港口集裝箱裝卸模型監(jiān)控系統(tǒng)

胡孔元， 朱華炳， 趙春海

(合肥工業(yè)大學(xué) a. 工業(yè)培訓(xùn)中心； b． 機械與汽車工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

0 引 言

港口集裝箱裝卸模型由岸邊吊、拖車、龍門吊、門座吊和貨物集裝箱模型組成，模型的平面布置圖和現(xiàn)場布置圖如圖1、2所示。模型實現(xiàn)的功能：① 進(jìn)港業(yè)務(wù)：岸邊吊將貨物從船上卸到拖車上→拖車運送→龍門吊將貨物從拖車上卸到堆場。② 出港業(yè)務(wù)：龍門吊將貨物從堆場裝到拖車上→拖車運送→岸邊吊將貨物從拖車上裝到船上。③ 模型的裝、卸貨運動。④模型的單個動作。本文研究目的在于如何實現(xiàn)由PC完成對模型實現(xiàn)控制與監(jiān)視[1]。

根據(jù)模型的工作特點和應(yīng)用要求，采用S7-200PLC為下位機、PC為上位機，通過串口通信的方式實現(xiàn)監(jiān)控，而S7-200PLC與PC串口通信實現(xiàn)的方式有兩種：自由口通信和PPI通信。采用自由口方式則PLC端和PC端都需要編寫通信程序；而PPI方式采用主從結(jié)構(gòu)，PC遵循PPI協(xié)議格式，發(fā)出讀寫申請，PLC返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以省略編寫PLC的通信代碼，快捷方便[2-3]。本文采用PPI通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計。

圖1 模型的平面布置圖

圖2 模型的現(xiàn)場布置圖

1 總體設(shè)計

1.1 通訊接口協(xié)議

S7-200PLC與PC實現(xiàn)PPI通信要先制定接口協(xié)議，本次通信接口協(xié)議如表1所示。

表1 通訊接口協(xié)議

1.2 S7-200PLC端設(shè)計要求

PLC外圍電路使用限位開關(guān)、繼電器控制電機和電磁鐵工作[4]。

PLC要求接收PC指令完成對模型的運動控制，并向PC返回模型運行的狀態(tài)信息[5]。模型的運動可分為三類：① 業(yè)務(wù)。圖3為進(jìn)港業(yè)務(wù)流程。② 單個模型的裝、卸貨。圖4為門座吊卸貨流程圖。③ 模型的單個動作。

圖3 進(jìn)港業(yè)務(wù)流程圖

圖4 門座吊卸貨流程圖

1.3 PC端設(shè)計要求

PC要求完成對模型控制與監(jiān)視。

(1) 控制。由PC發(fā)送寫指令，PLC接受指令，控制模型進(jìn)行相應(yīng)運動?？砂l(fā)送的指令如下：① 當(dāng)業(yè)務(wù)、岸邊吊、拖車、龍門吊處于空閑或停止時，發(fā)送進(jìn)港業(yè)務(wù)或出港業(yè)務(wù)指令；② 當(dāng)業(yè)務(wù)、岸邊吊(或拖車、龍門吊)空閑或停止時，發(fā)送岸邊吊(或拖車、龍門吊)的裝、卸貨指令；③ 當(dāng)業(yè)務(wù)或岸邊吊、拖車、龍門吊單個運行或暫停時，發(fā)送停止指令；④ 當(dāng)業(yè)務(wù)或岸邊吊、拖車、龍門吊單個運行時，發(fā)送暫停指令；⑤ 當(dāng)業(yè)務(wù)或岸邊吊、拖車、龍門吊暫停時，發(fā)送繼續(xù)指令；⑥ 當(dāng)門座吊空閑或停止時，發(fā)送門座吊裝、卸貨指令；⑦ 當(dāng)門座吊運行或暫停時，發(fā)送門停止指令；⑧ 當(dāng)門座吊運行時，發(fā)送門暫停指令；⑨ 當(dāng)門座吊暫停時，發(fā)送門繼續(xù)指令；⑩ 當(dāng)模型不處于業(yè)務(wù)及裝、卸貨運動時，發(fā)送單個動作指令。

(2) 監(jiān)視。由PC發(fā)送讀指令，PLC接受指令后返回相應(yīng)信息，PC接受、處理、顯示當(dāng)前業(yè)務(wù)及模型的運行狀況。PC可顯示的狀態(tài)如下：① 業(yè)務(wù)狀態(tài)：空閑、進(jìn)港、出港，暫停；② 各模型狀態(tài)：空閑、裝貨、卸貨、暫停；③ 單個動作狀態(tài)：運行、停止。

