基于plc水泥工艺煤磨控制系统.doc

基于 PLC 的水泥工艺煤磨段自动控制系统设计 设计总说明 可编程控制器 PLC 是一种重要的 应用场合广泛的工业控制器 它通过数 字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程 组态软件是数据采集 监控系统 SCADA 的软件平台工具 是工业应用软件的一个组成部分 使人们在 异地也可以实现对现场设备进行监控和操作 煤粉制备在工业生产中有重要作用 被广泛应用于冶金 矿山 电力 水 泥等行业 传统煤粉制备控制系统 具有控制点少 靠人工测量 手动操作等 特点 随着生产规模的不断扩大和产量的提高 控制系统的处理量不断增大 以往人工现场控制手段己很难满足生产的要求 同时由于人工检测误差大 控 制设备落后 安全性低 给整个系统的生产操作和管理带来了很大的困难 基 于上述原因 对煤粉制备控制系统的进行了开发和研究 本文介绍了 PLC 在水泥工艺煤磨段自动控制系统中的应用 以及该系统的 硬件配置和功能 同时着重讲述了 PLC 在煤磨段工艺的煤粉收尘仓温度控制系 统中对温度的控制 再结合先进的 PID 算法完善系统 达到运行可靠 节能的 目的 使用 WINCC 软件做出上位监控画面 对下位系统进行实时监控 实现数 据监控 故障报警和记录功能 关键词 煤磨段 PLC PID WINCC 第 1 页 Rubs the section automatic control system design based on the PLC cement craft coal Design Description Coal powder preparation system is used widely in metallurgy mine electric power cement and SO on which is important in industry production Traditional control system has characteristics of a few I O points manual measure manual operation With the enlargement of production scale and enhancement of product unceasingly the operation and management of control system have difficulties because of the quicker processing speed needed manual operation not satisfying complex control demand big error of manual measure backwardness equipments and low safety of traditional system Therefore this paper from both practical and experimental perspectives develops and simulates coal powder preparation control system Programmable Logical Controller PLC is an important and widely used industrial controller which can control various machines and production processes by binary or analog input and output The configuration software is the SCADA software platform tool of data acquisition supervisory system a part of industrial application software s constituent The user can be possible to monitor and operate the scene from remote location This article has introduced PLC in the section of automatic control system s application of the cement craft coal rubs as well as the hardware and function in this system Simultaneously emphatically narrated achieve controlling temperature in the coal rubs the section craft the powdered coal to receive warehouse temperature