賈 冰，曾鵬飛，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院; b.CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，沈陽(yáng) 110159)

基于PLC和MCGS的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

賈 冰a,b，曾鵬飛a,b，郝永平b

(沈陽(yáng)理工大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院;b.CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，沈陽(yáng) 110159)

文章針對(duì)某炮彈裝配兵工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出了基于工控組態(tài)軟件MCGS與可編程控制器PLC的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)。PLC采用西門(mén)子S7-300系列，組態(tài)軟件采用MCGS，通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用ODBC方式，外部數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)。文中詳細(xì)介紹了組態(tài)軟件MCGS與PLC之間的通信過(guò)程以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部SQLServer2008的具體實(shí)現(xiàn)，并且數(shù)據(jù)可以在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中實(shí)時(shí)的顯示。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；生產(chǎn)管理；可編程控制器；工控組態(tài)軟件；數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)[1]的不斷發(fā)展，推動(dòng)了過(guò)程控制系統(tǒng)[2]和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)[3]在炮彈裝配兵工廠的普及。由于炮彈裝配兵工廠生產(chǎn)的都是一些要求極其嚴(yán)格的產(chǎn)品，這就需要現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程中的每一環(huán)節(jié)都要反饋出數(shù)據(jù)，以用作后期產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題的追溯依據(jù)。這些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，如何采集、保存和使用就成了急需解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面做了大量的研究。文獻(xiàn)[4]通過(guò)動(dòng)態(tài)加載規(guī)約處理、基于CIM/E文件的數(shù)據(jù)采集運(yùn)行維護(hù)、標(biāo)簽加密認(rèn)證、多機(jī)冗余負(fù)載均衡、基于DL/T476和S語(yǔ)言的遠(yuǎn)程瀏覽等技術(shù)，解決了多應(yīng)用下數(shù)據(jù)重復(fù)采集、程序重復(fù)開(kāi)發(fā)、維護(hù)復(fù)雜的問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]介紹了在LabVIEW環(huán)境下利用ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)與MicrosoftExcel之間實(shí)時(shí)通信方法；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體的要求是：從PLC中的DB模塊中實(shí)時(shí)的采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)返回的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具體包括：稱重值、擰緊力值、電檢測(cè)值、跳動(dòng)值和過(guò)鏜力值等。并且要把這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部數(shù)據(jù)庫(kù)中，已做制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)的上層使用。PLC采用的是西門(mén)子公司的S7-300，通信選擇的是工業(yè)以太網(wǎng)，組態(tài)軟件采用的是MCGS，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式采用ODBC，數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是SQLServer2008。

S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。它由中央處理單元(CPU)、電源模塊(PS)、信號(hào)模塊(SM)、功能模塊(FM)、通信處理器(CP)、接口模塊(IM)和導(dǎo)軌組成[8]。本系統(tǒng)具體的選型如圖1所示。

圖1 PLC各模塊選型圖

近年來(lái)，以太網(wǎng)在性能和速度上有很大的提高，使用以太網(wǎng)建立高效、開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)已不存在任何技術(shù)問(wèn)題?；谝蕴W(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系，從信息網(wǎng)絡(luò)管理層、控制層到設(shè)備層，以太網(wǎng)以其良好的互連性和可擴(kuò)展性使控制網(wǎng)絡(luò)成為真正的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，極大地促進(jìn)了信息從傳感器層到管理層的集成[9]。

MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平臺(tái)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)。MCGS擁有非常出色的人機(jī)界面(HMI)[10]，為用戶提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。MCGS具有操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)[11]。具體的邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 MCGS邏輯關(guān)系圖

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用ODBC。開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)互連(ODBC)是一種用在相關(guān)或不相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)中存取數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口(API)[12]?；贠DBC的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員可以不需考慮與數(shù)據(jù)源相聯(lián)的復(fù)雜性，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)提供了一種有效的途徑。

本系統(tǒng)需要可信任的、高效的、智能的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化文檔的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、搜索、同步、報(bào)告和分析之類的操作。數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在各種設(shè)備上，從數(shù)據(jù)中心最大的服務(wù)器一直到桌面計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備，它都可以控制數(shù)據(jù)而不用管數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在哪里。因此系統(tǒng)選用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 數(shù)據(jù)采集的具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖3所示。主要就是通過(guò)PLC的以太網(wǎng)模塊連接上位機(jī)的普通網(wǎng)卡，使用MCGS中的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

我剛盼出點(diǎn)兒希望，又成了枉然。到下午我實(shí)在忍不住，就使勁拍門(mén)板。東洋人開(kāi)了門(mén)，我大聲說(shuō)：“我找伊藤！伊藤！我是他娘……”