PC端在完成上述設(shè)計要求的同時，還應(yīng)保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運行。

2 S7-200PLC端程序設(shè)計

PLC端程序包括流程運動程序和單個動作程序。單個動作的程序簡單，可采用基本指令編程；而流程運動的程序，根據(jù)其運動特點具有選擇性和順序性，還需采用順控繼電器指令編程。順控繼電器指令中SCR指令標(biāo)示一個順控步程序的開始，SCRT指令說明步序狀態(tài)的轉(zhuǎn)移去向，SCRE指令為順控程序段的結(jié)束[6-7]。按控制要求設(shè)計出含有選擇序列和并行序列的順序功能圖，最后繪制出梯形圖。

在程序中，使用置位S與復(fù)位R指令完成Q輸出[8]；使用MOVB指令完成數(shù)據(jù)傳送；使用通電延時定時器TON，控制集裝箱起吊高度；使用位存儲器M0.0、M0.1實現(xiàn)業(yè)務(wù)、岸邊吊、拖車、龍門吊的停止、暫停與繼續(xù)；使用位存儲器M0.2、M0.3實現(xiàn)門座吊的停止、暫停與繼續(xù)。

3 PC端程序設(shè)計

PC端采用Visual C++語言編寫程序，設(shè)計流程運動監(jiān)控和單個動作監(jiān)控。其過程為先創(chuàng)建對話框工程、設(shè)計流程運動，再添加對話框資源、設(shè)計單個動作，最后設(shè)計輔助功能。輔助功能包括程序退出、界面切換和界面中“暫停”、“繼續(xù)”按鈕的切換。監(jiān)控系統(tǒng)運行界面如圖5所示。

(a) 流程運動監(jiān)控界面

(b) 單個動作監(jiān)控界面

3.1 流程運動監(jiān)控設(shè)計

程序編寫過程大體分為三步：① 新建對話框工程Do；② 控件資源創(chuàng)建[9]:圖像、靜態(tài)文本、MSComm、按鈕；③ 函數(shù)實現(xiàn)：串口初始化、控制程序、監(jiān)視程序。

3.1.1串口初始化

在成員函數(shù)OnInitDialog()中添加代碼，完成如下設(shè)置：① 選擇COM1；② 設(shè)置波特率9600，偶校驗，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位；③ 設(shè)置輸入方式為二進(jìn)制方式；④ 設(shè)置每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)中有多于或等于1個字符時將引發(fā)一個接收數(shù)據(jù)的OnComm事件；⑤ 設(shè)置輸入緩沖區(qū)大小1024；⑥ 設(shè)置輸出緩沖區(qū)大小1024；⑦ 設(shè)置和返回每次讀出的字節(jié)數(shù),設(shè)0為讀出接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容；⑧ 設(shè)置和返回接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),設(shè)0為清空接收緩沖區(qū)；⑨ 設(shè)置和返回發(fā)送緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),設(shè)0為清空發(fā)送緩沖區(qū)；⑩ 判斷如果串口沒打開，則打開串口[10-11]。

3.1.2控制程序

在DoDlg.cpp文件中，設(shè)計如下程序：

(1) 增加全局變量。BYTE VB5=0。

(2) 增加成員函數(shù)send()。在該函數(shù)中向PLC發(fā)寫指令[12-13]：

① 將成員變量VB5寫入存儲器VB5，發(fā)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 調(diào)用SDK函數(shù)Sleep(DWORD dwMilliseconds)讓程序暫停50毫秒后發(fā)送確認(rèn)指令“10 02 00 5C 5E 16”。其中，sk為檢驗和，值隨VB5變化，需調(diào)用成員函數(shù)sumchk (BYTE *temp)計算賦值。

(3) 增加成員函數(shù)。sumchk (BYTE *temp)。

(4) 增加按鈕消息響應(yīng)函數(shù)。分別為業(yè)務(wù)、模型運行、停止、暫停、繼續(xù)按鈕增加消息響應(yīng)函數(shù)，在各函數(shù)中判斷消息的執(zhí)行條件，在if執(zhí)行語句中，先給VB5賦值，然后調(diào)用成員函數(shù)send()。

