摘 要：針對電解鋁濃相輸送系統(tǒng)，以西門子 公司的 STEP7編程軟件、 WinCC工業(yè)組態(tài)軟件和EXCEL內(nèi)嵌的VBA為開發(fā)平臺，分別開發(fā)了PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和報表系統(tǒng)。本文介紹了該控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、實現(xiàn)方法。運行結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，完全滿足了生產(chǎn)的需要。 關(guān)鍵詞：S7-400;WinCC;組態(tài)軟件;EXCEL VBA;濃相輸送 Abstract: For the Dense Phase Transportation system of the electrolytic aluminum, the Siemens STEP7, WinCC and EXCEL VBA are adopted to develop the PLC control system, the PC monitor system , and the report system respectively. The design and implement methods of software and hardware of the system are introduced in this paper. The running result shows that the system is very stable, and can fully meet the needs of production. Keywords: S7-400;WinCC;Configuration Software;EXCEL VBA;Dense Phase Transportation 1 引 言 　　電解鋁廠濃相輸送系統(tǒng)是電解供料系統(tǒng)，是電解鋁廠生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié)，其運行狀況直接影響電解鋁生產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量。為此，我們完成了基于STEP7的PLC控制系統(tǒng)，基于WinCC的鋁電解濃相輸送監(jiān)控系統(tǒng)，基于EXCEL VBA的報表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。 　　西門子公司的HMI/SCADA軟件系統(tǒng)WinCC在Microsoft Windows 32位環(huán)境中提供監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集等功能，并具有ODBC、OLE、OPC和DDE等接口。其顯著特點是：技術(shù)先進(jìn)，操作簡單，安全可靠，采用中文圖形化界面，人機(jī)界面十分友好，易于擴(kuò)充。 2 系統(tǒng)設(shè)計 　　濃相輸送監(jiān)控系統(tǒng)由主控室及東、西區(qū)兩個現(xiàn)場I/O站組成，所有現(xiàn)場的輸入輸出信號均進(jìn)入現(xiàn)場I/O站中的輸入輸出模塊及模擬量采集模塊，模擬量采集模塊用于采集配料秤送來的下料量數(shù)據(jù)。主控室中采用S7-400 PLC，利用SIMATIC通訊接口模塊IM463-2實現(xiàn)S7-400 與 兩個I/O現(xiàn)場站之間的數(shù)據(jù)交換， CPU選型為SIMATIC S7 CPU414-2。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，上位機(jī)選用工控機(jī)，并配液晶顯示器。上位機(jī)內(nèi)安裝通訊卡，和S7-400 PLC采用PROFIBUS總線方式進(jìn)行通訊。打印服務(wù)器通過以太網(wǎng)與上位機(jī)相聯(lián)。 　　工控機(jī)通過網(wǎng)卡接入局域以太網(wǎng)，可實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的共享。另在工控機(jī)上安裝服務(wù)器密鑰，在局域網(wǎng)上任何一臺計算機(jī)上安裝WinCC組態(tài)軟件（只需Runtime 128密鑰），構(gòu)成多用戶系統(tǒng)，可進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)畫面，完成各種操作, 方便管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。工控機(jī)既作為WinCC服務(wù)器，同時又是一現(xiàn)場操作站。打印服務(wù)器通過集線器與WinCC服務(wù)器連接，完成打料量報表的顯示和打印。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　以 Windows 2000為操作系統(tǒng)，用WinCC工業(yè)控制組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，利用WinCC提供的ANSI—C腳本為輔助開發(fā)工具，開發(fā)濃相輸送上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。采用EXCEL內(nèi)嵌的 VBA編程語言開發(fā)報表系統(tǒng)，用西門子新一代的編程軟件STEP7開發(fā)S7-400 PLC控制程序。 　　由于同為西門子產(chǎn)品，WinCC和S7-400 PLC下位機(jī)之間可實現(xiàn)無縫、高可靠性的通訊連接，最大限度地滿足了濃相輸送系統(tǒng)實時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的需要。 