基于組態(tài)王小型生產線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)

麻麗明，趙海志，殷忠敏

（河北機電職業(yè)技術學院電氣工程系，河北邢臺 054000）

0 引言

實際生產過程中，往往會因為現(xiàn)場生產過程的特殊情況或生產需求，必須實時地跟蹤現(xiàn)場的數據情況，這就不得不讓工作人員停留在生產現(xiàn)場，這樣不僅增加人員的數量，增加生產成本，降低了實際的生產效率，為了減少人員輸出，降低實際的生產成本，本文根據實際的工作案例，設計并實現(xiàn)了利用組態(tài)王小型生產線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)[1-2]。

組態(tài)王監(jiān)控軟件是一個國產的通用工業(yè)軟件，它集合了過程控制、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理一體，實現(xiàn)了能夠將一個生產現(xiàn)場的各種生產系統(tǒng)及現(xiàn)場實時信息交流融合在一起，能夠使整個控制系統(tǒng)集成化。它基于Microssoft Windows操作系統(tǒng)，用戶在企業(yè)網絡所有層次的各個位置上都可以及時獲得系統(tǒng)的實時信息[3]。

本文以實際的自動化生產線的控制過程為背景，基于組態(tài)王軟件和S7-200 SMART PLC硬件的結合，設計并實現(xiàn)了小型生產線系統(tǒng)的監(jiān)控，該小型生產線監(jiān)控系統(tǒng)包括運載加工物料，完成物料的打鉆、物料的噴漆兩部分加工環(huán)節(jié)的操作，最后完成卸料的過程，利用監(jiān)控界面中的軟按鈕在組態(tài)監(jiān)控界面中同樣實現(xiàn)了對外部設備起動、停止和復位的遠程操作控制，不管是在現(xiàn)場還是監(jiān)控室，實現(xiàn)了很好的交互控制，整個外部PLC程序的設備運行能實時地通過監(jiān)控界面實時顯示。對綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案的設計使得整個系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可行性，在控制過程中實現(xiàn)了系統(tǒng)自動控制的良好效果，該小型生產線的監(jiān)控系統(tǒng)對實際生產的控制有很好的參考意義[4-5]。

1 小型生產線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構及控制過程

根據本監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，選擇的硬件系統(tǒng)結構如圖1所示。其中硬件結構中絲杠上的傳送物代替小車的運動，兩個金屬傳感器分別為實際生產中對物料的打鉆和噴漆環(huán)節(jié)，為了整個系統(tǒng)的安全性，左右兩邊各加有限位開關，提高了系統(tǒng)的安全性能，利用該硬件結構形象真實地實現(xiàn)了實際生產中的打鉆環(huán)節(jié)和噴漆環(huán)節(jié)。硬件組成主要包括被控對象傳動電機，用來運載物品的傳送模塊，打孔和噴漆的兩個工作環(huán)節(jié)分別裝有兩個傳感器，在達到每個中間傳感器時，停止進行加工，絲杠兩頭各裝有兩個限位保護傳感器，對整個運動的控制起到保護的作用。

圖1 硬件系統(tǒng)結構

該小型生產線的實際控制過程為小車運載物料在生產線左側進行裝料操作，小車運載物料開始向右運動，當小車運動至傳感器B1打鉆位置時，傳感器B1檢測到小車裝載物料運動到打鉆位置時，小車運動停止，物料進行打鉆加工，打鉆加工完畢后，小車繼續(xù)運載物料向右運動；當傳感器B2檢測到物料運動到噴漆位置時，小車運動停止，物料進行噴漆加工，噴漆加工完畢后，小車運載物料繼續(xù)向右運動，運動至最右側后，小車進行卸料操作，卸料完畢后，小車空車返回至初始位置再次進行裝料操作，以此周期往返地實現(xiàn)小型生產線的物料加工操作。

針對本次過程控制的具體運動要求，利用組態(tài)王軟件，實現(xiàn)了監(jiān)控操作界面的設計與實現(xiàn)，可以遠程實時地監(jiān)控運動過程當中的小車位置和工作環(huán)節(jié)。

2 控制方案設計

2.1 整體方案規(guī)劃

根據控制系統(tǒng)的整體控制過程，對小型生產線監(jiān)控的過程控制系統(tǒng)進行綜合剖析，小型生產線過程控制流程如圖2所示[6]。過程控制流程簡述如下。

圖2 過程控制流程

（1）首先小車裝載物料在最左側初始位置，并且確保最左側的限位開關處于閉合狀態(tài)。

（2）按下啟動按鈕，小車裝載物料開始向右運動，當運行至第一個打孔傳感器位置時，小車停止運行，打孔設備對物料進行打孔操作。

（3）當打孔完畢后小車繼續(xù)運載物料向右運行，運行至第二個噴漆傳感器后，小車停止運行，噴漆設備對物料進行噴漆操作。

（4）噴漆完成后，小車運載加工好的物料繼續(xù)向右運動，運動至最右側后小車觸碰到右側限位開關，小車停止運行，對運載物料進行卸載操作，然后空車反向運行，反向運行過程中小車經過噴漆和打孔位置不停車，空車運行至軌道最左側后，小車進行裝載物料，然后又開始下一周期的運行[7]。