3.1.3監(jiān)視程序

在DoDlg.cpp文件中，設(shè)計如下程序：

(1) 在成員函數(shù)OnInitDialog()返回之前設(shè)置定時器。

(2) 增加時鐘WM_TIMER消息響應(yīng)函數(shù)。OnTimer(UINT nIDEvent)。在該函數(shù)中，實現(xiàn)如下程序：① 關(guān)閉定時器，② 調(diào)用成員函數(shù)Monitor()，③ 設(shè)置定時器。

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

(4) 增加成員函數(shù)Monitor()。

在該函數(shù)中設(shè)置for(bz=1;bz<4;bz++)語句，在循環(huán)內(nèi)部向PLC發(fā)送讀指令：

① 如果bz等于1，則讀存儲器VB0—VB4，發(fā)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”，之后調(diào)用SDK函數(shù)Sleep(DWORD dwMilliseconds)讓程序暫停20 ms。

② 如果bz等于2，則發(fā)讀緩沖區(qū)指令，數(shù)據(jù)加入局部變量CString型data中，判斷如果data等于“E5”，則發(fā)確認(rèn)指令“10 02 00 5C 5E 16”，否則返回，之后同樣讓程序暫停50 ms。

③ 如果bz等于3，則發(fā)讀緩沖區(qū)指令，數(shù)據(jù)加入已清空的data中，將data中第51、53、55、57、59位分別調(diào)用成員函數(shù)HexChar(char c)轉(zhuǎn)換為char型數(shù)據(jù)，再利用強制類型轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)锽YTE型，即分別表示存儲器VB0—VB4中數(shù)據(jù)，將該值分別賦給成員變量VB0—VB4；添加if、else語句并根據(jù)VB0—VB4值調(diào)用成員函數(shù)WKstate(int nID, int s)和成員函數(shù)state(int nID, long ys)分別實現(xiàn)狀態(tài)字和狀態(tài)燈，其中，狀態(tài)燈閃爍可利用延時和白色顯示實現(xiàn)。

(5) 增加成員函數(shù)HexChar(char c)。

(6) 增加成員函數(shù)WKstate(int nID, int s)。在該函數(shù)中，首先，利用參數(shù)nID調(diào)用CWnd類的成員函數(shù)GetDlgItem(int nID)獲得靜態(tài)文本框?qū)?yīng)的C++對象的指針，接著，利用該指針調(diào)用CWnd類的成員函數(shù)GetDC()獲取當(dāng)前文本框的設(shè)備描述表對象的指針，最后，在if、else語句中利用參數(shù)s調(diào)用CDC類的成員函數(shù)TextOut( int x, int y, const CString& str )實現(xiàn)文字輸出[14]。

(7) 增加成員函數(shù)state(int nID,long ys)。在該函數(shù)中，首先，利用參數(shù)nID調(diào)用CWnd類的成員函數(shù)GetDlgItem(int nID)獲得靜態(tài)文本框?qū)?yīng)的C++對象的指針，利用參數(shù)ys創(chuàng)建畫刷，接著，利用上述指針獲得該窗口的句柄，再利用句柄調(diào)用全局SDK函數(shù)GetClientRect(HWND hWnd,LPRECT lpRect)獲取窗口客戶區(qū)矩形的坐標(biāo)，最后，利用指針構(gòu)造CClientDC對象dc，利用該對象在矩形中間繪制一個白色邊框的圓，圓內(nèi)部為畫刷顏色[15]。

3.2 單個動作監(jiān)控設(shè)計

在對話框工程Do中添加對話框資源IDD_DIALOG1，為該資源添加新類CTestDlg，接下來在TestDlg.cpp文件中的程序設(shè)計過程與流程運動監(jiān)控大體相同，不同之處在于：

(1) 將VB5和bz設(shè)置為成員變量，不再為全局變量。

(2) 本次讀取的是存儲器QB0—QB3中的值。發(fā)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) 轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)。將讀取的數(shù)據(jù)data中第50和51位經(jīng)過調(diào)用成員函數(shù)HexChar(char c)和強制類型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)锽YTE型數(shù)據(jù)，即表示存儲器QB0中數(shù)據(jù)，QB1、QB2、QB3依此類推。將得到的BYTE型數(shù)據(jù)利用成員函數(shù)dtob(BYTE temp)轉(zhuǎn)換為CString型數(shù)據(jù)，其每一位分別對應(yīng)存儲器Q中的相應(yīng)位。