control system with PLC combined advanced PID algorithm to consummate the system It achieves reliable operation and energy saving And using the WINCC software to make the monitoring pictures of central controller to achieve the real time monitoring to the monitoring terminal realize monitor the data and the malfunction alert and the record 第 2 页 Key Words cement craft coal rubs PLC PID WINC 第 3 页 目录 1 绪论 7 1 1 系统简介 7 1 2 水泥行业介绍 7 1 2 1 国内水泥工业发展现状 7 1 2 2 水泥煤磨段工艺 8 1 3 系统的技术特点及应用前景 9 1 4 系统的技术要求及研究内容 9 2 控制器的选择及控制计算法介绍 10 2 1 PLC 控制概述 10 2 2 PLC 工作原理 11 2 2 1 PLC 的组成 11 2 2 2 PLC 模块 11 2 2 3 PLC 的工作原理 11 2 3 PLC 控制系统的应用特点 12 2 4 西门子 PLC 13 2 4 1 西门子 S7 300 13 2 4 2 西门子 STEP7 13 2 5 控制算法 PID 14 2 6 S7 300 实现 PID 闭环控制的原理 15 3 下位控制系统设计 16 3 1 系统分析 16 3 2 系统输入输出的统计 16 3 3 硬件的选型 17 3 4 下位系统程序的设计 18 3 4 1 系统流程图 18 3 4 2 系统程序 18 4 上位监控系统设计 24 4 1 WINCC 的简介 24 第 4 页 4 2 WINCC 软件的性能特点 24 4 3 WINCC 的系统结构 26 4 4 主监控画面和报警画面 27 5 上下位通讯与仿真 31 5 1 上下位通讯 31 5 2 报警的制作 35 5 3 上下位的仿真调试 36 6 结论 42 6 1 总结 42 6 2 展望 42 7 致谢 43 参考文献 44 附页 45 第 5 页 1 绪论 1 1 系统简介 现代水泥生产过程中 自动化占据着重要地位 它在保证生产安全可靠 提高产品质量及产量 降低能耗及成本 控制环境污染 降低工人劳动强度 提高设备的运转率及劳动生产率 实现科学的生产控制管理等方面都起着重要 的作用 2 水泥工业自动化水平的提高 也为水泥生产新工艺的推广和完善创造了条 件 水泥生产工艺复杂 设备连锁众多 各种检测信号相互影响 采用传统的 人工控制或继电器仪表控制很难达到控制要求 如果生产线上的任何一台设备 出现故障停机 将影响整个生产线的运行 严重时会发生压料 堵料 给生产 带来很大的损失 采用 PLC 控制后 真正做到了自动控制 实时监控 设备出 现故障后系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关设备 并发出声光报警 提醒操作人员及时处理以免影响生产 1 对一些重要的参数和报表系统能够自 动生成历史记录和历史趋势 操作人员和技术人员可以随时查询历史数据了解 生产情况 通过对数据的统计和分析提出新工艺 新方法 不断提高水泥的产 量和质量 煤磨段是水泥生产中的核心工艺之一 在煤磨段工艺中进行原煤的 粉碎 混合 经过机械加工 最终形成粉状的水泥燃料 4 煤磨段是水泥生产中的核心工艺之一 在煤磨段工艺中进行原煤的粉碎 混合 经过机械加工 最终形成粉状的水泥燃料 目前在国内大多数的水泥厂 中的水泥煤磨的控制均采用继电器控制电路完成 这种控制方式虽然工艺简单 成本较低 但工人劳动强度较大 稍有操作疏漏就有可能发生事故 而且在水 泥煤磨的实际过程中 由于现场机械振动 粉尘污染 物料颗粒不均 工艺过 程的种种原因 造成水泥煤磨故障率较高 从而导致不必要的经济损失 因此 设计一种基于 PLC 的水泥煤磨自动控制系统 采用性价比较高 抗干扰能力较 强的 PLC 作为中央处理单元 配合控制软件实现水泥磨煤的自动控制 不仅能 使整个粉磨系统 高效地运转 而且真正达到节能 安全 提高产量的目的 6 1 2 水泥行业介绍 1 2 1 国内水泥工业发展现状 中国水泥工业历经百年沧桑 只有在建国后 特别是在改革开放 20 年中 第 6 页 才获得了真正的大发展 世界水泥产量 1999 年达到 1542 亿吨 其中中国就占了 5 6 亿吨 而且连 续 15 年居世界首位 绝对量不可谓不高 人均消费量也远远超出世界人均水 平 甚至达到了一些发达国家目前的年度消费水平 从生产工艺和装备制造等 工业技术方面看 我国己基本上掌握了从 1000 10000t d 的全套新型技术 通 过改革开放 20 多年的实践 中国的现代化水泥工业己初见端倪 