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钢化玻璃生产线PLC监控系统
摘要
本设计的目的是实现计算机对钢化玻璃生产线进行远程监控。
系统主要由组态软件WinCC、PLC、变频器和压力变送器等组成。
在这里用PLC作为控制核心，用安装有组态软件的计算机作为监控主机，监控主机利用西门子组态软件WinCC强大的实时数据的采集与监控功能来监视和控制钢化玻璃的加热与冷却。
钢化玻璃生产线监控系统从功能上看，分为控制和监控两部分；从控制要求上看，该生产线包括上片工段、加热工段、冷却工段、下片工段四部分。
系统在以PLC为控制中心的基础上，通过监控计算机中组态软件WinCC的设计，很好的确保了系统在一个安全稳定的环境中运行。
依据各个部分的运行指标，可设计5个画面来进行综合监控及调试。
通过这几个画面的综合运用能够很好的达到预期的效果，实现了远程监控及参数设置，出现故障及时报警，方便检测维修等功能。
关键词：
钢化玻璃；监控系统；WinCC
目录
1绪论1
1.1课题来源及研究意义1
1.2钢化玻璃监控系统生产工艺介绍1
2系统所需软硬件介绍3
2.1组态软件介绍3
2.1.1WinCC的简介4
2.1.2WinCC的设计原则5
2.2S7-300PLC系统介绍6
2.2.1PLC的结构6
2.2.2PLC的特点[4]7
3钢化玻璃PLC监控系统设计8
3.1监控系统的工作原理8
3.1.1上片工段9
3.1.2加热工段10
3.1.3冷却工段13
3.1.4下片工段15
3.2硬件配置15
3.2.1S7-300CPU314简介15
3.2.2PLC机型的选择16
3.2.3监控系统的PLC硬件组态16
3.3监控系统的PLC程序18
3.3.1监控系统的PLC符号表编辑18
3.3.2监控系统的PLC程序的编译19
4WinCC组态画面设计24
4.1建立项目24
4.2组态项目25
4.3建立和编辑画面28
4.3.1图形编辑器简介28
4.3.2画面布局30
4.3组态按钮31
4.4过程值归档34
4.5实时曲线设计36
4.6实时表格设计39
4.7报警界面设计42
4.8WinCC与S7-300通讯的实现45
4.8.1WinCC的通讯原理45
4.8.2WinCC与S7-300通讯协议的选择46
4.8.3变量的编辑47
5监控系统界面的设计及调试49
5.1监控系统的设计思路49
5.2监控系统界面设计要求及内容49
5.3监控系统界面分析说明50
5.3.1系统运行主画面50
5.3.2量程设置画面51
5.3.3参数显示画面52
5.3.4温度调节画面52
5.3.5报警显示画面53
结论55
致谢56
参考文献57
附录A英文文献58
附录B中文文献65
1绪论
1.1课题来源及研究意义
随着时代的发展，人们生活水平的日益提高，人们对生活质量的要求越来越高，对安全问题也甚是关注，玻璃是我们生活中不可缺少的一样东西，它可以为我们遮风挡雨，可以为我们美化空间等等。
但是一般普通玻璃强度低、易破碎，破碎后锋利的刀状尖角很容易对人体造成伤害，严重威胁到了人们的生活安全。
所以人们研究出了钢化玻璃，钢化玻璃其实是一种预应力玻璃，为提高玻璃的强度，方法是在玻璃表面形成压应力，玻璃本身具有较高的抗压强度，不会造成破坏。
当玻璃受到外力作用时，这个压力层可将部分拉应力抵消，避免玻璃的碎裂，虽然钢化玻璃内部处于较大的拉应力状态，但玻璃的内部无缺陷存在，不会造成破坏，从而达到提高玻璃强度的目的。
近年来在生产钢化玻璃过程中，各种监控系统的应用也越来越多，例如微型计算机监控系统，浮法玻璃温度监控系统等等。
由可编程控制器来控制钢化玻璃生产线的方案已受到越来越多的重视。
用户通过友好的人机界面实现对加热的温度等参数曲线的监视及故障报警。
利用西门子组态软件WinCCV6.0编制的人机界面可以更直观提供工业的图形显示、信息、归档以及报表的功能模板。
高性能的过程藕合、快速的画面更新、以及可靠的数据传送使其具有高度的实用性。
除了这些系统功能外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。
这使得将WinCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能，使得操作更简单方便[1]。
1.2钢化玻璃监控系统生产工艺介绍
钢化玻璃控制系统主要由检测元件、监控装置、执行机构、加热设备、冷却设备和传动机构组成。
常用的组件有：
1、检测元件：
温度传感器、压力变送器
2、监控装置：
WinCC人机界面
3、执行机构：
PLC
4、加热设备：
