港口集装箱装卸模型监控系统

胡孔元， 朱华炳， 赵春海

(合肥工业大学 a. 工业培训中心； b． 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥 230009)

0 引 言

港口集装箱装卸模型由岸边吊、拖车、龙门吊、门座吊和货物集装箱模型组成，模型的平面布置图和现场布置图如图1、2所示。模型实现的功能：① 进港业务：岸边吊将货物从船上卸到拖车上→拖车运送→龙门吊将货物从拖车上卸到堆场。② 出港业务：龙门吊将货物从堆场装到拖车上→拖车运送→岸边吊将货物从拖车上装到船上。③ 模型的装、卸货运动。④模型的单个动作。本文研究目的在于如何实现由PC完成对模型实现控制与监视[1]。

根据模型的工作特点和应用要求，采用S7-200PLC为下位机、PC为上位机，通过串口通信的方式实现监控，而S7-200PLC与PC串口通信实现的方式有两种：自由口通信和PPI通信。采用自由口方式则PLC端和PC端都需要编写通信程序；而PPI方式采用主从结构，PC遵循PPI协议格式，发出读写申请，PLC返回相应的数据，可以省略编写PLC的通信代码，快捷方便[2-3]。本文采用PPI通信协议进行设计。

图1 模型的平面布置图

图2 模型的现场布置图

1 总体设计

1.1 通讯接口协议

S7-200PLC与PC实现PPI通信要先制定接口协议，本次通信接口协议如表1所示。

表1 通讯接口协议

1.2 S7-200PLC端设计要求

PLC外围电路使用限位开关、继电器控制电机和电磁铁工作[4]。

PLC要求接收PC指令完成对模型的运动控制，并向PC返回模型运行的状态信息[5]。模型的运动可分为三类：① 业务。图3为进港业务流程。② 单个模型的装、卸货。图4为门座吊卸货流程图。③ 模型的单个动作。

图3 进港业务流程图

图4 门座吊卸货流程图

1.3 PC端设计要求

PC要求完成对模型控制与监视。

(1) 控制。由PC发送写指令，PLC接受指令，控制模型进行相应运动。可发送的指令如下：① 当业务、岸边吊、拖车、龙门吊处于空闲或停止时，发送进港业务或出港业务指令；② 当业务、岸边吊(或拖车、龙门吊)空闲或停止时，发送岸边吊(或拖车、龙门吊)的装、卸货指令；③ 当业务或岸边吊、拖车、龙门吊单个运行或暂停时，发送停止指令；④ 当业务或岸边吊、拖车、龙门吊单个运行时，发送暂停指令；⑤ 当业务或岸边吊、拖车、龙门吊暂停时，发送继续指令；⑥ 当门座吊空闲或停止时，发送门座吊装、卸货指令；⑦ 当门座吊运行或暂停时，发送门停止指令；⑧ 当门座吊运行时，发送门暂停指令；⑨ 当门座吊暂停时，发送门继续指令；⑩ 当模型不处于业务及装、卸货运动时，发送单个动作指令。

(2) 监视。由PC发送读指令，PLC接受指令后返回相应信息，PC接受、处理、显示当前业务及模型的运行状况。PC可显示的状态如下：① 业务状态：空闲、进港、出港，暂停；② 各模型状态：空闲、装货、卸货、暂停；③ 单个动作状态：运行、停止。

PC端在完成上述设计要求的同时，还应保证系统稳定高效地运行。

2 S7-200PLC端程序设计

PLC端程序包括流程运动程序和单个动作程序。单个动作的程序简单，可采用基本指令编程；而流程运动的程序，根据其运动特点具有选择性和顺序性，还需采用顺控继电器指令编程。顺控继电器指令中SCR指令标示一个顺控步程序的开始，SCRT指令说明步序状态的转移去向，SCRE指令为顺控程序段的结束[6-7]。按控制要求设计出含有选择序列和并行序列的顺序功能图，最后绘制出梯形图。

在程序中，使用置位S与复位R指令完成Q输出[8]；使用MOVB指令完成数据传送；使用通电延时定时器TON，控制集装箱起吊高度；使用位存储器M0.0、M0.1实现业务、岸边吊、拖车、龙门吊的停止、暂停与继续；使用位存储器M0.2、M0.3实现门座吊的停止、暂停与继续。

3 PC端程序设计

PC端采用Visual C++语言编写程序，设计流程运动监控和单个动作监控。其过程为先创建对话框工程、设计流程运动，再添加对话框资源、设计单个动作，最后设计辅助功能。辅助功能包括程序退出、界面切换和界面中“暂停”、“继续”按钮的切换。监控系统运行界面如图5所示。

