基于多种通讯的土壤切削实验台监控系统

滕俊迪，倪福生，蒋　爽

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)

Monitoring System of Soil Cutting Experiment Based on Multiple Communication Modes

TENG Jundi，NI Fusheng，JIANG Shuang

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Hohai University，Changzhou 213022，China)



基于多种通讯的土壤切削实验台监控系统

滕俊迪，倪福生，蒋爽

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)

Monitoring System of Soil Cutting Experiment Based on Multiple Communication Modes

TENG Jundi，NI Fusheng，JIANG Shuang

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Hohai University，Changzhou 213022，China)

摘要：为了实现土壤切削实验台监控系统的远程监控和测量，提高系统的可维护性及各设备高效运行要求，设计了一套基于多种通讯方式的土壤切削实验台监控系统。根据土壤切削监控系统组成，介绍了以太网通讯、PPI通讯、Modbus通讯以及OPC通讯在监控系统中的应用。进行了硬件组态及OPC客户端程序设计，实现了通讯和实验。结果显示，系统自建立运行以来，设备运转正常，数据传输可靠；同时，由多种通讯方式在土壤切削中的应用，证明了该实验通讯的稳定性和多种通讯方式之间良好的兼容性。

关键词：土壤切削；多种通讯；应用；兼容性

0　引言

近年来，随着通讯技术的迅猛发展以及PLC技术的推广普及，以往的单纯属于PLC之间的专用通讯规约难以满足市场需求，PLC要实现与不同的计算机系统和各种现场设备通讯，专用的通讯规约需要向常用的通讯规约靠拢[1]。土壤切削实验台监控系统采用了基于PLC的网络通信系统，通讯网络将实验监控系统的控制按钮到变频器、软件程序到计算机、实验台切削的牵引力动力装置到实验挖泥过程稳定有序地协调起来，通讯实现了管理层的指令可以实时地传达到PLC控制层，同时现场设备的各种实时数据可以迅速上传显示器，使得操作人员可以随时了解实验的进程。

土壤切削实验台监控系统，选用了分布式数据采集和集中控制管理的开放式PLC-DCS结构体系，该结构体系建立在S7-200CPU的基础上，将PC网络与PLC和现场设备结合起来，监控土壤切削实验的运行状况，将信息流扩展到整个实验过程；同时，实现过程控制数据与信息在PLC、人机界面、现场总线和DCS等之间进行交换传递，组成一个透明开放式结构体系的疏浚自动监控系统。这种结构方式实用，可靠性高，有足够的灵活性，以适应不断变化的环境要求及实验要求。

1　土壤切削实验台监控系统组成

土壤切削实验台监控系统组成如图1所示。该系统主要实现实验台动力的控制功能，数据采集存储功能，数据归档、界面显示功能。实验台装有2台相同监控程序的IPC作为监控计算机，对实验台的牵引行走机构、绞刀旋转机构等进行远程控制，以及现场操作时触摸屏的现场控制。每台计算机能独立地控制实验台的运行，当其中1台发生硬件或者软件故障时，另外1台计算机可以独立接管监控系统，保证实验台的运行，避免了停车产生的人力、财力损失。

图1　土壤切削监控系统组成

1.1系统硬件组成

系统主要的硬件如表1所示，2台IPC均选择研华科技研发的产品。

表1系统主要硬件

名称型号功能数量CPUS7226 实现土壤切削监控的主要部分2以太网模块CP2431 实现IPC与PLC主站的网络通讯1A/D转换模块ADAM4017 数模信号转换,支持Modbus协议2通用转换器SC5011 接收光电编码器的信号给PLC1电量变送器YD2010 测量电机电力参数2变频器ACS51001 控制泥泵电机,高压冲水泵电机2电磁流量计MFC40018110A005EH1301111 测量管道两相流的流量1压差传感器3051S 测量管道上升、下降阻力,泥浆泵扬程和真空度4拉压传感器CFBLS 测量牵引台车的前进和后退拉力4光电编码器ROQ425 测量切削台车的位移和速度1

