基于PLC的遠程監控系統設計

劉月勝 張立偉 王順 戴玉瑤

摘 要：本文介紹了基于PLC的遠程監控系統的組成，從硬件、軟件、通訊三個方面詳細研究了該遠程監控系統的設計方式。最后，通過探討PLC的遠程監控系統的實際應用方式說明了遠程監控系統的優點，以期促進自動化控制領域的發展。

關鍵詞：遠程監控；系統設計；PLC控制器；自動化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.109

0 引言

PLC即可編程邏輯控制器，它是專門應用于工業生產過程中的數據運算電子系統。PLC通過可編程存儲單元對采集的現場數據進行處理，具有極高的穩定性、可靠性、適應新。PLC控制器能過實現位置控制、溫度控制、轉速控制等控制功能在現代工業中具有不可或缺的作用。因此，本文研究基于PLC的遠程監控系統并針對系統設計進行了探究。

1 系統基本組成

基于PLC的遠程監控系統的結構圖如圖1所示，該系統包括：現場數據采集模塊、下位工控機、工業MODEM模塊以及上位監控計算機四個部分。

現場數據采集模塊主要通過連接底層數據庫建立數據流轉，包括模塊間的數據交互規則和數據讀寫規則。現場數據采用PLC完成數據的采集和控制信號寫入，通過PLC實現下位工控機和現場設備的連接。下位工控機是對生產過程中的電機設備、工藝設備等進行監測和控制的具有總線結構的計算機。下位工控機的主要作用是完成對現場數據的監控并負責通過工業MODEM實現與遠程監控計算機之間的數據通信。工業MODEM模塊能夠實現上位監控機和下位工控機之間的數據通信。同時，由于工業MODEM模塊具有極強的抗電磁干擾能力，能夠適應復雜多變的生產現場環境，被廣泛應用于遠程監控系統中。上位監控計算機的主要作用是監測下位機采集的現場數據并發出相應的操作控制命令，實現對遠程設備的控制。

2 遠程監控系統設計

基于PLC的遠程監控系統是通過對廠區設備的運行參數以及工藝參數進行實時、遠程監控的生產管理系統。該系統通過PLC、下位機等前端設備采集現場數據，然后通過相應的通信模塊將信號傳輸至上位計算機。最后，上位計算機根據預先設置好的控制算法得到控制信號并向下傳輸到現場設備。

設計基于PLC的遠程監控系統首先需要分析監控的工藝過程并確定監控系統的結構，包括通信網絡結構的設計以及數據通信鏈路的設計。其次，需要根據具體工程選擇相應的設備型號，如下位工控機的性能參數以及PLC型號等，設備的性能與工程通信數據量相關。最后，需要根據具體工程規模和控制要求設計相應的控制算法和監控界面。設計流程如圖2所示。

2.1 遠程監控系統的硬件設計

遠程監控系統的硬件設計需要分析工程中的被控對象并確定相應的控制要求，根據信號輸入設備和輸出設備選擇相應的PLC型號，包括機型、容量、I/O模塊、電源等。其中，分析工程中的被控對象是根據被控對象的工藝流程和運行特性確定相應的要求。通過確定信號輸入/輸出設備數量來選擇PLC的I/O點數，如按鈕、開關、閥門、干接點、信號燈等。輸入/輸出模塊是PLC與控制對象進行信號交互的接口，根據交互信號的物理性質分為數字量信號與模擬量信號。輸入模塊的主要作用是檢測現場設備的信號并通過模塊內部結構轉化為PLC內部電流信號或電壓信號。輸出模塊的主要作用是將PLC內部電流信號或電壓信號轉化為外部設備能夠接收的控制信號，通過該信號實現對外部設備的控制。

