郭永勇，潘存海，李軍鋒，杜素梅

GUO Yong-yong, PAN Cun-hai, LI Jun-feng, DU Su-mei

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

在不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)通信程序之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信的情況下，OPC（OLE for Process Control）應(yīng)運(yùn)而生，它是OPC基金會(huì)制定的一套標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，利用微軟的Windows視窗中的OLE/COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制中的數(shù)據(jù)交換，采用OPC客戶(hù)機(jī)與OPC服務(wù)器模式通信，從而形成了工業(yè)自動(dòng)化通信的統(tǒng)一平臺(tái)，被廣泛的應(yīng)用于各種自動(dòng)化的控制和管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

WinCC（Windows Contorl Center）是西門(mén)子公司和微軟公司合作開(kāi)發(fā)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的人機(jī)界面組態(tài)軟件。它功能強(qiáng)大且全面開(kāi)放，具多個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)接口，能使用OPC通信通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)WinCC與其他自動(dòng)化設(shè)備OPC接口的通信。

本文是為國(guó)內(nèi)某企業(yè)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用裝備的一部分。在該自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)中，需要管理層與現(xiàn)場(chǎng)層之間實(shí)時(shí)通信，并實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)表等處理功能。本文構(gòu)建了基于WinCC的監(jiān)控系統(tǒng)。利用VB編寫(xiě)了OPC客戶(hù)機(jī)并進(jìn)行了類(lèi)模塊的封裝，利用VBS編寫(xiě)了與WinCC的OPC服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交換的腳本文件，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，與DDE技術(shù)相比具有更高的可靠性，高速的數(shù)據(jù)傳輸性能，以及易擴(kuò)展開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)WinCC內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)處理，避免了通過(guò)PLC存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，節(jié)省的PLC內(nèi)存空間，又提高了數(shù)據(jù)的處理速度。

1 系統(tǒng)構(gòu)建及原理

本專(zhuān)用自動(dòng)化控制裝備主要包括設(shè)備主體、PLC、工控機(jī)和上位機(jī)等四部分組成。上位機(jī)通過(guò)WinSocket技術(shù)將相關(guān)信息傳輸?shù)絆PC客戶(hù)機(jī)，由OPC客機(jī)發(fā)送到工控機(jī)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)WinCC的數(shù)據(jù)處理，再發(fā)送到PLC控制器，PLC根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊所接受到的傳感器信號(hào)控制主體設(shè)備的4個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，并通過(guò)硬件向上位機(jī)反饋設(shè)備狀態(tài)信息。WinCC監(jiān)控系統(tǒng)收集PLC反饋數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和歸檔，提供報(bào)表給廠家工師分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 WinCC監(jiān)控系統(tǒng)通信

本監(jiān)控系統(tǒng)的通信主要包括以太網(wǎng)中與上位機(jī)的TCP/IP協(xié)議的通信、WinCC的OPC服務(wù)器通信及與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的通信。

2.1 以太網(wǎng)的WinSocket通信

在以太網(wǎng)中基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，TCP/IP協(xié)議的3次握手連接保證了數(shù)據(jù)的安全可靠，無(wú)錯(cuò)誤、無(wú)重復(fù)的發(fā)送和高效的錯(cuò)誤率處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本監(jiān)控系統(tǒng)中信息的交換采取C/S模型，由上位機(jī)建立服務(wù)器，服務(wù)器在一個(gè)明確的IP地址監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)機(jī)的請(qǐng)求。將OPC客戶(hù)機(jī)與WinSocket客戶(hù)機(jī)集成，客戶(hù)機(jī)的重啟后不會(huì)影響到上位機(jī)的正常運(yùn)行，在啟動(dòng)客戶(hù)機(jī)時(shí)由客戶(hù)機(jī)向服務(wù)器發(fā)送握手信號(hào)，服務(wù)器總處于被動(dòng)狀態(tài)，等待客戶(hù)機(jī)的詢(xún)問(wèn)，服務(wù)器提供IP地址和端口號(hào)（0到65535范圍內(nèi)）組成。

2.2 OPC的通信

在WinCC下創(chuàng)建OPC通道，建立OPC Server，采用C/S模式和OPC客戶(hù)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。編程思路：連接OPCServer.WinCC服務(wù)器,建立OPC組，添加OPC標(biāo)簽，同步讀寫(xiě)，斷開(kāi)OPC連接；然后封裝為OPC的類(lèi)模塊，OPC客戶(hù)機(jī)程序流程圖如圖2所示。OPC類(lèi)模塊將OPC定義為面向?qū)ο笠粋€(gè)類(lèi)，在模塊中設(shè)定了OPC客戶(hù)機(jī)的方法和屬性，包括OPC的服務(wù)器連接、添加OPC標(biāo)簽、同步讀、同步寫(xiě)、斷開(kāi)OPC服務(wù)器連接、通信狀態(tài)標(biāo)志6個(gè)屬性和方法。其中，OPC的標(biāo)簽名稱(chēng)必須與WinCC通信變量的名稱(chēng)一致，區(qū)分大小寫(xiě)。OPC類(lèi)模塊便于調(diào)用，易于OPC標(biāo)簽數(shù)目的擴(kuò)展，避免代碼重復(fù)，以減少代碼的編寫(xiě)工作量，提高程序的綜合性，內(nèi)聚性，使程序執(zhí)行效率更高，有效的降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。

