1、WinCC 组态软件使用分析摘 要：随着计算机网络技术和可编程控制器(PLC)及现场总线技术（Fieldbus）的迅猛发展和日益成熟，WinCC，这一运行于 Microsoft Windows 2000和 XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC 当是上乘之选。本文介绍了 WinCC及其组态方法，自动监控系统的软硬件构成, 分析了 WinCC 与 PLC 之间的通讯机制, 并对利用组态软件WinCC 设计自动监控程序的方法以及在不同领域的实际应用介绍。关键词：可编程
2、控制器(PLC) 现场总线技术（Fieldbus）WinCC 组态软件 通讯1 引言随着计算机网络技术和可编程控制器(PLC)及现场总线技术（Fieldbus）的迅猛发展和日益成熟，性能先进、运行可靠稳定的水电站综合自动化系统得到广泛的应用，逐步替代了传统的继电保护与自动化设备，通过对主设备运行状态参量的实时、快速数字处理，完成故障诊断、保护动作，确保复杂的机组启停控制、变压器保护等系统得以可靠的实现。 要真正提高水电站自动化水平和质量，除了硬件还必须有与之相配套的高效、可靠、易用、功能强大的自动化软件。而工业控制组态软件就是可以从可编程控制器、各种数据采集卡的现场设备中实时采集数据、发出控制
3、命令并监控系统运行状态的一种软件包。他能充分利用 Windows强大的图形编辑功能，以动画的方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据等，为开发者提供了便利的开发平台。 西门子组态软件 WinCC无论从功能性、开放性还是现代化程度而言，都是满足新要求的最优的工业自动化监控解决方案。2 WinCC 及 其 组 态 方 法2.1 WinCC 概述WinCC(Windows Control Center)是视窗控制中心(Windows Control Center)的简称，由德国西门子公司与微软公司共同开发的软件系统，是结合西门子在过程自动化领域中的先进技
4、术和微机软件的强大功能的产物，是世界上第一个集成的人机界面(HMI)软件系统，它真实地将工厂控制软件集成到自动化过程中。WinCC 将 Windows NT应用程序的现代体系结构与使用方便的图形设计程序结合在一起，提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档以及报表打印等模块，具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据管理功能，可以很方便地生成人机界面，建立完整的过程监控解决方案。2.2 WinCC 组态方法这里以 WinCC上位机通过 Profibus-DP网和 S7-300PLC通讯为例说明WinCC软件的组态步骤如下:(1)启动 WinCC，建立一个新的 WinCC项目，在
5、“变量管理器”中选择添加PLC驱动程序。(2)在 PROFIBUS协议中新建一个驱动程序连接并组态逻辑连接参数。(3)在连接中加入外部变量(即过程变量)并设置变量。(4)在图形编辑器中制作监控画面。(5)制作报表、数据归档、报警以及用户管理和项目安全等功能。变量分为外部和内部变量，内部变量与 PLC无关，一般起数值传递和实现画面动态的作用，外部变量是对应于存在 PLC或外部应用的存储器地址中数据的变量，这种变量可以通过 PLC存储器地址的一一对应来访问，这样等于建立了 WinCC与过程通信所要监视的对象。WinCC 中项目组态可使用的变量数为 256个。WinCC包括几个主要的功能编辑器:图形
6、设计编辑器、全局脚本编辑器、报警存档编辑器、变量存档编辑器、报表设计编辑器、用户管理和项目安全编辑器。下面就通讯、画面、报警、用户管理几个关键方面加以介绍。(1) 通讯组态 为了使 WinCC系统与各种不同类型的 PLC进行通讯，需要使用通讯驱动程序，WinCC 通讯驱动程序连接数据管理器和 PLC，WinCC 的应用程序从数据管理器中请求数据，根据连接的 PLC，通讯驱动程序包含一个或多个通道单元，通讯驱动程序利用其通道单元构成 WinCC和过程处理之间的接口，它使用通讯处理器来向 PLC发送请求消息，然后通讯处理器将相应请求的过程值返回给 WinCC。(2) 图形画面组态 工业控制一般需要