選擇好硬件設備型號后還需要設計下位工控機和上位監控機等電器設備的布置圖、電器互連圖和安裝接線圖。

2.2 遠程監控系統的軟件設計

遠程監控系統軟件能夠實現對遠程設備運行參數的監測，包括PLC控制器的輸入/輸出信號、寄存器信號、中間繼電器等信號。遠程監控系統需要有相應的控制程序，針對不同遠程監控系統需要設計不同PLC控制，而軟件設計的主要作用是編寫相應的控制程序，同時在程序中還需要編寫相應的檢測功能代碼、故障診斷功能代碼以及保護和連鎖功能代碼。PLC控制程序分為簡單邏輯控制、順序控制、特殊控制、網絡組態控制等，根據遠程監控系統的監控對象復雜程度開發對應PLC控制程序。

例如，目前大部分立庫廠商都在立庫系統使用西門子1200型PLC，因此針對基于西門子1200型PLC的立庫遠程監控成為監控行業的主要開發方向。西門子1200型PLC支持TCP/IP以太網通信，包含Idd、Odd、Mdd、DB四個寄存器塊，每個寄存器塊對應有相應的通道范圍，不同的通道范圍具有不同的讀寫特性以及存儲不同的變量類型。立庫中的現場設備通過PLC采集數據并將數據包存入對應的寄存器塊，監控系統通過設計好的PLC通訊驅動協議讀取寄存器塊中的數據并傳輸到上次人機交互界面顯示。針對西門子1200型PLC驅動需要通過VC++6.0進行開發，編寫PLC驅動時首先對程序進行初始化并創建相應的信號通道。如DBx，y寄存器能夠存儲SHORT、FLOAT、LONG等類型數據并能夠對這類數據進行讀寫，x、y范圍為0-65535。創建完信號通道后，程序進入采集段并根據設置的數據采集周期進行采集，每個數據的采集周期內根據PLC寄存器模塊通訊協議編譯數據讀取命令代碼，命令代碼與校驗碼、地址、校驗和、結束符組成命令集并向PLC發送數據幀，隨后返回PLC寄存器塊的數據包，PLC驅動通過解析數據包數據完成數據讀寫，即完成一次標準通訊。若校驗成功將接數據通過信號通道進行傳輸并返回通訊成功標識，若校驗失敗則返回通訊失敗標識。PCL驅動中數據傳輸格式為ASII 碼形式并規定通訊格式為10個異步通訊，包括1個起始位、8個數據位以及1個停止位。其中，數據采集命令需要根據遠程監控系統需要監測的數據進行編寫，如發送命令$016BB且$，0，1，6 的 ASCII 碼分別為 24H，30H，31H，36H則校驗和為24H+30H+31H+36H=BBH。返回代碼為！00000041則校驗和為21H+30H+30H+30H+30H+30H+30H=141H，通訊成功。遠程監控系統根據PLC驅動進行數據采集，實現對生產現場的遠程監控。

最后，軟件中的控制程序根據采集的現場數據計算控制參數并向現場PLC發出控制指令實現對遠程設備的控制。同時，遠程監控系統通過組態軟件設計相應的現場監控界面，實現人機交互功能。

3 實際應用與結論

基于PLC的遠程監控系統實現了對設備的遠程監控。同時，實時的數據采集、高效的信號傳輸、穩定的監控系統以及便捷的控制操作使得該遠程監控系統被廣泛應用于惡劣的生產環境中。例如，我國的水利水庫系統大部分還通過傳統的人工檢測的方式進行水位檢測，人工將觀測到的數據傳到控制中心，控制中心根據觀測數據對現場進行調度。人工的方式無法實時將現場數據傳輸到控制中心，失去了現場數據的實時性，同時由于現場條件惡劣容易出現人員傷亡的情況。采用基于PLC的控制系統能夠實時掌握水庫的水位參數和閥門開度等運行情況，技術人員無需親自到現場便可遠程操作設備，遠程對水閥進行開啟或關閉等操作。基于PLC的遠程監控系統極大地提高了生產效率也保障了人員安全。

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