基于组态的工业监控系统设计

于超 辽宁锦州渤海大学工学院

基于组态的工业监控系统设计

于超 辽宁锦州渤海大学工学院

伴随着工业技术的发展，自动化技术愈来愈广泛地使用于各种工业过程中。这个课题针对工业自动化生产线，构建了工业监控系统，用于模拟实际工业生产过程，为我们展示了一个接近于实际工程应用的监控环境。

可编程控制器 组态王 监控

1 引言

目前，随着科学技术的高速发展，中国的生产企业即将会面临越来越多的挑战。为了能够在竞争激烈的全球市场上获得成功，企业必须通过提高生产效率来降低运营的成本，同时，还要符合环保的要求。而智能监控系统与自动化技术的出现，为企业解决这些难题提供了技术的保障，对工业绩效的改善起到了一定的促进作用。

2 系统总体设计

系统使用组态王作为上位机组态软件，使用工业PC作为上位机，将PLC作为下位机，他们之间使用PPI通信。组态王通过对现场数据的采集处理，以组态画面显示，PLC程序控制，用画面显示和实时监控来向广大用户提供解决实际工程问题的方案。首先，本课题是基于PLC的自动化生产线监控系统的组态设计，结合控制要求，我采用西门子PLC S7-200以及组态王软件进行设计。分析自动化生产线各个站的工作流程，建立程序模型，设计各站PLC控制程序。运用组态王软件组建上层监测系统，阐述设计方法，设计自动化生产线系统的监控程序。对自动化生产线系统进行安装调试，确保程序准确，监控程序能动态反映自动化生产线系统的运行过程。系统总体框图如图1所示：

图1 系统总体框图

根据现在的市场需求，工业自动化已经成为了一种发展趋势，尤其在计算机技术和监控技术的快速发展后，工业自动化的水平在不断提高，所以计算机监控技术和PLC技术在工业自动化中的应用已成为了一种必然的结果。本文通过采用组态王软件和PLC可编程器，调试出一套适合自动化生产线的监控系统。这样不仅可以通过plc编程来实现大数据量的串口通信、复杂的数据分析与处理等功能，还可以利用组态软件方便快捷的界面设计功能。其中，上位机是完成数据通信、人机交互和数据处理、网络管理等功能。在这个工控网络中，西门子PLC S7-200是六个站的下位机软件，主要来完成数据的采集以及对设备的控制。本系统能够在运行后对自动化生产线进行在线监控，而实际中的运行效果表明了监控系统在工业控制的各监控点之间的连续、可靠的数据信息交换得到了实现，也表明了这种监控系统是安全有效和经济实用的。

3 硬件设计

硬件设计是PLC控制系统的非常重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的安全性、可靠性以及稳定性。

3.1 硬件选型

物料传感器即固体压力传感器，经过分析，我选用LH-S05微型拉压力传感器，这是一种拉压两用型力传感器，体积小，安装很方便，测力部分是外螺纹；传感器精度非常高，动态响应也很快，具有非常优越的线性跟重复性；这种类型是传感器被广泛应用于自动化测力领域。参数如表1所示。

表1 物料传感器参数表

颜色传感器是将物体颜色跟之前已经显示的参考颜色进行比较来检测颜色的机器。经分析，采用TCS3200D颜色传感器。这个传感器是TAOS公司推出的RGB彩色光/频率转换器，带有数字兼容借口，能够在内部配置硅光电二极管阵列和一个电流/频率转换器。TCS3200D的主要特点是：它可以通过可编程来调整色彩与满度的输出频率；它可以跟微处理器直接建立通讯；还可以转换很高分辨率的光照度以及频率。

3.2 电气控制部分

气压传动系统的工作原理，是利用空气压缩机把电动机或者其他原动机输出的机械能转化为空气的压缩能，然后在控制元件的控制下以及其他辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压缩能转化为机械能，从而完成直线或回转运动并且对外做功。

3.3 系统主电路图

系统主电路如图2所示。

4 软件设计

图2 系统主电路图

图3 上料检测站程序图

本课题采用PLC控制，各站独立控制，可编程与组态王之间由PPI通信，在自动化生产线上，根据各个工作站的工艺流程，先建立了可编程控制器程序的结构模型，还设计了基于PLC的控制程序，下面将着重介绍各站当中比较关键的几个程序网络。

4.1 上料检测站设计

上料检测站中，提升装置将物体提升至上限之后，待计时器计时2S，通过颜色检测之后，将会输出黑色，否则为白色。具体PLC程序如图3所示。

4.2 分类站设计

在整个自动化生产线上，分类站的功能尤为重要。分类站需要把各个工件按照大白、小白、大黑、小黑这四种类型分类放置，并且分两层计数。首先，在组态中，我采用编写命令语言的形式，将工件分别按照四种类型分类并且分层计数，然后利用PLC编程实现工件的放置。当可编程接受到组态王的信息后，将会控制气缸推出各个工件。

5 监控系统的组态设计

本课题中，为了更好地监测工业生产线的运作，采用组态王来作为上位机监控软件。这样，我们可以通过上位机上的组态画面非常清晰的工作站的运行状态。由于总是重复的进行图形编程，工程人员没有充足的精力与时间来提高控制的功能，但在引入动画连接后，工程人员可以省去许多时间和精力。除此之外，工程人员可以在图形界面中得到许多工业的标准控制图形，还可以通过运用相关命令和设置对目标图形进行动态显示功能的设置。组态王软件在设计图形界面的时候，为工程人员提供了许多图形和变量之间的连接类型，这极大地方便了工程人员的设计。部分动画连接图像被系统设置了访问权限来提高系统的安全性。

5.1 组态与可编程之间的通讯

S7-200 CPU最基本的通信方式是PPI协议，S7-200默认的通信方式是通过原来的端口实现通信过程。PPI的主站和从站是在一个令牌环网中，即一种主站—从站协议。由于只有拥有令牌的主站才能向网络上的其他的从站发出指令，所以当主站经过检测发现网络上没有堵塞的时候，会接受令牌，然后建立PPI网络，这表示PPI网络只需要在主站进行通信程序的编写就行了。主站在获得令牌后，能够向从站发出请求和指令，但从站不会启动消息，会一直等到主站发送申请才作出回应。

5.2 组态设计

系统I/0设备可以直接在现场跟组态王进行通讯。因此，通过I/0设备的输入可以及时地对现场设备的工作情况进行了解，例如水位、电磁阀开闭和油温等情况。对于PLC而言，就可以按照PLC自身的程序，来控制现场设备，可编程通过预先编写的程序，根据采集的输入信息给出输出值。PLC在数据寄存器中寄存了输入和输出的数值，然后通过引用地址数据的方法，寄存器就能够实现控制要求。组态王可以通过I/O设备提供的通讯端口进行连接，从而读出写在I/O设备寄存器上的信息，最后运用得到的数据对其进行控制。另外，组态王软件还有一种数据定义的方法，就是将PLC中的输入I改成输入M后，可直接使用定义之后的变量名对系统进行控制。

6 总结

本论文解决了工业的监控系统的设计，并使用组态王软件组建上层监测系统，详细阐述了设计方法，设计了工业系统的监控程序；对自动化生产系统进行安装调试，确保PLC程序准确，监测画面能动态反映自动化生产系统的运行过程。最后，经过对各站PLC单独调试，以及可编程与组态王之间的通信调试，系统运行正常，基本满足课题设计要求。

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