关键词：S7-400;WinCC;组态软件;EXCEL VBA;浓相输送
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
电解铝厂浓相输送系统是电解供料系统，是电解铝厂生产中十分重要的环节，其运行状况直接影响电解铝生产的数量和质量。为此，我们完成了基于STEP7的PLC控制系统，基于WinCC的铝电解浓相输送监控系统，基于EXCEL VBA的报表系统的设计与实现。
西门子公司的HMI/SCADA软件系统WinCC在Microsoft Windows 32位环境中提供监视、控制和数据采集等功能，并具有ODBC、OLE、OPC和DDE等接口。其显著特点是：技术先进，操作简单，安全可靠，采用中文图形化界面，人机界面十分友好，易于扩充。
2 系统设计
浓相输送监控系统由主控室及东、西区两个现场I/O站组成，所有现场的输入输出信号均进入现场I/O站中的输入输出模块及模拟量采集模块，模拟量采集模块用于采集配料秤送来的下料量数据。主控室中采用S7-400 PLC，利用SIMATIC通讯接口模块IM463-2实现S7-400 与 两个I/O现场站之间的数据交换， CPU选型为SIMATIC S7 CPU414-2。工业现场环境恶劣，上位机选用工控机，并配液晶显示器。上位机内安装通讯卡，和S7-400 PLC采用PROFIBUS总线方式进行通讯。打印服务器通过以太网与上位机相联。
工控机通过网卡接入局域以太网，可实现监控系统实时数据库的共享。另在工控机上安装服务器密钥，在局域网上任何一台计算机上安装WinCC组态软件（只需Runtime 128密钥），构成多用户系统，可进入监控系统画面，完成各种操作, 方便管理者进行远程实时监控。工控机既作为WinCC服务器，同时又是一现场操作站。打印服务器通过集线器与WinCC服务器连接，完成打料量报表的显示和打印。其硬件结构如图1所示。
以 Windows 2000为操作系统，用WinCC工业控制组态软件作为开发平台，利用WinCC提供的ANSI—C脚本为辅助开发工具，开发浓相输送上位机监控系统。采用EXCEL内嵌的 VBA编程语言开发报表系统，用西门子新一代的编程软件STEP7开发S7-400 PLC控制程序。
由于同为西门子产品，WinCC和S7-400 PLC下位机之间可实现无缝、高可靠性的通讯连接，最大限度地满足了浓相输送系统实时监控和网络扩展的需要。
3 浓相输送PLC控制程序的开发
采用西门子STEP7作为编程工具，为了满足上位机WinCC监控系统的监控需要和报表系统的统计要求，在开发浓相输送PLC控制程序的同时，设计了相应的实时动态数据库文件，既为上位机监控系统提供监视与控制所需的相关数据，又为报表系统提供了原始数据。PLC控制系统负责东、西区浓相输送的工艺过程控制和相关设备的控制。
4 上位机监控系统的开发
4.1 上位机监控系统的功能
上位机监控系统主画面如图2所示。
监控系统画面有：压力容器总览监视画面;区段监视画面;强制画面;报警浏览画面;压力容器监视画面;配料画面;原料总览显示画面;跳槽总览显示画面;用户登录窗口;历史纪录画面等动态监视和操作画面。画面底部设计有两行共16个命令按钮。用来完成画面切换及各种操作。还可通过鼠标点击画面上相应设备进行画面切换。使得各画面之间切换十分方便、快捷。
· PV总览监视画面：分1/2（东区）和3/4（西区）两个画面，每个画面中至少包括8个料仓及料仓料位、7个压力容器、4个槽区、6个区域阀、三个旁通阀、所有的门阀、7条浓相管线的运行状况。通过设备颜色、动画和中文提示信息等方式，监视现场PV和各种阀门的运行状况，给出准备、中止、加料、输送、排气、满、空、高高料位、高料位和低料位等各种工况和报警信息。
· 区段监视画面：该画面监视和控制现场8个区段电解槽打料状况;采用弹出式窗口，对每个电解槽可进行原料选择、跳槽、取消跳槽、故障复位、强制打料等操作。每个画面应指示出所显示槽区的编号、正在为其加料的压力容器的编号以及压力容器的运行状况、浓相管的管道压力状况、当时的加料路径、各个屏气阀的状态、每台电解槽的状态等。在软件中设置了跳槽和取消跳槽操作确认提示，从而避免了操作人员的误操作造成的氟化铝冒料及空仓等工艺事故。
· 压力容器监视画面：该画面包括14台压力容器运行状况的分画面，每个画面中显示压力容器的设备编号、料位情况、副原料位、该压力容器目前的状态、所送物料的目的地址、浓相管的路径选择、目的料仓的料位、所有阀门的运行状况、以及管道压力和罐内压力、对应的定容器动作状况、副原料配料计划和实际运行情况。可实时监视2立方米压力容器电子秤的数值。
