余 丹,楊 輝,陸榮秀

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌330013)

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)起重機(jī)械的應(yīng)用越來(lái)越多,起重機(jī)不斷朝著大型化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展[1]。目前,國(guó)內(nèi)起重機(jī)發(fā)生故障較多、監(jiān)管工作不足,為了保證起重機(jī)在安全限度內(nèi)工作和操作人員的安全駕駛,研究起重機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)意義重大[2]。

垃圾液壓橋式起重機(jī)(垃圾吊)是垃圾廠處理垃圾的起重設(shè)備,要求其故障時(shí)間少、操作安全。監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)狀況,加上監(jiān)控軟件具有對(duì)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、以及模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景再現(xiàn)等能力,它已得到廣泛應(yīng)用。本文采用監(jiān)控管理技術(shù),不僅可以減少操作人員工作強(qiáng)度,提高裝卸效率,而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況和具有故障報(bào)警功能,加強(qiáng)了起重機(jī)系統(tǒng)和操作人員的安全,并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢,為維護(hù)和修理帶來(lái)極大地方便。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)垃圾吊控制管理系統(tǒng)(CMS系統(tǒng))的要求,系統(tǒng)分為3部分:下位機(jī)PLC、上位機(jī)WinCC和數(shù)據(jù)通訊。下位機(jī)采用三套西門子S7-300 PLC,分別控制3臺(tái)起重機(jī)運(yùn)行,由編程軟件STEP 7實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì);上位機(jī)為1臺(tái)安裝了西門子組態(tài)軟件WinCC的研華工控機(jī),WinCC配合PLC,對(duì)3臺(tái)起重機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行不間斷監(jiān)控、故障診斷及數(shù)據(jù)收集;數(shù)據(jù)通訊采用以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)PLC與WinCC之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

PLC系統(tǒng)為監(jiān)控整車的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)整車運(yùn)行的時(shí)序邏輯控制及信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè),采用程序化操作和手動(dòng)操作相結(jié)合的方式。PLC采集到的信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)上傳給上位機(jī),之后WinCC對(duì)3臺(tái)起重機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行不間斷監(jiān)控,記錄并顯示所有電氣元件或部件的故障狀態(tài)與工作狀態(tài),記錄并顯示起重機(jī)的狀態(tài)參數(shù),記錄并顯示起重機(jī)的操作記錄與工作參數(shù),同時(shí)上位機(jī)本身故障時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。若元件出現(xiàn)故障,上位機(jī)則及時(shí)報(bào)警,上位機(jī)還可通過(guò)服務(wù)器后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、管理、分析達(dá)到提前預(yù)警。

2 下位機(jī)PLC硬件設(shè)計(jì)

德國(guó)西門子(SIEMENS)公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國(guó)應(yīng)用相當(dāng)廣泛,西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化,具有網(wǎng)絡(luò)通信能力,功能更強(qiáng),可靠性更高。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,采用西門子公司的S7-300系列CPU 314C-2 DP作為控制器,并配有CP 343以太網(wǎng)模塊,接入交換機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,其中采用TCP/IP通信協(xié)議。根據(jù)每臺(tái)起重機(jī)的控制變量總數(shù),采用一塊SM 321DI32×DC24 V和三塊SM 322 DO16×Rel.AC120/230 V數(shù)字模塊,PLC模塊與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通訊。根據(jù)垃圾吊的工作原理和控制方式,在西門子的編程軟件STEP 7中通過(guò)梯形圖完成PLC控制程序的編寫。

PLC與上位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,重要的為準(zhǔn)確設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù)。對(duì)每臺(tái)起重機(jī)的通訊模塊CP 343設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù),其中IP address(IP地址)和Subnet mask(子網(wǎng)掩碼)都是唯一的。同時(shí)上位機(jī)將按這里的參數(shù)訪問(wèn)PLC,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

3 上位機(jī)WinCC軟件設(shè)計(jì)

