基于OPC的PLC与WinCC循环水监控系统设计.pdf

收稿日期：2022-10-25作者简介：薛家兴（1991），男，吉林长春人，一汽铸造有限公司铸造一厂工程师，研究方向为检测技术及自动化装置。摘要：针对铸造厂生产重型卡车发动机缸体铸件过程中人工监控循环水系统运行状态时工作烦琐、劳动强度大、故障得不到及时处理等问题，运用西门子WinCC（Windows Control Center，视窗控制中心，简称WinCC）6.0组态软件和 S7-200 Smart PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，简称 PLC），基于 OPC（Original Point Code，源信令点编码，简称OPC）通信技术、工业以太网及现场总线控制技术，设计了自动化循环水监控系统，实现循环水远程实时监控以及运行参数设置、报警记录、数据存储等功能。该系统操作方便、维护简单，运行稳定可靠，能减少工作量，缩短故障诊断时间，提高生产效率，具有良好的应用价值。关键词：WinCC；OPC通信；循环水；远程监控中图分类号：TP277文献标志码：A文章编号：2096-0425（2023）02-0001-05循环水系统承担着铸造厂生产给排水的重要任务，是保证安全生产的重要环节。1-2西门子 WinCC（Windows Control Center，视窗控制中心，简称 WinCC）组态软件的使用不仅提高了工厂运行的可靠性，也提高了生产的自动化程度。3-4铸造厂生产发动机缸体铸件的循环水系统主要由恒压供水系统和冷却塔组成。循环水系统出现问题会影响车间正常生产，严重时还会引发生产事故。5-6针对现有生产流程中人工监控循环水系统工作烦琐、劳动强度大、故障处理不及时等问题，设计了基于 OPC（Original Point Code，源信令点编码，简称 OPC）技术的 PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，简称 PLC）与WinCC循环水监控系统。循环水监控系统由上位机 WinCC 监控系统、下位机 S7-200 Smart PLC、现场多种传感器、执行元件等组成，S7-200 Smart PLC 和 WinCC 通过 OPC 通信技术实现对循环水整个工艺过程的实时监控、运行参数管理、报警记录存档、运行数据归档以及循环水泵启停和蝶阀开关的远程控制等。1监控系统的硬件设计监控系统硬件分为工业计算机和现场硬件两部分。上位机选用 DELL 工业计算机，通过Profinet 与 PLC 通信实时监控循环水系统。控制间的远程监控界面如图 1所示。循环水主监控界面包括 6套设备监控系统界面，可通过点击循环水名称进入对应的详细监控界面。主监控界面中会实时显示液位高度，当液位低限或高限报警时，液位报警指示灯红色闪烁。循环泵打开时，指示灯显示绿色；关基于基于OPC的的PLC与与WinCC循环水监控系统设计循环水监控系统设计薛 家 兴1，刘 晓 琳2，薛 彦 杰3（1.一汽铸造有限公司铸造一厂，长春 130103；2.一汽铸造有限公司铸造模具设备厂，长春 130103；3.沈阳海关后勤管理中心，沈阳 110016）图 1控制间远程监控界面循环水主监控界面1#熔化炉循环水2#熔化炉循环水空气压机循环水混砂机循环水气压浇注炉循环水车间循环水WinCC-运行系统运行系统-液位报警液位高度循环泵 1循环泵 2蝶阀开到位 蝶阀关到位4.4液位报警液位高度循环泵 1循环泵 2蝶阀开到位 蝶阀关到位液位报警液位高度循环泵 1循环泵 2蝶阀开到位 蝶阀关到位4.3液位报警液位高度循环泵 1循环泵 2蝶阀开到位 蝶阀关到位4.5液位报警液位高度循环泵 1循环泵 24.2液位报警液位高度循环泵 1循环泵 2蝶阀开到位 蝶阀关到位4.0液位报警液位高度循环泵 1循环泵 2蝶阀开到位 蝶阀关到位4.3报警记录变量记录参数设置江苏工程职业技术学院学报Journal of Jiangsu College of Engineering and Technology第23卷 第 2 期2 0 2 3 年 6 月DOI：10.19315/j.issn.2096-0425.2023.02.001Vol.23，No.2Jun.2 0 2 3冷却塔 1冷却塔 2冷却塔 3冷却塔 4冷却塔 5冷却塔 6生产水流开软化水流开电动蝶阀开冷却塔 1开冷却塔 2开冷却塔 3开冷却塔 4开冷却塔 5开冷却塔 6开1#熔化炉循环水监控系统低限高限超低限 液位高度主监控界面报警记录启动冷却投入循环泵 1循环泵 2生产水流开关软化水流开关+5.0+4.0+3.0+2.0+1.0+0.0循环泵 1开循环泵 2开5.03.02.54.4手动控制远程现场图 31#熔化炉循环水监控系统界面闭时，显示红色；故障时，红色闪烁。