基于WinCC的煤层气输送系统监控画面的设计

太连理工大学现代科技学院

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目： 基于WinCC的煤层气输送系统监控画面的设计 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 在国际能源局势趋紧，我国煤矿安全生产形势严峻的大背景下，应推进煤层气（俗称瓦斯）的产业化开发，使煤层气成为补充煤炭、石油和天然气等常规能源的新能源资源。利用煤层气资源进行发电对促进以煤为主的能源系统逐步向环境无害的可持续发展模式的转变，从根本上防止瓦斯事故以及改善煤矿生产条件，均具有战略意义。此外，煤层气发电还可以减少环境污染，降低瓦斯空排的温室效应，保护生态环境。 煤层气发电系统主要包括煤层气输送系统、发电机组系统、电力输配系统、余热利用系统等四个部分。其中煤层气输送系统是通过管道将煤层气从矿井煤层气抽放站输送到煤层气发电设备。在输送煤层气的过程中，为了防止煤层气发电站或煤层气抽放站发生爆炸意外时相互影响，在输送主管道上安装了阻火装置。 本次毕业设计的主要任务是采用西门子的WinCC组态软件设计煤层气输送系统的监控画面。要求监控画面功能齐全、界面友好、使用方便。煤层气输送系统监控画面的主要功能有： （1）在线显示煤层气输送过程的工艺画面和重要设备的运行工况以及主要工艺参量的数值变化及系统运行状态；

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（2）可以记录重要事件及报警信号的发生时间和发生顺序，并且可以按序号、时间或种类对事件及报警信息进行查询； （3）可以存储各工艺参数的变化过程，显示其变化趋势，为系统的分析诊断提供有力的技术支持； （4）对模拟量信号进行处理，并判断其测量值是否异常； 毕业设计（论文）主要内容： （1）深入生产现场，学习研究某煤层气发电站的技术资料，掌握煤层气发电的生产工艺及控制流程； （2）大量查阅最新的相关文献资料，综述总结目前国内外有关煤层气发电生产过程监控方面的最新方法和策略； （3）着重研究煤层气发电生产过程中的煤层气输送子系统的主要组成设备及主要参数；

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（4）学习掌握西门子公司的WinCC组态软件； （5）针对目前煤层气输送子系统监控中存在的问题，借鉴国内外有关的最新资料，采用西门子公司的WinCC组态软件设计煤层气输送子系统的监控画面； （6）按照太原理工大学本科生毕业论文的格式要求编写毕业设计说明书（即毕业论文）。 学生应交出的设计文件（论文）： 1、毕业设计说明书； 要求内容准确，叙述清晰流畅，图文详尽。主要内容包括： 1）论述煤层气发电的生产工艺及控制流程； 2）综述总结目前国内外有关煤层气发电生产过程监控方面的最新方法和策略； 3）着重研究煤层气发电生产过程中的煤层气输送子系统的自动控制； 4）总结目前煤层气输送子系统监控中存在的问题，采用西门子公司的WinCC组态软件设计煤层气输送子系统的监控画面。要有详细的设计方案论证和设计过程说明； 5）与设计课题相关的英文资料原文（1 万个印刷符号）和译文。 2、毕业设计的电子文档。

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主要参考文献（资料）： [1] 煤层气发电站工程用户手册. [2] 黄盛初. 我国煤层气利用技术现状及前景[J]. 中国煤炭, 1998 (5)：25-28. [3] 严绪朝,郝鸿毅. 国外煤层气的开发利用状况及其技术水平[J]. 石油科技论坛,2007 (6):24-30. [4] 罗仕鉴、朱上上、孙守迁. 人机界面设计[M]. 机械工业出版社，2002.8. [5] 马国华. 监控组态软件及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，2001.8. [6] SIMENS SIMATIC WinCC使用手册. 专业班级 学生 要求设计（论文）工作起止日期 指导教师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期

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基于WinCC的煤层气输送系统监控画面的设计

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。组态软件就是计算机技术向工业领域渗透的产物。它具有接口开放、功能齐全、组态灵活、运行稳定、简单易学等特点，为用户提供了快速构建工业监控系统的手段，使其有效降低了开发成本和有效缩短了开发周期。

在计算机上配以组态软件实现数据采集和过程控制是工业控制领域的一个明显趋势，因为这种模式可更直观、更方便地对生产过程进行实时监控，充分发挥计算机的复杂数据运算处理和图形显示能力，同时避免工业控制过程中大量烦琐的编程工作，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，从而构筑符合用户要求的监控系统。

本文首先介绍了本课题的背景以及论文要完成的工作；分析了煤层气发电的国内外现状及煤层气发电系统的生产过程工艺设备，基于监控系统设计原则以及该项目的控制要求，提出了煤层气输送系统的监控系统的总体设计方案。介绍了基于组态软件WinCC开发设计上位监控系统的过程，完成了基于WinCC对上位监控系统功能设计，包括监控界面制作，组态报警设计以及用户管理的权限定义等。

关键字：煤层气；组态软件；监控系统；WinCC；

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CBM TRANSFER SYSTEM MONITOR SCREEN DESIGN

BASE ON WinCC

Abstract

With the development of computer technology and continual promotion of factory automation, more and more attention is paid to administration of factory information and data collection and monitor during industrial producing by means of computer technology.he configuration software,the very production of process of technology penetrating into industry, which has many advantages such as open interfaces,entire functions,lexible methods of configuration,stabilization and easy to learn etc. provide users with methods that make them develop the industrial monitor system rapidly to decrease the production obviously and shorten the period effectively.

It’s an obvious tendency in industrial control fields to set configuration software on computers,because this mode can real-time monitor industrial production process more intuitionally and conveniently, and fully exert computers’ability on complicated data disposal,report forms statistic and graphics display.What's more,configuration software can avoid troubled programming work in industrial control process,which enables users to make configuration at will to fast build up industrial monitor systems,according to users’control objects and aims.

This paper is based on conveying system, coalbed methane by automation technology, industrial communication network technology and functional configuration software technology, introduces the WinCC development based on configuration software design process of upper monitor system.

This paper firstly introduces the background of the subject and to complete the work, introduced the present situation and the production process of CBM system equipments, studies the configuration software and monitoring system, then based on the relationship between design principle and the monitoring system of the control requirements, puts

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forward the coalbed methane conveying system monitoring and control system of the overall design scheme. Then design the computer monitor system,including manufacture of the monitoring and controlling interface,design of configuration alarm, etc.

