麻麗明，樊新乾

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北邢臺 054000）

0 引言

在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中，及時解決處理突發(fā)故障，是提高工作效率的首要條件。在實際工廠生產(chǎn)過程中，對于多條生產(chǎn)線同時工作時，時常會因為某一段區(qū)間發(fā)生故障而影響整條生產(chǎn)線甚至整個工廠的生產(chǎn)過程，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地排查故障的位置，而耽擱生產(chǎn)周期，影響整條生產(chǎn)線或整個生產(chǎn)的進(jìn)度，極大地降低了生產(chǎn)效率，因此工作技術(shù)人員為了準(zhǔn)確查找到故障的位置，減少時間的浪費(fèi)就成為解決實際生產(chǎn)的急需關(guān)注的問題。

針對以上出現(xiàn)在生產(chǎn)中的故障，迅速排查到故障的位置，對于提高生產(chǎn)的效率，減少人員的浪費(fèi)，有著十分重要的作用。該系統(tǒng)利用工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件可以實現(xiàn)對實際生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時交互，實時跟蹤生產(chǎn)過程，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)控。組態(tài)王Kingview 是一款工業(yè)通用型的組態(tài)監(jiān)控軟件，該軟件運(yùn)行于Windows 系統(tǒng)，操作人員可以通過互聯(lián)局域網(wǎng)絡(luò)實時獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)[1-2]。

本系統(tǒng)以實際生產(chǎn)線為研究背景，利用組態(tài)王監(jiān)控軟件和硬件S7-200 SMART PLC 為控制器設(shè)計實現(xiàn)了主站與多個從站的故障報警監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)某個從站生產(chǎn)線在實際運(yùn)行時，系統(tǒng)檢測到故障信號觸發(fā)后，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，工作技術(shù)人員可以根據(jù)監(jiān)控界面故障發(fā)生前后狀態(tài)的改變和實際報警信號的實際動作，來判斷具體故障發(fā)生的位置，及時發(fā)現(xiàn)故障和進(jìn)行維修，多個從站PLC 控制器編寫梯形圖對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行控制操作，使整個監(jiān)控系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和可行性[3]。

1 主站與多從站生產(chǎn)線故障報警監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 主站與從站設(shè)計

生產(chǎn)線上的故障可能發(fā)生的位置有很多，可以根據(jù)實際的生產(chǎn)環(huán)境設(shè)置不同的位置編號。但是每一處位置的報警信號處理過程都是類似的，檢測到報警信號的觸發(fā)，發(fā)出報警信號指示。在多個不同位置加裝故障報警監(jiān)控系統(tǒng)，不同位置故障報警系統(tǒng)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。

圖1 故障報警系統(tǒng)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

整個的多條生產(chǎn)線的大生產(chǎn)環(huán)境中，有兩種網(wǎng)絡(luò)選擇：（1）可以使用多I/O 輸入輸出點數(shù)的大型PLC 設(shè)備，給每條生產(chǎn)線的故障報警變量分配不同的I/O 端子，在PLC 程序中使用主程序調(diào)用多條子程序的方法，在節(jié)約了控制器的前提下增加了區(qū)域布線的程序編寫上的調(diào)用，單個控制器PLC 發(fā)生故障很容易導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的運(yùn)行故障；（2）利用多條生產(chǎn)線、多個控制器PLC 分別控制，然后通過局域網(wǎng)絡(luò)形成一個主站與多個從站的控制環(huán)境，雖然增加了PLC 控制器成本，但系統(tǒng)分工明確，操作簡單，單個從站的故障不會影響整個控制網(wǎng)絡(luò)的故障，具有一定的穩(wěn)定性和安全性。

1.2 單個從站系統(tǒng)設(shè)計

每條生產(chǎn)線上均設(shè)置安裝故障報警系統(tǒng)，當(dāng)哪條生產(chǎn)線有故障觸發(fā)時，就能很迅速地去查知故障所在，根據(jù)單個故障報警環(huán)節(jié)的系統(tǒng)控制要求，單個硬件控制環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單個硬件控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

故障報警控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的具體控制要求：在一個實際的生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生故障，報警信號被觸發(fā)，報警蜂鳴器和報警閃爍燈同時開始動作，但是閃爍燈是以亮2 s，熄滅3 s 的周期進(jìn)行閃爍，閃爍20個周期后蜂鳴器和報警燈同時停止工作。

根據(jù)該控制系統(tǒng)的實際控制要求，組態(tài)王監(jiān)控進(jìn)行監(jiān)控畫面的繪制，完成硬件和軟件實施通訊連接，可以實現(xiàn)對控制現(xiàn)場的報警狀況實時數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[4-5]。

