基于S7-300與WinCC 的橋式起重機監控管理系統

余 丹,楊 輝,陸榮秀

(華東交通大學電氣與電子工程學院,江西南昌330013)

隨著工業、農業、建筑業和交通運輸業的發展,各行各業起重機械的應用越來越多,起重機不斷朝著大型化、自動化、網絡化和智能化方向發展[1]。目前,國內起重機發生故障較多、監管工作不足,為了保證起重機在安全限度內工作和操作人員的安全駕駛,研究起重機的監控系統意義重大[2]。

垃圾液壓橋式起重機(垃圾吊)是垃圾廠處理垃圾的起重設備,要求其故障時間少、操作安全。監控系統用于監視現場狀況,加上監控軟件具有對數據采集、存儲、處理、以及模擬現場實景再現等能力,它已得到廣泛應用。本文采用監控管理技術,不僅可以減少操作人員工作強度,提高裝卸效率,而且可以實時監視設備運行狀況和具有故障報警功能,加強了起重機系統和操作人員的安全,并能提供歷史數據查詢,為維護和修理帶來極大地方便。

1 系統結構

根據垃圾吊控制管理系統(CMS系統)的要求,系統分為3部分:下位機PLC、上位機WinCC和數據通訊。下位機采用三套西門子S7-300 PLC,分別控制3臺起重機運行,由編程軟件STEP 7實現程序設計;上位機為1臺安裝了西門子組態軟件WinCC的研華工控機,WinCC配合PLC,對3臺起重機的操作系統進行不間斷監控、故障診斷及數據收集;數據通訊采用以太網,實現PLC與WinCC之間的數據傳輸。系統結構如圖1所示。

圖1 CMS系統網絡結構圖

PLC系統為監控整車的運行狀態,實現對整車運行的時序邏輯控制及信號的實時檢測,采用程序化操作和手動操作相結合的方式。PLC采集到的信號通過以太網上傳給上位機,之后WinCC對3臺起重機的操作系統進行不間斷監控,記錄并顯示所有電氣元件或部件的故障狀態與工作狀態,記錄并顯示起重機的狀態參數,記錄并顯示起重機的操作記錄與工作參數,同時上位機本身故障時不會影響系統的工作。若元件出現故障,上位機則及時報警,上位機還可通過服務器后臺進行數據收集、存儲、管理、分析達到提前預警。

2 下位機PLC硬件設計

德國西門子(SIEMENS)公司生產的可編程序控制器在我國應用相當廣泛,西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化,具有網絡通信能力,功能更強,可靠性更高。根據系統的設計要求,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以太網模塊,接入交換機與上位機進行數據通信,其中采用TCP/IP通信協議。根據每臺起重機的控制變量總數,采用一塊SM 321DI32×DC24 V和三塊SM 322 DO16×Rel.AC120/230 V數字模塊,PLC模塊與現場設備之間采用PROFIBUS-DP進行通訊。根據垃圾吊的工作原理和控制方式,在西門子的編程軟件STEP 7中通過梯形圖完成PLC控制程序的編寫。

PLC與上位機之間通過以太網進行通訊,要實現數據通訊,重要的為準確設置以太網參數。對每臺起重機的通訊模塊CP 343設置以太網參數,其中IP address(IP地址)和Subnet mask(子網掩碼)都是唯一的。同時上位機將按這里的參數訪問PLC,實現數據通訊。

3 上位機WinCC軟件設計

西門子公司的WinCC組態軟件適合于各個行業和各種技術系統,用于在生產和過程自動化環境中實現可視化和過程控制任務[3]。WinCC組態軟件集成了圖形技術、人機界面技術,數據庫技術、控制技術、網絡與通訊技術等,只需通過可視化的組態方式,就可以完成監控軟件的設計,降低了監控畫面開發的難度。WinCC 6.2使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態數據和歸檔數據的存儲數據庫,可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、WinCC OLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數據,強大的標準接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他應用程序交換數據[4-6]。它具有快速的畫面更新、高效的數據通信,以及提供數據采集與歸檔、圖形顯示、報警功能和報表模塊。

根據系統需求,實現對起重機工作情況的監控,包括其大車、小車、起升、抓斗、司機室等各機構實時的狀態,以及系統故障的報警信息和生產數據報表。根據系統界面設計,監控畫面一般分為3個部分:總覽部分(狀態欄)、現場畫面部分(主導航欄)和按鈕部分(主監控部分)。一般采取的布局方式有多種,本系統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、現場部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統標識符、畫面標題、顯示日期和時間的數字時鐘、橋機號選擇以及實時報警控件;在現場部分顯示各個機構畫面、報警畫面、數據趨勢圖和生產報表畫面;在按鈕部分顯示監控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個畫面設計如圖2所示,設計過程可以分為4大模塊:狀態監測模塊、故障報警模塊、數據記錄模塊、報表生成模塊。

圖2 CMS系統上位機設計結構圖

3.1 狀態監測模塊

狀態監測模塊主要顯示總機概況,運行機構狀態、司機室操作臺狀況,直接通過WinCC圖形編輯器完成。在圖形編輯器中,用輸入/輸出域實時顯示模擬量,如各機構運行至某一位置值或垃圾重量;用圖形顏色變化來表示各機構的實時狀況、限位開關、報警變量等開關量的通與斷,變量為1時背景色設為綠色,變量為0時背景色設為灰色。各監控畫面將形象地顯示各元件的狀態,便于用戶掌握系統實時信息。

