殷蘇民，徐啟祥，鄭昌俊

（江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，工廠車間的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，由于工廠車間設(shè)備的控制和運行狀況不便于人工現(xiàn)場操作，因此，工廠車間設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文以退火爐車間為例設(shè)計了一套新型的車間設(shè)備運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)。采用RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸，PLC作為信號采集與數(shù)據(jù)存儲的核心，使用Delphi開發(fā)的軟件結(jié)合ACCESS數(shù)據(jù)庫對PLC中的數(shù)據(jù)進行處理。該系統(tǒng)可以隨時打開上位機軟件對退火爐車間設(shè)備的數(shù)據(jù)進行處理、查詢、統(tǒng)計分析等操作，該設(shè)計對于企業(yè)生產(chǎn)車間設(shè)備的實際運行狀況有著準(zhǔn)確的把握，具有實用性、高效性和準(zhǔn)確性的特點。

1 系統(tǒng)功能及其組成

1.1 系統(tǒng)功能

該監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時監(jiān)控13臺退火爐設(shè)備的運行狀況，可以對用電時段和溫度階段進行參數(shù)設(shè)定。進行監(jiān)控時，可選擇任意的單臺退火爐設(shè)備進行單獨監(jiān)控或組合監(jiān)控，并能夠?qū)崟r顯示參數(shù)和保存數(shù)據(jù)。可以對單臺設(shè)備的監(jiān)控狀況進行相應(yīng)的操作，如人工填寫產(chǎn)品工序名稱和輸入操作員編號，選擇查詢數(shù)據(jù)的起始時間和結(jié)束時間查詢相對應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。退火爐設(shè)備的數(shù)據(jù)通過ADO控件實現(xiàn)Delphi 7開發(fā)軟件與ACCESS數(shù)據(jù)庫的互連和保存，數(shù)據(jù)庫包括單臺設(shè)備的基本信息、監(jiān)控狀態(tài)的統(tǒng)計信息和監(jiān)控數(shù)據(jù)，計算機作為人機交互平臺完成整個系統(tǒng)的操控。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

該監(jiān)控系統(tǒng)硬件環(huán)境如圖1所示，主要由上位機（計算機）和下位機兩部分組成。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

數(shù)據(jù)采集部分包括溫控器、電能表、PLC等，基于監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)的要求。溫控器選用宇電AI-516型溫控器，能夠保持RS485通訊支持MODBUS-RTU協(xié)議。電能表選用德力西DTS607型三相電子式電能表，能夠保持RS485通訊支持DL/T645-1997《多功能電能表通信協(xié)議》。PLC選用電源模塊CJ1W-PA202，CPU模塊為CJ2M-CPU11，該型CPU模塊的數(shù)據(jù)容量為32k，并且?guī)в蠷S232串行通信端口，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲功能和上位機與PLC的通信，搭配CJ系列485通訊模塊CJ1W-SCU31-V1，此模塊帶有兩個485通訊端口可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集。

上位機是監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)的運行平臺。它不僅可以完成實時監(jiān)控功能，而且具有數(shù)據(jù)存儲和運算分析能力。計算機配備串行接口用于實現(xiàn)與PLC之間的通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機軟件選用Delphi作為開發(fā)平臺，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)編寫而成，主要實現(xiàn)一些具體的控制命令和監(jiān)控。上位機軟件由多個界面組成，可分為實時監(jiān)控界面，單臺設(shè)備監(jiān)控界面以及參數(shù)設(shè)定界面三類。

實時監(jiān)控界面包括13臺設(shè)備的實時溫度和電量參數(shù)顯示，監(jiān)控畫面按鈕可以隨時切換到單臺設(shè)備的監(jiān)控界面，參數(shù)設(shè)定按鈕可以對用電時段和每臺設(shè)備的溫度參數(shù)進行設(shè)定，實時監(jiān)控界面如圖2所示。單臺設(shè)備監(jiān)控界面包括人工填寫產(chǎn)品工序名稱、工作日期時段、操作員等基本信息，通過Delphi建立與外部Access數(shù)據(jù)庫的連接將這些信息存入數(shù)據(jù)庫。單臺退火爐數(shù)據(jù)查詢界面，包括根據(jù)退火爐的基本信息選項查詢出設(shè)備的各項監(jiān)控數(shù)據(jù)以及對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行平均值、最大值、最小值等的統(tǒng)計得出不同時段的用電利用率和輸出固定格式的報表。其中，報表是通過Delphi中的Excel控件，調(diào)用事先做好的Excel報表模版，再將查詢得到的數(shù)據(jù)動態(tài)填入Excel模版中實現(xiàn)。單臺設(shè)備歷史曲線界面，包括曲線繪制啟停的選擇、理想時間-溫度曲線取點設(shè)置等，通過實際曲線和設(shè)定曲線的對比反應(yīng)出該設(shè)備不同時段處在不同的溫度階段。