蝶阀开到位或关到位时，指示灯显示绿色，其余情况显示灰色。点击主监控界面内报警记录、变量记录、参数设置按钮可进入对应详细界面。现场硬件配置主要有液位变送器、声光报警、S7-200 Smart PLC、压力变送器、流量计等，上位机不仅需要实时监测这些设备的运行状况，如电流、液位、压力、流量等参数，还要能够远程控制循环水系统。采用西门子 S7-200 Smart PLC 作为控制器，该产品经济实惠、使用便捷、性能可靠，7-8通过液位检测、循环水压力、循环水流量、蝶阀开度等信号数据进行循环水系统的控制。循环水泵以自动方式工作时采用工频控制，冷却塔风机为工频直启式。S7-200 Smart PLC 安装在弱电控制柜内，柜上还安装有西门子触摸屏，用于现场控制。通信网络结构如图 2所示。循环水监控系统包括 6 套独立的控制系统。1#控制系统为 1#熔化炉循环水监控系统，包括 2 台 55 kW 循环水泵、6 台7.5 kW 冷却塔风机，实时监控 1#熔化炉的循环水状态。2#控制系统为 2#熔化炉循环水监控系统，包括 2 台 160 kW 循环水泵、6台 7.5 kW 冷却塔风机，实时监控 2#熔化炉的循环水状态。3#控制系统为车间循环水监控系统，包括 2 台 110 kW 循环水泵、6 台 7.5 kW 冷却塔风机，实时监控车间循环水状态。4#控制系统为混砂机循环水监控系统，包括 2台 110 kW 循环水泵、6台 7.5 kW 冷却塔风机，实时监控混砂机的循环水状态。5#控制系统为气压保温浇注炉循环水控制系统，包括 2台 30 kW 循环水泵、1台 7.5 kW 冷却塔风机，实时监控气压保温浇注炉的循环水状态。6#控制系统为空压机循环水控制系统，包括 2台 55 kW 循环水泵、4台 7.5 kW 冷却塔风机，实时监控空压机的循环水状态。2监控系统软件设计循环水监控系统软件包括上位机软件、下位机软件、OPC 通信等。WinCC 6.0 软件能够实现数据收集及监控，具有灵活的数据接口，可以实现与 PLC 通信。9-10因此，上位机采用 WinCC 6.0 软件进行循环水监控系统的界面绘制，用于实时在线检测和远程控制。下位机采用 STEP 7-Micro/WIN Smart V2.0软件进行梯形图程序的编写。因 WinCC 6.0 软件不能直接与 S7-200 Smart PLC 进行通信连接，故需要借助SIMATIC NET OPC的通信转换来实现。2.1WinCC监控界面及功能的设计WinCC 监控界面用于生产操作人员实时在线监测循环水状态和远程控制，该监控界面具有层次清晰、运行稳定可靠、参数信息显示直观、操作简便等优点。WinCC 监控界面主要包括总系统监控界面、报警界面、变量管理界面等。监控系统分为远程自动监控和手动控制，远程监控部分负责实时在线监测循环水泵运行状态、水池实时液位、冷却塔风机运行状态、电动蝶阀开关状态等。系统在远程自动监控状态下可通过监控界面中的手动控制按钮进行人工操作，包括开关循环水泵、开关冷却塔风机、给水池补充生产水和软化水、设置液位参数等。1#熔化炉循环水监控系统界面如图 3所示，监控界面实时显示液位高度，当液位低限或高限报警时，液位高度显示红色闪烁。如循环泵 1 打开，循环泵 1 指示灯显示绿色；关闭时，显示红色；故障时，红色闪烁。冷却塔 1 打开时指示灯显示绿色，关闭时显示红色。界面内有显示远程或现场状态的指示灯，现场操作可通过控制柜来选择开远程监控站以太网交换机Profinet1#控制系统2#控制系统3#控制系统4#控制系统5#控制系统6#控制系统图 2通信网络结构图2 2江苏工程职业技术学院学报2023年关。为避免误操作，远程操作与现场操作不能同时进行，远程状态下指示灯为绿色。系统在远程监控状态下可通过监控界面的控制按钮完成人工操作，若按下按钮，则被按下的按钮界面变为绿色。1)循环水监控系统界面。界面包括系统运行状态和远程控制按键。当需要远程控制时，点击相应的水泵、蝶阀、冷却塔，就会实现水泵的启/停、蝶阀的开/关、冷却塔的启/停等功能。界面中各功能按键都会有相对应的指示灯，界面中水泵、冷却塔指示灯变为绿色，表示水泵、冷却塔已启动；指示灯为红色则表示停止。若界面中水泵、冷却塔等指示灯变为红色闪烁时，则表明设备出现故障。循环水监控系统界面中远程控制的按键功能使用 WinCC脚本编程来实现，要在各按键的“属性”“事件”“鼠标动作”中编写 C语言脚本代码，以 1#熔化炉水泵 1运行为例，代码如下：#include apdefap.h#pragma option（mbcs）if（GetTagBit（远程水泵 1启动）=0&GetTagBit（远程启动）=0）SetTagBit（远程水泵 1启动，1）;else if（GetTagBit（远程水泵 1启动）=1）SetTagBit（远程水泵 1启动，0）;else if（GetTagBit（远程水泵 1启动）=0）SetTagBit（远程水泵 1启动，0）;else if（GetTagBit（远程水泵 1启动）=1）SetTagBit（远程水泵 1启动，1）;2)循环水监控系统数据存档。