李志鋒，宋君，吳萌，王奎越，金耀輝，劉寶權(quán)

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

相變儲熱試驗爐HMI系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李志鋒，宋君，吳萌，王奎越，金耀輝，劉寶權(quán)

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

介紹了新建的多功能相變儲熱試驗爐系統(tǒng)概況，著重論述了HMI系統(tǒng)的功能組成、軟件實現(xiàn)過程、技術(shù)特點及應(yīng)用效果等。實際應(yīng)用效果表明，該相變儲熱試驗爐HMI系統(tǒng)功能設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，效果良好，為科研實驗工作提供了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

相變儲熱；HMI；WinCC；試驗爐；變量歸檔

為更好地開展節(jié)能減排領(lǐng)域科技創(chuàng)新工作，籌建自己的大型節(jié)能減排熱態(tài)中試基地，鞍鋼集團鋼鐵研究院新建了一個集基礎(chǔ)實驗、中間試驗為一體的節(jié)能研發(fā)型熱態(tài)試驗平臺——相變儲熱試驗爐。該試驗爐能夠進行相變蓄熱材料制備及應(yīng)用試驗、熱處理爐用各種燒嘴、換熱器性能檢測及開發(fā)試驗、富氧燃燒及爐渣余熱高效回收試驗等，以此為節(jié)能減排領(lǐng)域的研發(fā)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

本文以該相變儲熱試驗爐的設(shè)計、編程為基礎(chǔ)，介紹了該試驗爐的基本概況，對HMI系統(tǒng)設(shè)計、功能組成、編程實現(xiàn)過程及實際應(yīng)用效果進行了分析論述，并提出進一步優(yōu)化HMI系統(tǒng)的具體建議。

1　系統(tǒng)概述

鞍鋼相變儲熱試驗爐包括大功率燃燒爐、脈沖燃燒試驗爐和蓄熱式試驗爐三個部分。采用以PLC為核心的控制系統(tǒng)，對爐溫、空煤氣比例、流量、壓力、溫度等熱工參數(shù)進行檢測和控制。PLC硬件為S7-400，編程軟件采用SIMATIC PCS7 V8.0，HMI系統(tǒng)采用SIMATIC WinCC V7.0編程，實現(xiàn)測量值數(shù)據(jù)顯示、操作控制、過程報警及變量歸檔等功能。整個試驗爐系統(tǒng)主要包括以下功能：

（1）從廠區(qū)總管將公輔介質(zhì)接到實驗室廠房內(nèi)，試驗爐內(nèi)利用高爐煤氣、混合煤氣、焦?fàn)t煤氣、氧氣、氮氣這5種能源動力介質(zhì)進行燃燒試驗。

（2）蓄熱試驗爐：對蓄熱燃燒試驗爐試驗燒嘴的熱態(tài)試驗及熱工參數(shù)檢測，對單蓄熱平焰燒嘴的熱態(tài)試驗及熱工參數(shù)檢測。

（3）大功率燃燒器試驗爐：能夠?qū)σ粋€大型長火焰燒嘴、一個平焰燒嘴進行1:1熱態(tài)試驗及熱工參數(shù)檢測。

（4）脈沖燃燒試驗爐：能夠完成脈沖燒嘴控制模式熱態(tài)實驗、換熱器系統(tǒng)熱態(tài)試驗及相應(yīng)配套的熱工參數(shù)檢測。

（5）試驗爐PLC及HMI系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，能按照加熱曲線進行溫度控制。

（6）三臺試驗爐具備水冷系統(tǒng)功能。

（7）實驗室內(nèi)部設(shè)置消防及報警裝置。

試驗爐系統(tǒng)建設(shè)時，為滿足科研試驗使用需要，將PLC及HMI系統(tǒng)設(shè)計為能夠提供現(xiàn)場試驗的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過WinCC變量歸檔實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和歸檔分析功能，為利用試驗爐研究脈沖燃燒控制技術(shù)和加熱爐節(jié)能技術(shù)創(chuàng)造了試驗條件和設(shè)備保障。

2　HMI設(shè)計

2.1軟件開發(fā)

