基于WinCC的模块化生产系统监控程序设计

殷永华，杨 明

(南京航空航天大学机电学院，南京 210097)

0 引言

模块化生产系统，简称MPS，是模块化概念在工业中的具体应用。模块化生产系统集成了机械技术、电子技术、计算机技术及其他学科，其关键技术包含了PLC控制技术、现场总线技术和工业组态技术。利用系统结构的开放性，可选择符合加工要求的设备单元的数量和类型，通过模块组合模拟自动生产线，满足教学和科研需求。

WinCC由西门子公司开发，是过程控制系统及其他自动控制系统中的人机界面组件，是多种自动化设备及一些控制软件的集成。采用模块化结构，WinCC将生产和过程自动化整合，提供开放性数据库接口、多种编程接口等灵活的扩展方式，采用可视窗口和菜单选项进行功能操作，使用方式灵活。

1 模块化生产系统控制结构

MPS采用了上料检测、零件搬运、加工和检测、分类存储6个工作站。各站采用S7－200PLC，负责对设备的输入输出信息的采集及传送，采用S7－300PLC作为各站信息的采集汇总，实现对总线的控制和管理以及与从站的信息的交换，通过PROFIBUS总线网卡CP5611连接PC，其控制网络结构如图1所示。6个工作站为DP从站，输入输出信息的字节数小于16字节，S7－300PLC为1类DP站，主要实现各站信息的采集汇总、总线的控制和管理以及与从站的信息的交换;PC机为2类主站，通过Step7软件作进行网络设置及WinCC监控程序的编制和显示。

图1 模块化生产系统控制结构

2 WinCC组态

2.1 WinCC通讯结构及其原理

WinCC应用程序包括图形、报警记录和变量记录运行等系统，处理的数据主要有项目产生的数据和项目数据库中的数据。在WinCC运行系统中，运用变量的形式，通过用户不可见变量管理器来集中管理变量，从变量管理器中请求数据。WinCC数据管理器主要任务是通过通讯驱动程序的通道和过程之间的接口——通讯处理器与PLC交换数据，WinCC通讯结构层次如图2所示。

图2 WinCC通讯结构层次

2.2 WinCC 组态设置

通过创建WinCC站与PLC系统间的物理连接→在WinCC项目中选择合适的通道驱动程序→在通道驱动程序连接适当的通道单元→建立变量来进行系统组态。通讯驱动程序中包括不同的通道单元，通道单元通过驱动程序及通讯处理器与PLC连接。PLC过程值将通过通道进行传送并存储在WinCC服务器的工作存储区中。

在图1所示控制结构中，根据主从站的设置，利用Step7软件对CP5611网卡驱动的安装及通讯参数的设置、EM277设备添加及设置，其主要设置步骤及参数为:

主站S7－300PLC组态:主要在Step7软件中进行主站组态，添加PROFIBUS网络，设定其通讯地址为1类主站，波特率为9600;

CP5611添加及设置:在 Step7软件中的“Set PG/PCInterface…”项目中进行该卡的驱动安装，经测试后设置其地址为2类主站，波特率为9600;

EM277设备添加:GSD文件是设备的驱动程序，EM277属于第三方设备，根据事先准备的驱动，导入EM277的GSD文件，然后在Step7软件中添加模块，依次设定EM277模块的外部地址开关为1～6;

从站组态:在Step7的组态窗口，根据EM277模块的外部地址开关进行配置后设定通讯缓冲区为VB0～VB15，采用8字节入/8字节出的通讯方式;

变量定义:根据各站输入输出点数，在WinCC软件中进行相应的外部变量定义，实现PLC和WinCC的数据交换。

3 WinCC监控程序的设计

监控程序主要实现对动作的监视，反应各站实际动作顺序及常用的的报警设计，其程序主要包括界面设计、动画设计和报警程序设计。WinCC提供了一个图形库，这些库提供了多种预先完成的图形对象和各种各样的工具，可以创建和动态修改画面。由于MPS的特殊性，WinCC自带的图形库很少有符合该系统的图形控件，无法模拟各站具体逼真地运行，所以必须进行动画的设计和调用。WinCC监控界面整体结构如图3所示。