2 單個從站系統(tǒng)控制方案

2.1 方案規(guī)劃

根據(jù)單個從站控制環(huán)節(jié)的報警系統(tǒng)的控制要求，生產(chǎn)線故障報警監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程如圖3 所示?？刂屏鞒蹋荷a(chǎn)線系統(tǒng)在接收到報警信號觸發(fā)后，整個控制系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，分別是蜂鳴器持續(xù)響起，報警閃光燈也開始以亮2 s 和滅3 s 的周期進(jìn)行閃爍，報警閃光燈持續(xù)20個周期后，蜂鳴器和報警閃爍燈停止輸出。

圖3 過程控制流程

2.2 梯形圖程序設(shè)計

根據(jù)控制要求分析可得，故障信號為輸入信號，報警閃光燈和蜂鳴器作為輸出信號。具體系統(tǒng)I/O 分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O分配

由以上對控制系統(tǒng)分配的I/O 地址，根據(jù)PLC 的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成，可以設(shè)計繪制出PLC 的接線圖如圖4所示。PLC 接線分為輸入回路和輸出回路兩部分，針對實際生產(chǎn)過程中的控制要求，設(shè)計出以上控制系統(tǒng)，假設(shè)實際生產(chǎn)中的故障信號觸發(fā)系統(tǒng)中的I0.0 輸入端子，蜂鳴器連接輸出端Q0.0，報警燈連接輸出端Q0.1。I0.0連接輸入電源和公共端形成閉環(huán)回路，Q0.0 和Q0.1 連接輸出電源和公共端形成閉環(huán)回路。

圖4 PLC外部接線

根據(jù)單個故障報警控制系統(tǒng)的控制要求，I/O 分配，利用S7-200 SMART PLC 編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計出的生產(chǎn)線故障報警PLC 系統(tǒng)程序如圖5 所示。單個故障報警控制系統(tǒng)的程序如圖所示，第一行程序故障信號I0.0 觸發(fā)后，輸出端子Q0.0 線圈得電，同時常開觸點Q0.0 閉合，第一行程序自鎖，Q0.0（蜂鳴器）線圈持續(xù)輸出；第二行程序中常開觸點Q0.0也因為線圈Q0.0的得電也閉合，Q0.1（閃光燈）輸出端子線圈得電使閃光燈亮起，同時定時器T37開始計時，計時時間為2 s，計時時間2 s到，Q0.1（閃光燈）熄滅；第三行程序中的常開觸點T37 在計時時間2 s 到后得電閉合，此時定時器T38 開始計時，計時時間為3 s，T38 計時時間到，第二行程序中的常閉觸點T38 變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，使定時器T37 停止計時；第四行程序中C0 計數(shù)加1，Q0.1（閃光燈）又開始下一個周期循環(huán)，直到C0 計數(shù)達(dá)到20 后，蜂鳴器停止工作，使計數(shù)器C0復(fù)位，整個控制系統(tǒng)停止循環(huán)[6]。

圖5 PLC系統(tǒng)的程序

3 多個從站故障報警監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計

組態(tài)軟件組態(tài)王運(yùn)行于windows 操作系統(tǒng)、PLC 編程軟件為STEP 7-MicroWIN SMART。

組態(tài)軟件為組態(tài)王kingview7.5，根據(jù)生產(chǎn)線故障報警監(jiān)控系統(tǒng)實際要求，利用組態(tài)王軟件的操作流程繪制出多個從站的監(jiān)控畫面，具體的監(jiān)控界面操作步驟如下：（1）建立新的工程文件；（2）監(jiān)控畫面的繪制；（3）數(shù)據(jù)詞典變量的建立；（4）組態(tài)監(jiān)控畫面的動畫連接操作；（5）命令語言的編寫；（6）監(jiān)控畫面的運(yùn)行。通過以上步驟完成多個從站生產(chǎn)線故障報警監(jiān)控界面的設(shè)計。

3.2 系統(tǒng)軟件與硬件的通信

組態(tài)王與S7-200 SMART PLC 連接。要使組態(tài)王與PLC 編程軟件成功通訊，需要在工控機(jī)上安裝一個驅(qū)動文件，這樣才能夠使組態(tài)王與STEP 7-MicroWIN SMART連接成功。具體操作：進(jìn)入亞控官網(wǎng)下載最新S7-TCP驅(qū)動，對下載的驅(qū)動文件解壓后，用記事本方式打開kvS7200 文件進(jìn)行編輯。需要提前查找到PLC 的IP 地址和上位機(jī)電腦的IP 地址，在kvS7200 文本需要修改填寫PLC 硬件的IP 和上位機(jī)的IP 地址。如圖6 所示，在填寫IP 地址時必須保證兩個IP 地址在同一個網(wǎng)段，這樣才能順利通信。

