基于WinCC的正善选煤厂HMI系统设计

基于WinCC的正善选煤厂HMI系统设计
林国富;娄德安;李朝东
【摘要】介绍了由西门子组态软件WinCC开发的人机交互界面,采用S7-300系列PLC,应用于正善选煤厂生产过程的集中控制系统来进行实时控制.重点从变量与通信连接、画面组态、报警记录组态、用户管理与系统保护及报袁组态几个方面,详细介绍了集中控制系统中人机界面的设计与实现过程.通过新增报警及参数设置等画面,及时判断设备故障点,最大限度地确保规定生产时间内的原煤入洗量.
【期刊名称】《水力采煤与管道运输》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】5页(P23-27)
【关键词】WinCC;控制系统;人机交互;画面组态
【作者】林国富;娄德安;李朝东
【作者单位】中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北唐山 063012;河北省煤炭洗选工程技术研究中心,河北唐山063012;中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北唐山 063012;河北省煤炭洗选工程技术研究中心,河北唐山063012;中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北唐山 063012;河北省煤炭洗选工程技术研究中心,河北唐山063012
【正文语种】中文
【中图分类】TD948.9
正善选煤厂为矿井型选煤厂，设计生产能力120万t/a，采用跳汰、浮选及煤泥压滤联合工艺，于2014年9月底建成投产。

为提高正善选煤厂的自动化程度，减轻操作工的劳动强度，加强设备之间的联动闭锁关系，设计了集中控制系统，完成选煤厂生产过程的自动控制。

通过组态软件WinCC开发人机界面(Human Machine Interface，HMI)系统以动态画面实时显示监控车间生产设备的运行状况，设置设备启停及其它控制参数等信息，具有直观形象、信息处理量大以及易于维护等特点[1］。

1 系统简介
该控制系统中监控计算机即上位机由操作系统Windows xp的工业控制计算机组成，利用WinCC组态软件开发HMI监控系统，实现选煤厂生产过程的实时控制
及动态模拟显示。

后台采用标准MS SQL Server数据库软件，为数据存储提供可靠保障;控制单元选用可靠性相对较高的西门子S7－300系列PLC，控制上位机和泵阀及传感器之间的信号传递，通过总线技术实现上位机与PLC的通信[2］。

为提高集中控制系统的可靠性，在系统设计过程中，设计操作台面板控制模式作为上位机控制模式的备用，并设置操作台面板控制为默认的控制方式，可通过上位机画面选择系统运行于操作台面板控制模式或上位机控制模式，这样就可以确保当PLC或上位机出现故障时，整个选煤厂的正常生产运行。

该系统可实现对整个选煤厂生产过程中设备运行状态的实时监控，现场设备电机、泵阀及传感器的工作状态反馈和现场所有动作消息的归档报警，生产数据报表的生成、整个系统设备之间的闭锁保护、操作员权限的管理，还可完成现场实时数据的采集、分析及控制，系统执行参数的下发、保存及读取等。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构图
2 系统的设计与实现
根据正善选煤厂生产工艺流程和系统控制要求，WinCC组态软件通过图形编辑器、变量管理器、报警记录、用户管理器、全局脚本等多种编辑器组态选煤厂监控系统[3－4］，各编辑器具体功能如图 2 所示。

2.1 变量与通信连接
WinCC与PLC之间是通过通信驱动程序来完成的，数据交换是通过过程变量来实现的，因此在使用WinCC开发选煤厂监控系统时，应该首先添加驱动程序创建过程变量。

图2 WinCC组态软件各编辑器功能图
在WinCC的变量管理器中添加“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”驱动程序，
在该驱动程序下选择所需要的通道单元MPI，在该通道单元内建立新的驱动连接，在该驱动连接中创建过程变量。

由于需要创建的过程变量较多，根据变量连接信号类型的不同将其分组，便于变量的分配和检索。

2.2 画面组态
画面组态设计过程中，为了操作方便，把一些共性操作项在相同的位置显示出来，按照系统实际工作特性及工艺步骤，把控制功能分布在多张画面中，包括启动画面、工艺流程、顺启流程、顺停流程、报警画面及参数报表等，总体画面组态效果如
图3所示。

图3 总体画面组态效果图
(1)启动画面是一幅背景包括上面的可变部分与下面的固定部分。

下面固定部分包
括画面切换按钮、按钮开关及状态指示灯等共性操作项;上面可变部分插入了智能
对象中的画面窗口，其尺寸与其它画面尺寸相同，从而使其它画面可以在该画面窗口中完整地显示出来。

(2)在设备工艺流程画面中，为了使画面更加形象直观地反映现场设备实际情况，
做到使操作人员一看就懂，采用现场设备的真实照片经过专业的图片处理软件处理
后，作为画面的图形元素，并通过编写脚本程序使其产生动画效果。

