基于S7-300與WinCC 的橋式起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)

余 丹,楊 輝,陸榮秀

(華東交通大學電氣與電子工程學院,江西南昌330013)

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和交通運輸業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)起重機械的應(yīng)用越來越多,起重機不斷朝著大型化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展[1]。目前,國內(nèi)起重機發(fā)生故障較多、監(jiān)管工作不足,為了保證起重機在安全限度內(nèi)工作和操作人員的安全駕駛,研究起重機的監(jiān)控系統(tǒng)意義重大[2]。

垃圾液壓橋式起重機(垃圾吊)是垃圾廠處理垃圾的起重設(shè)備,要求其故障時間少、操作安全。監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)視現(xiàn)場狀況,加上監(jiān)控軟件具有對數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、以及模擬現(xiàn)場實景再現(xiàn)等能力,它已得到廣泛應(yīng)用。本文采用監(jiān)控管理技術(shù),不僅可以減少操作人員工作強度,提高裝卸效率,而且可以實時監(jiān)視設(shè)備運行狀況和具有故障報警功能,加強了起重機系統(tǒng)和操作人員的安全,并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢,為維護和修理帶來極大地方便。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)垃圾吊控制管理系統(tǒng)(CMS系統(tǒng))的要求,系統(tǒng)分為3部分:下位機PLC、上位機WinCC和數(shù)據(jù)通訊。下位機采用三套西門子S7-300 PLC,分別控制3臺起重機運行,由編程軟件STEP 7實現(xiàn)程序設(shè)計;上位機為1臺安裝了西門子組態(tài)軟件WinCC的研華工控機,WinCC配合PLC,對3臺起重機的操作系統(tǒng)進行不間斷監(jiān)控、故障診斷及數(shù)據(jù)收集;數(shù)據(jù)通訊采用以太網(wǎng),實現(xiàn)PLC與WinCC之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

PLC系統(tǒng)為監(jiān)控整車的運行狀態(tài),實現(xiàn)對整車運行的時序邏輯控制及信號的實時檢測,采用程序化操作和手動操作相結(jié)合的方式。PLC采集到的信號通過以太網(wǎng)上傳給上位機,之后WinCC對3臺起重機的操作系統(tǒng)進行不間斷監(jiān)控,記錄并顯示所有電氣元件或部件的故障狀態(tài)與工作狀態(tài),記錄并顯示起重機的狀態(tài)參數(shù),記錄并顯示起重機的操作記錄與工作參數(shù),同時上位機本身故障時不會影響系統(tǒng)的工作。若元件出現(xiàn)故障,上位機則及時報警,上位機還可通過服務(wù)器后臺進行數(shù)據(jù)收集、存儲、管理、分析達到提前預警。

2 下位機PLC硬件設(shè)計

德國西門子(SIEMENS)公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國應(yīng)用相當廣泛,西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化,具有網(wǎng)絡(luò)通信能力,功能更強,可靠性更高。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求,采用西門子公司的S7-300系列CPU 314C-2 DP作為控制器,并配有CP 343以太網(wǎng)模塊,接入交換機與上位機進行數(shù)據(jù)通信,其中采用TCP/IP通信協(xié)議。根據(jù)每臺起重機的控制變量總數(shù),采用一塊SM 321DI32×DC24 V和三塊SM 322 DO16×Rel.AC120/230 V數(shù)字模塊,PLC模塊與現(xiàn)場設(shè)備之間采用PROFIBUS-DP進行通訊。根據(jù)垃圾吊的工作原理和控制方式,在西門子的編程軟件STEP 7中通過梯形圖完成PLC控制程序的編寫。

PLC與上位機之間通過以太網(wǎng)進行通訊,要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,重要的為準確設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù)。對每臺起重機的通訊模塊CP 343設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù),其中IP address(IP地址)和Subnet mask(子網(wǎng)掩碼)都是唯一的。同時上位機將按這里的參數(shù)訪問PLC,實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