7 但是 目前我国水泥工业面临的主要问题是 代表当代的新型技术在整个 工业中的比例太低 还不到 20 80 以上的还属于 20 30 年代 40 50 年代和 50 60 年代的工艺技术 尽管做了些大的改进 但本质上无法脱胎换 骨 如何把这个比例倒过来 是一项大的结构调整问题 这将是中国水泥工业 今后 10 20 年内一项艰巨的历史任务 此外 我国的人均水泥累积消费量还 不高 不到发达国家的一半 质量 环保 能源和劳动生产率等主要技术经济 指标也与发达国家有相当大的差距 8 1 2 2 水泥煤磨段工艺 煤粉仓 提升机 原煤仓 圆盘喂料机 电动翻板阀 煤磨电机 罗茨风机 螺旋输送器 动态选粉机 煤粉收尘器 双向螺旋输送器 煤粉计量称 煤粉仓收尘器 离心风机 大气 大气 离心风机 球磨 图 1 1 系统图 原煤从堆煤场经提升机提升后送入原煤仓 通过原煤仓内部的荷重传感器 计量后由圆盘喂料机送入煤磨 原煤在磨内借助热风机送来的热风进行烘干和 粉磨 然后送入动态选粉机 不合格的粗粉送回磨头重新粉磨 细粉进入煤粉 收尘器 收尘器收下的煤粉经双向螺旋输送机送至带荷重传感器的煤粉仓中 最后经过转子计量秤计量后送入窑头 第 7 页 1 3 系统的技术特点及应用前景 目前 煤磨段大都采用继电器控制电路完成 但是工人劳动强度较大 稍 有操作疏漏就有可能发生事故 而且在水泥煤磨的实际过程中 由于现场机械 振动 粉尘污染 物料颗粒不均 工艺过程的种种原因 造成水泥煤磨故障率 较高 从而导致不必要的经济损失 采用性价比较高 抗干扰能力较强的 PLC 作为中央处理单元 配合控制软件实现水泥磨煤的自动控制 使整个粉磨系统 高效地运转 真正达到高效 节能 安全 现代水泥生产企业一般采用 PLC 为主体的计算机集散控制系统 DCS 实现全厂自动化控制要求 以降低成本 提高运行可靠性 保证水泥生产设备 的安全 增加直接经济效益 11 1 4 系统的技术要求及研究内容 对煤磨段温度控制系统进行比较全面的分析 并把传统的控制算法和 PLC 可编程序控制器应用于煤磨段控制系统 完成煤磨段温度控制系统的硬件设计 和软件设计 通过对西门子 STEP 7 和 WINCC 的学习 完成煤磨段温度控制系统的程 序设计和上位监控画面的设计 由 PLCsim 软件进行仿真 并进行上下连接 确定系统的可实施性 第 8 页 2 控制器的选择及控制计算法介绍 2 1 PLC 控制概述 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 取代传统继电器控制装置以来 PLC 得到了快速发展 在世 界各地得到了广泛应用 同时 PLC 的功能也不断完善 随着计算机技术 信 号处理技术 控制技术 网络技术的不断发展和用户需求的不断提高 PLC 在 开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能 今天的 PLC 不再 局限于逻辑控制 在运动控制 过程控制等领域也发挥着十分重要的作用 PLC 是模仿原继电器控制原理发展起来的 二十世纪七十年代的 PLC 只 有开关量逻辑控制 首先应用的是汽车制造行业 它以存储执行逻辑运算 顺 序控制 定时 计数和运算等操作的指令 并通过数字输入和输出操作 来控 制各类机械或生产过程 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求 并 事先存入 PLC 的用户程序存储器中 运行时按存储程序的内容逐条执行 以 完成工艺流程要求的操作 7 PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器 在程序运行过程中 每执行一步该计数器自动加 1 程序从起始步 步序号为零 起依次执行到最 终步 通常为 END 指令 然后再返回起始步循环运算 PLC 每完成一次循环 操作所需的时间称为一个扫描周期 不同型号的 PLC 循环扫描周期在 1 微秒 到几十微秒之间 PLC 用梯形图编程 在解算逻辑方面 表现出快速的优点 在微秒量级 解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒 它把所有的输入都当成开关量来 处理 16 位 也有 32 位的 为一个模拟量 大型 PLC 使用另外一个 CPU 来 完成模拟量的运算 把计算结果送给 PLC 的控制器 PLC 没有专用操作站 它用的软件和硬件都是通用的 所以维护成本比 DCS 要低很多 一个 PLC 的控制器 可以接收几千个 I O 点 最多可达 8000 多个 I O 如果被控对象主要是设备连锁 回路很少 采用 PLC 较为合适 10 第 9 页 2 2 PLC 工作原理 2 2 1 PLC 的组成 图 2 1 PLC 组成框图 2 2 2 PLC 模块 1 中央处理单元 CPU CPU 是 PLC 的核心部件 由运算器和控制器组成 主要用于 接收并存 储从编程器输入的用户程序 检查编程过程是否出错 进行系统诊断 解释并 执行用户程序 