工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC是德國西門子（Siemens）公司研發(fā)的一款集成的人機界面（HMI）系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控管理（SCADA）系統(tǒng)，WinCC是視窗控制中心（Windows Control Center）的簡稱。用戶在其友好的界面下進行組態(tài)、編程及數(shù)據(jù)管理，可以形成所需的監(jiān)視畫面、操作畫面、控制畫面、報警畫面、數(shù)據(jù)歸檔及打印等。其顯著特點就是全面開放，易于結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的和用戶的程序建立人機界面，滿足工業(yè)應(yīng)用要求，安全可靠地控制生產(chǎn)過程［1］。WinCC軟件可以單獨安裝使用，但通常在SIMATIC PCS7安裝包下都有對應(yīng)版本的WinCC軟件，所以實際使用中，安裝PCS7軟件時選擇安裝OS工程師站即可。

WinCC提供各種PLC的通訊接口用于PLC和上位機HMI通訊。WinCC與PCS7（內(nèi)置STEP7編程語言）結(jié)合在一起使用，PLC程序中的控制變量可以在與WinCC連接時的過程編程直接使用。同時在WinCC軟件里可以手動創(chuàng)建控制變量，只需配置好變量地址（通常為PLC里的DB地址）即可與PLC建立關(guān)聯(lián)［2-3］。

2.2功能設(shè)計

在基于SIMATIC WinCC作為開發(fā)軟件的背景下，結(jié)合試驗爐PLC控制設(shè)計要求，HMI系統(tǒng)設(shè)計主要實現(xiàn)六部分功能：軟件框架（系統(tǒng)時間、公司標(biāo)識、畫面截屏、打印功能等）；測量值數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示；試驗爐自動控制要求的各類操作控制（點火、急停等）；溫度、壓力、流量等測量值數(shù)據(jù)歸檔；實時報警功能；精確PID控制。

2.3功能組成

HMI畫面設(shè)計時以滿足實際應(yīng)用、使用便捷為出發(fā)點，依據(jù)功能設(shè)計，需要在畫面編程中設(shè)計實現(xiàn)6項子畫面，如圖1所示。

爐區(qū)縱覽畫面用于監(jiān)視三臺爐子的基本狀態(tài)、基本操作控制，以便監(jiān)控整個爐區(qū)；大功率試驗爐畫面，顯示大功率爐的溫度、壓力、供氣管道流量的測量值，火焰檢測信號；脈沖燃燒爐畫面包括脈沖投放占空比設(shè)定功能；蓄熱爐畫面包括8個換向閥換向操作功能（定時換向和定溫?fù)Q向）；公輔系統(tǒng)畫面主要是加2臺引風(fēng)機、一臺鼓風(fēng)機、加壓泵、穩(wěn)壓泵、冷卻塔的遠(yuǎn)程/本地、手動/自動操作控制及運行狀態(tài)顯示。供氣管道畫面以棒圖（bar）形式顯示了進氣管道的溫度、壓力、流量檢測值；歸檔曲線畫面把65個歸檔數(shù)據(jù)（包括溫度、壓力、流量）以趨勢圖形式顯示出來，并提供了歸檔數(shù)據(jù)導(dǎo)出、趨勢圖打印功能，把所有的歸檔數(shù)據(jù)通過一個趨勢表格（WinCC Trend Table控件）顯示在WinCC界面上供查閱；PID監(jiān)控畫面主要是把PLC程序里的PID參數(shù)引入畫面，并提供實時變化曲線，便于PID操作監(jiān)控；報警功能畫面主要是顯示歷史報警信息。

相變儲熱試驗爐工藝流程HMI畫面設(shè)計如圖2所示。以三臺試驗爐物理布局設(shè)計了HMI畫面分別用3個矩形表示，爐子之間通過氣體管道相連，管道上布置有各類開關(guān)、控制閥、換熱器等。詳細(xì)HMI功能設(shè)計均按照整個爐區(qū)實際硬件布置為依據(jù)。

3　編程實現(xiàn)

