显示，图中捕捉到了数值5.53。通过与示波器上的信号值的对比，表明监控系统数据通讯已经成功。

2) PLC自身I/O做信号源时，主要为了试验开关按钮的变量连接。在PLC的CPU313C-2DP主站，自带有两个16路数字量DI/O模块，取模块地址I0.0,从中输入24V电压脉冲，从WinCC中观察结果图13示。

如图13示，在PLC编程时，设定I0.0上电时，Q0.0接通，这里用文本域ON跟OFF来显示模拟Q0.0的接通与否。从图中可以知道，输入开关量信号时，开关置1，文本域显示ON，表明实验成功。

参考文献：

[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC 应用技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2008.

[3] 西门子(中国)自动化与驱动集团编.深入浅出西S-300 PLC[M].北京:北京航天大学出版社,2004.

[4] 王永华.现场总线技术及应用教程―从PROFIBUS到AS-i[M].北京:机械工业出版社,2007.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文