基于Delphi的車間設備運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)設計

殷蘇民，徐啟祥，鄭昌俊

（江蘇大學 機械工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，工廠車間的結(jié)構(gòu)越來越復雜，由于工廠車間設備的控制和運行狀況不便于人工現(xiàn)場操作，因此，工廠車間設備的監(jiān)控系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文以退火爐車間為例設計了一套新型的車間設備運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)。采用RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸，PLC作為信號采集與數(shù)據(jù)存儲的核心，使用Delphi開發(fā)的軟件結(jié)合ACCESS數(shù)據(jù)庫對PLC中的數(shù)據(jù)進行處理。該系統(tǒng)可以隨時打開上位機軟件對退火爐車間設備的數(shù)據(jù)進行處理、查詢、統(tǒng)計分析等操作，該設計對于企業(yè)生產(chǎn)車間設備的實際運行狀況有著準確的把握，具有實用性、高效性和準確性的特點。

1 系統(tǒng)功能及其組成

1.1 系統(tǒng)功能

該監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時監(jiān)控13臺退火爐設備的運行狀況，可以對用電時段和溫度階段進行參數(shù)設定。進行監(jiān)控時，可選擇任意的單臺退火爐設備進行單獨監(jiān)控或組合監(jiān)控，并能夠?qū)崟r顯示參數(shù)和保存數(shù)據(jù)?？梢詫闻_設備的監(jiān)控狀況進行相應的操作，如人工填寫產(chǎn)品工序名稱和輸入操作員編號，選擇查詢數(shù)據(jù)的起始時間和結(jié)束時間查詢相對應設備的數(shù)據(jù)。退火爐設備的數(shù)據(jù)通過ADO控件實現(xiàn)Delphi 7開發(fā)軟件與ACCESS數(shù)據(jù)庫的互連和保存，數(shù)據(jù)庫包括單臺設備的基本信息、監(jiān)控狀態(tài)的統(tǒng)計信息和監(jiān)控數(shù)據(jù)，計算機作為人機交互平臺完成整個系統(tǒng)的操控。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

該監(jiān)控系統(tǒng)硬件環(huán)境如圖1所示，主要由上位機（計算機）和下位機兩部分組成。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

數(shù)據(jù)采集部分包括溫控器、電能表、PLC等，基于監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)的要求。溫控器選用宇電AI-516型溫控器，能夠保持RS485通訊支持MODBUS-RTU協(xié)議。電能表選用德力西DTS607型三相電子式電能表，能夠保持RS485通訊支持DL/T645-1997《多功能電能表通信協(xié)議》。PLC選用電源模塊CJ1W-PA202，CPU模塊為CJ2M-CPU11，該型CPU模塊的數(shù)據(jù)容量為32k，并且?guī)в蠷S232串行通信端口，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲功能和上位機與PLC的通信，搭配CJ系列485通訊模塊CJ1W-SCU31-V1，此模塊帶有兩個485通訊端口可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集。

上位機是監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)的運行平臺。它不僅可以完成實時監(jiān)控功能，而且具有數(shù)據(jù)存儲和運算分析能力。計算機配備串行接口用于實現(xiàn)與PLC之間的通信。

2 系統(tǒng)軟件設計

上位機軟件選用Delphi作為開發(fā)平臺，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)編寫而成，主要實現(xiàn)一些具體的控制命令和監(jiān)控。上位機軟件由多個界面組成，可分為實時監(jiān)控界面，單臺設備監(jiān)控界面以及參數(shù)設定界面三類。

實時監(jiān)控界面包括13臺設備的實時溫度和電量參數(shù)顯示，監(jiān)控畫面按鈕可以隨時切換到單臺設備的監(jiān)控界面，參數(shù)設定按鈕可以對用電時段和每臺設備的溫度參數(shù)進行設定，實時監(jiān)控界面如圖2所示。單臺設備監(jiān)控界面包括人工填寫產(chǎn)品工序名稱、工作日期時段、操作員等基本信息，通過Delphi建立與外部Access數(shù)據(jù)庫的連接將這些信息存入數(shù)據(jù)庫。單臺退火爐數(shù)據(jù)查詢界面，包括根據(jù)退火爐的基本信息選項查詢出設備的各項監(jiān)控數(shù)據(jù)以及對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行平均值、最大值、最小值等的統(tǒng)計得出不同時段的用電利用率和輸出固定格式的報表。其中，報表是通過Delphi中的Excel控件，調(diào)用事先做好的Excel報表模版，再將查詢得到的數(shù)據(jù)動態(tài)填入Excel模版中實現(xiàn)。單臺設備歷史曲線界面，包括曲線繪制啟停的選擇、理想時間-溫度曲線取點設置等，通過實際曲線和設定曲線的對比反應出該設備不同時段處在不同的溫度階段。