· 副原料配料画面：进行人机对话，根据电解配料单，利用键盘，对每台槽一次输入4天的氟化铝和一天的电解质配料。
· 原料总览显示画面：该画面将各电解槽原料选择结果分东、西两个区进行统计显示。使用颜色加以区分，使选择结果一目了然。
· 跳槽总览显示画面：该画面将跳槽的电解槽分东、西两个区进行统计显示，便于操作员整体了解现场跳槽情况。
· 报警浏览画面：报警画面显示和打印系统所有的报警，指出报警的时间和名称。该画面实时给出两千多条不同提示信息，按不同颜色显示各种报警信息。
· 强制画面：显示8个槽区强制槽号队列，输入强制打料槽号。该功能可实现手动打料。
· 加料起动时间画面：显示和输入8个槽区两次加料的开始时间。
· 用户登录窗口：该窗口是一个弹出式窗口，可完成不同权限用户登录。
· 报表画面：加料日报、周报、月报要求分别统计每台槽、每个槽区、每个厂房和每个车间新鲜氧化铝、载氟氧化铝、氟化铝、电解质的实际添加量，以及氟化铝和电解质的计划添加量。
4.2监控系统设计与实现
· 建立系统标签（变量）
在WinCC组态环境下首先创建通讯联接，选择其通讯协议，然后在该通讯联接下，针对东、西两个区，共8个段，126台电解槽，建立系统内外标签共4000多个。
· 绘制工艺组态画面
在WinCC图形编辑器下，利用WinCC强大的绘图和动画功能，在充分了解浓相输送系统的工艺流程、监控要求和PLC数据库文件结构基础上，设计完成所有能实时反映现场状态的监控画面和其他系统操作画面。将已定义的标签与画面设备相连，是实现动画监视的关键技术。设计时充分考虑操作界面的简单、友好，并兼顾用户的操作习惯。
· 建立数据库
在日志（log）编辑器下完成历史纪录数据库的配置，包括PV号、槽号、排气时间、打料时间、输送时间、日期、时间等变量。
在报警编辑器下完成各种报警的触发条件、显示颜色和描述的配置，共有2000多条记录，通过图形编辑器下报警控件可实现实时和历史数据的显示、确认。其历史纪录设为短期Log，最多各记录1000条，采用先入先出的方式进行刷新。该数据库是各种数据报表统计的来源。建立的动态实时数据库可实现Intranet数据共享，避免了重复投资。
· 设定管理操作权限
管理员编辑器完成操作权限的设置，该系统共设有三种权限，超级管理员、管理员和操作员。超级管理员可进行包括系统管理的任何操作，管理员是为车间管理者设定的，可进行画面监视、关键参数的设定、退出系统等操作，但不允许现场控制操作，如跳槽、强制等。操作员只能进行现场的控制、画面的监视等操作。
在WinCC工程属性中，封锁所有热键，确保用户非法退出。
· WinCC功能扩展
全局脚本编辑器完成各种C函数的编辑和编译。利用该编辑器实现了许多WinCC组态无法实现的系统功能。例如完成数据显示格式的转换，报警的声音、动画提示等功能。例如监视主画面右下脚的圆形图标的作用是：只要系统有报警产生，图标就会闪烁，以提醒操作员尽快处理。该功能就是利用一C函数将各种报警条件相或，其结果作为图标闪烁的动画触发条件实现的。
4.3 报表系统的实际与实现
加料日报、周报、月报要求分别统计每台槽、每个槽区、每个厂房和每个车间新鲜氧化铝、载氟氧化铝、氟化铝、电解质的实际添加量，以及氟化铝和电解质的计划添加量。日报要求保存一个月，周报、月报要求保存一年，并在保存期内可随时调阅。
WinCC较之其他组态软件，其报表功能较强，但由于其报表格式单一，仍然无法完全满足用户要求。
为了不中断WinCC的正常监控，本系统设计了一个报表打印服务器，单独完成报表的浏览和打印，打印报表系统与WinCC共享数据库，利用EXCEL中内嵌的VBA脚本设计实现。根据WinCC中形成的日报数据库，可对8个槽区共126个电解槽进行日报、周报和月报的数据更新、显示浏览和打印。该报表系统在每天的固定时间通过以太网接收并更新数据，并根据用户输入的查询条件，进行数据统计并形成报表。
5 结 论
几年来的生产实践表明：PLC控制系统、上位机监控系统和报表系统在操作性、维护性、扩充性和可靠性等方面都达到了令人满意的结果，完全满足了生产的需要。
若要增加一独立的操作站，硬件只需再增加一台上位机，一块接口卡，软件安装一个WinCC运行版即可。
本文的创新点在于：1. 本文所做的工作实现了电解铝浓相输送PLC控制和上位机监控系统的国产化，节省了大量的资金。 2.采用了WinCC的服务器/客户机（Server-Client）结构的多用户系统，实现了系统的远程监控。3. 利用EXCEL中嵌入的VBA脚本语言，与WinCC共享实时数据库，实现了报表系统。
参考文献：
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