WinCC在850 mm可逆冷轧机控制系统中的应用

安连祥 姜丽丽 王帏国

(河北工业大学电气与自动化学院1，天津 300130;北京北整意安机电设备有限公司2，北京 102600)

0 引言

自20世纪80年代初产生至今，组态软件已经有了20多年的历史。可以说，它是随着计算机技术、DCS和PLC等工业控制技术的突飞猛进而发展起来的。

在工业控制技术不断发展和完善的过程中，PC技术日渐成熟，由其构建的工业计算机控制系统的软硬件资源丰富，软件之间的通信快速便捷。在PC技术向工业控制领域渗透的过程中，组态软件占据着非常特殊而重要的地位。

1 组态软件WinCC的特点

西门子视窗中心SIMATIC是HMI/SCADA软件的后起之秀［1］，它于1996年进入世界工控组态软件市场，以最短的时间发展成世界范围内的三大SCADA系统之一。

作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows环境下使用各种通用软件的功能;确保了与SIMATIC S7系列PLC连接的便利和通信的高效性;它与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。WinCC提供了SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驱动程序。该程序支持多种网络协议和类型，通过它的通道单元可与各种SIMATIC S7-300、S7-400的PLC进行通信。

基于WinCC具有的众多优点，在浙江某钢厂850 mm可逆轧机控制系统中，我们选择WinCC作为系统的监控组态软件。

2 可逆轧机的工艺流程简介

可逆轧机的轧制过程是指带钢在轧机上往复进行多道次的压下变形，最终获得成品的轧制过程。一套基本的可逆轧机控制系统由钢卷运送/开卷设备、主轧机、前后卷曲机卸卷小车、输送装置以及各类液压站组成。冷轧原料由热轧机组供给，热轧带钢在冷轧前需经过酸洗，以除去带钢表面的氧化铁皮，使冷轧带钢表面光洁，并保证轧制生产的顺利进行;热轧带钢经酸洗后在可逆轧机上进行奇数道次的可逆轧制，获得所需厚度的冷轧带钢卷［2］。

3 硬件组成

6辊可逆轧机是在4辊可逆轧机的基础上进行改进而形成的。6辊可逆轧机增加了2个可以轴向移动的中间辊，从而消除了4辊轧机在带钢以外的工作辊和支撑辊之间对板形有害的接触区。中间辊移动量和弯辊力相互配合可实现轧机横向刚度无限大。轧辊辊型不受轧制力变化的影响，带材有良好的板形，可以轧制高精度的薄带钢。本可逆轧机具有大压下量、生产效率高、轧辊损耗小和成材率高等优点。

该轧机系统由开卷机、左卷取机、1#主轧机、2#主轧机、右卷取机、上位机、继电柜和主操作台等组成，可生产宽度为600～750 mm、厚度为0.2～1.5 mm 的冷轧薄带钢。系统的轧制速度为40～480 m/min，最大轧制力为7500 kN，带卷内径为508 mm、带卷最大外径为1600 mm、卷取张力为10～80 kN、开卷机张力为30 kN。系统硬件结构原理图如图1所示。

图1 系统硬件结构原理图Fig.1 Principle structure of system hardware

本套轧机自动化系统的一级主站采用了西门子S7-400 PLC，一级从站包括 2个 ET200从站、5台6RA70全数字直流调速器。主从站之间通过Profibus-DP现场总线进行通信。二级上位机采用研华公司生产的IPC-610工业控制机。

轧机自动化系统软件采用Windows2000版本，编程软件采用Soptent软件，人机接口软件采用WinCC6.2版本组态软件。WinCC与S7-400［3］系列可编程控制器之间通过以太网实现高速数据通信传输。人机界面通过硬件驱动程序S7-5613和通信处理器CP5613，与通信模块CP443-5进行通信，实现PLC和上位机之间的数据交换。

4 通信配置和画面组态功能

4.1 通信配置

WinCC为实现监控画面与硬件设备之间的通信提供了多种通信协议供用户选择，这使得PLC与上位机的连接变得更容易。本项目将WinCC与STEP7合用，大大降低了工程开发周期，这是因为:①在STEP7中配置的变量表可以与WinCC连接时直接使用，通过WinCC可以访问在PLC中的过程标签;②WinCC数据管理通过逻辑连接来访问远程中的过程值;③通道单元通过指定通道的连接访问过程值所需要的通信步骤，从而为WinCC数据管理提供过程值;④所读入的数据作为过程值映像存储在计算机的RAM中，所有WinCC的组态单元均可访问该过程映像［4］。

本项目采用Industrial Ethernet通道作为信号传输的路径。工业以太网是工业环境中较为有效的一种子网，它是一种开放式的通信网络，可靠性高、使用范围广、速度快，能够进行大量数据的交换。它通过安装在PC机上的通信卡与SIMATIC S7进行通信，使用的通信协议为ISO传输层协议。上位机装有以太网卡，通过一根网线连接到S7-400的通信卡CP443-5。

