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簡析基于工業(yè)以太網(wǎng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)是一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)，隨著其無縫整合的特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化控制方面以其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為工業(yè)自動(dòng)化控制方面比較熱門的技術(shù)，也是當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)方向。
關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) 上位機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng)
一、前言
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)場總線控制技術(shù)和集散控制系統(tǒng)之后的又一新型的技術(shù)，具有便于安裝、有較高的傳輸速度、低能耗高兼容性的特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化控制方面的得到了很好的利用，工業(yè)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求也給工業(yè)以太網(wǎng)提供了更為廣闊的發(fā)展空間。通過以太網(wǎng)將企業(yè)的信息和工業(yè)控制兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了無縫連接，創(chuàng)造工業(yè)自動(dòng)化控制的新時(shí)代。
二、上位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1、服務(wù)器與生產(chǎn)車間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
中控室設(shè)置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器一臺(tái)(工程師站)，作為SCADA服務(wù)器(監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)以Windows2003Server為操作平臺(tái)，運(yùn)行控制軟件(如STEP7)完成生產(chǎn)線各控制軟件編制及上下載、故障診斷，運(yùn)行組態(tài)監(jiān)控軟件(WinCC7.0)，完成設(shè)備控制信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集工作，經(jīng)過程序處理，生成各種文件，顯示各生產(chǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)畫面及圖形，對(duì)該區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、物流狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各部接口和設(shè)備的情況。
2、服務(wù)器與車間管理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
由于車間管理層和生產(chǎn)車間分屬于不同的網(wǎng)絡(luò)，因此設(shè)計(jì)了中央控制室計(jì)算機(jī)的雙網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)，以連接兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)，以便于計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的同時(shí)處理。其中一塊網(wǎng)卡用于監(jiān)控現(xiàn)場控制裝置(PLC、HMI等)，另一塊網(wǎng)卡用于連接廠級(jí)管理服務(wù)器，讀取工藝參數(shù)，并作為上級(jí)管理計(jì)算機(jī)的終端。
3、客戶機(jī)及其附屬設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
建立控制室局域網(wǎng)絡(luò)，且該局域網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)車間網(wǎng)絡(luò)位于同一IP段。設(shè)置管理客戶機(jī)2臺(tái)(操作員站)，客戶機(jī)供操作員對(duì)特定控制區(qū)域進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、物流狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各部接口和設(shè)備的情況。設(shè)置看板系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)1臺(tái)，從SCADA服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息，建立顯示界面并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并能自動(dòng)記錄工藝參數(shù)、打印故障報(bào)表。中控室及PLC網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)交換機(jī)(SWITCH)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，現(xiàn)場以太網(wǎng)交換機(jī)(SWITCH)之間的聯(lián)接采用光纜。
三、WINCC與PLC的通信連接
在當(dāng)前WINCC系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，PLC間要進(jìn)行過程通訊，需要在PLC控制系統(tǒng)上安裝驅(qū)動(dòng)程序來對(duì)PLC進(jìn)行控制，在安裝的驅(qū)動(dòng)程序中有很多的通道單元，利用硬件驅(qū)動(dòng)程序和接口對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行支持。通過邏輯連接，WINCC數(shù)據(jù)管理可以使用遠(yuǎn)程PLC中的變量。依據(jù)所需的步驟，通道單元利用指定的通道來連接訪問過程值，進(jìn)而獲得WINCC數(shù)據(jù)管理所需要的過程值。
四、WINCC與LED顯示屏同步顯示
當(dāng)前LED的顯示可以通過對(duì)通訊進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)同步顯示和異步顯示。所謂的同步顯示就是指通訊信號(hào)和LED顯示屏實(shí)施時(shí)時(shí)通訊;異步顯示是顯示屏和上位機(jī)不同步運(yùn)行，各自進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)行。但需要上位機(jī)將顯示信息編輯并發(fā)送到顯示屏體。為減少系統(tǒng)復(fù)雜性，本文提出了一種WINCC組態(tài)軟件與LED顯示屏同步顯示的技術(shù)方案，該方案簡潔高效，便于實(shí)現(xiàn)，避免了大量的編程開發(fā)工作，顯示原理：操作員在WINCC開發(fā)環(huán)境中將顯示信息按照LED大屏顯示軟件的要求制作好，包括尺寸、分辨率、顯示坐標(biāo)等，然后掃描卡開始實(shí)時(shí)掃描看板計(jì)算機(jī)顯示屏幕的固定區(qū)域，發(fā)送卡將掃描卡得到的顯示信息通過以太網(wǎng)發(fā)送到光電轉(zhuǎn)換器，電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后經(jīng)光纖發(fā)送到現(xiàn)場LED屏幕上的光電轉(zhuǎn)換器上，光信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)入接收卡。接收卡按照事先存入其中的參數(shù)信息，將信號(hào)調(diào)制為在LED允許范圍內(nèi)的電信號(hào)，加載到屏幕上。這樣完成了電腦顯示屏和LED屏的同步顯示。