圖2 實時監(jiān)控界面

3 系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

該系統(tǒng)工作時，上位機通過串口與PLC通信，PLC通過485總線與多儀表通信，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，因此，通信程序的開發(fā)是監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中的重點。

3.1 上位機與PLC通信

該系統(tǒng)在Windows7操作系統(tǒng)下用Delphi 7開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，利用第三方套件ComPort Library中的TcomPort、TcomDataPacket組件設計了上位機與歐姆龍PLC的串行通信程序，對車間設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

3.1.1 通信協(xié)議

HostLink協(xié)議是歐姆龍PLC專用串行通信協(xié)議，有兩種通信命令格式：C-MODE指令和FINS指令，這兩種指令能夠讓計算機讀寫CJ2M內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和強迫置位等。該系統(tǒng)串行通信時，選用FINS指令，可以對CJ2M實現(xiàn)直接讀寫。在該系統(tǒng)無論上位機發(fā)出的控制指令還是PLC的響應數(shù)據(jù)，它們都是通過數(shù)據(jù)幀進行傳送，而且都遵從一定的格式，數(shù)據(jù)從上位機發(fā)出的是命令幀，從PLC接收的是響應幀，在FINS指令下命令幀和響應幀格式如圖3所示，具體含義如表1所示。校驗碼是FCS校驗碼，即一幀數(shù)據(jù)的第一個字符到該幀命令數(shù)據(jù)的最后一個字符作“異或”運算的結(jié)果，用兩個ASCII碼表示，它在通信中是必不可少，它保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，經(jīng)過上位機編程計算得到，并設置在命令幀中。

圖3 通信協(xié)議的命令幀和響應幀格式

表1 幀格式的具體含義

3.1.2 上位機通訊實現(xiàn)

該系統(tǒng)中只需和CJ2M通信，因此選用一個TComport和TcomDataPacket控件。CJ2M的通信參數(shù)為端口COM1、波特率9600、數(shù)據(jù)位7位、停止位2位、校驗位偶校驗，在編寫通信程序時，按照PLC的通信參數(shù)對計算機的串口初始化，只有通信參數(shù)是一致，雙方才進行通信，可以通過設定TComPort、TComDataPacket組件的屬性來實現(xiàn)串口通信參數(shù)的初始化。由于計算機與PLC之間的數(shù)據(jù)幀都是以@開始，以回車符chr(13)結(jié)束，因此串口初始化程序中還可以設定數(shù)據(jù)幀的起止字符，PLC的串口初始化程序如下：

procedure TForm1.FormCreate(Sender： TObject);

begin

Comport1.Port：='COM1'; //設定端口號

Comport1.BaudRate：=br9600; //設定波特率

Comport1.DataBits：=dbSeven; //設定數(shù)據(jù)位

Comport1.StopBits：=sbTwoStopBit; //設定停止位

Comport1.Parity.Bits：=prEven; //設定校驗位

ComDataPacket1.ComPort：= Comport1; //設定TComDataPacket對應的

ComDataPacket1.CaseInsensitive：=true; TComPort

ComDataPacket1.StartString：=’@’; //設定數(shù)據(jù)包的起始字符

ComDataPacket1.StopString：=chr(13); //設定數(shù)據(jù)包的結(jié)束字符

end;

3.2 PLC與儀表通信

該系統(tǒng)中PLC485通訊模塊CJ1WSCU31-V1帶有兩個485通訊端口。通訊模塊與溫控器和電表間采用RS485標準串行電氣接口，使多點連接成為可能，在傳輸速率不大于100kbps條件下，有效傳輸距離不小于1200m，溫控器和電表連接到RS485總線中，PLC為主站對需要采集的數(shù)據(jù)發(fā)送請求消息，溫控器和電表以應答的方式將數(shù)據(jù)送至PLC。

