Beckhoff控制器與組態王在采掘設備在線監測系統的應用

康永玲

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

隨著采掘設備智能化水平的不斷提高，工業自動化技術的迅猛發展，電氣系統技術的日趨成熟，用戶對采掘設備在線監測系統的要求越來越高。用戶既希望監測系統可靠實時、界面友好、操作簡單，又要求開發周期短、系統便于升級改造[1]。為能實現用戶的要求并保證采掘設備在線監測系統的穩定性，開發設計了一種以Beckhoff控制器為核心控制器，并利用軟件組態王6.53作為遠程顯示界面的二次開發平臺的采掘設備遠程在線監測系統。文中以掘進機在線監測系統為例進行設計說明。Beckhoff嵌入式PC是一個用單個硬件實現PLC、運動控制和可視化任務的控制器。組態王6.53是一個專為工控開發的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，具有與Windows一致的圖形化操作顯示界面，便于生產的組織和管理。掘進機工作狀態在線監測系統不僅實現對了掘進機工作狀態及工作參數的實時監測，還能夠存儲和查詢掘進機的歷史故障參數等，用戶根據組態界面的提示大大縮短設備故障的處理時間，提高了掘進機的工作效率。

1 系統概述

1.1系統結構

掘進機在線監測系統由Beckhoff控制器、嵌入式工控機及顯示屏、本安鍵盤、數據采集器和各類型傳感器組成，系統結構如圖1所示。Beckhoff控制器位于主電氣控制箱內，安裝在整機左后側；數據采集器為本質安全型，安裝在駕駛席前方；嵌入式工控機及顯示屏為隔爆兼本安顯示箱，安裝在駕駛席前方。嵌入式工控機配置有本安鍵盤，鍵盤安裝在駕駛席座椅靠背的右側。通過鍵盤上的←和→鍵可以切換顯示界面。掘進機操作人員可以通過監測主機查看掘進機當前的各類工作參數和狀態以及歷史故障。嵌入式工控機包含三個顯示界面，分別為：主界面、故障狀態顯示界面和工作參數顯示界面，系統默認顯示主界面。

圖1 掘進機在線監測系統結構圖

1.2硬件結構及功能

主電氣控制箱內選用Beckhoff嵌入式PC控制器作為主控器，它是用單個硬件實現PLC、運動控制和可視化任務的嵌入式控制器。它采用Windows CE 6.0獨立的操作系統，含有10/100Mbit/s以太網接口、USB接口以及DB9針接口，且集中了工業PC和傳統的PLC優勢，功能強大，穩定可靠，價格合理，同時有豐富的通訊接口、體積小、拆裝方便、可無限擴展、操作簡單和通訊響應時間快等優點，并可通過豐富的系統接口加以擴展，用于 ProfiBus、CANopen、DeviceNet等的現場總線接口擴充了可選模塊的種類。掘進機在線監測系統選用CX8050控制器，擴展了I/O模塊，RS485及RS232模塊以及CAN通信擴展模塊。CX8050有兩路供電，一路是為PLC控制器本身供電，為直流24 V；另一路是為I/O模塊供電，為直流24 V.PLC和擴展模塊采用單獨供電，使電氣系統分開，同時為故障檢查提供方便。主控制器和擴展模塊采用“插拔”式方式連接。主控制器的外觀如圖2所示。

圖2 Beckhoff控制器外觀

主電氣控制箱內AC127 V電源由電控箱內多抽頭變壓器二次側直接引出，經C65N斷路器及繼電器供電給監測系統顯示箱及數據采集器。

監測系統為隔爆兼本安型顯示箱，負責采集主電氣控制箱內控制器運算好的傳感器信號，經嵌入式工控機運用組態王軟件進行二次開發實現掘進機當前各類工作參數和狀態以及歷史故障的顯示。監測系統顯示箱內部主要有AC127 V/DC12 V電源、嵌入式工控機及液晶顯示屏。嵌入式工控機的DC12 V電源由位于該顯示箱內部的AC127 V/DC12 V電源供電，與液晶顯示屏通過HDMI接口連接，與位于主電氣控制箱內的主控制器采用以太網通訊。

數據采集器為本質安全型，負責采集外部本安傳感器的信號，將外部信號傳輸給主控制器。數據采集器的本安12 V電源由位于監測系統顯示箱內部的本安AC127 V/DC12 V電源供電，與位于主電氣控制箱內的主控制器采用以CAN通訊。

