楊方興，岳建鋒，王卿，王天琪

（天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

多PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)策略

楊方興，岳建鋒，王卿，王天琪

（天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中單個(gè)人機(jī)界面難以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)PLC運(yùn)行狀態(tài)的問(wèn)題，提出一種組網(wǎng)監(jiān)控的方法.通過(guò)建立多個(gè)PLC之間的PPI通訊網(wǎng)絡(luò)，使每一個(gè)PLC都為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)站點(diǎn)，應(yīng)用MCGS組態(tài)環(huán)境對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，進(jìn)而通過(guò)監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的各PLC站點(diǎn)；結(jié)合DLMPS-727S2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明：組態(tài)后的系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)PLC，可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值.

多PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)策略；PPI通訊網(wǎng)絡(luò)；MCGS組態(tài)

在工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)化過(guò)程中，生產(chǎn)線控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目日益龐大，各自動(dòng)化部件千差萬(wàn)別，要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互才能保證生產(chǎn)線的順利運(yùn)行[1].單個(gè)PLC已無(wú)法完成對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的控制，多PLC控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.如何同時(shí)對(duì)多PLC控制生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)、準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)線設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，已成為廣大工程技術(shù)人員所關(guān)心的問(wèn)題.過(guò)去人們用按鈕、開(kāi)關(guān)和指示燈等作為人機(jī)交互裝置，不僅提供的信息量少，且操作困難.監(jiān)控組態(tài)軟件與觸摸屏技術(shù)的不斷發(fā)展，大大降低了人機(jī)溝通的障礙.它們使整個(gè)生產(chǎn)線以圖形、動(dòng)畫(huà)等形式實(shí)時(shí)反映出來(lái)，技術(shù)人員可通過(guò)可視化監(jiān)控畫(huà)面對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2].而隨著多PLC控制系統(tǒng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，以前針對(duì)單個(gè)PLC系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控方法已不能有效反映生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài).針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種多PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)策略，并結(jié)合DLMPS-727S2生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，組建了多PLC之間的PPI通信網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)發(fā)了基于MCGS工控組態(tài)軟件的生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)mcgsTpc觸摸屏完成了對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作.

1 DLMPS-727S2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述

DLMPS-727S2生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的流程環(huán)境進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類(lèi)型的工件進(jìn)行加工檢測(cè)、送料搬運(yùn)、自動(dòng)裝配及分類(lèi)存儲(chǔ)，如圖1所示.

圖1 DLMPS-727S2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experiment platform for DLMPS-727S2

該生產(chǎn)線系統(tǒng)共分為3個(gè)工作站：①加工站，包括送料檢測(cè)單元、加工檢測(cè)單元、裝配沖壓?jiǎn)卧?；②搬運(yùn)站；③倉(cāng)儲(chǔ)站.不同工作站分別由單獨(dú)的S7-200系列PLC控制.加工站完成物料顏色檢測(cè)、加工、裝配，然后通過(guò)搬運(yùn)站機(jī)械手和傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行工件搬運(yùn)，再由倉(cāng)儲(chǔ)站分揀機(jī)構(gòu)對(duì)到位的工件進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ).

2 PPI通訊原理及網(wǎng)絡(luò)組建

為同時(shí)監(jiān)控各工作站PLC，本文首先應(yīng)用相關(guān)通信協(xié)議對(duì)3個(gè)工作站組建通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控每一個(gè)站點(diǎn)PLC.S7-200系列PLC支持多種通訊協(xié)議，如MPI通信（從站）、Modbus通信、PPI通信等.鑒于PPI通信具有可以不用編程即可讀寫(xiě)PLC所有數(shù)據(jù)區(qū)且通訊穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本文采用了PPI通信協(xié)議，并在分析其原理的基礎(chǔ)上，組建了3個(gè)工作站PPI通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了各PLC之間的通訊.

2.1 S7-200PLC之間的PPI通訊原理

PPI通信協(xié)議是一種主從協(xié)議[3]，主從站在一個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)中.主站向從站發(fā)出請(qǐng)求，從站作出應(yīng)答；從站不主動(dòng)發(fā)出信息，而是等主站向其發(fā)出請(qǐng)求或查詢后，作出應(yīng)答.主站通過(guò)由PPI協(xié)議管理的共享連接與從站通信.PPI不限制能夠與任何一臺(tái)從站通信的主站數(shù)目，但無(wú)法在網(wǎng)絡(luò)中安裝32臺(tái)以上的主站.