3.2.1 PLC與溫控器間的通訊

該系統(tǒng)中溫控器保持RS485通訊支持Modbus-RTU協(xié)議，PLC選擇端口1，波特率設為9600bps，校驗方式為無校驗，通訊方式為串口網(wǎng)關(guān)。對于Modbus-RTU傳輸模式，消息發(fā)送要以4個字符時間的停頓間隔開始，從站地址是被第一個傳輸?shù)?位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F，溫控器不斷對通訊網(wǎng)絡進行偵測。當接收到地址域，每個設備都對下一個域進行解碼以判斷是否發(fā)送給自己。當最后一個字符傳輸完畢，需要4個字符時間的停頓時間來標志消息的結(jié)束。在前一個消息結(jié)束后，下一個消息可在此停頓后開始。

圖4 通訊程序時序圖

該系統(tǒng)中PLC作為采集主站，發(fā)送的請求指令為對溫度的讀取指令。以讀取01號溫控器當前溫度值為例，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為“01030000000453”。運用MOV指令將從站地址01H傳送到D32200，功能代碼03H傳送到D32201，通信數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)04H傳送到D32202，通訊數(shù)據(jù)校驗碼53H傳送到D32203，運用PLC的485模塊將請求幀由PLC發(fā)送至溫控器網(wǎng)絡。Modbus-RTU簡易主站功能執(zhí)行開關(guān)A641.00從OFF變?yōu)镺N后，應答數(shù)則被保存到D32254和D32255，運用MOVD指令將溫度參數(shù)傳到PLC分配的寄存器中。

3.2.2 PLC與電表間的通訊

三相電子式電能表能夠保持RS485通訊支持DL/T645-1997《多功能電能表通信協(xié)議》，PLC選擇端口2，波特率設為1200bps，數(shù)據(jù)位為8位，一個停止位，校驗方式為偶校驗，通訊方式為RS232C。

依據(jù)DL/T645對消息幀的要求，設置消息幀中字節(jié)允許的最長間隔時間為500ms，結(jié)束符為16H。該系統(tǒng)中PLC作為采集主站，發(fā)送的請求指令為對各種電量的查詢指令。以讀取331520000368號電表瞬時有功功率為例，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息之前，先發(fā)送1～4個字節(jié)FEH，以喚醒接收對方。因此，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為“FEFE FEFE6868030020153368010263E9F216”。用MOV指令建立18個字節(jié)的地址區(qū)D100～D108，將請求幀由TXD指令發(fā)送至電表網(wǎng)絡。PLC正確發(fā)送請求幀后A392.05返回值為1，當網(wǎng)絡上電表接收到發(fā)送的請求幀后，電表表號與請求幀中吻合的電表做出相應，發(fā)送應答幀“FEFEFE6868030020153368C101359A16”至網(wǎng)絡，此時PLC A392.06返回值為1，調(diào)用RXD指令接收數(shù)據(jù)并運用MOV指令傳送給PLC中由用戶指定的數(shù)據(jù)區(qū)中。

在車間設備監(jiān)控系統(tǒng)的RS485總線上通常掛有多個溫控器和電表，由于485模塊的通訊時間與PLC的處理周期并不一致，所以多儀表通訊的過程中分配資源，合理安排通訊時是編程人員需要著重考慮的問題。通訊程序時序如圖3所示。

通過PLC和多臺儀表通訊，數(shù)據(jù)采集到PLC中將數(shù)據(jù)存儲在DM區(qū)。使用Delphi開發(fā)的軟件與PLC進行通訊，上位機能夠讀寫PLC數(shù)據(jù)區(qū)DM里的數(shù)據(jù)。當上位機需要讀取PLC中數(shù)據(jù)時，在監(jiān)控界面給它一個指令，上位機軟件將PLC中DM區(qū)的數(shù)據(jù)讀取存放ACCESS數(shù)據(jù)庫，從而對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析。

4 結(jié)束語

設計的退火爐車間設備運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Delphi開發(fā)軟件、RS485總線和PLC協(xié)同工作下退火爐車間設備運行狀況的自動監(jiān)控與數(shù)據(jù)保存，克服了車間設備分布距離較遠的數(shù)據(jù)傳輸問題，以及保證了系統(tǒng)長時間運行的可靠性。經(jīng)過測試和試用，已在實際中應用，極大的提高了工廠車間設備的運行效率和增強了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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