多PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)策略

楊方興，岳建鋒，王卿，王天琪

（天津工業(yè)大學天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室，天津300387）

多PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)策略

楊方興，岳建鋒，王卿，王天琪

（天津工業(yè)大學天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室，天津300387）

針對自動化系統(tǒng)中單個人機界面難以同時監(jiān)控多個PLC運行狀態(tài)的問題，提出一種組網監(jiān)控的方法.通過建立多個PLC之間的PPI通訊網絡，使每一個PLC都為網絡中的一個站點，應用MCGS組態(tài)環(huán)境對整個網絡組態(tài)，進而通過監(jiān)控整個網絡來實現(xiàn)同時監(jiān)控網絡中的各PLC站點；結合DLMPS-727S2實驗平臺進行實驗驗證.結果表明：組態(tài)后的系統(tǒng)可同時監(jiān)控多個PLC，可靠性高，實時性強，具有推廣應用價值.

多PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)策略；PPI通訊網絡；MCGS組態(tài)

在工業(yè)系統(tǒng)的自動化過程中，生產線控制節(jié)點數(shù)目日益龐大，各自動化部件千差萬別，要進行大量的數(shù)據(jù)交互才能保證生產線的順利運行[1].單個PLC已無法完成對整個生產線的控制，多PLC控制系統(tǒng)應運而生.如何同時對多PLC控制生產線進行實時監(jiān)控，及時、準確地反映生產線設備的實際運行狀況，已成為廣大工程技術人員所關心的問題.過去人們用按鈕、開關和指示燈等作為人機交互裝置，不僅提供的信息量少，且操作困難.監(jiān)控組態(tài)軟件與觸摸屏技術的不斷發(fā)展，大大降低了人機溝通的障礙.它們使整個生產線以圖形、動畫等形式實時反映出來，技術人員可通過可視化監(jiān)控畫面對整個生產線進行實時監(jiān)控[2].而隨著多PLC控制系統(tǒng)生產線的迅速發(fā)展，以前針對單個PLC系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控方法已不能有效反映生產線的運行狀態(tài).針對這一問題，本文提出了一種多PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)策略，并結合DLMPS-727S2生產線實驗平臺，組建了多PLC之間的PPI通信網絡，開發(fā)了基于MCGS工控組態(tài)軟件的生產線實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)，并通過mcgsTpc觸摸屏完成了對整個生產線的實時監(jiān)控和操作.

1 DLMPS-727S2實驗平臺概述

DLMPS-727S2生產線實驗平臺對實際工業(yè)現(xiàn)場的流程環(huán)境進行模擬，實現(xiàn)了對不同類型的工件進行加工檢測、送料搬運、自動裝配及分類存儲，如圖1所示.

圖1 DLMPS-727S2實驗平臺Fig.1 Experiment platform for DLMPS-727S2

該生產線系統(tǒng)共分為3個工作站：①加工站，包括送料檢測單元、加工檢測單元、裝配沖壓單元；②搬運站；③倉儲站.不同工作站分別由單獨的S7-200系列PLC控制.加工站完成物料顏色檢測、加工、裝配，然后通過搬運站機械手和傳送機構進行工件搬運，再由倉儲站分揀機構對到位的工件進行分類存儲.

2 PPI通訊原理及網絡組建

為同時監(jiān)控各工作站PLC，本文首先應用相關通信協(xié)議對3個工作站組建通訊網絡，進而通過監(jiān)控網絡來監(jiān)控每一個站點PLC.S7-200系列PLC支持多種通訊協(xié)議，如MPI通信（從站）、Modbus通信、PPI通信等.鑒于PPI通信具有可以不用編程即可讀寫PLC所有數(shù)據(jù)區(qū)且通訊穩(wěn)定等優(yōu)點，本文采用了PPI通信協(xié)議，并在分析其原理的基礎上，組建了3個工作站PPI通訊網絡，實現(xiàn)了各PLC之間的通訊.

2.1 S7-200PLC之間的PPI通訊原理

PPI通信協(xié)議是一種主從協(xié)議[3]，主從站在一個令牌環(huán)網中.主站向從站發(fā)出請求，從站作出應答；從站不主動發(fā)出信息，而是等主站向其發(fā)出請求或查詢后，作出應答.主站通過由PPI協(xié)議管理的共享連接與從站通信.PPI不限制能夠與任何一臺從站通信的主站數(shù)目，但無法在網絡中安裝32臺以上的主站.

啟用PPI主站模式后，S7-200CPU可在處于RUN（運行）模式時用作主站，可以使用“網絡讀取”（NETR）或“網絡寫入”（NETW）指令從其他S7-200CPU讀取數(shù)據(jù)或向其他S7-200CPU寫入數(shù)據(jù)，而從站程序沒有必要使用網絡讀寫指令，可以使用PPI協(xié)議與該網絡中的所有其他S7-200CPU通信.