3 上位機WinCC軟件設(shè)計

西門子公司的WinCC組態(tài)軟件適合于各個行業(yè)和各種技術(shù)系統(tǒng),用于在生產(chǎn)和過程自動化環(huán)境中實現(xiàn)可視化和過程控制任務(wù)[3]。WinCC組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機界面技術(shù),數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等,只需通過可視化的組態(tài)方式,就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計,降低了監(jiān)控畫面開發(fā)的難度。WinCC 6.2使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫,可以使用ODBC、DAO、OLE-DB、WinCC OLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數(shù)據(jù),強大的標準接口,如OLE、ActiveX和OPC,可以方便地和其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)[4-6]。它具有快速的畫面更新、高效的數(shù)據(jù)通信,以及提供數(shù)據(jù)采集與歸檔、圖形顯示、報警功能和報表模塊。

根據(jù)系統(tǒng)需求,實現(xiàn)對起重機工作情況的監(jiān)控,包括其大車、小車、起升、抓斗、司機室等各機構(gòu)實時的狀態(tài),以及系統(tǒng)故障的報警信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。根據(jù)系統(tǒng)界面設(shè)計,監(jiān)控畫面一般分為3個部分:總覽部分(狀態(tài)欄)、現(xiàn)場畫面部分(主導航欄)和按鈕部分(主監(jiān)控部分)。一般采取的布局方式有多種,本系統(tǒng)采用的布局方式是自上而下的方式分布畫面,畫面分布為總覽部分、現(xiàn)場部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統(tǒng)標識符、畫面標題、顯示日期和時間的數(shù)字時鐘、橋機號選擇以及實時報警控件;在現(xiàn)場部分顯示各個機構(gòu)畫面、報警畫面、數(shù)據(jù)趨勢圖和生產(chǎn)報表畫面;在按鈕部分顯示監(jiān)控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個畫面設(shè)計如圖2所示,設(shè)計過程可以分為4大模塊:狀態(tài)監(jiān)測模塊、故障報警模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、報表生成模塊。

圖2 CMS系統(tǒng)上位機設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3.1 狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測模塊主要顯示總機概況,運行機構(gòu)狀態(tài)、司機室操作臺狀況,直接通過WinCC圖形編輯器完成。在圖形編輯器中,用輸入/輸出域?qū)崟r顯示模擬量,如各機構(gòu)運行至某一位置值或垃圾重量;用圖形顏色變化來表示各機構(gòu)的實時狀況、限位開關(guān)、報警變量等開關(guān)量的通與斷,變量為1時背景色設(shè)為綠色,變量為0時背景色設(shè)為灰色。各監(jiān)控畫面將形象地顯示各元件的狀態(tài),便于用戶掌握系統(tǒng)實時信息。

3.2 故障報警模塊

故障報警模塊主要完成故障報警信息的記錄與顯示,故障查詢、統(tǒng)計與分析等功能,大大縮短故障排除時間,并為設(shè)備維護提供參考信息。WinCC軟件提供的報警編輯器,負責消息的采集和歸檔,包括過程、預加工、表達式 、確認及歸檔等消息的采集功能。在組態(tài)期間,可對過程中應(yīng)觸發(fā)的事件進行定義。這個事件可以是設(shè)置自動化系統(tǒng)中的某個特定位,也可以是過程值超出預定義的限制值。

在系統(tǒng)組態(tài)時,首先需要把所有故障變量在報警編輯器中進行組態(tài),之后在圖形編輯器中添加報警控件,當有故障報警時,在報警控件中會顯示報警信息。同時在Horn報警器中組態(tài)報警的變量,實現(xiàn)語音報警,及時通知用戶,從而達到聲光報警的效果。在報警控件中還可以通過對報警發(fā)生時間、錯誤點、故障編號或其組合等進行任意查詢與打印。報警畫面如圖3所示。

圖3 報警畫面

3.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

數(shù)據(jù)記錄模塊主要記錄設(shè)備信息和備件信息,完成設(shè)備運行狀態(tài)記錄,服務(wù)器后臺執(zhí)行設(shè)備維護提示及報警。此畫面只有取得相應(yīng)權(quán)限的用戶才能打開,在WinCC的用戶管理器中設(shè)置用戶及用戶的權(quán)限。本系統(tǒng)采用VBScript腳本與SQL Server 2005將設(shè)備信息存入到自定義數(shù)據(jù)庫中,通過點擊生成報表按鈕,在Excel控件中顯示數(shù)據(jù)。實現(xiàn)將WinCC的數(shù)據(jù)添加到自定義數(shù)據(jù)庫中,首先要在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中建立一個數(shù)據(jù)庫cms及其下的數(shù)據(jù)庫表,之后通過配置ODBC數(shù)據(jù)源連接SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。步驟為

