基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

劉月勝 張立偉 王順 戴玉瑤

摘 要：本文介紹了基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組成，從硬件、軟件、通訊三個方面詳細研究了該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計方式。最后，通過探討PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用方式說明了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點，以期促進自動化控制領域的發(fā)展。

關鍵詞：遠程監(jiān)控；系統(tǒng)設計；PLC控制器；自動化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.109

0 引言

PLC即可編程邏輯控制器，它是專門應用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)運算電子系統(tǒng)。PLC通過可編程存儲單元對采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理，具有極高的穩(wěn)定性、可靠性、適應新。PLC控制器能過實現(xiàn)位置控制、溫度控制、轉(zhuǎn)速控制等控制功能在現(xiàn)代工業(yè)中具有不可或缺的作用。因此，本文研究基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)并針對系統(tǒng)設計進行了探究。

1 系統(tǒng)基本組成

基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊、下位工控機、工業(yè)MODEM模塊以及上位監(jiān)控計算機四個部分。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊主要通過連接底層數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，包括模塊間的數(shù)據(jù)交互規(guī)則和數(shù)據(jù)讀寫規(guī)則。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采用PLC完成數(shù)據(jù)的采集和控制信號寫入，通過PLC實現(xiàn)下位工控機和現(xiàn)場設備的連接。下位工控機是對生產(chǎn)過程中的電機設備、工藝設備等進行監(jiān)測和控制的具有總線結構的計算機。下位工控機的主要作用是完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控并負責通過工業(yè)MODEM實現(xiàn)與遠程監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)通信。工業(yè)MODEM模塊能夠?qū)崿F(xiàn)上位監(jiān)控機和下位工控機之間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于工業(yè)MODEM模塊具有極強的抗電磁干擾能力，能夠適應復雜多變的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，被廣泛應用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)中。上位監(jiān)控計算機的主要作用是監(jiān)測下位機采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并發(fā)出相應的操作控制命令，實現(xiàn)對遠程設備的控制。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)是通過對廠區(qū)設備的運行參數(shù)以及工藝參數(shù)進行實時、遠程監(jiān)控的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLC、下位機等前端設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后通過相應的通信模塊將信號傳輸至上位計算機。最后，上位計算機根據(jù)預先設置好的控制算法得到控制信號并向下傳輸?shù)浆F(xiàn)場設備。

設計基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)首先需要分析監(jiān)控的工藝過程并確定監(jiān)控系統(tǒng)的結構，包括通信網(wǎng)絡結構的設計以及數(shù)據(jù)通信鏈路的設計。其次，需要根據(jù)具體工程選擇相應的設備型號，如下位工控機的性能參數(shù)以及PLC型號等，設備的性能與工程通信數(shù)據(jù)量相關。最后，需要根據(jù)具體工程規(guī)模和控制要求設計相應的控制算法和監(jiān)控界面。設計流程如圖2所示。

2.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計需要分析工程中的被控對象并確定相應的控制要求，根據(jù)信號輸入設備和輸出設備選擇相應的PLC型號，包括機型、容量、I/O模塊、電源等。其中，分析工程中的被控對象是根據(jù)被控對象的工藝流程和運行特性確定相應的要求。通過確定信號輸入/輸出設備數(shù)量來選擇PLC的I/O點數(shù)，如按鈕、開關、閥門、干接點、信號燈等。輸入/輸出模塊是PLC與控制對象進行信號交互的接口，根據(jù)交互信號的物理性質(zhì)分為數(shù)字量信號與模擬量信號。輸入模塊的主要作用是檢測現(xiàn)場設備的信號并通過模塊內(nèi)部結構轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電流信號或電壓信號。輸出模塊的主要作用是將PLC內(nèi)部電流信號或電壓信號轉(zhuǎn)化為外部設備能夠接收的控制信號，通過該信號實現(xiàn)對外部設備的控制。

