工控组态软件(INTOUCH)研究与二次开发

河北工业大学

硕士学位论文

工控组态软件（INTOUCH）研究与二次开发

姓名：姜丽丽

申请学位级别：硕士

专业：控制科学与工程

指导教师：安连祥

2010-12

河北工业大学硕士学位论文

工控组态软件(INTOUCH)的研究与二次开发

摘要

在工业自动化的发展进程中,组态软件作为自动化软件的一个重要组成部分,正在逐步发展壮大,并且受到了越来越多的关注。组态软件是一种专门用于采集现场过程数据,管理和显示工业生产流程的专用软件,它是计算机技术在工业应用领域的拓展和延伸。随着工业自动化水平的不断提高,用户对生产系统的控制要求也更加多样化,组态软件应运而生并且逐步替代了传统的工业控制软件而被广大工程设计人员所采用。

美国Wonderware公司是世界上最早推出人机界面自动化软件的开发商。该公司的组态软件Intouch是最早进驻中国市场的监控软件之一，二十几年来在中国得到了广泛的应用和用户一致的好评。鉴于此,本文以天津皆诚冷轧薄板有限公司的1150mm可逆轧机项目为依托,研究组态软件Intouch在该项目监控系统中的应用。同时,为了弥补该组态软件在实际应用中的不足,提出以Intouch为二次开发平台,利用高级程序设计语言VB6.0,基于组件技术实现对其功能的扩展。

本文论述了1150mm可逆轧机控制系统的工艺流程及其自动化系统的设计,分析了监控系统的整体设计结构,针对各个环节的控制要求设计了监控界面，并且结合Access数据库和Intouch自带的脚本语言设计了中英文切换功能，实现了对工艺参数的存储和产量统计查询，编写了相应的脚本应用程序。在通讯方面，通过配置I/O Server服务器实现了与PLC的实时通讯，配置ODBC数据源管理器实现了对Access数据库的访问。同时,以组态软件Intouch为二次开发平台,基于COM组件技术,利用高级程序设计语言VB6.0开发了具有统计查询功能和计算功能的ActiveX控件,并嵌入Intouch中,弥补了其在应用中的不足。

实践证明,所设计的监控系统能够在线监控现场生产过程,实时的与PLC和其他应用软件进行数据交换。设计开发的ActiveX控件能够在Intouch中正常运行,实现与PLC的通讯，应用效果令人满意。

关键词：组态软件,Intouch,监控系统,脚本语言,ActiveX

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工控组态软件(INTOUCH)的研究与二次开发

ii THE STUDY AND REDEVELOPMENT OF INDUSTRIAL CONTROL CONFIGUARTION SOFTWARE(INTOUCH)

ABSTRACT

In the development of industrial automation,more and more people attach importance to

industrial control configuartion software which is one of the most important part of automation software.Configuartion software is a kind of special software that is used to collect the on-site data and display the process of production,it is the expansion of computer technology service in industrial field.With the improvement of industrial automation,the demand of production control system is more diversified.Configuartion software reversal of past behaviour,gradually replace the traditional software and adopted by the designer.

Wonderware is a developer that design the human interface automation software and configuartion software.In the earlier time,Intouch is geted to be known as monitoring software by china and acquired by the users and applicated widely.Because of this,on the basis of Tianjin 1150mm reversing rolling mill,study the application of Intouch in this project.In the same time, according to the insufficiency of it,put forward the idea that use Intouch as a design platform, make use of the advanced programming language and COM module to redevelop.

This paper describes the process flows and the whole system design of the1150mm reversing rolling mill.Analyze the whole layout of the monitoring system,design the monitoring picture,use access database and language of Intouch to design the function of English–Chinese shift,store the process parameters and inquiry statistics.Introduce how to communicate between Intouch and PLC by using I/O Server,how to carry out data exchange between Intouch and database.At the same time,use Intouch as a design platform,on the basis of COM module, develop the ActiveX module by using advanced programming language,and import it into Intouch,compensate for the insufficient on application.

It can be concluded that the monitoring system can guard the production process on-line, exchange data with PLC and other application software.ActiveX module can work well in Intouch and communicate with PLC,the result is satisfactory.

KeyWords:Configuartion Software,Intouch,Monitoring System,QuickScript,ActiveX

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第一章绪论

§1-1概述

组态软件是目前工业应用中比较重要的一类自动化软件,它的产生是20世纪80年代自动控制领域的一个重大进步。从某种程度上来说,组态软件是对原有自动控制软件在应用中存在的不足问题进行整合分析后,推出的一类具有拓展性和适用性的自动化软件。它的出现是计算机技术在工业应用领域的拓展和延伸,结合了数字化和可视化的双重优点,能够提供给用户直观的视觉效果和灵活的组态特性。组态软件与PLC 共同作为控制系统的重要组成部分,可以为客户提供合理有效的自动化解决方案[1]。

§1-2组态软件的研究现状和发展趋势

随着信息时代的来临,数字化集成度越来越高,控制方式也由模拟电路向全数字电路的方向转变。现代化的企业网络管理是通过以太网整合在一起的工业化网络系统,整个系统只有相互配合才能