3 濃相輸送PLC控制程序的開發(fā) 　　采用西門子STEP7作為編程工具，為了滿足上位機(jī)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控需要和報表系統(tǒng)的統(tǒng)計要求，在開發(fā)濃相輸送PLC控制程序的同時，設(shè)計了相應(yīng)的實時動態(tài)數(shù)據(jù)庫文件，既為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)視與控制所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，又為報表系統(tǒng)提供了原始數(shù)據(jù)。PLC控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)東、西區(qū)濃相輸送的工藝過程控制和相關(guān)設(shè)備的控制。 4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā) 　　4.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能 　　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖2所示。 　　監(jiān)控系統(tǒng)畫面有：壓力容器總覽監(jiān)視畫面;區(qū)段監(jiān)視畫面;強(qiáng)制畫面;報警瀏覽畫面;壓力容器監(jiān)視畫面;配料畫面;原料總覽顯示畫面;跳槽總覽顯示畫面;用戶登錄窗口;歷史紀(jì)錄畫面等動態(tài)監(jiān)視和操作畫面。畫面底部設(shè)計有兩行共16個命令按鈕。用來完成畫面切換及各種操作。還可通過鼠標(biāo)點擊畫面上相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行畫面切換。使得各畫面之間切換十分方便、快捷。 　　· PV總覽監(jiān)視畫面：分1/2（東區(qū)）和3/4（西區(qū)）兩個畫面，每個畫面中至少包括8個料倉及料倉料位、7個壓力容器、4個槽區(qū)、6個區(qū)域閥、三個旁通閥、所有的門閥、7條濃相管線的運行狀況。通過設(shè)備顏色、動畫和中文提示信息等方式，監(jiān)視現(xiàn)場PV和各種閥門的運行狀況，給出準(zhǔn)備、中止、加料、輸送、排氣、滿、空、高高料位、高料位和低料位等各種工況和報警信息。 　　· 區(qū)段監(jiān)視畫面：該畫面監(jiān)視和控制現(xiàn)場8個區(qū)段電解槽打料狀況;采用彈出式窗口，對每個電解槽可進(jìn)行原料選擇、跳槽、取消跳槽、故障復(fù)位、強(qiáng)制打料等操作。每個畫面應(yīng)指示出所顯示槽區(qū)的編號、正在為其加料的壓力容器的編號以及壓力容器的運行狀況、濃相管的管道壓力狀況、當(dāng)時的加料路徑、各個屏氣閥的狀態(tài)、每臺電解槽的狀態(tài)等。在軟件中設(shè)置了跳槽和取消跳槽操作確認(rèn)提示，從而避免了操作人員的誤操作造成的氟化鋁冒料及空倉等工藝事故。 　　· 壓力容器監(jiān)視畫面：該畫面包括14臺壓力容器運行狀況的分畫面，每個畫面中顯示壓力容器的設(shè)備編號、料位情況、副原料位、該壓力容器目前的狀態(tài)、所送物料的目的地址、濃相管的路徑選擇、目的料倉的料位、所有閥門的運行狀況、以及管道壓力和罐內(nèi)壓力、對應(yīng)的定容器動作狀況、副原料配料計劃和實際運行情況?？蓪崟r監(jiān)視2立方米壓力容器電子秤的數(shù)值。 　　· 副原料配料畫面：進(jìn)行人機(jī)對話，根據(jù)電解配料單，利用鍵盤，對每臺槽一次輸入4天的氟化鋁和一天的電解質(zhì)配料。 　　· 原料總覽顯示畫面：該畫面將各電解槽原料選擇結(jié)果分東、西兩個區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計顯示。使用顏色加以區(qū)分，使選擇結(jié)果一目了然。 　　· 跳槽總覽顯示畫面：該畫面將跳槽的電解槽分東、西兩個區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計顯示，便于操作員整體了解現(xiàn)場跳槽情況。 　　· 報警瀏覽畫面：報警畫面顯示和打印系統(tǒng)所有的報警，指出報警的時間和名稱。該畫面實時給出兩千多條不同提示信息，按不同顏色顯示各種報警信息。 　　· 強(qiáng)制畫面：顯示8個槽區(qū)強(qiáng)制槽號隊列，輸入強(qiáng)制打料槽號。該功能可實現(xiàn)手動打料。 　　· 加料起動時間畫面：顯示和輸入8個槽區(qū)兩次加料的開始時間。 　　· 用戶登錄窗口：該窗口是一個彈出式窗口，可完成不同權(quán)限用戶登錄。 　　· 報表畫面：加料日報、周報、月報要求分別統(tǒng)計每臺槽、每個槽區(qū)、每個廠房和每個車間新鮮氧化鋁、載氟氧化鋁、氟化鋁、電解質(zhì)的實際添加量，以及氟化鋁和電解質(zhì)的計劃添加量。 　　4.2監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 　　· 建立系統(tǒng)標(biāo)簽（變量） 　　在WinCC組態(tài)環(huán)境下首先創(chuàng)建通訊聯(lián)接，選擇其通訊協(xié)議，然后在該通訊聯(lián)接下，針對東、西兩個區(qū)，共8個段，126臺電解槽，建立系統(tǒng)內(nèi)外標(biāo)簽共4000多個。 　　