3.1基本功能

鞍鋼相變儲熱試驗爐HMI系統(tǒng)編程以HMI功能設(shè)計為綱，實現(xiàn)了監(jiān)控、報警、歸檔及PID控制功能。畫面進入時提供用戶身份驗證，沒有密碼無權(quán)操作或查看畫面。同時在主框架上顯示了公司徽標(biāo)，系統(tǒng)時間及畫面截屏（HARDCOPY）功能，提高了美觀性和易用性。

監(jiān)視畫面主要顯示了試驗爐上各個溫度、壓力、流量、火焰檢測等儀表的測量值數(shù)據(jù)級狀態(tài)，并逐一提供了注釋（Tooltips），用戶在光標(biāo)點到監(jiān)視點時能自動彈出該監(jiān)視點的儀表名稱、測量值數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)上下限等。操作畫面主要是管道上各種切斷閥的開關(guān)控制，投放時間設(shè)置、手動/自動、本地/遠(yuǎn)程等功能。

實際編程實現(xiàn)過程中利用WinCC軟件的畫面窗口（PictureWindow）實現(xiàn)窗口切換；建立統(tǒng)一的畫面模板，在C腳本里進行判斷，對不同的設(shè)備（各個切斷閥、公輔設(shè)備）連接不同的WinCC通訊變量，減少了畫面文件（PDL文件）數(shù)量，使得程序顯得簡潔；創(chuàng)建了一個幫助畫面，在此畫面上對其他各個中出現(xiàn)的畫面元素的顏色、狀態(tài)、對應(yīng)含義統(tǒng)一標(biāo)注，使得畫面更易上手使用。

畫面的報警功能是通過WinCC Alarm Control控件來顯示的。由于編程時對具體需要添加哪些報警點不是十分明確，所以對所有的報警點的顯示是通過讀取PLC里布爾型的報警變量，手動在WinCC里添加報警內(nèi)容。

3.2爐子狀態(tài)畫面

根據(jù)設(shè)計要求，3個試驗爐狀態(tài)畫面分別單列為獨立的子畫面，并設(shè)計另一個總畫面。單列爐子畫面顯示了當(dāng)前試驗爐所有相關(guān)的狀態(tài)信息（開爐條件、停爐條件、冷卻水管道采集的實際值），提供了具體的切斷閥操作控制功能?？偖嬅骘@示三臺爐子的基本運行狀態(tài)，如主要溫度、壓力、流量測量點的實際值，爐子相關(guān)管道測量點的實際值以及總管道上測量點的實際值。

WinCC編程時著重從三個方面著手：①根據(jù)工藝及設(shè)計要求合理安排畫面顯示元素的布局，使得整體畫面布局美觀大方；②建立腳本模板及項目函數(shù)，避免公用代碼重復(fù)編寫；③根據(jù)爐子工藝要求為PLC程序提供相關(guān)操作參數(shù)（主要有切斷閥的開、關(guān)時間、脈沖燃燒時間、換向時間等）；編程時充分考慮工藝要求對畫面布局進行美化，編寫4個項目函數(shù)，繪制3個操作界面，實現(xiàn)了代碼及畫面模板重用，滿足了整個爐子的操作控制需要，同時研究把PLC里的浮點型數(shù)據(jù)及S5TTIME類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能和WinCC交互的數(shù)據(jù)格式，避免在PLC里再進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

3.3數(shù)據(jù)歸檔及PID監(jiān)控

測量值數(shù)據(jù)歸檔功能對三個爐子共計65個測量點的數(shù)據(jù)歸檔，使用WinCC軟件里Tag Logging功能和WinCC Online Trend Control控件顯示歸檔數(shù)據(jù)、查看趨勢圖，提供配置菜單欄，用戶能選擇性的查看歸檔期內(nèi)的任意時間區(qū)間的歸檔曲線，對歸檔數(shù)據(jù)趨勢圖可以自由導(dǎo)出、打印，脈沖爐兩次烘爐溫度曲線如圖3所示。歸檔曲線為兩次脈沖爐升溫曲線（橫坐標(biāo)為時間軸，縱坐標(biāo)為溫度數(shù)據(jù)）。同時使用Excel宏功能，把導(dǎo)入的*.CSV文件一鍵導(dǎo)入Excel，以便于科研數(shù)據(jù)分析。

