基于WinCC和OPC的远程监控配料生产系统

梁飞，何黎明，田作华

0 引言

配料生产系统是一种把多种原料按照一定比例混合在一起，通过粉碎、搅拌、喷液、制粒等加工过程最后生产出某种原料的生产系统。在饲料、建筑、食品等行业中，配料都是生产中必不可少的关键环节。

目前国内的大部分配料系统，还处在模拟屏控制和集中控制的阶段，甚至有些厂家还有手工操作的系统，至今仍没有一个较成熟稳定的配料生产监控系统。随着信息技术和网络技术的不断发展，以及客户对产品质量和生产效率的要求不断提高，新一代的配料系统必将朝着信息化和网络化的方向发展。为此，本论文利用WinCC组态软件和OPC技术设计了一个多种PLC控制，大规模数据交互、C/S和B/S混合模式下的配料生产系统。

WinCC（Windows Control Center）是德国西门子公司推出的工业自动化监控系统组态软件，适用于所有工业和技术领域的解决方案。不但可以用于机械工程中的单用户应用，而且还可以用于复杂的多用户解决方案，甚至是工业和楼宇技术中包含有几个服务器和客户机的分布式系统。

WinCC是包括所有的SCADA系统功能在内的客户机/服务器软件，具有强大的标准接口，提供 OLE，DDE，ActiveX，OPC服务器和客户机等接口或控件，可以方便地与其他应用程序交换数据。支持所有主要PLC系统的通讯通道，比如SIMATIC S5/S7/505控制器的通讯通道，还包括PROFIBUS DP、DDE、OPC和工业以太网等非特定控制器的通讯通道。

1 OPC通讯技术介绍

OPC是一套技术规范和工业标准，它是由一些世界上著名的自动化系统和硬件、软件公司和Microsoft(微软)紧密合作而建立的。O代表OLE(Object Linking and Embedding、对象链接和嵌入)、P (process过程)、C (control控制)。OPC以OLE、COM（组件对象模型）和DCOM（分布式组件对象模型）技术为基础，采用客户服务器（Client/Server）模式，定义了一套适于过程控制应用，支持过程数据访问、报警、事件与历史数据访问等功能的接口，便于不同供应商的软硬件实现“即插即用”的连接与系统集成。

OPC客户机是访问过程数据、消息和OPC服务器归档的应用程序。而OPC服务器则是处理过程数据的应用程序、各种网络协议和访问这些数据的接口之间的中间设备。它提供给不同制造商的应用程序一个标准的软件接口。图 1为OPC的体系结构。

Server是客户端软件和服务器交互的首要对象，不同的设备和应用程序，只要支持OPC技术，按照OPC基金会制定不同的唯一的OPC服务器（OPC基金会是工业自动化领域的主导公司联盟）。比如 SIMATIC Net-OPC.Simatic Net,S7-200-OPCServer.computing。

OPC数据存取DA（Data Access）服务器在结构上分为OPC Server、OPC Group、OPC Item 3 层。其中每个 OPC Item对应于一个实际的硬件设置上的某个Channel或port；每个OPC Group则包含了许多的OPC Item，同时并定义这些OPC Item更新的时间、方式，以及提供读取OPC Item值的接口；而每个OPC Server则包含若干个OPC Group，同时提供操作这些OPC Group的接口。

2 WinCC人机交互界面

配料生产过程本身比较复杂，涉及仓、称、手加料、混合机和缓冲器等硬件设备以及一套生产流程。本系统的硬件设备包括64个仓、4个称、1套手加料、1台混合机和缓冲器的设备，大约需要1400个外部变量，几百个I/O点。生产流程包括送料、分料、下料、手加料、液体加料、干混和湿混等步骤。系统对设备运行精度的好坏直接影响生产饲料的质量，进而影响工厂经济效益。WinCC设计的人机交互界面，数据刷新快，动作延迟短，控制精度高，改善了以往的配料生产系统控制效率，提高了工厂的生产自动化水平。图2为WinCC运行界面和控制界面。

图2 运行界面和控制界面

运行界面中，可以一目了然地看到当前生产流程、各设备运行状况和报警提示，然而，控制界面除了运行界面的功能外，还附加相应的设备控制功能。这些功能帮助高级用户定义故障点，并排除运行故障，及时恢复生产。设置两个监控界面的目的，是考虑到不同的工作人员的操作需要。一般操作人员仅仅需要登录监视运行界面，而高级工作人员可以操作控制界面，从而减少误操作的可能。

3 关键WinCC脚本编程

3.1 变量赋值

监控系统中，数据采集、检测和控制都是通过变量赋值来实现，所以变量赋值是系统控制的重点。本系统涉及的变量较多，大部分变量均要求实时刷新，否则将影响监控效果，常用的变量直接赋值方式无法满足实时的要求，即使采取不断循环读取或设置触发点的方式，仍无法达到实时读取的目的，相反增加了系统运行负担。基于此，本论文提出建立中间变量的思路。将监控点连接到中间变量上，中间变量根据不同的外界触发条件赋予不同的外部变量。通过设置中间变量，可以将不同的外部变量连接到监控界面或者参数查看界面中的同一个监控点，从而达到实时刷新不同外部变量的目的。