完成通信及外设的某些功能 2 PLC 的 I O 模块 输入 输出接口是 PLC 与外界连接的接口 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号 一类是由按钮 选择开关 行程开关 继电器触点 接近开关 光电开关 数字拨码开关等的开关量输入 信号 另一类是由电位器 测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件 如接触器 电磁阀 指示灯 调节阀 模拟量 调速装置 模拟量 等 2 2 3 PLC 的工作原理 PLC 有两种工作状态 即运行 RUN 状态和停止 STOP 状态 在运行状态 PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能 为 了使 PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号 用户程序不是只执行 第 10 页 一次 而是反复不断地重复执行 直到 PLC 停机或切换到 STOP 工作状态 除了执行用户程序外 每次循环过程中 PLC还要完成内部处理 通信处 理等工作 一次循环可分为5个阶段 如图2 2所示 PLC的这种周而复始的循 环工作方式称为扫描工作方式 图2 2 PLC运行原理图 2 3 PLC 控制系统的应用特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC由于采用现代大规模集成电路 技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很 高的可靠性 使用PLC构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电 气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软 件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除PLC以外的 电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统将极高的可靠性 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC发展到今天 已经形成了各种规模的系列化产品 可以用于各种规模 的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 PLC大多具有完善的数据运算能力 第 11 页 可用于各种数字控制领域 多种多样的功能单元大量涌现 使PLC渗透到了位 置控制 温度控制 CNC等各种工业控制中 加上PLC通信能力的增强及人机 界面技术的发展 使用PLC组成各种控制系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术 人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近 为不 熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 工作量小 维护方便 容易改造 2 4 西门子 PLC SIEMENS PLC在中国的产品 根据规模和性能的大小 主要有 S7 200 S7 300 和S7 400等 本次设计主要应用的是S7 300 2 4 1 西门子 S7 300 S7 300针对的是中小系统 他的模块可以扩展多达32个模块 背板总线也 在模块内集成 它的网络连接已比较成熟和流行 有MPI 多点接口 Profibus和工业以太网 使通讯和编程变的简单和多选性 并可以借助于 HWConfig工具可以进行组态和设置参数 S7 300的模块稍微多一点 除了信号模块 SM 之外 它还有 接口模块 IM 用来进行多层组态 把总线从一层传到另一层 占位模块 DM 为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后 安装的接口模块保留一个插槽 功能模块 FM 执行特殊功能 如计数 定位 闭环控制相当于对 CPU功能的一个扩展或补充 通讯处理器 CP 提供点对点连接 Profibus和工业以太网 MPI接口用来连接到编程设备或其他设备 DP接口用来直接连接到分布式 I O 2 4 2 西门子 STEP7 每个自动化过程都是由许多较小的部分和子过程组成 所以工程建立的第 一个任务是分解子任务 而每个子任务定义了自动化系统要完成的硬件和软件 要求 其中硬件包括输入 输出数目和类型 对应模块序号和类型 所用机架 号 CPU型号和容量 HMI 人机界面 系统 网络系统 软件方面主要是程 第 12 页 序结构 自动化过程中的数据管理 组态数据 通讯数据及程序和项目文档 在SIEMENS的S7中 上述工作都在项目管理 SIMATIC 管理器 包括必须的 硬件 组态 网络 组态 所有程序和自动化解决方案的数据管理 