基于組態(tài)王生產(chǎn)線故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

麻麗明，樊新乾

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北邢臺(tái) 054000）

0 引言

在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中，及時(shí)解決處理突發(fā)故障，是提高工作效率的首要條件。在實(shí)際工廠生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于多條生產(chǎn)線同時(shí)工作時(shí)，時(shí)常會(huì)因?yàn)槟骋欢螀^(qū)間發(fā)生故障而影響整條生產(chǎn)線甚至整個(gè)工廠的生產(chǎn)過(guò)程，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地排查故障的位置，而耽擱生產(chǎn)周期，影響整條生產(chǎn)線或整個(gè)生產(chǎn)的進(jìn)度，極大地降低了生產(chǎn)效率，因此工作技術(shù)人員為了準(zhǔn)確查找到故障的位置，減少時(shí)間的浪費(fèi)就成為解決實(shí)際生產(chǎn)的急需關(guān)注的問(wèn)題。

針對(duì)以上出現(xiàn)在生產(chǎn)中的故障，迅速排查到故障的位置，對(duì)于提高生產(chǎn)的效率，減少人員的浪費(fèi)，有著十分重要的作用。該系統(tǒng)利用工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)控。組態(tài)王Kingview 是一款工業(yè)通用型的組態(tài)監(jiān)控軟件，該軟件運(yùn)行于Windows 系統(tǒng)，操作人員可以通過(guò)互聯(lián)局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)[1-2]。

本系統(tǒng)以實(shí)際生產(chǎn)線為研究背景，利用組態(tài)王監(jiān)控軟件和硬件S7-200 SMART PLC 為控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主站與多個(gè)從站的故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)某個(gè)從站生產(chǎn)線在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到故障信號(hào)觸發(fā)后，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，工作技術(shù)人員可以根據(jù)監(jiān)控界面故障發(fā)生前后狀態(tài)的改變和實(shí)際報(bào)警信號(hào)的實(shí)際動(dòng)作，來(lái)判斷具體故障發(fā)生的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和進(jìn)行維修，多個(gè)從站PLC 控制器編寫梯形圖對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制操作，使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和可行性[3]。

1 主站與多從站生產(chǎn)線故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 主站與從站設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線上的故障可能發(fā)生的位置有很多，可以根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境設(shè)置不同的位置編號(hào)。但是每一處位置的報(bào)警信號(hào)處理過(guò)程都是類似的，檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)的觸發(fā)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)指示。在多個(gè)不同位置加裝故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，不同位置故障報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。

圖1 故障報(bào)警系統(tǒng)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)的多條生產(chǎn)線的大生產(chǎn)環(huán)境中，有兩種網(wǎng)絡(luò)選擇：（1）可以使用多I/O 輸入輸出點(diǎn)數(shù)的大型PLC 設(shè)備，給每條生產(chǎn)線的故障報(bào)警變量分配不同的I/O 端子，在PLC 程序中使用主程序調(diào)用多條子程序的方法，在節(jié)約了控制器的前提下增加了區(qū)域布線的程序編寫上的調(diào)用，單個(gè)控制器PLC 發(fā)生故障很容易導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行故障；（2）利用多條生產(chǎn)線、多個(gè)控制器PLC 分別控制，然后通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)主站與多個(gè)從站的控制環(huán)境，雖然增加了PLC 控制器成本，但系統(tǒng)分工明確，操作簡(jiǎn)單，單個(gè)從站的故障不會(huì)影響整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的故障，具有一定的穩(wěn)定性和安全性。

1.2 單個(gè)從站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每條生產(chǎn)線上均設(shè)置安裝故障報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)哪條生產(chǎn)線有故障觸發(fā)時(shí)，就能很迅速地去查知故障所在，根據(jù)單個(gè)故障報(bào)警環(huán)節(jié)的系統(tǒng)控制要求，單個(gè)硬件控制環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單個(gè)硬件控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

故障報(bào)警控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的具體控制要求：在一個(gè)實(shí)際的生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中，假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生故障，報(bào)警信號(hào)被觸發(fā)，報(bào)警蜂鳴器和報(bào)警閃爍燈同時(shí)開(kāi)始動(dòng)作，但是閃爍燈是以亮2 s，熄滅3 s 的周期進(jìn)行閃爍，閃爍20個(gè)周期后蜂鳴器和報(bào)警燈同時(shí)停止工作。

根據(jù)該控制系統(tǒng)的實(shí)際控制要求，組態(tài)王監(jiān)控進(jìn)行監(jiān)控畫面的繪制，完成硬件和軟件實(shí)施通訊連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警狀況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[4-5]。