7、监控的设备比较多，可将设备按照水电厂中各部分的功能步骤分布在多张画面内，画面之间的切换用 WinCC中按钮的鼠标动作来实现。使用 WinCC的 C语言脚本编程，在按钮鼠标动作中调用它的内部函数来实现。此外，在监控系统中必须始终显示报警信息，为此，用C语言脚本在背景画面的底部设计一条类似 Windows状态栏的报警栏，通过画面颜色闪烁来提示操作者有故障发生，操作人员可以利用按钮切换到报警记录画面了解故障的详细信息。(3)报警 在工业现场安全是极其重要的， WinCC的报警系统可用于监控生产过程事件、来自自动化级的事件以及 WinCC系统事件，并记录过程中出现的故障和操作状态。以声音和闪烁报警方式
8、显示当前的报警事件，如阀门不动作报警、水泵报警、通信出错报警和模拟量超出限度报警，并可查阅和打印当前的及历史的信息列表，以帮助及早发现危机情况，并尽可能减少和避免停机。(4) 用户管理 为使各种用户行使他们的权限，设有浏览用户、操作用户和管理员。管理员具有最高权限，可以增加和删减操作用户。浏览用户系统给其 Guest名字和 Guest密码，而操作用户可以自行修改密码。3 系统构成为了实现计算机控制并保证可靠性, 系统采用组态软件 WinCC V5. 1 ASIA。上位机通过通讯卡 CP5611 按 PROFIBU S 方式与下位机通讯, 以图形和表格形式显示系统运行状态, 发出控制命令并完成报
9、警、归档和报表打印等消息处理。下位机采用西门子 S7- 300 PLC 可编程控制器 , PLC 向上位机传递设备的实时状态, 接受并执行上位机的实时控制指令。在与上位机通讯中断的情况下, PLC 也能独立通过控制继电器、接触器等电气元件实现对回转窑、引风机、给料机等现场设备的控制。4 应用举例4.1 WinCC 在水电站自动化中的应用4.1.1 水电站自动化概述水电站自动化监控系统的监控对象包括水轮机、发电机、变压器、母线、馈电线路、厂用变、开关柜、公用设备等。监控系统软件是电站的实时监控中心，负责全厂协调和管理自动化设备、历史数据处理及全厂的人机对话。其中历史数据包括各种运行报表、重要设备
10、的运行档案、各种运行参数特征值等；人机对话包括全厂设备的运行监控、事故和故障报警、对运行设备的人工干预及监控系统各种参数的修改和设置等。系统可与上级调度及其它计算机系统等进行通信，远动信息的采集和传送均由站内计算机监控完成，并通过载波、扩频等方式送至上级调度，支持通行通讯规约。4.1.2 系统结构WinCC可以用多种通信方式与西门子 S7系列 PLC连接，如MPI、PROFIBUS、工业以太网、TCP/IP 等，根据需要进行选择合适的通讯方法，WinCC提供各种 PLC的驱动软件，因此使 PLC与上位计算机的联接变得非常容易，系统的硬件结构不再详述，这里介绍系统软件结构如图 1所示。图 1 系
11、统软件结构图图 2 主接线图监控画面 4.1.3 系统功能此系统结构图能实现以下方面的功能：(1)数据采集 完成模拟量（电气量、非电气量） 、开关量（状态量周期性采集和报警量中断性采集） 、 脉冲量等数据采集和处理任务。(2)安全运行监视 监控系统监视电站主要机电设备的运行情况，包括 运行状态、越限监视：监视主要设备的运行工况、位置和参量； 过程监视（人机对话）：对主要设备的跳、合闸操作，各电压等级设备运行方式的倒闸操作等过程所经历的主要动作步骤进行监视，在显示器上显示并记录； 监控系统异常监视：当监控系统发生故障时给出提示、报警信息。(3) 通信功能 中控室主机对本站监控系统内通信进行管理和
12、控制，满足监控系统实时性的要求。包括 系统时钟同步控制：通过 GPS装置和通信模块，实现中控室与单元控制层实现时钟同步。全系统的时钟精度满足系统内最高事件分辨率的要求； 保护信息接收处理：监控系统以通讯方式（RS232/RS422/RS485）接收并处理由保护屏传送过来的信息，实现报警记录； 远方调度端口：监控系统包含 RTU功能，软件转换实现，并以通讯方式由主机上送，支持部颁 CDT、1801 等规约，并可根据需要为用户定制。(4) 系统诊断和编辑 系统设备硬件、软件故障诊断：对主用单元、外围设备、通信接口、等设备和系统软件的运行情况进行在线或离线诊断。当诊断出主单元故障时，能自动发出信号并