圖2 實時監(jiān)控界面

3 系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

該系統(tǒng)工作時，上位機通過串口與PLC通信，PLC通過485總線與多儀表通信，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，因此，通信程序的開發(fā)是監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中的重點。

3.1 上位機與PLC通信

該系統(tǒng)在Windows7操作系統(tǒng)下用Delphi 7開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，利用第三方套件ComPort Library中的TcomPort、TcomDataPacket組件設(shè)計了上位機與歐姆龍PLC的串行通信程序，對車間設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

3.1.1 通信協(xié)議

HostLink協(xié)議是歐姆龍PLC專用串行通信協(xié)議，有兩種通信命令格式：C-MODE指令和FINS指令，這兩種指令能夠讓計算機讀寫CJ2M內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和強迫置位等。該系統(tǒng)串行通信時，選用FINS指令，可以對CJ2M實現(xiàn)直接讀寫。在該系統(tǒng)無論上位機發(fā)出的控制指令還是PLC的響應(yīng)數(shù)據(jù)，它們都是通過數(shù)據(jù)幀進行傳送，而且都遵從一定的格式，數(shù)據(jù)從上位機發(fā)出的是命令幀，從PLC接收的是響應(yīng)幀，在FINS指令下命令幀和響應(yīng)幀格式如圖3所示，具體含義如表1所示。校驗碼是FCS校驗碼，即一幀數(shù)據(jù)的第一個字符到該幀命令數(shù)據(jù)的最后一個字符作“異或”運算的結(jié)果，用兩個ASCII碼表示，它在通信中是必不可少，它保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，經(jīng)過上位機編程計算得到，并設(shè)置在命令幀中。

圖3 通信協(xié)議的命令幀和響應(yīng)幀格式

表1 幀格式的具體含義

3.1.2 上位機通訊實現(xiàn)

該系統(tǒng)中只需和CJ2M通信，因此選用一個TComport和TcomDataPacket控件。CJ2M的通信參數(shù)為端口COM1、波特率9600、數(shù)據(jù)位7位、停止位2位、校驗位偶校驗，在編寫通信程序時，按照PLC的通信參數(shù)對計算機的串口初始化，只有通信參數(shù)是一致，雙方才進行通信，可以通過設(shè)定TComPort、TComDataPacket組件的屬性來實現(xiàn)串口通信參數(shù)的初始化。由于計算機與PLC之間的數(shù)據(jù)幀都是以@開始，以回車符chr(13)結(jié)束，因此串口初始化程序中還可以設(shè)定數(shù)據(jù)幀的起止字符，PLC的串口初始化程序如下：

procedure TForm1.FormCreate(Sender： TObject);

begin

Comport1.Port：='COM1'; //設(shè)定端口號

Comport1.BaudRate：=br9600; //設(shè)定波特率

Comport1.DataBits：=dbSeven; //設(shè)定數(shù)據(jù)位

Comport1.StopBits：=sbTwoStopBit; //設(shè)定停止位

Comport1.Parity.Bits：=prEven; //設(shè)定校驗位

ComDataPacket1.ComPort：= Comport1; //設(shè)定TComDataPacket對應(yīng)的

ComDataPacket1.CaseInsensitive：=true; TComPort

ComDataPacket1.StartString：=’@’; //設(shè)定數(shù)據(jù)包的起始字符

ComDataPacket1.StopString：=chr(13); //設(shè)定數(shù)據(jù)包的結(jié)束字符

end;

3.2 PLC與儀表通信

該系統(tǒng)中PLC485通訊模塊CJ1WSCU31-V1帶有兩個485通訊端口。通訊模塊與溫控器和電表間采用RS485標(biāo)準(zhǔn)串行電氣接口，使多點連接成為可能，在傳輸速率不大于100kbps條件下，有效傳輸距離不小于1200m，溫控器和電表連接到RS485總線中，PLC為主站對需要采集的數(shù)據(jù)發(fā)送請求消息，溫控器和電表以應(yīng)答的方式將數(shù)據(jù)送至PLC。

