钢管生产线监控系统设计与开发.doc

1、安徽工业大学毕业设计（论文）装订线I摘要随着计算机技术的发展以及工业自动化水平的不断提高，利用计算机技术对生产进行管理以及对生产过程实施数据采集和监控，越来越受到人们的关注。无缝钢管行业对于一个国家的经济发展具有重要意义。当今世界，无缝钢管生产线种类繁多，竞争激烈，只有提升和革新新技术，才能获得发展。本文主要介绍了相关课题背景和国内外无缝钢管行业的发展现状，以及涉及无缝钢管生产线监控系统设计的工业以太网技术、PROFIBUSDP现场总线技术以及WINCC组态软件技术等。本设计以西门子新一代过程控制系统WINCC为软件平台，重点论述基于SIMATICWINCC的无缝钢管生产过程计算机监控系统的开

2、发,简述WINCC的OPC通讯功能。在分析了技术要求和用户需求后，设计开发了无缝钢管生产过程计算机监控系统和逻辑控制程序。关键字无缝钢管；WINCC；工业以太网；PROFIBUSDP；PLC安徽工业大学毕业设计（论文）装订线IIABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERTECHNOLOGYANDINDUSTRIALAUTOMATION,MOREANDMOREATTENTIONHASBEENPAIDTOTHEMANAGEMENTOFPRODUCTIONANDTHEDATACOLLECTIONANDMONITORINTHEPRODUCTIONPROCESSBYCOMP

3、UTERTECHNOLOGYTHEINDUSTRYOFSEAMLESSSTEELTUBEISSIGNIFICANTTOTHEDEVELOPMENTOFTHENATIONALECONOMYNOWADAYS,THEREAREMANYTYPESOFSEAMLESSSTEELTUBEPRODUCTIONLINEINTHEWORLD,ANDMUCHFIERCECOMPETITIONBETWEENTHEMONLYBYUPGRADINGANDDEVELOPINGTECHNOLOGIESCANITBESURVIVEDANDDEVELOPEDTHISARTICLEMAINLYDESCRIBESTHECURREN

4、TDEVELOPMENTSTATUSOFSEAMLESSSTEELANDRELATEDBACKGROUNDINDUSTRIALETHERNETTECHNOLOGY,PROFIBUSDPTECHNOLOGYANDWINCCCONFIGURATIONSOFTWARETECHNOLOGYABOUTTHEDESIGNOFSEAMLESSSTEELTUBEPRODUCTIONLINEMONITORINGSYSTEMAREALSOINVOLVEDTHEDESIGNISBASEDONSIEMENSNEWGENERATIONOFPROCESSCONTROLSYSTEMSOFTWAREPLATFORM,ANDF

5、OCUSESONTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERMONITORINGSYSTEMOFSEAMLESSSTEELTUBEPRODUCTIONLINEANDTHEWINCCOPCCOMMUNICATIONAFTERANALYZINGTHETECHNICALREQUIREMENTSANDUSERSNEEDS,IDESIGNANDDEVELOPTHEMANUFACTURINGPROCESSCONTROLSYSTEMSANDCOMPUTERLOGICCONTROLPROCEDURESOFTHESEAMLESSSTEELTUBEPRODUCTIONKEYWORDSSEAMLESSSTEEL

6、WINCCINDUSTRIALETHERNETPROFIBUSDPPLC安徽工业大学毕业设计（论文）装订线III目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题背景及意义1111无缝钢管及生产工艺流程简介1112现场总线与工业以太网技术2113监控软件西门子WINCC简介3114西门子SIMATICS7300PLC简介512无缝钢管的国内外现状6121世界无缝钢管的现状6122我国无缝钢管的现状7123我国无缝钢管产量与生产能力713课题研究意义814本文主要设计内容82无缝钢管生产线监控系统的构思与实现921工业控制网络体系简介922无缝钢管生产线监控系统10221无缝钢管穿孔机简介11222

