1  引言
双边剪机组是轧钢厂精整车间的关键设备之一,主要负责对成型后的钢板进行毛边剪切,使之成为最终成品。整个双边剪机组从控制角度可分为主剪系统、夹送辊和辊道控制系统、横移系统、间隙调整系统、激光划线系统、钢板对正系统等6个子系统。为了防止钢板在剪切的过程中跑偏,确保钢板的剪切尺寸和送板步长,双边剪8台夹送辊的同步性控制非常重要。某轧钢厂双边剪机组控制系统的改造项目中,采用了基于PROFIBUS总线的分布式全数字双边剪夹送辊传动控制方案,用以取代传统的模拟量控制系统。
为了对改造后的双边剪夹送辊传动控制系统的运行状态进行实时监控,方便机组的量化管理,采用西门子组态软件WINCC作为上位机监控系统的开发平台,用于开发机组的状态监控和数据管理系统。WINCC是优秀的工控组态软件,特别是WINCC V6.0推出以后,在软件体系结构网络结构以及数据库管理等方面都有了很大的改进,使得它的功能更加完善,系统更加开放,组态更加灵活[1]。但是由于WINCC的变量归档周期过长(最短也要500ms),不能满足高速数据采集的要求。为了突破WINCC这个组态瓶颈,充分利用WINCC的开放性特点,采用C脚本编写高速数据采集的全局动作,用于对多个数据的打包接收和处理,并用Visual C++开发ActiveX控件用于高速数据曲线的显示。

2  监控系统的总体结构
基于PROFIBUS总线的分布式全数字双边剪夹送辊传动控制系统的总体结构如图1所示,自上而下可划分为监视级﹑控制级和现场级三个层次。

图1     双边剪夹送辊控制系统的总体结构

2.1  监视级
监视级仅由一台研华IPC610型工控机组成。工控机作为PROFIBUS-DP 2类主站,配置了通讯处理器CP5613,通过PROFIBUS DP标准协议实现与控制级之间的通讯。监视级不直接参与生产过程的控制,而是通过WINCC开发监控软件,实现以下功能:过程监视画面的开发、8台直流电机的速度和电流数据的采集与显示、控制系统主要参数的显示与设置、系统故障监测、双边剪机组运行状况监测等。
2.2  控制级
控制级采用一台S7 PLC 412-2DP作为控制主站,是整个夹送辊传动控制系统的核心。利用STEP7软件进行整个控制级的硬件组态及控制程序的编写与调试,主要完成以下功能:
(1) 根据双边剪机组的工艺要求,控制各夹送辊的运转。为保证钢板在剪切过程中不跑偏,必须确保对8台夹送辊进行同步性控制,因此设置了多种“主从控制”方式[2]。
(2) 完成与主剪控制PLC的信息交换。S7-400 PLC从主剪控制PLC接收夹送辊启动、停止和压板压下等信号。反馈给主剪控制PLC驱动器准备好、驱动器故障、电机风机准备好、电机风机故障等信号。
(3) 为监视级采集现场数据,同时接收来自监视级的控制指令。
2.3  现场级
现场级由8套直流电机控制柜构成。每个控制柜都安装了一台6RA70全数字直流调速装置和智能分布式从站ET200M。6RA70用于实现对驱动夹送辊的直流电机进行速度和力矩控制,而控制柜的开关量和面板操作及显示装置均通过ET200M来控制。6RA70和ET200M智能从站分别通过CBP2通讯模块和IM153接口模块,接入PROFIBUS-DP总线,实现与控制级PLC的通讯。
 
3  监测数据采集方案
3.1  WINCC通讯原理
WINCC使用变量管理器对变量进行集中管理。变量管理器的任务是从控制系统(如PLC)中取出请求的变量值。这个过程通过集成在WINCC项目中的通讯驱动程序来完成。通讯驱动程序利用其通道单元构成WINCC与过程处理之间的接口。变量管理器到控制系统的基于硬件的连接是利用通讯处理器(如CP5613)来实现的。WINCC驱动程序使用通讯处理器向PLC发送请求消息,然后,通讯处理器将PLC回答消息请求的过程值发回WINCC变量管理器。WINCC与PLC之间的数据交换是监控系统的基础。因此,在利用WINCC进行监控系统开发之前必须先进行变量组态,确定数据采集方案。

