港口集裝箱裝卸模型監(jiān)控系統(tǒng)

胡孔元， 朱華炳， 趙春海

(合肥工業(yè)大學(xué) a. 工業(yè)培訓(xùn)中心； b． 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

0 引 言

港口集裝箱裝卸模型由岸邊吊、拖車(chē)、龍門(mén)吊、門(mén)座吊和貨物集裝箱模型組成，模型的平面布置圖和現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖1、2所示。模型實(shí)現(xiàn)的功能：① 進(jìn)港業(yè)務(wù)：岸邊吊將貨物從船上卸到拖車(chē)上→拖車(chē)運(yùn)送→龍門(mén)吊將貨物從拖車(chē)上卸到堆場(chǎng)。② 出港業(yè)務(wù)：龍門(mén)吊將貨物從堆場(chǎng)裝到拖車(chē)上→拖車(chē)運(yùn)送→岸邊吊將貨物從拖車(chē)上裝到船上。③ 模型的裝、卸貨運(yùn)動(dòng)。④模型的單個(gè)動(dòng)作。本文研究目的在于如何實(shí)現(xiàn)由PC完成對(duì)模型實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)視[1]。

根據(jù)模型的工作特點(diǎn)和應(yīng)用要求，采用S7-200PLC為下位機(jī)、PC為上位機(jī)，通過(guò)串口通信的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，而S7-200PLC與PC串口通信實(shí)現(xiàn)的方式有兩種：自由口通信和PPI通信。采用自由口方式則PLC端和PC端都需要編寫(xiě)通信程序；而PPI方式采用主從結(jié)構(gòu)，PC遵循PPI協(xié)議格式，發(fā)出讀寫(xiě)申請(qǐng)，PLC返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以省略編寫(xiě)PLC的通信代碼，快捷方便[2-3]。本文采用PPI通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 模型的平面布置圖

圖2 模型的現(xiàn)場(chǎng)布置圖

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 通訊接口協(xié)議

S7-200PLC與PC實(shí)現(xiàn)PPI通信要先制定接口協(xié)議，本次通信接口協(xié)議如表1所示。

表1 通訊接口協(xié)議

1.2 S7-200PLC端設(shè)計(jì)要求

PLC外圍電路使用限位開(kāi)關(guān)、繼電器控制電機(jī)和電磁鐵工作[4]。

PLC要求接收PC指令完成對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)控制，并向PC返回模型運(yùn)行的狀態(tài)信息[5]。模型的運(yùn)動(dòng)可分為三類(lèi)：① 業(yè)務(wù)。圖3為進(jìn)港業(yè)務(wù)流程。② 單個(gè)模型的裝、卸貨。圖4為門(mén)座吊卸貨流程圖。③ 模型的單個(gè)動(dòng)作。

圖3 進(jìn)港業(yè)務(wù)流程圖

圖4 門(mén)座吊卸貨流程圖

1.3 PC端設(shè)計(jì)要求

PC要求完成對(duì)模型控制與監(jiān)視。

(1) 控制。由PC發(fā)送寫(xiě)指令，PLC接受指令，控制模型進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。可發(fā)送的指令如下：① 當(dāng)業(yè)務(wù)、岸邊吊、拖車(chē)、龍門(mén)吊處于空閑或停止時(shí)，發(fā)送進(jìn)港業(yè)務(wù)或出港業(yè)務(wù)指令；② 當(dāng)業(yè)務(wù)、岸邊吊(或拖車(chē)、龍門(mén)吊)空閑或停止時(shí)，發(fā)送岸邊吊(或拖車(chē)、龍門(mén)吊)的裝、卸貨指令；③ 當(dāng)業(yè)務(wù)或岸邊吊、拖車(chē)、龍門(mén)吊單個(gè)運(yùn)行或暫停時(shí)，發(fā)送停止指令；④ 當(dāng)業(yè)務(wù)或岸邊吊、拖車(chē)、龍門(mén)吊單個(gè)運(yùn)行時(shí)，發(fā)送暫停指令；⑤ 當(dāng)業(yè)務(wù)或岸邊吊、拖車(chē)、龍門(mén)吊暫停時(shí)，發(fā)送繼續(xù)指令；⑥ 當(dāng)門(mén)座吊空閑或停止時(shí)，發(fā)送門(mén)座吊裝、卸貨指令；⑦ 當(dāng)門(mén)座吊運(yùn)行或暫停時(shí)，發(fā)送門(mén)停止指令；⑧ 當(dāng)門(mén)座吊運(yùn)行時(shí)，發(fā)送門(mén)暫停指令；⑨ 當(dāng)門(mén)座吊暫停時(shí)，發(fā)送門(mén)繼續(xù)指令；⑩ 當(dāng)模型不處于業(yè)務(wù)及裝、卸貨運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)送單個(gè)動(dòng)作指令。