保证一个信息网络的高效运行。

图1.1控制系统三层架构

Fig 1.1Structure of control system

1-2-1组态软件的应用现状

组态软件产生于80年代初,并在80年代末期进入我国。目前,组态软件在工业领域的应用已经颇为广泛。工程设计人员摒弃了传统的软件设计理念,采用了一种全新的组态的设计思想来对监控系统进行设计。这种所谓的组态,实际上类似于我们通常所说的硬件开发模式,设计者不需要对软件开

发语言多么精通,利用组态软件提供的组件就可以构建一个生产系统模型。

这样的设计模式省去了大量的编程工作,而且系统维护起来也更加的便捷。近年来组态软件在组态功能方面都具有相似的性能,如图形界面设计,脚本语言二次开发应用程序,报警检测系统,安全管理等,运行平台也都是基于32位的Windows 平台,浏览窗口的结构普遍都采用了类似资源管理器的窗口结构[2]。

1-2-2数据库技术的发展

随着科学技术的不断进步和发展,国家信息化的水平日渐提升,人们也逐步意识到信息在国民经济和社会发展中所起的作用,进而把信息资源的开发和利用提升到了一个新的高度。数据库技术作为

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计算机技术中数据处理的重要基础逐渐的发展壮大成为一门管理数据仓库的技术。数据库技术在其产生并逐步发展的这50多年里,从开始的只是简单的做数据存储到针对用户的需求进行数据管理,本身的功能和职责也在不断的完善。对于数据的处理也从简单的表格过渡到了大型的数据库系统。数据库技术随着计算机技术的发展而不断的完善,应用领域也推广到了情报检索,专家管理系统,智能控制系统，CAI 等方面[3]。

数据库技术研究的重点主要是怎样科学的组织,存储和管理数据,如何方便的查询和及时获取数据信息,它作为数据管理的主要技术,已经广泛的应用到了社会生活和工业生产的各个领域[11]。数据是数据库技术的基础,大量的数据需要在一个数据库中保存下来,以便供外部使用。数据处理是对这些数据的一个记录整合的过程,根据某些特定的条件将数据进行分类组合,保留具有信息价值的一些数据。数据库则是将记录之后的数据整体保存起来的仓库,数据库包括大量的数据表,每个数据表都由不同的字段和记录构成。用户对数据库的操作通常就是对数据表的查询和处理[4]。

1-2-3组态软件的网络化通讯

(1)由于互联网技术的大力推广,工业现场逐渐形成了一个工业以太网的网络结构,通过以太网实现现场各个控制层面的连接，快速以太网和交换式以太网技术的发展解决了以太网应用中的非确定性问题，网络通讯速率的提高使得网络负荷减轻，网络传输延时问题得到解决。交换机的出现将网络分成了多个网络段，缓解了冲突，有利于数据的存储和转发。光纤通讯的发展大大延长了以太网电信号的传输距离，扩大了其覆盖的范围。光纤通信以其信息容量大、保密性好、重量轻、体积小、无中继、传输距离长等优点得到了广泛的应用，光纤收发器利用了光纤这一高速传播介质很好的解决了以太网在传输方面的问题。它将双绞线电信号和光信号进行相互转换，确保了数据包在两个网络间顺畅传输，同时它将网络的传输距离极限从铜线的100米扩展到100公里[5]

。图1.2以太网光纤通讯

Fig 1.2Communication of ethernet and fiber

(2)ODBC(Open Database Connectivity,开放数据库连接)是微软公司开放服务结构中有关数据库的重要组成部分,是微软最早引进的数据库接口技术。它提供了一种执行规范和访问数据库的标准,设计了针对数据库进行数据存取操作的标准的应用程序访问接口(API)。目前支持ODBC 技术的数据库有十多种,诸如Oracle,Access,X-Base 等。基于ODBC 技术的应用程序对数据库的操作是不依赖于数据库管理系统的,而且不会直接对数据库管理系统进行操作,所有的需要对数据库进行的操作都是通过其数据库管理系统的ODBC 驱动程序来实现的。这样的访问模式使设计者可以用统一的方式来对

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所有的数据库进行操作,给设计带来了很多方便。ODBC技术能够使用户的应用程序独立于数据库,在一个良好的用户应用程序开发界面下进行设计,使用ODBC技术可以实现多个数据库之间的通，以及数据库和应用程序之间的数据交换[6]。

1-2-4组态软件的功能扩展

组态软件这几年在监控系统中得到了广泛的应用。组态软件的开发商们一方面不断的努力扩大市场占有率，另一方面也在根据客户的反馈信息对其产品实现快速的升级换代。组态软件本身具有较强的可扩展性，用户和开发商都可以根据市场需求向组态软件注入新的功能。以现有成形软件为平台进行开发的方式称为二次开发。软件二次开发的方法有很多,组件技术是20世纪90年代初产生并迅速发展起来的软件重组的新技术,它是在面向对象和面向过程的程序设计方法的基础上发展而来的，是继面向对象的开发方法之后又一个新的软件开发标准,具有很大的发展前景。