Key words: CBM, Configuration software, Monitoring system, WinCC

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目录

第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1 研究的背景及意义 ....................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................... 2 1.2.1 煤层气开发利用的现状 ......................................................................................... 2 1.2.2 煤层气发电的研究现状 ......................................................................................... 4 1.3 监控组态软件 ................................................................................................................ 5 1.4 论文研究的主要内容 ................................................................................................... 7 第二章 煤层气发电生产过程工艺设备及参数要求.................................................................... 9

2.1 煤层气发电生产过程工艺及设备................................................................................. 9

2.1.1 输送系统 .............................................................................................................10 2.1.2 发电系统 ............................................................................................................. 11 2.2 控制系统的参数及要求...............................................................................................13

2.2.1 转速控制 .............................................................................................................14 2.2.2 空燃比 .................................................................................................................14 2.2.3 管道压力 .............................................................................................................15 2.2.4 热工参数报警界限 ...............................................................................................15

第三章 WinCC监控系统总体设计.............................................................................................18

3.1 组态软件WinCC .........................................................................................................18 3.2 WinCC监控软件的设计原则 .......................................................................................21 3.3 WinCC监控程序的设计步骤 .......................................................................................22

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4

创建项目及画面 ...................................................................................................22 添加并组态驱动器 ...............................................................................................24 添加变量标签 ......................................................................................................25 设计监控界面 ......................................................................................................27

3.3.5 报警界面的设计 ...................................................................................................28 3.3.6 数据归档及趋势界面的设计 .................................................................................30 3.3.7 用户权限的管理 ...................................................................................................31

第四章 煤层气输送系统的人机界面设计 ...................................................................................32

4.1 煤层气输送系统的总体设计 .......................................................................................32 4.2 传输系统的主画面 ......................................................................................................33 4.3 传输系统的变量 ..........................................................................................................34 4.4 传输系统的过程画面 ..................................................................................................35 4.5 报警界面的设计 ..........................................................................................................36 4.6 趋势图界面设计 ............................................................................................................40

4.6.1 创建趋势图 .........................................................................................................40 4.6.2 设置趋势图 .........................................................................................................41 4.7 用户管理 .....................................................................................................................43 第五章 结论与展望...................................................................................................................47

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5.1 主要研究开发的工作总结 ...........................................................................................47 5.2 进一步的研究与展望 ..................................................................................................47 参考文献 ....................................................................................................................................48 致谢 ...........................................................................................................................................49 外文原文 ....................................................................................................................................50 中文翻译 ....................................................................................................................................57

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第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

煤层气是在煤矿层及其邻近岩层中与煤伴生的以分子吸附状态赋存于煤基质表面上的一种可燃气体，其主要成分(常占90%以上)是甲烷(CH4)，俗称“瓦斯”。在热值上，煤层气与常规天然气相当，发热量在8000大卡/m3以上，每1000m3煤层气相当于1t石油或1.25t标准煤。

煤层气有煤矿“第一杀手”之称，煤矿煤层气事故是煤矿安全生产的最大威胁之一。我国国有煤矿高煤层气和煤层气突出矿井占总矿井数的46%，煤层气事故频繁[1]。在中国煤矿重大恶性事故中，煤层气爆炸引起的事故约占70-80%[2]，造成的伤亡占到特大事故伤亡人数的九成[3]。据中国监察部网统计，2004年全国共发生煤矿死亡事故3639起，造成6027人死亡。2003年全国矿难的死亡人数达到6177人，两年共有1.2204万名矿工死亡，其中绝大部分死于煤层气爆炸事故[4]。

煤层气不仅是矿工的生命杀手，还是人类生存环境的破坏者。煤层气中95%以上是甲烷。甲烷是造成环境温室效应的3种主要气体(甲烷、二氧化碳和氟利昂)之一，如果以原子为基准，甲烷的加热效应是CO2的25-30倍，以重量为基准则达70倍。甲烷排入大气层，不仅因其温室效应引起气候异常，而且消耗大气平流层中的臭氧，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍，严重削弱了臭氧层对太阳紫外线侵袭的防护作用，危害人类健康[3,4]。

煤层气发电是一项多效益型综合利用项目，它能高效地将煤层气转化为电能。各种不同类型的煤层气发电设备可以利用不同浓度的矿区煤层气，这对降低发电成本、就地利用矿区煤层气资源极为有利。煤层气发电既可以直接燃用煤层气来推动往复式发动机、燃气轮机，也可以先用煤层气作为蒸汽锅炉的燃料，再利用蒸汽发电。

开发利用煤层气可以从根本上防止煤矿煤层气事故的发生，改善煤矿安全生产，提高经济效益[5]。煤层气作为优质能源具有绿色意义:基本不含硫,对各种设备腐蚀小；燃烧产生污染物少；燃烧后废气是一种气态肥料,可增强植物的光合作用；减少甲烷排放，有效缓解温室效应。开发利用煤层气,减轻大量燃烧煤造成的空气污染[3]。开发利用煤层气，可以改善我国的能源结构，增加洁净气体能源,拉动相关产业的发展[5]。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤层气开发利用的现状

目前,美国、加拿大、德国和法国等国家的煤层气产业发展迅速,各国的煤层气资源条件、政策等有所差别,其发展状况也有所不同。

美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位,是世界上率先取得煤层气商业化开发最成功的国家。20世纪初美国就开始在井下开采煤层气,从70年代末至80年代初,美国通过采煤前预抽和采空区井抽放回收煤层气，并开始进行地面开采煤层气试验， 1997年其产量达320亿立方米，基本形成产业化规模。2004年美国煤层气年产量达500亿立方米，成为重要的能源。美国的煤层气主要采用地面井的办法开采，浓度较高，因此主要输入天然气管道，与天然气联合使用。在矿井煤层气的使用方面，美国的西北燃料公司在俄亥俄州的Nelms矿的1号井建立煤层气发电设备，利用中等质量的煤层气发电，装机容量为9×675kW，每天可消耗煤层气6370m3。

加拿大煤层气开发比较晚，但多年来其政府一直支持煤层气的发展，一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点，开展了一系列技术研究工作，例如在多分支水平羽状井、连续油管压裂等技术方面取得了进展，降低了煤层气开采成本，煤层气的发展进入了一个新阶段。2004年，加拿大煤层气生产井已达2900多口，年产量达到15.5亿立方米。

德国近些年来，在一系列政策法规的推动下，煤层气开发及相关设备的研制均取得了很大进展。20世纪末，德国对煤层气的利用还大多局限于在煤矿现场使用，如在锅炉中将煤层气和煤混合燃烧，用来取暖和发电。2000年4月生效的《可再生能源法》对德国的煤层气开发是个里程碑。2000年10月，德国政府出台了“国家气候保护计划”，制定了到2005年二氧化碳排放比1990年减少25%的目标。在国家政策法规的推动下，地方也积极行动起来。2001年9月，北莱茵-威斯特法伦州政府决定，实施“北莱茵-威斯特法伦州气候保护行动”，计划通过制造和运营总共大约70兆千万瓦发电能力的供电-供热耦合机组BHKW设备，加大对当地矿区煤层气的利用。

以法国为代表，对于煤矿企业而言，抽取煤层气发电在技术上并非难事，关键在资金，或者说融资方式。早在二三十年前，欧洲国家煤炭企业就已开始抽取煤层气。抽取煤层气发电在技术上没有任何难度，只需气体抽取系统和天然气发电设备就可以。这种做法过去没能在世界各地普及的一大原因是它需要较大的投入。随着抽取煤层气的环保意义不断提升，人们想出了普及这种做法的融资方式。正是在这种运作方式下，煤矿企业获得了资金，可以继续推广抽取煤层气的做法，不但发了电，还解决了安全问题和减少温室气体排放问题，因此它对煤矿企业是很有益的。

