一種礦用挖掘機(jī)PLC與上位機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)★

吉孟蘭， 何俊強(qiáng)

（1.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024；3.太原科技大學(xué)， 山西 太原 030024）

太原重工股份有限公司的WK系列礦用挖掘機(jī)從最初的發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)展到如今第三代的變頻電控系統(tǒng)，其控制核心是西門子S7-300 PLC，具有極高的可靠性和自診斷功能，通過信息化手段采集到監(jiān)控系統(tǒng)后，能夠連續(xù)智能的檢測(cè)系統(tǒng)是否有故障并記錄系統(tǒng)運(yùn)行中的錯(cuò)誤，應(yīng)用于礦用挖掘機(jī)后已經(jīng)發(fā)揮出極大的優(yōu)勢(shì)。下面將介紹PLC如何與上位機(jī)結(jié)合使用，并通過VC++6.0對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，從而滿足對(duì)大型礦用挖掘機(jī)各類信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高設(shè)備的整體性能。

1 基于Prodave的上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)

通過建立一工程師站將PLC與PC之間通過通訊接口連接起來，用PC作為上位機(jī)，通過對(duì)PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的IO點(diǎn)以及數(shù)據(jù)塊等區(qū)域的讀取與寫入，將PLC采集的各類狀態(tài)信息及時(shí)反饋給維護(hù)人員，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控，使PLC及PC機(jī)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分利用PLC強(qiáng)大控制性能以及PC強(qiáng)大的友好界面組成一個(gè)功能強(qiáng)大、可靠性高、成本低的控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最大限度地合理利用資源。

1.1 Prodave軟件介紹

Prodave 6.0是西門子為用戶提供對(duì)S7-300進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，此鏈接庫(kù)為西門子專門為用戶進(jìn)行上位機(jī)軟件二次開發(fā)而設(shè)計(jì)[1]。Prodave 6.0是基于MPI通訊協(xié)議的軟件包，利用此軟件包能夠方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)（PC）與PLC之間的數(shù)據(jù)通信，且其通訊速度滿足一般監(jiān)控要求。

Prodave軟件包中提供了大量基于Windows的函數(shù)，方便在上位機(jī)中進(jìn)行軟件開發(fā)，支持MPI協(xié)議，能夠解決PLC與PC之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理。設(shè)計(jì)基于Prodave的上位機(jī)監(jiān)控軟件具有如下的特點(diǎn)[2]：

1）使用簡(jiǎn)單方便。調(diào)試、編程開發(fā)人員不需要熟悉極其復(fù)雜的通信協(xié)議，只需通過簡(jiǎn)單調(diào)用Prodave提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）中的內(nèi)置函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)。

2）用戶不用編寫PLC側(cè)的通信程序，在上位機(jī)中只需通信函數(shù)便可直接讀寫PLC中的數(shù)據(jù)，極大的提高了開發(fā)效率。

1.2 基于Prodave的上位機(jī)通信監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括軟硬件兩部分。

1.2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

PLC與上位機(jī)之間的通訊需要MPI適配器（PC Adaper）或者通訊板卡進(jìn)行硬線連接。采用MPI適配器連接需要占用PLC的MPI通信接口，在實(shí)際應(yīng)用中可以選擇使用通訊板卡代替MPI適配器以節(jié)省MPI接口，從而使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。注意在PLC硬件組態(tài)中，通訊速率的設(shè)置速率需要進(jìn)行預(yù)估然后進(jìn)行設(shè)置。上位機(jī)的PC/PG接口設(shè)置為“PC Adapter（MPI）”。

1.2.2 VC++常用庫(kù)函數(shù)調(diào)用及調(diào)用DLL的方法

該軟件的開發(fā)是基于VC++6.0開發(fā)環(huán)境，采用該編程軟件加載Prodave中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)一般有兩種方式：顯式鏈接方式和隱式鏈接[3]方式。其中隱式鏈接方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，是較常用的方式，本軟件也是基于隱式鏈接進(jìn)行設(shè)計(jì)。隱式鏈接方式是指在編寫代碼時(shí)事先要作好鏈接工作，然后在程序運(yùn)行中就能夠隨時(shí)調(diào)用DLL導(dǎo)出的函數(shù)，其具體軟件開發(fā)步驟如下：

1）安裝Prodave軟件包，并在Prodave的安裝目錄下找到下面三個(gè)文件：Prodave6.dll、Prodave6.h和Prodave6.lib。

2）將Prodave6.dll拷貝到自己所建立目標(biāo)工程的Debug目錄。

3）將Prodave6.h和Prodave6.lib拷貝到自己所建立目標(biāo)工程目錄下，使得其與目標(biāo)工程軟件同目錄。

4）在自己所建立目標(biāo)工程程序中，選擇Project/Settings下拉菜單，點(diǎn)選link選項(xiàng)卡，在Object/library modules選項(xiàng)的編輯框中輸入Prodave6.Lib。

5）在自己所建立目標(biāo)工程頭文件Head Files中添加Prodave6.h文件。

6）最后在自己所建立目標(biāo)工程源程序.cpp（此時(shí)需要調(diào)用DLL中庫(kù)函數(shù)的程序）中加入引導(dǎo)語(yǔ)句#include"Prodave6.h"來聲明包含Prodave6的頭文件。