(2) 監(jiān)視。由PC發(fā)送讀指令，PLC接受指令后返回相應(yīng)信息，PC接受、處理、顯示當(dāng)前業(yè)務(wù)及模型的運(yùn)行狀況。PC可顯示的狀態(tài)如下：① 業(yè)務(wù)狀態(tài)：空閑、進(jìn)港、出港，暫停；② 各模型狀態(tài)：空閑、裝貨、卸貨、暫停；③ 單個(gè)動(dòng)作狀態(tài)：運(yùn)行、停止。

PC端在完成上述設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，還應(yīng)保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運(yùn)行。

2 S7-200PLC端程序設(shè)計(jì)

PLC端程序包括流程運(yùn)動(dòng)程序和單個(gè)動(dòng)作程序。單個(gè)動(dòng)作的程序簡(jiǎn)單，可采用基本指令編程；而流程運(yùn)動(dòng)的程序，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)具有選擇性和順序性，還需采用順控繼電器指令編程。順控繼電器指令中SCR指令標(biāo)示一個(gè)順控步程序的開(kāi)始，SCRT指令說(shuō)明步序狀態(tài)的轉(zhuǎn)移去向，SCRE指令為順控程序段的結(jié)束[6-7]。按控制要求設(shè)計(jì)出含有選擇序列和并行序列的順序功能圖，最后繪制出梯形圖。

在程序中，使用置位S與復(fù)位R指令完成Q輸出[8]；使用MOVB指令完成數(shù)據(jù)傳送；使用通電延時(shí)定時(shí)器TON，控制集裝箱起吊高度；使用位存儲(chǔ)器M0.0、M0.1實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、岸邊吊、拖車(chē)、龍門(mén)吊的停止、暫停與繼續(xù)；使用位存儲(chǔ)器M0.2、M0.3實(shí)現(xiàn)門(mén)座吊的停止、暫停與繼續(xù)。

3 PC端程序設(shè)計(jì)

PC端采用Visual C++語(yǔ)言編寫(xiě)程序，設(shè)計(jì)流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控和單個(gè)動(dòng)作監(jiān)控。其過(guò)程為先創(chuàng)建對(duì)話框工程、設(shè)計(jì)流程運(yùn)動(dòng)，再添加對(duì)話框資源、設(shè)計(jì)單個(gè)動(dòng)作，最后設(shè)計(jì)輔助功能。輔助功能包括程序退出、界面切換和界面中“暫停”、“繼續(xù)”按鈕的切換。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示。

(a) 流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控界面

(b) 單個(gè)動(dòng)作監(jiān)控界面

3.1 流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

程序編寫(xiě)過(guò)程大體分為三步：① 新建對(duì)話框工程Do；② 控件資源創(chuàng)建[9]:圖像、靜態(tài)文本、MSComm、按鈕；③ 函數(shù)實(shí)現(xiàn)：串口初始化、控制程序、監(jiān)視程序。