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俄罗斯最大的煤田—库兹巴斯煤田每年排出的煤层气中有1亿到2亿立方米是通过抽气管道排出矿井的，这部分煤层气便于回收。库兹巴斯煤田范围内的别洛沃煤矿是俄罗斯煤层气含量最高的煤矿，煤层气排放量高达每分钟50-70m3。目前该煤矿每分钟可以压缩5-6m3从矿井中抽出的煤层气，并利用其发电。

澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气，主要在昆士兰的鲍恩盆地。但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。

我国煤层气资源非常的丰富，根据中国煤田地质总局(1998)的煤层气资源评价结果，全国煤层甲烷含量大于4m3∕t、埋藏深度2000m以浅的煤层气资源总量为

143369.44x108m3，其中含气量大于8m3∕t的富甲烷煤层的煤层气资源量占86.8％，埋深1500m以浅的煤层气资源量占64.56％，含气量较高且埋深浅，对煤层气的开发利用相当有利。

在矿井煤层气抽放方面，出于安全因素考虑，我国从50年代开始即抽放煤层气，至90年代以后有了较大发展。1992年矿井煤层气抽放量为5.34亿m3，至2002年及增长至11.46亿m3。随着煤层气应用技术的发展，开展煤层气抽放的矿井将会越来越多，煤层气抽放量也会进一步增加。煤层气可以分为以下几种：未开采煤矿地区的煤层气被称为VCBM，其甲烷浓度高达90％以上，可以通过由地面向煤层钻孔，直接从原生煤层中采得，输入天然气管道使用。由于煤矿的开采而释放出的煤层气称为CMM，即矿井煤层气，由于采用井下抽放，受到抽取的影响，甲烷浓度一般在20％-40％。在煤矿开采过程中，为了保证安全生产而使用通风系统排出的煤层气，其甲烷浓度小于1％，被成为VAM，即矿井乏风。对于已经关闭的煤矿，仍能释放出甲烷气体，被称为AMM，其甲烷浓度在20％左右。目前，世界各国主要利用矿井抽取的煤层气和地面开采的煤层气来发电。

我国煤层气勘探开发尚处于起步阶段，截止2004年底我国煤层气可采储量470亿立方米，全国已正式登记煤层气区块56个，面积6577万平方公里，共施工地面煤层气井287口，试验井组6个;全国共有133个矿井采用井下抽放技术抽取煤层气，年抽放量达15亿立方米，已建成煤层气利用工程60多个。我国煤层气开发利用主要集中在山西、辽宁、内蒙古、安徽、云南、河南和贵州等省(区)。在地面钻井回收煤层气方面，我国自20世纪70年代开始在抚顺和焦作等矿区进行地面煤层气预抽试验，并从90年代初开始引进国外煤层气开发技术，目前已进入全面勘探开发阶段，煤层气的井下抽放始于50年代，目前山西阳泉、安徽淮南、辽宁抚顺等高煤层气矿区抽放煤层气量均超过1亿立方米/年。我国煤层气利用始于20世纪70年代末。1982年，国家将矿井煤层气利用工程正式纳入国家节能基本建设投资计划。到目前为止，已建成煤层气利用工程60多个。2000年，煤层气利用量5亿立方米左右。晋城无烟煤集团公司是最早利用煤层气发电的企业之一，其投入运营的煤层气电站总装机容量已达5840kW，目前该公司正计划建一座120MW的煤

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层气电厂。目前，我国煤层气产量主要来自井下抽放系统，地面井回收的煤层气尚未形成规模。井下抽放系统回收的煤层气主要用作民用燃料和工业锅炉燃料，少量用于发电和生产化工产品。我国有3个矿区已建立了煤层气发电项目，另有3个矿区用煤层气生产炭黑产品，而用煤层气作民用燃料的矿区已超过20个[6]。

1.2.2 煤层气发电的研究现状

煤层气发电是其利用的直接途径，可利用发电，制冷、制热三联供技术，最大限度地提高资源利用率。由于煤层气主要成分为甲烷，燃烧后产生水蒸汽和温室气体二氧化碳，其二氧化碳排放量大为减少被核实后，将由专门的国际基金收购。在这种运作方式使煤矿企业不但发了电，还解决了安全问题和减少温气体排放问题。

（1）国内煤层气发电研究现状

目前煤层气发电最主要应用的是内燃机、燃气轮机和发电站的混燃锅炉2005年底淮南集团10座煤层气发电站装机总规模将达到24 232 kW。与德国鲁尔集团合作利用煤层气发电机组排出的高温尾气制冷，解决井下工作面降温并改善工作环境。项目计划在2006年投入使用，先期2台×1360 kW的发电机组12月份发电运行。

目前我国煤层气抽放的主要目的是保证煤矿的安全生产，主要使用井下抽放技术，开采技术落后，得到的煤层气浓度约为30％-60％，浓度不高且随着开采环境的变化而发生波动。用于发电效率较低．我国虽然井下煤层气抽放量较大，但抽放率较低，在108个进行煤层气抽放的重点煤矿中，平均抽放率仅为24％，且抽放出来的煤层气大部分都排入大气，造成了很大的浪费．若能采用地面钻井技术从未开采煤层中开采煤层气，可得到高浓度的煤层气，即避免了资源的浪费和环境的污染，高浓度的煤层气也便于利用。我国对此技术的利用正处于试验阶段，据统计全国共有试验井组12个，主要分布在华北地区。其中产量最高的井组为山西沁水盆地的高阶煤试验井组，日产量可达6000m3以上，但其他大部分井组都由于产量过小而关停。

（2）国外煤层气发电研究现状

现在，在美国只有少量的CMM发电项目，主要原因是美国相对较低的电力成本。美国的煤层气主要采用地面井的办法开采，浓度较高，因此主要输入天然气管道，与天然气联合使用。在矿井煤层气的使用方面，美国的西北燃料公司在俄亥俄州的Nelms矿的1号井建立煤层气发电设备，利用中等质量的煤层气发电，装机容量为9×675kW，每天可消耗煤层气6370m3。

澳大利亚拥有目前世界规模最大的煤层气发电项目，装机容量为94MW，采用Caterpillar公司生产的G3516型IMW内燃机组发电，94台发电机组中有54台位于Appin矿，另外40台位于Tower矿。发电所用的煤层气甲烷浓度为50％-80％，二氧化碳浓度为0.5％。燃烧所需的空气由浓度为0.5％-1.0％的矿井乏风提供，每天可回收矿井乏风

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37000m3。在煤层气供应不足时采用天然气作为补充燃料。热效率可达30％-35％。

位于波兰上西里西死盆地的Wesola煤矿，利用中等质量的煤层气发电。煤层气中甲烷含量为60％，空气含量40％。燃烧所需的空气是由矿井乏风提供，其中甲烷含量在 0.2％，每秒可提供甲烷0.025m3．每天提供甲烷2160m3，相当于给燃气轮机供应了2％的燃料。采用ABB的GT-5型燃气轮机，输出功率达2.7MW，额定工况下效率为27.4％，若配套余热锅炉回收捧气中的能量，总功率可达3.96MW．Zofiowka煤矿采用煤与煤层气联合燃烧的方法发电，装机容量达64MW+320MW。装置所需能量的10％由煤层气提供，在1994年前半年，消耗浓度为46.5％的煤层气2080万m3。