2.2 各站PLC之間的PPI網絡組建

通過RS-485串行通訊，實現(xiàn)對生產線上3個工作站PLC的硬件互聯(lián)，使各PLC之間的數(shù)據(jù)信息通過RS-485總線傳遞[4].

STEP7-Micro/WIN是與S7-200 PLC配套的編程軟件，用戶程序結構簡單，編程方便[5].在STEP7-Micro/WIN環(huán)境中，組建不同PLC之間PPI網絡的一般過程如下：

（1）在STEP7-Micro/WIN軟件中，對每一臺PLC用于PPI通信的端口（PORT0或PORT1）設置其在PPI網絡中的站地址（注意不同站的站地址不同）.

（2）在主站（此處以倉儲站為主站）中進行通信配置，包括網絡操作數(shù)、通信端口號、網絡操作、分配V存儲區(qū)及最后生成程序代碼，如圖2所示.

圖2 網絡讀寫指令Fig.2 NETR and NETW instruction

（3）在主站中調用通信子程序.在PPI網絡中，只需在主站程序中調用通信子程序來讀寫從站信息，而從站程序沒有必要使用網絡讀寫指令.

以上完成了3個工作站之間的PPI網絡組建，如圖3所示.再編寫各站程序并下載到對應的工作站PLC，調試運行并檢查通訊情況，直至通訊正常.

圖3 PPI網絡組建Fig.3 Establishment of PPI network

3 基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)設計

本文所設計的監(jiān)控系統(tǒng)，主要用來同時監(jiān)控實驗臺上3個工作站PLC的實時數(shù)據(jù)變化，控制各站動作，修改相關參數(shù)等.鑒于MCGS（monitor and control generated system）組態(tài)軟件具有動畫簡潔、腳本使用靈活、開放性好等諸多優(yōu)點，本文采用MCGS組態(tài)環(huán)境來開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng).

3.1 MCGS開發(fā)環(huán)境

MCGS嵌入版是昆侖通態(tài)公司針對mcgsTpc開發(fā)的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，并以動畫顯示、報警處理、流程控制等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案[6].

3.2 MCGS監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)

3.2.1 組態(tài)對象分析

該生產線試驗臺系統(tǒng)由3個工作站組成，要實現(xiàn)對整個生產線的監(jiān)控，就要同時對3個工作站PLC的信息進行實時采集和處理.在此通過已建立的3個工作站PLC之間的PPI通訊網絡，把加工站、搬運站兩從站的數(shù)據(jù)信息傳送到倉儲站（主站），再使倉儲站PLC通過RS-485通訊線與觸摸屏建立通訊，實現(xiàn)觸摸屏同時讀取3個工作站PLC的信息，從而實現(xiàn)對整個生產線系統(tǒng)的實時監(jiān)控，如圖4所示.

圖4 觸摸屏與PLC通訊連接Fig.4 Communication between touch panel and PLC

另外，為使監(jiān)控畫面能夠真實反映實際運行狀況，在信息采集正確且滿足通信負荷要求的情況下，盡量減小觸摸屏采集信息的周期，以保證每一個信號的短時間變化都能采集到，從而保證生產線當中每一個動作都能監(jiān)控到.

3.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)

（1）設備窗口組態(tài).通過設備組態(tài)完成外部設備與監(jiān)控系統(tǒng)內實時數(shù)據(jù)庫的信息交換，實現(xiàn)對外部設備的監(jiān)控與操作[7].進入設備組態(tài)窗口，在設備構件工具箱里選擇相應的構件，配置到窗口內，如圖5所示.而后建立接口與通道的連接關系，設置相關屬性，即完成了設備窗口組態(tài).

圖5 設備組態(tài)窗口Fig.5 Window of device configuration

（2）構造實時數(shù)據(jù)庫.實時數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的信息交換中心[8]，也是MCGS系統(tǒng)的核心單元，系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)交換、處理以及數(shù)據(jù)的可視化均以實時數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)公用區(qū)，其基本原理如圖6所示.此監(jiān)控設計中，定義各機械手狀態(tài)變量、各站工作狀態(tài)變量等，并設置其屬性.

圖6 實時數(shù)據(jù)庫工作原理Fig.6 Working principle of real-time database

（3）用戶窗口組態(tài).用戶窗口組態(tài)的是要直接面對用戶的界面，需組態(tài)的用戶窗口如圖7所示.組態(tài)時根據(jù)實際場景來放置各種圖形對象，如圖符、動畫構件等[9].不同的圖形對象連接不同的變量，以實現(xiàn)想要的功能.在用戶窗口的屬性設置中還可利用腳本來實現(xiàn)相對復雜的功能.在此監(jiān)控設計中，搬運站與倉儲站的運動功能實現(xiàn)上使用了腳本程序控制.

