基于MCGS組態(tài)軟件的排氣臺集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

常欣CHANG Xin

（中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安710065）

0 引言

早期的控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件都是由軟件開發(fā)人員編程實現(xiàn)，工作量巨大，通用性差，易出錯，且查找問題困難。20世紀(jì)80年代初期，組態(tài)軟件應(yīng)運(yùn)而生。作為一種應(yīng)用軟件，組態(tài)軟件隨著PC機(jī)的興起而不斷發(fā)展起來。80年代的組態(tài)軟件大都運(yùn)行在DOS環(huán)境下，圖形界面的功能不是很強(qiáng)。90年代，隨著微軟的Windows 3.0風(fēng)靡全球，以Wonderware公司的InTouch為代表的人機(jī)界面軟件開創(chuàng)了Windows下運(yùn)行工控軟件的先河[1]。目前國內(nèi)已有很多種自主開發(fā)的組態(tài)軟件，相比國外同類軟件具有成本低，簡單易用等優(yōu)勢。本文介紹的排氣臺監(jiān)控系統(tǒng)以工控機(jī)作為上位機(jī)，MCGS通用版組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，通過兩個RS485串行通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多個排氣臺的集中監(jiān)控。由一系列運(yùn)行策略和腳本使上位機(jī)自動完成溫度和壓力數(shù)據(jù)采集與記錄、設(shè)備故障報警提示、報警信息記錄等一系列功能。

1 集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案及硬件組成

排氣臺是我單位重要的科研生產(chǎn)設(shè)備，主要用來為激光陀螺諧振腔抽真空并烘烤。以往都是由設(shè)備操作人員手工記錄工藝過程中的參數(shù)，但手工記錄存在記錄間隔時間長、記錄內(nèi)容不全面、易出錯、出現(xiàn)異常后不能在第一時間發(fā)現(xiàn)并處理等諸多弊端。使用部門迫切要求使用計算機(jī)替代人工對工藝過程進(jìn)行監(jiān)控和記錄。本文介紹了該項改造的設(shè)計和實現(xiàn)過程。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計 使用部門要求不能對原設(shè)備性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響，同時要求改造成本不能過高。因此本文全部利用設(shè)備已有的儀表和傳感器采集數(shù)據(jù)。只添加模擬量采集模塊和PLC等輔助設(shè)備，對原設(shè)備沒有任何影響。

每個排氣臺有溫度、真空度和壓力三個參數(shù)需要監(jiān)控和記錄。溫度的控制是用島電溫控表實現(xiàn)的，可通過自帶的通信接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。真空度和壓力分別由真空計和薄膜壓力計測得，兩種儀表都具有模擬量輸出功能，可用模擬量采集模塊采集數(shù)據(jù)，并傳回上位機(jī)。為了讓操作人員在第一時間發(fā)現(xiàn)異常情況，在廠房顯著位置安裝信號燈塔，指示設(shè)備工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常時發(fā)出聲光報警。上位機(jī)按固定周期采集并記錄各個排氣臺的工藝參數(shù)，判斷是否有異常情況，并通過PLC間接控制燈塔顯示當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)。本文選用RS485協(xié)議作為系統(tǒng)的通信協(xié)議，因為該協(xié)議只需要兩根導(dǎo)線就可以傳輸數(shù)據(jù)，布線簡單，傳輸距離長，抗干擾性好，技術(shù)成熟，成本較低，并且大多數(shù)儀表設(shè)備都支持該協(xié)議。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件組成 本文涉及了兩種型號的島電溫控表，F(xiàn)P21和FP23，后者是前者的替代型號。FP21控制精度高且功能強(qiáng)大，被廣泛應(yīng)用于高精度溫控領(lǐng)域。它自帶九針通信接口，可選擇RS232或RS422通信協(xié)議。由于不支持RS485協(xié)議，必須使用通信轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。FP23進(jìn)行了改進(jìn)，通信接口為RS485協(xié)議，可直接接入RS485通信網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)備所用真空計都是北京大學(xué)無線電系生產(chǎn)的DL-7型真空計，該儀器可選裝RS232數(shù)字輸出、電壓或電流信號模擬量輸出，本文涉及的真空計選用4-20mA電流信號將測量值輸出。

