11站实验型柔性制造系统监控技术的研究

摘要：引入WinCC对11 站式实验型柔性制造系统进行实时监控系统的开发，人机界面生动的模拟了现场工况，操作方便快捷，提高了系统的实验性。文章介绍了系统的网络结构形式和监控系统的开发过程；重点对实时画面控制技术和系统与MES 数据集成技术进行了研究。

关键词：WinCC；实验型；MES；实时监控

Research of 11-stop Experimental Flexible Manufacturing System of Monitoring Technology

Abstract: Real-time monitoring system was developed for the 11-stop experimental flexible manufacturing system by WinCC.The man-machine dialogue vividly simulated real operation scene,which make the the management faster and system more experimental. The article introduced the system‘s network structure and development process of the monitoring system; Emphasis on the studies of Real-time image control technology and data integration technology between the system and MES.

Keywords: WinCC；Experimental；MES；Real-time Monitoring

随着科学技术的迅猛发展，机电一体化技术的广泛应用，对生产制造系统的要求也越来越高，用户们希望得到友好的人机交互，提高工作效率，减少生产事故的发生，实时监控技术的应用很大程度上帮助用户们解决了这些问题。而在学校，学生们的学习已经不能局限于PLC 电控方面的实验，让他们更多的接触监控组态技术以及上位机系统的操作，对其将来的学习和工作会有很大帮助。

本系统正是一个集监控组态技术、MES和PLC电控与一体的系统，这里主要介绍WinCC监控组态技术在实时监控系统开发中的应用，以及其与MES 系统数据集成。

1 系统的基本架构及工作原理

图1 所示是11 站式实验型柔性制造系统的生产监控结构图，由11 站式实验型柔性制造系统、PLC 控制系统、生产监控系统（MES）和实时监控系统（WinCC）四部分组成，主要完成对11 站式实验平台的实时画面监控和生产数据监控。

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1.1 11站式实验型柔性制造系统

整个11 站式实验性柔性制造系统可以分为五大站，第一站是供料站，主要为系统提供原料，包括供料单元，供料检测单元，图像检测单元，搬运单元等4 个单元；第二站为加工站，主要是对原料进行加工，包括机械手上下料单元，数控铣床单元等2 个单元；第三站为装配站，主要是对加工好的工件进行装配，包括加工检测单元，机器人单元，成品分装单元等3 个单元；第四站为物流站，主要实现对工件在站站间的搬运及储存功能，包括环形传输系统，条形码识别单元，立体仓储单元等3 个单元。

1.2 PLC控制系统

PLC 控制系统是整个柔性制造系统的控制核心，柔性制造系统的所有单元的运作都是按照PLC 发出的信号和预先设定的程序进行运作。整个系统包含各种传感器，伺服电机，气缸、机器人等。

1.3 生产监控系统

用户可以完成生产任务下达，生产任务调度，并可以详细监视生产任务进度情况、加工质量情况，以及报表功能等。生产监控系统模块（MES）主要包括用户管理、库存管理、生产计划、过程监视、质量管理、统计分析、设备管理等7 个模块，该系统的数据采集功能都是在WinCC 中实现。

1.4 实时监控系统

实时监控系统使用西门子公司开发的WinCC 组态监控软件进行开发，上位机装有CP5611 数据采集卡，通过制作通讯电缆将上位机与S7-300 总站相连，进行通讯。实时监控系统主要给用户提供良好的人机交互界面，便于用户观察生产过程（生产动作画面、生产基本信息等），并提供报警功能等。

2 WinCC实时监控系统的设计与开发

实时监控系统主要完成动作画面监控和生产基本信息监控，以及报警等功能，这里功能模块设计为生产管理、联网监控、报警记录和关于程序四个模块，其中联网监控模块是实时监控系统的核心。

2.1设计原理

（1）建模

WinCC 中有自带的绘图功能，但由于功能较为简单，系统设计中选用Flash 进行建模，导入到WinCC 图形数据库中使用，方便快捷，且效果较佳。

（2）脚本

WinCC 中有丰富的脚本语言（VB、C）及控件等，而系统通过脚本提取外部变量的值，控制内部变量的值即控制帧的状态，来符合外部的实际状态。（如图2 所示）

（3）通讯

监控系统是以西门子PLC 为主控制器，上位采用WINCC 组态软件监控，中间采用S7-300PLC 负责通信功能，下位采用八个S7-200 PLC (CPU 224) 组成分站控制器，通过PROFIBUS-DP