7、无缝钢管减径机简介1223无缝钢管生产过程监控系统网络结构133监控系统组态软件设计1431WINCC组态软件14311组态软件简述14312WINCC工业组态软件1532WINCC特点及安装16321WINCC特点16322WINCC安装使用1833硬件和变量配置1934图形界面编辑24341监控主画面设计24342穿孔机画面设计25343减径机画面设计26344报警编辑及画面设计27安徽工业大学毕业设计（论文）装订线IV345监控趋势图设计28346数据归档画面设计31347报警报表设计314创建全局脚本及添加用户权限3441动态对象设计3442全局脚本设计3543创建全局脚本动作3644

8、创建用户权限385简述WINCC的OPC通讯4251OPC通讯技术简介4252WINCC与OPC结合44结束语47参考文献48致谢49附录一钢管生产线监控系统变量一览表50安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第1页装订线1绪论11课题背景及意义111无缝钢管及生产工艺流程简介无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等用钢管制造环形零件，可

9、提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，如滚动轴承套圈、千斤顶套等，已广泛用钢管来制造。目前，钢铁行业的规模企业基本上实现了生产线的自动化控制，尤其在钢管行业，工艺路线长，生产现场设备繁多，布置分散，同时生产现场环境恶劣，灰尘多，振动大，温度高，且需要24小时连续运行，因此相对其他行业，对设备的控制提出了更高的要求。现场总线技术通过把通信总线延伸到现场设备，让分散的现场设备在同一总线上实现通信，具有系统开放性，结构分散性，抗干扰能力强的特点，使它在冶金行业得到广泛的应用。现场总线系统不仅减少硬件投资，节省安装费用，方便调试和检修维护，而且控制精度与可靠性高。PROFIBUSDP是由西

10、门子为主的德国十几家公司和科研机构共同研制开发的现场总线，广泛适用于制造业自动化和流程工业自动化等。无缝钢管轧制技术虽随时间日益进步，日益发达，但是基本流程却没有发生太大发展，主要包括钢坯的锯切，管坯的加热，穿孔，轧制，定径，矫直，检测，喷标打捆。生产设备多，控制程序复杂但过程顺序清晰，适合采用PLC进行顺序控制。无缝钢管的轧制工艺流程如图11所示图11无缝钢管的轧制工艺流程安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第2页装订线112现场总线与工业以太网技术现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线，是目前受关注度最高的

11、工业控制热点之一，被称为工业控制的局域网，并且在实践中获得了越来越广泛的应用，依靠其成熟可靠的技术迎接一个信息化工业时代。现场总线的出现导致了新型的网络集成全分布控制系统现场总线控制系统FCS的出现。FCS具有多种结构型式，归纳起来主要有以下二种方式第一由现场设备和操作员站所构成的结构型式；第二由现场设备、控制站和操作员站所构成的结构型式。1传统的模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与现场的执行器、开关、电机之间均采用一对一的物理连接。现场总线控制系统由于采用了智能控制设备，能够把原来DCS系统中处于控制室的控制模块、各

12、输入输出模块置入控制现场，加上现场设备具有的通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统的功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现彻底的分散控制。现场总线的网络与通信基础1现场总线的网络模型工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，通常都相当零散地分布在一个很大的范围之内。对于由它们组成的工业控制底层网络来说，单个结点面向控制的信息量不大，信息传输任务简单，但实时性要求较高。因此，现场总线的通信模型一般以ISO/OSI模型为基础，为现场的检测可控制进行适当的简化和发展。现场总线的网络模型如图12所示。一般都采用OSI模型的典型层物理层、数

13、据链路层和应用层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层ISO/OSI模型应用层数据链路层物理层数据链路层物理层FF/FMS模型DP模型（用户层）图12现场总线的网络模型2现场总线的网络拓扑、传送介质和介质访问控制安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第3页装订线网络拓扑指网络中结点的互连形式。现场总线的网络拓扑结构一般采用总线型、树型。传送介质采用双绞线、屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤以及少量的无线通信。介质访问控制方式采用CSMA/CD方式或令牌方式。作为工业控制系统中的底层网络，可靠性的要求要比数据带宽更