Intouch的脚本语言类似于通用编程语言，它能够指示应用程序按照某种逻辑执行相关的任务。使用脚本语言二次开发应用程序能够丰富画面的控制功能。QuickScript就是Intouch自带的脚本语言，Intouch的脚本系统提供更多内置的脚本函数，并且分成七种类型，通过设置不同的条件来执行动作。

组态软件本身支持COM(Component Object Model,组件对象模型)组件的运行,对于嵌入ActiveX 控件通过修改属性,调用方法可以实现与组态软件的内部对接。COM组件技术将组件封装起来,对外只提供一个可以访问的接口,用户在使用组件的时候只要知道如何调用即可。如果需要完善组件功能,只需要修改内部程序而不需要修改接口,访问方法也不会改变。这样既简化了软件开发的流程，缩短了软件的升级开发周期,也做到了对软件方法的保密性。利用组件技术不管是进行二次开发还是以后对软件进行版本的升级，都具有重要的意义[7]。

1-2-5组态软件的发展方向

事物的发展都不是停滞不前的,产品需求的变化,相关行业技术的进步促使组态软件向更高层次迈进。查阅相关资料并结合当前的形式可以总结出未来组态软件的发展趋势：

(1)向管理方向发展

早期的组态软件主要还是用于进行现场数据的采集和显示,更多的用于实现人机界面的功能,用户能够实时的监控系统的运行状态。随着信息量的不断增大,更多的数据需要进行存储和统计,以便更有效的通过数据分析对生产过程及时的做出调整,从而使用户获得更高的生产效率[2]。

(2)数据采集的方式

组态软件通过驱动程序辅助来实现对数据的采集。一般驱动程序是由软件的开发商提供的,用户编写的难度较大。OPC基金会提出一种OPC标准,目的就是能够实现最大程度的数据采集和交换，这种无缝连接形式不需要关注内部实现。

(3)强大的编程功能

组态软件可以通过使用软件本身提供的控件，图形工具等自行组态一个系统工程。但是为了增加其应用中的灵活性，开发商同时给组态软件提供了编程语言。这些语言相对逻辑性都比较简单,如何改进软件语言的复杂性,以便实现更多复杂的逻辑功能是组态软件研究的趋势。

(4)组态软件的开放性和可扩展性

组态软件通过互联网实现了现代化网络管理的目的。现场的数据通过通讯传送到各个控制层面,更有效的用于决策和管理。可扩展性是为了保证系统原有性能不发生改变而向系统增加新功能,第三

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方软件开发商,组态软件开发商和用户都可以自行根据需要来实现软件的二次开发。

(5)组态软件控制功能的完善

作为自动化软件的一份子,组态软件的控制功能还是略逊一筹。相对于其他软件,组态软件的控制功能很不完善。用户目前对该类软件的要求已经不局限于组态生产系统,而是更多的会考虑一些实质性的应用功能,如是否可以提供先进的过程控制功能,软件PLC功能等。这些都有待于组态软件的研究和开发人员对软件的功能做进一步的升级。

市场的发展决定产品的未来,组态软件必定会在市场的引导下更加完善。在强大的分布式控制系统中不断扩充自己的控制功能,支持COM标准软件开发技术升级换代软件,支持更多的标准来实现通讯和数据交换[9]。

§1-3组态软件研究的意义和主要内容

1-3-1组态软件研究的意义

对轧钢监控系统的设计历来是自动化系统研究的一个重要内容。用户近年来对监控系统的要求也更加多样化,监控系统作为自动控制系统的一部分,也面临着挑战。利用组态软件设计HMI(人机接口，Human Machine Interface)监控系统时,一方面要能够对现场的信号进行采集,及时的显示给操作人员；另一方面,根据系统内置的脚本语言编写脚本应用程序,以便能够更好的配合PLC实现控制功能。

本课题以天津皆诚冷轧薄板有限公司的1150mm六辊可逆轧机项目为依托，选用美国Wonderware 公司的组态软件Intouch作为监控系统的设计软件。在以往轧机项目的监控系统中，只是在工控机上显示一些过程数据，设备的状态以及简单的动画效果，这样对于组态软件这样的功能强大的自动化软件来说就显得大材小用[10,11,12]。本课题从深入的角度考虑，尽可能的挖掘组态软件的应用功能，一方面改进了画面设计的功能和画面布局，目的是使工作人员能够更加合理更加人性化的来使用监控系统；另一方面与数据库系统结合，从信息管理的角度将生产与统计管理结合在一起。在通讯方面，本项目采用的是工业以太网结合光纤传输的通讯模式，将电信号转换成光信号在多模或者单模的光纤上传输，突破了电缆传输距离短的限制，使得以太网在保证高带宽传输的前提下，利用光纤介质实现远距离传输，并且提高了信号的抗干扰能力，保证了通讯的稳定性。同时，在对组态软件进行研究的同时，考虑到其本身的功能还是有很多不足，采用向Intouch嵌入ActiveX控件的方法来扩展其功能，弥补了组态软件在应用中的不足。

