西門子基于WinCC的港口移動(dòng)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電氣工程專業(yè)

西門子 基于WinCC的港口移動(dòng)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介 項(xiàng)目所在地位于某國際集裝箱碼頭有限公司。其港口大型機(jī)械主要包括岸橋（岸邊橋式集裝箱起重機(jī)）和場(chǎng)橋（堆場(chǎng)橋式集裝箱起重機(jī)），兩種大型機(jī)械的控制系統(tǒng)主要由GE9030/9070、YASKAWA CP317/CP316、FUJI70/120和ABB AC800M等四個(gè)系列的PLC組成，總計(jì)192臺(tái)。由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的類型和數(shù)量很多，因此為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集的接口，港口大型移動(dòng)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)以工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過OPC的通訊方式采集各個(gè)類型PLC的數(shù)據(jù)。然后WinCC以O(shè)PC客戶端的方式讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并通過無線模式將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)手持終端上，從而實(shí)現(xiàn)堆港口大型移動(dòng)機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控。 二、系統(tǒng)介紹 2.1 系統(tǒng)需求 基于國際集裝箱碼頭現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的有效工作范圍內(nèi)，本系統(tǒng)需要滿足和實(shí)現(xiàn)如下功能： （1）系統(tǒng)中所有的岸橋和場(chǎng)橋必須組網(wǎng)進(jìn)入港口大型移動(dòng)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn) 稱MCMS（Mobile Crane Monitoring System）； （2）所有岸橋和場(chǎng)橋的數(shù)據(jù)必須通過統(tǒng)一的通訊協(xié)議采集到同一監(jiān)控平臺(tái)上。 （3）服務(wù)器通過WinCC的B/S模式，利用無線以太網(wǎng)絡(luò)將項(xiàng)目發(fā)布到現(xiàn)場(chǎng)的移 動(dòng)手持終端（MPC）上。 （4）工程人員能通過手持MPC（Mobile Personal Computer）利用YICT的無線局 域絡(luò)，從服務(wù)器上讀取各岸橋和場(chǎng)橋的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行必要的控制； 2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成 除以上所描述的系統(tǒng)需求外，現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制和采集系統(tǒng)的硬件組成由下圖加以說明： 圖 1 控制系統(tǒng)構(gòu)成（1）系統(tǒng)中所有PLC均通過有線或無線的方式接入到現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)中； （2）1#、2#和3# 為OPC服務(wù)器，在采集PLC數(shù)據(jù)的同時(shí)提供OPC服務(wù)； （3）4# 、5# 分別為WinCC報(bào)警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器從OPC服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)還作為WinCC Server發(fā)送數(shù)據(jù)； （4）6# 為WinCC Client & WEB Server服務(wù)器，負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)以WEB的方式發(fā)送出去； （5）最后，現(xiàn)場(chǎng)的手持移動(dòng)終端作為WEB Client接收并顯示來自WEB服務(wù)器上的數(shù)據(jù)； 三、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) MCMS系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由以下步驟組成：即首先現(xiàn)場(chǎng)不同型號(hào)的PLC數(shù)據(jù)會(huì)被采集到指定的OPC服務(wù)器中，其次WinCC 報(bào)警采集服務(wù)器和WinCC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器作為OPC客戶端讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，再次WinCC C/S客戶端在讀取WinCC OPC客戶端數(shù)據(jù)的同時(shí)將其以WEB的形式發(fā)送出去，最后手持移動(dòng)終端作為WEB客戶端讀取并顯示從WEB服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。 3.1 數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn) 3.1.1 OPC方式采集現(xiàn)場(chǎng)PLC數(shù)據(jù) 由于本系統(tǒng)涉及的PLC型號(hào)眾多，因此采用目前比較成熟的OPC通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。在OPC服務(wù)器中安裝Citect、KEP Server和ABB OPC Server三種軟件分別采集GE9030、YASKAWA、FUJI和ABB四種型號(hào)PLC中的數(shù)據(jù)。同時(shí)，WinCC作為OPC Client從OPC服務(wù)器中統(tǒng)一讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 3.1.2 WinCC結(jié)構(gòu)變量和畫中畫的方式處理數(shù)據(jù) 本系統(tǒng)監(jiān)控的港口機(jī)械主要由岸橋和場(chǎng)橋兩種組成。同類機(jī)械的監(jiān)控信息和畫面布局基本一致，因此在組態(tài)時(shí)可以運(yùn)用畫面模版和結(jié)構(gòu)變量的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)同類機(jī)械的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。即在顯示同類機(jī)械中不同編號(hào)的港口設(shè)備時(shí)，只需編輯一套畫面和一段腳本程序，通過更改結(jié)構(gòu)變量的前綴來完成對(duì)變量的采集和監(jiān)控。以下是以17號(hào)岸橋?yàn)槔粹o腳本程序： 3.2 WinCC C/S模式實(shí)現(xiàn) 由于系統(tǒng)涉及的設(shè)備眾多，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)十分龐大，因此為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，我們采用將WinCC的畫面組態(tài)與數(shù)據(jù)采集相分離，且在數(shù)據(jù)采集中將報(bào)警數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息相分離，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 3.2.1 服務(wù)器端的設(shè)置 首先服務(wù)器端需安裝WinCC Server的授權(quán)，同時(shí)在項(xiàng)目中注冊(cè)訪問服務(wù)器的客戶端名稱，其次將計(jì)算機(jī)設(shè)置為WinCC多用戶模式并配置遠(yuǎn)程管理權(quán)限1000和1001，最后點(diǎn)擊Server Data生成服務(wù)器數(shù)據(jù)包，生成數(shù)據(jù)包完成后設(shè)置數(shù)據(jù)更新的方式，即完成服務(wù)器的組態(tài)。