圖3 系統(tǒng)整體構(gòu)架圖

2.1 以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

(1)硬件連接

系統(tǒng)采用交換式以太網(wǎng)通信。它提供了多個(gè)通信通道，且可以實(shí)現(xiàn)在不同速率的網(wǎng)絡(luò)間自由轉(zhuǎn)換，增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同性。簡(jiǎn)單地連接方式就是：PLC的以太網(wǎng)模塊與雙絞線的一端連接，中間通過(guò)交換機(jī)，另一端與計(jì)算機(jī)的網(wǎng)口連接。

(2)參數(shù)設(shè)置

完成硬件連接后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：計(jì)算機(jī)IP與PLC的以太網(wǎng)模塊的IP地址應(yīng)在同一個(gè)網(wǎng)段，它們應(yīng)使用相同的子網(wǎng)掩碼。首先設(shè)置計(jì)算機(jī)的IP，本系統(tǒng)采用PLC以太網(wǎng)接口默認(rèn)的子網(wǎng)網(wǎng)段地址192.168.0，計(jì)算機(jī)的IP地址的最后一位只要不和其他站點(diǎn)沖突就可以了。子網(wǎng)掩碼使用默認(rèn)的255.255.255.0。然后，通過(guò)西門(mén)子step7編程軟件進(jìn)行PLC方面的設(shè)置。在SIMATIC管理器中，執(zhí)行菜單命令“選項(xiàng)”→“設(shè)置PG/PC接口”，選擇TCP/IP(Auto)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡，在HWConfig中，雙擊CP343-1所在的插槽，點(diǎn)擊打開(kāi)CP屬性對(duì)話框的“常規(guī)”選項(xiàng)卡中的“屬性”按鈕，對(duì)IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行設(shè)置，這里使用默認(rèn)即可，當(dāng)然最重要的是一定要和計(jì)算機(jī)在同一個(gè)網(wǎng)段。最后使用MPI接口或ISO協(xié)議的普通網(wǎng)卡將IP地址下載到PLC的CPU模塊中。這樣就可以進(jìn)行TCP/IP以太網(wǎng)通信了。

(3)通信驗(yàn)證

在MCGS的設(shè)備窗口中選擇與西門(mén)子S7-300通信的的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。把以太網(wǎng)模塊添加到設(shè)備窗口中，然后雙擊此模塊打開(kāi)屬性模塊進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。這里需要注意的是本地IP地址和遠(yuǎn)端IP地址一定要和上面設(shè)置的IP一致，否則通信不成功。設(shè)置完成后，在設(shè)備調(diào)試中測(cè)試是否建立通信，如果通訊狀態(tài)為0表明連接成功。連接狀態(tài)如圖4所示。

圖4 MCGS與PLC的通信狀態(tài)界面圖

2.2 組態(tài)過(guò)程

(1)數(shù)據(jù)對(duì)象建立

在MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)象的建立。只有建立了數(shù)據(jù)對(duì)象，才可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，同時(shí)，數(shù)據(jù)對(duì)象也是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)必不可少的。本系統(tǒng)要使用的數(shù)據(jù)類型有：開(kāi)關(guān)類型、數(shù)值類型和組對(duì)象類型。開(kāi)關(guān)型是記錄開(kāi)關(guān)信號(hào)(0或非0)的數(shù)據(jù)對(duì)象，通常與外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出通道連接，用來(lái)表示某一設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)；數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象除了存放數(shù)值及參與數(shù)值運(yùn)算外，還提供報(bào)警信息，與外部設(shè)備的模擬量輸入輸出通道連接；數(shù)據(jù)組對(duì)象是MCGS引入的一種特殊類型的數(shù)據(jù)對(duì)象，類似于一般編程語(yǔ)言中的數(shù)組和結(jié)構(gòu)體，用于把相關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象集合在一起，作為一個(gè)整體來(lái)定義和處理。

(2)動(dòng)畫(huà)界面建立

在MCGS的用戶界面中建立不同的動(dòng)畫(huà)窗口，以用來(lái)顯示采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

(3)設(shè)備構(gòu)件通道連接

首先進(jìn)行通道建立，在MCGS的設(shè)備窗口中打開(kāi)西門(mén)子PLC以太網(wǎng)模塊，本系統(tǒng)要從PLC的DB模塊中取出數(shù)據(jù)，在MCGS中“V寄存器”就是專門(mén)用來(lái)連接PLC的DB模塊讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的，所以要選擇“V寄存器”；數(shù)據(jù)類型項(xiàng)中，系統(tǒng)只取兩類數(shù)據(jù)，一種是Bool型的，一種是Real型的，Bool型使用“通道的第00位”來(lái)獲取，Real型使用“16位無(wú)符號(hào)二進(jìn)制”來(lái)獲取；寄存器地址，這一項(xiàng)就是對(duì)應(yīng)PLC中的DB模塊中具體的地址數(shù)值，本系統(tǒng)要連接的是DB1中的地址，所以使用“1.0”、“1.1”等地址進(jìn)行連接通信；操作方式：使用“只讀”。根據(jù)不同的地址，進(jìn)行逐一添加，這樣就完成了數(shù)據(jù)通道的建立。接下來(lái)就是把這些通道與MCGS中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立的數(shù)據(jù)對(duì)象一一對(duì)應(yīng)的連接起來(lái)。需要注意的地方是一定要把數(shù)據(jù)對(duì)象與通道對(duì)應(yīng)正確，不同類型的對(duì)象是不能建立連接的，不然會(huì)組態(tài)不成功。數(shù)據(jù)對(duì)象與通道的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)對(duì)象與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系