1-3-2组态软件研究的主要内容

本文主要根据1150mm可逆轧机控制系统的工艺流程和用户提供的机列图，分析并设计了监控系统各个环节的监控界面。对系统的工艺流程，安全管理，报警记录，辅助设备的监控都做了相应的设计。结合Access数据库和脚本语言构建了数据库管理系统，实现了对工艺参数的存储和产量统计报表的查询，编辑和打印的功能。同时，针对组态软件在使用过程中的局限性，提出基于COM组件技术实现对组态软件的功能扩展，设计了统计查询模块和卷径计算模块。这样的设计方法大大缩短软件开发周期，并且所设计的控件具有较好的通用性和可移植性[13,14,15]。本课题的主要研究内容如下：

(1)论述了该套可逆轧机控制系统的工艺流程和整体的系统设计。

(2)分析了监控系统的整体设计布局，针对各个环节的控制要求设计了监控画面，并且结合Access数据库系统和Intouch自带的脚本语言设计数据库管理系统，实现了数据的存储和查询以及4

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中英文切换系统，自行编写了相应的脚本应用程序。

(3)介绍了Intouch和PLC如何利用第三方I/O Server服务器实现通讯的方法，如何通过ODBC 技术实现组态软件与数据库之间的数据交换。

(4)以组态软件Intouch为二次开发平台，基于COM组件技术，利用可视化高级程序设计语言VB6.0开发了具有统计查询功能和计算功能的ActiveX控件，并嵌入到Intouch中，弥补了其在应用中的不足。

(5)分析了所设计的监控系统实际的运行效果，验证了所设计的组件性能。

§1-4本章小结

本章主要介绍了组态软件目前的研究和应用现状以及未来的发展趋势，工业以太网结合光纤通讯技术在工厂网络化管理中的应用以及数据库技术的发展现状。据此提出本课题研究的意义和目的，结合天津皆诚1150mm可逆轧机项目的要求，提出了课题所要研究的主要内容。

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第二章1150mm可逆轧机系统的工艺流程及整体设计

为了能够提高企业的生产效率和产品质量，生产出具有良好的市场前景，性能完善，精度高的

带钢产品，用户采用了六辊可逆轧机代替普通的四辊可逆轧机来进行生产。自动化系统采用了目前较为流行的西门子公司的大型可编程逻辑控制S7-400系列产品进行设计，结合现场总线技术、工业以太网和光纤通讯技术设计监控系统和数据库管理系统，共同实现了对生产过程的控制，实时监控以及数据的存储和调用。

§2-11150mm可逆轧机系统的工艺流程及设备参数

2-1-11150mm可逆轧机系统的工艺流程

可逆轧机的轧制过程是指通过主轧机和左右卷取机以及开卷机的相互配合，辅以液压系统的压下控制，使板带材在轧制平台上进行多道次的压下变形，从而获得所需厚度和质量的带钢产品的过程[16,17]。六辊可逆轧机主要用于生产0.15mm至0.3mm厚的带钢产品，轧机设备生产的产品板型效果良好。六辊轧机中间辊可以轴向移动，这样的设计消除了四辊轧机在工作辊和支撑辊之间对板形有害的接触区。中间辊移动量和弯辊力的完美配合，可以实现轧机的横向刚度无限大，轧辊辊型不受轧制力变化的影响，从而可以保证带材有良好的板形。工作辊采用平辊，降低了磨辊工序加工时的难度，对磨床的设备要求也相应降低。这些改动都对提高产品的质量和精度有积极的作用。六辊可逆轧机目前可以轧制高精度的薄带钢，并具可以提高生产效率和成品率，六辊可逆轧机的整体系统

示意图如下图所示：

图2.1可逆轧机系统示意图

Fig2.1The diagram of reversing rolling mill

本套六辊可逆轧机控制系统主要组成部分有开卷机、左右卷取机、主轧机、测速辊、夹送矫直机、测厚仪、上卷小车、卸卷小车、换辊小车、助卷器、润滑站、AGC液压站等。

冷轧是热轧的后一道加工工序，热轧带钢需要经过酸洗后去除表面的锈层方能进入冷轧的轧制。天车工开启天车吊装带钢放置到开卷机操作侧的固定鞍座上，点动上卷小车，前进至固定鞍座的下方，点动上升让小车托起钢卷并通过调整使带钢的内孔和开卷机的轴心位置对正，接下来点动卷筒涨按钮使开卷机卷筒完全撑起钢卷，随后上卷小车退下。抬起伸缩导板与带钢头部对准，同时闭合开卷机的外部活动支撑，以设定好的点动速度完成穿带过程，使带材能沿着伸缩导板经过矫直机，前测速辊，主轧机，后测速辊，卷取机，钳口定位后固定在卷取机上，此时启动卷取机卷曲带材。穿带过程结束后，机组开始按设定斜率升速至轧制速度开始正常的轧制过程，当带材剩下3～4圈时，

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机组按设定的斜率减速，保证带尾进入主轧机前机组停止轧制。下一道次和第一道次轧制流程相似，只是方向相反。可逆轧机的这种轧制方式最终都是在偶道次时结束轧制，并且不是连续的轧制，每个道次结束后操作工都需要手动控制一些操作。所以轧制速度慢，主要适用于小型的轧制线。

2-1-21150mm可逆轧机控制对象及设备参数

2-1-2-1主轧机(两台串联)