(1)在控制面板中,選擇管理工具下的數(shù)據(jù)源ODBC,啟動ODBC數(shù)據(jù)源管理器。

(2)單擊“系統(tǒng)DSN”選項卡,進入系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頁面,單擊“添加”按鈕,打開“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對話框,在驅(qū)動程序列表中,選擇SQL Server,然后點擊完成。

(3)在打開的“創(chuàng)建數(shù)據(jù)源向?qū)А贝翱谥?輸入數(shù)據(jù)源名稱、說明和SQL Server服務(wù)器名稱,之后按步驟進行完成,測試數(shù)據(jù)庫cms連接成功。

接著根據(jù)起重機設(shè)備信息,通過VB腳本編寫程序。用戶隨時可根據(jù)設(shè)備信息或備件信息寫入數(shù)據(jù)庫,并在需要的時候根據(jù)具體情況查詢報表。同時,當設(shè)備達到報警條件或是備件不足時,將會自動彈出報警窗口,提示用戶報警信息。

3.4 報表生成模塊

此模塊完成必要的生產(chǎn)信息和作業(yè)統(tǒng)計查詢,如每臺起重機每次抓斗的抓起重量,每個投料口的投入量,每臺起重機每班的作業(yè)量以及年/月/日的作業(yè)情況等,在需要的時候?qū)⒚颗_起重機的數(shù)據(jù)以表格的形式輸出至打印機進行打印。作業(yè)的數(shù)據(jù)也是通過VBScript腳本與SQL Server 2005來實現(xiàn),將采集的數(shù)據(jù)存入自定義的數(shù)據(jù)庫中,在報表畫面中進行查詢與打印數(shù)據(jù),報表畫面如圖4所示。

報表畫面中,通過報表選擇的下拉菜單來選取日/月/年報表,作業(yè)具體選擇的下拉菜單來選取以班次、機號、投料口或其組合顯示,并可選擇起止時間。點擊生成報表按鈕可以在Excel控件上顯示選取的數(shù)據(jù),點擊打印報表按鈕可以將數(shù)據(jù)打印出來,點擊刪除報表按鈕可以直接將選取的數(shù)據(jù)刪除。實現(xiàn)打印功能,要先建立頁面布局和打印作業(yè)。啟動WinCC的報表編輯器Report Desinger,先建立一個頁面布局,選擇ODBC數(shù)據(jù)源cms,設(shè)置SQL語句。模板建好之后,在Print Job項下建立一個新的打印作業(yè),如以打印每天的作業(yè)情況為例,命名為zuoye,并在新建Job的屬性對話框Layout處與剛建好的報表建立連接。打印報表按鈕的C腳本為:RPTJobPrint(“zuoye”)。

圖4 報表畫面

4 結(jié)語

以西門子組態(tài)軟件WinCC作為上位機和S7-300 PLC作為下位機,應(yīng)用到垃圾吊控制管理系統(tǒng)中,實現(xiàn)了對狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測,形象地模擬了現(xiàn)場的運行情況,完成了作業(yè)記錄,降低了故障發(fā)生率,并有效地保障了起重機系統(tǒng)的安全。

[1]李偉,李瑞華.起重機智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].煤礦機械,2006,27(8):3-4.

[2]朱鈺,許順隆,劉少輝,等.液壓起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2008,32(4):638-640.

[3]王曉遠,杜靜娟,齊利曉,等.基于工業(yè)組態(tài)軟件WinCC的化工工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2006,33(5):41-43.

[4]蔡小亮,羅益民,孫鋒,等.基于PLC和WinCC的智能雙腔監(jiān)測熱換器系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2010,37(2):81-83.

[5]王哲,尹強,高全杰,等.基于組態(tài)軟件WinCC的結(jié)晶器在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].機床與液壓,2009,37(12):133-137.

[6]GONGBO,ZHU ZHENCA,CHEN GUANGZHU,et al.Technique of WinCC long-distance accessing exterior SQL server database[C]//2009 First International Workshop on Education Technology and Computer Science(ETCS),2009:153-155.