最后運(yùn)行設(shè)置好的工程，做具體調(diào)試，運(yùn)行效果如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示效果圖

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于已經(jīng)采集到的的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，要進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣才可以長(zhǎng)久的保存，已做后期的查詢、使用。由于大部分組態(tài)軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)并不是現(xiàn)在企業(yè)中通用的數(shù)據(jù)庫(kù)(比如：Oracle、DB2、MySQL、SQLServer等)[13]，這樣對(duì)于后期的操作就會(huì)帶來(lái)很多不便。因此本系統(tǒng)通過(guò)ODBC來(lái)實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件直接把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于外部的數(shù)據(jù)庫(kù)。在MCGS網(wǎng)絡(luò)版中有一個(gè)模塊專門(mén)用來(lái)連接外部數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)做一些簡(jiǎn)單地設(shè)置便可與SQLServer2008獲得連接。連接中需要注意的是“數(shù)據(jù)庫(kù)名”這一選項(xiàng)就是要存儲(chǔ)到的數(shù)據(jù)庫(kù)，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)要提前在SQLServer2008客戶端進(jìn)行建立，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)連接成功之后，從PLC中獲取的數(shù)據(jù)就會(huì)存儲(chǔ)到外部的SQLServer2008中。具體的數(shù)據(jù)表是根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的組對(duì)象來(lái)命名的，一般默認(rèn)為“組對(duì)象名_MCGS”。數(shù)據(jù)表中的字段是根據(jù)組對(duì)象中添加的不同成員組成的，這里就需要我們自己根據(jù)需求來(lái)進(jìn)行添加設(shè)置，以滿足系統(tǒng)需求。

2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的顯示

通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表，可以實(shí)時(shí)的在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中進(jìn)行顯示或查詢。

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

3 結(jié)論

通過(guò)上面幾步的設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)了從PLC的DB模塊中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于外部數(shù)據(jù)庫(kù)中。通信采用以太網(wǎng)解決了多臺(tái)上位機(jī)與PLC連接的不方便，且連接簡(jiǎn)單、成本低。通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接，解決了自己編寫(xiě)代碼帶來(lái)的一些協(xié)議問(wèn)題，大大的減輕了工作量。本方案的創(chuàng)新之處在于把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，一方面可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查看，另一方面可以實(shí)現(xiàn)永久歷史數(shù)據(jù)的分析查閱。但此方案也存在一個(gè)小缺陷，因?yàn)镾QLServer2008是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性上存在一些時(shí)間延遲，不過(guò)對(duì)炮彈裝配于兵工廠的實(shí)際生產(chǎn)造不成影響。

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(編輯 李秀敏)

Implementation of Data Collection Based on PLC and MCGS

JIABinga,b,ZENGPeng-feia,b,HAOYong-pingb

(a.SchooloftheMechanicalEngineering;b.R&DCenterofCAD/CAMTechnology,ShenyangLigongUniversity，Shenyang110159,China)

Inthispaper,accordingtotheapplicationrequirementofthereal-timedatamanagementsystemforashellassemblyfactory,theimplementationofdatacollectionwasproposedbasedontheindustrialcontrolconfigurationsoftwareMCGSandprogrammalbecontrollerPLC.TheS7-300seriesofSiemenswasusedinthePLC,MCGSwasusedintheconfigurationsoftware,IndustrialEthernetwasusedinthecommunicationmode,ODBCwasusedinthesavingdataandSQLServer2008isusedintheexternaldatabase.ThecommunicationprocessbetweenMCGSandPLCconfigurationsoftwareandthedatastoredintheexternalSQLServer2008implementationwereintroducedindetail,Andthereal-timedisplayofthedatacanbeachievedintheproductionmanagementsystem.

real-timedatasystem;productionmanagement;programmablecontroller;industrialcontrolconfigurationsoftware;databasestorage

1001-2265(2016)12-0006-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.002

2016-03-01；

2016-04-07

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA041603-03)

賈冰(1989—)，男，山東臨清人，沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用，(E-mail)jiabing.yx@163.com。

TH166;TG

A