(1)电机:Z800-21600kW/660V/2588A N=440/1000rpm励磁:24A/315V

(2)电控装置及设备参数

全数字电控装置3600A/±660V

电枢模块SPDMY3K6RKF(3600A/±660V)备注

励磁模块SPAM035U1D(35A/315V)备注

通讯卡SPPB1/SWF备注

操作器SPDI1备注

断路器ME-4000A/660V备注

励磁进线电抗器L02-35备注

操作继电含各类开关、接触器、继电器、显示及指示备注

2-1-2-2左、右卷取机(两台串联)

(1)电机:Z560-3BP6180kW/660V/1011A N=400/1200rpm励磁:22.8A/315V

(2)电控装置及设备参数

全数字电控装置1500A/±660V

电枢模块SPDMY1K5RGF(1500A/±660V)备注

励磁模块SPAM035U1D(35A/315V)备注

通讯卡SPPB1/SWF备注

断路器ME-2500A/660V备注

进线电抗器BZ1.748.178(1250A)备注

励磁进线电抗器L02-35备注

操作继电含各类开关、接触器、继电器、显示及指示备注

2-1-2-3开卷机

(1)电机:Z450-3B300kW/660V/505A N=400/1200rpm励磁：23.8A/315V

(2)电控装置及设备参数

全数字电控装置850A/±660V

电枢模块SPDM850RKF-G(850A/±660V)备注

励磁模块SPAM035U1D(35A/315V)备注

通讯卡SPPB1/SWF备注

接触器CJ20-630备注

进线电抗器BZ1.748.143(630A)备注

励磁进线电抗器L02-35备注

操作继电含各类开关、接触器、继电器、显示及指示备注

2-1-2-4PLC及系统继电柜

(1)PLC柜

S7-400

CPU6ES7416-2XK04-OABO1

电源模块6ES7407-OKA01-OABO1

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8数字量输入模块6ES7421-1BL01-OAAO2数字量输出模块6ES7422-1BL01-OAAO3高速计数模块6ES7450-1AP00-OABO4模拟量输入模块1模拟量输出模块1 DP网卡1以太网卡备注液压24V电源SIEMENS－40备注控制24V电源SIEMENS－20备注操作继电各类开关、接触器、继电器、显示及指示备注通讯电缆备注通讯插头备注

(2)继电柜

PLC控制(ET200)6ES7153-1AA03-OXBO1

数字量输入模块6ES7321-1BH02-OABO6

数字量输出模块6ES7322-1BH01-OABO2

AGC站控制空气开关、接触器、继电器及指示备注

普液站控制空气开关、接触器、继电器及指示备注

弯辊站控制空气开关、接触器、继电器及指示备注

工艺润滑站控制空气开关、及指示备注

油气润滑站控制空气开关、及指示备注

稀油站控制空气开关、及指示备注2-1-2-5操作台箱

(1)轧制操作台

PLC控制(ET200)6ES7153-1AA03-OXBO1

数字量输入模块6ES7321-1BH02-OAAO3

数字量输出模块6ES7322-1BH01-OAAO1

工控机PⅣ-1G1

显示器19”液晶显示器1

组态软件Intouch备注

操作继电空气开关、接触器、继电器、按钮及指示备注(2)开卷机操作台

操作继电空气开关、接触器、按钮及指示备注(3)主机旁操作箱2台

PLC控制(ET200)6ES7153-1AA03-OXBO1

数字量输入模块6ES7321-1BH02-OAAO4

操作继电6ES7322-1BH01-OAAO备注(4)控制室计算机

工控机PⅣ-1G1

显示器：19”液晶显示器1

组态软件Intouch1

以太网交换机STAR-S1816+10/100Mbps1

以太网卡DFE-530TX10/100Mbps2

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§2-21150mm 可逆轧机监控系统开发方案

2-2-1监控系统的组网结构

本项目采用组态灵活，系统运行稳定可靠的工控组态软件Intouch 来开发专门用于可逆冷轧机生产的监控系统，其体系结构是分布式的，整个系统分为现场设备级，控制级和监控级三层，层次结构清晰，任务分工明确，具有维护而和扩充方便，运行稳定可靠的特点。

控制层独立完成所有的控制任务，保护和检测等功能，是直接作用于现场设备的控制单元。在通讯上采用现场总线技术，采集现场设备信息，通过工业以太网传送给上位机实时监控，上位机完成数据的接收以及再处理任务[18,19,20]

。

图2.2光纤收发器应用示意图

Fig 2.2Fiber optic transceiver schematic diagram

现场局域网按照所执行的任务进行划分。主操作台和电控室的工控机通过以太网连接到交换机，交换机输出接光纤转换器，在电控室的PLC 采用同样的结构来设计。电控室的操作员及其他网络上的工作站只能与主操作台的工控机进行数据通讯，不能直接控制现场轧制设备的运行，这样的设计是为了保证系统能够安全运行。未来还可以通过局域网与办公网进行连接实现办公网内的远程监视。2-2-2网络系统方案的详细配置