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现场总线网络实现监控系统的通信，八个独立的执行机构共同组成一套完整的控制系统。WinCC 提供了一个称为SIMATIC S7 Protocol Suite 的通讯驱动程序，系统中采用的是MPI通讯单元，在该单元下建立连接NewConnection_1，在该连接下建立监控画面中需要的外部变量，设置相应的类型和地址，与PLC 中需要的变量地址相同。

2.2功能设计与开发

2.2.1 生产管理模块

生产管理模块包括生产计划和生产统计两个模块。生产计划模块包括订单号、生产数量、材质和交货期。生产统计模块包括订单号、计划数量、废品数量、已完成数量和生产进度。界面中每一个参数的值，都有一个相应的内部变量，内部变量的值正是通过读取数据库相应的值来实时传递,设计如图3 和图4 所示。

2.2.2联网监控模块

用户可以通过该模块监视整个实验系统的动作状态，而在开发过程中，需要处理好各个外部变量之间的关系来控制内部变量的值，实时显示各个工况。下面主要介绍供料检测单元（如图5 所示）的设计，该单元主要是检测工件的尺寸。

建立状态显示控件，状态显示控件连接所有该单元的帧，并与tuiliaojiance 变量（有符号32 位数）连接，只要控制其值就能显示不同帧，再设置触发器类型为周期触发，并设置合适的周期值，设置触发器开关变量tuiliaoaction（二进制变量），来控制显示一组组动画，达到实时监控的目的。其他外部变量设置如表1 所示。

这里的脚本编辑流程如图所示，在编辑过程中将动作变量值和tuiliaojiance 在该段状态的值相与操作，来设定tuiliaoaction 的值。例如，每个动作5 帧，则第一段程序如下。

If（(daowei==1) &&(X1==1)）(SetTagDWord("tuiliaojiance",1));

if (tuiliaoaction&&(value>=0) &&(value<=5))(tuiliaojiance=tuiliaojiance+1);

2.2.3报警记录模块

当现场设备出现故障或出现错误消息时，设计报警记录模块可以通知操作员在生产过程中的故障和错误消息，用于提醒操作员及时做出反应和判断。该模块主要是报警废品产生时，提醒工作人员及时补料。在报警编辑器里设置外部变量caizhibuhege、chicunbuhege 等为消息变量。

2.2.4关于程序模块

利用文档简要介绍实时监控系统的操作注意事项，以及该实时监控系统设计和开发的基本信息。

2.3画面布局设计

这里我们将画面划分为4 个部分：标题区、现场画面区、操作按钮区和画面按钮区，设计画面布局形式如图所示，其中标题区、操作按钮区、画面按钮区不变，现场画面区根据需要切换变化。
 

3 WinCC监控系统与MES系统数据集成

MES 系统模块的开发最重要的内容之一就是数据的采集控制，这里通过WinCC 强大的SQL2005 数据库做为MES 模块开发的数据源，主要流程如图9 所示。MES 数据模块包括三个方面：第一个方面，数据定义，由于数据是通过WinCC 模块采集，所以需要首先定义变量，设定相应的动作函数和触发器向数据库添加特定数据；第二个方面，数据采集，通过预先定义的外部变量触发动作向数据库记录该数据的相应信息，MES 直接读取数据库；第三个方面，现场控制，MES 模块向数据库设定数据，WinCC 通过脚本周期检查数据，若满足要求，则给相应变量赋值，控制PLC，执行动作

4 结束语

整个基于WinCC的11 站式实验型柔性制造系统生产监控系统的研究为基础平台配备了友好的人机交互环节，同学们可以做更多生产控制实验，更能直观的了解实时监控技术的应用。

参考文献
[1]苏昆哲. 西门子WinCC V6 北京：北京航空航天大学出版社，2005
[2]李志远. 电力系统中配电设备远程监控系统的开发[J] 微计算机信息，2008，24（4-3）：
34-35
[3]江灏，王庆丰. 液压综合试验平台的PLC 实时测控系统[J] 机床与液压，2007（35）：
182-184.6 Science & Technology，Research Field：Production Monitoring，CAD/CAM/CAE.