· 繪制工藝組態(tài)畫面 　　在WinCC圖形編輯器下，利用WinCC強(qiáng)大的繪圖和動畫功能，在充分了解濃相輸送系統(tǒng)的工藝流程、監(jiān)控要求和PLC數(shù)據(jù)庫文件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計完成所有能實時反映現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)控畫面和其他系統(tǒng)操作畫面。將已定義的標(biāo)簽與畫面設(shè)備相連，是實現(xiàn)動畫監(jiān)視的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計時充分考慮操作界面的簡單、友好，并兼顧用戶的操作習(xí)慣。 　　· 建立數(shù)據(jù)庫 　　在日志（log）編輯器下完成歷史紀(jì)錄數(shù)據(jù)庫的配置，包括PV號、槽號、排氣時間、打料時間、輸送時間、日期、時間等變量。 　　在報警編輯器下完成各種報警的觸發(fā)條件、顯示顏色和描述的配置，共有2000多條記錄，通過圖形編輯器下報警控件可實現(xiàn)實時和歷史數(shù)據(jù)的顯示、確認(rèn)。其歷史紀(jì)錄設(shè)為短期Log，最多各記錄1000條，采用先入先出的方式進(jìn)行刷新。該數(shù)據(jù)庫是各種數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計的來源。建立的動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)Intranet數(shù)據(jù)共享，避免了重復(fù)投資。 　　· 設(shè)定管理操作權(quán)限 　　管理員編輯器完成操作權(quán)限的設(shè)置，該系統(tǒng)共設(shè)有三種權(quán)限，超級管理員、管理員和操作員。超級管理員可進(jìn)行包括系統(tǒng)管理的任何操作，管理員是為車間管理者設(shè)定的，可進(jìn)行畫面監(jiān)視、關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定、退出系統(tǒng)等操作，但不允許現(xiàn)場控制操作，如跳槽、強(qiáng)制等。操作員只能進(jìn)行現(xiàn)場的控制、畫面的監(jiān)視等操作。 　　在WinCC工程屬性中，封鎖所有熱鍵，確保用戶非法退出。 　　· WinCC功能擴(kuò)展 　　全局腳本編輯器完成各種C函數(shù)的編輯和編譯。利用該編輯器實現(xiàn)了許多WinCC組態(tài)無法實現(xiàn)的系統(tǒng)功能。例如完成數(shù)據(jù)顯示格式的轉(zhuǎn)換，報警的聲音、動畫提示等功能。例如監(jiān)視主畫面右下腳的圓形圖標(biāo)的作用是：只要系統(tǒng)有報警產(chǎn)生，圖標(biāo)就會閃爍，以提醒操作員盡快處理。該功能就是利用一C函數(shù)將各種報警條件相或，其結(jié)果作為圖標(biāo)閃爍的動畫觸發(fā)條件實現(xiàn)的。 　　4.3 報表系統(tǒng)的實際與實現(xiàn) 　　加料日報、周報、月報要求分別統(tǒng)計每臺槽、每個槽區(qū)、每個廠房和每個車間新鮮氧化鋁、載氟氧化鋁、氟化鋁、電解質(zhì)的實際添加量，以及氟化鋁和電解質(zhì)的計劃添加量。日報要求保存一個月，周報、月報要求保存一年，并在保存期內(nèi)可隨時調(diào)閱。 　　WinCC較之其他組態(tài)軟件，其報表功能較強(qiáng)，但由于其報表格式單一，仍然無法完全滿足用戶要求。 　　為了不中斷WinCC的正常監(jiān)控，本系統(tǒng)設(shè)計了一個報表打印服務(wù)器，單獨完成報表的瀏覽和打印，打印報表系統(tǒng)與WinCC共享數(shù)據(jù)庫，利用EXCEL中內(nèi)嵌的VBA腳本設(shè)計實現(xiàn)。根據(jù)WinCC中形成的日報數(shù)據(jù)庫，可對8個槽區(qū)共126個電解槽進(jìn)行日報、周報和月報的數(shù)據(jù)更新、顯示瀏覽和打印。該報表系統(tǒng)在每天的固定時間通過以太網(wǎng)接收并更新數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶輸入的查詢條件，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并形成報表。 5 結(jié) 論 　　幾年來的生產(chǎn)實踐表明：PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和報表系統(tǒng)在操作性、維護(hù)性、擴(kuò)充性和可靠性等方面都達(dá)到了令人滿意的結(jié)果，完全滿足了生產(chǎn)的需要。 　　若要增加一獨立的操作站，硬件只需再增加一臺上位機(jī)，一塊接口卡，軟件安裝一個WinCC運行版即可。 　　本文的創(chuàng)新點在于：1. 本文所做的工作實現(xiàn)了電解鋁濃相輸送PLC控制和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化，節(jié)省了大量的資金。 2.采用了WinCC的服務(wù)器/客戶機(jī)（Server-Client）結(jié)構(gòu)的多用戶系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。3. 利用EXCEL中嵌入的VBA腳本語言，與WinCC共享實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了報表系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子WinCC V6使用手冊[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004 　　[2] Siemens Corporation. 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