电阻丝
5、冷却设备：
风栅，风机
6、传动机构：
电机和变频器
玻璃钢化工艺一般采用优质玻璃为原料，以钢化玻璃生产线为主要生产设备。
该生产线分布为上片台、加热段、风栅冷却段、下片台，各工段均有不同材质的辊子运送玻璃。
辅助设备有鼓风机，风道，控制柜等。
其生产过程分成上片、自动往复加热、往复急冷、往复吹风、取片五个工艺阶段。
开车前逐步使加热段呈矩阵分布的上下电炉升温至1000℃，做好生产准备。
在一定的时间段，人工将原料片玻璃在上片台排放好位置，至前炉门前光电开关止。
然后进炉进行加热，放片段和加热段按进炉速度同步前进。
炉前光电开关与编码器配合，开始测量玻璃长度，同时加热时间计时开始。
当玻璃到进炉距离减速到位，管前炉门并放片停止。
加热主传动按加热往复速度，炉内有效距离，反向行进，如此形成往复摆动。
当加热时间剩20秒，启动冷却风机到高速。
一旦加热时间到，打开后炉门，加热主传动和风栅主传动按出炉速度同步高速出炉，炽热的玻璃快速进入风栅急冷钢化，同加热炉动作类似，并按往复速度摆动，急冷时间到后，冷却风机改低速继续摆动。
直至冷却时间到，风机减速停，风栅转动和取片转动按取片速度同步出栅，钢化玻璃至后光电开关处自动停止。
生产过程周而复始，连续进行。
遇到某些工艺情况，对局部阶段需要增加或减少顶部或底部阀门开闭，改变或跳过一些阶段，系统同时具有多种报警，紧急停时有安全位置，运行时有安全连锁。
钢化玻璃生产线示意图如图1.1所示。
图1.1钢化玻璃生产线示意图
其主要控制对象有三个要点：
其一是各阶段时间设置和控制；其二是温度检测和调节回路；其三是速度测量控制和距离测量控制。
由于过程中含有大量的工艺指标、运动速度，如出错将导致大量的废品，甚至损害设备，因此对安全性要求极高，控制必须准确无误，极为可靠。
降低了能耗，提高了生产效率。
综上所述，钢化玻璃系统是一个既有大量开关量和大量SSR温度调节回路（数量达30－60个温度检测点和调节回路），又有多个编码器和变频器组成的速度距离测量控制回路，及人机界面和少量仪表模拟量组成的涉及面复杂的控制系统。
它是通过人机界面和现场众多键控，能够灵活多变，适应多种不同钢化工艺需要的顺序控制。
画面要能清楚地显示主要工艺流程，方便灵活地控制大量参数。
各阶段距离和时间、速度以及不同
的玻璃规格工艺指标，要求能在不同情况下灵活调节，连续显示各时间段，温度值和玻璃动态位置。
该系统具备人机对话功能，即具有可视的组态画面，能设置系统所需的工艺参数，能控制系统的运行方式及温度的改变，能监视系统运行的状态，如监视加热的区域温度，加热管的温度等等。
通过编程控制整个系统的动作，以顺利实现对整个系统的监控，具有温度控制和报警显示功能，可具有远程控制的功能。
2系统所需软硬件介绍
2.1组态软件介绍
组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。
在整个工业自动化软件大家庭中，组态软件属于基础型工具平台。
组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。
监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分，其发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。
整个自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但因其渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。
因此，组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。
在这种思路的驱使下，西门子的WinCC在市场上取得巨大成功。
从软件规模上看，大多数组态软件的代码规模超过100万行，已经不属于小型软件的范畴了。
从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。
组态软件作为通用软件平台，具有很大的使用灵活性。
但实际上很多用户需要“傻瓜”式的应用软件，即需要很少的定制工作量即可完成工程应用。
为了既照顾“通用”又兼顾“专用”，组态软件拓展了大量的组件，用于完成特定的功能，如批次管理、事故追忆、温控曲线、油井示功图组件、协议转发组件、ODBCRouter、ADO曲线、专家报表、万能报表组件、事件管理、GPRS透明传输组件等。
另外，横向而言，监控管理范围及应用领域扩大；纵向而言，功能向上、向下延伸[2]。
2.1.1WinCC的简介