F1在 线帮助 图2 3 西门子组合硬件和软件 2 5 控制算法 PID PID控制问世至今已有近70年历史 它以其结构简单 稳定性好 工作可 靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 当被控对象的结构和参数不能 完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理论的其它技术难以采用时 系 统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应用PID控制技 术最为方便 即当我们不完全了解一个系统和被控对象 或不能通过有效的测 量手段来获得系统参数时 最适合用PID控制技术 PID控制 实际中也有PI和PD控制 PID控制就是根据系统的误差 利用 比例 积分 微分计算出控制量进行控制的 PID参数的整定方法 PID 参数整定是控制系统设计的核心内容 它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 PID 参数整定的方法很 多 概括起来有两大类 一是理论计算整定法 它主要是依据系统的数学模型 经过理论计算确定控制参数 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用 还 必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程整定法 它主要依赖工程经验 直接在控制系统的试验中进行 且方法简单 易于掌握 在工程实际中被广泛 采用 PID 控制器参数的工程整定方法 主要有临界比例法 反应曲线法和衰减 第 13 页 法 三种方法各有其特点 其共同点都是通过试验 然后按照工程经验公式对 控制器参数进行整定 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数 都需要在 实际运行中进行最后调整与完善 控制器参数经验方法实质上是一种经验凑试法 是工程技术人员在长期生 产实践中总结出来的 它不需要进行事先的计算和实验 而是根据运行经验 先确定一组控制器参数 并将系统投入运行通过观察认为加入干扰 改变设定 值 后的过渡过程曲线 根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应 的控制参数制 进行反复凑试 直到获得满意的控制质量为止 本次设计就是 使用的是经验法 根据工艺和实际经验获取 PID 参数 2 6 S7 300 实现 PID 闭环控制的原理 以 PLC 作为控制器构成的闭环控制系统 如图 2 1 所示 图中的虚线部 分由 PLC 来实现 检测元件将被控量实际值 pv 测量转换为 1V 5V 电压信 号或 4mA 20mA 电流信号 该模拟信号接至 PLC 的 AI 模块 进行 A D 转 换 根据用户编写的 PID 控制程序 将测量值与给定值 sp 比较 通过二者的 偏差 e t 进行 PID 算法的运算得到输出操作信号 u t 经 PLC 的 AO 模块进行 D A 转换 转换后的信号 1V 5V 电压信号或 4mA 20mA 电流信号 用 于驱动执行结构 实现对被控对象的控制 PID控制器被控对象执行机构 检测元件 给定值 E t U T 实际值 Pv Sp PLC 图 2 1 PLC 闭环控制系统 第 14 页 3 下位控制系统设计 3 1 系统分析 根据水泥煤磨收尘仓控制原理 收尘仓有三个温度经传感器检测变送到 PLC 与设定值比较 大于该值送至 PID 中进行运算 运算完成后输出 调节 电磁阀开度进行温度调节使其达到温度设定值 小于设定值则不运算 3 2 系统输入输出的统计 输入输出量有数字量输入 数字量输出 模拟量输入 模拟量输出四种 根据分析煤磨段的工艺 其输入输出情况如表3 1 设备名称采样信号信号类型 1斗式提升机过载电流PIW256模拟量 2原煤仓料位PIW258模拟量 3磨机 1 轴前温度PIW260模拟量 4磨机 2 轴前温度PIW262模拟量 5磨机 1 轴后温度PIW264模拟量 6磨机 2 轴后温度PIW266模拟量 7热风机转速PIW268模拟量 8煤粉收尘仓压力PIW270模拟量 9煤粉收尘仓温度 1PIW272模拟量 10煤粉收尘仓温度 2PIW274模拟量 11煤粉收尘仓温度 3PIW276模拟量 12煤粉仓料位PIW278模拟量 13计量称重量PIW280模拟量 14电磁阀开度PQW288模拟量 15起始信号I12 0数字量 16提升电机I12 1数字量 17磨机电机I12 2数字量 18螺旋输送机 1 皮带I12 3数字量 19离心风机电机I12 4数字量 20螺旋输送机 2 皮带I12 5数字量 第 15 页 3 3 硬件的选型 根据实际工艺和冗余考虑 这就要求在选择 CPU I O 模块等时要适当留 有约 10 的裕量 如图 3 2 图 3 2 硬件选型 设备型号 电源模块 CP307 5A CPU 模块 CPU315 DP 输入输出模块 