基于PLC和組態(tài)王的料位監(jiān)控系統(tǒng)

袁佳楠

河北港口集團(tuán)通信信息工程分公司，河北石家莊 050081

0 引言

可編程控制器（Programmable Logic Controllor 簡(jiǎn)稱PLC）是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體而迅速發(fā)展起來(lái)的。由于具有可靠性高、功能強(qiáng)大、組合靈活、維護(hù)方便等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

組態(tài)（Configuration）是指通過(guò)專用軟件定義系統(tǒng)的過(guò)程。組態(tài)軟件是利用系統(tǒng)軟件提供的工具，通過(guò)簡(jiǎn)單形象的組態(tài)工作，構(gòu)成系統(tǒng)所需的軟件。是工業(yè)自動(dòng)化軟件的一個(gè)重要分支。組態(tài)軟件促使自動(dòng)化技術(shù)走出工業(yè)應(yīng)用的狹小范圍，在樓宇自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

組態(tài)王是國(guó)內(nèi)第一家較有影響的組態(tài)軟件開發(fā)公司。組態(tài)王提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語(yǔ)言支持。組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動(dòng)程序。

采用組態(tài)王軟件編制的上位監(jiān)控系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，它與外圍設(shè)備PLC，智能儀表等相連接構(gòu)成控制中心。

針對(duì)港口干散貨的裝卸儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)的實(shí)際，采用西門子PLC為現(xiàn)場(chǎng)控制核心，以組態(tài)王軟件作為上位監(jiān)控組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)一套料位自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)卸料小車的實(shí)時(shí)監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)料位的數(shù)據(jù)采集和顯示、料位超限報(bào)警等功能。

1 卸料生產(chǎn)工藝流程

本系統(tǒng)包括6 個(gè)料倉(cāng)，這些料倉(cāng)主要用來(lái)儲(chǔ)備和緩沖物料，由卸料小車向各個(gè)料倉(cāng)送入物料。卸料小車安裝在傳送帶支架上，物料由傳送帶送到卸料小車上，隨著小車的移動(dòng)，卸料點(diǎn)隨著移動(dòng)，當(dāng)卸料小車停在某料倉(cāng)處則向該料倉(cāng)注入物料。卸料小車的卸料點(diǎn)由接近開關(guān)決定，根據(jù)料倉(cāng)料位決定是否向某一料倉(cāng)卸料，若該料倉(cāng)料位達(dá)到控制要求，則卸料小車啟動(dòng)向下一料倉(cāng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)首末兩個(gè)料倉(cāng)時(shí)，卸料小車進(jìn)行方向切換，如此不斷進(jìn)行循環(huán)。

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC、網(wǎng)絡(luò)卡組成，還包括現(xiàn)場(chǎng)的接近開關(guān)、料位計(jì)等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2.1 工控機(jī)

上位機(jī)采用研華機(jī)架式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要完成系統(tǒng)的組態(tài)，軟件編程，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)顯示以及運(yùn)行參數(shù)給定，報(bào)警顯示等主要功能。

2.2 PLC 控制器

采用Siemens 公司的S7-300 系列PLC 控制器，中央處理單元為CPU314；數(shù)字量輸入模塊SM321 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接近開關(guān)位置的檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)/自動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)；數(shù)字量輸出模塊采用SM322，進(jìn)行控制信號(hào)的輸出；模擬量輸入模塊采用SM331，進(jìn)行6 個(gè)料倉(cāng)料位數(shù)據(jù)的采集；采用24VDC、20A SIEMENS工業(yè)開關(guān)電源SITOP 作為輸入輸出信號(hào)電源。

2.3 網(wǎng)絡(luò)卡

S7-300 和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信可以采用多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)（MPI）或PROFIBUS-DP 接口等多種通信方式。本監(jiān)控系統(tǒng)中S7-300 的中央處理單元選用CPU 314，因此在上位機(jī)中安裝CP5611 卡，通過(guò)MPI 電纜進(jìn)行連接，這樣就在上位機(jī)和S7-300PLC 之間建立了通訊硬件聯(lián)系。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成6 個(gè)料倉(cāng)料位的自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)顯示、料位報(bào)警顯示、卸料小車實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和中控室自動(dòng)控制、友好的人機(jī)交互界面顯示。

3.1 料位的檢測(cè)

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)料位計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別對(duì)6 個(gè)料倉(cāng)的料位進(jìn)行檢測(cè)并在上位監(jiān)控畫面中實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)。

3.2 料位超限報(bào)警

每個(gè)料倉(cāng)的料位一旦超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置的上下限則系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警顯示和報(bào)警自動(dòng)記錄。