俄罗斯的煤层气主要用于供应燃煤锅炉作为燃料，在库兹巴斯地区有2000多套煤锅炉，其中的15％已经改为燃煤和煤层气的混合燃烧锅炉，每年可减少67.5万t的甲烷、378万t的二氧化碳、2.88万t的二氧化硫、0.14万t的NOx，和12.3万t飞灰的排放．

英国是较早开发矿井煤层气发电技术并较大规模应用的国家．规模最大的是Harworth煤矿发电厂，装机容量为15MW，采用联合循环发电系统，包括两台拉斯TB5000燃气轮机和一台由余热锅炉蒸汽驱动的7MW蒸汽轮机。近年来，英国的一些公司如Alkane energy，Octagon Energy以及StateGas，都积极地寻求从报废矿井开发煤层气的方法。Octagon Energy在南约可郡安装了一台5MW的发电机，用的是从废矿以浅的工作面排放的甲烷。Alkane energy公司正在开发一系列的绿色能源区，主要是从废弃矿井工作面抽取煤层气，该公司有5个能源区开始运行，其中，Shirebrook区供应一座9MW井口发电站，Steetley区供应一座6MW的发电站；Wheldale区供应一座10MW的发电站。

现在德国大力兴建利用报废煤矿排出的气体发电的电厂。法国煤矿公司回收煤层气，将其用于发电。由该项目产生的温室气体减排量被核实后，由专门的国际基金收购。

1.3 监控组态软件

随着工业控制系统由集中型控制系统发展到计算机技术的引入，到目前分散型工业控制系统的大规模应用与发展，市场上对工业控制系统的应用规模日益扩大，要求也日渐多样化。现代工业监控系统不仅要能实时采集现场数据，直接对生产设备进行现场控制，而且还要在远离现场的中央控制室逼真地反映工业现场的真实运行状态，对系统的各种状态进行检测和进行相应的控制操作。

人们对工业自动化的要求越来越高，使得工业控制软件在工业控制领域中变得日益重要。然而种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得软件编程量大、开发周期长、开发成本高的传统工业控制软件己经无法满足用户的各种需求。在这种背景之下，工业监控组态软件作为一种崭新的工业控制软件孕育而生，并以其灵活的组态工具、开放式的结构、良好的人机交互界面、高度的可靠性广泛地应用于现代工业监控系统之中。

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在一个自动化监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备(如PLC、智能仪表、DCS等洪同构成快速响应／控制中心。控制方案和算法一般在设备上组态并执行，也可以在PC上组态，然后下装到设备中执行，根据设备的具体要求而定，如图1.1所示。

MIS工作站 Laptop 办公网络 Laptop Laptop Laptop 监控组态软件

监控组态软件 操作站 Computer 中控室 二次仪表 PLC或DCS 过程信工业现场 号输出 过程信号输入 过程信号输入 过程信号输出 图1.1 监控组态软件在监控系统中的位置

监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成下面6项任务。 (1)查看生产现场的实时数据及流程画面； (2)自动打印各种实时／历史生产报表；

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(3)自由浏览各实时／历史趁势画面；

(4)及时得到并处理各种过程报警和系统报警；

(5)在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态； (6)与管理部门计算机联网，为MIS提供生产实时数据。

监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分，其发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。

整个自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但因其渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。因此，监控组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。在这种思路的驱使下，西门子的WinCC在市场上取得巨大成功。

从软件规模上看，大多数监控组态软件的代码规模超过100万行，已经不属于小型软件的范畴了。从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。

监控组态软件作为通用软件平台，具有很大的使用灵活性。但实际上很多用户需要“傻瓜”式的应用软件，即需要很少的定制工作量即可完成工程应用。为了既照顾“通用”又兼顾“专用”，监控组态软件拓展了大量的组件，用于完成特定的功能，如批次管理、事故追忆、温控曲线、油井示功图组件、协议转发组件、ODBC Router、ADO曲线、专家报表、万能报表组件、事件管理、GPRS透明传输组件等。另外，横向而言，监控管理范围及应用领域扩大；纵向而言，功能向上、向下延伸。

1.4 论文研究的主要内容

利用煤层气进行发电是一种新的能源生产模式，具有极好的环保效益、社会效益和经济效益。通过煤层气发电的生产工艺及控制流程，总结目前国内外有关煤层气开发利用及发电站生产过程监控方面的最新方法和策略，着重研究煤层气发电站生产过程监控系统中的煤层气输送部分，采用WinCC软件实现在线显示生产现场的实时数据及流程画面，自由浏览生产过程中主要模拟量值的变化趋势，及时获得并处理各种报警信息等系统监控功能。

设计的主要任务是采用西门子的WinCC组态软件设计煤层气输送系统的监控画面，主要内容有：

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（1）学习研究某煤层气发电站的技术资料，掌握煤层气发电的生产工艺及控制流程；

（2）大量查阅最新的相关文献资料，综述总结目前国内外有关煤层气发电生产过程监控方面的最新方法和策略；

（3）在线显示煤层气输送过程的工艺画面和重要设备的运行工况及主要工艺参量的数值变化及系统运行状态；

（4）对模拟量信号进行处理，并判断其测量值是否异常；

（5）可以记录重要事件及报警信号的发生时间和顺序，并可以按序号事件或种类对时间及报警信息进行查询；

（6）可以存储各工艺参数的变化过程，显示其变化趋势，为系统的分析诊断提供有利的技术支持；

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第二章 煤层气发电生产过程工艺设备及参数要求

2.1 煤层气发电生产过程工艺及设备

在国家新的能源政策引导下，煤层气发电技术获得越来越广泛的应用。由于煤矿井下煤层气抽采系统抽采的煤层气浓度随着抽采地点和方式的不同而变化，这就要求煤层气电站的主机设备有较强的适应性，运行灵活，能够适合煤层气供应系统的特点。

煤层气发电采用的主机设备主要有以下三种形式可供选择: (1)蒸汽轮机发电机组; (2)燃气轮机发电机组; (3)燃气内燃机发电机组。

在燃气轮机技术的基础上可发展热电联产，若是已有燃煤发电站，也可将其进行改造后利用煤和煤层气作为燃料发电。目前的内燃机按点火方式主要分为两类：一类是以电火花为点火方式的，它的结构特点有一套点火系统，缸盖上装有火花塞。另一类是以柴油为点火方式的，它是在柴油发动机的基础上增加一套供气系统后构成的，这种发动机通常称为“燃气/柴油双燃料发动机”，它的结构特点是有两套燃料供给系统和油气转换装置。此设计中的主机设备采用的是燃气内燃机发电机组，下面对内燃机构造、特点、工作原理及内燃机发电的特点进行简要介绍。

