基于Delphi的車間設備運行狀況監控系統設計

殷蘇民，徐啟祥，鄭昌俊

（江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212013）

0 引言

隨著社會的發展，工廠車間的結構越來越復雜，由于工廠車間設備的控制和運行狀況不便于人工現場操作，因此，工廠車間設備的監控系統具有十分重要的意義。本文以退火爐車間為例設計了一套新型的車間設備運行狀況監控系統。采用RS485總線進行數據傳輸，PLC作為信號采集與數據存儲的核心，使用Delphi開發的軟件結合ACCESS數據庫對PLC中的數據進行處理。該系統可以隨時打開上位機軟件對退火爐車間設備的數據進行處理、查詢、統計分析等操作，該設計對于企業生產車間設備的實際運行狀況有著準確的把握，具有實用性、高效性和準確性的特點。

1 系統功能及其組成

1.1 系統功能

該監控系統能夠同時監控13臺退火爐設備的運行狀況，可以對用電時段和溫度階段進行參數設定。進行監控時，可選擇任意的單臺退火爐設備進行單獨監控或組合監控，并能夠實時顯示參數和保存數據。可以對單臺設備的監控狀況進行相應的操作，如人工填寫產品工序名稱和輸入操作員編號，選擇查詢數據的起始時間和結束時間查詢相對應設備的數據。退火爐設備的數據通過ADO控件實現Delphi 7開發軟件與ACCESS數據庫的互連和保存，數據庫包括單臺設備的基本信息、監控狀態的統計信息和監控數據，計算機作為人機交互平臺完成整個系統的操控。

1.2 系統硬件組成

該監控系統硬件環境如圖1所示，主要由上位機（計算機）和下位機兩部分組成。

圖1 監控系統硬件組成

數據采集部分包括溫控器、電能表、PLC等，基于監控系統組網的要求。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議》。PLC選用電源模塊CJ1W-PA202，CPU模塊為CJ2M-CPU11，該型CPU模塊的數據容量為32k，并且帶有RS232串行通信端口，能夠實現監控數據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通訊端口可以實現對整個系統監控數據的采集。

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

2 系統軟件設計

上位機軟件選用Delphi作為開發平臺，結合數據庫技術編寫而成，主要實現一些具體的控制命令和監控。上位機軟件由多個界面組成，可分為實時監控界面，單臺設備監控界面以及參數設定界面三類。

實時監控界面包括13臺設備的實時溫度和電量參數顯示，監控畫面按鈕可以隨時切換到單臺設備的監控界面，參數設定按鈕可以對用電時段和每臺設備的溫度參數進行設定，實時監控界面如圖2所示。單臺設備監控界面包括人工填寫產品工序名稱、工作日期時段、操作員等基本信息，通過Delphi建立與外部Access數據庫的連接將這些信息存入數據庫。單臺退火爐數據查詢界面，包括根據退火爐的基本信息選項查詢出設備的各項監控數據以及對監控數據進行平均值、最大值、最小值等的統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，調用事先做好的Excel報表模版，再將查詢得到的數據動態填入Excel模版中實現。單臺設備歷史曲線界面，包括曲線繪制啟停的選擇、理想時間-溫度曲線取點設置等，通過實際曲線和設定曲線的對比反應出該設備不同時段處在不同的溫度階段。

圖2 實時監控界面

3 系統通信的實現

該系統工作時，上位機通過串口與PLC通信，PLC通過485總線與多儀表通信，實現對整個系統的監控，因此，通信程序的開發是監控系統開發中的重點。

3.1 上位機與PLC通信

該系統在Windows7操作系統下用Delphi 7開發的監控系統，利用第三方套件ComPort Library中的TcomPort、TcomDataPacket組件設計了上位機與歐姆龍PLC的串行通信程序，對車間設備的運行狀態進行監控。

3.1.1 通信協議

HostLink協議是歐姆龍PLC專用串行通信協議，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內存區的數據、運行狀態和強迫置位等。該系統串行通信時，選用FINS指令，可以對CJ2M實現直接讀寫。在該系統無論上位機發出的控制指令還是PLC的響應數據，它們都是通過數據幀進行傳送，而且都遵從一定的格式，數據從上位機發出的是命令幀，從PLC接收的是響應幀，在FINS指令下命令幀和響應幀格式如圖3所示，具體含義如表1所示。校驗碼是FCS校驗碼，即一幀數據的第一個字符到該幀命令數據的最后一個字符作“異或”運算的結果，用兩個ASCII碼表示，它在通信中是必不可少，它保證傳輸數據的可靠性，經過上位機編程計算得到，并設置在命令幀中。