14、重要，所以令牌方式使用得更为广泛。PROFIBUS（PROCESSFIELDBUS）诞生于1987年，是以德国SIEMENS公司为首的十几家德国公司和研究所共同推出的现场总线标准，1989年被立项为德国国家标准DIN19245。其后的几年里FMS、DP、PA先后被批准实施。1996年3月被欧洲电工委员会批准为欧洲标准EN50170（第二卷）。近几年来，PROFIBUS在全世界得到了广泛的应用。与常规技术相比，使用现场总线技可以硬件（包括电缆）、工程设计、安装调试和维护费用节省40以上。PROFIBUS是含现场级（FIELDLEVEL）和单元级（CELLLEVEL）的控制网络。在这里单元级是指工

15、厂生产线等级别的监控网络。PROFIBUS以FMS、PA类型兼容单元级网络，以DP和PA类型适应现场层。而管理层是以工业以太网为基础。这种自上而下的网络结构使工业企业的全系统信息集成成为可能。信息可以从工业现场逐级上传、汇总，不仅能大大提高企业的自动化水平，而且可以大幅度提高企业的管理水平。PROFIBUS定义了串行现场总线的技术特征。串行现场总线可以从现场级到单元级使分散的数字可编程控制器形成网络。PROFIBUS系统中的设备类型可分为主站和从站。PROFIBUS是一个多主站系统，它允许若干个带各自分散外设的自动化系统、工程系统和可视化系统在一条总线上联合运行。现场总线的出现，对于实现面向设

16、备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高，速度低和支持应用有限等缺陷，再加上总线通信协议的多样性，使得不同总线产品不能互相互连，互用和互操作等，因而现场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制。随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太网能够克服了自己本身的缺陷，进入工业领域成为工业以太网，因而使得人们可以用以太网设备去代替昂贵的工业网络设备。通过采用适当的系统设计和流量控制技术，以太网完全能用于工业控制网络。事实也是如此20世纪90年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网，推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器以及基于以太

17、网的现场仪表、显示仪表等产品。目前以太网应为用于工业控制网络发展的首选。工业以太网和其它现场控制网络的结合，这其实是信息网络和控制网络的一种典型集成方式。工业自动化方面的理想目标就是削减通向自动化各个层次路径上复杂程度各异设备的连接，以跨越不同的总线技术，并借助种网络直接建立统一的通信。更多关于现场总线的内容，可参考英文文献2和3。113监控软件西门子WINCC简介西门子提供了用于完整自动化系统开发的全套工具，采用优秀的上位机软件安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第4页装订线WINCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统

18、作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。SIMATICWINCC应用广泛，适用于所有工业和技术领域的解决方案4。WINCC应用范围广泛，其系统设计拥有模块化的特点，不依赖于行业与其独特的工艺特点，可以方便自由的扩展。在工业控制系统中，用户往往不止一个，而是具有不同权限的多个用户群体，通过WINCC可以非常方便的创建新用户并对其进行管理，甚至通过合理布置，实现多服务器和多客户机的冗余方案。WINCC在多种工业领域的应用中实现了生产、管理、监控相集成，包括汽车工业、化工和制药行业、印刷行业能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加

19、工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化领域等4。WINCC集成用户管理器，可以分配和控制组态和运行时的访问权限。作为系统管理员，可以创建多达128个普通用户，并为之配置相应权限，系统的安全性及方便性都得到了极大的保障。西门子WINCC以符合大多数计算机用户使用习惯的方式实现了简单、高效的组态设计，用户可以方便的设计出友好美观的人机对话界面，更好的实现对现场工作状况的监控。同时，WINCC支持面向对象的程序设计，在脚本系统中，用户可以通过C脚本以及VB脚本拓展更强大的功能。这些人性化的设计以及强大的拓展功能不但为用户在设计WINCC监控系统的时候降低了难