AI 8 12bit 2 个 AO 4 12bit 1 个 DI 16 DC24V 1 个 第 16 页 3 4 下位系统程序的设计 3 4 1 系统流程图 图 3 3 系统流程图 信号经传感器采集检测变送到 PLC 与设定值比较 大于设定值送至 PID 中进行运算 运算完成后输出 调节电磁阀开度进行温度调节使其达到温度设 定值 小于设定值则不运算 3 4 2 系统程序 OB1 主程序 监测数据采集的实现是调用 FC105 SCALE 将输入 A D 转换后的数字量 转换为被控对象的一个检测值 结果放在 MD 寄存器中 如图 3 4 第 17 页 图 3 4 监测数据的采集 调用 FC106 UNSCALE 将 PID 输出的操作值 MD162 转换为 0 27648 之 间的一个数字量 结果输出给模拟量输出存储器 PQW288 如图 3 5 图 3 5 PID 输出转换 第 18 页 煤粉收尘仓温度数据检测 图 3 6 煤粉收尘仓温度数据检测 运行与故障报警包括提升电机故障 过载电流报警 磨机故障报警 皮带 电机 1 和 2 故障报警 风机故障报警 其中过载电流报警是电流过载 5min 后 报警 因此使用定时器 S ODTS 和比较指令 CMP 1 指令 其他报警可使用 常开和常闭指令 如图 3 7 3 8 图 3 7 运行与故障报警 第 19 页 图 3 8 提升机过载电流报警 三个检测温度比较大小 温度 1 先与温度 2 比较 得出最大的 把最大的 给温度 1 再与温度 3 比较 得出最大的 再把最大的给温度 1 这样温度 1 温度最大 然后与设定值比较 大于它 把温度 1 给 PID 的过程值寄存器 如 图 3 9 图 3 9 收尘仓检测温度比较大小 PID 参数设定包括 PID 三参数的使能开关 M0 3 M0 4 M0 5 设定值 MD20 比例值 MD150 积分值 MD154 微分值 MD158 如图 3 10 图 3 11 第 20 页 图 3 10PID 参数 图 3 11 PID 使能开关 第 21 页 PID 运算模块 OB35 图 3 12 PID 运算模块 第 22 页 4 上位监控系统设计 组态软件是数据采集监控系统 SCADA 的软件平台工具 是工业应用软件的 一个组成部分 它具有丰富的设置项目 使用方式灵活 功能强大 组态软件 由早先单一的人机界面 向数据处理机方向发展 管理的数据量越来越大 随 着组态软件自身以及控制系统的发展 监控组态软件部分与硬件发生分离 为 自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台 OPC 的出现 以及现场总线尤 其是工业以太网的快速发展 大大简化了一种设备间互连 降低了 I O 设备驱 动软件的工作量 I O 驱动软件也逐渐向标准化的方向发展 本次毕设使用的 组态软件是 WINCC 软件 4 1 WINCC 的简介 SIMATIC WINCC 是 HMI SCADA 软件中的后起之秀 1966 年进入世界工控组 态软件市场 当年就被美国某杂志评为最佳 HMI 软件 以最短的时间发展成第 三个在世界范围内成功的 SCADA 系统 而在欧洲 它无可争议地成为第一 在设计思想上 SIMATIC WINCC 秉承西门子公司博大精深的企业文化理 念 性能最全面 技术最先进 系统最开放的 HMI SCADA 软件是 SIMATIC WINCC 开发者的追求 WINCC 是按世界范围内使用的系统进行设计的 因此 从一开始就适合于世界上各种主要制造商生产的控制系统 如 A B Modicon GE 等 并且通讯驱动程序的种类还在不断的增加 通过 OPC 的方 式 WINCC 还可以与更多的第三方软件控制器进行通讯 作为 SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成部分 WINCC 确保与 SIMATIC S5 S7 和 505 系列的 PLC 连接的方便和通讯的高效 WINCC 与 STEP7 编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期 此外 WINCC 还有对 SIMATIC PLC 进行系统诊断的选项 给硬件维护提供了方便 4 2 WINCC软件的性能特点 WINCC 作为一个功能强大的操作监控组态软件 其主要性能特点如下 1 应用最新的软件技术 WINCC 是由 SIEMENS 公司与 Microsoft 公司合作开发的用于控制工程的 人机界面组态软件 正是基于 Microsoft 公司技术的先进性与创新性 保证用 第 23 页 户能够获得不断创新的技术 2 包括所有 SCADA 功能在内的客户 服务器系统 WINCC 是世界上 3 个 WINCC iFix inTatch 最成功的 SCADA 系统之 一 由 WINCC 系统组件建立的各种编辑器可以生成画面 脚本 报警 趋势 和报告 即使是最基本的 WINCC 系统 也能提供生成复杂可视化任务的组件 和函数 3 可灵活裁剪 