基于組態的工業監控系統設計

于超 遼寧錦州渤海大學工學院

基于組態的工業監控系統設計

于超 遼寧錦州渤海大學工學院

伴隨著工業技術的發展，自動化技術愈來愈廣泛地使用于各種工業過程中。這個課題針對工業自動化生產線，構建了工業監控系統，用于模擬實際工業生產過程，為我們展示了一個接近于實際工程應用的監控環境。

可編程控制器 組態王 監控

1 引言

目前，隨著科學技術的高速發展，中國的生產企業即將會面臨越來越多的挑戰。為了能夠在競爭激烈的全球市場上獲得成功，企業必須通過提高生產效率來降低運營的成本，同時，還要符合環保的要求。而智能監控系統與自動化技術的出現，為企業解決這些難題提供了技術的保障，對工業績效的改善起到了一定的促進作用。

2 系統總體設計

系統使用組態王作為上位機組態軟件，使用工業PC作為上位機，將PLC作為下位機，他們之間使用PPI通信。組態王通過對現場數據的采集處理，以組態畫面顯示，PLC程序控制，用畫面顯示和實時監控來向廣大用戶提供解決實際工程問題的方案。首先，本課題是基于PLC的自動化生產線監控系統的組態設計，結合控制要求，我采用西門子PLC S7-200以及組態王軟件進行設計。分析自動化生產線各個站的工作流程，建立程序模型，設計各站PLC控制程序。運用組態王軟件組建上層監測系統，闡述設計方法，設計自動化生產線系統的監控程序。對自動化生產線系統進行安裝調試，確保程序準確，監控程序能動態反映自動化生產線系統的運行過程。系統總體框圖如圖1所示：

圖1 系統總體框圖

根據現在的市場需求，工業自動化已經成為了一種發展趨勢，尤其在計算機技術和監控技術的快速發展后，工業自動化的水平在不斷提高，所以計算機監控技術和PLC技術在工業自動化中的應用已成為了一種必然的結果。本文通過采用組態王軟件和PLC可編程器，調試出一套適合自動化生產線的監控系統。這樣不僅可以通過plc編程來實現大數據量的串口通信、復雜的數據分析與處理等功能，還可以利用組態軟件方便快捷的界面設計功能。其中，上位機是完成數據通信、人機交互和數據處理、網絡管理等功能。在這個工控網絡中，西門子PLC S7-200是六個站的下位機軟件，主要來完成數據的采集以及對設備的控制。本系統能夠在運行后對自動化生產線進行在線監控，而實際中的運行效果表明了監控系統在工業控制的各監控點之間的連續、可靠的數據信息交換得到了實現，也表明了這種監控系統是安全有效和經濟實用的。

3 硬件設計

硬件設計是PLC控制系統的非常重要的一個環節，這關系著PLC控制系統運行的安全性、可靠性以及穩定性。

3.1 硬件選型

物料傳感器即固體壓力傳感器，經過分析，我選用LH-S05微型拉壓力傳感器，這是一種拉壓兩用型力傳感器，體積小，安裝很方便，測力部分是外螺紋；傳感器精度非常高，動態響應也很快，具有非常優越的線性跟重復性；這種類型是傳感器被廣泛應用于自動化測力領域。參數如表1所示。

表1 物料傳感器參數表

顏色傳感器是將物體顏色跟之前已經顯示的參考顏色進行比較來檢測顏色的機器。經分析，采用TCS3200D顏色傳感器。這個傳感器是TAOS公司推出的RGB彩色光/頻率轉換器，帶有數字兼容借口，能夠在內部配置硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉換器。TCS3200D的主要特點是：它可以通過可編程來調整色彩與滿度的輸出頻率；它可以跟微處理器直接建立通訊；還可以轉換很高分辨率的光照度以及頻率。