内燃机的主体部分为圆柱的气缸体，在气缸体内有上下移动的圆柱形活塞，为了防止燃烧气体泄漏，在活塞上装有密封气体的活塞环。气缸体的上部为气缸盖，在气缸盖上进气通道和排气通道以及进气门和排气门，进、排气门之间装有喷油器。活塞中部装有活塞销，通过它与连杆上部相接，连杆下部连接曲轴，通过曲轴末端的飞轮输出功率。

内燃机有以下特点：

（1）装机容量l0kW-4000kW；

（2）模块化设计，体积小巧，若煤层气消耗完时可轻易的重新安装在其他地方； （3）对气体浓度变化适应性强；

（4）燃料消耗量:每天消耗甲烷约1000 m3； （5）气体入口压力低，不需要压缩机。

内燃机的工作原理是利用燃料在气缸内燃烧产生的热能，通过气体受热膨胀推动活塞移动，再经过连杆传递到曲轴使其旋转做功。内燃机在实际工作时，由热能到机械能的转变是无数次的连续转变。而每次能量转变，都必须经历进气、压缩、做功和排气四个过程。每进行一次进气、压缩、做功和排气叫做一个工作循环。

燃气内燃机发电具有系统简单，运行灵活，发电效率高的特点，可加余热锅炉带蒸

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汽轮机联合循环发电，虽使系统复杂，但可大大提高发电效率尤其是这种机组要求进气压力低，仅为5-35kPa适用煤层气浓度范围广，浓度6%以上均可利用，这使得燃气内燃机发电机组在煤层气发电方面获得了越来越广泛的应用。不同主机设备装机形式的特点。比较来说作为热电联产的一种原动机，燃气内燃机是一种经过实践检验的、非常成熟的设备，成套模块化的机组使系统效率优化、设计安装简单、运行管理自动化程度高。与其他两种发电形式相比，燃气内燃发电机组具有启动时间短、燃气供气压力低、对燃气浓度适应范围宽的优点，尤其是能够更为灵活的适应煤层气浓度波动的情况[8]。

2.1.1 输送系统

输送系统的主要设备有U型压力计、法兰碟阀、压力表、电磁阀、增压站、流量计及发电机，输入量和输出量为煤层气，系统的主要功能是通过排空及鼓风机增压来调解压力，并对压力进行监控。其工艺流程图如2.1所示。

煤层气 测压 排空 过 滤 测浓度 测流量 调压 测压 测温度 煤层气进入发电机 图2.1 输送系统的工艺流程图

该流程图说明了在输送部分对煤层气压力的调节，煤层气进入管道后先进行测压，通过电动阀对排空排空量进行调节，进而对压力进行控制，用过滤装置对煤层气进行过滤，过滤后进行压差测试，并经过对鼓风机带的变频器频率进行设置，调节鼓风机的转速，进而对压力进行调节，使压力保持在7-9KPa这个范围，然后用流量计对流量进行测试，并用温度传感器和浓度传感器分别对温度和浓度进行测试之后，煤层气就可以进入发电机组。

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2.1.2 发电系统

（1）煤层气进入发电机后，该阶段用190电控式天然气发动机，它为增压、中冷型式。其过程为新鲜空气经空气滤清器净化后，在混合器里与燃气混合，然后通过增压器压气机（进入发动机汽缸前的燃气先经增压器压缩以提高燃气的密度，使更多的燃气充填到汽缸里，从而增大发动机功率）作用，使其压力升高（大概130KPa），送至中冷器（空气温度的升高，从而影响发动机的充气效率），使混合气温度降底（中冷器进水温度），密度增大，从中冷器流出的混合气再分别经过两个控制功率的蝶阀，再经由进气管分别送至气缸内，两侧进气管的尽头安装防爆门，它能够快速释放进气管回火放炮能量，从而起到保护系统免遭破坏。

充气效率是指每一个进气行程所吸入的空气质量与标准状态下（1个大气压、20℃、密度为1.187kg/m2）占有气缸活塞行程容积的干燥空气质量的比值。大气压力高、温度低、密度高时，发动机的充气效率也将随之提高。

（2）天然气管道供给系统部分所用的设备有球阀、燃滤器、调压阀、电磁阀、燃气控制阀、混合器 、节流阀及各零部件，所用的传感器由温度传感器、压力计、速度传感器、流量计、氧传感器，该部分的工艺流程图如2.2所示。

经分离、过滤、调压阀 稳压的煤层气 减压 电磁阀 燃气控制阀控制及气体流量 混合气 中冷器冷却 鼓风机增压 混合气 空气 空气 图2.2发电机管道部分工艺流程图

该工艺流程图说明了经过处理的煤层气在发电机管道部分的过程，即经过分离、过滤、稳压后的煤层气经过调压阀的减压后，通过电磁阀进入燃气控制阀；燃气控制阀精确地控制气体流量后，进入左、右混合器，与空气按需要的比例（9%）形成可燃混合气，再进入增压器；增压后的燃气经增压器左、右出气管，中冷器进气腔进入中冷器，

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冷却后，经中冷器出气进入左、右进气管。

(3)冷却系统采用高、低温双循环—开式冷却循环方式，该系统的主要设备有法兰碟阀、压力表、电磁阀、水泵、冷却池、机油冷却器、中冷器、循环泵及冷却管等，这部分的输入输出量有自来水，软水及机油。“高温循环”冷却系统主要由高温冷却装置、高温水泵及机体进水管、气缸盖回水管等组成。“低温循环”冷却系统主要由低温冷却装置、低温水泵、中冷器及机油冷却器等组成。循环过程为由低温水泵将冷却装置内的冷却水压送中冷器内，经水管送至机油冷却器，然后流回低温冷却装置内。该部分的工艺流程图如图2.3所示。

储水 冷却软水 回水 冷却塔 冷却机油 沉淀池 软水制备 图2.3 发电组冷却的工艺图

该工艺图说明了发电机组冷却的过程，即储水之后利用自来水冷却软水，在进行回水，水进入冷却塔里冷却后，经过沉淀池软水设备对谁进行处理后，冷却机油被加热的内部冷却液（油）与外部热力系统（软水）介质换热，软水再用自来水来冷却，形成对发电机组的冷却。

(4)总的工艺流程图如图2.4：

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电磁阀控 煤层气抽放站 制排空量 过滤 测浓度 测流量 调压 测温度 煤层气气进 入发电机 电磁阀 控制燃 气流量 冷却 增压 将两气 体混合 空气 12组 气缸 图2.4 总的工艺流程图

从总的工艺流程图我们可以看出整个发电的流程，即从煤层气抽放站获取煤层气之后通过控制电动阀调节排空量的大小，控制煤层气压力在400Pa左右，过滤掉煤层气中的杂质后，通过增压房调节压力的大小，使其在7-9KPa范围内，用流量计、浓度传感器、温度传感器测量煤层气的流量、浓度、温度，并将数据送入PLC控制器。煤层气进入发电机组，通过电磁阀对转速等的控制，在紧急情况下使发动机停止运行，再经过燃气控制阀控制燃气的流量进而控制空燃比。之后将其与空气混合，经过增压器和中冷器来提高发动机的充气效率。再用执行器控制两个蝶阀来控制混合气的进气量。

