唐　磊，周　倫，唐　波

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都　610031)

0　引言

為了實(shí)現(xiàn)某電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及歷史記錄，制作了電機(jī)信息采集板，用來實(shí)時(shí)采集電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，若采用微軟的Visual Studio等開發(fā)工具開發(fā)一個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，將花費(fèi)非常多的時(shí)間，并且存在后期修改維護(hù)困難的問題，而若使用WinCC等工控組態(tài)軟件，將使開發(fā)時(shí)間大為縮減，并且修改維護(hù)極為方便。由于電機(jī)信息采集板屬于自定義設(shè)備，則為了方便與WinCC連接，需要找到一種通用的工業(yè)級(jí)通信協(xié)議，而MODBUS作為一種久經(jīng)考驗(yàn)的工業(yè)協(xié)議，由于其穩(wěn)定性、可靠性和簡單性，理應(yīng)作為系統(tǒng)的首選。

1　WinCC組態(tài)系統(tǒng)和OPC技術(shù)介紹

WinCC(Windows Control Center)是SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)和HMI(Human-Machine Interface)系統(tǒng)，它是一個(gè)功能強(qiáng)大的全面開放的工控組態(tài)系統(tǒng)，既可以用于小規(guī)模簡單的過程監(jiān)控，也可以用于復(fù)雜的工控領(lǐng)域。WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警記錄以及自動(dòng)報(bào)表以及強(qiáng)大的CScript和VBScript功能，使其具有高度的實(shí)用性。

WinCC主要用于配合PLC進(jìn)行開發(fā)人機(jī)界面組態(tài)系統(tǒng)，歷來的版本只提供了與該公司硬件設(shè)備(如PLC、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)連接的相關(guān)驅(qū)動(dòng)，而在實(shí)際使用中，用戶往往會(huì)選擇許多非西門子公司產(chǎn)品，這樣WinCC就不能直接與這些設(shè)備相連接。常見的解決辦法是使用OPC技術(shù)。

OPC全稱是Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級(jí)，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE 2技術(shù)，OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺(tái)微機(jī)之間交換文檔、圖形等對(duì)象。

2　MODBUS協(xié)議介紹

MODBUS最初是Modicon公司在1979年為PLC發(fā)布的一種串行通信協(xié)議。它由于簡單實(shí)用、免費(fèi)可靠、方便布署等優(yōu)點(diǎn)而被用于連接工業(yè)電氣設(shè)備領(lǐng)域，并比其它通信協(xié)議使用得更為廣泛。MODBUS協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，用于在通過不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備之間的客戶機(jī)/服務(wù)器通信，目前可在以太網(wǎng)的TCP/IP和各種異步串行通信媒體(如RS232、RS485、RS422、光纖、無線)上實(shí)現(xiàn)MODBUS，大多數(shù)MODBUS設(shè)備通信通過串口RS485物理層進(jìn)行。

對(duì)于串行連接的MODBUS協(xié)議，存在兩個(gè)版本：一種稱為MODBUS RTU；另一種稱為MODBUS ASCII；它們?cè)跀?shù)值數(shù)據(jù)的表示和協(xié)議細(xì)節(jié)上略有不同。MODBUS RTU是一種緊湊的，采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)的方式，MODBUS ASCII是一種人類可讀的，冗長的表示方式。

MODBUS協(xié)議是一個(gè)主/從(master/slave)架構(gòu)的協(xié)議，在一個(gè)MODBUS網(wǎng)絡(luò)中，必須有且僅有一個(gè)主(master)節(jié)點(diǎn)，而其它節(jié)點(diǎn)都為從(slave)節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址，只有被指定為主節(jié)點(diǎn)的設(shè)備才可以啟動(dòng)一個(gè)命令，而從節(jié)點(diǎn)只能被動(dòng)應(yīng)答主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令。

一個(gè)MODBUS命令包含了即將執(zhí)行該命令的設(shè)備地址，所有設(shè)備都會(huì)收到命令，但是只有指定地址的設(shè)備會(huì)執(zhí)行并回復(fù)指令，所有的MODBUS命令包含了校驗(yàn)碼，以保證從設(shè)備收到的命令的準(zhǔn)確性?；镜腗ODBUS命令能指揮一個(gè)RTU改變它的寄存器的某個(gè)值，控制或者讀取一個(gè)I/O端口，以及指揮設(shè)備回送一個(gè)或者多個(gè)其寄存器中的數(shù)據(jù)。

3　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，監(jiān)控硬件使用一臺(tái)配備Windows操作系統(tǒng)的工控機(jī)(IPC)，工控機(jī)使用WinCC 7．0作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，由于6．0以后版本的WinCC不配備通用MODBUS驅(qū)動(dòng)，因此以第三方OPC Server(KEPServerEx v4．5)為橋梁，通過MODBUS協(xié)議與下位機(jī)各設(shè)備通信；工控機(jī)一般只配備RS232接口，而MODBUS的多機(jī)通訊特性需要借助RS485網(wǎng)絡(luò)，因此在把各電機(jī)信號(hào)采集板連入RS485總線網(wǎng)絡(luò)后，將該總線通過一個(gè)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232總線，連入工控機(jī)RS232接口即可。