西门子公司的工业组态控制软件SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，是世界上第一个集成的人机界面（HMl）软件系统，具有良好的开放性和灵活性，用来处理生产和过程自动化可集成到任何公司内的任何自动化解决方案中。
WinCC即WindowsControlCenter，视窗控制中心，它是西门子公司与微软公司联合开发的产物，是在生产和过程自动化中和控制任务的工业技术中性系统。
它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。
除了这些系统功能外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。
这使得将WinCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。
它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，作为PLC的上位监控系统，对PLC中的大量现场数据直接进行采集处理、记录、故障报警，并以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在这种应用方式下，WinCC的外部变量可直接与STEP7中的连接变量相连，它的作用是对整个生产过程进行集中监视检测，以命令方式对PLC进行控制。
从面市伊始，用户就对SIMATICWinCC印象深刻。
一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。
凭借这种战略思想，WinCC这一运行于MicrosoftWindows2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。
如果想使设备和机器最优化运行，最大程度地来提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。
WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。
借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。
它不仅能用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。
WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。
从工业自动化系统的发展来看，PLC技术、总线和通讯技术、诊断技术等，早已成为HMI/SCADA软件的核心技术；从软件工业和IT技术的发展来看，客户机/服务器系统、Web技术、组件技术、数据库技术、软件冗余技术乃至方兴未艾的XML和NET技术等，都已经渗透到HMI/SCADA软件开发、工程实施及运行的各个阶段。
西门子公司的HMI/SCADA软件系统WinCC正是这样的系统。
WinCC承袭了西门子公司的TIA产品家族技术先进和相互间无缝集成的特点。
作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与STMATICS5S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。
此外，WinCC还有对SIMATICPLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。
2.1.2WinCC的设计原则
WinCC的设计原则如下：
1、先进性原则：
控制方案功能强、技术先进、合理。
采用先进的体系结构，选用先进成熟的技术和设备及软硬件平台，营造高起点的系统开发与应用环境，使系统能随着科学技术的发展而不断平滑升级。
2、安全性、可靠性原则：
设备运行可靠、性能稳定。
方案中所选择的每个元件设备其MTBF必须满足系统运行要求；设备应具有自检、自诊断功能；系统应能及早发现设备故障，避免发生事故，局部故障不造成错误输出，并能自动报警；现地单井站应具有必要的冗余配置；信息采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁。
3、实用性原则：
应充分考虑利用资源，能使用户最方便地实现各种功能。
实现供水泵运行优化合理调度：
充分考虑用户的使用频度和应用程度，设置系统控制流程、合理设计存储Rill务体系，使操作、维护简单方便。
4、经济性原则：
采用最合理的方案，最大程度的保护厂方原有的投资使设备运行经济节能、运行维护费用低；达到最优的性能／价格比。