薄膜壓力計的型號是萊寶公司出品的Center Two系列，該儀器有兩條測量通道，可同時連接兩只傳感器，每條通道都配有一路0-10V模擬量輸出通道，本文中只需要采集其中一路信號。

模擬量采集模塊選用研華公司的ADAM-4117，該產(chǎn)品可以同時采集8路同種或不同種類的模擬量信號，有較強(qiáng)的抗干擾能力，工作可靠、通用性強(qiáng)。初次使用ADAM-4117時必須使用其自帶軟件對設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，為每個通道選擇輸入信號的類型。如果是電流信號，還需要拆開外殼，設(shè)置電路板上的跳線。

PLC選用西門子公司S&200系列，使用3個繼電器輸出點分別控制信號燈塔上的綠色、紅色指示燈和蜂鳴器。該P(yáng)LC配有RS485通信接口。

通信轉(zhuǎn)換模塊用來實現(xiàn)通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，以及信號的隔離和中繼。FP21溫控表使用無源型RS232轉(zhuǎn)RS485模塊，工控機(jī)使用有源型帶隔離功能的RS232轉(zhuǎn)RS485模塊。通信網(wǎng)絡(luò)使用雙芯屏蔽線纜，如需進(jìn)一步提高抗干擾效果，可采用屏蔽雙絞線。

1.3 通信設(shè)置 設(shè)備或儀表接入RS485網(wǎng)絡(luò)時必須正確設(shè)置與通信有關(guān)的參數(shù)，否則會導(dǎo)致通信異常，導(dǎo)致無法與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。常見的參數(shù)有地址號（站號）、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗、通信格式等，這些參數(shù)中除了地址號不能沖突外，其他參數(shù)都要一致。島電溫控儀可通過面板上的按鈕進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇和設(shè)定，模擬量采集模塊和PLC則需要借助專門的軟件進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)置的過程中發(fā)現(xiàn)FP21的波特率最高能設(shè)置為4800，而PLC的最低值為9600，因此這兩種設(shè)備不能同時放在一個網(wǎng)絡(luò)中，必須將它們分離。另外，在通信試驗中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P21和FP23同時置于一個RS485網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)P23的通信會受到干擾，無法正常使用，因此本例采用如圖1所示的兩個獨立網(wǎng)絡(luò)將FP21與PLC和FP23分開，同時解決了通信上的兩個矛盾。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計

硬件連接完成后，就可進(jìn)行上位機(jī)界面的制作，本文選用MCGS通用版組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面。MCGS是用于快速構(gòu)造和生成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺上運(yùn)行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案,在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通用版由組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個獨立系統(tǒng)組成，前者用于編輯和開發(fā)，后者用于運(yùn)行已開發(fā)的組態(tài)工程。編輯環(huán)境由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略5部分構(gòu)成。主控窗口主要進(jìn)行功能或?qū)傩缘脑O(shè)定；設(shè)備窗口負(fù)責(zé)連接和驅(qū)動外部設(shè)備；用戶窗口用于生成和設(shè)置人機(jī)交互界面；實時數(shù)據(jù)庫完成所有數(shù)據(jù)交換和處理的工作；運(yùn)行策略用于實現(xiàn)各種流程控制。

2.1 關(guān)聯(lián)外部變量 設(shè)備窗口是外部變量與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，如果設(shè)備窗口組態(tài)錯誤，上位機(jī)就無法正確采集外部數(shù)據(jù)。首先在設(shè)備管理窗口中向設(shè)備工具箱添加需要使用的設(shè)備：通用串口父設(shè)備、FP21溫控儀、FP23溫控儀、ADMA4117采集模塊和S7-200可編程控制器。本文使用兩個RS485網(wǎng)絡(luò)，通過轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)兩個串口連接，因此需要向設(shè)備窗口中添加兩個通用串口父設(shè)備，接著向兩個父設(shè)備中分別添加子設(shè)備，然后需要對已添加的設(shè)備逐一進(jìn)行配置。為方便管理，可以修改設(shè)備名稱并添加注釋。

