余 丹,楊 輝,陸榮秀

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌330013)

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)起重機(jī)械的應(yīng)用越來越多,起重機(jī)不斷朝著大型化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展[1]。目前,國內(nèi)起重機(jī)發(fā)生故障較多、監(jiān)管工作不足,為了保證起重機(jī)在安全限度內(nèi)工作和操作人員的安全駕駛,研究起重機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)意義重大[2]。

垃圾液壓橋式起重機(jī)(垃圾吊)是垃圾廠處理垃圾的起重設(shè)備,要求其故障時間少、操作安全。監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)視現(xiàn)場狀況,加上監(jiān)控軟件具有對數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、以及模擬現(xiàn)場實(shí)景再現(xiàn)等能力,它已得到廣泛應(yīng)用。本文采用監(jiān)控管理技術(shù),不僅可以減少操作人員工作強(qiáng)度,提高裝卸效率,而且可以實(shí)時監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況和具有故障報警功能,加強(qiáng)了起重機(jī)系統(tǒng)和操作人員的安全,并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢,為維護(hù)和修理帶來極大地方便。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)垃圾吊控制管理系統(tǒng)(CMS系統(tǒng))的要求,系統(tǒng)分為3部分:下位機(jī)PLC、上位機(jī)WinCC和數(shù)據(jù)通訊。下位機(jī)采用三套西門子S7-300 PLC,分別控制3臺起重機(jī)運(yùn)行,由編程軟件STEP 7實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì);上位機(jī)為1臺安裝了西門子組態(tài)軟件WinCC的研華工控機(jī),WinCC配合PLC,對3臺起重機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行不間斷監(jiān)控、故障診斷及數(shù)據(jù)收集;數(shù)據(jù)通訊采用以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)PLC與WinCC之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

PLC系統(tǒng)為監(jiān)控整車的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對整車運(yùn)行的時序邏輯控制及信號的實(shí)時檢測,采用程序化操作和手動操作相結(jié)合的方式。PLC采集到的信號通過以太網(wǎng)上傳給上位機(jī),之后WinCC對3臺起重機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行不間斷監(jiān)控,記錄并顯示所有電氣元件或部件的故障狀態(tài)與工作狀態(tài),記錄并顯示起重機(jī)的狀態(tài)參數(shù),記錄并顯示起重機(jī)的操作記錄與工作參數(shù),同時上位機(jī)本身故障時不會影響系統(tǒng)的工作。若元件出現(xiàn)故障,上位機(jī)則及時報警,上位機(jī)還可通過服務(wù)器后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、存儲、管理、分析達(dá)到提前預(yù)警。

2 下位機(jī)PLC硬件設(shè)計(jì)

德國西門子(SIEMENS)公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國應(yīng)用相當(dāng)廣泛,西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化,具有網(wǎng)絡(luò)通信能力,功能更強(qiáng),可靠性更高。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,采用西門子公司的S7-300系列CPU 314C-2 DP作為控制器,并配有CP 343以太網(wǎng)模塊,接入交換機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,其中采用TCP/IP通信協(xié)議。根據(jù)每臺起重機(jī)的控制變量總數(shù),采用一塊SM 321DI32×DC24 V和三塊SM 322 DO16×Rel.AC120/230 V數(shù)字模塊,PLC模塊與現(xiàn)場設(shè)備之間采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通訊。根據(jù)垃圾吊的工作原理和控制方式,在西門子的編程軟件STEP 7中通過梯形圖完成PLC控制程序的編寫。

PLC與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,重要的為準(zhǔn)確設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù)。對每臺起重機(jī)的通訊模塊CP 343設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù),其中IP address(IP地址)和Subnet mask(子網(wǎng)掩碼)都是唯一的。同時上位機(jī)將按這里的參數(shù)訪問PLC,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

3 上位機(jī)WinCC軟件設(shè)計(jì)