13、切换到备用单元。当诊断出外围设备故障时能自动切除此设备并发报警信号及显示。 编辑：软件编辑人员（需拥有超级口令）可以通过主机设备在线或离线方便地进行应用软件、显示画面和数据的编辑、调试、装入、修改和卸除，在线进行上述工作时能保证正常的计算机监控系统运行，功能不受影响。该监控系统软件主要包括以下监控画面图：遥测图、遥信图、油系统图、气系统图、系统开机流程图、停机流程图。这里给出其中主接线图画面例图如图 2所示。 4.2组态软件 WinCC 在煤矿综合自动化系统中的应用4.2.1 系统概述矿井内自动化系统包含：井下电力变电所远程三遥系统、井下中央水泵房三遥系统、井下皮带三遥系统、井下液压支护三遥系
14、统、井上电站四遥系统、井上竖井提升机监测系统、瓦斯抽放泵站监测系统等共计 10 余个子系统的总体集成。原煤大多处于地下 100 m250 m 的深处，开采原煤需要经过开掘巷道、液压支护、采煤机采煤、皮带机运出等步骤。其中还包括供水、供电、供气、排水、排矸、安全防护监测等相关配套系统进行运行。在项目设计初期，考虑到煤矿的安全和稳定可靠性的要求，选定了使用 S7- 300 作为分布系统的主要组成，并且系统能够直接通过工业以太网进行连接。人机界面使用 WinCC5.0 进行组态，保持了系统的完整性和连贯性，便于对分布系统直接连接，不需要第三方驱动或转换。由于煤矿建设的过程需经过很长时间，在分布式系统
15、中，有一些是早已存在的系统，如电站控制系统、提升机系统、液压支护系统等，在 WinCC 软件系统中没有的几个系统或设备的驱动做连接，必须采用其他方式将数据采集和控制。对于井下变电站（所）和瓦斯抽放泵站使用 S7- 300 的PLC 进行控制和监测，抽放站只监测不控制，变电站（所）进行全面监测和控制。4.2.2 控制系统构成整个项目中的硬件配置、系统结构，是各组成部分选择的依据。系统主要包括 3 部分，人机界面、自动化控制网络和分布控制系统。（1）人机界面：配置三套 WinCC5.0 进行画面组态，其中 2 套用于对现场数据进行采集和通讯服务并且进行冗余服务，1 套用于从现场或采集服务器获取数据
16、并进行 Web 发布服务。选择 WinCC5.0 主要考虑到其在高数据量的情况下采集数据的稳定性和快捷性以及在开发过程中的灵活性。（2）网络：由于煤矿的地理条件和生产盘区的位置所限，使用 100 M星形工业以太网进行子系统的连接和通讯。在调度指挥中心使用华为公司生产的6506 交换机，三层交换机，具有网络、电源双冗余的功能，端口多达 48 口。井下由于国家法规的限制（要求下井的设备必须有国家 MA 标志）当时只有徐州华讯公司有此类交换机，100 M工业以太网接口，8 个通讯端口。网络拓扑结构图见图 3。（3）分布式控制系统：此系统包括的设备和系统较多，总体分为两类，一类是西门子分站系统，另一类
17、为非西门子分站系统。非西门子系统占了很大一部分。分站系统划分如下：南三盘区变电所：S7- 300 的 PLC1 套；井下中央变电所：S7- 300 的 PLC1 套；瓦斯抽放站：S7- 300 的 PLC1 套；井上 35KV 变电所：长沙华能电站系统；竖井提升机系统：组态王组态软件，三菱 PLC；井下液压支护监测系统：天地玛珂公司；井下皮带运输系统：天津贝克公司皮带系统。图 3 网络拓扑结构图总 结：西门子 WinCC软件以其强大的组态功能、友好的人机界面及系统功能的全面开放，使其广泛地应用于各种自动化环境。 基于 WinCC的水电站监控系统，实现了对电站的实时控制与调整、安全运行监视、数据
18、采集处理及查询数据通讯、设备运行维护管理等多项功能，提高了生产效率，减少了维护费用，同时具有故障响应及时，操作简单方便，控制过程的模拟逼真，组态画面丰富等特点，具有良好的经济效益和社会效益。在系统运行中，WinCC 系统中 OPC 连接便捷、稳定，当时每个系统都达到1 000 多个变量，而且传输距离最远达到 10 km，而系统延迟时间却很短，当时对延时监测使用电话拨通最远的变电所，当在调度中心进行操作某开关柜时，听到现场的合闸、分闸声音的同时就可以看到画面的状态发生改变。因此，从实时性来说，100M 的传输完全可以达到工业控制现场对此的要求。参考文献：1 邹家祥 轧钢机械理论与结构设计 M 北京: 冶金工业出版社, 1993.2 邹家祥 冶金机械的力学行为M 北京: 科学出版社, 1999.3 李曼云小型型钢连轧生产工艺与设备M 北京: 冶金工业出版社, 1999.4 康贵信 有限单元法及其在冶金机械中的应用 M 北京: 冶金工业出版社, 1991.5 曹永岩 孙优贤输出反馈严格正实控制器设计 J . 控制与决策,1998.