20、度而且也保证了能够使WINCC发挥其更强的效能5。WINCC使用MISCROSOFTSQLSERVER实现系统以及用户数据的管理，通过数据压缩的形式每秒可实现10000个数据或100条信息的响应，保证了高效的实时性。同时，WINCC可以利用自身集成的功能及控件实现对数据的直观显示，如ACTIVEX控件，可将其它应用程序集成到过程画面内并完成数据的组态监控。WINCC硬件需求简单易实现，普通X86架构的计算机，配置CP5611等支持PROFIBUSDP的通讯板卡即可实现与工业现场控制器，如西门子PLCS7300的连接。另外，它还可以通过1613通讯板卡或者普通高性能以太网卡连接到工业以太网上。W

21、INCC作为西门子监控系统的上位机主要实现以下几个功能1工艺流程直观监控可以在WINCC的界面设计中完整的显示出整个工艺流程，不但从界面上摆脱了枯燥的数据及文字交流方式，而且为操作员及工程师提供了更为有效和直观的监控方式。2报警与提示系统运行时可以对监控的各设备的运行参数进行有效管理，当遇到故障的时候还可以及时向操作员发出警报信息，并提供故障信息及历史数据记录，为工程师排除故障提供帮助。通过对历史数据的分析还可以改进系统以排除故障发生率。3实时趋势显示用户可以通过将历史数据通过趋势曲线图的形式直观的显示安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第5页装订线给操作员和工程师，根据生产规律可以方便

22、的预测接下来的生产过程可能出现的情况，对生产控制的调整非常有利。4数据查询可对生产数据的历史值进行查询，历史数据之间的时间间隔为10分钟。数据查询画面以列表的形式显示多个数据一段时间内的所有历史值。5报表和打印系统根据生产和用户需求，将历史数据归档处理，方便用户的统计和管理，并提供打印链接支持，实现报警记录打印、报表、屏幕信息的输出打印，为工作提供便利。6系统安全设置可以将用户区分为系统管理员，操作员以及工程师，按照工作需要赋予他们相应的权限，保证系统的正常运行以及数据的安全。在登录系统的时候通过用户名和密码登录，经系统确认为之分配相应操作权限。7用户管理系统管理员特权，为了保证系统的安全运行

23、。只有系统管理员可以为系统添加、删除用户，并为之分配权限。8在线帮助在系统菜单栏提供在线帮助选项，方便用户对系统功能和操作要求的查询，或通过系统热键的方式快速打开。114西门子SIMATICS7300PLC简介S7300由多种模块部件所组成，各种模块能以不同的方式组合在一起，从而使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。各模块安装在DIN标准轨道上，并用螺丝固定。这种结构形式即可靠，又能满足电磁兼容需求。背板总线集成在各模块上，通过将总线连接起来插在模块的背后，使背板总线连成一体。在一个机架上做多可并排安装8个模块（不包括CPU模块和电源模块）,主要有SM321、SM322、SM331、SM

24、332等信号输入输出模块以及通讯处理器模块和扩展模块等。西门子S7300系列PLC使用STEP7软件进行编程,STEP7包含多个组件，SIMATIC管理器就像是项目的总指挥室，管理着所有的工具和项目数据。另外，程序编辑器以梯形图、语句表、功能框图生成用户程序，符号编程器用来管理全局变量。硬件组态则以软件的形式实现对现场硬件设备的一对一组合模拟，型号与参数与现实项目使用的硬件完全相同，更好的对项目进行软件描述。硬件诊断，用来对整个系统的状态进行检测和诊断。NETPRO，可以查看和组态系统的网络结构6。通讯处理器模块是一种智能模块，它用于PLC间或PLC与其他装置间联网实现数据共享。另外，还有功能

25、扩展模块，CPU3152DP等CPU模块能够通过IM360/IM361接口模块将S7300背板总线从一个机架连接到下一个机架从而扩展机架，最多可以扩展4个7。S7300的CPU模块有多种型号可供不同需求的用户选择，可以实现可编程控制器的基本功能，如指令的执行、数据的读取写入、MPI/CP模块通讯等，紧凑型CPU还在自身集成了输入输出接口，并且可以实现高速计数、PID调节以及频率测量等基本功能。为了满足客户的通讯需求，有些型号的CPU还集成了PROFIBUS通讯接口和点对点安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第6页装订线接口等。S7300系列PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1是用于循