其過程如圖2所示： 圖2 C/S模式服務(wù)器設(shè)置3.2.2 客戶機(jī)端的設(shè)置 將服務(wù)器的工程復(fù)制到客戶機(jī)上，刪除工程中所有的外部變量和報(bào)警，同時(shí)將工程設(shè)置成客戶機(jī)工程，然后利用網(wǎng)上鄰居的方式將服務(wù)器的的數(shù)據(jù)包導(dǎo)入到客戶機(jī)工程中，這樣完成客戶機(jī)工程的組態(tài)。其過程如圖3所示： 圖 3 C/S模式客戶機(jī)設(shè)置3.3 WinCC B/S模式實(shí)現(xiàn) 3.3.1 WinCC B/S網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置 由于本系統(tǒng)建立在已有的國際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，該網(wǎng)絡(luò)主要有以下三個(gè)部分組成：公司的辦公網(wǎng)絡(luò)，港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)主要涉及到的網(wǎng)絡(luò)為港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)絡(luò)。而這兩部分的網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)： （1）港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)之間有硬件防火墻的隔離連接，同時(shí)國際集裝箱碼頭為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全在防火墻中禁用了網(wǎng)絡(luò)鄰居的協(xié)議； （2）無線局域網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于集裝箱信息管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)在無線端部分借用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； （3）港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)不再同一網(wǎng)段內(nèi)，分屬于兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)； （4）無線局域網(wǎng)采用2.4GHz頻段，傳輸?shù)乃俾试?1Mbps、5.5Mbps、2Mbps和1Mbps中切換，一般在工作在2Mbps和1Mbps； （5）無線局域網(wǎng)中運(yùn)行的設(shè)備已經(jīng)達(dá)到800多臺(tái)設(shè)備。 由于防火墻禁用網(wǎng)絡(luò)鄰居協(xié)議因此MPC（Mobile Personal Computer）無法在無線局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)與港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)內(nèi)WinCC服務(wù)器之間的遠(yuǎn)程C/S模式， 而WinCC B/S模式只需要開通通用的IE瀏覽器端口號(hào)（80）即可，而防火墻已經(jīng)開通了該網(wǎng)絡(luò)端口。因此，本系統(tǒng)采用WinCC的B/S傳輸模式實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和管理。 由于港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)絡(luò)不在同一網(wǎng)段內(nèi)，因此需要將港口機(jī)械設(shè)備網(wǎng)絡(luò)內(nèi)WinCC Web服務(wù)器的IP地址映射到無線局域網(wǎng)的網(wǎng)段上，實(shí)現(xiàn)通訊連接。同時(shí)將MPC中的無線網(wǎng)卡按照無線局域網(wǎng)的相關(guān)配置設(shè)置連接網(wǎng)絡(luò)名及登錄用戶密碼，完成MPC進(jìn)網(wǎng)配置。 同時(shí)由于應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備已經(jīng)達(dá)到800多臺(tái)，因此可用的網(wǎng)絡(luò)資源十分有限。為了保證本系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，就需要獲取相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而網(wǎng)絡(luò)帶寬的大小取決于無線信號(hào)的強(qiáng)度，強(qiáng)度越強(qiáng)，獲取的帶寬越大。因此本項(xiàng)目中將MPC的無線網(wǎng)卡設(shè)置外接天線，同時(shí)在裝有MPC的小車外部安裝車載天線，從而有效的解決了無線信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。 3.3.2 服務(wù)器端的設(shè)置 要將WinCC項(xiàng)目以Web的形式發(fā)布到無線網(wǎng)絡(luò)上，服務(wù)器端還需安裝西門子的Web Navigator軟件和授權(quán)，同時(shí)開啟操作系統(tǒng)的IIS服務(wù)。在安裝軟件的過程中按照提示步驟需要設(shè)置Web服務(wù)器的IP地址和輸出端口號(hào)，創(chuàng)建Web發(fā)布的站點(diǎn)，設(shè)置IIS服務(wù)生成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁瀏覽（ASP），最后配置客戶端的用戶訪問權(quán)限即完成服務(wù)器端的組態(tài)。如圖4所示。 圖 4 B/S模式服務(wù)器端設(shè)置圖3.3.3 客戶機(jī)端的設(shè)置 在客戶機(jī)（MPC）上直接運(yùn)行IE瀏覽器，輸入在服務(wù)器上配置的用戶名和密碼后，系統(tǒng)會(huì)提示用戶下載和安裝用于WinCC Web發(fā)布的客戶端控件，然后設(shè)置IE的安全權(quán)限，即完成客戶機(jī)端的組態(tài)。如圖5所示。再次輸入Web服務(wù)器的IP地址即實(shí)現(xiàn)WinCC的B/S瀏覽模式。 B/S模式客戶端設(shè)置 四、結(jié)束語 在本套數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中，集中體現(xiàn)了WinCC的三大特點(diǎn)：其一，由于監(jiān)控的數(shù)據(jù)量很大，而且具有一定的規(guī)律性，在變量處理上充分利用WinCC結(jié)構(gòu)變量的功能；其二，由于監(jiān)控畫面具有一定的相似性，因此在畫面組態(tài)上充分利用了畫面模版和畫中畫的功能；其三，在監(jiān)控結(jié)構(gòu)層次的實(shí)現(xiàn)中不僅使用了WinCC的C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)，在集成第三方控制產(chǎn)品所使用的OPC技術(shù)方面也顯示了較高的性能，且運(yùn)行可靠，維護(hù)性高，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析兩大功能很好的展示出來，在目前高度集成化的工業(yè)現(xiàn)成扮演了及其重要的角色。