基于組態(tài)王小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)

麻麗明，趙海志，殷忠敏

（河北機電職業(yè)技術學院電氣工程系，河北邢臺 054000）

0 引言

實際生產(chǎn)過程中，往往會因為現(xiàn)場生產(chǎn)過程的特殊情況或生產(chǎn)需求，必須實時地跟蹤現(xiàn)場的數(shù)據(jù)情況，這就不得不讓工作人員停留在生產(chǎn)現(xiàn)場，這樣不僅增加人員的數(shù)量，增加生產(chǎn)成本，降低了實際的生產(chǎn)效率，為了減少人員輸出，降低實際的生產(chǎn)成本，本文根據(jù)實際的工作案例，設計并實現(xiàn)了利用組態(tài)王小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)[1-2]。

組態(tài)王監(jiān)控軟件是一個國產(chǎn)的通用工業(yè)軟件，它集合了過程控制、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理一體，實現(xiàn)了能夠將一個生產(chǎn)現(xiàn)場的各種生產(chǎn)系統(tǒng)及現(xiàn)場實時信息交流融合在一起，能夠使整個控制系統(tǒng)集成化。它基于Microssoft Windows操作系統(tǒng)，用戶在企業(yè)網(wǎng)絡所有層次的各個位置上都可以及時獲得系統(tǒng)的實時信息[3]。

本文以實際的自動化生產(chǎn)線的控制過程為背景，基于組態(tài)王軟件和S7-200 SMART PLC硬件的結合，設計并實現(xiàn)了小型生產(chǎn)線系統(tǒng)的監(jiān)控，該小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)包括運載加工物料，完成物料的打鉆、物料的噴漆兩部分加工環(huán)節(jié)的操作，最后完成卸料的過程，利用監(jiān)控界面中的軟按鈕在組態(tài)監(jiān)控界面中同樣實現(xiàn)了對外部設備起動、停止和復位的遠程操作控制，不管是在現(xiàn)場還是監(jiān)控室，實現(xiàn)了很好的交互控制，整個外部PLC程序的設備運行能實時地通過監(jiān)控界面實時顯示。對綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案的設計使得整個系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可行性，在控制過程中實現(xiàn)了系統(tǒng)自動控制的良好效果，該小型生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)對實際生產(chǎn)的控制有很好的參考意義[4-5]。

1 小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構及控制過程

根據(jù)本監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，選擇的硬件系統(tǒng)結構如圖1所示。其中硬件結構中絲杠上的傳送物代替小車的運動，兩個金屬傳感器分別為實際生產(chǎn)中對物料的打鉆和噴漆環(huán)節(jié)，為了整個系統(tǒng)的安全性，左右兩邊各加有限位開關，提高了系統(tǒng)的安全性能，利用該硬件結構形象真實地實現(xiàn)了實際生產(chǎn)中的打鉆環(huán)節(jié)和噴漆環(huán)節(jié)。硬件組成主要包括被控對象傳動電機，用來運載物品的傳送模塊，打孔和噴漆的兩個工作環(huán)節(jié)分別裝有兩個傳感器，在達到每個中間傳感器時，停止進行加工，絲杠兩頭各裝有兩個限位保護傳感器，對整個運動的控制起到保護的作用。

圖1 硬件系統(tǒng)結構

該小型生產(chǎn)線的實際控制過程為小車運載物料在生產(chǎn)線左側進行裝料操作，小車運載物料開始向右運動，當小車運動至傳感器B1打鉆位置時，傳感器B1檢測到小車裝載物料運動到打鉆位置時，小車運動停止，物料進行打鉆加工，打鉆加工完畢后，小車繼續(xù)運載物料向右運動；當傳感器B2檢測到物料運動到噴漆位置時，小車運動停止，物料進行噴漆加工，噴漆加工完畢后，小車運載物料繼續(xù)向右運動，運動至最右側后，小車進行卸料操作，卸料完畢后，小車空車返回至初始位置再次進行裝料操作，以此周期往返地實現(xiàn)小型生產(chǎn)線的物料加工操作。

針對本次過程控制的具體運動要求，利用組態(tài)王軟件，實現(xiàn)了監(jiān)控操作界面的設計與實現(xiàn)，可以遠程實時地監(jiān)控運動過程當中的小車位置和工作環(huán)節(jié)。

2 控制方案設計

2.1 整體方案規(guī)劃

根據(jù)控制系統(tǒng)的整體控制過程，對小型生產(chǎn)線監(jiān)控的過程控制系統(tǒng)進行綜合剖析，小型生產(chǎn)線過程控制流程如圖2所示[6]。過程控制流程簡述如下。

圖2 過程控制流程

（1）首先小車裝載物料在最左側初始位置，并且確保最左側的限位開關處于閉合狀態(tài)。

（2）按下啟動按鈕，小車裝載物料開始向右運動，當運行至第一個打孔傳感器位置時，小車停止運行，打孔設備對物料進行打孔操作。

（3）當打孔完畢后小車繼續(xù)運載物料向右運行，運行至第二個噴漆傳感器后，小車停止運行，噴漆設備對物料進行噴漆操作。

（4）噴漆完成后，小車運載加工好的物料繼續(xù)向右運動，運動至最右側后小車觸碰到右側限位開關，小車停止運行，對運載物料進行卸載操作，然后空車反向運行，反向運行過程中小車經(jīng)過噴漆和打孔位置不停車，空車運行至軌道最左側后，小車進行裝載物料，然后又開始下一周期的運行[7]。

2.2 程序順序功能圖

根據(jù)小車的運動過程的控制系統(tǒng)要求的分析可知，小車的運載物料進行加工的過程是按照一定的先后順序進行的，在編寫程序時，同樣需要先根據(jù)控制過程完成程序順序功能圖，在完成程序順序功能圖之前，需要首先針對控制要求寫出程序的I∕O分配，程序的I∕O分配如表1所示。