对循环水泵、水池液位、冷却塔等参数数据的存档便于 WinCC 上位机调取历史数据，形成对应参数的历史曲线。工作人员通过历史曲线可以了解设备一段时间内的运行状态，制定设备检修保养计划，减少现场人员投入和设备故障诊断时间，提高生产效率。3)循环水监控系统报警功能。WinCC 软件内部报警记录编辑器和报警控件能够实现软化水箱液位报警、水池液位报警、循环水泵故障报警等功能。系统报警时，WinCC监控界面内会出现相应报警信息及对应报警提示，并且可查询报警记录。4)循环水监控系统参数设置。监控界面可设置液位高限、低限、超低限数值，当实时液位达到各设定值时系统报警，保证循环水系统运行稳定、安全。5)循环水监控系统用户管理。为保证系统运行安全，避免误操作，循环水监控系统设置了不同的用户权限，一般操作人员只进行界面的监控和报警处理，若要进行人工控制及参数设置，则需设置高权限才可完成。2.2WinCC与 PLC的通信本 设 计 中 S7-200 Smart PLC 不 能 直 接 与WinCC通信，这也是本设计的一个难点，需要利用SIMATIC NET OPC的通信转换来实现，通信流程图见图 4。具体步骤如下：在西门子 STEP 7软件中新建项目，组态PC Station，在硬件组态中加入一个 OPC Server和一个 IE General，新建一个以太网，并配置 IP地址；配置网络连接，在 NetPro网络配置中设置要通信的 S7-200 Smart CPU IP地址（需要与新建的以太网在相同网段）；使用 Station Configuration Editor 软件新建一个虚拟PC Station 硬件机架，把 STEP 7 软件中组态的图 4通信流程图Step7软件组态PC Station创建并下载PC StationOPC Scout测试WinCC添加 OPC驱动S7-200 Smart PLCWinCC变量管理器WinCC界面运行系统薛家兴，等：基于 OPC 的 PLC 与 WinCC 循环水监控系统设计3 3第 2期PC Station 下载到这个虚拟的 PC Station 硬件机架中；在 OPC Scout V10 软件中定义 S7-200 Smart PLC中变量，并通过测试监控组态的 OPC Server 状态判断组态是否正确；在 WinCC 软件的变量管理器中添加新的驱动程序即 OPC 驱动，驱动配置完成后，在 WinCC 软件中搜索及添加 OPC Scout V10 软件中定义的变量，将所有变量添加到 WinCC 软件中，并在界面中测试通信是否成功。至此，WinCC 与 S7-200Smart PLC 进行通信的所有设置均完成，通信连接建立。2.3现场控制屏为方便现场操作，增加西门子触摸屏面板，通过 Profinet实现与 PLC 通信，面板上能完成现场系统各参数的设置、手动控制等。采用 Simatic WinCC flexible软件完成现场手动控制界面的绘制，如图 5所示。2.4PLC程序循环水泵控制程序如图6所示。控制程序分为现场控制和远程控制两种，根据实际生产情况进行切换。图 5现场手动控制界面水泵 1开水泵 2开冷却水塔 1开冷却水塔 2开冷却水塔 3开冷却水塔 4开冷却水塔 5开冷却水塔 2开生产水水流开软化水水流开电动蝶阀开工艺界面监控界面手动控制界面手动控制界面图 6循环水泵控制程序远程自动：M15.0 水泵 2工作：Q0.2 T234水泵 1控制系统手制动：10.4 水泵 1手动：M0.1M5.1现场控制：M7.3远程控制：M7.4 泵 2报警：V70.4 超低限报：M2.0 水泵 1工作：Q0.1水泵 1工作：Q0.1水泵 2工作：11.3 系统手制动：10.4自动标志：M5.0T112自动标志：M5.0水泵 2工作：Q0.2T234远程水泵：M10.1 远程启动：M7.0M15.1现场控制：M7.3远程控制：M7.4水泵 1工作：Q0.1远程自动：M15.0T112（）4 4江苏工程职业技术学院学报2023年下位机采用 STEP 7-Micro/WIN Smart V2.0软件完成 PLC 程序的编写，PLC 程序分为现场程序和远程程序，通过现场电控柜的旋钮切换实现循环水系统的控制层功能。每个独立控制系统的循环水泵都是 2台，一用一备，互为备用；当工作模式为自动时，若一台水泵出现故障，另一台水泵则会自动投入生产。循环水泵带有控制调节型电动蝶阀，启动水泵时先启动水泵电机，经过 10 s延时后打开电动蝶阀；停止水泵时先关闭电动蝶阀，再停止水泵电机。当水池液位处于低位时，系统发出报警；当水池液位处于超低位时，软化水流开关自动打开，向水池内补水，直至水池液位升至高液位。