在通用串口父設(shè)備的屬性列表中，必須對采樣周期、串口端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗方式進(jìn)行設(shè)定，其中波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗方式應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他儀表、設(shè)備的設(shè)定值保持一致。在其他子設(shè)備的屬性列表中，必須在基本屬性菜單中設(shè)定設(shè)備地址，接著在通道連接菜單中為需要采樣的通道設(shè)置變量名稱。如果菜單中沒有提供所需的通道，可在基本屬性菜單中的內(nèi)部屬性欄中添加所需的通道。有時采集的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成工程值，數(shù)據(jù)處理菜單中提供了8種公式用來進(jìn)行數(shù)值的轉(zhuǎn)換。

變量設(shè)置完成后可以在設(shè)備調(diào)試菜單中測試設(shè)備的通信是否正常，采集的數(shù)據(jù)是否與實際值吻合。每一種設(shè)備的0號通道都是通信狀態(tài)指示通道，假如該通道的值為“0”，表示該設(shè)備與上位機(jī)通信正常，如果為“1”則通信不成功，應(yīng)從參數(shù)設(shè)置和硬件接線兩方面進(jìn)行檢查。

2.2 界面設(shè)計 界面設(shè)計和組態(tài)在用戶窗口部分中進(jìn)行，工具欄中提供了各種控件，方便用戶快速生成所需要的監(jiān)控畫面。本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)主要由一個主畫面和若干個相同結(jié)構(gòu)的子畫面構(gòu)成。主畫面顯示了每一部排氣臺的工作狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)，右上角有一個信息顯示窗口，可顯示最近發(fā)生的3條報警信息，還有與信號燈塔同步的指示燈。圖2為主畫面中一部排氣臺的組態(tài)畫面。區(qū)域1是工作狀態(tài)指示燈，工作時為綠色，報警時為紅色并閃爍。區(qū)域2、3分別是充氣指示燈、通信狀態(tài)指示燈。區(qū)域4、5、6分別是真空度顯示區(qū)、壓力值顯示區(qū)、溫度顯示區(qū)。用鼠標(biāo)點擊狀態(tài)顯示畫面就會進(jìn)入該排氣臺子畫面。子畫面中除了能夠顯示各種實時數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，還以直觀的方式顯示出充氣時的壓力曲線和加熱時的溫度曲線。

圖2 組態(tài)畫面

2.3 溫度值選擇性記錄 加熱烘烤是排氣臺的一項主要功能，因此需要記錄整個烘烤過程的溫度變化情況。組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫提供了定時存盤功能，監(jiān)控系統(tǒng)可按照指定的周期將變量的當(dāng)前值存入數(shù)據(jù)庫中。這種方法簡單可靠，但缺點是會存入兩次烘烤工藝之間大量無用的溫度數(shù)據(jù)。增加數(shù)據(jù)庫的負(fù)擔(dān)，并且不易區(qū)分每個烘烤過程的起止時間，不便于工藝記錄的查詢和瀏覽。本文利用循環(huán)策略和事件策略配以相應(yīng)的腳本程序，實現(xiàn)了選擇性保存數(shù)據(jù)的功能。監(jiān)控系統(tǒng)自動判斷烘烤工藝的開始和結(jié)束，并將該過程中的溫度數(shù)據(jù)存入以起始時間為文件名的文本文件中。這種方法有以下優(yōu)點：

①數(shù)據(jù)量相對較小，且不在數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)，可以有效防止數(shù)據(jù)庫溢出。