(3)在顺启流程和顺停流程中，按照逆煤流方向启车、顺煤流方向停车的原则，排列带有设备编号的矩形图标，给出设备的起停车顺序。

矩形图标设置了不同的背景颜色，分别代表设备处在运行状态、停止状态及故障状态。

在手动的情况下，通过鼠标点击带有设备编号的矩形图标，可以弹出控制设备的对话框，实现对设备的手动控制。

(4)在集控系统设计的过程中，采集空开、接触器及胶带保护等可能引起设备故障的故障点信号，并将故障点信号以醒目的标示在报警画面中显示，这样使操作工人通过查看报警画面，及早发现设备的故障点，方便操作工人及时维修设备，尽快恢复生产。

由于警告类的报警消息不会导致设备停车，因此，当报警画面没有被切换为当前显示画面时，其报警消息不易被发现[5］。

考虑到这一点，在启动画面的固定显示部分设置一个报警条，通过醒目的闪烁背景显示警告类的报警消息，使其可以尽早地被操作人员发现并及时处理，防止事故的发生。

(5)在设备逆煤流启动，顺煤流停止的过程中，设备的启停车会占用一定的生产时间。

为了最大限度地压缩这部分时间，确保规定的生产时间内，原煤入洗量的最大化，在原有画面中新增参数设置画面，将启停车时间及其它控制参数设计成操作人员可控制的项，这样在生产中操作工人可根据生产的实际情况，修改启停设备时间等参数，提高设备生产运行利用效率。

2.3 报警记录组态
设计的报警画面中醒目标示可以方便操作工人及时发现设备的故障点，而利用WinCC组态软件的报警消息系统可以实现对报警消息额记录归档，便于事后对故障情况的查看和设备故障情况的统计分析。

在WinCC报警记录的消息块中添加日期、时间、状态及消息文本等条目并设置其属性，设置消息类别为电机保护、胶带保护等，消息类型为警告、报警等。

为便于查询和打印报警消息，将其进行归档，
设置所有分段的时间范围是一个月，所有分段的最大尺寸是1000MB，单个分段的时间范围是一日，单个分段的最大尺寸是100MB，在报警消息的表格窗口添加报警消息;最后在报警画面中添加报警控件并设置其属性，用于输出组态好的报警消息，部分报警记录运行画面如图4所示。

图4 报警记录运行画面
2.4 用户管理与系统保护
为了便于系统管理和保证安全操作，使系统满足分级保密的功能要求，使用WinCC软件自带的用户管理器，对WinCC项目功能和用户访问权限进行设置，使不同等级的用户对系统具有不同的访问权限。

同时，为了减小病毒或运行其它软件造成人机界面故障的可能，把运行人机界面作为工控机的唯一用途，在WinCC 的AutoStart菜单中添加该项目，并选中启动时激活，这样工控机一开机就运行组态画面。

屏蔽工控机的USB及光驱等可能连接外部设备的接口，在WinCC的计算机属性的参数标签下屏蔽Alt+TAB、Ctrl+Alt+Del及Ctrl+Esc等快捷键;在启动画面的固定显示部分设置一个退出按钮，一旦点击工控机直接关机，防止操作员退出人机界面，对工控机进行多余的操作。

2.5 报表组态
尽管WinCC软件报表系统自带了很多种类并且功能强大的报表模板，但其并不能灵活地适用于选煤厂的实际情况。

所以，利用Microsoft Office软件中的Excel 表格自行创建了一个生产日报表[6］。

创建过程是根据选煤厂生产实际，创建一个报表模板，然后在WinCC脚本系统中编写脚本程序，使系统根据报表模板，每日定时生成一个以该日日期为名称的Excel表格，并定时、自动地向该Excel表格写入数据并保存该表格。

在组态画面中，通过设置相应的选择按钮，可以根据日期来查询选煤厂当前以及历史生产日报表。

3 结论
基于WinCC组态软件开发的正善选煤厂HMI系统，完全满足选煤厂生产工艺的
要求，具有界面友好、功能完善、运行可靠等优点。

实际应用表明，该系统有效降低了操作工人的劳动强度，减少了操作人员数量，提高了选煤厂的生产效率，促进了企业的技术发展，提高了企业的经济效益，并具有很强的实用性和可移植性。

参考文献
[1]胡思源.选煤厂监控系统的研究与设计[D］.武汉理工大学，2006.
[2]吉顺平，孙承志，路明.西门子PLC与工业网络技术[M］.北京:机械工业出版社，2008.
[3]廖常初.西门子人机界面触摸屏组态与应用技术[M］.北京:机械工业出版社，2007.
[4]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[M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.
[5]武剑林.基于WinCC组态软件的皮带运输监控系统[J］.可编程控制器与工厂自
动化，2013(3):65－69.
[6]蔡先锋.Wincc组态软件在大足选煤厂的应用[J］.选煤技术，2011(1):56－58.。