3结语基于 OPC技术的 PLC与 WinCC循环水监控系统，实现了对循环水的实时监控和远程控制。系统投入使用后，功能完备，性能良好，运行稳定可靠，能实时在线监测设备运行状态，减少现场人员投入，缩短设备突发故障的诊断时间，提高生产效率，实现冷却水系统实时监控和集中管理，提高循环水系统的自动化程度，对提高企业自动化生产水平意义重大，具有良好的应用价值。参考文献：1鲍新愿，张茜，贾真，等.钢管防腐中频感应加热设备循环水冷系统的改进J.焊管，2015（9）：56-60.2何磊.钢铁企业循环水系统的设计要点及实例分析J.净水技术，2015（S1）：62-65.3苏鸿敏.基于 WinCC环境下的循环水监控系统J.冶金动力，2018（9）：61-62.4李朴，李宏，李怡洁.基于 WinCC的 1T电弧炉电源监控系统的设计J.工业控制计算机，2022，35（2）：70-72.5成成，王洪强，李阳，等.基于 S7-1200和 WinCC的坩埚冷却水循环监控系统J.真空，2021，58（5）：85-88.6刘玲玲，夏志鹏，周熠民，等.基于 WinCC的工业炉群智能监控系统J.中国铸造装备与技术，2019，54（6）：59-63.7廖常初.S7-200 Smart型 PLC的技术特点J.电世界，2016（7）：1-4.8沈正，粱鉴如，杨明来，等.基于S7-200 Smart PLC的重载AGV控制系统设计J.传感器与微系统，2021，40（8）：100-103.9刘家龙，肖海霞，余军，等.基于WinCC和PLC的静水压力试验台架电气控制系统设计J.机床与液压，2020，48（19）：137-142.10 冯涛，潘春佑，王可宁，等.基于 SIMATIC WinCC和 PLC的中水回用监控系统的设计与开发J.工业仪表与自动化装置，2020（6）：131-135.（责任编辑：王晓燕）Design of OPC-based Circulating Water Monitoring Systemwith PLC and WinCCXUE Jiaxing1，LIU Xiaolin2，XUE Yanjie3（1.Foundry No.1 of FAW Foundry Co.，Ltd，Changchun 130103，China；2.Mould Foundry of FAW Foundry Co.，Ltd，Changchun 130103，China；3.Logistics Support and Service Center of Shenyang Customs，Shenyang 110016，China）Abstract：An automated circulating water monitoring system with WinCC(Windows Control Center)6.0 andS7-200 Smart PLC(Programmable Logic Controller)was designed on the basis of OPC(Original PointCode)，Industrial Ethernet and FCS(Fieldbus Control System)so as to address such problems as complicatedwork，intensive labor and delay in handling faults when the system was manually monitored in the process ofproducing castings of engine cylinders for heavy trucks.The automated system is equipped with manyfunctions including real-time remote control,parameters setting，alarm recording and data storage.It is ofpractical applications because it is not only easy to operate and maintain and reliable in motion，but it can alsoenhance production efficiency by reducing workload and shortening time of fault diagnosis.Key words：WinCC；OPC communication；circulating water；remote monitoring薛家兴，等：基于 OPC 的 PLC 与 WinCC 循环水监控系统设计5 5第 2期