2.2 控制系统的参数及要求

控制系统的主要参数包括：转速控制，空燃比调节及管道压力控制。

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2.2.1 转速控制

PLC通过测量发动机的实际速度，结合在PLC中已设定好的速度和空燃比的影响因素，产生一个信号给执行器，执行器借助连杆机构调节蝶阀的开度，控制混合气的进气量最终实现速度控制。

2.2.2 空燃比

每台发动机都有自己在各种工况下空燃比和发动机充气效率的对照表（煤层气的浓度与其密度，热值，空燃比之间的关系对照）。将这些数据存储在控制器里，PLC通过各种传感器测量发动机的速度，压力，温度，功率等参数，通过算法将原先存储的数据和现在采集到的参数综合起来，计算出需要的燃气流量，然后通过通讯口把燃气流量命令传送到燃气控制阀，使燃气流量在一定的水平之上。本课题中空燃比例为9%，进入汽缸的混合燃气要达到这个比例才能使混合燃气在汽缸里充分燃烧，提高内燃机的效率。

提高电控汽油机的空燃比控制精度，是改善发动机经济性、动力性和降低尾气排放的关键环节。通过对发动机稳态和过渡工况下出现空燃比控制偏差的机理进行分析，实现了一种较为精确的空燃比控制方法。该方法根据所建立的发动机物理模型，利用宽域空燃比传感技术，通过调整喷油脉宽来反馈控制发动机的空燃比。

在发动机处于稳态工况时，空燃比偏差可以分为系统偏差和随机偏差两种类型。系统偏差的产生主要与发动机的产品公差、所用的燃油品质及使用保养情况有关。由于发动机的喷油脉宽只是与标定试验时所用的发动机结构参数和燃油品质相对应，因此当由于产品公差或使用保养情况不同(如因为保养不当，发动机进气管内有杂物沉积而使进气管的实际容积减小)造成发动机的实际结构参数发生改变，或者所用燃油品质发生变化时，若发动机仍按照原标定脉宽进行喷油，必然会使空燃比出现偏差。

系统偏差的特点是其值相对于目标空燃比的偏离方向是不变的。空燃比随机偏差与发动机的工作情况密切相关，例如当发动机的传感器信号由于受到电磁干扰而失真时，根据该信号计算得到的喷油量必然会偏离目标值，造成空燃比偏差。

随机空燃比偏差的特点是它的出现和相对于目标值的偏离方向都是不确定的。在发动机实际使用时，上述两种空燃比偏差常常同时存在，因此任何一种行之有效的空燃比控制方法都必须能同时消除这两种偏差。目前，产品发动机在稳态工况时，大多采用氧传感器空燃比反馈控制方法。

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2.2.3 管道压力

压力管道的组成件一般都是标准件，因此压力管道组成件的设计主要是其标准件的选用，管道压力等级的确定也就是其标准件等级的确定。管道的压力等级包括两部分:以公称压力表示的标准管件的公称压力等级；以壁厚等级表示的的标准管件的壁厚等级。管道的压力等级：通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数叫做管道的压力等级。而习惯上为简化描述，常把管道中管件的公称压力等级叫做管道的压力等级。

压力等级的确定是压力管道设计的基础，也是设计的核心。它是压力管道布置、压力管道应力校核的设计前提条件，也是影响压力管道基建投资和管道可靠性的重要因素。

工程上，工艺操作参数不宜直接作为压力管道的设计条件，要考虑工艺操作的波动、相连设备的影响、环境的影响等因素，而在工艺操作参数的基础上给出一定的安全裕量作为设计条件。这里所说的设计条件主要是指设计压力和设计温度。管道的设计压力应不低于正常操作时，由内压(或外压)与温度构成的最苛刻条件下的压力。最苛刻条件是指导致管子及管道组成件最大壁厚或最高公称压力等级的条件。考虑介质的静液柱压力等因素的影响，设计压力一般应略高于由外压与温度构成的最苛刻条件下的最高工作压力[9]。

2.2.4 热工参数报警界限

在PLC中通过传感器对发动机的参数进行监测，与预存在PLC模块中的预警参数对比，当某些参数过限时，发出声光报警信号，或者切断燃气停机。PLC模块输出到执行器的命令信号是PWM型。

本设计设定的各种参数报警、停机界限如表2.1所示。报警的参数设定为：如果继续恶化到某一个数值，使机组停机。这种情况一般让机组控制屏上的模块去判断，监控只做事故记载，否则时间上就要耽搁（指通讯需要的时间），电的速度和能量很快很大，耽搁几毫秒损害程度都不一样。还有就是燃气压力可以设置一个报警值，一般主管道上的压力为7-9Kpa。

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表2.1 参数报警界限

热工参数报警界限 发动机出水温度 机油温度高 机油温度低 燃气温度高 燃气温度低 超速报警 超速停机 高于90℃报警 高于85℃报警 低于0℃报警 高于45℃报警 低于0℃报警 高于112%报警 高于115%报警 低于0.30MPa报警 滤后油压 低于0.20MPa停机 机油滤压差 高于0.20MPa报警 低于0.25 M Pa报警 增压器油压 低于0.20 M Pa停机 燃气浓度 低于25%报警 1#缸排温 2#缸排温 3#缸排温 4#缸排温 5#缸排温 6#缸排温 7#缸排温 8#缸排温 9#缸排温 10#缸排温 11#缸排温 12#缸排温 高于700℃报警 电气参数报警界限 欠电压 欠频率 短路设定 控制电池设定 低于82%（180v）报警 低于85%（42.5HZ）报警 高于400%停机 低于18v报警 过电压 过频率 过载设定 高于120%（264v）报警 高于115%（57.5 HZ）报警 高于150%报警

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发动机监控参数与测量参数如表2.2所示。

表2.2 发动机监控参数与测量参数

名称 型式 气缸数 活塞总排量 标定转速 活塞平均速度 空载最低稳定转速 燃气压力 排气温度（涡轮前） 出水温度 中冷器进水温度 机油温度（油底壳内） 主油道机油压力 稳定调速率

单位 L r/min m/s r/min kPa ℃ ℃ ℃ ℃ Kpa % G12V190ZLDT G12V190ZLDG12V190ZLDG12V190ZLDT1 T-2 T1-2 增压、中冷、闭环电控 四冲程、火花塞点火、水冷 12 71．5 1500 1000 10.5 7 700 7-9kpa 或通过适当的调压阀调至7-9kpa ≤650 ≤85 ≤45 ≤90 500-800 0-5可调

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第三章 WinCC监控系统总体设计

3.1 组态软件WinCC

西门子公司的工业组态控制软件SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，是世界上第一个集成的人机界面(HMl)软件系统，具有良好的开放性和灵活性，用来处理生产和过程自动化可集成到任何公司内的任何自动化解决方案中。

WinCC即 Windows Control Center，视窗控制中心，它是西门子公司与微软公司联合开发的产物，是在生产和过程自动化中和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。除了这些系统功能外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将WinCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，作为PLC的上位监控系统，对PLC中的大量现场数据直接进行采集处理、记录、故障报警，并以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在这种应用方式下，WinCC的外部变量可直接与STEP中的连接变量相连，它的作用是对整个生产过程进行集中监视检测，以命令方式对PLC进行控制。