常用的VC++調(diào)用Prodave函數(shù)庫(kù)包括以下一些基本函數(shù)：能與PLC建立通訊連接的初始化函數(shù)load_tool（），激活通訊連接函數(shù)new_ss（），以及斷開連接函數(shù)unload_tool（）。

實(shí)際使用中，在調(diào)用其它函數(shù)前首先需要調(diào)用load_tool（），它的主要作用是初始化適配器，并檢查是否已經(jīng)加載驅(qū)動(dòng)，再初始化連接地址和激活選定界面。下面就軟件編寫過程中常用基本函數(shù)的功能及用法做簡(jiǎn)要介紹：

load_tool（）：檢查通信、對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行初始化、激活連接。其中所含參數(shù)依次為要激活的連接數(shù)、用戶驅(qū)動(dòng)設(shè)備的名稱（對(duì)于本文中MPI驅(qū)動(dòng)器為“S7ONLINE”），以及連接的地址列表。

unload_tool（）：用來斷開上位機(jī)和PLC的連接。

db_read（int，int，int*，void*）；//用來讀取 PLC 中的數(shù)據(jù)。所含參數(shù)分別代表：要讀取的數(shù)據(jù)塊號(hào)、要讀取的起始字節(jié)數(shù)、要讀取的字節(jié)個(gè)數(shù)，以及要讀取的數(shù)據(jù)在PC中的存儲(chǔ)區(qū)。

db_write（int，int，int*，void*）；//用來向 PLC 寫入數(shù)據(jù)。所含參數(shù)分別代表：要寫入的數(shù)據(jù)塊號(hào)、要寫入的起始字節(jié)位置、要寫入字節(jié)的個(gè)數(shù)，以及要寫入的數(shù)在PC中的存儲(chǔ)區(qū)。

d_field_read（int，int，int，void*）；//的字節(jié)個(gè)數(shù)，以及要讀取的數(shù)據(jù)在PC中的存儲(chǔ)區(qū)。

db_write （int，int，int*，void*）；//用 來 讀 取 PLC某一存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)。

d_field_write（int，int，int，void*）；//的字節(jié)個(gè)數(shù)，以及要讀取的數(shù)據(jù)在PC中的存儲(chǔ)區(qū)。

db_write(int，int，int*，void *)；//用來向 PLC 某一存儲(chǔ)區(qū)寫入數(shù)據(jù)。

1.2.3 基于Prodave的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能效果以及PC機(jī)友好的人機(jī)界面，將人機(jī)界面以及功能融為一體是軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)。具體步驟基于前面的章節(jié)進(jìn)行：

在Microsoft Virtual C++6.0編程環(huán)境下，首先要建立上位機(jī)與PLC系統(tǒng)的通訊連接并顯示通訊結(jié)果，采用load_tool（）和unload_tool（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。如果通訊失敗還需要提供故障號(hào)以便監(jiān)控人員進(jìn)行簡(jiǎn)單初步的診斷。然后要實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)的讀取，此部分為關(guān)鍵部分也是軟件的核心。多次調(diào)用db_read（int，int，int*，void*)、d_field_read （int，int，int，void*）等函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)塊以及IO進(jìn)行讀取，此步需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試才能最終運(yùn)行。由于通訊數(shù)據(jù)量較大，在設(shè)計(jì)中必須選擇合理的通訊速率，使得既要保證數(shù)據(jù)量能夠及時(shí)的上傳到上位機(jī)，又要減少錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包以提高通訊質(zhì)量。本軟件采集的數(shù)據(jù)總量約為2 kB，上位機(jī)的數(shù)據(jù)刷新周期為5 s，綜合比較下最終選擇的通訊速率為187.5 kbit/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在VC++6.0編程環(huán)境下，設(shè)計(jì)了基于Prodave的監(jiān)控軟件測(cè)試版本。進(jìn)入軟件后，點(diǎn)擊加載按鈕，軟件能夠在10 s內(nèi)與PLC建立通信連接。通信成功后便可讀取PLC的數(shù)據(jù)塊以及IO狀態(tài)；如果出現(xiàn)通信故障，狀態(tài)區(qū)會(huì)顯示相應(yīng)的故障信息。數(shù)據(jù)區(qū)可以對(duì)PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，保存按鈕可以將加載的數(shù)據(jù)保存到指定位置。整個(gè)系統(tǒng)的通信速率大約為100 kbit/s，數(shù)據(jù)的刷新周期設(shè)置為5 s，最高刷新周期能達(dá)到1 s，很好的滿足了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試軟件能夠很好的完成通訊任務(wù)，滿足挖掘機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控的要求。將開發(fā)的軟件應(yīng)用于WK系列礦用挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后，設(shè)備維護(hù)人員能夠?qū)ΦV用挖掘機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握機(jī)械設(shè)備的最新運(yùn)行狀態(tài)，從而及時(shí)了解機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理的檢修維護(hù)，降低設(shè)備故障造成的停機(jī)甚至損失。