监控系统的网络主要分为两层网络，核心网络和边缘接入网络，采用的星型拓扑结构。核心网络位于中央主控室，负责与现场控制设备和网络内的其他工作站进行连接，对上还可以连接到办公网。边缘接入网是指接入中央主控制的其他网络接入点。根据对高速网络技术及局域网的应用需求，采用千兆及百兆位以太网技术作为局域网计算机网络技术。

1、计算机中心。由于中央主控室的信息传输量大，并且要求能支持其他工作站的数据访问，所以选择高性能，高可靠性的设备。交换机选型对网络的整体性能有着极大的影响，因此选用机架式快速以太网交换机锐捷STAR-S1816+作为整个网络的核心交换机。该交换机传输速率为10/100Mbps，接口类型为10M/100M 自适应RJ-45，背板带宽3.2Gbps，16个接口，采用IEEE 802.3－2000以太网网

络标准，提供全双工的传输模式。

图2.3光纤收发器连接示意图

Fig 2.3Fiber optic transceiver connection schematic diagram

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2、边缘接入节点交换机。电控室设备以及其他的工作站分别设置WS-C2960-24TT或WS-C2950-24交换机,每台交换机提供1个百兆端口，通过光线收发器分别上连中心交换机STAR-S1816+。

3、系统硬件配置。本项目自动化系统的控制设备采用的是西门子公司的大型可编程逻辑控制器S7-400系列产品。该系列产品采用的是模块化的设计模式，每个模块都具有不同的控制功能和控制性能，设计时可以灵活的自由选择。相对于中小型的PLC产品，S7-400系列PLC的运行速度相对较快，运行复杂的程序不会出现死机的情况[7]。1150mm可逆轧机轧机采用的CPU型号为CPU416-2DP，此型号的CPU具有较高的性能，运算速度快。PLC的硬件网络组态结构中，两条PROFIBUS-DP总线实现PLC与ET200从站和传动设备之间的通讯。电源选用的是PS407(10A),位置固定在1#插槽，CPU的位置固定在3#插槽。在进行硬件配置时，系统为每个传动和从站分配了固定的地址。

2-2-31150mm可逆轧机自动化系统的通讯方式

2-2-3-1Intouch和PLC之间的通讯

工控机安装了Intouch组态软件，通过第三方服务器I/O Server与PLC进行数据通讯。在监控系统中，数据都是通过网络从PLC中或者其他应用软件中读取或者发送到外部去的，所以通讯十分的关键。Wonderware开发了一些能够使组态软件与控制器或者其它现场设备通讯的第三方服务器，这些服务器性能优越，应用也极为广泛。本项目采用DA Server实现上位机组态软件Intouch和西门子PLC的通讯。它实际上DA Server是在IO Server的基础之上开发的新版本，具有更高的性能，它是构建在ArchestrA?技术之上的新一代的高性能的服务器。通过配置DA Server,在Intouch中给变量分配访问名就能实现数据的采集和发送[21,22,23]。

2-2-3-2Intouch和Access数据库之间的通讯

目前对数据库的访问方法有很多，包括ADO、DAO、ODBC等，其中最为方便有效的就是微软的ODBC 技术。本项目从实际应用的可靠性和方便可行的角度考虑，采用的是基于ODBC技术来访问Access 数据库。ODBC实际上提供了一个数据访问的接口，是连接Intoch和数据库的桥梁。通过配置系统的ODBC数据源管理器就能实现对数据库的访问。

2-2-4监控系统的整体设计

目前，工业生产领域的监控系统大多数都采用组态软件来设计。本项目主要是针对1150mm可逆轧机系统的监控要求来做设计工作。对于需要做条件限制才能动作的情况要清楚的在画面中显示条件的状态，以提示操作人员是否可以动作。对报警系统的设计主要做好故障的分类显示，在故障出现时能及时的提示。液压站作为液压动作设备的动力源，必须能够安全的运行，画面要能实时的监控各个泵站的状态。上位机画面主要实现对数据的采集和监控，对采集上来的信息进行规制和整理。同时通过网络将现场各个部门的分布式计算机连接起来实现数据的共享，结合数据库对数据进行存储和读取[24,25,26]。HMI系统的功能介绍：

(1)数据的输入和轧制流程的管理。在任何一个生产过程中，工艺流程都是非常重要的。对于工艺参数的管理通常都是采用专门的数据库来进行存储和调用。操作工通过观察现场生产情况，随时可以对工艺参数进行修改并存储。但是参数是不能随便修改的，所以需要对修改参数的人员进行权限方面的限制。

(2)实时监控任务。特别是对某些起车条件的限制。对于特定的动作，只有当条件满足了之后才能进行下一步操作，否则将出现严重后果。这时候实时的采集机组的状态才能供给操作人员参考。

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(3)统计查询功能。对于一般的情况，厂方人员可以雇佣专门的质量监督人员来进行产量的统计和记录，但是这样自动化水平就相对弱些。如果能够结合数据库自动对产量和质量进行统计，就显得