3.2 電氣控制部分

氣壓傳動系統的工作原理，是利用空氣壓縮機把電動機或者其他原動機輸出的機械能轉化為空氣的壓縮能，然后在控制元件的控制下以及其他輔助元件的配合下，通過執行元件把空氣的壓縮能轉化為機械能，從而完成直線或回轉運動并且對外做功。

3.3 系統主電路圖

系統主電路如圖2所示。

4 軟件設計

圖2 系統主電路圖

圖3 上料檢測站程序圖

本課題采用PLC控制，各站獨立控制，可編程與組態王之間由PPI通信，在自動化生產線上，根據各個工作站的工藝流程，先建立了可編程控制器程序的結構模型，還設計了基于PLC的控制程序，下面將著重介紹各站當中比較關鍵的幾個程序網絡。

4.1 上料檢測站設計

上料檢測站中，提升裝置將物體提升至上限之后，待計時器計時2S，通過顏色檢測之后，將會輸出黑色，否則為白色。具體PLC程序如圖3所示。

4.2 分類站設計

在整個自動化生產線上，分類站的功能尤為重要。分類站需要把各個工件按照大白、小白、大黑、小黑這四種類型分類放置，并且分兩層計數。首先，在組態中，我采用編寫命令語言的形式，將工件分別按照四種類型分類并且分層計數，然后利用PLC編程實現工件的放置。當可編程接受到組態王的信息后，將會控制氣缸推出各個工件。

5 監控系統的組態設計

本課題中，為了更好地監測工業生產線的運作，采用組態王來作為上位機監控軟件。這樣，我們可以通過上位機上的組態畫面非常清晰的工作站的運行狀態。由于總是重復的進行圖形編程，工程人員沒有充足的精力與時間來提高控制的功能，但在引入動畫連接后，工程人員可以省去許多時間和精力。除此之外，工程人員可以在圖形界面中得到許多工業的標準控制圖形，還可以通過運用相關命令和設置對目標圖形進行動態顯示功能的設置。組態王軟件在設計圖形界面的時候，為工程人員提供了許多圖形和變量之間的連接類型，這極大地方便了工程人員的設計。部分動畫連接圖像被系統設置了訪問權限來提高系統的安全性。

5.1 組態與可編程之間的通訊

S7-200 CPU最基本的通信方式是PPI協議，S7-200默認的通信方式是通過原來的端口實現通信過程。PPI的主站和從站是在一個令牌環網中，即一種主站—從站協議。由于只有擁有令牌的主站才能向網絡上的其他的從站發出指令，所以當主站經過檢測發現網絡上沒有堵塞的時候，會接受令牌，然后建立PPI網絡，這表示PPI網絡只需要在主站進行通信程序的編寫就行了。主站在獲得令牌后，能夠向從站發出請求和指令，但從站不會啟動消息，會一直等到主站發送申請才作出回應。

5.2 組態設計

系統I/0設備可以直接在現場跟組態王進行通訊。因此，通過I/0設備的輸入可以及時地對現場設備的工作情況進行了解，例如水位、電磁閥開閉和油溫等情況。對于PLC而言，就可以按照PLC自身的程序，來控制現場設備，可編程通過預先編寫的程序，根據采集的輸入信息給出輸出值。PLC在數據寄存器中寄存了輸入和輸出的數值，然后通過引用地址數據的方法，寄存器就能夠實現控制要求。組態王可以通過I/O設備提供的通訊端口進行連接，從而讀出寫在I/O設備寄存器上的信息，最后運用得到的數據對其進行控制。另外，組態王軟件還有一種數據定義的方法，就是將PLC中的輸入I改成輸入M后，可直接使用定義之后的變量名對系統進行控制。

6 總結

本論文解決了工業的監控系統的設計，并使用組態王軟件組建上層監測系統，詳細闡述了設計方法，設計了工業系統的監控程序；對自動化生產系統進行安裝調試，確保PLC程序準確，監測畫面能動態反映自動化生產系統的運行過程。最后，經過對各站PLC單獨調試，以及可編程與組態王之間的通信調試，系統運行正常，基本滿足課題設計要求。

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