簡(jiǎn)析基于工業(yè)以太網(wǎng)的上位機監控系統

　　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，隨著(zhù)其無(wú)縫整合的特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化控制方面以其獨特的優(yōu)勢，成為工業(yè)自動(dòng)化控制方面比較熱門(mén)的技術(shù)，也是當前工業(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 監控系統

　　一、前言

　　工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)和集散控制系統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(guò)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(wú)縫連接，創(chuàng )造工業(yè)自動(dòng)化控制的新時(shí)代。

　　二、上位監控系統硬件設計

　　1、服務(wù)器與生產(chǎn)車(chē)間的網(wǎng)絡(luò )設計

　　中控室設置數據采集服務(wù)器一臺(工程師站)，作為SCADA服務(wù)器(監視控制和數據采集)系統以Windows2003Server為操作平臺，運行控制軟件(如STEP7)完成生產(chǎn)線(xiàn)各控制軟件編制及上下載、故障診斷，運行組態(tài)監控軟件(WinCC7.0)，完成設備控制信息和生產(chǎn)數據的采集工作，經(jīng)過(guò)程序處理，生成各種文件，顯示各生產(chǎn)區域的動(dòng)態(tài)畫(huà)面及圖形，對該區域的生產(chǎn)設備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、物流狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)監控，并實(shí)現實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)環(huán)節中各部接口和設備的情況。

　　2、服務(wù)器與車(chē)間管理層的網(wǎng)絡(luò )設計

　　由于車(chē)間管理層和生產(chǎn)車(chē)間分屬于不同的網(wǎng)絡(luò )，因此設計了中央控制室計算機的雙網(wǎng)卡結構，以連接兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò )，以便于計算機對兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )信息的同時(shí)處理。其中一塊網(wǎng)卡用于監控現場(chǎng)控制裝置(PLC、HMI等)，另一塊網(wǎng)卡用于連接廠(chǎng)級管理服務(wù)器，讀取工藝參數，并作為上級管理計算機的終端。

　　3、客戶(hù)機及其附屬設備網(wǎng)絡(luò )設計

　　建立控制室局域網(wǎng)絡(luò )，且該局域網(wǎng)絡(luò )和生產(chǎn)車(chē)間網(wǎng)絡(luò )位于同一IP段。設置管理客戶(hù)機2臺(操作員站)，客戶(hù)機供操作員對特定控制區域進(jìn)行生產(chǎn)設備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、物流狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)監控，并實(shí)現實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)環(huán)節中各部接口和設備的情況。設置看板系統控制計算機1臺，從SCADA服務(wù)器讀取數據庫內的信息，建立顯示界面并對設備的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，并能自動(dòng)記錄工藝參數、打印故障報表。中控室及PLC網(wǎng)絡(luò )采用以太網(wǎng)交換機(SWITCH)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接，現場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(SWITCH)之間的聯(lián)接采用光纜。

　　三、WINCC與PLC的通信連接

　　在當前WINCC系統運行的過(guò)程中，PLC間要進(jìn)行過(guò)程通訊，需要在PLC控制系統上安裝驅動(dòng)程序來(lái)對PLC進(jìn)行控制，在安裝的驅動(dòng)程序中有很多的通道單元，利用硬件驅動(dòng)程序和接口對驅動(dòng)程序進(jìn)行支持。通過(guò)邏輯連接，WINCC數據管理可以使用遠程PLC中的變量。依據所需的步驟，通道單元利用指定的通道來(lái)連接訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程值，進(jìn)而獲得WINCC數據管理所需要的過(guò)程值。

　　四、WINCC與LED顯示屏同步顯示

　　當前LED的顯示可以通過(guò)對通訊進(jìn)行控制實(shí)現同步顯示和異步顯示。所謂的同步顯示就是指通訊信號和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不同步運行，各自進(jìn)行獨立的運行。但需要上位機將顯示信息編輯并發(fā)送到顯示屏體。為減少系統復雜性，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(jiǎn)潔高效，便于實(shí)現，避免了大量的編程開(kāi)發(fā)工作，顯示原理：操作員在WINCC開(kāi)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、顯示坐標等，然后掃描卡開(kāi)始實(shí)時(shí)掃描看板計算機顯示屏幕的固定區域，發(fā)送卡將掃描卡得到的顯示信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到光電轉換器，電信號轉換為光信號后經(jīng)光纖發(fā)送到現場(chǎng)LED屏幕上的光電轉換器上，光信號再轉換為電信號后進(jìn)入接收卡。接收卡按照事先存入其中的參數信息，將信號調制為在LED允許范圍內的電信號，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、上位機程序設計