圖3 通信協議的命令幀和響應幀格式

表1 幀格式的具體含義

3.1.2 上位機通訊實現

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

procedure TForm1.FormCreate(Sender： TObject);

begin

Comport1.Port：='COM1'; //設定端口號

Comport1.BaudRate：=br9600; //設定波特率

Comport1.DataBits：=dbSeven; //設定數據位

Comport1.StopBits：=sbTwoStopBit; //設定停止位

Comport1.Parity.Bits：=prEven; //設定校驗位

ComDataPacket1.ComPort：= Comport1; //設定TComDataPacket對應的

ComDataPacket1.CaseInsensitive：=true; TComPort

ComDataPacket1.StartString：=’@’; //設定數據包的起始字符

ComDataPacket1.StopString：=chr(13); //設定數據包的結束字符

end;

3.2 PLC與儀表通信

該系統中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標準串行電氣接口，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據發送請求消息，溫控器和電表以應答的方式將數據送至PLC。

3.2.1 PLC與溫控器間的通訊

該系統中溫控器保持RS485通訊支持Modbus-RTU協議，PLC選擇端口1，波特率設為9600bps，校驗方式為無校驗，通訊方式為串口網關。對于Modbus-RTU傳輸模式，消息發送要以4個字符時間的停頓間隔開始，從站地址是被第一個傳輸的8位二進制，十六進制數0...9，A...F，溫控器不斷對通訊網絡進行偵測。當接收到地址域，每個設備都對下一個域進行解碼以判斷是否發送給自己。當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志消息的結束。在前一個消息結束后，下一個消息可在此停頓后開始。

圖4 通訊程序時序圖

該系統中PLC作為采集主站，發送的請求指令為對溫度的讀取指令。以讀取01號溫控器當前溫度值為例，需要發送的數據幀為“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，通信數據字節數04H傳送到D32202，通訊數據校驗碼53H傳送到D32203，運用PLC的485模塊將請求幀由PLC發送至溫控器網絡。Modbus-RTU簡易主站功能執行開關A641.00從OFF變為ON后，應答數則被保存到D32254和D32255，運用MOVD指令將溫度參數傳到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議》，PLC選擇端口2，波特率設為1200bps，數據位為8位，一個停止位，校驗方式為偶校驗，通訊方式為RS232C。

依據DL/T645對消息幀的要求，設置消息幀中字節允許的最長間隔時間為500ms，結束符為16H。該系統中PLC作為采集主站，發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，在發送數據幀信息之前，先發送1～4個字節FEH，以喚醒接收對方。因此，需要發送的數據幀為“FEFE FEFE6868030020153368010263E9F216”。用MOV指令建立18個字節的地址區D100～D108，將請求幀由TXD指令發送至電表網絡。PLC正確發送請求幀后A392.05返回值為1，當網絡上電表接收到發送的請求幀后，電表表號與請求幀中吻合的電表做出相應，發送應答幀“FEFEFE6868030020153368C101359A16”至網絡，此時PLC A392.06返回值為1，調用RXD指令接收數據并運用MOV指令傳送給PLC中由用戶指定的數據區中。

在車間設備監控系統的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，數據采集到PLC中將數據存儲在DM區。使用Delphi開發的軟件與PLC進行通訊，上位機能夠讀寫PLC數據區DM里的數據。當上位機需要讀取PLC中數據時，在監控界面給它一個指令，上位機軟件將PLC中DM區的數據讀取存放ACCESS數據庫，從而對采集到的數據進行處理分析。

4 結束語

設計的退火爐車間設備運行狀況監控系統實現了基于Delphi開發軟件、RS485總線和PLC協同工作下退火爐車間設備運行狀況的自動監控與數據保存，克服了車間設備分布距離較遠的數據傳輸問題，以及保證了系統長時間運行的可靠性。經過測試和試用，已在實際中應用，極大的提高了工廠車間設備的運行效率和增強了監控系統的穩定性。

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