3.1.1串口初始化

在成員函數(shù)OnInitDialog()中添加代碼，完成如下設(shè)置：① 選擇COM1；② 設(shè)置波特率9600，偶校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位；③ 設(shè)置輸入方式為二進(jìn)制方式；④ 設(shè)置每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)中有多于或等于1個(gè)字符時(shí)將引發(fā)一個(gè)接收數(shù)據(jù)的OnComm事件；⑤ 設(shè)置輸入緩沖區(qū)大小1024；⑥ 設(shè)置輸出緩沖區(qū)大小1024；⑦ 設(shè)置和返回每次讀出的字節(jié)數(shù),設(shè)0為讀出接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容；⑧ 設(shè)置和返回接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),設(shè)0為清空接收緩沖區(qū)；⑨ 設(shè)置和返回發(fā)送緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),設(shè)0為清空發(fā)送緩沖區(qū)；⑩ 判斷如果串口沒(méi)打開(kāi)，則打開(kāi)串口[10-11]。

3.1.2控制程序

在DoDlg.cpp文件中，設(shè)計(jì)如下程序：

(1) 增加全局變量。BYTE VB5=0。

(2) 增加成員函數(shù)send()。在該函數(shù)中向PLC發(fā)寫(xiě)指令[12-13]：

① 將成員變量VB5寫(xiě)入存儲(chǔ)器VB5，發(fā)指令“68 20 20 68 02 00 7C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 05 05 01 12 0A 10 02 00 01 00 01 84 00 00 28 00 04 00 08 VB5 sk 16”;

② 調(diào)用SDK函數(shù)Sleep(DWORD dwMilliseconds)讓程序暫停50毫秒后發(fā)送確認(rèn)指令“10 02 00 5C 5E 16”。其中，sk為檢驗(yàn)和，值隨VB5變化，需調(diào)用成員函數(shù)sumchk (BYTE *temp)計(jì)算賦值。

(3) 增加成員函數(shù)。sumchk (BYTE *temp)。

(4) 增加按鈕消息響應(yīng)函數(shù)。分別為業(yè)務(wù)、模型運(yùn)行、停止、暫停、繼續(xù)按鈕增加消息響應(yīng)函數(shù)，在各函數(shù)中判斷消息的執(zhí)行條件，在if執(zhí)行語(yǔ)句中，先給VB5賦值，然后調(diào)用成員函數(shù)send()。

3.1.3監(jiān)視程序

在DoDlg.cpp文件中，設(shè)計(jì)如下程序：

(1) 在成員函數(shù)OnInitDialog()返回之前設(shè)置定時(shí)器。

(2) 增加時(shí)鐘WM_TIMER消息響應(yīng)函數(shù)。OnTimer(UINT nIDEvent)。在該函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)如下程序：① 關(guān)閉定時(shí)器，② 調(diào)用成員函數(shù)Monitor()，③ 設(shè)置定時(shí)器。

(3) 增加全局變量。int bz=0；BYTE VB0=0；BYTE VB1=0；BYTE VB2=0；BYTE VB3=0；BYTE VB4=0。

(4) 增加成員函數(shù)Monitor()。

在該函數(shù)中設(shè)置for(bz=1;bz<4;bz++)語(yǔ)句，在循環(huán)內(nèi)部向PLC發(fā)送讀指令：

① 如果bz等于1，則讀存儲(chǔ)器VB0—VB4，發(fā)指令“68 1B 1B 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 02 00 05 00 01 84 00 00 00 6C 16”，之后調(diào)用SDK函數(shù)Sleep(DWORD dwMilliseconds)讓程序暫停20 ms。

② 如果bz等于2，則發(fā)讀緩沖區(qū)指令，數(shù)據(jù)加入局部變量CString型data中，判斷如果data等于“E5”，則發(fā)確認(rèn)指令“10 02 00 5C 5E 16”，否則返回，之后同樣讓程序暫停50 ms。

③ 如果bz等于3，則發(fā)讀緩沖區(qū)指令，數(shù)據(jù)加入已清空的data中，將data中第51、53、55、57、59位分別調(diào)用成員函數(shù)HexChar(char c)轉(zhuǎn)換為char型數(shù)據(jù)，再利用強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)锽YTE型，即分別表示存儲(chǔ)器VB0—VB4中數(shù)據(jù)，將該值分別賦給成員變量VB0—VB4；添加if、else語(yǔ)句并根據(jù)VB0—VB4值調(diào)用成員函數(shù)WKstate(int nID, int s)和成員函數(shù)state(int nID, long ys)分別實(shí)現(xiàn)狀態(tài)字和狀態(tài)燈，其中，狀態(tài)燈閃爍可利用延時(shí)和白色顯示實(shí)現(xiàn)。

