基于TwinCAT的壓縮機(jī)組實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉為杰，周曉梅，丁家寶

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000）

基于TwinCAT的壓縮機(jī)組實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉為杰，周曉梅，丁家寶

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000）

針對多臺大型壓縮機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，實時性要求高等問題，設(shè)計了一種基于TwinCAT的壓縮機(jī)組實時監(jiān)測系統(tǒng)。闡述了監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案，PLC程序編寫，TwinCAT系統(tǒng)管理器組態(tài)，上位機(jī)監(jiān)測軟件的研制。應(yīng)用結(jié)果表明該實時系統(tǒng)能夠滿足大數(shù)據(jù)量傳輸、高實時性的要求。

TwinCAT；實時以太網(wǎng)；壓縮機(jī)；實時監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

大型壓縮機(jī)組在運(yùn)行過程中需要對壓縮機(jī)組本身以及各類輔機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，以便運(yùn)行人員及時掌握機(jī)組運(yùn)行情況，確保機(jī)組安全運(yùn)行。因此，建立一套快速、可靠的實時監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。

面對復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，實時以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前實時以太網(wǎng)技術(shù)正在高速發(fā)展，各個自動化公司相繼推出自己的實時以太網(wǎng)協(xié)議。其中德國倍福（Beckhoff）公司提出開放式實時以太網(wǎng)EtherCAT具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點，支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］。

本文用安裝在PC上的TwinCAT軟件作為實時以太網(wǎng)的軟主站，倍福EtherCAT耦合器、串口通信模塊等構(gòu)成從站，完成對4套壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的讀取。

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案

壓縮機(jī)組實時監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。4套壓縮機(jī)組，共有14臺儀表設(shè)備需要與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，分別為4臺壓縮機(jī)CMC控制面板，4臺干燥站PLC，4臺高壓運(yùn)行柜電機(jī)綜合保護(hù)裝置Sepam M87，2臺輔機(jī)PLC，各儀表均提供RS-485接口。使用倍福EtherCAT耦合器、串口通信模塊構(gòu)成EtherCAT從站，將4套壓縮機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，通過EtherCAT總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)TwinCAT系統(tǒng)。

圖1 壓縮機(jī)實時監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 從站硬件介紹

EtherCAT從站 由 EtherCAT總線 耦 合 器EK1100，4塊串口接口模塊EL6022，總線末端端子模塊EL9010構(gòu)成。

EK1100：耦合器帶有2個以太網(wǎng)接口，使用第一個以太網(wǎng)接口和網(wǎng)絡(luò)連接，它將從站各模塊間Ebus信號通過EtherCAT總線傳送到主站。

EL6022：與底層Modbus設(shè)備相連，帶有2個RS-422/RS-485串口接口。

EL9010：安裝在所有模塊最后端，起機(jī)械和電氣保護(hù)作用。

2.2 主站硬件介紹

EtherCAT主站基于PC計算機(jī)。在選用PC機(jī)時需要注意網(wǎng)卡的型號。TwinCAT實時功能只支持Intel公司Fast Ethernet Controllers和GigabitEthernet Controllers系列以太網(wǎng)控制器芯片中的部分產(chǎn)品。本項目中PC機(jī)使用的網(wǎng)卡型號為Intel PRO/1000 MFServer Adapter（SX）。

3 主站組態(tài)軟件TwinCAT

TwinCAT軟件系統(tǒng)作為倍福PLC系統(tǒng)的組態(tài)軟件，是基于PC兼容機(jī)的自動化系統(tǒng)，全稱是“The Windows Control and Au-tomation Technology”。它把任何PC兼容機(jī)變成一個帶有多PLC、NC軸控制、編程環(huán)境和控制臺的實時控制系統(tǒng)。其原理如圖2所示，其中TwinCAT ADS通訊，用于TwinCAT系統(tǒng)級（控制器）的非實時通訊，TwinCAT I/O通訊用于I/O級的實時通訊，TwinCAT I/O通訊通過EtherCAT協(xié)議實現(xiàn)。

圖2 TwinCAT系統(tǒng)原理

在PC上成功安裝TwinCAT軟件后（安裝等級選擇TwinCAT PLC-IEC 61131-3 PLC System），可以看到整個軟件系統(tǒng)包括：TwinCAT PLC Control、TwinCAT System-Manager、TwinCAT Scope View等功能模塊。本文主要用到TwinCAT PLC Control、TwinCAT System Manager這2個模塊，前者用于PLC程序的開發(fā)和調(diào)試，后者是系統(tǒng)的管理器，主要負(fù)責(zé)硬件組態(tài)和I/O映射。