WinCC通过工业以太网与自动化系统进行通信连接时主要进行以下几步操作。

① 安装好S7-400的相应模块(包括CPU、通信卡、FM350、I/O模块等)，通电运行;

② 在安装STEP7的计算机上进行PLC的硬件组态;

③ 修改CP443-1的参数，添加相应的以太网络，设定MAC地址。在本项目测试中，以实验室中某S7-400 PLC为试验对象，打开WinCC添加驱动程序。

④ 在通道单元中选择Industrial Ethernet，右击选择新驱动程序的连接，打开连接属性对话框，选择连接的属性，以太网地址以实验室PC机为例，地址为S7-400的CP443-1通信板上的地址，插槽号为CPU所在的插槽，通常将其放在第2个插槽中。

⑤ 添加驱动程序连接后可进一步添加变量进行测试。在定义变量的过程中，需要指定变量的类型和地址，特别注意此处变量的地址要和PLC中规定的变量的地址相对应，方能为实现数据通信做准备。PLC中变量的输出范围为0～16384，通过设定过程值和变量值的对应关系，可以在画面上显示过程变量的实际值［5－7］。

4.2 画面组态实现

WinCC可以实现数据管理、操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实施趋势曲线、历史趋势曲线、打印报表及用户归档等操作，为工业现场提供很好的可视化条件。其图像编辑器自带的全局库包含了工业过程大部分的元器件，能够满足用户的要求。通过OLE对象和画面窗口的工具，系统可以很好地实现图像的整合处理以及实时数据的显示。

上位机的画面主要由主轧机画面、实时趋势曲线画面、液压站画面和报警显示画面组成，其中最主要的是主轧机轧制画面。操作员通过监控可以及时得到各个轧机的电流以及张力等参数，便于现场的及时调控。

各个画面的主要设计意图如下。

① 主轧机画面:它主要用来显示整个轧制的工艺过程，并记录轧机的速度和电流值供操作人员监控生产过程，同时对可能的故障进行报警。

② 实时趋势曲线画面:为了更好地对工业现场的数据进行管理和记录，我们设计了过程值归档，即在变量记录管理器中增加新的过程值归档，并在其中增添所要记录的过程值。本项目将左右卷曲的电流反馈和速度反馈以及4台主电机的电流和速度反馈作为归档值进行记录，结果存储在归档数据库中。在系统实际运行中，通过趋势图输出当前的过程值，以便工作人员获取各个变量的当前信息值，并在变量记录中添加需要显示的归档变量。

③ 报警显示画面:消息系统中报警记录环节的设计主要是为了给工作人员提供关于轧机工作状态和设备故障的相关信息。报警页面配置了需要显示的信息，如日期、时间、编号、错误点以及消息文本，以供操作人员查询和记录，在组态过程中可以显示长期或者短期归档，并打印归档。

④ 液压站组态画面:由于在本项目中AGC(automatic gain control)控制系统采用的是液压压下的方式，故需要对各个液压泵进行监控操作。根据需要，操作员分别按下画面中的按钮可以对各个泵进行启动和停止的操作;同时画面配置了开卷机液压站加热器的控制按钮，当油温较低时，操作员可以对管道进行加热操作。

5 结束语

将WinCC组态画面在车间进行了相应的测试，通过PLC给定相应变量的数值(范围在1～16384之间时)，组态画面中能够按比例对应地显示输出值，同样，当通过按钮等组件在画面中操作修改某变量时，PLC程序中相应的变量值也会相应修改，很好地实现了画面和PLC之间的通信。利用工控组态软件WinCC实现PLC与 计算机通信的方法简单易行，极大地缩短了设计周期，能适应大规模控制系统的要求，在现代工业控制领域有着良好的应用前景。

［1］何华.深入浅出西门子WinCC V6［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005:5 －10.

［2］孙一康，童朝南，彭开香.冷轧生产自动化技术［M］.北京:冶金工业出版社，2008:4－5.

［3］郑凤翼，张继研.图解西门子S7－300/400系列PLC入门［M］.北京:电子工业出版社，2009:165－252.

［4］毛联杰.S7－300系列PLC与组态软件WinCC实现通信的方法［J］.国内外机电一体化技术，2006，9(4):32－34.

［5］王伟亚.WinCC在起重机监控系统中的应用［J］.港口装卸，2008(5):24－25.

［6］王晓远，杜静娟，齐利晓，等.基于工业组态软件WinCC的化工工业监控系统［J］.化工自动化及仪表，2006，33(5):41－43，47.

［7］程小劲，韩向东.基于工业以太网的污水处理控制系统［J］.仪表技术与传感器，2005(2):37－38.