　　上位機選用西門(mén)子公司的WinCCV6.2編寫(xiě)，該軟件除了具有組態(tài)軟件的基本功能外，還采用標準MicrosoftSQLServer2000數據庫進(jìn)行與PLC的通信，將PLC采集的和處理過(guò)的數據通過(guò)畫(huà)面的形式顯示出來(lái);同時(shí)接受操作員的調度命令，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，對現場(chǎng)的設備進(jìn)行遠程操作。系統設計了5個(gè)功能畫(huà)面，包括主界面、輸送帶綜保畫(huà)面、故障記錄畫(huà)面、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)畫(huà)面和參數設置畫(huà)面。主界面顯示了系統的7條帶式輸送機，以動(dòng)畫(huà)區分狀態(tài)分別為：正常、運行、通訊錯誤及報警等，表示的顏色可以自行設定，基于分布式工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)監控系統網(wǎng)絡(luò )架構分為以下幾個(gè)層次。

　　1、傳感儀表層

　　為了實(shí)現對生產(chǎn)工業(yè)流程的全程監控，必須選用合適的傳感器對反應釜內的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，傳感器采用4～20mA電流信號作為傳輸介質(zhì)，將模擬量信號傳輸到數據采集模塊中。

　　2、數據采集層

　　數據采集模塊接收傳感器傳送過(guò)來(lái)的模擬量信號，采集模塊通過(guò)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)現模擬量數據信號的網(wǎng)絡(luò )傳輸，從而構建基于分布式工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )架構，實(shí)現全局域網(wǎng)內的數據傳輸。

　　3、PC終端

　　PC終端通過(guò)專(zhuān)用的組態(tài)軟件實(shí)現對眾多設備的參數變量的實(shí)時(shí)顯示，并提供友好的人機交互界面，完成數據的查詢(xún)、存儲和報表統計等管理功能。

　　4、驅動(dòng)機構層

　　在檢測過(guò)程中相關(guān)的參數出現異常時(shí)，相應的控制指令會(huì )從PC終端發(fā)出，在驅動(dòng)機構層將相關(guān)的指令進(jìn)行執行或放大，實(shí)現最終的報警或聯(lián)動(dòng)控制。

　　5、動(dòng)作執行層

　　動(dòng)作執行層主要由通氯閥和壓力閥構成，通氯閥的開(kāi)度可以調節反應釜內的溫度，壓力閥的開(kāi)度可以調節反應釜內的壓力，它們通過(guò)接收來(lái)自PC終端發(fā)出的控制指令，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)放大轉變?yōu)殚y門(mén)調節的開(kāi)度大小，從而實(shí)現對化工生產(chǎn)工藝流程的自動(dòng)控制。

　　六、系統功能設計

　　基于以太網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統是面向化工廠(chǎng)的生產(chǎn)運行設備而開(kāi)發(fā)設計的，因此系統的主要功能是實(shí)現對生產(chǎn)設備及其他相關(guān)設備的運行狀態(tài)參數的實(shí)時(shí)監測和自動(dòng)控制。具體來(lái)說(shuō)，本自動(dòng)監控系統的功能主要包含以下幾個(gè)方面。

　　1、在線(xiàn)監測

　　通過(guò)布置合適的壓力變送器和溫度變送器，能夠對生產(chǎn)過(guò)程中的各種生產(chǎn)實(shí)際參數進(jìn)行采集，通過(guò)對采集的數據進(jìn)行分析實(shí)現監測控制，將監測到的數據利用以太網(wǎng)將其發(fā)送至上位機監控系統，這樣就能實(shí)現生產(chǎn)數據的時(shí)時(shí)檢測和控制。

　　2、數據查詢(xún)

　　依靠上位機軟件的功能開(kāi)發(fā)，一方面實(shí)現了對在線(xiàn)監測數據的實(shí)時(shí)觀(guān)察;同時(shí)，利用曲線(xiàn)圖表反映設備運行狀態(tài)的走勢，輕松實(shí)現對數據的查詢(xún)與訪(fǎng)問(wèn)，提高了數據的客觀(guān)性與真實(shí)性;并對相關(guān)設備的性能狀態(tài)參數作出合理的預估，提高對設備運行狀態(tài)和性能的合理判斷。另一方面，系統可自動(dòng)對數據進(jìn)行數據庫存儲操作，歷史數據均保存在軟件系統的數據庫中，在對某些設備進(jìn)行檢修時(shí)，可以按照日期進(jìn)行歷史數據的查詢(xún)。

　　3、生成報表與統計分析

　　上位機軟件能夠實(shí)現對數據的報表統計與分析，可以按照用戶(hù)的需求自動(dòng)生成Word或者Excel報表文件，從而為用戶(hù)提供相關(guān)決策的數據支撐。

　　七、結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)當前科學(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 )與數據信息網(wǎng)絡(luò )的無(wú)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，但是在數據庫控制方面還有待加強，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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