基于S7_300與WinCC的橋式起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)_圖文

1、收稿日期 :2010 09 10基金項目 :國家自然科學(xué)基金項目 (60864004 ; 國家 863項目 (2008AA04Z129 作者簡介 :余 丹 (1986- , 女 , 碩 士研究生 , 研究方向為過程控制。 文章編號 :1005 0523(2010 06 0071 04基于 S7 300與 WinCC 的橋式起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)余 丹 , 楊 輝 , 陸榮秀(華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 , 江西 南昌 330013摘要 :以提高起重機的安全運行 , 加強對 電氣 故障 的監(jiān)測 和診 斷為目 標 , 采用 分布式 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) , 運用 西門 子 S7-300系列 PLC 和組態(tài)

2、軟件 Wi nCC 6. 2設(shè)計垃圾液壓橋式起重機監(jiān)控 管理系 統(tǒng) 。 根據(jù)系 統(tǒng)的監(jiān) 控要求 , 設(shè)計 了系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu) 、 PLC 硬 件配置 , 以及上位機監(jiān)控管理系統(tǒng)中 主要的 4大模塊 , 實現(xiàn)了 3套 PLC 分別控制 3臺橋式起重機 , 及 1臺上位機同時監(jiān)控管 理 3臺起重機的整體信息 。關(guān) 鍵 詞 :PLC; WinCC; 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ; 硬件 ; 模塊設(shè)計中圖分類號 :TP273 文獻標識碼 :A隨著工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 建筑業(yè)和交通運輸業(yè)的發(fā)展 , 各行各業(yè)起重機械的應(yīng)用越來越多 , 起重機不斷朝著大 型化、 自動化、 網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展 1。目前 , 國內(nèi)起重機發(fā)生故障較

3、多、 監(jiān)管工作不足 , 為了保證起 重機在安全限度內(nèi)工作和操作人員的安全駕駛 , 研究起重機的監(jiān)控系統(tǒng)意義重大 2。垃圾液壓橋式起重機 (垃圾吊 是垃圾廠處理垃圾的起重設(shè)備 , 要求其故障時間少、 操作安全。監(jiān)控系 統(tǒng)用于監(jiān)視現(xiàn)場狀況 , 加上監(jiān)控軟件具有對數(shù)據(jù)采集、 存儲、 處理、 以及模擬現(xiàn)場實景再現(xiàn)等能力 , 它已得 到廣泛應(yīng)用。本文采用監(jiān)控管理技術(shù) , 不僅可以減少操作人員工作強度 , 提高裝卸效率 , 而且可以實時監(jiān) 視設(shè)備運行狀況和具有故障報警功能 , 加強了起重機系統(tǒng)和操作人員的安全 , 并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢 , 為 維護和修理帶來極大地方便。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)垃圾吊控制管理系統(tǒng)

4、(C MS 系統(tǒng) 的要求 , 系統(tǒng)分為 3部分 :下位機 PLC 、 上位機 WinCC 和數(shù)據(jù)通 訊。下位機采用三套西門子 S7 300PLC, 分別控制 3臺起重機運行 , 由編程軟件 STEP 7實現(xiàn)程序設(shè)計 ; 上 位機為 1臺安裝了西門子組態(tài)軟件 WinCC 的研華工控機 , WinCC 配合 PLC, 對 3臺起重機的操作系統(tǒng)進行 圖 1 CMS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖不間斷監(jiān)控、 故障診斷及數(shù)據(jù)收集 ; 數(shù)據(jù)通訊采用以太網(wǎng) , 實現(xiàn) PLC 與 WinCC 之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。PLC 系統(tǒng)為監(jiān)控整車的運行狀態(tài) , 實現(xiàn)對整車運行的時序邏輯控制及信號的實時檢測 , 采用程

5、序化操作和手動操作相結(jié)合的方式。 PLC 采集到的信號通過以太網(wǎng)上傳給上位機 , 之后 WinC C 對 3臺起重機的操作系統(tǒng)進行不間斷監(jiān)控 , 記錄并顯示所有電氣元件或部件的故障狀態(tài)與工作狀態(tài) , 記錄并顯示起重機的狀態(tài)參數(shù) , 記錄并顯示起重機的操作記錄與工作參數(shù) , 同時上位機本身故障時不會影響系統(tǒng)的工作。若元件出現(xiàn)故障 , 上位機則及時報警 , 上第 27卷第 6期2010年 12月華 東 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 Journal of East China Jiaotong University Vol. 27 No. 6Dec. , 2010位機還可通過服務(wù)器后臺進行數(shù)據(jù)收集、 存儲

