用WinCC擴展大型復(fù)雜機床輔助管理功能

□ 盧端方 □ 李 瑋 □ 沈 勇 □ 柏 丹

1．西南林業(yè)大學(xué) 機械與交通學(xué)院 昆明 650224

2．云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院 昆明 650031

3.沈機集團昆明機床股份有限公司 昆明 650203

隨著個人計算機（PC）的普及和開放系統(tǒng)的推廣，基于PC西門子的工業(yè)組態(tài)軟件在工業(yè)控制領(lǐng)域不斷發(fā)展壯大。西門子的組態(tài)軟件為開發(fā)適合現(xiàn)代化控制要求的系統(tǒng)提供了一個圖文并茂、形象直觀和開放性好的軟件平臺［1］。本文介紹了在二次開發(fā)意大利FAVRETTO導(dǎo)軌磨床時，利用WinCC Flexble開發(fā)了數(shù)控機床輔助管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示、報警信息和遠程監(jiān)控等功能，形成了一套獨立的、完整的在線監(jiān)測的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC及上位機完成數(shù)控設(shè)備的信號采集、系統(tǒng)監(jiān)控及任務(wù)管理，并通過Profibus-DP(過程現(xiàn)場總線)連接、Ethernet相互通信，為數(shù)控設(shè)備的安全可靠運行提供了保證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制要求

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以數(shù)控導(dǎo)軌磨床輔助管理功能的開發(fā)為例，主要包括機床的診斷、機床冷卻系統(tǒng)、機床的加工，圖1為監(jiān)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

機床的診斷：主要是對機床各軸的限位開關(guān)、液壓電磁閥狀態(tài)、潤滑油脂、電機狀態(tài)信號等進行實時監(jiān)控。

機床的加工：主要是對周向磨頭旋轉(zhuǎn)速度及所在機床坐標系位置、萬向磨頭旋轉(zhuǎn)速度、磨頭與工件的角度、機床坐標系位置以及工作臺位置變化進行實時監(jiān)控。

機床的冷卻系統(tǒng)畫面：冷卻系統(tǒng)主要對電主軸冷卻系統(tǒng)、工作臺液壓冷卻系統(tǒng)以及切削液冷卻系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

▲圖1監(jiān)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制要求

以切削液控制系統(tǒng)為例，本系統(tǒng)主要是在磨削時控制切削液的供給，由于導(dǎo)軌磨床要求加工精度非常高，所以在不同環(huán)境下要對切削液進行相應(yīng)的預(yù)處理，例如，當工件表面溫度高于切削液溫度時需要加熱切削液，當工件表面溫度低于切削液溫度時需要冷卻切削液。這樣做的目的是防止工件表面溫度與切削液溫度之間溫差不要太大，避免產(chǎn)生熱變形或冷變形。如果切削液不進行相應(yīng)的預(yù)處理就直接作用在工件上，會破壞工件原有的幾何精度，對加工精度產(chǎn)生嚴重的影響。導(dǎo)軌磨床的加工精度不允許超過3 μm，所以不讓工件產(chǎn)生熱變形或冷變形，控制好切削液溫度至關(guān)重要，圖2為切削液控制系統(tǒng)流程圖。

▲圖2 切削液控制系統(tǒng)流程圖

2 機床監(jiān)控系統(tǒng)PLC程序設(shè)計

STEP7是用于SIMATIC 7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件，編程語言主要有：梯形圖、語句表和功能塊圖。

通常用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB)、功能(FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。OB1是主程序循環(huán)塊，是必需的。根據(jù)過程控制的復(fù)雜程度，可將所有的程序放入OB1中進行線性編程，或?qū)⒊绦蛴貌煌倪壿媺K加以結(jié)構(gòu)化，通過 OB1調(diào)用這些邏輯塊［2］。

對一個實際的過程控制，按照所采用的控制策略編寫用戶程序，模擬調(diào)試后下載到PLC，與實際系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，完成相應(yīng)的控制功能。

本文采用西門子STEP7作為編程工具，利用S7-300軟件開發(fā)邏輯程序，為了滿足上位機WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的需要和設(shè)備維修的設(shè)計要求，在開發(fā)PLC控制程序的同時，設(shè)計了相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)文件，既為上位機監(jiān)視和控制提供相應(yīng)的變量和數(shù)據(jù)，也為電氣工程師方便快捷地查找I/O點提供方便。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)

