基于組態王生產線故障報警監控系統的設計*

麻麗明，樊新乾

（河北機電職業技術學院電氣工程系，河北邢臺 054000）

0 引言

在復雜多變的工作環境中，及時解決處理突發故障，是提高工作效率的首要條件。在實際工廠生產過程中，對于多條生產線同時工作時，時常會因為某一段區間發生故障而影響整條生產線甚至整個工廠的生產過程，導致無法準確地排查故障的位置，而耽擱生產周期，影響整條生產線或整個生產的進度，極大地降低了生產效率，因此工作技術人員為了準確查找到故障的位置，減少時間的浪費就成為解決實際生產的急需關注的問題。

針對以上出現在生產中的故障，迅速排查到故障的位置，對于提高生產的效率，減少人員的浪費，有著十分重要的作用。該系統利用工業組態監控軟件可以實現對實際生產線上的數據進行實時交互，實時跟蹤生產過程，實現遠距離數據和狀態的監控。組態王Kingview 是一款工業通用型的組態監控軟件，該軟件運行于Windows 系統，操作人員可以通過互聯局域網絡實時獲取生產數據[1-2]。

本系統以實際生產線為研究背景，利用組態王監控軟件和硬件S7-200 SMART PLC 為控制器設計實現了主站與多個從站的故障報警監控系統。當某個從站生產線在實際運行時，系統檢測到故障信號觸發后，系統發出報警信號，工作技術人員可以根據監控界面故障發生前后狀態的改變和實際報警信號的實際動作，來判斷具體故障發生的位置，及時發現故障和進行維修，多個從站PLC 控制器編寫梯形圖對整個控制系統進行控制操作，使整個監控系統表現出了良好的運行穩定性和可行性[3]。

1 主站與多從站生產線故障報警監控系統

1.1 主站與從站設計

生產線上的故障可能發生的位置有很多，可以根據實際的生產環境設置不同的位置編號。但是每一處位置的報警信號處理過程都是類似的，檢測到報警信號的觸發，發出報警信號指示。在多個不同位置加裝故障報警監控系統，不同位置故障報警系統的關系網絡如圖1 所示。

圖1 故障報警系統關系網絡

整個的多條生產線的大生產環境中，有兩種網絡選擇：（1）可以使用多I/O 輸入輸出點數的大型PLC 設備，給每條生產線的故障報警變量分配不同的I/O 端子，在PLC 程序中使用主程序調用多條子程序的方法，在節約了控制器的前提下增加了區域布線的程序編寫上的調用，單個控制器PLC 發生故障很容易導致整個控制系統的運行故障；（2）利用多條生產線、多個控制器PLC 分別控制，然后通過局域網絡形成一個主站與多個從站的控制環境，雖然增加了PLC 控制器成本，但系統分工明確，操作簡單，單個從站的故障不會影響整個控制網絡的故障，具有一定的穩定性和安全性。

1.2 單個從站系統設計

每條生產線上均設置安裝故障報警系統，當哪條生產線有故障觸發時，就能很迅速地去查知故障所在，根據單個故障報警環節的系統控制要求，單個硬件控制環節的結構如圖2所示。

圖2 單個硬件控制環節結構

故障報警控制環節的系統的具體控制要求：在一個實際的生產線運行過程中，假設系統發生故障，報警信號被觸發，報警蜂鳴器和報警閃爍燈同時開始動作，但是閃爍燈是以亮2 s，熄滅3 s 的周期進行閃爍，閃爍20個周期后蜂鳴器和報警燈同時停止工作。

根據該控制系統的實際控制要求，組態王監控進行監控畫面的繪制，完成硬件和軟件實施通訊連接，可以實現對控制現場的報警狀況實時數據狀態進行監控[4-5]。

2 單個從站系統控制方案

2.1 方案規劃

根據單個從站控制環節的報警系統的控制要求，生產線故障報警監控系統的控制流程如圖3 所示。控制流程：生產線系統在接收到報警信號觸發后，整個控制系統會發出報警信號，分別是蜂鳴器持續響起，報警閃光燈也開始以亮2 s 和滅3 s 的周期進行閃爍，報警閃光燈持續20個周期后，蜂鳴器和報警閃爍燈停止輸出。

圖3 過程控制流程

2.2 梯形圖程序設計

根據控制要求分析可得，故障信號為輸入信號，報警閃光燈和蜂鳴器作為輸出信號。具體系統I/O 分配如表1所示。

表1 控制系統I/O分配

由以上對控制系統分配的I/O 地址，根據PLC 的硬件結構系統組成，可以設計繪制出PLC 的接線圖如圖4所示。PLC 接線分為輸入回路和輸出回路兩部分，針對實際生產過程中的控制要求，設計出以上控制系統，假設實際生產中的故障信號觸發系統中的I0.0 輸入端子，蜂鳴器連接輸出端Q0.0，報警燈連接輸出端Q0.1。I0.0連接輸入電源和公共端形成閉環回路，Q0.0 和Q0.1 連接輸出電源和公共端形成閉環回路。