6、、 管理、 分析達到提前預(yù)警。2 下位機 PLC 硬件設(shè)計德國西門子 (SIE MENS 公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國應(yīng)用相當(dāng)廣泛 , 西門子 S7系列 PLC 體積 小、 速度快、 標準化 , 具有網(wǎng)絡(luò)通信能力 , 功能更強 , 可靠性更高。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求 , 采用西門子公司的 S7 300系列 C PU 314C 2DP 作為控制器 , 并配有 CP 343以太網(wǎng)模塊 , 接入交換機與上位機進行數(shù)據(jù)通信 , 其中采用 TCP/IP 通信協(xié)議。根據(jù)每臺起重機的控制變量總數(shù) , 采用一塊 SM 321DI32 DC24V 和三塊 SM 322DO16 Rel. AC120/230V 數(shù)字

7、模塊 , PLC 模塊與現(xiàn)場設(shè)備之間采用 PROFIB US DP 進行通訊。根據(jù)垃圾 吊的工作原理和控制方式 , 在西門子的編程軟件 STEP 7中通過梯形圖完成 PLC 控制程序的編寫。PLC 與上位機之間通過以太網(wǎng)進行通訊 , 要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊 , 重要的為準確設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù)。對每臺起 重機的通訊模塊 CP 343設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù) , 其中 IP address(IP 地址 和 Subnet mask(子網(wǎng)掩碼 都是唯一的。 同時上位機將按這里的參數(shù)訪問 PLC, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。3 上位機 WinCC 軟件設(shè)計西門子公司的 WinCC 組態(tài)軟件適合于各個行業(yè)和各種技術(shù)系統(tǒng) , 用于在生產(chǎn)和過

8、程自動化環(huán)境中實 現(xiàn)可視化和過程控制任務(wù) 3。 WinCC 組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、 人機界面技術(shù) , 數(shù)據(jù)庫技術(shù)、 控制技術(shù)、 網(wǎng) 絡(luò)與通訊技術(shù)等 , 只需通過可視化的組態(tài)方式 , 就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計 , 降低了監(jiān)控畫面開發(fā)的難度。 WinC C 6. 2使用 Microsoft SQL Server 2005作為 其組態(tài)數(shù) 據(jù)和歸檔 數(shù)據(jù)的存 儲數(shù)據(jù)庫 , 可以 使用 ODBC 、 DAO 、 OLE DB 、 WinCC OLE DB 和 ADO 方便地訪問歸檔數(shù)據(jù) , 強大的標準接口 , 如 OLE 、 ActiveX 和 OPC, 可以方便地和其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù) 4 6。它具

9、有快速的畫面更新、 高效的數(shù)據(jù)通信 , 以及提供數(shù)據(jù)采集與歸檔、 圖形顯示、 報警功能和報表模塊。根據(jù)系統(tǒng)需求 , 實現(xiàn)對起重機工作情況的監(jiān)控 , 包括其大車、 小車、 起升、 抓斗、 司機室等各機構(gòu)實時的 狀態(tài) , 以及系統(tǒng)故障的報警信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。根據(jù)系統(tǒng)界面設(shè)計 , 監(jiān)控畫面一般分為 3個部分 :總覽 部分 (狀態(tài)欄 、 現(xiàn)場畫面部分 (主導(dǎo)航欄 和按鈕部分 (主監(jiān)控部分 。一般采取的布局方式有多種 , 本系統(tǒng) 采用的布局方式是自上而下的方式分布畫面 , 畫面分布為總覽部分、 現(xiàn)場部分和按鈕部分。在總覽部分可 顯示系統(tǒng)標識符、 畫面標題、 顯示日期和時間的數(shù)字時鐘、 橋機號選擇以及實

10、時報警控件 ; 在現(xiàn)場部分顯示 各個機構(gòu)畫面、 報警畫面、 數(shù)據(jù)趨勢圖和生產(chǎn)報表畫面 ; 在按鈕部分顯示監(jiān)控畫面的固定按鈕和登入用戶 名。整個畫面設(shè)計如圖 2所示 , 設(shè)計過程可以分為 4大模塊 :狀態(tài)監(jiān)測模塊、 故障報警模塊、 數(shù)據(jù)記錄模 塊、報表生成模塊。 圖 2 CMS 系統(tǒng)上位 機設(shè)計結(jié)構(gòu)圖3. 1 狀態(tài)監(jiān)測模塊狀態(tài)監(jiān)測模塊主要顯示總機概況 , 運行機構(gòu)狀態(tài)、 司機室操作臺狀況 , 直接通過 WinCC 圖形編輯器完成。在圖形編輯器中 , 用輸入 /輸出域?qū)崟r顯示模擬量 , 如各機構(gòu)運行至某一位置值或垃圾重量 ; 用圖形顏 色變化來表示各機構(gòu)的實時狀況、 限位開關(guān)、 報警變量等開關(guān)量的