更加的便捷，管理者只要在办公室就能查看现场生产情况和实时数据。统计查询的工作主要是统计

钢卷的型号规格，宽度，厚度，成品率等，用户通过统计可以更好的控制和改善产品质量。

(4)自诊断和报警功能。Intouch具有高效的报警机制。报警系统的准确性决定着操作人员能否准

确的找到问题的根源，及时的处理，从而更快的恢复生产。报警主要是传动报警，故障报警，以及

其他可能出现的问题报警。查看报警记录可以统计问题多发点，及时补救。

§2-3本章小结

本章主要介绍了六辊可逆轧机自动化系统的整体设计方案，阐述了轧机系统的相关工艺流程，主要控制对象及其设备参数以及自动化系统PLC的网络配置结构。分析了系统中组态软件Intouch

与PLC,测厚仪，Access数据库之间通讯方式的不同，最后概括了自动化监控系统所要实现的任务和功能，给监控系统整体设计打下了基础。

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第三章1150mm 可逆轧机监控系统的设计

为了满足该项目对监控系统的要求，结合最终的用户需求，保证HMI 与PLC 系统做到合理的配合，系统安全运行，操作人员能够一目了然的了解实时的运行状态，掌握每个环节的报警信息并且方便进行各种操作[27,28]

，画面整体结构示意图如下所示：

图3.1监控系统结构示意图

Fig3.1Structure of the monitoring system

(1)安全管理。监控系统对于安全性有一定的要求。由于现场的工作人员众多，必须对能够进入监控系统对参数进行修改的人员进行限制。通过设置用户和权限可以保证只有某些操作人员能够对参数进行修改。登陆模块

图3.2登陆模块功能

Fig3.2Function of land on module

(2)工艺流程的设计。根据用户提供的机列图分析系统各部分的组成元素，通过图形将其整体呈现在主画面中。主画面是监控画面中最主要的一个环节。正常生产的时候，操作人员需要实时的监视主画面中数据的变化以及轧机运行状态的变化情况，从而做出相应的调整.

图3.3轧制模块功能

Fig3.3Function of milling

(3)对工艺参数，状态变量，故障诊断信息的实时采集和显示。在系统运行的过程中，随时需要针对来料的不同和运行状态的变化进行工艺参数的在线调整。对于某些重要的系统故障，如传动故

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障，通讯故障也需要实时的监控。如果出现问题，要能够及时的显示在报警记录中，以便准确的找出故障原因及时处理。

(4)中英文切换。随着信息时代的不断发展，国内外的项目合作日益密切。设计中英文切换功能

可以更好的实现国内外的项目合作与交流，所以此功能具有较好的实用价值。

图3.4中英文切换功能

Fig3.4Function of Chinese and Englishi shift

(5)带钢产量统计查询。为了提高企业的自动化水平，结合数据库和脚本语言设计了带钢产量统计报表，这样就省去了人工抄表的繁琐。数据库能自动根据条件脚本实现对工艺参数的存储，方便用户查询，为下一步的工作和生产计划提供参考依据。

图3.5统计查询功能

Fig3.5Function of statistic and search

§3-1基于WindowMaker 设计器的监控画面的设计

3-1-1监控系统登陆方式的设计

图3.6监控系统登陆画面

Fig 3.6Picture of land on

登陆界面是监控系统的直接入口，画面中包含了“用户登陆”，“进入系统”，“配置

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用户”，“退出系统”四个按钮。用户名和访问权限用来显示登陆用户的基本信息，国旗实现显示切换功能。在用户没有登陆之前，只有“用户登陆”按钮是可以被点击的，登陆系统之后，用户可以通过点击配置用户来完成“变更用户”，“修改密码”，“退出登陆”，“退出系统”，“关机”操作。见图3.6监控系统登录画面。配置用户可以向系统增加登陆用户的数量。此功能只有系统管理员才有权限激活，系统管理员通过添加操作增加用户，并为该用户设计登陆密码，授予该用户在此监控系统中的访问权限。访问权限最高为9999，最低为0。同样，如果想删除已有的用户，只需选中用户名点击删除操作。如不做任何修改，点击关闭窗口即可。

用户登录：动作脚本DIM LogonResult AS INTEGER;

LogonResult=PostLogonDialog();

进入系统：显示标题，菜单，主界面。失效性验证，$AccessLevel<9000(打开)。

退出系统：WWControl("InTouch -WindowViewer","close")；

配置用户：设置用户，$ConfigureUsers，失效性验证，$AccessLevel ==9999(关闭)。

变更用户：DIM LogonResult AS INTEGER;

LogonResult =PostLogonDialog();

修改密码：$ChangePassword。

退出登录：DIM a AS DISCRETE ;

a =Logoff();

关机：StartApp "C:\WINNT\system32\Shutdown.exe -t";

WWControl("InTouch -WindowViewer","close");

3-1-2系统主监控界面的设计

用户成功登陆系统后进入轧制状态的主监控画面中，见图3.7

所示。

图3.7主监控画面的设计

Fig 3.7Design of the main monitoring picture

主监控画面主要由以下几部分组成：

①轧制流程—以图形的方式形象的显示整个轧制工艺生产线的构成，动态的显示卷径的实际变化情

况以及轧制工艺进展程度。

②数据显示—包括开卷机，卷取机，主轧机的电流，张力，弯辊力以及实际辊缝，轧制力，压力差，

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15左右实际厚度等数据。

③轧制状态—通过颜色区分各个环节的工作状态，绿色为正常工作，红色为停止工作或故障。④功能按键—画面底部是菜单栏，点击可实现画面之间的切换，便于查看其他工作状态。3-1-3