(a) 流程运动监控界面

(b) 单个动作监控界面

3.1 流程运动监控设计

程序编写过程大体分为三步：① 新建对话框工程Do；② 控件资源创建[9]:图像、静态文本、MSComm、按钮；③ 函数实现：串口初始化、控制程序、监视程序。

3.1.1串口初始化

在成员函数OnInitDialog()中添加代码，完成如下设置：① 选择COM1；② 设置波特率9600，偶校验，8个数据位，1个停止位；③ 设置输入方式为二进制方式；④ 设置每当串口接收缓冲区中有多于或等于1个字符时将引发一个接收数据的OnComm事件；⑤ 设置输入缓冲区大小1024；⑥ 设置输出缓冲区大小1024；⑦ 设置和返回每次读出的字节数,设0为读出接收缓冲区中的内容；⑧ 设置和返回接收缓冲区的字节数,设0为清空接收缓冲区；⑨ 设置和返回发送缓冲区的字节数,设0为清空发送缓冲区；⑩ 判断如果串口没打开，则打开串口[10-11]。

3.1.2控制程序

在DoDlg.cpp文件中，设计如下程序：

(1) 增加全局变量。BYTE VB5=0。

(2) 增加成员函数send()。在该函数中向PLC发写指令[12-13]：

① 将成员变量VB5写入存储器VB5，发指令“68 20 20 68 02 00 7C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 05 05 01 12 0A 10 02 00 01 00 01 84 00 00 28 00 04 00 08 VB5 sk 16”;

② 调用SDK函数Sleep(DWORD dwMilliseconds)让程序暂停50毫秒后发送确认指令“10 02 00 5C 5E 16”。其中，sk为检验和，值随VB5变化，需调用成员函数sumchk (BYTE *temp)计算赋值。

(3) 增加成员函数。sumchk (BYTE *temp)。

(4) 增加按钮消息响应函数。分别为业务、模型运行、停止、暂停、继续按钮增加消息响应函数，在各函数中判断消息的执行条件，在if执行语句中，先给VB5赋值，然后调用成员函数send()。

3.1.3监视程序

在DoDlg.cpp文件中，设计如下程序：

(1) 在成员函数OnInitDialog()返回之前设置定时器。

(2) 增加时钟WM_TIMER消息响应函数。OnTimer(UINT nIDEvent)。在该函数中，实现如下程序：① 关闭定时器，② 调用成员函数Monitor()，③ 设置定时器。

(3) 增加全局变量。int bz=0；BYTE VB0=0；BYTE VB1=0；BYTE VB2=0；BYTE VB3=0；BYTE VB4=0。

(4) 增加成员函数Monitor()。

在该函数中设置for(bz=1;bz<4;bz++)语句，在循环内部向PLC发送读指令：

① 如果bz等于1，则读存储器VB0—VB4，发指令“68 1B 1B 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 02 00 05 00 01 84 00 00 00 6C 16”，之后调用SDK函数Sleep(DWORD dwMilliseconds)让程序暂停20 ms。

② 如果bz等于2，则发读缓冲区指令，数据加入局部变量CString型data中，判断如果data等于“E5”，则发确认指令“10 02 00 5C 5E 16”，否则返回，之后同样让程序暂停50 ms。

③ 如果bz等于3，则发读缓冲区指令，数据加入已清空的data中，将data中第51、53、55、57、59位分别调用成员函数HexChar(char c)转换为char型数据，再利用强制类型转换转变为BYTE型，即分别表示存储器VB0—VB4中数据，将该值分别赋给成员变量VB0—VB4；添加if、else语句并根据VB0—VB4值调用成员函数WKstate(int nID, int s)和成员函数state(int nID, long ys)分别实现状态字和状态灯，其中，状态灯闪烁可利用延时和白色显示实现。

(5) 增加成员函数HexChar(char c)。

(6) 增加成员函数WKstate(int nID, int s)。在该函数中，首先，利用参数nID调用CWnd类的成员函数GetDlgItem(int nID)获得静态文本框对应的C++对象的指针，接着，利用该指针调用CWnd类的成员函数GetDC()获取当前文本框的设备描述表对象的指针，最后，在if、else语句中利用参数s调用CDC类的成员函数TextOut( int x, int y, const CString& str )实现文字输出[14]。

(7) 增加成员函数state(int nID,long ys)。在该函数中，首先，利用参数nID调用CWnd类的成员函数GetDlgItem(int nID)获得静态文本框对应的C++对象的指针，利用参数ys创建画刷，接着，利用上述指针获得该窗口的句柄，再利用句柄调用全局SDK函数GetClientRect(HWND hWnd,LPRECT lpRect)获取窗口客户区矩形的坐标，最后，利用指针构造CClientDC对象dc，利用该对象在矩形中间绘制一个白色边框的圆，圆内部为画刷颜色[15]。