圖6 驅(qū)動文本內(nèi)容

設(shè)置完IP 地址的填寫后，需要對指定的文本進(jìn)行驅(qū)動更新操作，打開開始菜單在組態(tài)王安裝目錄下的“驅(qū)動安裝工具” 選擇剛才解壓并編輯保存的文件夾，選中S7-TCP.dll 打開安裝直到安裝完成[7]。安裝如圖7所示。完成組態(tài)王與S7-200 SMART TCP 連接之間的驅(qū)動安裝后，即可實現(xiàn)組態(tài)王與S7-200 SMART PLC 之間的通信連接[8]。

圖7 驅(qū)動安裝

在利用組態(tài)監(jiān)控界面進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控時，需要在組態(tài)王中建立新的數(shù)據(jù)詞典變量，其中變量的類型I/O變量和內(nèi)存變量兩大類，I/O變量能夠完成實時數(shù)據(jù)與組態(tài)王的通信，內(nèi)存變量在組態(tài)王不利用外部數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)內(nèi)部畫面與數(shù)據(jù)的交互。為了實時監(jiān)控外部的報警狀況，本系統(tǒng)需要建立的數(shù)據(jù)詞典的變量如表2所示。

表2 組態(tài)軟件變量

建立完數(shù)據(jù)詞典后，接下來就是對畫面圖素進(jìn)行動畫鏈接才能實現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控界面與外界數(shù)據(jù)的實時交換。

3.3 監(jiān)控界面設(shè)計

該主站與多個從站故障報警監(jiān)控系統(tǒng)，主站和從站的控制器選用S7-200 SMART PLC，利用以太網(wǎng)實現(xiàn)對多個控制器之間的局域網(wǎng)絡(luò)控制，每個從站的PLC 控制器完成梯形圖程序的編寫，實現(xiàn)單個故障報警控制系統(tǒng)的運(yùn)行，在保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，為了直觀高效地對生產(chǎn)線故障報警遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，利用組態(tài)王監(jiān)控界面實現(xiàn)了對多個生產(chǎn)線實時故障報警狀況的監(jiān)控，監(jiān)控界面如圖8 所示。根據(jù)實際的控制現(xiàn)場，可以實時的繪制出生產(chǎn)線。如圖有3條生產(chǎn)線，在沒有故障時，3條生產(chǎn)線的報警信號燈、報警閃爍燈、蜂鳴器的狀態(tài)顏色都是綠，當(dāng)其中某一條生產(chǎn)線有故障時，其對應(yīng)的報警信號燈、報警閃爍燈、和蜂鳴器都會通過接受外部變量的狀態(tài)值的變化而改變成紅色，實現(xiàn)了生產(chǎn)技術(shù)人員不在現(xiàn)場的情況就能及時的通過監(jiān)控畫面的改變得知實際生產(chǎn)現(xiàn)場故障發(fā)生的情況。

圖8 多從站監(jiān)控界面

3.4 仿真效果與分析

通過模擬運(yùn)行和仿真實現(xiàn)，假設(shè)一號生產(chǎn)線在運(yùn)行中故障信號被觸發(fā)，對應(yīng)的一號生產(chǎn)線的報警信號燈、報警閃爍燈和蜂鳴器會通過設(shè)置好的讀取外界變量的狀態(tài)值的變化，監(jiān)控界面中相應(yīng)圖素顏色的改變來提醒技術(shù)工作人員故障發(fā)生的位置，圖9 所示為一號生產(chǎn)線故障報警前后監(jiān)控界面的變化。根據(jù)報警監(jiān)控界面中報警信號、報警閃爍燈、蜂鳴器的顏色變化，能夠及時發(fā)現(xiàn)具體發(fā)生故障的生產(chǎn)線，提高了排查故障和維修故障的效率。

圖9 故障報警前后對比

4 結(jié)束語

本主站與多從站故障報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，在保證了實際生產(chǎn)線的前提下，通過S7-200 SMART PLC 對多個從站完成故障報警程序的編寫，實現(xiàn)了生產(chǎn)線有故障信號觸發(fā)時，通過報警閃爍燈和蜂鳴器的輸出及時提醒到維修人員去發(fā)現(xiàn)和維修故障。而且又通過組態(tài)王監(jiān)控軟件的監(jiān)控界面的實時監(jiān)控功能，實現(xiàn)了人員不在生產(chǎn)現(xiàn)場遠(yuǎn)距離也能及時得知故障發(fā)生位置。在保證了多從站生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，設(shè)計和實現(xiàn)了組態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控的功能，極大程度地解決了人員的浪費(fèi)，提高了實際的生產(chǎn)效率，在實際的生產(chǎn)和資源利用方面具有很高參考價值。