(5) 增加成員函數(shù)HexChar(char c)。

(6) 增加成員函數(shù)WKstate(int nID, int s)。在該函數(shù)中，首先，利用參數(shù)nID調(diào)用CWnd類(lèi)的成員函數(shù)GetDlgItem(int nID)獲得靜態(tài)文本框?qū)?yīng)的C++對(duì)象的指針，接著，利用該指針調(diào)用CWnd類(lèi)的成員函數(shù)GetDC()獲取當(dāng)前文本框的設(shè)備描述表對(duì)象的指針，最后，在if、else語(yǔ)句中利用參數(shù)s調(diào)用CDC類(lèi)的成員函數(shù)TextOut( int x, int y, const CString& str )實(shí)現(xiàn)文字輸出[14]。

(7) 增加成員函數(shù)state(int nID,long ys)。在該函數(shù)中，首先，利用參數(shù)nID調(diào)用CWnd類(lèi)的成員函數(shù)GetDlgItem(int nID)獲得靜態(tài)文本框?qū)?yīng)的C++對(duì)象的指針，利用參數(shù)ys創(chuàng)建畫(huà)刷，接著，利用上述指針獲得該窗口的句柄，再利用句柄調(diào)用全局SDK函數(shù)GetClientRect(HWND hWnd,LPRECT lpRect)獲取窗口客戶(hù)區(qū)矩形的坐標(biāo)，最后，利用指針構(gòu)造CClientDC對(duì)象dc，利用該對(duì)象在矩形中間繪制一個(gè)白色邊框的圓，圓內(nèi)部為畫(huà)刷顏色[15]。

3.2 單個(gè)動(dòng)作監(jiān)控設(shè)計(jì)

在對(duì)話框工程Do中添加對(duì)話框資源IDD_DIALOG1，為該資源添加新類(lèi)CTestDlg，接下來(lái)在TestDlg.cpp文件中的程序設(shè)計(jì)過(guò)程與流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控大體相同，不同之處在于：

(1) 將VB5和bz設(shè)置為成員變量，不再為全局變量。

(2) 本次讀取的是存儲(chǔ)器QB0—QB3中的值。發(fā)指令“68 1B 1B 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 02 00 04 00 00 82 00 00 00 68 16”。

(3) 轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)。將讀取的數(shù)據(jù)data中第50和51位經(jīng)過(guò)調(diào)用成員函數(shù)HexChar(char c)和強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)锽YTE型數(shù)據(jù)，即表示存儲(chǔ)器QB0中數(shù)據(jù)，QB1、QB2、QB3依此類(lèi)推。將得到的BYTE型數(shù)據(jù)利用成員函數(shù)dtob(BYTE temp)轉(zhuǎn)換為CString型數(shù)據(jù)，其每一位分別對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器Q中的相應(yīng)位。

(4) 增加成員函數(shù)dtob(BYTE temp)。

3.3 輔助功能設(shè)計(jì)

3.3.1程序退出與界面切換

(1) 按下“退出”按紐時(shí)程序退出。在該按紐消息響應(yīng)函數(shù)中,設(shè)計(jì)如下程序：① 關(guān)閉定時(shí)器,② 判斷如果串口打開(kāi)則關(guān)閉，③ 調(diào)用CDialog類(lèi)的成員函數(shù)OnCancel()。

(2) 按下“切換至下單個(gè)動(dòng)作”按紐時(shí)進(jìn)入單個(gè)動(dòng)作監(jiān)控界面運(yùn)行。在該按紐消息響應(yīng)函數(shù)中，判斷如果業(yè)務(wù)和模型都不工作，則進(jìn)行：① 關(guān)閉定時(shí)器，② 判斷如果串口打開(kāi)則關(guān)閉，③ 調(diào)用CDialog類(lèi)的成員函數(shù)OnCancel()，④ 創(chuàng)建“單個(gè)動(dòng)作”模態(tài)對(duì)話框[16]；否則，調(diào)用CWnd類(lèi)的成員函數(shù)MessageBox(LPCTSTR lpszText)提醒用戶(hù)“請(qǐng)先停止或暫停業(yè)務(wù)及模型的運(yùn)行!”。