西門子公司的WinCC組態(tài)軟件適合于各個(gè)行業(yè)和各種技術(shù)系統(tǒng),用于在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可視化和過(guò)程控制任務(wù)[3]。WinCC組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù),數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等,只需通過(guò)可視化的組態(tài)方式,就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì),降低了監(jiān)控畫面開發(fā)的難度。WinCC 6.2使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、WinCC OLE-DB和ADO方便地訪問(wèn)歸檔數(shù)據(jù),強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)[4-6]。它具有快速的畫面更新、高效的數(shù)據(jù)通信,以及提供數(shù)據(jù)采集與歸檔、圖形顯示、報(bào)警功能和報(bào)表模塊。

根據(jù)系統(tǒng)需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)工作情況的監(jiān)控,包括其大車、小車、起升、抓斗、司機(jī)室等各機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)的狀態(tài),以及系統(tǒng)故障的報(bào)警信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表。根據(jù)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì),監(jiān)控畫面一般分為3個(gè)部分:總覽部分(狀態(tài)欄)、現(xiàn)場(chǎng)畫面部分(主導(dǎo)航欄)和按鈕部分(主監(jiān)控部分)。一般采取的布局方式有多種,本系統(tǒng)采用的布局方式是自上而下的方式分布畫面,畫面分布為總覽部分、現(xiàn)場(chǎng)部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符、畫面標(biāo)題、顯示日期和時(shí)間的數(shù)字時(shí)鐘、橋機(jī)號(hào)選擇以及實(shí)時(shí)報(bào)警控件;在現(xiàn)場(chǎng)部分顯示各個(gè)機(jī)構(gòu)畫面、報(bào)警畫面、數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖和生產(chǎn)報(bào)表畫面;在按鈕部分顯示監(jiān)控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個(gè)畫面設(shè)計(jì)如圖2所示,設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為4大模塊:狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、故障報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、報(bào)表生成模塊。

圖2 CMS系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊主要顯示總機(jī)概況,運(yùn)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)、司機(jī)室操作臺(tái)狀況,直接通過(guò)WinCC圖形編輯器完成。在圖形編輯器中,用輸入/輸出域?qū)崟r(shí)顯示模擬量,如各機(jī)構(gòu)運(yùn)行至某一位置值或垃圾重量;用圖形顏色變化來(lái)表示各機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀況、限位開關(guān)、報(bào)警變量等開關(guān)量的通與斷,變量為1時(shí)背景色設(shè)為綠色,變量為0時(shí)背景色設(shè)為灰色。各監(jiān)控畫面將形象地顯示各元件的狀態(tài),便于用戶掌握系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息。

3.2 故障報(bào)警模塊

故障報(bào)警模塊主要完成故障報(bào)警信息的記錄與顯示,故障查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等功能,大大縮短故障排除時(shí)間,并為設(shè)備維護(hù)提供參考信息。WinCC軟件提供的報(bào)警編輯器,負(fù)責(zé)消息的采集和歸檔,包括過(guò)程、預(yù)加工、表達(dá)式 、確認(rèn)及歸檔等消息的采集功能。在組態(tài)期間,可對(duì)過(guò)程中應(yīng)觸發(fā)的事件進(jìn)行定義。這個(gè)事件可以是設(shè)置自動(dòng)化系統(tǒng)中的某個(gè)特定位,也可以是過(guò)程值超出預(yù)定義的限制值。

在系統(tǒng)組態(tài)時(shí),首先需要把所有故障變量在報(bào)警編輯器中進(jìn)行組態(tài),之后在圖形編輯器中添加報(bào)警控件,當(dāng)有故障報(bào)警時(shí),在報(bào)警控件中會(huì)顯示報(bào)警信息。同時(shí)在Horn報(bào)警器中組態(tài)報(bào)警的變量,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警,及時(shí)通知用戶,從而達(dá)到聲光報(bào)警的效果。在報(bào)警控件中還可以通過(guò)對(duì)報(bào)警發(fā)生時(shí)間、錯(cuò)誤點(diǎn)、故障編號(hào)或其組合等進(jìn)行任意查詢與打印。報(bào)警畫面如圖3所示。