1.2软件组成

1.2.1开发软件

使用Step7-Micro/WIN4.0可编程控制器(PLC)编程软件，实现对S7-200PLC的编程。

使用GP-PRO/PBⅢ触摸屏程序，开发软件编制台车控制程序。

1.2.2应用软件

使用VC++编制基于OPC技术的上位机监控程序[2]。使用西门子PC Access软件建立OPC服务器，为PLC和上位机之间提供了可靠、快速的数据传输。

2　土壤切削监控系统所用的通讯技术

2.1以太网在系统中的应用

2.1.1选择以太网

土壤切削实验室监控系统中，监控计算机通过以太网与PLC通讯，考虑到软硬件更新换代的问题以及软硬冗余技术在大型实验台上的使用必要性，以太网技术在众多网络中脱颖而出。土壤切削实验台监控系统属于摸索开发产品，国内外关于这方面的数据资料很少，利用以太网可扩展性的优点，可以任意地添加或删掉站点，并且，监控系统在增加上位机和下位机后只需要修改IP地址设置即可，保证了系统更新的及时性。另外，系统故障一直是控制系统中困扰人们的问题，该监控系统的高昂停机成本要求网络传输速度一定要快，并且，能快速定位和诊断网络，而以太网技术能很好地满足快速响应和网络故障自诊断，并且以太网最大网络重构时间小于0.3 s，大大节约了实验成本[3]。

2.1.2网络组态和OPC服务器的建立

组网及服务器的建立如下所述。

a.在Step7-Micro/WIN4.0里进行以太网向导设置，设置以太网通讯模块CP243-1的地址为192.168.1.3和网关255.255.255.0，并且新建2个以太网连接。将CP243-1模块设置为服务器，2台IPC的地址为192.168.1.12和192.168.1.13，CP243-1模块在2个连接里的TASP地址分别设置为10.00和11.00，2台监控计算机的TASP地址分别为12.00和13.00。由于以太网向导已经提供了子程序ETH0-CTRL，在程序中直接调用即可。

b.打开PC ACCESS软件，打开Set PG/PC Interface，选择TCP/IP协议的1个网卡，进入PLC的“Properties”进行属性设置。要保证PC Access中所设置的IP地址和TASP地址，与Micro/Win以太网向导中所设置的一致，且两边远程和本地TASP地址设置要交叉过来，才能保证正确的通信。网络组态完毕，编译保存下载到CPU226中。

c.将土壤切削实验台中的数字量和模拟量，添加到OPC服务器中[4]。

2.2OPC在系统中的应用

2.2.1选择OPC

在土壤切削监控系统中，西门子组态软件、上位机编程软件和计算机操作系统等软件及西门子PLC、变频器、各种传感器、变送器都面临着更新换代的问题、软硬件兼容问题、访问冲突问题以及由此产生的经济耗费问题。OPC技术作为硬件设备与软件之间的桥梁，为工业控制系统提供了一种标准的数据访问机制，各个厂商只要提供符合OPC规范的服务器，客户就可以很方便地按照统一的数据访问标，访问不同厂商的硬件[5]。

2.2.2OPC客户端程序设计

OPC客户端异步访问方式流程如图2所示，由于上位机使用VC++编制程序，所以采用定制接口的OPC数据访问接口时数据传输效率较高，能够发挥OPC服务器的最佳性能。另外，土壤切削实验台在每个与OPC服务器通信周期内，要读取85个数据写入72个数据，访问量较大，为了防止信息堵塞，影响监控程序的效率和稳定性，OPC的数据访问方式使用异步方式。

图2　OPC客户端程序设计流程

实现步骤：

a.添加相应的外部引用文件。添加文件“DACLTSDK.CPP”，“DACLTSDK.H”，“DACLTSDK.dll”。

b.初始化COM库，创建OPC服务器。先用函数CO Initialize()初始化COM库。然后从注册表找到OPC服务器的类标识符，得到OPC服务器的CLSID号，最后创建OPC服务器时调用。

c.注册OPC Group，添加OPC Item项。注册OPC Group通过On Create()函数实现，组的名称为在PC Access中定义的“GROUP”，定义了组的特性，系统中一共包含有157个OPC Item项，具体的实现方法不在赘述。

d.异步读。由ASDAC_ReadItem ()函数来实现，读取数据项，异步读完成后，通过事件回调函数得到数据项相应的数据，完成OPC异步读。

e.异步写。方法同上，异步写操作完成后，通过事件回调函数将数据项写入OPC Item项，数据被传输到现场设备中，完成异步写。

f.删除已创建的OPC对象，释放内存并断开与OPC服务器的连接，通过函数OnDestroy()完成。

2.3PPI在系统中的应用

S7-200CPU与其他设备的通讯，主要有自由接口通讯方式、PPI通讯方式和MPI多点接口通讯方式。系统中主从站选用的是CPU226与CPU226之间通讯，由于MPI不能与1个作为主站的S7-200通讯，所以2个CPU226不能通过MPI通讯，而自由接口方式则要求用户自己编写程序，自己制定协议，过程烦琐且对该监控系统来说意义不大。土壤切削实验台监控系统中，电机、变频器和传感器均会有干扰，而PPI作为S7-200CPU之间数据传输的专用协议，针对性强，数据传输稳定、快捷，抗干扰能力强，同时针对监控系统中的牵引移动机构位置时刻变化的因素，选用PPI无线网络实现主从站之间的通讯。