(3) 按下“返回”按紐時(shí)進(jìn)入流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控界面運(yùn)行。在該按紐消息響應(yīng)函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)如下程序：① 關(guān)閉定時(shí)器, ② 判斷如果串口打開(kāi)則關(guān)閉，③ 調(diào)用CDialog類(lèi)的成員函數(shù)OnCancel()，創(chuàng)建“流程運(yùn)動(dòng)”模態(tài)對(duì)話框。

3.3.2暫停與繼續(xù)按鈕的切換

界面中“暫停” 按鈕與“繼續(xù)”按鈕在同一位置處顯示，兩按鈕的切換要滿(mǎn)足：① 程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)“暫停”和“繼續(xù)”按鈕顯示正確，② 按下“暫停”顯示“繼續(xù)”，③ 按下“繼續(xù)”顯示“暫停”，④ 按下“停止”顯示“暫停”，⑤ 界面“返回”后顯示正確。設(shè)計(jì)如下程序：

(1) 增加新類(lèi)CNewButton,基類(lèi)為CButton。

(2) 分別為“暫停”、“繼續(xù)”按鈕增加成員變量m_btn1、m_btn2，類(lèi)型為CNewButton。

(3) 在CDoDlg類(lèi)頭文件中包含CNewButton類(lèi)的頭文件。

(4) 為CNewButton類(lèi)增加CNewButton*類(lèi)型的成員變量m_ptBtn。

(5) 在成員函數(shù)OnInitDialog()的最后，return語(yǔ)句之前添加代碼實(shí)現(xiàn)讓m_btn1和m_btn2中的變量m_ptBtn分別保存對(duì)方的首地址。

(6) 在“停止”按鈕的if執(zhí)行語(yǔ)句中分別利用m_btn1.m_pBtn和m_btn2.m_pBtn調(diào)用CWnd類(lèi)的成員函數(shù)ShowWindow(int nCmdShow)讓“繼續(xù)”隱藏、“暫停”可見(jiàn)。

(7) 在“暫停”按鈕的if執(zhí)行語(yǔ)句中實(shí)現(xiàn)“繼續(xù)”可見(jiàn)、“暫停”隱藏。

(8) 在“繼續(xù)”按鈕的if執(zhí)行語(yǔ)句中實(shí)現(xiàn)“繼續(xù)”隱藏、“暫停”可見(jiàn)。

(9) 在成員函數(shù)OnTimer (UINT nIDEvent)中添加代碼，判斷如果VB5等于0，在if執(zhí)行語(yǔ)句中，判斷如果VB0、VB1、VB2或VB3等于4，則實(shí)現(xiàn)“繼續(xù)”可見(jiàn)、“暫停”隱藏，否則，讓“繼續(xù)”隱藏、“暫停”可見(jiàn)。

(10) 在“切換至下單個(gè)動(dòng)作”的條件執(zhí)行語(yǔ)句中將VB5賦值為0。

另外，界面中“門(mén)暫停”與“門(mén)繼續(xù)”按鈕的切換程序參照上述設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了港口集裝箱裝卸模型監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。使用S7-200PLC為下位機(jī)、PC為上位機(jī)，應(yīng)用PPI通信協(xié)議，PLC端程序采用基本指令和順控繼電器指令編寫(xiě)，PC端程序采用Visual C++語(yǔ)言編寫(xiě)。高效穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 模型在流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控界面和單個(gè)動(dòng)作監(jiān)控界面中的運(yùn)動(dòng)控制、業(yè)務(wù)及各模型的當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。

(2) 流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控界面中“進(jìn)出港”監(jiān)控和“門(mén)座吊裝卸貨”監(jiān)控分離，兩者可以隨時(shí)執(zhí)行，相互獨(dú)立。

(3) 流程運(yùn)動(dòng)監(jiān)控界面與單個(gè)動(dòng)作監(jiān)控界面的切換。

(4) 界面中“暫停”與“繼續(xù)”按鈕的切換。

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