26、环处理的组织块主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序组织块中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块FB，SFB，FC或SFC。S7300的CPU模块简称为CPU都有一个编程用的RS485接口，有的有ROFIBUSDP接口或串行通信接口，可以建立一个MPI多点接口网络或DP网络。在传统的电气控制系统中，多采用触点式元件，但是运行时间久了以后很容易因为老化，接触不良而导致系统运行不稳定，无效操作，并且对工程技术人员的检修和维护工作造成极大的不便。改用PLC控制系统后，有效的避免了这些问题，系统运行稳定性更高，使得检修及维护工作变得容易多了。工业现场环境复杂，电气设

27、备多且布置分散，存在较强的电磁干扰，强光强电环境较多，因此PLC设备不可避免的要受到它们的影响，因此PLC内部电路都采取隔离设施以保证PLC的正常工作，输入输出接口电路采用了光电隔离技术，各模块间也加入屏蔽措施，有效防止了外界环境对PLC正常工作的干扰。PLC具有良好的诊断功能，当电源或软、硬件发生故障时，CPU能够及时作出诊断并作有效的处理，保存工作数据及故障信息，同时在CPU内部建立看门狗程序，检测程序的运行，以便及时处理程序故障，发出报警信息，提高系统运行的可靠性，保证系统的运行。12无缝钢管的国内外现状121世界无缝钢管的现状据估计，目前世界钢管生产能力约为58008000万吨，其中焊

28、管约39004000万吨。总体来看，世界钢管市场供需基本平衡，产能略有富余。美国是最大的无缝钢管进口国，每年进口量较大，例如2002年进口733万吨，2004进口增加到1092万吨，年均增幅达245。目前美国对日本钢管采取反倾销的政策，已导致2005年日本钢管无法进入美国市场，就给我国无缝钢管进入美国市场带来了新的机遇。我国周边国家和地区，除日本，俄罗斯和印度外，其他国家的无缝钢管基本靠进口。根据了解，这些国家每年无缝钢管的消费量约为100万吨左右，其中直径140MM的大、中口径的约为6065万吨占65左右，目前日本约占据近40的市场份额，我国只占有约13的市场份额。世界无缝钢管市场消费规模，

29、在一段时间内可能继续在10003000万吨左右徘徊。目前，世界上主要的十大无缝钢管生产国中国、日本、美国、俄罗斯、乌克兰、德国、意大利、英国、法国、阿根廷。其中，中国、美国和俄罗斯的产品以国内消费为主；英国、法国进出口大体相当；其他国家大都是无缝钢管的输出国，出口量约占各安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第7页装订线自总生产量的3070。而这些国家已组成的三大集团公司，即TENARIS、VM和日本钢管联盟（共有730多万吨生产能力）正与俄罗斯最近组成（由本国和罗马尼亚钢管厂组成）的大型钢管集团（生产能力约300万吨）在国际市场激烈竞争，抢占市场份额8。122我国无缝钢管的现状中国无缝钢

30、管产业进入新世纪以来，经过十几年的飞速发展，业已成为全球最大的无缝钢管生产国和消费国。08年金融危机以来，我国无缝钢管产业发展一枝独秀，年产量占全球比重一直稳定在70左右。截至目前，中国已建成各类先进无缝钢管产线500余条，总产能达到4500万吨。近几年来，随着众多先进产线的不断建设改造，我国无缝钢管产业的产能集中度和生产制造水平得到进一步提升。不过与此同时，我国无缝钢管产量增速放缓，表观消费量甚至出现下滑，落后产能和低端产品仍然大量存在，无缝钢管制造企业的开工率和净利润增长与产能的增长形成极大反差，部分企业甚至亏损严重。目前国内外经济发展形势严峻，世界经济复苏进程曲折而缓慢，中国经济发展的基

