殷永華，楊 明

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210097)

0 引言

模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)，簡稱MPS，是模塊化概念在工業(yè)中的具體應(yīng)用。模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)集成了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)及其他學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)包含了PLC控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)組態(tài)技術(shù)。利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放性，可選擇符合加工要求的設(shè)備單元的數(shù)量和類型，通過模塊組合模擬自動生產(chǎn)線，滿足教學(xué)和科研需求。

WinCC由西門子公司開發(fā)，是過程控制系統(tǒng)及其他自動控制系統(tǒng)中的人機界面組件，是多種自動化設(shè)備及一些控制軟件的集成。采用模塊化結(jié)構(gòu)，WinCC將生產(chǎn)和過程自動化整合，提供開放性數(shù)據(jù)庫接口、多種編程接口等靈活的擴(kuò)展方式，采用可視窗口和菜單選項進(jìn)行功能操作，使用方式靈活。

1 模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

MPS采用了上料檢測、零件搬運、加工和檢測、分類存儲6個工作站。各站采用S7－200PLC，負(fù)責(zé)對設(shè)備的輸入輸出信息的采集及傳送，采用S7－300PLC作為各站信息的采集匯總，實現(xiàn)對總線的控制和管理以及與從站的信息的交換，通過PROFIBUS總線網(wǎng)卡CP5611連接PC，其控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。6個工作站為DP從站，輸入輸出信息的字節(jié)數(shù)小于16字節(jié)，S7－300PLC為1類DP站，主要實現(xiàn)各站信息的采集匯總、總線的控制和管理以及與從站的信息的交換;PC機為2類主站，通過Step7軟件作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及WinCC監(jiān)控程序的編制和顯示。

圖1 模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2 WinCC組態(tài)

2.1 WinCC通訊結(jié)構(gòu)及其原理

WinCC應(yīng)用程序包括圖形、報警記錄和變量記錄運行等系統(tǒng)，處理的數(shù)據(jù)主要有項目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和項目數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。在WinCC運行系統(tǒng)中，運用變量的形式，通過用戶不可見變量管理器來集中管理變量，從變量管理器中請求數(shù)據(jù)。WinCC數(shù)據(jù)管理器主要任務(wù)是通過通訊驅(qū)動程序的通道和過程之間的接口——通訊處理器與PLC交換數(shù)據(jù)，WinCC通訊結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2 WinCC通訊結(jié)構(gòu)層次

2.2 WinCC 組態(tài)設(shè)置

通過創(chuàng)建WinCC站與PLC系統(tǒng)間的物理連接→在WinCC項目中選擇合適的通道驅(qū)動程序→在通道驅(qū)動程序連接適當(dāng)?shù)耐ǖ绬卧⒆兞縼磉M(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。通訊驅(qū)動程序中包括不同的通道單元，通道單元通過驅(qū)動程序及通訊處理器與PLC連接。PLC過程值將通過通道進(jìn)行傳送并存儲在WinCC服務(wù)器的工作存儲區(qū)中。

在圖1所示控制結(jié)構(gòu)中，根據(jù)主從站的設(shè)置，利用Step7軟件對CP5611網(wǎng)卡驅(qū)動的安裝及通訊參數(shù)的設(shè)置、EM277設(shè)備添加及設(shè)置，其主要設(shè)置步驟及參數(shù)為:

主站S7－300PLC組態(tài):主要在Step7軟件中進(jìn)行主站組態(tài)，添加PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定其通訊地址為1類主站，波特率為9600;

CP5611添加及設(shè)置:在 Step7軟件中的“Set PG/PCInterface…”項目中進(jìn)行該卡的驅(qū)動安裝，經(jīng)測試后設(shè)置其地址為2類主站，波特率為9600;

EM277設(shè)備添加:GSD文件是設(shè)備的驅(qū)動程序，EM277屬于第三方設(shè)備，根據(jù)事先準(zhǔn)備的驅(qū)動，導(dǎo)入EM277的GSD文件，然后在Step7軟件中添加模塊，依次設(shè)定EM277模塊的外部地址開關(guān)為1～6;

從站組態(tài):在Step7的組態(tài)窗口，根據(jù)EM277模塊的外部地址開關(guān)進(jìn)行配置后設(shè)定通訊緩沖區(qū)為VB0～VB15，采用8字節(jié)入/8字節(jié)出的通訊方式;