圖3中，曲線1表示爐頂溫度曲線，曲線2表示換熱器溫度曲線。通過曲線可見，兩次試驗中脈沖爐升溫、降溫趨勢基本相同，最高溫度達到設(shè)定的1 300℃。換熱器工作正常，溫度變化趨勢合理。

PID監(jiān)控畫面主要是對3臺爐子煤煙管道上調(diào)節(jié)爐膛壓力的比例切斷閥進行監(jiān)控。把PLC程序里功能塊FB41的PID關(guān)鍵參數(shù)一并引入WinCC畫面，提供實時變化曲線，便于人工干預(yù)及狀態(tài)觀察。

4　應(yīng)用效果

在生產(chǎn)試驗過程中，3臺試驗爐可以一起試驗或者有目標(biāo)的選擇一臺或兩臺爐子進行試驗。對3臺試驗爐分別進行試驗和聯(lián)合點爐試驗結(jié)果表明，控制切斷閥動作正常，公輔系統(tǒng)、管道檢測儀表，煙道檢測儀表燈都運行正常，PLC控制程序運行正常，HMI系統(tǒng)工作正常。通過導(dǎo)出的歸檔數(shù)據(jù)和歸檔曲線，為科研分析提供了可靠依據(jù)。

當(dāng)前試驗爐HMI系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可滿足各類試驗要求。程序設(shè)計時在HMI軟件中預(yù)留了許多重要的接口，可以供后續(xù)點檢維護使用。

結(jié)合生產(chǎn)實際，同時依據(jù)軟件開發(fā)經(jīng)驗，對HMI系統(tǒng)進一步優(yōu)化，進行二次開發(fā)，如需購買硬件設(shè)備，在HMI系統(tǒng)中增加聲音報警功能、在HMI畫面上增加控制信號，供PLC程序模擬使用等。

5　結(jié)論

（1）通過在SIMATIC WinCC中進行軟件編程，將試驗爐現(xiàn)場檢測儀表測量值引入操作畫面，（2）HMI系統(tǒng)實現(xiàn)了測量值歸檔功能。用戶通過歸檔畫面，能夠直觀地查看歷史歸檔數(shù)據(jù)及歸檔曲線，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。同時所有歸檔數(shù)據(jù)能夠便捷地導(dǎo)入導(dǎo)出，為用戶進一步進行科研數(shù)據(jù)分析提供了技術(shù)支撐。

提供了基本的操作控制功能，把現(xiàn)場運行狀態(tài)及時呈現(xiàn)給用戶，方便用戶監(jiān)控、操作及技術(shù)維護。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。HMI畫面功能設(shè)計合理，試驗數(shù)據(jù)保存完整，系統(tǒng)維護方便，運行穩(wěn)定，為鞍鋼進行節(jié)能環(huán)保熱態(tài)試驗提供便利條件。

［1］蘇昆哲．深入淺出西門子W inCC V6（第二版）［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］杜勇剛．基于PCS7的步進式加熱爐計算機控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］．武漢，武漢科技大學(xué)，2007.

［3］李志鋒，王軍生，劉金剛，等.鞍鋼1450mm冷軋生產(chǎn)線HMI系統(tǒng)組成與功能［J］.鞍鋼技術(shù).2009（6）：24-26.

（編輯袁曉青）

Development and Application of HMI System for Phase-change Thermal-storage Test Furnace

Li Zhifeng，Song Jun，Wu Meng，Wang Kuiyue，Jin Yaohui，Liu Baoquan
（Iron＆amp;Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

The new installed system for the multifunctional phase-change thermal storage test furnace was briefly introduced，including the structure of functions，software realization process，technical characteristics and application effect relating to the HMI system.The practical application effect shows that the design of the HMI（human machine interface）system is reasonable with stable operation and good results.And so the system can provide valuable experimental data for scientific research activities.

phase-change thermal-storage；HMI；windows control center；test furnace；tag logging

生產(chǎn)實踐

TG174

A

1006-4613（2015）06-0031-04

2015-05-07

李志鋒，高級工程師，2005年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。E-mail：xiao_yuan08@163.com