图3 WinCC主体界面设计图

3.1 WinCC 画面设计

为了清晰形象地展现模块化生产系统的工作状态，全面有效的掌握系统运行，将监控画面分为开始画面、过程画面和报警画面。

开始画面中主要包含了“过程画面”、“报警画面”、“趋势画面”、“退出系统”4个主体部分。过程画面是当鼠标单击开始“过程画面”时，用来在开始画面中的“画面窗口”中显示的过程画面包括6个站的切换，在过程画面中添加一个画面窗口，用来显示每个站的具体运行情况，而在画面窗口下，添加6个按钮，用来完成对6个站的切换。

3.2 动画设计和调用

WinCC中提供了脚本驱动平面图形、模拟电影播放原理、用图形库中自带的控件和用外部视频资源的动画实现方式。模块化生产系统作为一个顺序动作控制过程系统，系统中传感器和电磁阀很多，控制多为开关量，采用三维动画视频来表现各工作站的具体状态，利用Flash控件调用swf控制动画文件的方式来表达动作，使过程控制简单，动作过程显示逼真。

3.2.1 动画设计

运用常用的动画软件，依据各站动作的顺序，对系统进行实体建模，简化设计过程中的一些非关键因素，如形状、色彩等，并对动画动作的分解处理，更直观的反映不同传感器的触发状态及工作站各元件的运动情况，制作成swf格式的Flash动画。

3.2.2 动画调用及控制

在WinCC程序中利用其内部的的Shockwave flash Object控件进行动画调用，使加入的Flash动画保持原有的功能，播放时占用的系统资源较少，控制动画播放的脚本较为简单。

WinCC中，对象的动态化都是针对对象属性进行的，Shockwave flash Object控件属性有Movie(读写)、Playing(只读)、FrameNum(读写)。在上位机中，WinCC从外部变量中读取工作站传感器的状态字，当WinCC变量满足播放条件时，Playing属性置true，动画播放，监控画面与实际动作相匹配，当动作过程结束时将FrameNum属性置为动画对应的那个帧上，达到动画与实际动作同步。其主要通过VB脚本对Playing项和FrameNum项进行属性的赋值。

Playing项的VB脚本为:

3.3 简单报警设计

WinCC主要实现MPS系统整体监控，每个工作站动作的是每个站的PLC进行控制，当工作站出现故障的时候，发送报警状态字给S7－300PLC或者直接发送到WinCC，根据报警状态字来显示出哪个站出现硬件异常、当前工作站故障位置及原因。

4 结论

WinCC是功能强大的人机交互软件，适用于很多控制系统。通过WinCC对模块化生产系统监控程序的编制，实现了模块化生产系统各工作过程的实时监控，为各种控制系统的监控提供了一种新的实现思路。

［1］张俊勇.PROFIBUS总线在MPS改造中的应用［J］.装备制造技术，2010(8):165－166.

［2］陶军.PROFIBUS－DP现场总线技术在磨床改造中的应用［J］.机床与液压，2006(11):71－73.

［3］李帅.WinCC在玻璃配料监控系统中的应用［J］.可编程控制器与工厂自动化，2010(2):37－39.

［4］李微波，赵律，梁延德.WinCC在基于PROFIBUS－ DP柔性制造系统中的应用［J］.机械工程师，2005(12):124－126.

［5］齐继阳.基于WinCC的柔性制造系统的监控系统的设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(1):51－52.

［6］练永青.也谈现场总线技术的应用［J］.石油化工自动化，2002(5):67－70.

［7］闰志强.西门子PROFIBUS工业通信指南［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［8］郑旭扬.基于PROFIBUS－DP现场总线通信接口的研究［D］.广东:广东工业大学，2009.