啟用PPI主站模式后，S7-200CPU可在處于RUN（運(yùn)行）模式時(shí)用作主站，可以使用“網(wǎng)絡(luò)讀取”（NETR）或“網(wǎng)絡(luò)寫(xiě)入”（NETW）指令從其他S7-200CPU讀取數(shù)據(jù)或向其他S7-200CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而從站程序沒(méi)有必要使用網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令，可以使用PPI協(xié)議與該網(wǎng)絡(luò)中的所有其他S7-200CPU通信.

2.2 各站PLC之間的PPI網(wǎng)絡(luò)組建

通過(guò)RS-485串行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線上3個(gè)工作站PLC的硬件互聯(lián)，使各PLC之間的數(shù)據(jù)信息通過(guò)RS-485總線傳遞[4].

STEP7-Micro/WIN是與S7-200 PLC配套的編程軟件，用戶程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便[5].在STEP7-Micro/WIN環(huán)境中，組建不同PLC之間PPI網(wǎng)絡(luò)的一般過(guò)程如下：

（1）在STEP7-Micro/WIN軟件中，對(duì)每一臺(tái)PLC用于PPI通信的端口（PORT0或PORT1）設(shè)置其在PPI網(wǎng)絡(luò)中的站地址（注意不同站的站地址不同）.

（2）在主站（此處以倉(cāng)儲(chǔ)站為主站）中進(jìn)行通信配置，包括網(wǎng)絡(luò)操作數(shù)、通信端口號(hào)、網(wǎng)絡(luò)操作、分配V存儲(chǔ)區(qū)及最后生成程序代碼，如圖2所示.

圖2 網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令Fig.2 NETR and NETW instruction

（3）在主站中調(diào)用通信子程序.在PPI網(wǎng)絡(luò)中，只需在主站程序中調(diào)用通信子程序來(lái)讀寫(xiě)從站信息，而從站程序沒(méi)有必要使用網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令.

以上完成了3個(gè)工作站之間的PPI網(wǎng)絡(luò)組建，如圖3所示.再編寫(xiě)各站程序并下載到對(duì)應(yīng)的工作站PLC，調(diào)試運(yùn)行并檢查通訊情況，直至通訊正常.

圖3 PPI網(wǎng)絡(luò)組建Fig.3 Establishment of PPI network

3 基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，主要用來(lái)同時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)上3個(gè)工作站PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，控制各站動(dòng)作，修改相關(guān)參數(shù)等.鑒于MCGS（monitor and control generated system）組態(tài)軟件具有動(dòng)畫(huà)簡(jiǎn)潔、腳本使用靈活、開(kāi)放性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，本文采用MCGS組態(tài)環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng).

3.1 MCGS開(kāi)發(fā)環(huán)境

MCGS嵌入版是昆侖通態(tài)公司針對(duì)mcgsTpc開(kāi)發(fā)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，并以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案[6].

3.2 MCGS監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)

3.2.1 組態(tài)對(duì)象分析

該生產(chǎn)線試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)由3個(gè)工作站組成，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的監(jiān)控，就要同時(shí)對(duì)3個(gè)工作站PLC的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理.在此通過(guò)已建立的3個(gè)工作站PLC之間的PPI通訊網(wǎng)絡(luò)，把加工站、搬運(yùn)站兩從站的數(shù)據(jù)信息傳送到倉(cāng)儲(chǔ)站（主站），再使倉(cāng)儲(chǔ)站PLC通過(guò)RS-485通訊線與觸摸屏建立通訊，實(shí)現(xiàn)觸摸屏同時(shí)讀取3個(gè)工作站PLC的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖4所示.

圖4 觸摸屏與PLC通訊連接Fig.4 Communication between touch panel and PLC

另外，為使監(jiān)控畫(huà)面能夠真實(shí)反映實(shí)際運(yùn)行狀況，在信息采集正確且滿足通信負(fù)荷要求的情況下，盡量減小觸摸屏采集信息的周期，以保證每一個(gè)信號(hào)的短時(shí)間變化都能采集到，從而保證生產(chǎn)線當(dāng)中每一個(gè)動(dòng)作都能監(jiān)控到.

3.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)

（1）設(shè)備窗口組態(tài).通過(guò)設(shè)備組態(tài)完成外部設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的監(jiān)控與操作[7].進(jìn)入設(shè)備組態(tài)窗口，在設(shè)備構(gòu)件工具箱里選擇相應(yīng)的構(gòu)件，配置到窗口內(nèi)，如圖5所示.而后建立接口與通道的連接關(guān)系，設(shè)置相關(guān)屬性，即完成了設(shè)備窗口組態(tài).

圖5 設(shè)備組態(tài)窗口Fig.5 Window of device configuration

（2）構(gòu)造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù).實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的信息交換中心[8]，也是MCGS系統(tǒng)的核心單元，系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)交換、處理以及數(shù)據(jù)的可視化均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)公用區(qū)，其基本原理如圖6所示.此監(jiān)控設(shè)計(jì)中，定義各機(jī)械手狀態(tài)變量、各站工作狀態(tài)變量等，并設(shè)置其屬性.