3.2 故障報警模塊

故障報警模塊主要完成故障報警信息的記錄與顯示,故障查詢、統計與分析等功能,大大縮短故障排除時間,并為設備維護提供參考信息。WinCC軟件提供的報警編輯器,負責消息的采集和歸檔,包括過程、預加工、表達式 、確認及歸檔等消息的采集功能。在組態期間,可對過程中應觸發的事件進行定義。這個事件可以是設置自動化系統中的某個特定位,也可以是過程值超出預定義的限制值。

在系統組態時,首先需要把所有故障變量在報警編輯器中進行組態,之后在圖形編輯器中添加報警控件,當有故障報警時,在報警控件中會顯示報警信息。同時在Horn報警器中組態報警的變量,實現語音報警,及時通知用戶,從而達到聲光報警的效果。在報警控件中還可以通過對報警發生時間、錯誤點、故障編號或其組合等進行任意查詢與打印。報警畫面如圖3所示。

圖3 報警畫面

3.3 數據記錄模塊

數據記錄模塊主要記錄設備信息和備件信息,完成設備運行狀態記錄,服務器后臺執行設備維護提示及報警。此畫面只有取得相應權限的用戶才能打開,在WinCC的用戶管理器中設置用戶及用戶的權限。本系統采用VBScript腳本與SQL Server 2005將設備信息存入到自定義數據庫中,通過點擊生成報表按鈕,在Excel控件中顯示數據。實現將WinCC的數據添加到自定義數據庫中,首先要在SQL Server 2005數據庫中建立一個數據庫cms及其下的數據庫表,之后通過配置ODBC數據源連接SQL Server 2005數據庫。步驟為

(1)在控制面板中,選擇管理工具下的數據源ODBC,啟動ODBC數據源管理器。

(2)單擊“系統DSN”選項卡,進入系統數據源頁面,單擊“添加”按鈕,打開“創建新數據源”對話框,在驅動程序列表中,選擇SQL Server,然后點擊完成。

(3)在打開的“創建數據源向導”窗口中,輸入數據源名稱、說明和SQL Server服務器名稱,之后按步驟進行完成,測試數據庫cms連接成功。

接著根據起重機設備信息,通過VB腳本編寫程序。用戶隨時可根據設備信息或備件信息寫入數據庫,并在需要的時候根據具體情況查詢報表。同時,當設備達到報警條件或是備件不足時,將會自動彈出報警窗口,提示用戶報警信息。

3.4 報表生成模塊

此模塊完成必要的生產信息和作業統計查詢,如每臺起重機每次抓斗的抓起重量,每個投料口的投入量,每臺起重機每班的作業量以及年/月/日的作業情況等,在需要的時候將每臺起重機的數據以表格的形式輸出至打印機進行打印。作業的數據也是通過VBScript腳本與SQL Server 2005來實現,將采集的數據存入自定義的數據庫中,在報表畫面中進行查詢與打印數據,報表畫面如圖4所示。

報表畫面中,通過報表選擇的下拉菜單來選取日/月/年報表,作業具體選擇的下拉菜單來選取以班次、機號、投料口或其組合顯示,并可選擇起止時間。點擊生成報表按鈕可以在Excel控件上顯示選取的數據,點擊打印報表按鈕可以將數據打印出來,點擊刪除報表按鈕可以直接將選取的數據刪除。實現打印功能,要先建立頁面布局和打印作業。啟動WinCC的報表編輯器Report Desinger,先建立一個頁面布局,選擇ODBC數據源cms,設置SQL語句。模板建好之后,在Print Job項下建立一個新的打印作業,如以打印每天的作業情況為例,命名為zuoye,并在新建Job的屬性對話框Layout處與剛建好的報表建立連接。打印報表按鈕的C腳本為:RPTJobPrint(“zuoye”)。

圖4 報表畫面

4 結語

以西門子組態軟件WinCC作為上位機和S7-300 PLC作為下位機,應用到垃圾吊控制管理系統中,實現了對狀態參數的實時監測,形象地模擬了現場的運行情況,完成了作業記錄,降低了故障發生率,并有效地保障了起重機系統的安全。

[1]李偉,李瑞華.起重機智能控制的發展現狀與思考[J].煤礦機械,2006,27(8):3-4.

[2]朱鈺,許順隆,劉少輝,等.液壓起重機安全監控系統的開發[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2008,32(4):638-640.

[3]王曉遠,杜靜娟,齊利曉,等.基于工業組態軟件WinCC的化工工業監控系統[J].化工自動化及儀表,2006,33(5):41-43.

[4]蔡小亮,羅益民,孫鋒,等.基于PLC和WinCC的智能雙腔監測熱換器系統[J].化工自動化及儀表,2010,37(2):81-83.

[5]王哲,尹強,高全杰,等.基于組態軟件WinCC的結晶器在線監測系統[J].機床與液壓,2009,37(12):133-137.

[6]GONGBO,ZHU ZHENCA,CHEN GUANGZHU,et al.Technique of WinCC long-distance accessing exterior SQL server database[C]//2009 First International Workshop on Education Technology and Computer Science(ETCS),2009:153-155.