从面市伊始，用户就对SIMATIC WinCC印象深刻。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。

凭借这种战略思想，WinCC，这一运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果想使设备和机器最优化运行，最大程度地来提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。

突出的优点[11]：

通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用 ；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。

WinCC的组态界面完全是为国际化部署而设计的：你只需点一下按键就可在德文、英文、法文、西班牙文和意大利文之间进行切换。亚洲版还支持中文、韩文和日文。自然，你可以在项目中设计多种运行时目标语言，即同时可使用几种欧洲和亚洲语言。这

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意味着，你可在几个目标市场使用相同的可视化解决方案。如果要翻译文本，只需一种标准的ASCII文本编辑器即可。

WinCC提供了所有最重要的通讯通道， 用于连接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换)和OPC(用于过程控制的OLE)，等非专用通道；你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。

监控组态软件不仅有监控和数据采集(SCADA)功能，而且有组态、开发和开放功能。监控组态软件是伴随着计算机技术、DCS和PLC等工业控制技术的突飞猛进而发展起来的。随着个人计算机(PC)的普及和开放系统的推广，基于PC的监控组态软件在工业控制领域不断发展壮大。监控组态软件广泛运用于工业、农业、楼宇和办公等领域的自动化系统。

随着计算机硬件和软件技术的发展，自动化产品呈现出小型化、网络化、PC化、开放式和低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的硬件、软件和网络结构系统。监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。

WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。

WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。它不仅能用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。

海纳百川，有容乃大。HMI/SCADA软件系统的发展史，就是近30年来气势恢弘的工业自动化系统、软件工业及IT技术发展史的缩影。无论是平台的变迁，还是技术的更迭，现代HMI/SCADA系统都折射出同时代工业自动化系统和软件工业的最先进技术。从工业自动化系统的发展来看，PLC技术、总线和通讯技术、诊断技术等，早已成为HMI/SCADA软件的核心技术；从软件工业和IT技术的发展来看，客户机/服务器系统、瘦客户机、Web技术、组件技术、数据库技术、软件冗余技术乃至方兴未艾的XML和.NET技术等，都已深深地渗透到HMI/SCADA软件开发、工程实施及运行

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的各个阶段。

西门子公司的HMI/SCADA软件系统WinCC，正是这样的系统。 它帮助我们站在了自动化技术与软件和IT技术融合的峰顶浪尖上，让我们同时享受到二者的无限风光。纵观WinCC系统的特点，我们可以看到两个明显的特征。

（1）深厚的自动化系统领导厂商背景

作为传统的自动化系统领导厂商，无论是现代自动化系统的核心--可编程控制器，还是工业自动系统的神经系统--总线技术，西门子公司都始终走在技术和创新的最前沿。

全集成自动化TIA （Totally Integrated Automation)，更是把这种优势推向了前所未有的高度和广度。正是基于这样博大精深的自动化系统，WinCC承袭了西门子公司的TIA产品家族技术先进和相互间无缝集成的特点。这也就意味着，WinCC不是孤立的软件系统，它时刻与以下系统集成在一起：

①与自动化系统的无缝集成。西门子公司的PLC产品，经历了从早期致力于提高运行速度，到增强系统通信和联网能力，再到融合了运动控制技术等诸多技术的T系列产品以及故障安全型的F系统的发展阶段。在这样的背景下，WinCC与相应的硬件系统紧密结合，通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通讯，极大地降低了用户软硬件组态的工程量，实现了整个产品范围内的高度集成。

②与自动化网络系统的集成。从现场总线PROFIBUS到工业以太网，再到PROFINET技术和基于组件的自动化技术CBA(Component-Based Automation)，以及无线通讯解决方案，由于WinCC内置了基于S5/S7协议的通讯系统，并提供了大量面向这些系统和技术的组件，从而为WinCC和这些系统的最优化通讯和良好的互操作性提供了保证。至于在WinCC平台上实现基于PROFIBUS的诊断功能，以及基于以太网的网络管理功能等，更是锦上添花之笔。

③与MES系统的集成。制造执行系统MES(Manufacturing Execution Systems)，作为连接企业生产系统和管理系统的桥梁，包含了生产订单管理、原材料管理、生产运营记录、设备管理、工厂信息管理、生产规范管理系统和实验室信息管理等系统，代表着现代化智能工厂发展的最新潮流。来自西门子公司的MES系统SIMATIC IT正是代表这一潮流的优秀系统。通过适当的适配系统，WinCC可以轻松地集成在该系统下。换言之，实施了基于WinCC的HMI/SCADA系统，就为实施MES系统打下了坚实的基础。

④与相应的软硬件系统一起，实现系统级的诊断功能。诊断功能包括产品和系统的层次，贯穿于工程实施阶段、调试阶段和运行阶段。配合适当的软硬件系统，WinCC可以方便地实现基于不同通讯协议从软件到硬件、从自动化站到操作站乃至整个SCADA网络的诊断。

⑤WinCC不仅是可以独立使用的HMI/SCADA系统，而且还是西门子公司众多软

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件系统的重要组件。比如，WinCC是西门子公司DCS系统PCS7的人机界面核心组件，也是电力系统监控软件和能源自动化系统SICAM的重要组成部分。这可能也是WinCC在不到10年的时间，发展成为HMI/SCADA软件领域全球领导品牌的原因之一。

（2）坚持开放性和先进性高于一切的理念。

开放性和标准化是软件系统的生命线。当WinCC作为与技术和行业无关的通用自动化系统信息软件平台时，这一点就显得更为突出了。WinCC正是从以下三个方面体现出了其开放的特性：

①整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性。借助C脚本，WinCC几乎可以通过Win32 API无限制地访问到Windows操作系统及该平台上各种应用的功能，这正是现代SCADA系统的魅力所在；而VB脚本则从易用性和开发的快速性上相得益彰。反过来，通过ODK，WinCC的整个组态和运行系统又完全呈现给任何用户自行开发的系统，为希望以WinCC作为平台软件进行工厂管理级软件和信息系统开发的用户提供了绝佳的平台。

②数据库系统全面开放。数据库是SCADA系统的灵魂。从最基本的单用户系统开始，WinCC就内置了高效的数据库系统。它既可与操作站部署在同一台PC上，又可以紧耦合(中央归档服务器)或松耦合(长期归档服务器)的方式独立于操作站配置。通过ADO，SQL等，WinCC的数据库系统完全开放，这就为构成灵活而高效的IT和商务系统做好了充分的准备。

③广泛采用最新的开放性软件技术和标准，面向多种操作系统平台。WinCC是第一个完全基于32位内核的HMI/SCADA软件，因而，各种开放和最新的软件技术就成为WinCC的代名词。西门子公司作为OPC规范的五个发起公司之一，在各类产品中广泛支持OPC，WinCC更是囊括了OPCDA，OPCHDA，OPCASLE和OPCXML等多种规范。与此同时，WinCC支持包括Windows C正在内的多种Windows平台，能满足用户从移动式设备(如PDA)到远程瘦客户机等各种应用需求。