②每一次烘烤都有一個對應(yīng)的記錄文件，方便查找、瀏覽和管理。

③監(jiān)控系統(tǒng)自動判斷并記錄烘烤開始和結(jié)束的時間，不需要人工干預(yù)，降低出錯概率，同時也減輕了操作人員的工作量。

溫度數(shù)據(jù)記錄功能由運(yùn)行策略模塊的循環(huán)策略和事件策略共同完成。循環(huán)策略按照設(shè)定的周期執(zhí)行特定的腳本程序或其他操作，本文中將循環(huán)策略的執(zhí)行周期設(shè)定為30秒。事件策略由某一特定事件觸發(fā)，當(dāng)該事件策略被出發(fā)后，將執(zhí)行指定的家本程序或其他操作。FP21溫控表在待機(jī)狀態(tài)時的目標(biāo)值（SV值）是0，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時SV的值會變?yōu)槌绦蛟O(shè)定的數(shù)值，通常都大于20。根據(jù)這一特點，使用SV值作為判斷是否進(jìn)行烘烤工藝的依據(jù)。當(dāng)SV值大于20時，事件策略首先被觸發(fā)，并執(zhí)行腳本程序在指定目錄下創(chuàng)建一個以當(dāng)前日期和時間為名稱的文本文件，并按照固定的格式將記錄文件起始內(nèi)容寫入該文本。循環(huán)策略中的腳本文件判斷SV值大于20后，會將當(dāng)前時間、該溫控表的當(dāng)前值（PV值）、SV值和當(dāng)前真空度作為一條記錄以固定的格式寫入由事件策略建立的文本文件中。也就是說，監(jiān)控系統(tǒng)每30秒鐘向該文件寫入一條記錄，直到烘烤程序結(jié)束時，SV值又回到0，系統(tǒng)自動停止記錄。

2.4 報警 烘烤工藝長達(dá)數(shù)十小時，操作人員不可能一直守在某臺設(shè)備旁，如果發(fā)生異常，很難在第一時間發(fā)現(xiàn)，因此需要報警功能提醒操作人員及時進(jìn)行干預(yù)。報警功能也是由循環(huán)策略和事件策略共同實現(xiàn)。報警判斷的依據(jù)是烘烤溫度和真空度。當(dāng)PV值與SV值的偏差大于6時，或者真空度大于0.006帕?xí)r，認(rèn)為設(shè)備出現(xiàn)異常。循環(huán)策略每次執(zhí)行時都對所有正在工作的排氣臺進(jìn)行判斷，如果有排氣臺正在進(jìn)行烘烤工藝，系統(tǒng)就通過PLC將信號燈塔上的綠色指示燈點亮；如果報警條件成立，則系統(tǒng)通過PLC點亮紅色指示燈并控制蜂鳴器發(fā)出警報，同時觸發(fā)對應(yīng)的報警事件策略。該策略將發(fā)生報警的設(shè)備編號、報警發(fā)生時間、PV值、SV值和真空度按照固定格式寫入指定的報警信息文本文件中，同時將報警信息顯示在監(jiān)控系統(tǒng)主界面的消息窗口中顯示，使操作人員一目了然，以便盡快采取措施。當(dāng)異常情況被排除后，聲光報警關(guān)閉，由報警事件策略將此時的數(shù)據(jù)和信息寫入報警信息文件中，并同時顯示在主界面的窗口中，形成一個完整的報警記錄。

3 結(jié)束語

本文介紹的集中監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用設(shè)備原有儀表采集相關(guān)數(shù)據(jù)，不改變設(shè)備結(jié)構(gòu)和布局，對設(shè)備性能沒有任何影響，具有改造周期短，成本低，易于維護(hù)，非常適合對已有設(shè)備進(jìn)行信息化和數(shù)字化改造。排氣臺集中監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，實踐證明該系統(tǒng)可以提升質(zhì)量管理水平，降低勞動強(qiáng)度，從而提高生產(chǎn)效率，具有較高的應(yīng)用和推廣價值。

[1]林偉.淺談組態(tài)軟件發(fā)展趨勢[J].自動化博覽，2003.1.

[2]MCGS用戶指南.

[3]MCGS參考手冊.