31、调由过去的高速增长转变为“稳增长、调结构”，国内外需求的增速回落将极大制约无缝钢管产量的快速增长。可以预见，我国无缝钢管行业即将进入一个深度调整期，竞争将更加激烈，产能分布和品种结构会在不断的市场竞争中形成一个崭新的格局。123我国无缝钢管产量与生产能力20052011年，我国无缝钢管产量占世界产量比重的平均值达673。2005年，我国无缝钢管产量1143万吨，首次达到全球产量的一半以上。其后几年，国内无缝钢管产量继续保持稳健的上升趋势，即使在全球金融危机时期也不例外，并同世界无缝钢管产量的回落形成鲜明对比，产量比重一度达到839的峰值。图13全球中国无缝钢管产量（单位万吨）安徽工业大学毕业设

32、计（论文）说明书共52页第8页装订线表1120052012年我国及世界无缝钢管产量（单位万吨）年份20052006200720082009201020112012中国产量11434315399418179211522204725281264928197全球产量22769274782943927671262513466638195产量占比5022560461757644839972936935产量增速34834718116442147486420012008年，是我国无缝钢管产量的高速增长时期，08年后增速明显回落，仅在10年有较高增长。产量增速放缓的原因，一方面是由于经过10年飞速发展，我国无

33、缝钢管生产规模已经巨大，另一方面是受到近几年经济发展形势的制约，尤其是11年和12年国内市场需求相对不景气的影响9。13课题研究意义我国在无缝钢管生产目前仍处于高速发展状态。新厂、新设备、新技术不断投入生产，带动着我国无缝钢管产业技术的发展与进步。同时，他们带来的新技术新理念不断的推动着我国还比较落后的生产企业的进步。本课题就在这种情景下，对无缝钢管生产企业所采用的新设备新技术进行研究，并结合到实际，深信其具有远大的前景。14本文主要设计内容以西门子新一代过程控制系统为软件平台，在分析了技术要求和用户需求后，设计开发了无缝钢管生产过程计算机监控系统和逻辑控制程序。重点论述基于SIMATICWI

34、NCC的无缝钢管生产过程计算机监控系统的开发,简述WINCC的OPC通讯。开发的监控界面直观、操作方便、极大地提高了系统监控能力。系统经过现场调试。本课题主要对力控组态软件的了解，掌握监控软件的系统结构、原理、功能及技术指标，利用监控软件的标准功能模块进行定制实现，满足工程上的要求，并针对某工业生产过程的控制系统进行自动化设计。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第9页装订线2无缝钢管生产线监控系统的构思与实现21工业控制网络体系简介一般地，企业通信网络可分为三级企业级、车间级和现场级。企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业的资源，提

35、高企业的管理水平。在这一层通信网络中，IT技术应用十分广泛，如INTERNET/INTRANETIP技术等。车间级通信网络介于企业级和现场级之间。它的主要任务是解决车间内需要协调工作的不同工艺段之间的通信，要求通信网络能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。现场级通信网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，如I/0设备、传感器、变送器、变频与驱动等装置。这一层通信网络上主要传递控制信号，对网络的实时性和确定性有很高要求。作为全球领先的自动化系统提供商，德国西门子公司提供了非常完整的工业控制通信方案SIMATICNET，它同样遵循三级网络构架结构。如下图21图

36、21三级通信网络架构本设计涉及到西门子的PROFIBUS现场总线，用于生产环节设备之间及设备和控制系统之间通信。PROFIBUS标准是为了满足13个德国工业控制及测量厂商和5个拥有部分来自德国联邦政府资金支持的技术科研机构的需要发展的。PROFIBUS现在是德国的国家标准，是总部设在德国的PROFIBUS用户组织的DIN19245的第I、II协议，而这个安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第10页装订线组织对PROFIBUS所创造的价值的增长起到了非常重要的作用。超过150个组织成员为他们的产品推广PROFIBUS的人机界面，很大一部分公司现在把这些产品推向市场10。PROFIBUS基于