圖4 PLC外部接線

根據單個故障報警控制系統的控制要求，I/O 分配，利用S7-200 SMART PLC 編程軟件進行程序設計出的生產線故障報警PLC 系統程序如圖5 所示。單個故障報警控制系統的程序如圖所示，第一行程序故障信號I0.0 觸發后，輸出端子Q0.0 線圈得電，同時常開觸點Q0.0 閉合，第一行程序自鎖，Q0.0（蜂鳴器）線圈持續輸出；第二行程序中常開觸點Q0.0也因為線圈Q0.0的得電也閉合，Q0.1（閃光燈）輸出端子線圈得電使閃光燈亮起，同時定時器T37開始計時，計時時間為2 s，計時時間2 s到，Q0.1（閃光燈）熄滅；第三行程序中的常開觸點T37 在計時時間2 s 到后得電閉合，此時定時器T38 開始計時，計時時間為3 s，T38 計時時間到，第二行程序中的常閉觸點T38 變為打開狀態，使定時器T37 停止計時；第四行程序中C0 計數加1，Q0.1（閃光燈）又開始下一個周期循環，直到C0 計數達到20 后，蜂鳴器停止工作，使計數器C0復位，整個控制系統停止循環[6]。

圖5 PLC系統的程序

3 多個從站故障報警監控系統

3.1 系統硬件和軟件設計

組態軟件組態王運行于windows 操作系統、PLC 編程軟件為STEP 7-MicroWIN SMART。

組態軟件為組態王kingview7.5，根據生產線故障報警監控系統實際要求，利用組態王軟件的操作流程繪制出多個從站的監控畫面，具體的監控界面操作步驟如下：（1）建立新的工程文件；（2）監控畫面的繪制；（3）數據詞典變量的建立；（4）組態監控畫面的動畫連接操作；（5）命令語言的編寫；（6）監控畫面的運行。通過以上步驟完成多個從站生產線故障報警監控界面的設計。

3.2 系統軟件與硬件的通信

組態王與S7-200 SMART PLC 連接。要使組態王與PLC 編程軟件成功通訊，需要在工控機上安裝一個驅動文件，這樣才能夠使組態王與STEP 7-MicroWIN SMART連接成功。具體操作：進入亞控官網下載最新S7-TCP驅動，對下載的驅動文件解壓后，用記事本方式打開kvS7200 文件進行編輯。需要提前查找到PLC 的IP 地址和上位機電腦的IP 地址，在kvS7200 文本需要修改填寫PLC 硬件的IP 和上位機的IP 地址。如圖6 所示，在填寫IP 地址時必須保證兩個IP 地址在同一個網段，這樣才能順利通信。

圖6 驅動文本內容

設置完IP 地址的填寫后，需要對指定的文本進行驅動更新操作，打開開始菜單在組態王安裝目錄下的“驅動安裝工具” 選擇剛才解壓并編輯保存的文件夾，選中S7-TCP.dll 打開安裝直到安裝完成[7]。安裝如圖7所示。完成組態王與S7-200 SMART TCP 連接之間的驅動安裝后，即可實現組態王與S7-200 SMART PLC 之間的通信連接[8]。

圖7 驅動安裝

在利用組態監控界面進行實時數據監控時，需要在組態王中建立新的數據詞典變量，其中變量的類型I/O變量和內存變量兩大類，I/O變量能夠完成實時數據與組態王的通信，內存變量在組態王不利用外部數據可以實現內部畫面與數據的交互。為了實時監控外部的報警狀況，本系統需要建立的數據詞典的變量如表2所示。

表2 組態軟件變量

建立完數據詞典后，接下來就是對畫面圖素進行動畫鏈接才能實現組態監控界面與外界數據的實時交換。

3.3 監控界面設計

該主站與多個從站故障報警監控系統，主站和從站的控制器選用S7-200 SMART PLC，利用以太網實現對多個控制器之間的局域網絡控制，每個從站的PLC 控制器完成梯形圖程序的編寫，實現單個故障報警控制系統的運行，在保證系統運行穩定的前提下，為了直觀高效地對生產線故障報警遠距離的監控，利用組態王監控界面實現了對多個生產線實時故障報警狀況的監控，監控界面如圖8 所示。根據實際的控制現場，可以實時的繪制出生產線。如圖有3條生產線，在沒有故障時，3條生產線的報警信號燈、報警閃爍燈、蜂鳴器的狀態顏色都是綠，當其中某一條生產線有故障時，其對應的報警信號燈、報警閃爍燈、和蜂鳴器都會通過接受外部變量的狀態值的變化而改變成紅色，實現了生產技術人員不在現場的情況就能及時的通過監控畫面的改變得知實際生產現場故障發生的情況。

圖8 多從站監控界面

3.4 仿真效果與分析

通過模擬運行和仿真實現，假設一號生產線在運行中故障信號被觸發，對應的一號生產線的報警信號燈、報警閃爍燈和蜂鳴器會通過設置好的讀取外界變量的狀態值的變化，監控界面中相應圖素顏色的改變來提醒技術工作人員故障發生的位置，圖9 所示為一號生產線故障報警前后監控界面的變化。根據報警監控界面中報警信號、報警閃爍燈、蜂鳴器的顏色變化，能夠及時發現具體發生故障的生產線，提高了排查故障和維修故障的效率。

圖9 故障報警前后對比

4 結束語

本主站與多從站故障報警監控系統的設計，在保證了實際生產線的前提下，通過S7-200 SMART PLC 對多個從站完成故障報警程序的編寫，實現了生產線有故障信號觸發時，通過報警閃爍燈和蜂鳴器的輸出及時提醒到維修人員去發現和維修故障。而且又通過組態王監控軟件的監控界面的實時監控功能，實現了人員不在生產現場遠距離也能及時得知故障發生位置。在保證了多從站生產線穩定運行的前提下，設計和實現了組態遠距離監控的功能，極大程度地解決了人員的浪費，提高了實際的生產效率，在實際的生產和資源利用方面具有很高參考價值。