2.2 程序順序功能圖

根據小車的運動過程的控制系統(tǒng)要求的分析可知，小車的運載物料進行加工的過程是按照一定的先后順序進行的，在編寫程序時，同樣需要先根據控制過程完成程序順序功能圖，在完成程序順序功能圖之前，需要首先針對控制要求寫出程序的I∕O分配，程序的I∕O分配如表1所示。

表1 反應物進料流量比例控制I/O分配Tab.1 Reactant feed flow proportional control I∕Odistribution

組態(tài)王小型生產線控制系統(tǒng)的順序功能如圖3所示。根據控制要求和過程流程圖，進行步與步之間動作的劃分，完成了順序功能圖的流程，即為一個完整周期的循環(huán)動作，包括初始M0.0和最后一步最后一步M0.7，通過順序功能圖，可以根據程序的方法完成PLC程序的編寫。

圖3 順序功能

3 小型生產線監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的設計開發(fā)

3.1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的控制器選用的是西門子的S7-200 SMART PLC，其控制器的CPU型號為SR40，控制系統(tǒng)的被控對象為小車運動控制模塊。

將小車運動控制模塊作為被控對象，以S7-200 SMARTPLC作為控制器，該控制系統(tǒng)工程師站（ES）和操作員站（OS）可以共用同一臺計算機，操作員站和工程師站與控制器S7-200 SMART PLC控制器的連接使用的以太網通信[8-9]，硬件連接如圖4所示。

圖4 硬件連接

3.2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件配置為：操作系統(tǒng)為windows操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)編程軟件采用STEP 7-MicroWINSMART。

組態(tài)軟件使用的是組態(tài)王kingview7.5，根據實際控制系統(tǒng)要求，組態(tài)軟件的操作流程:（1）建立新的工程文件；（2）監(jiān)控畫面的繪制；（3）數據變量的建立；（4）組態(tài)監(jiān)控畫面的動畫連接操作；（5）命令語言的編寫；（6）監(jiān)控畫面的運行。通過以上步驟實現(xiàn)組態(tài)王對小型生產線的遠程監(jiān)控。本控制系統(tǒng)中的硬件和軟件組態(tài)工作可以在操作員站和工程站統(tǒng)一完成[10]。

組態(tài)王與S7-200 SMART PLC連接。監(jiān)控軟件組態(tài)王與編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART之間的通訊需要安裝一個驅動插件，驅動安裝后才可使組態(tài)王與S7 200 SMART TCP連接成功，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。

（1）安裝組態(tài)王監(jiān)控軟件的電腦IP地址。

（2）S7-200 SMARTPLC的IP。兩個IP必須同一網段。

（3）在組態(tài)王軟件中設備連接過程中添加S7-TCP設備的地址，編輯完后保存。組態(tài)王外部設備連接填寫PLC的IP地址，S7 200 SMART驅動文件里需要填寫本機電腦和PLC的IP地址[10]。驅動文本內容如圖5所示。

圖5 驅動文本內容

（4）更新組態(tài)王驅動：打開開始菜單宗組態(tài)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。安裝如圖6所示。

圖6 驅動安裝

完成組態(tài)王與S7 200 SMARTTCP連接之間的驅動安裝后，即可實現(xiàn)組態(tài)王與S7-200 SMART PLC之間的通信連接[8]。

該控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程中，在組態(tài)監(jiān)控時需要建立的變量包括I∕O變量和內存變量，I∕O變量可以實現(xiàn)組態(tài)王監(jiān)控軟件與外部設備進行數據交換，I∕O變量既可以被讀取也可以被寫入，可以雙向使用。內存變量是在組態(tài)監(jiān)控軟件中的那些不需要和外界控制設備進行數據之間的交換的變量。需要在組態(tài)王數據詞典內建立的I∕O變量和內存變量如表2所示。

表2 組態(tài)軟件變量Tab.2 Configuration software variables

組態(tài)王軟件中的命令語言實現(xiàn)了對監(jiān)控過程中小車的運動的實時位置和狀態(tài)的監(jiān)控，組態(tài)王監(jiān)控軟件中的命令語言實現(xiàn)了小車裝載物料和進行打鉆和噴漆加工的環(huán)節(jié)的顯示，在組態(tài)王中命令語言的編寫如圖7所示。

圖7 命令語言

3.3 控制效果

該小型生產線控制系統(tǒng)，利用S7-200 SMART PLC控制進行了PLC梯形圖程序的編寫，實現(xiàn)了小型生產線的控制，在控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，又進一步利用組態(tài)王監(jiān)控軟件完成了組態(tài)監(jiān)控界面的設計與開發(fā)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)中控制過程中的工作位置、工作狀態(tài)和物料加工情況的實時監(jiān)控，監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 組態(tài)監(jiān)控界面的設計

4 結束語

本系統(tǒng)在小車運動實訓裝置的基礎上，設計和實現(xiàn)了小型生產線加工過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用S7-200 SMARTPLC編程軟件和組態(tài)王軟件。利用組態(tài)王監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對本系統(tǒng)全面的監(jiān)控和仿真，分別對小車的運行監(jiān)控界面遠程控制，對小車的運行位置、物料的加工狀況進行了全面地監(jiān)控。在組態(tài)監(jiān)控界面中可以實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的啟動、停止、初始化復位的操作。通過對整個控制系統(tǒng)的分析，最終設計仿真和實現(xiàn)自動運行的過程中，表現(xiàn)了整個控制環(huán)節(jié)的安全性和穩(wěn)定性，對實際生產的學習具有很高參考價值。