3.3 卸料小車手動(dòng)/自動(dòng)控制

手動(dòng)控制指由現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)安裝在卸料小車上的按鈕直接進(jìn)行控制；自動(dòng)控制是指中控室操作人員通過(guò)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.4 友好的人機(jī)交互界面

在上位機(jī)的監(jiān)控界面中實(shí)時(shí)顯示卸料小車運(yùn)行情況、料位顯示、料位報(bào)警顯示等。

4 信號(hào)采集與控制

4.1 卸料小車位置檢測(cè)與控制

對(duì)卸料小車的控制是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容，卸料小車的位置由接近開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)料倉(cāng)兩邊分別安裝1 個(gè)接近開關(guān)，在首末兩端再分別安裝1 個(gè)接近開關(guān)，從而形成小車的行程控制。當(dāng)小車靠近某一接近開關(guān)時(shí)，該接近開關(guān)動(dòng)作并將信號(hào)傳送至PLC 的數(shù)字量輸入模塊，由PLC 再傳至上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，上位監(jiān)控界面中表示該接近開關(guān)的圖像發(fā)生反應(yīng)，顯示為該接近開關(guān)信號(hào)有效。這時(shí)，系統(tǒng)對(duì)該接近開關(guān)對(duì)應(yīng)的料倉(cāng)料位進(jìn)行判斷，與系統(tǒng)設(shè)定的上下限進(jìn)行比較。若該料位值滿足要求則小車?yán)^續(xù)運(yùn)行；若不滿足要求，則卸料小車進(jìn)行卸料，直到料位值滿足要求，小車?yán)^續(xù)運(yùn)行。

4.2 料位信號(hào)的采集

本系統(tǒng)中包含6 個(gè)料倉(cāng)，為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確度，每個(gè)料倉(cāng)中安裝4 個(gè)重錘式料位計(jì)，共有24 路模擬量輸入信號(hào)傳送至PLC 的模擬量輸入模板。再由PLC 將這些信號(hào)傳送至上位監(jiān)控機(jī)，在上位監(jiān)控界面中通過(guò)圖像分別予以表示，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)料位計(jì)的數(shù)值。

5 監(jiān)控組態(tài)軟件

“組態(tài)王”是在流行的PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它以Windows98/Windows2000/Windows NT4.0 中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺(tái)，充分利用了Windows 圖形功能完備，界面一致性好，易學(xué)易用的特點(diǎn)。它使采用PC機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)工程比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，并可運(yùn)用PC 機(jī)豐富的軟件資源進(jìn)行二次開發(fā)。

“組態(tài)王”軟件包由工程管理器（ProjManager）、工程瀏覽器（TouchExplorer）、畫面運(yùn)行系統(tǒng)（TouchVew）三部分組成。其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內(nèi)嵌畫面開發(fā)系統(tǒng)，即組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)是各自獨(dú)立的Windows 應(yīng)用程序，均可單獨(dú)使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在畫面運(yùn)行環(huán)境中才能運(yùn)行。

上位監(jiān)控系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視與控制。當(dāng)上位機(jī)與PLC 處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)時(shí)，可以進(jìn)行流程選擇、啟動(dòng)、停止、故障復(fù)位等操作，通過(guò)PLC 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。監(jiān)視畫面以圖形方式顯示工藝流程設(shè)備，并通過(guò)顏色變化來(lái)反映流程設(shè)備狀態(tài)。可以通過(guò)鍵盤設(shè)定料倉(cāng)料位的上下界限以及給定值，當(dāng)實(shí)際值超過(guò)界限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警并打印記錄，同時(shí)PLC將控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。

上位監(jiān)控軟件的編制根據(jù)物料處理工藝和管理要求，結(jié)合實(shí)際工藝流程，充分考慮操作員工作中的要求。為了避免因操作員疏漏而造成生產(chǎn)事故，軟件設(shè)計(jì)出了“操作管理”功能，利用“操作記錄”、“事件記錄”、“報(bào)警”、“連鎖”這些功能有效地防止了這類事故的發(fā)生。屏幕是操作人員與工況之間最主要的聯(lián)絡(luò)界面，生動(dòng)形象的畫面效果和方便的操作方法，構(gòu)成友好的人機(jī)界面。

6 結(jié)論

結(jié)合了PLC 技術(shù)、組態(tài)軟件而編制的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和圖形表現(xiàn)能力，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)集中管理和顯示、歷史報(bào)表打印、報(bào)警畫面生成等功能。極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

[1]組態(tài)王用戶手冊(cè)[Z].北京：北京亞控科技發(fā)展有限公司，2002.

[2]基于PLC和組態(tài)軟件的物流輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2009(8).