在Visual Basic編程軟件中，添加類(lèi)模塊按照流程圖編寫(xiě)OPC客戶(hù)機(jī)代碼，OPC類(lèi)模塊名字為WinCC_OPC.cls,同步寫(xiě)代碼如下：

圖2 OPC客戶(hù)機(jī)程序流程圖

OPC通信的客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器須設(shè)置DCOM權(quán)限，且遠(yuǎn)程通信需在同一網(wǎng)段內(nèi)，通信時(shí)WinCC處于激活狀態(tài)。

2.3 SQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)

將PLC收集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存于WinCC的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，使用ADO訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，為了降低成本，本設(shè)計(jì)使用ADO編寫(xiě)簡(jiǎn)潔、可擴(kuò)展的VBS腳本，連接到與OLE DB兼容的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)主要利用ADO的Connection、Command、Recordset 3個(gè)內(nèi)部對(duì)象操作來(lái)完成。

Connection是用來(lái)建立與WinCC的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的連接通道。本系統(tǒng)利用其ConnectionString、CursorLocation、Open 3個(gè)屬性。

Command是用來(lái)對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行SQL命令，添加、查詢(xún)、刪除和修改記錄等，在監(jiān)控系統(tǒng)主要用作數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和查詢(xún)。

Recordset是用來(lái)得到Command執(zhí)行SQL命令后的數(shù)據(jù)集，即得到監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和查詢(xún)的結(jié)果，最終導(dǎo)入到系統(tǒng)的報(bào)表中。

數(shù)據(jù)庫(kù)操作部分代碼如下：

系統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)采用循環(huán)歸檔的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保證數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)在一定大小范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠。

3 WinCC監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要有登錄界面、自動(dòng)監(jiān)控、手動(dòng)輸入、狀態(tài)信息、報(bào)警處理、報(bào)表查詢(xún)、注銷(xiāo)退出7個(gè)功能實(shí)現(xiàn)。

登錄界面：進(jìn)入系統(tǒng)的起始界面，點(diǎn)擊登陸(只有登錄后，“啟動(dòng)系統(tǒng)”按鈕才能操作)，出現(xiàn)系統(tǒng)登陸對(duì)話(huà)框，正確輸入帳號(hào)和密碼后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)登錄的用戶(hù)名授予不同的操作權(quán)限。

自動(dòng)監(jiān)控：登錄監(jiān)控系統(tǒng)后，時(shí)默認(rèn)界面為自動(dòng)監(jiān)控界面，用于以太網(wǎng)連接數(shù)據(jù)，并將以太網(wǎng)中得到的數(shù)據(jù)下載到PLC中自動(dòng)控制。

手動(dòng)輸入：用于以太網(wǎng)通信失敗后手動(dòng)輸入指令內(nèi)容，并下載到PLC中，控制設(shè)置運(yùn)行。

狀態(tài)信息：用于顯示設(shè)備伺服，繼電器等關(guān)鍵設(shè)備的詳情狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PLC設(shè)備信號(hào)。

報(bào)警處理：顯示報(bào)警信息，并記錄報(bào)警，以便歷史記錄，采用觸發(fā)式報(bào)警與報(bào)警歸檔。

報(bào)表查詢(xún)：將生產(chǎn)詳細(xì)信息記錄存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供查詢(xún)和EXCEl報(bào)表。

注銷(xiāo)退出：登錄操作人員的注銷(xiāo)登錄和退出監(jiān)控系統(tǒng)。

WinCC監(jiān)控系統(tǒng)在自動(dòng)監(jiān)控狀態(tài)下，系統(tǒng)運(yùn)行的人機(jī)界面如圖3所示。

圖3 WinCC監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行局部圖

4 結(jié)束語(yǔ)

監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)WinSocket通信和開(kāi)發(fā)OPC應(yīng)用程序，并把OPC為封裝一個(gè)類(lèi)模塊，條理清晰，擴(kuò)展性能好，通信變量可以通過(guò)窗口向類(lèi)模塊傳遞數(shù)組，增加或刪除OPC標(biāo)簽，利用服務(wù)器句柄可以實(shí)現(xiàn)指定的變量進(jìn)行通信，實(shí)驗(yàn)表明OPC通信具有高的傳輸速率，安全可靠。在WinCC內(nèi)部處理通信數(shù)據(jù)，減輕了PLC的負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。該方法可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化通信場(chǎng)合，為監(jiān)控系統(tǒng)信息采集和存儲(chǔ)提供了有效的解決方案。

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