(4) 增加成員函數(shù)dtob(BYTE temp)。

3.3 輔助功能設(shè)計

3.3.1程序退出與界面切換

(1) 按下“退出”按紐時程序退出。在該按紐消息響應(yīng)函數(shù)中,設(shè)計如下程序：① 關(guān)閉定時器,② 判斷如果串口打開則關(guān)閉，③ 調(diào)用CDialog類的成員函數(shù)OnCancel()。

(2) 按下“切換至下單個動作”按紐時進(jìn)入單個動作監(jiān)控界面運行。在該按紐消息響應(yīng)函數(shù)中，判斷如果業(yè)務(wù)和模型都不工作，則進(jìn)行：① 關(guān)閉定時器，② 判斷如果串口打開則關(guān)閉，③ 調(diào)用CDialog類的成員函數(shù)OnCancel()，④ 創(chuàng)建“單個動作”模態(tài)對話框[16]；否則，調(diào)用CWnd類的成員函數(shù)MessageBox(LPCTSTR lpszText)提醒用戶“請先停止或暫停業(yè)務(wù)及模型的運行!”。

(3) 按下“返回”按紐時進(jìn)入流程運動監(jiān)控界面運行。在該按紐消息響應(yīng)函數(shù)中，實現(xiàn)如下程序：① 關(guān)閉定時器, ② 判斷如果串口打開則關(guān)閉，③ 調(diào)用CDialog類的成員函數(shù)OnCancel()，創(chuàng)建“流程運動”模態(tài)對話框。

3.3.2暫停與繼續(xù)按鈕的切換

界面中“暫停” 按鈕與“繼續(xù)”按鈕在同一位置處顯示，兩按鈕的切換要滿足：① 程序開始運行時“暫停”和“繼續(xù)”按鈕顯示正確，② 按下“暫停”顯示“繼續(xù)”，③ 按下“繼續(xù)”顯示“暫停”，④ 按下“停止”顯示“暫停”，⑤ 界面“返回”后顯示正確。設(shè)計如下程序：

(1) 增加新類CNewButton,基類為CButton。

(2) 分別為“暫?！?、“繼續(xù)”按鈕增加成員變量m_btn1、m_btn2，類型為CNewButton。

(3) 在CDoDlg類頭文件中包含CNewButton類的頭文件。

(4) 為CNewButton類增加CNewButton*類型的成員變量m_ptBtn。

(5) 在成員函數(shù)OnInitDialog()的最后，return語句之前添加代碼實現(xiàn)讓m_btn1和m_btn2中的變量m_ptBtn分別保存對方的首地址。

(6) 在“停止”按鈕的if執(zhí)行語句中分別利用m_btn1.m_pBtn和m_btn2.m_pBtn調(diào)用CWnd類的成員函數(shù)ShowWindow(int nCmdShow)讓“繼續(xù)”隱藏、“暫?！笨梢姟?/p>

(7) 在“暫?！卑粹o的if執(zhí)行語句中實現(xiàn)“繼續(xù)”可見、“暫?！彪[藏。

(8) 在“繼續(xù)”按鈕的if執(zhí)行語句中實現(xiàn)“繼續(xù)”隱藏、“暫停”可見。

(9) 在成員函數(shù)OnTimer (UINT nIDEvent)中添加代碼，判斷如果VB5等于0，在if執(zhí)行語句中，判斷如果VB0、VB1、VB2或VB3等于4，則實現(xiàn)“繼續(xù)”可見、“暫停”隱藏，否則，讓“繼續(xù)”隱藏、“暫?！笨梢姟?/p>

(10) 在“切換至下單個動作”的條件執(zhí)行語句中將VB5賦值為0。

另外，界面中“門暫?！迸c“門繼續(xù)”按鈕的切換程序參照上述設(shè)計。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)敘述了港口集裝箱裝卸模型監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計過程。使用S7-200PLC為下位機、PC為上位機，應(yīng)用PPI通信協(xié)議，PLC端程序采用基本指令和順控繼電器指令編寫，PC端程序采用Visual C++語言編寫。高效穩(wěn)定地實現(xiàn)以下功能：

(1) 模型在流程運動監(jiān)控界面和單個動作監(jiān)控界面中的運動控制、業(yè)務(wù)及各模型的當(dāng)前狀態(tài)的實時顯示。

(2) 流程運動監(jiān)控界面中“進(jìn)出港”監(jiān)控和“門座吊裝卸貨”監(jiān)控分離，兩者可以隨時執(zhí)行，相互獨立。

(3) 流程運動監(jiān)控界面與單個動作監(jiān)控界面的切換。

(4) 界面中“暫?！迸c“繼續(xù)”按鈕的切換。

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