37、OSI模型，这是国际公认和阀门、驱动器和PLC设备制造商支持的一个开放的、非专有产物。1122无缝钢管生产线监控系统整条生产线根据工艺流程可划分为环形炉加热区、二辊穿孔机ASSEL轧管区、再加热炉区、减径区、冷床区、矫直区、精整区、漏磁探伤区、水压试管区。各区的关系如下图22。钢管温度800成排锯切涡流探伤人工检查测长、称重、标记打捆入库矫直冷却张减机高压水除鳞再加热高压水除鳞定径机冷却轧管穿孔加热管坯切断冷定心NY根据钢号选择图22无缝钢管厂140MM机组生产线流程安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第11页装订线由于生产线设备繁多，以下只讨论生产线过程中穿孔机和减径机生产监控部分。2

38、21无缝钢管穿孔机简介今天在无缝钢管生产过程中,穿孔工艺被广泛应用而且是非常经济的。1886年德国的曼内斯曼兄弟申请了用斜辊穿孔机生产管状断面产品的专利。专利中描述了金属变形时内部力的作用和使用两个或多个呈锥形的轧辊进行穿孔，因此被称作曼内斯曼穿孔过程。下图23为无缝钢管穿孔机的大致形状。图23无缝钢管生产线二锟穿孔机由RC斯蒂菲尔发明的导板使得穿孔后的毛管长度得到增加。后来S狄舍尔发明了导盘，使穿孔效率得到更大提高。在1981年出现了双支撑的锥形辊穿孔机（单支撑的锥形辊穿孔机由RC斯蒂菲尔发明于1899年发明），它比以前的穿孔机在金属的变形上有明显的改进。德国和美国在20世纪上半叶将穿孔进行

39、了很大改进，后半叶德国、俄罗斯和日本又将穿孔机向前推进了一步，近一段时间中国也取得了很大成绩。当今无缝钢管生产中穿孔工艺更加合理和穿孔过程实现了自动化。常见的穿孔机有锥形辊穿孔机和桶形辊穿孔机。二辊式穿孔机主要有带导辊的穿孔机、带导板的穿孔机和带导盘的穿孔机，带导辊的穿孔机一般不常用，只用于穿孔软而粘的有色金属，如铜管、钛管等。带导板的穿孔机具有孔型封闭好、接触变形区长、穿出的毛管壁厚可以更薄的特点而仍然得到重视；带导盘的穿孔机越来越得到发展，它的特点是安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第12页装订线（1）生产率高，这是由于主动导盘对轧件产生轴向拉力作用，导致毛管轴向速度增加。最快可以

40、达到34支分；（2）由于导盘的轴向力作用，使管坯咬入容易一些，减少了形成管端内折的可能性，也可以提高壁厚的精度；（3）导盘比导板有较高的耐磨性，从而减少了换工具的时间并提高了工具寿命。222无缝钢管减径机简介减径机是热轧无缝钢管生产中的关键设备之一，它使毛管在微张力状态下实现减径，以得到多种规格的成品钢管。现代减径机的机架结构一般采用三辊形式，分别用12台或14台直流电机进行拖动控制，它的两个主要作用是减径和改变壁厚，即通过相互紧靠及串列的机架序列使钢管的外径递减，同时利用该序列中轧制速度差在钢管上形成纵向拉应力即张力，通过控制张力的大小来使钢管壁厚按要求值变化。本设计采用14台直流电机进行拖

41、动控制。减径后的钢管外表面光洁、无划痕具有一定的真圆度，进一步提高了钢管外表面质量。图24无缝钢管生产线减径机现场图安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第13页装订线23无缝钢管生产过程监控系统网络结构无缝钢管厂的生产监控网络分为三层，即为生产管理层、控制层、设备层；生产管理层是由生产过程服务器来实现的，服务器利用强大的数据管理功能为天津市无缝钢管厂的决策层提供生产过程的工艺数据、各设备的运转状况、产品的产量以及产生的经济效益等。控制层为操作员站，通过监控系统友好的人机界面，操作员很方便的修改无缝钢管生产的工艺参数、监视设备的运行状态等。设备层即是现场的控制设备，仪表等。其网络结构如下图

