用WinCC扩展大型复杂机床辅助管理功能

□ 卢端方 □ 李 玮 □ 沈 勇 □ 柏 丹

1．西南林业大学 机械与交通学院 昆明 650224

2．云南民族大学 电气信息工程学院 昆明 650031

3.沈机集团昆明机床股份有限公司 昆明 650203

随着个人计算机（PC）的普及和开放系统的推广，基于PC西门子的工业组态软件在工业控制领域不断发展壮大。西门子的组态软件为开发适合现代化控制要求的系统提供了一个图文并茂、形象直观和开放性好的软件平台［1］。本文介绍了在二次开发意大利FAVRETTO导轨磨床时，利用WinCC Flexble开发了数控机床辅助管理系统，可实现实时数据显示、报警信息和远程监控等功能，形成了一套独立的、完整的在线监测的控制系统。该系统利用PLC及上位机完成数控设备的信号采集、系统监控及任务管理，并通过Profibus-DP(过程现场总线)连接、Ethernet相互通信，为数控设备的安全可靠运行提供了保证。

1 系统结构与控制要求

1.1 系统结构

以数控导轨磨床辅助管理功能的开发为例，主要包括机床的诊断、机床冷却系统、机床的加工，图1为监测控制系统结构图。

机床的诊断：主要是对机床各轴的限位开关、液压电磁阀状态、润滑油脂、电机状态信号等进行实时监控。

机床的加工：主要是对周向磨头旋转速度及所在机床坐标系位置、万向磨头旋转速度、磨头与工件的角度、机床坐标系位置以及工作台位置变化进行实时监控。

机床的冷却系统画面：冷却系统主要对电主轴冷却系统、工作台液压冷却系统以及切削液冷却系统进行实时监控。

▲图1监测控制系统结构图

1.2 控制要求

以切削液控制系统为例，本系统主要是在磨削时控制切削液的供给，由于导轨磨床要求加工精度非常高，所以在不同环境下要对切削液进行相应的预处理，例如，当工件表面温度高于切削液温度时需要加热切削液，当工件表面温度低于切削液温度时需要冷却切削液。这样做的目的是防止工件表面温度与切削液温度之间温差不要太大，避免产生热变形或冷变形。如果切削液不进行相应的预处理就直接作用在工件上，会破坏工件原有的几何精度，对加工精度产生严重的影响。导轨磨床的加工精度不允许超过3 μm，所以不让工件产生热变形或冷变形，控制好切削液温度至关重要，图2为切削液控制系统流程图。

▲图2 切削液控制系统流程图

2 机床监控系统PLC程序设计

STEP7是用于SIMATIC 7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，编程语言主要有：梯形图、语句表和功能块图。

通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)、功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1是主程序循环块，是必需的。根据过程控制的复杂程度，可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过 OB1调用这些逻辑块［2］。

对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。

本文采用西门子STEP7作为编程工具，利用S7-300软件开发逻辑程序，为了满足上位机WinCC监控系统的需要和设备维修的设计要求，在开发PLC控制程序的同时，设计了相关的动态数据文件，既为上位机监视和控制提供相应的变量和数据，也为电气工程师方便快捷地查找I/O点提供方便。

3 监控系统的软件开发

西门子的WinCC组态软件，提供适用于工业应用的图形显示、消息、归档以及报表等功能模板，能方便生成全图形化人机界面。上位机同时装有STEP7编程软件，采用以太网方式与现场PLC连接，可以实现在中控室内监视和修改PLC程序［3］。

在组态画面之前，首先要建立WinCC与STEP7的动态连接,WinCC与PLC之间的通信主要依靠S7协议中的SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE协议通道来实现［4］。通过设置以太网地址、机架号、槽号等建立上位机与各分站PLC的连接。在连接建立好以后，通过建立变量标签、绘制组态画面、元件属性的变量连接和调试等步骤，实现WinCC对现场运行状态的监控。

3.1 建立变量标签

在已建立的通信连接中定义变量或变量组。每个变量有3个设置项：变量名、数据类型、地址，其中最重要的是变量地址，它定义了此变量与PLC中某一确定地址如某输入位、输出位或标志位的一一对应的关系。如图3中的第五列代表变量地址，此地址要实现的监控状态一定要与逻辑控制中的变量地址一致。

3.2 监控系统的画面组态

在WinCC图形编辑器画面中，根据数控设备的设备布置和监控要求，利用WinCC绘图工具或兼容绘图软件，设计完成所有能实时反映现场状态的监控画面以及其它操作画面。软件图形库中有各种特殊的图形对象，如油箱、电机、阀门等。本设备画面开发中针对设备自身特殊情况，还利用Visio软件画出冷却设备控制画面，以WMF格式图形对象存入图形库中，这样就可以建立非常逼真的监控画面。开发画面时，应以画面简单、友好和易于操作为原则，应尽量使画面和元件的位置与现场保持一致，并要充分兼顾将来用户的操作习惯［5］。图4为切削液控制系统和主轴冷却系统画面。

3.3 元件的动态连接

要动态地反映现场设备的运行状态，就要对所绘制元件的颜色、样式、闪烁、几何等属性进行变量连接。当变量发生改变时，元件的属性发生相应改变，从而实现对自动化控制系统工作状态的监控，并能直观显示。在调试时应注意要选用Step7变量表的变量，这样就能查出由于人为原因在组态软件中把变量地址输入错误，造成的画面监控失败。

▲图3 变量表截图

▲图4 切削液控制系统和主轴冷却系统画面

4 结束语

利用WinCC作为机床监控软件，可以简化上位机与PLC的通信，方便地读取来自于PLC的数据及向PLC传送的数据，不仅很容易配置形象、逼真、友好的人机监控画面，而且还保证程序运行的安全性，得到用户的广泛好评。

［1］ 梅标，胡亚非，宋平平，等.组态软件WinCC在空压机监控系统中的应用［J］.煤矿机械，2008,29（8）：203-205.

［2］ 任俊杰，钱琳琳，刘泽祥.基于SIMATICS7 PLC的现场总线控制系统［J］.电工技术，2004（9）：39-41.

［3］ 李兰英，李霄燕，纪颖.基于WinCC的浓相输送监控系统［J］.微计算机信息，2008（1）：33-35.

［4］ 朱勇，叶华，刘成良.使用WinCC在机电一体化系统中实现过程监控［J］.仪表技术与传感器，2004（6）：19-20，25.

［5］ 齐继阳.基于WinCC的柔性制造系统的监控系统的设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2010（1）：51-52，60.