圖7 用戶窗口組態(tài)Fig.7 Configuration of user′s window

（4）報警功能組態(tài).當設備運行出現(xiàn)故障時，應及時查明原因并進行處理，以提高生產效率，這就需要對報警功能進行組態(tài).在實時數(shù)據(jù)庫中選擇允許報警的變量，設置其屬性，以實現(xiàn)報警功能.該監(jiān)控系統(tǒng)中對動作沖突、料倉是否缺料等進行了報警組態(tài).

4 監(jiān)控系統(tǒng)的調試運行

當工程組態(tài)完畢，便可下載到觸摸屏中，對整個生產線設備進行監(jiān)控調試.

（1）觸摸屏與PLC之間的通訊調試.在MCGS組態(tài)環(huán)境工作臺的設備窗口下對觸摸屏與PLC的通訊參數(shù)進行設置，包括波特率、數(shù)據(jù)采集周期、觸摸屏端口地址等，不斷設置參數(shù)直至通訊正常.需要注意的是，觸摸屏端口地址的設置一定要與所連PLC的端口地址一致.

（2）監(jiān)控畫面調試運行.當建立觸摸屏與PLC之間的通訊后，便可對監(jiān)控畫面的實時監(jiān)控情況進行調試.仔細觀察監(jiān)控畫面，查出畫面中各機械手動作、指示燈狀態(tài)及報警信息等與設備實際運行情況是否相符，操作各按鈕觀察是否能起到控制設備運行的作用.不斷修改腳本程序、相應參數(shù)及其屬性等，直至監(jiān)控畫面的運行與設備實際運行狀態(tài)相符為止.該監(jiān)控系統(tǒng)把3個工作站組態(tài)為一個界面，即實現(xiàn)了同時對3個工作站PLC進行監(jiān)控，監(jiān)控畫面如圖8所示.

圖8 實時監(jiān)控界面Fig.8 Real-time monitoring interface

5 結束語

本文結合工程實際問題，以生產線實驗平臺為研究對象，主要完成了以下工作：

（1）結合實驗平臺，運用PPI通訊協(xié)議組建了3個工作站PLC之間的PPI網絡.

（2）應用MCGS組態(tài)環(huán)境完成了對整個PPI網絡的組態(tài)，研究開發(fā)了可同時監(jiān)控3個工作站PLC的實時監(jiān)控系統(tǒng).

（3）對該監(jiān)控系統(tǒng)進行了實驗驗證，結果表明，該系統(tǒng)能夠很好地實時反映多個PLC運行情況且工作可靠，對工程應用有一定的推廣價值.

[1]王健強，王長潤，孫純哲，等.多PLC及多級現(xiàn)場總線在機器人焊裝線中的應用[J].上海交通大學學報，2008，42：20-24.

[2]楊洋，張蒂如.基于PLC、MCGS組態(tài)軟件的高壓電機試驗系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2008，28（8）：90-92.

[3]陳立定，馮景輝，胥布工.遠程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].同濟大學學報，2010，38（11）：1659-1662.

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[5]葛鎖良，袁業(yè)劍，于敏華.一種新型可連續(xù)調節(jié)的無功補償裝置[J].電力自動化設備，2011，31（11）：100-102.

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Configuration strategy of multi-PLC control system

YANG Fang-xing，YUE Jian-feng，WANG Qing，WANG Tian-qi
（Tianjin Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Aiming at the problem that single man-machine interface is difficult to monitor running state of multiple PLCs in

automation system，a feasible and effective approach to network monitoring is proposed.At first，the communication network for PPI between multiple PLCs is built.So each PLC becomes a site in the network. Furthermore，in order to monitor each PLC site in the network by monitoring the entire network，the entire network for PPI is configurated under the MCGS configuration environment.Finally，with the platform for DLMPS-727S2，the experiment based on the above idea is done.And the result shows that the system can simultaneously monitor multiple PLCs，and is high reliability and real-time，and it has good application value.

multiplePLCs；monitoringsystem；configurationstrategy；communicationnetworkforPPI；MCGSconfiguration

TP277

A

1671－024X（2013）06－0068－04

2013-06-20

天津市自然科學基金重點資助項目（10JCZDJC23500）

楊方興（1986—），男，碩士研究生.

岳建鋒（1973—），男，博士，副教授，碩士生導師.E-mail：billyue7303@sina.com