42、25图25监控系统网络结构图安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第14页装订线3监控系统组态软件设计31WINCC组态软件311组态软件简述“组态”的概念是伴随着集散控制系统DCS的出现及计算机控制技术的日趁成熟才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的，并随着DCS商品化而发展起来的。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、PC化、低成本的发展趁势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。使得自动化系统的“水平”和“垂直”集成变得更加容易。监控组态软件己经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统中的重要组成部分。组态的含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或

43、软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据采集SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION,SCADA的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，人机界面HMIHUMANMACHINEINTERFACE或MMIMANMACHINEINTERFACE是其主要内涵，即主要解决人机图形界面的问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I0设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件会不断被赋予新的内容。上世纪80年代末WONDE

44、RWARE公司在世界上推出第一个商品化的组态软件INTOUEH，短短的十多年，监控组态软件在全球迅猛发展，目前世界组态软件达到几十种之多，知名的有FIX，HTOUCH,CIMPLICITY,LABVIEW,WINCC，KINGVIEW等。12现今仅WONDERWARE公司组态软件的全球装机量就有上百万套。组态软件之所以得到用户和DCS厂商的青睐，主要有2个原因1个人计算机操作系统日趁稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜；2个人计算机的软件及开发工具丰富，使得组态软件功能强大，开发周期相应缩短，软件升级和维护相对方便容易。组态软件与传统的工业控制软件相比，有其自身的特点1组态软件的最突出特点是实

45、时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理和实时通信等多个任务要在一台计算机上同时进行；2延续性和可扩充性。用组态软件开发的应用程序，当现场包括硬件设备或系统结构或用户需求发生改变时，不需要做很多修改就能方便完成软件的更新和升级；3封装性。组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术就能很好完成一个复杂工程所要求的所有功安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共52页第15页装订线能；4通用性。每个用户根据工程实际情况，利用组态软件提供的底层设备驱动、开放式的数据库和画面制作工具就能完成一个具有动

46、画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、运行报警和报表输出功能的工程；5接口开放。组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备，向下能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，并提供多种系统接口；6安全性和可靠性。在计算机和数据采集控制设备正常工作的情况下，组态软件系统能够连续不问断的安全可靠工作并兼具故障诊断和故障恢复功能。工业组态软件的设计秉承了工业控制系统设计的特点，但在以下几个方面又有更明确的要求1功能完备在自动控制的情况下，工业组态软件就取代了工业现场控制柜的控制面板，是工程师主要面对的监控平台。要使工程师或操作员无需亲临现场，就能够实时了解和掌握生产现场的工作情况，同时能够

47、进行远程集中控制，一个功能完备，信息完整，通信准确迅速的集成控制系统就显得尤为必要。而WINCC恰好能够满足这一切的要求。作为西门子的产品，它与SIMATIC系列的其他产品之间的通信方便快捷，在实时性和准确性上毫无问题。这样构成的上位机监控系统既能够满足工程师对无缝钢管生产线整体监控的需要，又能够为各级主管部门提供各生产工段的各种运行信息，为无缝钢管生产厂的科学运营提供可靠的科学依据。2直观方便在正常情况下，各生产工段的设备一般在自动状态下运行，负责控制的工程师并不是一直与控制柜的操作面板打交道，而是绝大部分时间注意着工控机上组态软件监控系统的运行画面直观逼真的现场模拟画面将给人现场实际操作的真实感觉，并且能够如实的反映现场设备的各种运行状态和各种运行参数，还能够用图形的方式显示出运行数据的变化趋势和直观的表格形式的报警信息。不仅如此，还可以把现场的控制情况抽象成原理图，并以动画的形式动态反映出各种设备在运行过程中状态变化的情况。这既能够在系统运行时提供清晰的控制思路，又能够在运行出现故障时醒目地显示出问题所在，从而提高人机交互时的工作效率，降低系统故障可能带来的损失。人机界面友好，操作方便正是工业