3.2.1 PLC與溫控器間的通訊

該系統(tǒng)中溫控器保持RS485通訊支持Modbus-RTU協(xié)議，PLC選擇端口1，波特率設(shè)為9600bps，校驗方式為無校驗，通訊方式為串口網(wǎng)關(guān)。對于Modbus-RTU傳輸模式，消息發(fā)送要以4個字符時間的停頓間隔開始，從站地址是被第一個傳輸?shù)?位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F，溫控器不斷對通訊網(wǎng)絡(luò)進行偵測。當(dāng)接收到地址域，每個設(shè)備都對下一個域進行解碼以判斷是否發(fā)送給自己。當(dāng)最后一個字符傳輸完畢，需要4個字符時間的停頓時間來標(biāo)志消息的結(jié)束。在前一個消息結(jié)束后，下一個消息可在此停頓后開始。

圖4 通訊程序時序圖

該系統(tǒng)中PLC作為采集主站，發(fā)送的請求指令為對溫度的讀取指令。以讀取01號溫控器當(dāng)前溫度值為例，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為“01030000000453”。運用MOV指令將從站地址01H傳送到D32200，功能代碼03H傳送到D32201，通信數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)04H傳送到D32202，通訊數(shù)據(jù)校驗碼53H傳送到D32203，運用PLC的485模塊將請求幀由PLC發(fā)送至溫控器網(wǎng)絡(luò)。Modbus-RTU簡易主站功能執(zhí)行開關(guān)A641.00從OFF變?yōu)镺N后，應(yīng)答數(shù)則被保存到D32254和D32255，運用MOVD指令將溫度參數(shù)傳到PLC分配的寄存器中。

3.2.2 PLC與電表間的通訊

三相電子式電能表能夠保持RS485通訊支持DL/T645-1997《多功能電能表通信協(xié)議》，PLC選擇端口2，波特率設(shè)為1200bps，數(shù)據(jù)位為8位，一個停止位，校驗方式為偶校驗，通訊方式為RS232C。

依據(jù)DL/T645對消息幀的要求，設(shè)置消息幀中字節(jié)允許的最長間隔時間為500ms，結(jié)束符為16H。該系統(tǒng)中PLC作為采集主站，發(fā)送的請求指令為對各種電量的查詢指令。以讀取331520000368號電表瞬時有功功率為例，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息之前，先發(fā)送1～4個字節(jié)FEH，以喚醒接收對方。因此，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為“FEFE FEFE6868030020153368010263E9F216”。用MOV指令建立18個字節(jié)的地址區(qū)D100～D108，將請求幀由TXD指令發(fā)送至電表網(wǎng)絡(luò)。PLC正確發(fā)送請求幀后A392.05返回值為1，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上電表接收到發(fā)送的請求幀后，電表表號與請求幀中吻合的電表做出相應(yīng)，發(fā)送應(yīng)答幀“FEFEFE6868030020153368C101359A16”至網(wǎng)絡(luò)，此時PLC A392.06返回值為1，調(diào)用RXD指令接收數(shù)據(jù)并運用MOV指令傳送給PLC中由用戶指定的數(shù)據(jù)區(qū)中。

在車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的RS485總線上通常掛有多個溫控器和電表，由于485模塊的通訊時間與PLC的處理周期并不一致，所以多儀表通訊的過程中分配資源，合理安排通訊時是編程人員需要著重考慮的問題。通訊程序時序如圖3所示。

通過PLC和多臺儀表通訊，數(shù)據(jù)采集到PLC中將數(shù)據(jù)存儲在DM區(qū)。使用Delphi開發(fā)的軟件與PLC進行通訊，上位機能夠讀寫PLC數(shù)據(jù)區(qū)DM里的數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機需要讀取PLC中數(shù)據(jù)時，在監(jiān)控界面給它一個指令，上位機軟件將PLC中DM區(qū)的數(shù)據(jù)讀取存放ACCESS數(shù)據(jù)庫，從而對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析。

4 結(jié)束語

設(shè)計的退火爐車間設(shè)備運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Delphi開發(fā)軟件、RS485總線和PLC協(xié)同工作下退火爐車間設(shè)備運行狀況的自動監(jiān)控與數(shù)據(jù)保存，克服了車間設(shè)備分布距離較遠的數(shù)據(jù)傳輸問題，以及保證了系統(tǒng)長時間運行的可靠性。經(jīng)過測試和試用，已在實際中應(yīng)用，極大的提高了工廠車間設(shè)備的運行效率和增強了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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