3.2  常规过程变量的组态
首先在变量管理器中添加SIMATIC S7 Protocol Suite驱动程序,在PROFIBUS通道单元下建立一个与S7 PLC的连接。对于常规的过程变量,如控制系统的故障信息、每台电机的运行状态以及机组的工况等信号,由于更新周期比较长(通常不小于500ms),只要进行数据类型、变量地址等常规组态即可,变量管理器自动完成对这些变量的处理,还可以充分利用WINCC强大的过程值归档功能进行归档。
3.3  电流和转速数据的高速采集
在双边剪夹送辊控制系统的调试和故障分析过程中,各夹送辊驱动电机的电流和转速曲线是非常重要的依据,因此要求能够在上位机监控系统中实时监视8台电机的电流和转速曲线。为了得到比较平滑的电流和转速曲线,至少需要每20ms采集一个电流和转速数据,然而WINCC最短的变量更新周期为250ms,最短的归档周期为500ms,显然常规的过程变量组态功能无法满足电流和转速的高速采集的要求。
为了满足采集快速改变的过程值或用于组合一台设备的多个测量点等场合的需要,WINCC提供了消息帧变量。在自动化系统中,多个过程值可以被写入连续的数据块并以消息帧形式发送到WINCC,存储在WINCC的原始数据变量中。原始数据变量的格式和长度均不是固定的,只有发送者和接收者能解释其内容,WINCC不能对其进行解释。
利用上述方法,在WINCC上为每台电机的电流和转速分别组态一个原始数据变量,变量长度为52个字节。前50个字节依次存储25个过程变量值(每个电流和转速值均占两个字节),最后两个字节存储一个标志变量,用于指示最新的采样值在该结构中的存放位置。然后在PLC中使用循环中断组织块OB35,将循环周期设为20ms,并为WINCC组态的每一个原始数据变量分配相对应的数据缓冲区(存储结构与WINCC中的原始数据变量的结构一致)。当每次中断后,PLC从每台6RA70上采集一个电流和转速值,并按时间先后次序写入相应的数据缓冲区,为了区分每次写入的采样值的时序,需要将最新写入的采样值在数据缓冲区的位置保存到最后两个字节。这样,在WINCC上每隔500ms采集一次原始数据变量,而每个原始数据变量中包含了25个过程值,从而间接获得了20ms的数据采集周期。
WINCC不能直接对原始数据变量进行处理,但是可以通过WINCC提供的C脚本编写用于处理原始数据变量的全局动作,在该全局动作中,调用WINCC内部函数GetTagRaw()来更新原始数据变量,并对其中的消息帧内容进行拆包处理,最后将分解出来的电流和转速的采样值按照特定的格式保存到有关的数据文件中去,为了便于查询历史数据,给每个数据包打上系统时间戳。整个全局动作的程序流程如图2所示。

图2     高速数据采集全局动作的流程图

4  监控软件开发
监视级的监控软件主要利用西门子的组态软件WINCC6.0进行二次开发完成,同时利用Visual C++6.0开发专门用于显示电机电流和转速曲线的ActiveX控件并嵌入到监控系统中。
4.1  监控软件的功能分析及组态
整个监控软件按照工厂现场的具体功能要求进行设计，根据组态软件的特点，监控系统各项功能都在单独的图形画面中得以体现。按照监控系统的主要功能，组态了以下基本画面:
(1) 主画面:当WINCC项目运行后自动显示该画面，主画面上方为该监控系统的名称，工厂标志以及日期时间等信息，下方为功能切换按钮，中间部分为子画面显示区。
(2) 剪切过程子画面:该画面动态模拟双边剪的剪切过程,能够准确而形象的反映夹送辊的起停、正反转、上辊的压下与台升、送板过程以及压板压下等状态。动画是通过C脚本编写代码在后台修改各图形元件的属性实现的。
(3) 虚拟操作台子画面:该画面将操作台及8套电机控制柜的面板上的主要操作机构(如按钮，转换开关等)及显示元件(如指示灯)集中在一起，形成一个虚拟操作台。通过该画面，可以直观而全面的了解机组的运行状态，并且可以根据需要实现与实际操作台同等的操作功能。
(4) 故障检测及报警子画面:该画面集中显示和管理机组的故障和报警信息，主要通过调用WINCC内置的报警控件实现。
(5) 工艺参数设定子画面:该画面用于设置剪切步长,剪切速度等重要的工艺参数。
(6) 台帐及报表子画面:该画面统计机组的重要运行数据,如正常运行时间、故障时间、停机时间等,并且以直方图和表格等形式显示和打印机组的各种报表。
(7) 电流和速度曲线子画面:在该画面上嵌入自行开发的电流和转速曲线控件,用于实时显示8套夹送辊直流电机的电流和转速曲线。
4.2  电流和速度曲线控件的设计[3]
由于电机的电流和转速等数据不是通过WINCC进行归档，而是保存在自定义的数据文件中，因而不能使用WINCC的曲线显示控件进行显示，需要自行开发ActiveX控件，实现电机电流和转速数据的图形显示功能。ActiveX是基于COM的可视化控件结构的商标名称。它是一种封装技术，提供封装COM组件并将其置入应用程序的一种方法。Visual C++提供了多种开发ActiveX控件的方法，但是相对而言,利用MFC ActiveX ControlWizard向导的方法更加容易而且快捷。该控件除了能够实时显示电流和转速曲线这个基本功能外,还实现了历史曲线查询、曲线保存、打印曲线等附加功能。WINCC是一个很好的ActiveX容器，在操作系统中注册的所有ActiveX控件都可以被WINCC调用，因此将编好的控件注册后直接嵌入WINCC的电流和速度曲线子画面即可。

5  结束语
利用WINCC开发监控系统,具有简单易学、开发周期短、可靠性高等优点，通过丰富的通讯驱动程序实现与控制系统的无缝接入。同时,由于WINCC支持C脚本和ActiveX等开放性接口,所以可以利用第三方开发工具扩展监控系统的功能。该系统已于2005年4月投入现场使用,并连续运行至今,各项技术指标均达到预期要求,取得了良好的经济效益。