由简单任务扩展到复杂任务 WINCC 是一个模块化的自动化软件 可以灵活地进行扩展 可应用在办 公室和机械制造系统中 从简单的工程应用到复杂的多用户应用 从直接表示 机械到高度复杂的工业过程图像的可视化监控和操作 4 可由专用工业和专用工艺的选件和附件进行扩展 WINCC 在开放式编程接口的基础上开发了范围广泛的选件和附件 使之 能够适应各个工业领域不同工业分支的不同需求 5 集成 ODBC SQL 数据库 WINCC 集成了 Sybase SQL Anywhere 标准数据库 使得所有面向列表的 组态数据和过程数据均存储在 WINCC 数据库中 可以容易地使用标准查询语 言 SQL 或使用 ODBC Open Data Base Connectivity 驱动访问 WINCC 数据库 这些访问选项允许 WINCC 对其他的 Windows 程序和数据库开放其数据 例如 将其自身集成到工厂级或公司级的应用系统中 6 具有强大的标准接口 WINCC 建立了 DDE Dynamic Data Exchange OLE Object Link and Embed OPC OLEFor process Control 等在 Windows 程序间交换数据的标准接 口 因此 能够毫无困难地集成 Active X 控制和 OPC 服务器 客户端功能 7 统一脚本语言 WINCC 的脚本语言由 ANSI C 标准编程语言生成 8 开放 API 编程接口可以访问 WINCC 的模块 所有的 WINCC 模块都有一个开放的 C 编程接口 C API 可以在用户程 序中集成 WINCC 组态和运行时的功能 9 通过向导进行简易的 在线 组态 组态工程师除了可利用综合库 在一个 WYSIWYG 环境中 进行简单的 对话和向导外 在调试阶段 同样可进行在线修改 10 选择组态软件的语言 WINCC 软件是基于多种语言开发的 可以在德文 法文 意大利文 西 第 24 页 班牙文 中文及其他多种亚洲语言之间进行选择 可以存储用户喜爱的任何一 种语言文本 可以在线进行语言转换 11 提供所有主要 PLC 系统的通信通道 作为标准 WINCC 支持所有连接到 SIMATIC S5 S7 505 控制器的通信通 道 还包括 PROFIBUS DP DDE OPC 等非特定控制器的通信通道 此外 还可以 通过选件或附件提供广泛的非特定控制器的通信通道 12 具有与基于 PC 的控制器的 SIMATIC WinAC 的紧密接口 将软 插槽 PLC 集成在 PC 上 在 PC 上实现 PLC 的操作和监控 WINCC 提供了与 WinAC 连接的接口 13 是全集成自动化工 TIA 的部件 TIA Total Integrated Automation 集成了包括 WINCC 在内的所有 SIEMENS 产品 WINCC 是所有过程控制的窗口 是 TIA 的中心部件 TIA 意味着在组 态 编程 数据存储和通信等方面的一致性 14 作为 SIMATIC PCS7 过程控制系统申的操作员站 SIMATIC PCS7 是 TIA 中的过程控制系统 PCS7 是结合了基于控制器的 制造业自动化的优点和基于 PC 的过程工业自动化的优点的过程处理系统 PCS 它对过程可视化使用包括 WINCC 的标准 SIMATIC 部件 15 可集成到 MES 和 ERP 中 WINCC 的标准接口使 WINCC 成为全公司范围 IT 环境下的一个完整部件 这超越了自动控制过程 将范围扩展到工厂监控级 以及为公司管理系统提供 管理数据 4 3 WINCC 的系统结构 WINCC 具有模块化的结构 其基本组件是组态软件 CS 和运行软件 RT 4 3 1 组态软件 启动 WINCC 后 WINCC 资源管理器随即打开 WINCC 资源管理器是组态软 件的核心 整个项目结构都显示在 WINCC 资源管理器中 从 WINCC 资源管理器 中调用特定的编辑器 既可用于组态 也可对项目进行管理 每个编辑器分别 形成特定的 WINCC 子系统 主要的 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 第 25 页 3 归档系统 变量记录编辑器 用于确定对何种数据进行归档 4 报表系统 用于创建报表布局的编辑器 也称作报表编辑器 5 用户管理器 用于对用户进行管理的编辑器 6 通信 提供 WINCC 与 SIMATIC 各系列可编程控制器的连接 4 3 2 运行软件 用户通过运行软件对过程进行操作和监控 主要执行下列任务 1 读出已经保存在 CS 数据库中的数据 2 显示屏幕中的画面 3 与自动化系统通信 4 对当前的运行系统数据进行归档 5 对过程进行控制 4 4 主监控画面和报警画面 主监控画面包括原煤提升机 风机 原煤仓 磨机 动态选粉仓 煤粉收 尘仓 混料仓 称重仓 传送带 煤仓原件 还有运行与故障报警标志 PID 手动设定位 三参数写入位等 报警记录中有风机转速报警 温度报警 仓位 报警 压力报警等 如图 4 1 图 4 1 主监控画面 