西門子公司的WinCC組態(tài)軟件適合于各個行業(yè)和各種技術(shù)系統(tǒng),用于在生產(chǎn)和過程自動化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可視化和過程控制任務(wù)[3]。WinCC組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù),數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等,只需通過可視化的組態(tài)方式,就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì),降低了監(jiān)控畫面開發(fā)的難度。WinCC 6.2使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫,可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、WinCC OLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數(shù)據(jù),強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)[4-6]。它具有快速的畫面更新、高效的數(shù)據(jù)通信,以及提供數(shù)據(jù)采集與歸檔、圖形顯示、報警功能和報表模塊。

根據(jù)系統(tǒng)需求,實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)工作情況的監(jiān)控,包括其大車、小車、起升、抓斗、司機(jī)室等各機(jī)構(gòu)實(shí)時的狀態(tài),以及系統(tǒng)故障的報警信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。根據(jù)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì),監(jiān)控畫面一般分為3個部分:總覽部分(狀態(tài)欄)、現(xiàn)場畫面部分(主導(dǎo)航欄)和按鈕部分(主監(jiān)控部分)。一般采取的布局方式有多種,本系統(tǒng)采用的布局方式是自上而下的方式分布畫面,畫面分布為總覽部分、現(xiàn)場部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統(tǒng)標(biāo)識符、畫面標(biāo)題、顯示日期和時間的數(shù)字時鐘、橋機(jī)號選擇以及實(shí)時報警控件;在現(xiàn)場部分顯示各個機(jī)構(gòu)畫面、報警畫面、數(shù)據(jù)趨勢圖和生產(chǎn)報表畫面;在按鈕部分顯示監(jiān)控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個畫面設(shè)計(jì)如圖2所示,設(shè)計(jì)過程可以分為4大模塊:狀態(tài)監(jiān)測模塊、故障報警模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、報表生成模塊。

圖2 CMS系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.1 狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測模塊主要顯示總機(jī)概況,運(yùn)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)、司機(jī)室操作臺狀況,直接通過WinCC圖形編輯器完成。在圖形編輯器中,用輸入/輸出域?qū)崟r顯示模擬量,如各機(jī)構(gòu)運(yùn)行至某一位置值或垃圾重量;用圖形顏色變化來表示各機(jī)構(gòu)的實(shí)時狀況、限位開關(guān)、報警變量等開關(guān)量的通與斷,變量為1時背景色設(shè)為綠色,變量為0時背景色設(shè)為灰色。各監(jiān)控畫面將形象地顯示各元件的狀態(tài),便于用戶掌握系統(tǒng)實(shí)時信息。

3.2 故障報警模塊

故障報警模塊主要完成故障報警信息的記錄與顯示,故障查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等功能,大大縮短故障排除時間,并為設(shè)備維護(hù)提供參考信息。WinCC軟件提供的報警編輯器,負(fù)責(zé)消息的采集和歸檔,包括過程、預(yù)加工、表達(dá)式 、確認(rèn)及歸檔等消息的采集功能。在組態(tài)期間,可對過程中應(yīng)觸發(fā)的事件進(jìn)行定義。這個事件可以是設(shè)置自動化系統(tǒng)中的某個特定位,也可以是過程值超出預(yù)定義的限制值。

在系統(tǒng)組態(tài)時,首先需要把所有故障變量在報警編輯器中進(jìn)行組態(tài),之后在圖形編輯器中添加報警控件,當(dāng)有故障報警時,在報警控件中會顯示報警信息。同時在Horn報警器中組態(tài)報警的變量,實(shí)現(xiàn)語音報警,及時通知用戶,從而達(dá)到聲光報警的效果。在報警控件中還可以通過對報警發(fā)生時間、錯誤點(diǎn)、故障編號或其組合等進(jìn)行任意查詢與打印。報警畫面如圖3所示。