5、开放性原则：
系统设计采用开放技术、开放结构、开放系统组件和开放用户接口，以方便网络的维护、扩展升级以及与外界信息的沟通，易于扩展，以降低二次投资。
6、灵活性原则：
采用积木式模块组合和结构化设计，使系统配置灵活，满足系统逐步到位的建网原则，使网络具有强大的可增长性和强壮性。
2.2S7-300PLC系统介绍
S7-300PLC即可编程控制器，S7-300PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[3]。
2.2.1PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成[4]。
其结构简图如下：
图2.1PLC硬件结构图
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。
2.2.2PLC的特点[4]
可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。
其主要原因是因为PLC具有以下优点：
1、灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
2、可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等）下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。
3、操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。
对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。
工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
4、功能强
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。
因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。
3钢化玻璃PLC监控系统设计
3.1监控系统的工作原理
该钢化玻璃生产线监控系统主要分为控制与监控两个部分。
其中控制部分通过可编程控制器来控制，控制内容主要包括：
玻璃的上片工段、加热工段、冷却工段、下片工段这四道工序。
基本结构框图如图3.1所示。
图3.1系统结构框图
3.1.1上片工段
该部分的控制输入电压为220V，通过变频器加到电机上的线电压也为220V，变频器为2.2KW小功率变频器。
首先闭合隔离开关QF1，按下步进按钮SB3，系统进入有电状态，此时线圈KA38开始充电，开关KA38吸合，上片电机给定信号以电流的形式对变频器进行频率给定，此时电机运行，开始进行上片工作，当玻璃运行到加热炉前安全距离时，遇到上片工段光电开关，此时停止上片，其中SB4为全程上片按钮，可以连续的上片。
该部分的回路图如图3.2所示。
图3.2上片工段回路图
3.1.2加热工段
该工段的主回路和控制回路如图3.3、图3.4、图3.5、图3.6所示。
加热工段是生产钢化玻璃的主要的工段，该工段也是最复杂的一个部分，该部分包括了20个加热炉丝，它们是加热的主体，所以在设计的时候就要考虑到它们的统一性和独立性。
统一性就要求加热时能够同时的工作，独立性就是要求在出现故障时可以方便的查出是哪条加热炉丝出现了故障，以至于不会严重的影响生产，所以在每根加热炉丝上都设有隔离开关，这样在进行手动调试的时候可以很快的知道那根炉丝坏掉。
该部分给定电压仍然是220V，通过变频器加到电机上的线电压也同样是220V，变频器为2.2KW小功率变频器，为了使加热的玻璃受热均匀，所以该部分电机设有正转和反转，原理是一样的。
当图3.3中隔离开关QF28闭合，按上图3.5中的按钮SB1，主传动转速给定以电流的形式给定变频器信号，主传动启动，这时图3.5中的KA1至KA26和KA34至KA39的继电器线圈开始充电，使得图3.6中的KA1至KA26和KA34至KA39的开关吸合，进而KM1至KM26的继电器线圈充电，这样闭合QF1至QF26的隔离开关，KM1至KM26的开关吸合，因此上部炉丝，下部炉丝和局部炉丝开始加热工作。
图3.3加热工段主回路图1
图3.4加热工段主回路图2
图3.5加热工段控制回路图1
图3.6加热工段控制回路图2
因为加热需要一定的加热时间，不能让受热玻璃静止在加热炉中，这样会受热不均匀，生产出残次品，为了避免这个问题，所以要保证受热玻璃在加热炉中处于运动状态，当运行到加热炉尽头时，加热时间还未到，这时，图3.5中的KA40线圈充电KA39线圈放电，所以图3.3中的KA39开关断开KA40开关闭合，电机开始反转。