4 PLC程序編寫

PLC程序編寫過程中，需要用到TwinCAT Modbus RTU功能庫。TwinCAT Modbus RTU功能庫用于實現(xiàn)Beckhoff設(shè)備通過Modbus協(xié)議與第三方Modbus終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。TwinCAT Modbus RTU功能庫提供主站功能，使用其主站功能，Beckhoff設(shè)備能夠和多個Modbus從站設(shè)備進(jìn)行通訊。TwinCAT軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)庫中不帶有Modbus RTU功能庫，該庫需要單獨(dú)安裝。

在PLC程序設(shè)計時，主要使用ModbusRTU功能庫中ModbusRtuMaster_KL6x22B功能塊的4個成員函 數(shù) ReadCoils、 ReadRegs、 ReadInputStatus和ReadInputRegs。4個成員函數(shù)原型類似，其中ReadInputRegs函數(shù)原型為：

ReadInputRegs（UINT UnitID，WORD Quantity，WORD MBAddr，UINT cbLength，DWORD pMemoryAddr，BOOL Execute，TIME，Timeout，BUSY=＞，Error=＞，ErrorId=＞，cbRead=＞，）。

整個程序包括4個功能塊（FB），8個子程序（Program）以及一個主程序MAIN，各個程序之間的調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

由于4個功能塊結(jié)構(gòu)基本類似，8個子程序結(jié)構(gòu)基本也類似。下面以功能塊EL6022_READ_HV和子程序READ_HV為例對PLC程序進(jìn)行簡要的說明。EL6022_READ_HV，READ_HV用來讀取1#、2#壓縮機(jī)運(yùn)行柜電機(jī)綜合保護(hù)裝置Sepam M87的數(shù)據(jù)。EL6022_READ_HV功能塊先是聲明ModbusRtuMaster_KL6x22B庫功能塊成員函數(shù)的形參，然后調(diào)用庫功能塊成員函數(shù)讀取設(shè)備的數(shù)據(jù)。READ_HV調(diào)用EL6022_READ_HV功能塊，向功能塊傳遞實參（從站設(shè)備站點號、Modbus數(shù)據(jù)地址、讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等）。另外由于EL6022的每個通道連接2個Modbus設(shè)備，因此設(shè)計程序時要分時對2個設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

TwinCAT PLC支持所有的IEC61131-3編程語言。本次程序設(shè)計，考慮到編程語言的簡介性和易讀性，功能塊采用ST語言（結(jié)構(gòu)化文本）編寫，程序塊采用CFC語言（連續(xù)功能圖）編寫。

5 TwinCAT系統(tǒng)管理器組態(tài)

為了使TwinCAT系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，還需對TwinCAT系統(tǒng)管理器進(jìn)行組態(tài)，主要內(nèi)容包括：安裝TwinCAT EtherCAT協(xié)議，掃描I/O設(shè)備，加入PLC項目，建立I/O映射，激活配置等5個部分。

5.1 安裝TwinCAT EtherCAT協(xié)議

打開TwinCAT System Manager，點擊主菜單欄Option/Show Real Ethenet Compatible Devices進(jìn)入Installation of TwinCAT RT-Ethernet Adapters選項卡，選擇兼容的網(wǎng)卡，點擊Install按鈕安裝即可。安裝協(xié)議后，檢查PC與耦合器EK1100之間的網(wǎng)絡(luò)是否暢通，確保PC與從站設(shè)備建立連接。

5.2 掃描l/O設(shè)備

掃描I/O設(shè)備時目標(biāo)系統(tǒng)必須在Config模式下。右擊I/O Devices，點擊Scan Devices選項，即可掃描到連接到PC的I/O設(shè)備，在耦合器EK1100選項下面有4個EL6022串口端子和一個EL9010總線末端。如果在網(wǎng)絡(luò)暫時不暢通，或者不便在現(xiàn)場配置硬件組態(tài)的情況下，可以手動進(jìn)行添加所需的I/O設(shè)備。

圖3 PLC程序調(diào)用結(jié)構(gòu)

EL6022兩個通道設(shè)置為不同波特率和不同數(shù)據(jù)格式不會影響彼此的通信，默認(rèn)EL6022的波特率和數(shù)據(jù)格式是9600，8，1，n，485的接線方式，如果要修改的話，如修改第一個接口的參數(shù)，可以通過Coe online，8000:11為波特率設(shè)置，8000:15是數(shù)據(jù)格式設(shè)置，8000:06和07是485和422的設(shè)置，如果是422接線方式，06設(shè)置為FALSE，07設(shè)置為TRUE。第二個接口參數(shù)在目錄8010:0下設(shè)置，方法與設(shè)置第一個接口參數(shù)類似。