圖3 報警畫面

3.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

數(shù)據(jù)記錄模塊主要記錄設(shè)備信息和備件信息,完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)記錄,服務(wù)器后臺執(zhí)行設(shè)備維護(hù)提示及報警。此畫面只有取得相應(yīng)權(quán)限的用戶才能打開,在WinCC的用戶管理器中設(shè)置用戶及用戶的權(quán)限。本系統(tǒng)采用VBScript腳本與SQL Server 2005將設(shè)備信息存入到自定義數(shù)據(jù)庫中,通過點(diǎn)擊生成報表按鈕,在Excel控件中顯示數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)將WinCC的數(shù)據(jù)添加到自定義數(shù)據(jù)庫中,首先要在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中建立一個數(shù)據(jù)庫cms及其下的數(shù)據(jù)庫表,之后通過配置ODBC數(shù)據(jù)源連接SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。步驟為

(1)在控制面板中,選擇管理工具下的數(shù)據(jù)源ODBC,啟動ODBC數(shù)據(jù)源管理器。

(2)單擊“系統(tǒng)DSN”選項(xiàng)卡,進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頁面,單擊“添加”按鈕,打開“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對話框,在驅(qū)動程序列表中,選擇SQL Server,然后點(diǎn)擊完成。

(3)在打開的“創(chuàng)建數(shù)據(jù)源向?qū)А贝翱谥?輸入數(shù)據(jù)源名稱、說明和SQL Server服務(wù)器名稱,之后按步驟進(jìn)行完成,測試數(shù)據(jù)庫cms連接成功。

接著根據(jù)起重機(jī)設(shè)備信息,通過VB腳本編寫程序。用戶隨時可根據(jù)設(shè)備信息或備件信息寫入數(shù)據(jù)庫,并在需要的時候根據(jù)具體情況查詢報表。同時,當(dāng)設(shè)備達(dá)到報警條件或是備件不足時,將會自動彈出報警窗口,提示用戶報警信息。

3.4 報表生成模塊

此模塊完成必要的生產(chǎn)信息和作業(yè)統(tǒng)計(jì)查詢,如每臺起重機(jī)每次抓斗的抓起重量,每個投料口的投入量,每臺起重機(jī)每班的作業(yè)量以及年/月/日的作業(yè)情況等,在需要的時候?qū)⒚颗_起重機(jī)的數(shù)據(jù)以表格的形式輸出至打印機(jī)進(jìn)行打印。作業(yè)的數(shù)據(jù)也是通過VBScript腳本與SQL Server 2005來實(shí)現(xiàn),將采集的數(shù)據(jù)存入自定義的數(shù)據(jù)庫中,在報表畫面中進(jìn)行查詢與打印數(shù)據(jù),報表畫面如圖4所示。

報表畫面中,通過報表選擇的下拉菜單來選取日/月/年報表,作業(yè)具體選擇的下拉菜單來選取以班次、機(jī)號、投料口或其組合顯示,并可選擇起止時間。點(diǎn)擊生成報表按鈕可以在Excel控件上顯示選取的數(shù)據(jù),點(diǎn)擊打印報表按鈕可以將數(shù)據(jù)打印出來,點(diǎn)擊刪除報表按鈕可以直接將選取的數(shù)據(jù)刪除。實(shí)現(xiàn)打印功能,要先建立頁面布局和打印作業(yè)。啟動WinCC的報表編輯器Report Desinger,先建立一個頁面布局,選擇ODBC數(shù)據(jù)源cms,設(shè)置SQL語句。模板建好之后,在Print Job項(xiàng)下建立一個新的打印作業(yè),如以打印每天的作業(yè)情況為例,命名為zuoye,并在新建Job的屬性對話框Layout處與剛建好的報表建立連接。打印報表按鈕的C腳本為:RPTJobPrint(“zuoye”)。

圖4 報表畫面

4 結(jié)語

以西門子組態(tài)軟件WinCC作為上位機(jī)和S7-300 PLC作為下位機(jī),應(yīng)用到垃圾吊控制管理系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了對狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測,形象地模擬了現(xiàn)場的運(yùn)行情況,完成了作業(yè)記錄,降低了故障發(fā)生率,并有效地保障了起重機(jī)系統(tǒng)的安全。

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