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)工作原理Fig.6 Working principle of real-time database

（3）用戶窗口組態(tài).用戶窗口組態(tài)的是要直接面對(duì)用戶的界面，需組態(tài)的用戶窗口如圖7所示.組態(tài)時(shí)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景來(lái)放置各種圖形對(duì)象，如圖符、動(dòng)畫(huà)構(gòu)件等[9].不同的圖形對(duì)象連接不同的變量，以實(shí)現(xiàn)想要的功能.在用戶窗口的屬性設(shè)置中還可利用腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的功能.在此監(jiān)控設(shè)計(jì)中，搬運(yùn)站與倉(cāng)儲(chǔ)站的運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)上使用了腳本程序控制.

圖7 用戶窗口組態(tài)Fig.7 Configuration of user′s window

（4）報(bào)警功能組態(tài).當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)查明原因并進(jìn)行處理，以提高生產(chǎn)效率，這就需要對(duì)報(bào)警功能進(jìn)行組態(tài).在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇允許報(bào)警的變量，設(shè)置其屬性，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能.該監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)動(dòng)作沖突、料倉(cāng)是否缺料等進(jìn)行了報(bào)警組態(tài).

4 監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行

當(dāng)工程組態(tài)完畢，便可下載到觸摸屏中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控調(diào)試.

（1）觸摸屏與PLC之間的通訊調(diào)試.在MCGS組態(tài)環(huán)境工作臺(tái)的設(shè)備窗口下對(duì)觸摸屏與PLC的通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括波特率、數(shù)據(jù)采集周期、觸摸屏端口地址等，不斷設(shè)置參數(shù)直至通訊正常.需要注意的是，觸摸屏端口地址的設(shè)置一定要與所連PLC的端口地址一致.

（2）監(jiān)控畫(huà)面調(diào)試運(yùn)行.當(dāng)建立觸摸屏與PLC之間的通訊后，便可對(duì)監(jiān)控畫(huà)面的實(shí)時(shí)監(jiān)控情況進(jìn)行調(diào)試.仔細(xì)觀察監(jiān)控畫(huà)面，查出畫(huà)面中各機(jī)械手動(dòng)作、指示燈狀態(tài)及報(bào)警信息等與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況是否相符，操作各按鈕觀察是否能起到控制設(shè)備運(yùn)行的作用.不斷修改腳本程序、相應(yīng)參數(shù)及其屬性等，直至監(jiān)控畫(huà)面的運(yùn)行與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相符為止.該監(jiān)控系統(tǒng)把3個(gè)工作站組態(tài)為一個(gè)界面，即實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)3個(gè)工作站PLC進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控畫(huà)面如圖8所示.

圖8 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig.8 Real-time monitoring interface

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題，以生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，主要完成了以下工作：

（1）結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用PPI通訊協(xié)議組建了3個(gè)工作站PLC之間的PPI網(wǎng)絡(luò).

（2）應(yīng)用MCGS組態(tài)環(huán)境完成了對(duì)整個(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，研究開(kāi)發(fā)了可同時(shí)監(jiān)控3個(gè)工作站PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng).

（3）對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)時(shí)反映多個(gè)PLC運(yùn)行情況且工作可靠，對(duì)工程應(yīng)用有一定的推廣價(jià)值.

[1]王健強(qiáng)，王長(zhǎng)潤(rùn)，孫純哲，等.多PLC及多級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線在機(jī)器人焊裝線中的應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42：20-24.

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Configuration strategy of multi-PLC control system

YANG Fang-xing，YUE Jian-feng，WANG Qing，WANG Tian-qi
（Tianjin Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Aiming at the problem that single man-machine interface is difficult to monitor running state of multiple PLCs in

automation system，a feasible and effective approach to network monitoring is proposed.At first，the communication network for PPI between multiple PLCs is built.So each PLC becomes a site in the network. Furthermore，in order to monitor each PLC site in the network by monitoring the entire network，the entire network for PPI is configurated under the MCGS configuration environment.Finally，with the platform for DLMPS-727S2，the experiment based on the above idea is done.And the result shows that the system can simultaneously monitor multiple PLCs，and is high reliability and real-time，and it has good application value.

multiplePLCs；monitoringsystem；configurationstrategy；communicationnetworkforPPI；MCGSconfiguration

TP277

A

1671－024X（2013）06－0068－04

2013-06-20

天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（10JCZDJC23500）

楊方興（1986—），男，碩士研究生.

岳建鋒（1973—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail：billyue7303@sina.com