2.4Modbus在系统中的应用

Modbus是全球第一个真正用于工业现场的现场总线协议， 最初开发的目的就是采用一根双绞线实现多个设备之间的通信，主要用它实现PLC之间及PLC与智能模块之间数据交换。系统中，以CPU226作为Modbus主站，以通用转换器、变频器和A/D转换模块作为Modbus从站，整个Modbus网络实现对现场数据的采集和监控系统的控制。由于系统现场设备的错综复杂，CPU很难与变送器、编码器等产品统一生产厂家，电气接口和传输介质也难以统一，而Modbus不需要专门的通信模块，协议开发编程简单，只需参考手册以及提供的应用实例即可满足要求，并且可通过任何传输媒介通信，如双绞线、无线通信、光导纤维和以太网均可。系统中主站的PLC、变频器和各种转换模块组成了Modbus通讯的现场总线，不仅实现了控制器之间的通信和远程扩展I/O的检测，还实现了整个实验作业和局部实验设备的启动/停止控制。

3　人机界面及数据储存程序设计

采用VC++6.0开发实验台操作画面，状态显示画面和变量设置画面。

Excel操作简单、数据处理能力强，非常适合科学实验的数据存储，因此采用Excel 2010表格作为存储数据库。实现步骤及部分程序如下：

a.在工程中添加头文件“excel.h”和源文件“excel.cpp”，同时在工程所在的文件中添加名为“stureporttemplate”的Excel模板。

b.启动Excel 2010，建立Excel 2010文件。

ExcelApp.SetVisible(false)；

GetCurrentDirectory(MAX_PATH，path)；

CString strPath = path；

strPath += "\stureporttemplate"；

wsMysheet.AttachDispatch(wssMysheets.GetItem(_variant_t("第1页"))，true)；

c.把需要存储的数据值写入Excel文件，系统一共要保存24个变量。通过函数SetItem( )将数据写入Excel单元格。

CTime tDate = CTime：GetCurrentTime()；

sDate=tDate.Format("%H：%M：%S")；

rgMyRge.SetItem(_variant_t((long)(setnum))，_variant_t((long)(1))，_variant_t(sDate))；

rgMyRge.SetItem(_variant_t((long)(setnum))，_variant_t((long)(2))，_variant_t(v1))；

rgMyRge.SetItem(_variant_t((long)(setnum))，_variant_t((long)(25))，_variant_t(v24))；

d.保存Excel数据文件。通过函数SaveAs()保存Excel文件，保存路径为strPath1。

wsMysheet.SaveAs( strPath1，vtMissing，vtMissing，vtMissing， vtMissing，vtMissing，vtMissing，vtMissing，vtMissing)；

e.释放Excel相关的对象。

4　结束语

该土壤切削实验台监控系统已经投入使用，实验结果显示，多种通讯方式的使用保证了数据通讯可靠，故障极少，并且维护方便，达到了预期的各项性能指标。

参考文献：

[1]Andrew S Tanenbaum.计算机网络[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2]孙鑫，余安萍．VC++深入详解[M]．北京：电子工业出版社，2006.

[3]李继容，鲍芳，何湘初.以太网在工业自动化领域的应用及研究[J].计算机应用研究，2002，19(9)：126-128.

[4]施晨杰， 茅忠明.OPC技术研究及其客户端实现[J].上海理工大学学报， 2009， 30(6)：547-550.

[5]刘志， 龙志强.基于OPC的工业PC与S7-300 通信的VC实现[J].工业控制计算机， 2008， 21(5)：37-38.

Abstract：In order to realize remote monitoring and measurement of soil cutting station monitoring systems and improve the maintainability of systems and the efficient operation of equipment according to the composition of soil cutting control systems, this paper designs an application based on Ethernet communications, PPI communications, Modbus communications and OPC communications. A hardware configuration and program design of an OPC client is designed and communication and an experiment are realized. The results show that the equipment has been in normal operation since the system was established, and data transmission has been reliable. At the same time, the application of various communication methods in soil cutting demonstrates the stability of communication during the experiment and the mutual compatibility between communication modes.

Key words：soil cutting；multiple communication modes；application；compatibility

作者简介：滕俊迪(1989-)，男， 河南许昌人，硕士研究生，研究方向为疏浚设备与技术。

收稿日期：2015-03-11

文章编号：1001-2257(2015)06-0054-04

文献标识码：A

中图分类号：TP39；TP311.1