就这样周而复始，当加热时间一到，炉门后门打开，玻璃继续向前运行，进行下一道工序。
其中图3.5中，有一个主传动编码器输入，该部分的作用是检测加热玻璃的运行距离，当达到设定值时，加热过程结束，将进行下以工段。
此时和加热设定时间是相符合的。
3.1.3冷却工段
该部分的主回路及控制回路如图3.7和图3.8所示。
图3.7冷却工段主回路图
图3.8冷却工段控制回路图
冷却工段分为冷却传动和风机控制两个主要部分。
冷却传动同加热工段一样为了散热均匀也分为正转和反转，直到到达冷却时间，在进行下一道工序。
在冷却传动过程中控制电压依然为220V，变频器为2.2KW小功率变频器。
闭合图3.7中的隔离开关QF3，按下图3.8中的按钮SB7系统开始通电，通过冷却传动转速给定以电流的形式给变频器加频率信号，此时各个线圈开始充电，KA41吸合冷却传动开始，同时风机控制电机也以同样的原理开始工作，运用风压控制改变风速大小，但是有一点不同的是此时的控制风机电压为380V，变频器也变为90KW大功率的变频器。
根据设定值，风速固定，进行冷却，为了冷却是散热均匀，在冷却风栅段也要进行周而复始的工作，直到到达冷却时间。
同样在此处也有冷却传动编码器，来记录冷却玻璃的传动距离。
同样，在图3.8中有光电开关SK2，它的作用也是控制玻璃的运行。
在图3.7中中间两个电机为控制起弧提弧变弧的电机，在控制回路图中也都有相应的控制，其控制原理和其他的都基本相似，该部分控制为加热和冷却工段通用部分，该控制电机为380V的输入电压。
其工作的目的是实现了各种形状的玻璃都可适用于该生产线。
其中在控制时也设计了具体的微调，使工艺更加的精益求精。
这样的设计也为该生产线实现生产更多元化的产品做了很好的准备。
3.1.4下片工段
下片过程操作简单，闭合隔离开关，按下按钮SB5，线圈KA44充电，使开关KA44吸合，进而线圈KM37充电，使电机控制开关KM37吸合，电机开始传动，进行下片工作。
该部分还设有脚踏下片按钮,可以间断的下片。
该部分也设有光电开关来控制玻璃的运行。
该部分设计比较简单，其回路图如图3.9所示。
图3.9下片工段回路图
3.2硬件配置
3.2.1S7-300CPU314简介
CPU314一个机架上最多只能再安装八个信号模块或功能模块，最多可以扩展为四个机架。
中央处理单元总是在0机架的2号槽位上，1号槽安装电源模块，3号槽总是安装通信模块，槽号4至11，可自由分配信号模块、功能块。
本课设选用的型号为6ES7314-1AG13-0AB0，如图3.10所示。
图3.10CPU机架图
中央处理单元CPU的主要特性，包括存储器容量、指令执行时间、最大I/O点数、各类编程元件（位存储器、计数器、定时器、可调用块）数量等。
3.2.2PLC机型的选择
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，则一般选用抵挡的PLC，如西门子S7-200系列。
对于开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，则可选用带A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，具有加减乘除运算，数据传送功能的抵挡PLC，如西门子S7-300或S7-400。
本课题的模拟量输入为8个，模拟量输出为4个，数字量输入为8个，数字量输出为8个。
编程设计到复杂的控制方法，并且需要仿真，所以选用的是S7-300系列PLC。
3.2.3监控系统的PLC硬件组态
在STEP7中创建一个项目并命名为“CHAO”，在该项目中插入一个SIMATIC300站，然后进行硬件组态。
组态步骤为：
1、放置机架
2、在1#插槽中放置5A电源模块
3、在2#插槽中放置CPU314模块
4、在3#插槽放与另1个机架的通讯模块，但是本课题不放任何模块
5、在4#插槽中放置1个AI模块
6、在5#插槽中放置1个AO模块
7、在6#插槽中各放置1个DI模块
8、在7#插槽中放置1个DO模块
组态好的硬件如图3.11所示。
图3.11硬件组态窗口
修改好地址后，单击输入，根据AI接线图修改测量型号和测量范围。
此项必须修改并且必须与接线图一致。
如图3.12所示。
图3.12双击AI修改输入属性
3.3监控系统的PLC程序
3.3.1监控系统的PLC符号表编辑
符号
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