西門子的WinCC組態(tài)軟件，提供適用于工業(yè)應(yīng)用的圖形顯示、消息、歸檔以及報表等功能模板，能方便生成全圖形化人機界面。上位機同時裝有STEP7編程軟件，采用以太網(wǎng)方式與現(xiàn)場PLC連接，可以實現(xiàn)在中控室內(nèi)監(jiān)視和修改PLC程序［3］。

在組態(tài)畫面之前，首先要建立WinCC與STEP7的動態(tài)連接,WinCC與PLC之間的通信主要依靠S7協(xié)議中的SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE協(xié)議通道來實現(xiàn)［4］。通過設(shè)置以太網(wǎng)地址、機架號、槽號等建立上位機與各分站PLC的連接。在連接建立好以后，通過建立變量標簽、繪制組態(tài)畫面、元件屬性的變量連接和調(diào)試等步驟，實現(xiàn)WinCC對現(xiàn)場運行狀態(tài)的監(jiān)控。

3.1 建立變量標簽

在已建立的通信連接中定義變量或變量組。每個變量有3個設(shè)置項：變量名、數(shù)據(jù)類型、地址，其中最重要的是變量地址，它定義了此變量與PLC中某一確定地址如某輸入位、輸出位或標志位的一一對應(yīng)的關(guān)系。如圖3中的第五列代表變量地址，此地址要實現(xiàn)的監(jiān)控狀態(tài)一定要與邏輯控制中的變量地址一致。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的畫面組態(tài)

在WinCC圖形編輯器畫面中，根據(jù)數(shù)控設(shè)備的設(shè)備布置和監(jiān)控要求，利用WinCC繪圖工具或兼容繪圖軟件，設(shè)計完成所有能實時反映現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)控畫面以及其它操作畫面。軟件圖形庫中有各種特殊的圖形對象，如油箱、電機、閥門等。本設(shè)備畫面開發(fā)中針對設(shè)備自身特殊情況，還利用Visio軟件畫出冷卻設(shè)備控制畫面，以WMF格式圖形對象存入圖形庫中，這樣就可以建立非常逼真的監(jiān)控畫面。開發(fā)畫面時，應(yīng)以畫面簡單、友好和易于操作為原則，應(yīng)盡量使畫面和元件的位置與現(xiàn)場保持一致，并要充分兼顧將來用戶的操作習(xí)慣［5］。圖4為切削液控制系統(tǒng)和主軸冷卻系統(tǒng)畫面。

3.3 元件的動態(tài)連接

要動態(tài)地反映現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，就要對所繪制元件的顏色、樣式、閃爍、幾何等屬性進行變量連接。當變量發(fā)生改變時，元件的屬性發(fā)生相應(yīng)改變，從而實現(xiàn)對自動化控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，并能直觀顯示。在調(diào)試時應(yīng)注意要選用Step7變量表的變量，這樣就能查出由于人為原因在組態(tài)軟件中把變量地址輸入錯誤，造成的畫面監(jiān)控失敗。

▲圖3 變量表截圖

▲圖4 切削液控制系統(tǒng)和主軸冷卻系統(tǒng)畫面

4 結(jié)束語

利用WinCC作為機床監(jiān)控軟件，可以簡化上位機與PLC的通信，方便地讀取來自于PLC的數(shù)據(jù)及向PLC傳送的數(shù)據(jù)，不僅很容易配置形象、逼真、友好的人機監(jiān)控畫面，而且還保證程序運行的安全性，得到用戶的廣泛好評。

［1］ 梅標，胡亞非，宋平平，等.組態(tài)軟件WinCC在空壓機監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機械，2008,29（8）：203-205.

［2］ 任俊杰，錢琳琳，劉澤祥.基于SIMATICS7 PLC的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)，2004（9）：39-41.

［3］ 李蘭英，李霄燕，紀穎.基于WinCC的濃相輸送監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2008（1）：33-35.

［4］ 朱勇，葉華，劉成良.使用WinCC在機電一體化系統(tǒng)中實現(xiàn)過程監(jiān)控［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004（6）：19-20，25.

［5］ 齊繼陽.基于WinCC的柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2010（1）：51-52，60.