3.2 WinCC监控软件的设计原则

(1)先进性原则：控制方案功能强、技术先进、合理。采用先进的体系结构，选用先进成熟的技术和设备及软硬件平台，营造高起点的系统开发与应用环境，使系统能随着科学技术的发展而不断平滑升级。

(2)安全性、可靠性原则：设备运行可靠、性能稳定。方案中所选择的每个元件设备其MTBF必须满足系统运行要求；设备应具有自检、自诊断功能；系统应能及早发现设备故障，避免发生事故，局部故障不造成错误输出，并能自动报警；现地单井站应具有必要的冗余配置；信息采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁。

(3)实用性原则：应充分考虑利用资源，能使用户最方便地实现各种功能。实现供

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水泵运行优化合理调度：充分考虑用户的使用频度和应用程度，设置系统控制流程、合理设计存储Rill务体系，使操作、维护简单方便。

(4)经济性原则：采用最合理的方案，最大程度的保护厂方原有的投资使设备运行经济节能、运行维护费用低；达到最优的性能／价格比。

(5)开放性原则：系统设计采用开放技术、开放结构、开放系统组件和开放用户接口，以方便网络的维护、扩展升级以及与外界信息的沟通，易于扩展，以降低二次投资。

(6)灵活性原则：采用积木式模块组合和结构化设计，使系统配置灵活，满足系统逐步到位的建网原则，使网络具有强大的可增长性和强壮性[10]。

3.3 WinCC监控程序的设计步骤

WinCC在其内部的图库里集成很多的图形对象，如水箱、电机、阀门等等，对于控制压力用的最多的是开关阀，压力表等。为了使组态画面贴近实际，能够更好的反应现场工况，图库里的元素并不能满足要求。我们可以利用WinCC的画图工具自己绘制适应实际的图形元素使其产生动画效果。下面以压力控制为例来介绍WinCC软件的监控画面的设计步骤[13]。

3.3.1 创建项目及画面

打开WinCC Explorer选择建立新项目的类型包括3种:单用户项目、多用户项目、客户机项目。在此选择单用户项目（如图3.1），实现监控功能。在新项目对话框内输入压力作为项目名，并为项目名选择一个项目路径。如有必要可以对项目路径重新命名；否则，将以项目名作为路径中最后一层文件夹的名字。本次关闭WinCC前所打开的项目，在下一次启动WinCC时将自动打开。如果本次关闭WinCC前项目是激活的，则下一次启动WinCC时也将自动激活所打开的项目。

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图3.1 创建项目

打开WinCC资源管理器，窗口的左边为浏览窗口，包括所有已安装的WinCC组件。有子文件夹的组件在其前面标有符号“+”，单击此符号可显示此组件下的子文件夹。窗口右边显示左边组件或文件夹所对应的元件。

建立了项目以后我们可以设置项目的一些属性，可以通过在项目上右击鼠标调出项目属性设置窗口，在项目管理器中选择待开发项目压力，浏览窗口包含WinCC项目管理器中编辑器和功能的列表，用户将用他们组态或设计项目中的所有部分，生成一个HMI应用系统，如图3.2所示。

图3.2 生成的HMI系统

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如图3.2所示，控制中心窗口分为两部分：浏览窗口和数据窗口。双击左边浏览器窗口内的每个项目名称，可在右边的数据窗口内打开该项目的详细列表，显示了该项目所含的对象的图标。

在导航窗口中单击“计算机”图标，在右边窗口中将显示与用户的计算机名一样的计算机服务器。右击计算机，在快捷菜单中选择“属性”菜单项，在随后打开的对话框中可设置WinCC运行时的属性，如设置WinCC运行系统的启动组件和使用的语言等。

3.3.2 添加并组态驱动器

为了使WinCC能够与外部设备进行通讯，我们必须组态用于该设备的通道，即在外部设备和WinCC之间生成的逻辑接口的驱动器，其具备3个功能：(1)提供组态物理上和逻辑上连接参数的方法；(2) 通过数据管理器在外部设备和WinCC变量之间建立一个在线运行接口：(3) 为用户提供一个简便接口用于外部设备或应用的存储器结构加入变量标签并设置地址[12]。

下面简要说明如何添加逻辑连接。

若要使用WinCC来访问自动化系统的当前过程值，则在WinCC与自动化系统间必须组态一个通讯连接。通讯将由称作通道的专门的通讯驱动程序来控制。WinCC有针对自动化系统SIMATIC S7的专用通道以及与制造商无关的通道，例如PROFIBUS-DP和OPC。

①添加一个通讯驱动程序，右击浏览窗口中的“变量管理”，在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”。

②在“添加新的驱动程序”对话框中，选择一个驱动程序，例如选择SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE.CHN，并单击“打开”按钮，所选择的驱动程序将显示在变量管理的子目录下。

③单击所显示的驱动程序签的“+”，将显示当前驱动程序所有可用的通道单元。通道单元可于建立与多个自动化系统的逻辑连接。逻辑连接表示与单个的、已定义的自动化系统的接口。

④右击MPI通道单元，在快捷菜单中选择“新驱动程序的连接”菜单项。在随后打开的“连接属性”对话框中输入WinLC作为逻辑连接名，单击“确定”按钮。

⑤在随后出现的“连接属性”对话框中输入“WinLC”，然后单击“确定”来确认。

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太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）

创建的驱动界面如图3.3所示。

图3.3 建立的组态驱动

3.3.3 添加变量标签

在组态驱动器完成后，可以生成变量标签组和变量标签，其中变量标签组类似与文件夹，用于存放一组变量标签。变量标签是对应于存放在PLC地址中数据的变量，这些变量在建立时需要选择其数据类型。变量有内部变量和外部变量之分：内部变量与PLC无关，不计算在软件的点数之内，可以看作无限量使用，相当于局部变量；外部变量直接与PLC内的啪点或变量相连接，计算在软件的点数之内，使用的数量受软件点数的限制，相当于全局变量。

（1）建立内部变量

①如果WinCC资源管理器“变量管理”节点还没有展开，可双击“变量管理”子目录。

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②右击“内部变量”图标，在快捷菜单中选择“新建变量”菜单项。

③在“变量属性”对话框中，将变量命名为燃气温度，在数据类型列表框中，选择数据类型“有符号16位数”，单击“确定”按钮，确认输入。所建立的所有变量显示在WinCC项目管理器的右边窗口中。如需要创建其他的内部变量，可重复上述操作，还可对变量进行复制，剪切，粘贴等操作，快速建立多个变量。

建立的内部变量标签如图3.4所示。

图3.4 内部变量标签

（2）建立外部变量标签

在建立外部变量时，我们必须为其配置连接地址，使之与PLC中相应的变量相对应，其数据的同步由WinCC自动实现，对于变量标签我们可以设置它们的初始值和上下限值。

在生成变量标签时需要注意：对于外部变量标签尽可能将地址都定义好，因为没有定义地址的变量标签，在运行时明显地使系统变慢；在WinCC运行时不要去修改或删除一个以及存在的变量标签；在线运行时，可以通过将鼠标放在变量标签上查看变量标签所对应的过程数据的当前值。如图3.5所示。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/31n3.html