本安鍵盤與監測系統顯示箱采用本安信號連接，用戶可通過鍵盤上的←和→鍵切換監測系統的主界面、故障狀態顯示界面和工作參數等顯示界面。

1.3軟件結構

1.3.1 TwinCAT軟件的應用

Beckhoff作為主控制器有豐富的軟件平臺，支持用戶編程編譯的TwinCAT PLC軟件，該軟件是在CoDeSys平臺上的應用，它可以提供通用的庫函數極大的縮短開發時間，更快更好的建立穩定的通訊，并有組態軟件TwinCAT System Manager，可以配置其它現場總線接口的通訊參數。用戶在TwinCAT PLC軟件下定義并解析PDO發送或接收的數據，編寫代碼，為組態軟件生成TPY文件，再進行總線通訊系統的組網優化配置。

1.3.2組態王的應用

組態王軟件是用于嵌入式工控機等上位機上實現監控的一種智能化軟件，操作簡便直觀。它使采用PC機開發的系統工程比以往使用專用機開發的工業控制系統更有通用性，大大減少了工控軟件開發者的重復性工作，并可運用PC機豐富的軟件資源進行二次開發[2]，具有開發簡單、擴展性好、可靠性高等優點。

數據庫是“組態王”最核心的部分。數據庫是聯系Beckhoff控制器與嵌入式工控機的橋梁。工業現場既要求掘進機當前在線的工作狀態及I/O變量參數實時反應到嵌入式工控機界面上，又要把采集的參數實時傳送給掘進機主控制器，這些全部都是建立在數據庫為中介環節的基礎上實現的。而變量的基本類型共有兩類：內存變量、I/O變量。在工程管理器中，選擇“數據庫/數據詞典”。根據控制要求定義I/O數據變量，I/O變量是指可與外部數據采集程序直接進行數據交換的變量，這種數據交換是雙向的、動態的，組態王定義需要采集的上位機變量以及下位機變量的對應關系。

1.3.3 Beckhoff主控制器與嵌入式工控機通訊連接

組態王完全基于網絡的概念，是一種真正的客戶——服務器模式，可運行在基于TCP/IP網絡協議的網上，TCP/IP網絡協議提供了在不同硬件體系結構和操作系統的計算機組成的網絡上進行通信的能力。該系統中Beckhoff控制器與嵌入式工控機采用以太網通訊連接，組態王驅動程序使通訊程序和組態王構成一個完整的系統，設計人員只需要在組態王的設備庫中選擇設備的類型，然后按照“設備配置向導”的提示一步步完成安裝即可，使驅動程序的配置更加方便，主控制器與嵌入式工控機利用組態王連接的設備配置如圖3所示。

圖3 設備配置

2 界面顯示

嵌入式工控機利用組態王提供的豐富的繪圖工具以及圖庫提供的模型，加上程序設計的配合，可以使監控畫面很好的模擬現場實際，同時把需要監控的變量顯示在畫面上。

嵌入式工控機包含三個顯示界面，分別為：主界面、工作參數顯示界面和故障狀態顯示界面，系統默認顯示主界面。三個界面需要通過外接的本安鍵盤的←和→鍵進行切換顯示。主界面實時顯示采掘設備主回路電機的電流、工作時間及各液壓機構的壓力狀態，現場操作人員對現有的采掘設備運行狀態一目了然，主界面如圖4所示。

圖4 嵌入式工控機主界面

工作參數顯示界面顯示當前采掘設備整機的工作參數即模擬量及開關量的狀態參數，故障狀態顯示界面顯示在有故障情況下的控制器所有開關量的故障狀態，開關量I/O點的狀態指示燈綠色代表接通，紅色代表斷開。顯示界面如圖5所示。

圖5 工作參數顯示和故障狀態顯示界面

3 結束語

以Beckhoff控制器、組態王作為上位機組態軟件的采掘設備在線監測系統，可以對采掘設備整機進行遠程在線監測，可以監測采掘設備運行中的大量的實時信息，使得復雜的系統顯得更加直觀和便于理解。該系統優化了電氣系統的性能，使操作和設計更加人性化，減輕使用者的認知負擔，使其更適合用戶的操作需求，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率，提升采掘設備的市場競爭力。現場應用表明：該采掘設備在線監測系統應用性能穩定可靠、反響良好。

參考文獻：

[1]李瑞先．組態王軟件在監控系統中的應用．電氣傳動自動化[J].2006，28（5）：49-51．

[2]李桂玲，劉 慧，張建鋒．基于組態王的泵站監控系統的應用．中國農村水利水電[J].2007（12）：52-53．