液压站界面的设计

本系统中的液压站主要有AGC 液压站，普通液压站，弯辊液压站，工艺润滑站，油气润滑站等。分别针对不同的工艺要求给液压系统提供动力。AGC 液压站的控制分为远程控制和本地控制两种控制方式，在液压控制箱上可以对两种控制状态进行选择。当选择本地控制时，AGC 液压站的启动和停止操作是需要在液压操作箱上来完成的；如果操作工选择了远程控制，就意味着可以在主控室或者电控室的HMI 工控机上点击启动和停止按钮来实现远程控制。当“远程控制”指示灯亮时，操作工可通过HMI 画面启动循环泵、1号泵或2号泵，被启动的泵的颜色变为绿色，需要停止时只需点击相应泵的停止按钮，液压站温度低时可以启动加热器来升温。

图3.8AGC 液压站画面设计

Fig 3.8Design of the AGC hydraulic station

3-1-4报警记录界面的设计

报警记录主要是为了在故障出现的时候及时的找出故障点的位置而设计的。内存报警记录会实时记录故障情况，一旦故障恢复或者用户确认故障之后就会清空界面。历史报警记录会记录所有的报警信息，不会自动清除，用户可以到历史报警记录中查询之前的故障情况。这样对于故障多发点就可以提前进行预防了[29,30,31]。

§3-2基于脚本语言的数据库管理系统的设计

3-2-1Access 数据库简介

Access 数据库是一种关系型的数据库，可以包含一个或者多个数据表。表又由二维的行和列组成，每一行称为一个记录，每一列称为一个字段，每一个字段名称即为一个属性，字段不能重复在表中出现。Access 数据库以文件的形式保存，文件的扩展名是MDB [11]。它的优点是软件体积小，便于携带，即可以跟随你的程序进行转移，而不用重新进行修改。由于属于小型数据库，所以操作起来也比较简单。但是它也有不足的地方，它的存储容量有限，运行速度没有大型数据库快，数据量越大，运行速度受到的影响也越大

[11]。总的来说，适合小企业或个人程序，以及不需要做大量数据

处理的场合。

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表3.1数据库基本操作

Table3.1Basic operation of database

操作类型基本格式

查询记录select字段名from表名where条件

删除记录delete from表名where条件

添加记录insert into表名（字段1,字段2,字段3)values(字段1的值,字段2的值,字段3的值)

修改记录update表名set欲修改的字段名

1=该字段的新值,欲修改的字段名2=该字段的新值where条件

在使用数据库之前必须明确数据库要实现哪些功能。为了满足可逆轧机监控系统工艺过程数据

的存储要求，提高自动化水平，采用数据库技术替代传统的人工记录数据的方法来存储数据,利用脚本语言构建数据库管理系统,实现参数的自动存储功能。同时，考虑到国内外的项目合作越来越密切，为了便于双方技术的交流和沟通，基于数据库设计了中英文切换功能。

3-2-2数据库表结构的设计原理

Access数据库是微软Office2003自带的软件包，系统提供了3种建立数据表的方法。使用设计器创建表，使用向导创建表，通过输入数据创建表。向导提供给用户可能会用到的字段属性，用户通过选择属性即可组成想要的表格，缺点是如果系统没有提供给用户想要的表字段属性就会给设计过程带来麻烦。所以最好是用户手动的建立表，在这里我们使用设计器创建表。表有设计窗口和数据表窗口两种形式，设计窗口用来设计表中的字段和结构，数据表窗口用来显示表中的数据。设计表时需要在设计窗口中进行操作。

3-2-3工艺参数存储及统计查询系统的设计

(1)数据库表结构的设计

数据库中有三个数据表，他们分别为SD、SOS和TS，每个表中字段的含义如下表所示，需要存储的参数是根据工艺要求设定的。

表3.2统计数据库表结构

Table3.2Structure of statistic database

SD数据表SOS数据表TS数据表c1:钢卷代码c2:重量c3:轧制日期date:记录日期day:记录日期c4:带钢长度c5:钢种号c6:卷径s1:班组号c1:系统天数c7:开始时间c8:结束时间c9:道次号s2:宽度c2:开机时间c10:入口厚度c11:出口厚度c12:最高轧制速度s3:系统天数c3:停机时间c13:平均辊缝c14:轧制压力c15:入口张力s4:成品规格c4:换辊时间c16:出口张力c17:轧制时间c18:分卷号s5:成品重量

c19:宽度c20:辊缝差c21:压力差

c22:工作辊弯辊力c23:中间辊弯辊力c24:成材率

c25:缺陷位置c26:班组号

(2)轧制工艺参数存储流程图

工艺参数的存储是基于脚本执行的。分别通过设定SQLCMD1ING,SQLCMD2ING,SQLCMD3ING 条件为真时完成参数的存储。对数据库操作时，需要设定SQLBUSY=1，这样避免同时对数据库