2 單個(gè)從站系統(tǒng)控制方案

2.1 方案規(guī)劃

根據(jù)單個(gè)從站控制環(huán)節(jié)的報(bào)警系統(tǒng)的控制要求，生產(chǎn)線故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程如圖3 所示?？刂屏鞒蹋荷a(chǎn)線系統(tǒng)在接收到報(bào)警信號(hào)觸發(fā)后，整個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，分別是蜂鳴器持續(xù)響起，報(bào)警閃光燈也開(kāi)始以亮2 s 和滅3 s 的周期進(jìn)行閃爍，報(bào)警閃光燈持續(xù)20個(gè)周期后，蜂鳴器和報(bào)警閃爍燈停止輸出。

圖3 過(guò)程控制流程

2.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求分析可得，故障信號(hào)為輸入信號(hào)，報(bào)警閃光燈和蜂鳴器作為輸出信號(hào)。具體系統(tǒng)I/O 分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O分配

由以上對(duì)控制系統(tǒng)分配的I/O 地址，根據(jù)PLC 的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成，可以設(shè)計(jì)繪制出PLC 的接線圖如圖4所示。PLC 接線分為輸入回路和輸出回路兩部分，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的控制要求，設(shè)計(jì)出以上控制系統(tǒng)，假設(shè)實(shí)際生產(chǎn)中的故障信號(hào)觸發(fā)系統(tǒng)中的I0.0 輸入端子，蜂鳴器連接輸出端Q0.0，報(bào)警燈連接輸出端Q0.1。I0.0連接輸入電源和公共端形成閉環(huán)回路，Q0.0 和Q0.1 連接輸出電源和公共端形成閉環(huán)回路。

圖4 PLC外部接線

根據(jù)單個(gè)故障報(bào)警控制系統(tǒng)的控制要求，I/O 分配，利用S7-200 SMART PLC 編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)出的生產(chǎn)線故障報(bào)警PLC 系統(tǒng)程序如圖5 所示。單個(gè)故障報(bào)警控制系統(tǒng)的程序如圖所示，第一行程序故障信號(hào)I0.0 觸發(fā)后，輸出端子Q0.0 線圈得電，同時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)Q0.0 閉合，第一行程序自鎖，Q0.0（蜂鳴器）線圈持續(xù)輸出；第二行程序中常開(kāi)觸點(diǎn)Q0.0也因?yàn)榫€圈Q0.0的得電也閉合，Q0.1（閃光燈）輸出端子線圈得電使閃光燈亮起，同時(shí)定時(shí)器T37開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間為2 s，計(jì)時(shí)時(shí)間2 s到，Q0.1（閃光燈）熄滅；第三行程序中的常開(kāi)觸點(diǎn)T37 在計(jì)時(shí)時(shí)間2 s 到后得電閉合，此時(shí)定時(shí)器T38 開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間為3 s，T38 計(jì)時(shí)時(shí)間到，第二行程序中的常閉觸點(diǎn)T38 變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)，使定時(shí)器T37 停止計(jì)時(shí)；第四行程序中C0 計(jì)數(shù)加1，Q0.1（閃光燈）又開(kāi)始下一個(gè)周期循環(huán)，直到C0 計(jì)數(shù)達(dá)到20 后，蜂鳴器停止工作，使計(jì)數(shù)器C0復(fù)位，整個(gè)控制系統(tǒng)停止循環(huán)[6]。

圖5 PLC系統(tǒng)的程序

3 多個(gè)從站故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件組態(tài)王運(yùn)行于windows 操作系統(tǒng)、PLC 編程軟件為STEP 7-MicroWIN SMART。

組態(tài)軟件為組態(tài)王kingview7.5，根據(jù)生產(chǎn)線故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際要求，利用組態(tài)王軟件的操作流程繪制出多個(gè)從站的監(jiān)控畫面，具體的監(jiān)控界面操作步驟如下：（1）建立新的工程文件；（2）監(jiān)控畫面的繪制；（3）數(shù)據(jù)詞典變量的建立；（4）組態(tài)監(jiān)控畫面的動(dòng)畫連接操作；（5）命令語(yǔ)言的編寫；（6）監(jiān)控畫面的運(yùn)行。通過(guò)以上步驟完成多個(gè)從站生產(chǎn)線故障報(bào)警監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。

3.2 系統(tǒng)軟件與硬件的通信

組態(tài)王與S7-200 SMART PLC 連接。要使組態(tài)王與PLC 編程軟件成功通訊，需要在工控機(jī)上安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)文件，這樣才能夠使組態(tài)王與STEP 7-MicroWIN SMART連接成功。具體操作：進(jìn)入亞控官網(wǎng)下載最新S7-TCP驅(qū)動(dòng)，對(duì)下載的驅(qū)動(dòng)文件解壓后，用記事本方式打開(kāi)kvS7200 文件進(jìn)行編輯。需要提前查找到PLC 的IP 地址和上位機(jī)電腦的IP 地址，在kvS7200 文本需要修改填寫PLC 硬件的IP 和上位機(jī)的IP 地址。如圖6 所示，在填寫IP 地址時(shí)必須保證兩個(gè)IP 地址在同一個(gè)網(wǎng)段，這樣才能順利通信。