圖1　整體架構(gòu)圖

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)共分為3個(gè)部分：WinCC系統(tǒng)組態(tài)；OPC Server的配置；信號(hào)采集板實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議。

4．1WinCC系統(tǒng)組態(tài)

WinCC的組態(tài)是屬于所見即所得式開發(fā)，大部分工作是配置各種控件，它們的位置和外觀決定了界面的直觀性和友好性，一般流程是將控件庫中的各種控件拖放到顯示界面上，設(shè)置其顯示樣式，再為控件關(guān)聯(lián)一個(gè)變量，并設(shè)置一個(gè)變量刷新周期即可。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所關(guān)注的變量有轉(zhuǎn)速、總線電壓、總線電流、IGBT溫度，界面里用4個(gè)編輯框來直接顯示它們，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速另用一個(gè)儀表盤直觀表示，界面下方設(shè)置兩個(gè)趨勢圖，用于顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速的歷史曲線，該WinCC界面的最終顯示效果如圖2所示。

圖2　WinCC監(jiān)控界面

4．2OPCServer的配置

OPC Server的作用是作為WinCC與電機(jī)信號(hào)采集板的橋梁，從具體意義上來說，就是獲取電機(jī)信號(hào)采集板的各個(gè)變量，以便提供給WinCC使用。市場上有很多提供MODBUS協(xié)議的OPC Server，系統(tǒng)采用的是KEPServerEx v4．5軟件，該軟件功能強(qiáng)大，通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口OPC，能提供針對(duì)數(shù)以百計(jì)的PLC、控制器、通訊模塊等設(shè)備與HMI、SCADA、MES、ERP等客戶程序之間的直接通訊。

在KEPServerEx v4．5軟件中，當(dāng)配置MODBUS系統(tǒng)時(shí)，使用的RS485總線以channel來表示，命名為MotorInformation，總線上的每臺(tái)從設(shè)備(即信號(hào)采集板)以device表示，命名為Motor1，Motor2，在每個(gè)從設(shè)備內(nèi)部以地址的形式標(biāo)志了需要采集的各個(gè)變量，系統(tǒng)只采集每個(gè)電機(jī)關(guān)鍵的5個(gè)變量，由于實(shí)時(shí)性要求不太高，刷新時(shí)間為1s，實(shí)際配置界面如圖3所示。

圖3　OPC Server建立MODBUS主站界面

4．3信號(hào)采集板實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議

在系統(tǒng)中，工控計(jì)算機(jī)充當(dāng)MODBUS主站角色，而每一個(gè)信號(hào)采集板都充當(dāng)MODBUS從站角色且都具備唯一地址，從站不能夠主動(dòng)發(fā)起通信，而只能接收主站發(fā)送的數(shù)據(jù)并作出響應(yīng)，根據(jù)MODBUS在串行總線上通信的協(xié)議，從機(jī)事務(wù)處理的一般過程如圖4所示。從站的變量存儲(chǔ)位置需要與OPC Server中的配置一一對(duì)應(yīng)。

圖4　MODBUS從機(jī)事務(wù)處理一般過程

5　結(jié)束語

系統(tǒng)使用WinCC組態(tài)軟件、第三方OPC 服務(wù)器、標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)了電機(jī)測試臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)，其人機(jī)界面便捷明了，且提供了歷史曲線功能，是一個(gè)運(yùn)行良好的小型監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)思路可用于其它類似的監(jiān)控情景。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬美，閆寶瑞．基于MODBUS協(xié)議和WinCC6．2的電力參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)．石化電氣，2011，30(11)：80-82．

[2]朱勇，葉華，劉成良．使用WinCC在機(jī)電一體化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控．儀表技術(shù)與傳感器，2004(6)：19-25．

[3]王華東，李世光，高正中．基于PLC和WinCC的井下泵房監(jiān)控系統(tǒng)．工礦自動(dòng)化，2007(6)：51-52．

[4]周谷鳴，雷汝海，步園明，等．智能儀表與WinCC串口通信的研究和實(shí)現(xiàn)．礦山機(jī)械，2009，37(22)：5-8．

[5]李相育，錢宇．基于OPC的Matlab與WinCC的無縫集成．軟件天地，2007，23(11-1)：297-299．

[6]田民強(qiáng)，劉振興，游輝勝．基于WinCC和VB的排水站監(jiān)控系統(tǒng)．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(5)：31-32．

[7]張明．基于WinCC的交流電機(jī)調(diào)速監(jiān)控界面研究．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(13)：67-72．

[8]劉敏．KEPServer在PLC和VB．NET通訊中的應(yīng)用．大眾科技，2012，14(155)：42-45．