圖3 報(bào)警畫面

3.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

數(shù)據(jù)記錄模塊主要記錄設(shè)備信息和備件信息,完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)記錄,服務(wù)器后臺(tái)執(zhí)行設(shè)備維護(hù)提示及報(bào)警。此畫面只有取得相應(yīng)權(quán)限的用戶才能打開,在WinCC的用戶管理器中設(shè)置用戶及用戶的權(quán)限。本系統(tǒng)采用VBScript腳本與SQL Server 2005將設(shè)備信息存入到自定義數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)點(diǎn)擊生成報(bào)表按鈕,在Excel控件中顯示數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)將WinCC的數(shù)據(jù)添加到自定義數(shù)據(jù)庫(kù)中,首先要在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)cms及其下的數(shù)據(jù)庫(kù)表,之后通過(guò)配置ODBC數(shù)據(jù)源連接SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)。步驟為

(1)在控制面板中,選擇管理工具下的數(shù)據(jù)源ODBC,啟動(dòng)ODBC數(shù)據(jù)源管理器。

(2)單擊“系統(tǒng)DSN”選項(xiàng)卡,進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頁(yè)面,單擊“添加”按鈕,打開“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對(duì)話框,在驅(qū)動(dòng)程序列表中,選擇SQL Server,然后點(diǎn)擊完成。

(3)在打開的“創(chuàng)建數(shù)據(jù)源向?qū)А贝翱谥?輸入數(shù)據(jù)源名稱、說(shuō)明和SQL Server服務(wù)器名稱,之后按步驟進(jìn)行完成,測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)cms連接成功。

接著根據(jù)起重機(jī)設(shè)備信息,通過(guò)VB腳本編寫程序。用戶隨時(shí)可根據(jù)設(shè)備信息或備件信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù),并在需要的時(shí)候根據(jù)具體情況查詢報(bào)表。同時(shí),當(dāng)設(shè)備達(dá)到報(bào)警條件或是備件不足時(shí),將會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警窗口,提示用戶報(bào)警信息。

3.4 報(bào)表生成模塊

此模塊完成必要的生產(chǎn)信息和作業(yè)統(tǒng)計(jì)查詢,如每臺(tái)起重機(jī)每次抓斗的抓起重量,每個(gè)投料口的投入量,每臺(tái)起重機(jī)每班的作業(yè)量以及年/月/日的作業(yè)情況等,在需要的時(shí)候?qū)⒚颗_(tái)起重機(jī)的數(shù)據(jù)以表格的形式輸出至打印機(jī)進(jìn)行打印。作業(yè)的數(shù)據(jù)也是通過(guò)VBScript腳本與SQL Server 2005來(lái)實(shí)現(xiàn),將采集的數(shù)據(jù)存入自定義的數(shù)據(jù)庫(kù)中,在報(bào)表畫面中進(jìn)行查詢與打印數(shù)據(jù),報(bào)表畫面如圖4所示。

報(bào)表畫面中,通過(guò)報(bào)表選擇的下拉菜單來(lái)選取日/月/年報(bào)表,作業(yè)具體選擇的下拉菜單來(lái)選取以班次、機(jī)號(hào)、投料口或其組合顯示,并可選擇起止時(shí)間。點(diǎn)擊生成報(bào)表按鈕可以在Excel控件上顯示選取的數(shù)據(jù),點(diǎn)擊打印報(bào)表按鈕可以將數(shù)據(jù)打印出來(lái),點(diǎn)擊刪除報(bào)表按鈕可以直接將選取的數(shù)據(jù)刪除。實(shí)現(xiàn)打印功能,要先建立頁(yè)面布局和打印作業(yè)。啟動(dòng)WinCC的報(bào)表編輯器Report Desinger,先建立一個(gè)頁(yè)面布局,選擇ODBC數(shù)據(jù)源cms,設(shè)置SQL語(yǔ)句。模板建好之后,在Print Job項(xiàng)下建立一個(gè)新的打印作業(yè),如以打印每天的作業(yè)情況為例,命名為zuoye,并在新建Job的屬性對(duì)話框Layout處與剛建好的報(bào)表建立連接。打印報(bào)表按鈕的C腳本為:RPTJobPrint(“zuoye”)。

圖4 報(bào)表畫面

4 結(jié)語(yǔ)

以西門子組態(tài)軟件WinCC作為上位機(jī)和S7-300 PLC作為下位機(jī),應(yīng)用到垃圾吊控制管理系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),形象地模擬了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況,完成了作業(yè)記錄,降低了故障發(fā)生率,并有效地保障了起重機(jī)系統(tǒng)的安全。

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