圖6 驅(qū)動(dòng)文本內(nèi)容

設(shè)置完IP 地址的填寫后，需要對(duì)指定的文本進(jìn)行驅(qū)動(dòng)更新操作，打開(kāi)開(kāi)始菜單在組態(tài)王安裝目錄下的“驅(qū)動(dòng)安裝工具” 選擇剛才解壓并編輯保存的文件夾，選中S7-TCP.dll 打開(kāi)安裝直到安裝完成[7]。安裝如圖7所示。完成組態(tài)王與S7-200 SMART TCP 連接之間的驅(qū)動(dòng)安裝后，即可實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與S7-200 SMART PLC 之間的通信連接[8]。

圖7 驅(qū)動(dòng)安裝

在利用組態(tài)監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控時(shí)，需要在組態(tài)王中建立新的數(shù)據(jù)詞典變量，其中變量的類型I/O變量和內(nèi)存變量?jī)纱箢?，I/O變量能夠完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與組態(tài)王的通信，內(nèi)存變量在組態(tài)王不利用外部數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部畫面與數(shù)據(jù)的交互。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控外部的報(bào)警狀況，本系統(tǒng)需要建立的數(shù)據(jù)詞典的變量如表2所示。

表2 組態(tài)軟件變量

建立完數(shù)據(jù)詞典后，接下來(lái)就是對(duì)畫面圖素進(jìn)行動(dòng)畫鏈接才能實(shí)現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控界面與外界數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

3.3 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

該主站與多個(gè)從站故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，主站和從站的控制器選用S7-200 SMART PLC，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)控制器之間的局域網(wǎng)絡(luò)控制，每個(gè)從站的PLC 控制器完成梯形圖程序的編寫，實(shí)現(xiàn)單個(gè)故障報(bào)警控制系統(tǒng)的運(yùn)行，在保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，為了直觀高效地對(duì)生產(chǎn)線故障報(bào)警遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，利用組態(tài)王監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)生產(chǎn)線實(shí)時(shí)故障報(bào)警狀況的監(jiān)控，監(jiān)控界面如圖8 所示。根據(jù)實(shí)際的控制現(xiàn)場(chǎng)，可以實(shí)時(shí)的繪制出生產(chǎn)線。如圖有3條生產(chǎn)線，在沒(méi)有故障時(shí)，3條生產(chǎn)線的報(bào)警信號(hào)燈、報(bào)警閃爍燈、蜂鳴器的狀態(tài)顏色都是綠，當(dāng)其中某一條生產(chǎn)線有故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)燈、報(bào)警閃爍燈、和蜂鳴器都會(huì)通過(guò)接受外部變量的狀態(tài)值的變化而改變成紅色，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)技術(shù)人員不在現(xiàn)場(chǎng)的情況就能及時(shí)的通過(guò)監(jiān)控畫面的改變得知實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)故障發(fā)生的情況。

圖8 多從站監(jiān)控界面

3.4 仿真效果與分析

通過(guò)模擬運(yùn)行和仿真實(shí)現(xiàn)，假設(shè)一號(hào)生產(chǎn)線在運(yùn)行中故障信號(hào)被觸發(fā)，對(duì)應(yīng)的一號(hào)生產(chǎn)線的報(bào)警信號(hào)燈、報(bào)警閃爍燈和蜂鳴器會(huì)通過(guò)設(shè)置好的讀取外界變量的狀態(tài)值的變化，監(jiān)控界面中相應(yīng)圖素顏色的改變來(lái)提醒技術(shù)工作人員故障發(fā)生的位置，圖9 所示為一號(hào)生產(chǎn)線故障報(bào)警前后監(jiān)控界面的變化。根據(jù)報(bào)警監(jiān)控界面中報(bào)警信號(hào)、報(bào)警閃爍燈、蜂鳴器的顏色變化，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)具體發(fā)生故障的生產(chǎn)線，提高了排查故障和維修故障的效率。

圖9 故障報(bào)警前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本主站與多從站故障報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在保證了實(shí)際生產(chǎn)線的前提下，通過(guò)S7-200 SMART PLC 對(duì)多個(gè)從站完成故障報(bào)警程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線有故障信號(hào)觸發(fā)時(shí)，通過(guò)報(bào)警閃爍燈和蜂鳴器的輸出及時(shí)提醒到維修人員去發(fā)現(xiàn)和維修故障。而且又通過(guò)組態(tài)王監(jiān)控軟件的監(jiān)控界面的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了人員不在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離也能及時(shí)得知故障發(fā)生位置。在保證了多從站生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了組態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控的功能，極大程度地解決了人員的浪費(fèi)，提高了實(shí)際的生產(chǎn)效率，在實(shí)際的生產(chǎn)和資源利用方面具有很高參考價(jià)值。