报警组态是为了在运行状态下监控那些反映设备实际状态的变量的变化 并及时提示现场设备的故障信息 进入报警记录 在左上角的浏览窗口可看到 第 26 页 报警记录所具有的组件 消息块 决定了报警时提示该报警的哪些信息 如 该报警产生的位置 日期 时间等 消息等级决定了该报警的级别 一般我们 都选择 Error 级的 Alarm 型 在报警记录下方的数据窗口 须添加所有欲监控的变量 在下拉菜单中选 择 属性 即打开该报警变量的属性窗口在属性窗口的 参数 标签页中设置 该报警的等级及类型 单击 消息变量 栏旁的按钮可选择报警变量属性窗 口的 文本 标签页中 消息文本 栏中填写该报警发生时提示的文本消息 添加所有变量后的报警记录如图 4 2 所示 图 4 2 报警记录 在图形编辑器中 将 对象选项板 的 控件 板的 WinCC Alarm Control 控件放到界面上并拖至合适尺寸 双击 WinCC Alarm Control 控 件弹出 WinCC Alarm Control 属性 对话框 更改其属性 如图 4 3 和 4 4 所示 第 27 页 图 4 3 报警画面 图 4 4 WinCC 报警控件属性 第 28 页 在属性对话框中 常规 标签页设置该控件的标题 窗口类型 参数 标签页设置是否具有行标题 列标题等 字体 标签页设置字体及其大小 工具栏 标签页设置是否具有工具栏及工具栏具有哪些功能 状态栏 标 签页设置是否具有状态栏及状态栏显示哪些状态 消息块 标签页设置该控 件显示哪些块的那些内容 消息行 标签页中 左边的列表中显示了所有在 消息块中选中的内容 右边的列表显示了实际要在该控件中显示的内容 通过 Up Down 按钮可对这些选项进行排序 第 29 页 5 上下位通讯与仿真 5 1 上下位通讯 1 首先是在 STEP7 里面根据具体的工程需求写好程序 并在 PLCSIM 里 面进行仿真后确认程序正确无误 2 打开 WINCC 通过以下方式创建一个新的项目 添加新的驱动程序也 就是新项目右击浏览窗口中的 变量管理 在快捷菜单中选择 添加新的驱 动程序 如图 1 所示 图 5 1 设置界面 1 3 在 添加新的驱动程序 对话框中选择一个驱动程序例如 SIMATIC S7 Protocol Smite chn 单击打开按钮则选择的驱动程序显示在变量的管理 子目录下 第 30 页 图 5 2 设置界面 2 4 点击 MPI 建立项目连接 点击右键再点开属性修改链接属性如下图 所示 在逻辑设备名称一栏中选择 PLCSIM MPI 因为下位机 PLC 的仿真与上位 机 WINCC 选择的是 MPI 通讯方式 实际工程可以根据不同的需要选择不同的 方式 例如可以选择总线方式或者自适应的 MPI 方式等等 图 5 3 设置界面 3 第 31 页 图 5 4 设置界面 4 5 选择刚才新建的驱动程序在它的属性里面修改链接的地址机架与插 槽号等如下图所示 图 5 5 设置界面 5 6 在新建立的项目地下建立新的变量 可以注释清楚变量名称也就是 第 32 页 在程序里面的 I O 点 模拟量采用的 MD 浮点的 32 位字符 数字量采用 M 二进制 与 STEP7 里面的点一一对应 设置如下图 图 5 6 设置界面 6 设置完成如下图所示 图 5 7 设置界面 7 7 根据添加的变量在 Graphics Designer 图形编辑器里 根据工艺在 第 33 页 库 里面寻找相关的设备以及要用的元器件 并在 对象选项板 选择需要 的点 线 面以及按钮等 或者在控件里找到输入 输出域添加 就会产生 如下图的监控画面 图 5 8 监控画面 8 输入 输出域点击右键打开组态对话框建立工程链接 点击变量后面 的黄色图标会出现 6 中添加的变量 点击加入的 对应变量 然后确定 如果有需求可以在 属性 里进行修改比如 位修改 显示字符大小修改 采集 时间修改等等 5 2 报警的制作 1 打开报警记录项目 添加模拟量报警 如下图所示 第 34 页 图 5 9 报警设置 2 完成添加后进行报警记录的编辑 如下图是已编辑完成的 图 5 10 报警记录 3 启动计算机选项中的报警记录运行栏 再在形编辑中做一个报警画 面即可 5 3 上下位的仿真调试 1 打开 step7 并打开其中的 PLCsim 项 运行下面程序 开始进行仿 真 再打开 WINCC 软件 运行主监控画面 WINCC 画面如图 5 11 所示 第 35 页 图 5 11 监控界面 2 调试与仿真 电机故障仿真 打开主开关 I 12 0 同时打开皮带电机 1 和 2 开关 I 12 3 I 12 4 观察仿真程序和主监控画面 如图 5 12 图 5 13 图 5 12 点击运行与故障报警 第 36 页 图 5 13 电机故障仿真 数据采集 在 S7 PLCSIM 中写入数据 PIW 256 提升电机过载电流检测 PIW258 原煤仓料位检测 PIW260 磨机 1 轴前温度 PIW262 磨机 2 轴前温度 观察监控画面 图 5 14 图 5 15 图 5 14 PLCsim 仿真 第 37 页 图 5 15 数据采集 PI