選擇好硬件設備型號后還需要設計下位工控機和上位監(jiān)控機等電器設備的布置圖、電器互連圖和安裝接線圖。

2.2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對遠程設備運行參數(shù)的監(jiān)測，包括PLC控制器的輸入/輸出信號、寄存器信號、中間繼電器等信號。遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要有相應的控制程序，針對不同遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要設計不同PLC控制，而軟件設計的主要作用是編寫相應的控制程序，同時在程序中還需要編寫相應的檢測功能代碼、故障診斷功能代碼以及保護和連鎖功能代碼。PLC控制程序分為簡單邏輯控制、順序控制、特殊控制、網(wǎng)絡組態(tài)控制等，根據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象復雜程度開發(fā)對應PLC控制程序。

例如，目前大部分立庫廠商都在立庫系統(tǒng)使用西門子1200型PLC，因此針對基于西門子1200型PLC的立庫遠程監(jiān)控成為監(jiān)控行業(yè)的主要開發(fā)方向。西門子1200型PLC支持TCP/IP以太網(wǎng)通信，包含Idd、Odd、Mdd、DB四個寄存器塊，每個寄存器塊對應有相應的通道范圍，不同的通道范圍具有不同的讀寫特性以及存儲不同的變量類型。立庫中的現(xiàn)場設備通過PLC采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)包存入對應的寄存器塊，監(jiān)控系統(tǒng)通過設計好的PLC通訊驅(qū)動協(xié)議讀取寄存器塊中的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)缴洗稳藱C交互界面顯示。針對西門子1200型PLC驅(qū)動需要通過VC++6.0進行開發(fā)，編寫PLC驅(qū)動時首先對程序進行初始化并創(chuàng)建相應的信號通道。如DBx，y寄存器能夠存儲SHORT、FLOAT、LONG等類型數(shù)據(jù)并能夠?qū)@類數(shù)據(jù)進行讀寫，x、y范圍為0-65535。創(chuàng)建完信號通道后，程序進入采集段并根據(jù)設置的數(shù)據(jù)采集周期進行采集，每個數(shù)據(jù)的采集周期內(nèi)根據(jù)PLC寄存器模塊通訊協(xié)議編譯數(shù)據(jù)讀取命令代碼，命令代碼與校驗碼、地址、校驗和、結束符組成命令集并向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)幀，隨后返回PLC寄存器塊的數(shù)據(jù)包，PLC驅(qū)動通過解析數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)讀寫，即完成一次標準通訊。若校驗成功將接數(shù)據(jù)通過信號通道進行傳輸并返回通訊成功標識，若校驗失敗則返回通訊失敗標識。PCL驅(qū)動中數(shù)據(jù)傳輸格式為ASII 碼形式并規(guī)定通訊格式為10個異步通訊，包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位以及1個停止位。其中，數(shù)據(jù)采集命令需要根據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行編寫，如發(fā)送命令$016BB且$，0，1，6 的 ASCII 碼分別為 24H，30H，31H，36H則校驗和為24H+30H+31H+36H=BBH。返回代碼為！00000041則校驗和為21H+30H+30H+30H+30H+30H+30H=141H，通訊成功。遠程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)PLC驅(qū)動進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的遠程監(jiān)控。

最后，軟件中的控制程序根據(jù)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算控制參數(shù)并向現(xiàn)場PLC發(fā)出控制指令實現(xiàn)對遠程設備的控制。同時，遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過組態(tài)軟件設計相應的現(xiàn)場監(jiān)控界面，實現(xiàn)人機交互功能。

3 實際應用與結論

基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對設備的遠程監(jiān)控。同時，實時的數(shù)據(jù)采集、高效的信號傳輸、穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)以及便捷的控制操作使得該遠程監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛應用于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中。例如，我國的水利水庫系統(tǒng)大部分還通過傳統(tǒng)的人工檢測的方式進行水位檢測，人工將觀測到的數(shù)據(jù)傳到控制中心，控制中心根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對現(xiàn)場進行調(diào)度。人工的方式無法實時將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行模チ爽F(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時性，同時由于現(xiàn)場條件惡劣容易出現(xiàn)人員傷亡的情況。采用基于PLC的控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握水庫的水位參數(shù)和閥門開度等運行情況，技術人員無需親自到現(xiàn)場便可遠程操作設備，遠程對水閥進行開啟或關閉等操作?；赑LC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)極大地提高了生產(chǎn)效率也保障了人員安全。

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