程序为：

需要注意的是，在画面上监控点连接的中间变量，均为文本变量16位字符集类型，必须勾选其后的属性“Indirect”——间接寻址。

3.2 WinCC交互性的实现

WinCC作为开放性的软件平台，与Windows应用软件具有良好的交互性，可以方便利用脚本程序与txt、Excel等Windows应用程序实现数据共享。配料系统中的配方单包含大量的重要数据信息，对其的数据处理在人机界面中显得尤其重要。本系统采取了文本输入、电子表格输入、界面输入和文本输出四种方式，对配方单数据进行读写。其中文本输入、电子表格输入和文本输出充分体现了WinCC与文本文件和电子表格 Windows应用程序的交互性功能。下面为WinCC利用VBScript脚本语言实现配方单电子表格输入的主要程序：

4 OPC实现多种PLC通讯

西门子系列PLC数据处理能力强，工作状态稳定，但是售价较高，并且生产现场某些控制点完全可以用其他价格更低功能略差的PLC代替。如何在性价比中取得平衡，很大的程度上取决于如何实现WinCC与非西门子PLC的通讯上。

本论文利用 OPC技术成功实现了 WinCC与欧姆龙CPM2AH系列PLC的通讯。欧姆龙的OPC服务器SYSMAC作为数据中转站，首先从欧姆龙PLC中采集数据，然后将数据传递给作为OPC客户端的WinCC系统。

WinCC既可以作为 OPC服务器也可以作为客户端使用。首先，在 WinCC的变量管理处添加新的驱动程序OPC.chn。在 OPC 驱动下的“OPC Group（OPCHN Unit #1）”选择系统参数，进入图2所示的OPC条目管理器。在OPC条目管理器中，可以看到当前网络上、工作组和本地计算机上的所有 OPC 服务器列表—“Takebishi.Sysmac.1”，“KEPware.KEP

ServerEX.v4” 和 “OPCServer.WinCC” ， 其 中“Takebishi.Sysmac.1”即为欧姆龙PLC的OPC服务器。点击查看服务器，便打开如图3所示的“Takebishi.Sysmac.1”服务器OPC Items列表。双击OPC Items，设置相应的变量名称即可添加到WinCC的OPC变量中。

图3 OPC条目管理器和添加OPC变量

5 C/S和B/S混合模式的网络监控

传统的C/S模式被设计成两层模式，显示逻辑和事务处理部分均被放在客户端，数据处理逻辑和数据库放在服务器端，从而使得客户端变得很“胖”，成为胖客户机，相对的，服务器任务较轻，成为瘦客户机。B/S模式主要由浏览器、Web服务器和数据库服务器3个层次组成，实质上是一个特殊的客户/服务器结构，只不过客户端简化为通用浏览器。所有的管理和维护集中在服务器端，客户端仅仅是一个浏览器，真正达到“零客户端”的目的。

C/S和B/S是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术，各有优缺点。C/S模式下的体系结构运行在一个更安全的交互性更强的局域网内，客户端具有较强的数据操作和事务处理能力。相反，B/S模式则更加开放 仅需安装Web浏览器软件，便可以通过Internet/Intranet监控整个系统，共享数据。配料系统中，对于车间内工作人员的监控系统，安全性要求高，数据交互能力要强，而对于车间外人员则着重于随时方便地了解工厂基本信息。

根据配料企业的实际生产情况，基于两种模式的优缺点，本系统采用C/S和B/S混合模式实现WinCC的远程监控。局域网内用户通过局域网直接访问数据库服务器，采用C/S体系结构；局域网外用户通过Internet访问Web服务器，通过Web服务器再访问数据库服务器，采用B/S体系结构。这种模式下，局域网内用户数据交互强，处理速度快，外部用户无法直接访问数据库服务器，保证了系统数据库的安全。

基于OPC技术构架多客户机单服务器分布式的C/S模式。利用Visual Basic语言编写客户机，在多个客户机间分配存储和监控任务，而WinCC系统作为集中式的OPC服务器。这样的结构，有效地分担了客户机的数据处理压力，提高了监控系统的整体性能水平。另一方面，WinCC V6的组件之一Web Navigator提供了通过Internet/Intranet监控的解决方案。Web Navigator采用强大的事件驱动方式作为数据传输的方式，可以直接打开IE浏览器来监控WinCC生产过程。

6 总结

本系统成功应用在吉林省某乙醇制造厂中，运行稳定可靠，大大提高了工厂工作效率和产品质量，在同行业配料生产系统中具有一定的借鉴价值。

[1]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团,深入浅出西门子WinCC V6,北京航空航天大学出版社,2004.

[2]钟时,别永辉,基于WinCC的港口移动机械监控系统的设计与应用,现代制造,2007年第06期.

[3]张友生,陈松乔,C/S和B/S混合软件体系结构模型,计算机工程与应用,2002年第23期.