5.3 加入PLC項目

右擊PLC-Configuration，點擊Append PLC Project找到前文生成的tpy文件，點擊加入PLC項目。在PLC-Configuration下可以看到8個輸入變量和8個輸出變量。每個輸入變量由狀態(tài)字和22字節(jié)數(shù)組組成，每一個輸出變量由控制字和22字節(jié)數(shù)組組成。輸入變量和輸出變量需要分別與對應(yīng)的I/ O設(shè)備建立映射。

5.4 建立l/O映射

選擇一個PLC變量點擊“Linked to”按鈕，在彈出的對話框中找到對應(yīng)的I/O變量，點擊確認(rèn)即可。

5.5 激活配置

依次點擊Check Configuration、Generate Mappings和Activate Configuration按鈕激活硬件組態(tài)配置，并且將系統(tǒng)置為運(yùn)行狀態(tài)。返回TwinCAT PLC Control界面點擊Online/Login完成PLC程序下載，然后點擊Run運(yùn)行程序，在TwinCAT PLC Control界面上可以看到設(shè)備的實時數(shù)據(jù)。

6 上位機(jī)監(jiān)測軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件用于監(jiān)測4臺壓縮機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控軟件使用Visual Studio 2012平臺，采用C#語言開發(fā)，包括流程監(jiān)視、報表打印、事故報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等4大功能模塊。監(jiān)測軟件通過NI OPC Server訪問TwinCAT系統(tǒng)中壓縮機(jī)組的實時數(shù)據(jù)。NI OPC Server是一套可編程邏輯控制器驅(qū)動，可與各大廠家的PLC進(jìn)行通訊，包括Beckhoff TwinCAT PLC。上位機(jī)監(jiān)測軟件通過訪問NI OPC Server網(wǎng)絡(luò)變量獲取實時數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理后寫入數(shù)據(jù)庫以及顯示在檢測界面上。

7 結(jié)論

利用TwinCAT和倍?？偩€耦合器端子等產(chǎn)品，解決了4臺壓縮機(jī)組大量運(yùn)行參數(shù)實時傳輸?shù)膯栴}。該壓縮機(jī)組實時監(jiān)測系統(tǒng)所用到的硬件少，安裝空間小，接線簡單，而且倍?？偩€耦合器端子的靈活配置也方便監(jiān)測系統(tǒng)的擴(kuò)展。經(jīng)過一年時間的運(yùn)行，表明其數(shù)據(jù)傳輸能力以及抗干擾能力均能夠很好的壓縮機(jī)組實時監(jiān)測的需求。

［1］張亦工，王麗薇.采用TwinCAT的液壓機(jī)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代工程技術(shù)，2012，（9）:91.

［2］華中平，張立.TwinCAT在電梯式立體車庫中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2006，19（5）:8.

［3］陳志軍，徐東進(jìn)，程志江，等.基于TwinCAT的PLC水源地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計 ［J］.電子應(yīng)用技術(shù)，2008，（12）：95.

［4］趙君，劉衛(wèi)國，彭喆.基于EtherCAT總線的分布式測控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2012，20（1）：11.

［5］徐慶坤，王軍偉，毛建偉.基于NI OPC Servers實現(xiàn)PC與PLC實時通訊［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2013，26（7）:51.

［6］張曉科.使用C#開發(fā)OPC Client的研究和應(yīng)用［J］.科技資訊，2013，（2）：33，35.

［7］德國倍福自動化公司.TwinCAT PLC編程手冊［K］.中國區(qū)技術(shù)支持部，2011.

［8］Wei-Menglee著，薛瑩譯.C#2008編程參考手冊［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Design and Realization of Compressor Real-time Monitoring System Based on TwinCAT

LIU Wei-jie，ZHOU Xiao-mei，DING Jia-bao
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China）

The real-time monitoring system based on TwinCAT was designed for many sets of compressors aiming at plenty of data transmission and high real-time request.The general design of the real-time monitoring system，programming of PLC program，Twin-CAT system manager configuration and development of monitoring software was explained in detail.Application shows that the realtime monitoring system could realize high real-time data transmission reliably.

TwinCAT；EtherCAT；compressor；real-time monitoring system

TH45

A

1006-2971（2014）06-0026-04

劉為杰（1989-），男，安徽人，助理工程師，本科，主要研究方向為電氣自動化。E-m a i l：15000160275@163.c o m

2014-08-18