變量定義:根據(jù)各站輸入輸出點數(shù)，在WinCC軟件中進(jìn)行相應(yīng)的外部變量定義，實現(xiàn)PLC和WinCC的數(shù)據(jù)交換。

3 WinCC監(jiān)控程序的設(shè)計

監(jiān)控程序主要實現(xiàn)對動作的監(jiān)視，反應(yīng)各站實際動作順序及常用的的報警設(shè)計，其程序主要包括界面設(shè)計、動畫設(shè)計和報警程序設(shè)計。WinCC提供了一個圖形庫，這些庫提供了多種預(yù)先完成的圖形對象和各種各樣的工具，可以創(chuàng)建和動態(tài)修改畫面。由于MPS的特殊性，WinCC自帶的圖形庫很少有符合該系統(tǒng)的圖形控件，無法模擬各站具體逼真地運行，所以必須進(jìn)行動畫的設(shè)計和調(diào)用。WinCC監(jiān)控界面整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 WinCC主體界面設(shè)計圖

3.1 WinCC 畫面設(shè)計

為了清晰形象地展現(xiàn)模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，全面有效的掌握系統(tǒng)運行，將監(jiān)控畫面分為開始畫面、過程畫面和報警畫面。

開始畫面中主要包含了“過程畫面”、“報警畫面”、“趨勢畫面”、“退出系統(tǒng)”4個主體部分。過程畫面是當(dāng)鼠標(biāo)單擊開始“過程畫面”時，用來在開始畫面中的“畫面窗口”中顯示的過程畫面包括6個站的切換，在過程畫面中添加一個畫面窗口，用來顯示每個站的具體運行情況，而在畫面窗口下，添加6個按鈕，用來完成對6個站的切換。

3.2 動畫設(shè)計和調(diào)用

WinCC中提供了腳本驅(qū)動平面圖形、模擬電影播放原理、用圖形庫中自帶的控件和用外部視頻資源的動畫實現(xiàn)方式。模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)作為一個順序動作控制過程系統(tǒng)，系統(tǒng)中傳感器和電磁閥很多，控制多為開關(guān)量，采用三維動畫視頻來表現(xiàn)各工作站的具體狀態(tài)，利用Flash控件調(diào)用swf控制動畫文件的方式來表達(dá)動作，使過程控制簡單，動作過程顯示逼真。

3.2.1 動畫設(shè)計

運用常用的動畫軟件，依據(jù)各站動作的順序，對系統(tǒng)進(jìn)行實體建模，簡化設(shè)計過程中的一些非關(guān)鍵因素，如形狀、色彩等，并對動畫動作的分解處理，更直觀的反映不同傳感器的觸發(fā)狀態(tài)及工作站各元件的運動情況，制作成swf格式的Flash動畫。

3.2.2 動畫調(diào)用及控制

在WinCC程序中利用其內(nèi)部的的Shockwave flash Object控件進(jìn)行動畫調(diào)用，使加入的Flash動畫保持原有的功能，播放時占用的系統(tǒng)資源較少，控制動畫播放的腳本較為簡單。

WinCC中，對象的動態(tài)化都是針對對象屬性進(jìn)行的，Shockwave flash Object控件屬性有Movie(讀寫)、Playing(只讀)、FrameNum(讀寫)。在上位機中，WinCC從外部變量中讀取工作站傳感器的狀態(tài)字，當(dāng)WinCC變量滿足播放條件時，Playing屬性置true，動畫播放，監(jiān)控畫面與實際動作相匹配，當(dāng)動作過程結(jié)束時將FrameNum屬性置為動畫對應(yīng)的那個幀上，達(dá)到動畫與實際動作同步。其主要通過VB腳本對Playing項和FrameNum項進(jìn)行屬性的賦值。

Playing項的VB腳本為:

3.3 簡單報警設(shè)計

WinCC主要實現(xiàn)MPS系統(tǒng)整體監(jiān)控，每個工作站動作的是每個站的PLC進(jìn)行控制，當(dāng)工作站出現(xiàn)故障的時候，發(fā)送報警狀態(tài)字給S7－300PLC或者直接發(fā)送到WinCC，根據(jù)報警狀態(tài)字來顯示出哪個站出現(xiàn)硬件異常、當(dāng)前工作站故障位置及原因。

4 結(jié)論

WinCC是功能強大的人機交互軟件，適用于很多控制系統(tǒng)。通過WinCC對模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控程序的編制，實現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)各工作過程的實時監(jiān)控，為各種控制系統(tǒng)的監(jiān)控提供了一種新的實現(xiàn)思路。

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