表1 反應物進料流量比例控制I/O分配Tab.1 Reactant feed flow proportional control I∕Odistribution

組態(tài)王小型生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的順序功能如圖3所示。根據(jù)控制要求和過程流程圖，進行步與步之間動作的劃分，完成了順序功能圖的流程，即為一個完整周期的循環(huán)動作，包括初始M0.0和最后一步最后一步M0.7，通過順序功能圖，可以根據(jù)程序的方法完成PLC程序的編寫。

圖3 順序功能

3 小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的設計開發(fā)

3.1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的控制器選用的是西門子的S7-200 SMART PLC，其控制器的CPU型號為SR40，控制系統(tǒng)的被控對象為小車運動控制模塊。

將小車運動控制模塊作為被控對象，以S7-200 SMARTPLC作為控制器，該控制系統(tǒng)工程師站（ES）和操作員站（OS）可以共用同一臺計算機，操作員站和工程師站與控制器S7-200 SMART PLC控制器的連接使用的以太網(wǎng)通信[8-9]，硬件連接如圖4所示。

圖4 硬件連接

3.2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件配置為：操作系統(tǒng)為windows操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)編程軟件采用STEP 7-MicroWINSMART。

組態(tài)軟件使用的是組態(tài)王kingview7.5，根據(jù)實際控制系統(tǒng)要求，組態(tài)軟件的操作流程:（1）建立新的工程文件；（2）監(jiān)控畫面的繪制；（3）數(shù)據(jù)變量的建立；（4）組態(tài)監(jiān)控畫面的動畫連接操作；（5）命令語言的編寫；（6）監(jiān)控畫面的運行。通過以上步驟實現(xiàn)組態(tài)王對小型生產(chǎn)線的遠程監(jiān)控。本控制系統(tǒng)中的硬件和軟件組態(tài)工作可以在操作員站和工程站統(tǒng)一完成[10]。

組態(tài)王與S7-200 SMART PLC連接。監(jiān)控軟件組態(tài)王與編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART之間的通訊需要安裝一個驅動插件，驅動安裝后才可使組態(tài)王與S7 200 SMART TCP連接成功，進入亞控官網(wǎng)下載最新S7-TCP驅動，對下載的驅動文件解壓后，用記事本方式打開kvS7200文件進行編輯。

（1）安裝組態(tài)王監(jiān)控軟件的電腦IP地址。

（2）S7-200 SMARTPLC的IP。兩個IP必須同一網(wǎng)段。

（3）在組態(tài)王軟件中設備連接過程中添加S7-TCP設備的地址，編輯完后保存。組態(tài)王外部設備連接填寫PLC的IP地址，S7 200 SMART驅動文件里需要填寫本機電腦和PLC的IP地址[10]。驅動文本內(nèi)容如圖5所示。

圖5 驅動文本內(nèi)容

（4）更新組態(tài)王驅動：打開開始菜單宗組態(tài)王安裝目錄下的“驅動安裝工具”選擇剛才解壓并編輯保存的文件夾，選中S7-TCP.dll打開安裝直到安裝完成。安裝如圖6所示。

圖6 驅動安裝

完成組態(tài)王與S7 200 SMARTTCP連接之間的驅動安裝后，即可實現(xiàn)組態(tài)王與S7-200 SMART PLC之間的通信連接[8]。

該控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程中，在組態(tài)監(jiān)控時需要建立的變量包括I∕O變量和內(nèi)存變量，I∕O變量可以實現(xiàn)組態(tài)王監(jiān)控軟件與外部設備進行數(shù)據(jù)交換，I∕O變量既可以被讀取也可以被寫入，可以雙向使用。內(nèi)存變量是在組態(tài)監(jiān)控軟件中的那些不需要和外界控制設備進行數(shù)據(jù)之間的交換的變量。需要在組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典內(nèi)建立的I∕O變量和內(nèi)存變量如表2所示。

表2 組態(tài)軟件變量Tab.2 Configuration software variables

組態(tài)王軟件中的命令語言實現(xiàn)了對監(jiān)控過程中小車的運動的實時位置和狀態(tài)的監(jiān)控，組態(tài)王監(jiān)控軟件中的命令語言實現(xiàn)了小車裝載物料和進行打鉆和噴漆加工的環(huán)節(jié)的顯示，在組態(tài)王中命令語言的編寫如圖7所示。

圖7 命令語言

3.3 控制效果

該小型生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，利用S7-200 SMART PLC控制進行了PLC梯形圖程序的編寫，實現(xiàn)了小型生產(chǎn)線的控制，在控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，又進一步利用組態(tài)王監(jiān)控軟件完成了組態(tài)監(jiān)控界面的設計與開發(fā)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)中控制過程中的工作位置、工作狀態(tài)和物料加工情況的實時監(jiān)控，監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 組態(tài)監(jiān)控界面的設計

4 結束語

本系統(tǒng)在小車運動實訓裝置的基礎上，設計和實現(xiàn)了小型生產(chǎn)線加工過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用S7-200 SMARTPLC編程軟件和組態(tài)王軟件。利用組態(tài)王監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對本系統(tǒng)全面的監(jiān)控和仿真，分別對小車的運行監(jiān)控界面遠程控制，對小車的運行位置、物料的加工狀況進行了全面地監(jiān)控。在組態(tài)監(jiān)控界面中可以實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的啟動、停止、初始化復位的操作。通過對整個控制系統(tǒng)的分析，最終設計仿真和實現(xiàn)自動運行的過程中，表現(xiàn)了整個控制環(huán)節(jié)的安全性和穩(wěn)定性，對實際生產(chǎn)的學習具有很高參考價值。