五、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
上位機(jī)選用西門子公司的WinCCV6.2編寫，該軟件除了具有組態(tài)軟件的基本功能外，還采用標(biāo)準(zhǔn)MicrosoftSQLServer2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行與PLC的通信，將PLC采集的和處理過的數(shù)據(jù)通過畫面的形式顯示出來;同時(shí)接受操作員的調(diào)度命令，通過工業(yè)以太網(wǎng)，對(duì)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)功能畫面，包括主界面、輸送帶綜保畫面、故障記錄畫面、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)畫面和參數(shù)設(shè)置畫面。主界面顯示了系統(tǒng)的7條帶式輸送機(jī)，以動(dòng)畫區(qū)分狀態(tài)分別為：正常、運(yùn)行、通訊錯(cuò)誤及報(bào)警等，表示的顏色可以自行設(shè)定，基于分布式工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為以下幾個(gè)層次。
1、傳感儀表層
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工業(yè)流程的全程監(jiān)控，必須選用合適的傳感器對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳感器采用4～20mA電流信號(hào)作為傳輸介質(zhì)，將模擬量信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊中。
2、數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集模塊接收傳感器傳送過來的模擬量信號(hào)，采集模塊通過網(wǎng)絡(luò)RJ45接口，借助于TCP-IP通信協(xié)議或者工業(yè)以太網(wǎng)Modbus-TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而構(gòu)建基于分布式工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。
3、PC終端
PC終端通過專用的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多設(shè)備的參數(shù)變量的實(shí)時(shí)顯示，并提供友好的人機(jī)交互界面，完成數(shù)據(jù)的查詢、存儲(chǔ)和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等管理功能。
4、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)層
在檢測過程中相關(guān)的參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，相應(yīng)的控制指令會(huì)從PC終端發(fā)出，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)層將相關(guān)的指令進(jìn)行執(zhí)行或放大，實(shí)現(xiàn)最終的報(bào)警或聯(lián)動(dòng)控制。
5、動(dòng)作執(zhí)行層
動(dòng)作執(zhí)行層主要由通氯閥和壓力閥構(gòu)成，通氯閥的開度可以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，壓力閥的開度可以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，它們通過接收來自PC終端發(fā)出的控制指令，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大轉(zhuǎn)變?yōu)殚y門調(diào)節(jié)的開度大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化工生產(chǎn)工藝流程的自動(dòng)控制。
六、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
基于以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是面向化工廠的生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備而開發(fā)設(shè)計(jì)的，因此系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及其他相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制。具體來說，本自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要包含以下幾個(gè)方面。
1、在線監(jiān)測
通過布置合適的壓力變送器和溫度變送器，能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行采集，通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)利用以太網(wǎng)將其發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣就能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)時(shí)檢測和控制。
2、數(shù)據(jù)查詢
依靠上位機(jī)軟件的功能開發(fā)，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀察;同時(shí)，利用曲線圖表反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的走勢，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢與訪問，提高了數(shù)據(jù)的客觀性與真實(shí)性;并對(duì)相關(guān)設(shè)備的性能狀態(tài)參數(shù)作出合理的預(yù)估，提高對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和性能的合理判斷。另一方面，系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)操作，歷史數(shù)據(jù)均保存在軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，在對(duì)某些設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，可以按照日期進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。
3、生成報(bào)表與統(tǒng)計(jì)分析
上位機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)與分析，可以按照用戶的需求自動(dòng)生成Word或者Excel報(bào)表文件，從而為用戶提供相關(guān)決策的數(shù)據(jù)支撐。
七、結(jié)束語
隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化控制方面的作用顯得更加的重要，以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫整合的優(yōu)點(diǎn)被廣泛的使用。雖然以太網(wǎng)在工業(yè)控制方面取得了很大的進(jìn)步，但是在數(shù)據(jù)庫控制方面還有待加強(qiáng)，需要我們進(jìn)一步改進(jìn)，促進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)更好的發(fā)展。
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