3.2 单个动作监控设计

在对话框工程Do中添加对话框资源IDD_DIALOG1，为该资源添加新类CTestDlg，接下来在TestDlg.cpp文件中的程序设计过程与流程运动监控大体相同，不同之处在于：

(1) 将VB5和bz设置为成员变量，不再为全局变量。

(2) 本次读取的是存储器QB0—QB3中的值。发指令“68 1B 1B 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 02 00 04 00 00 82 00 00 00 68 16”。

(3) 转变数据。将读取的数据data中第50和51位经过调用成员函数HexChar(char c)和强制类型转换，转变为BYTE型数据，即表示存储器QB0中数据，QB1、QB2、QB3依此类推。将得到的BYTE型数据利用成员函数dtob(BYTE temp)转换为CString型数据，其每一位分别对应存储器Q中的相应位。

(4) 增加成员函数dtob(BYTE temp)。

3.3 辅助功能设计

3.3.1程序退出与界面切换

(1) 按下“退出”按纽时程序退出。在该按纽消息响应函数中,设计如下程序：① 关闭定时器,② 判断如果串口打开则关闭，③ 调用CDialog类的成员函数OnCancel()。

(2) 按下“切换至下单个动作”按纽时进入单个动作监控界面运行。在该按纽消息响应函数中，判断如果业务和模型都不工作，则进行：① 关闭定时器，② 判断如果串口打开则关闭，③ 调用CDialog类的成员函数OnCancel()，④ 创建“单个动作”模态对话框[16]；否则，调用CWnd类的成员函数MessageBox(LPCTSTR lpszText)提醒用户“请先停止或暂停业务及模型的运行!”。

(3) 按下“返回”按纽时进入流程运动监控界面运行。在该按纽消息响应函数中，实现如下程序：① 关闭定时器, ② 判断如果串口打开则关闭，③ 调用CDialog类的成员函数OnCancel()，创建“流程运动”模态对话框。

3.3.2暂停与继续按钮的切换

界面中“暂停” 按钮与“继续”按钮在同一位置处显示，两按钮的切换要满足：① 程序开始运行时“暂停”和“继续”按钮显示正确，② 按下“暂停”显示“继续”，③ 按下“继续”显示“暂停”，④ 按下“停止”显示“暂停”，⑤ 界面“返回”后显示正确。设计如下程序：

(1) 增加新类CNewButton,基类为CButton。

(2) 分别为“暂停”、“继续”按钮增加成员变量m_btn1、m_btn2，类型为CNewButton。

(3) 在CDoDlg类头文件中包含CNewButton类的头文件。

(4) 为CNewButton类增加CNewButton*类型的成员变量m_ptBtn。

(5) 在成员函数OnInitDialog()的最后，return语句之前添加代码实现让m_btn1和m_btn2中的变量m_ptBtn分别保存对方的首地址。

(6) 在“停止”按钮的if执行语句中分别利用m_btn1.m_pBtn和m_btn2.m_pBtn调用CWnd类的成员函数ShowWindow(int nCmdShow)让“继续”隐藏、“暂停”可见。

(7) 在“暂停”按钮的if执行语句中实现“继续”可见、“暂停”隐藏。

(8) 在“继续”按钮的if执行语句中实现“继续”隐藏、“暂停”可见。

(9) 在成员函数OnTimer (UINT nIDEvent)中添加代码，判断如果VB5等于0，在if执行语句中，判断如果VB0、VB1、VB2或VB3等于4，则实现“继续”可见、“暂停”隐藏，否则，让“继续”隐藏、“暂停”可见。

(10) 在“切换至下单个动作”的条件执行语句中将VB5赋值为0。

另外，界面中“门暂停”与“门继续”按钮的切换程序参照上述设计。

4 结 语

本文详细叙述了港口集装箱装卸模型监控系统设计过程。使用S7-200PLC为下位机、PC为上位机，应用PPI通信协议，PLC端程序采用基本指令和顺控继电器指令编写，PC端程序采用Visual C++语言编写。高效稳定地实现以下功能：

(1) 模型在流程运动监控界面和单个动作监控界面中的运动控制、业务及各模型的当前状态的实时显示。

(2) 流程运动监控界面中“进出港”监控和“门座吊装卸货”监控分离，两者可以随时执行，相互独立。

(3) 流程运动监控界面与单个动作监控界面的切换。

(4) 界面中“暂停”与“继续”按钮的切换。

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