11、通與斷 , 變量為 1時背景色設(shè)為綠色 , 變 量為 0時背景色設(shè)為灰色。各監(jiān)控畫面將形象地顯示各元件的狀態(tài) , 便于用戶掌握系統(tǒng)實時信息。3. 2 故障報警模塊故障報警模塊主要完成故障報警信息的記錄與顯示 , 故障查詢、 統(tǒng)計與分析等功能 , 大大縮短故障排 除時間 , 并為設(shè)備維護提供參考信息。 WinCC 軟件提供的報警編輯器 , 負責(zé)消息的采集和歸檔 , 包括過程、 預(yù)加工、 表達式 、 確認及歸檔等消息的采集功能。在組態(tài)期間 , 可對過程中應(yīng)觸發(fā)的事件進行定義。這個 事件可以是設(shè)置自動化系統(tǒng)中的某個特定位 , 也可以是過程值超出預(yù)定義的限制值。在系統(tǒng)組態(tài)時 , 首先需要把所有故障變量

12、在報警編輯器中進行組態(tài) , 之后在圖形編輯器中添加報警控 件 , 當(dāng)有故障報警時 , 在報警控件中會顯示報警信息。同時在 Horn 報警器中組態(tài)報警的變量 , 實現(xiàn)語音報 警 , 及時通知用戶 , 從而達到聲光報警的效果。在報警控件中還可以通過對報警發(fā)生時間、 錯誤點、 故障編 號或其組合等進行任意查詢與打印。報警畫面如圖 3所示。 圖 3 報警 畫面3. 3 數(shù)據(jù)記錄模塊數(shù)據(jù)記錄模塊主要記錄設(shè)備信息和備件信息 , 完成設(shè)備運行狀態(tài)記錄 , 服務(wù)器后臺執(zhí)行設(shè)備維護提示 及報警。此畫面只有取得相應(yīng)權(quán)限的用戶才能打開 , 在 WinCC 的用戶管理器中設(shè)置用戶及用戶的權(quán)限。 本系統(tǒng)采用 VBScr

13、ipt 腳本與 SQL Server 2005將設(shè)備信息存入到自定義數(shù)據(jù)庫中 , 通過點擊生成報表按鈕 , 在 Excel 控件中顯示數(shù)據(jù)。實現(xiàn)將 WinCC 的數(shù)據(jù)添加到自定義數(shù)據(jù)庫中 , 首先要在 SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫 中建立一個數(shù)據(jù)庫 c ms 及其下的數(shù)據(jù)庫表 , 之后通過配置 ODBC 數(shù)據(jù)源連接 SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。步驟 為(1 在控制面板中 , 選擇管理工具下的數(shù)據(jù)源 ODBC, 啟動 ODBC 數(shù)據(jù)源管理器。(2 單擊 系統(tǒng) DSN 選項卡 , 進入系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頁面 , 單擊 添加 按鈕 , 打開 創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源 對話框 , 在 驅(qū)動程序列表中 ,

14、 選擇 SQL Server, 然后點擊完成。(3 在打開的 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源向?qū)?窗口中 , 輸入數(shù)據(jù)源名稱、 說明和 SQL Server 服務(wù)器名稱 , 之后按步驟 進行完成 , 測試數(shù)據(jù)庫 cms 連接成功。接著根據(jù)起重機設(shè)備信息 , 通過 VB 腳本編寫程序。用戶隨時可根據(jù)設(shè)備信息或備件信息寫入數(shù)據(jù) 庫 , 并在需要的時候根據(jù)具體情況查詢報表。同時 , 當(dāng)設(shè)備達到報警條件或是備件不足時 , 將會自動彈出 報警窗口 , 提示用戶報警信息。3. 4 報表生成模塊 此模塊完成必要的生產(chǎn)信息和作業(yè)統(tǒng)計查詢 , 如每臺起重機每次抓斗的抓起重量 , 每個投料口的投入 量 , 每臺起重機每班的作業(yè)量以及

15、年 /月 /日的作業(yè)情況等 , 在需要的時候?qū)⒚颗_起重機的數(shù)據(jù)以表格的形 式輸出至打印機進行打印。作業(yè)的數(shù)據(jù)也是通過 VBScript 腳本與 SQL Server 2005來實現(xiàn) , 將采集的數(shù)據(jù) 存入自定義的數(shù)據(jù)庫中 , 在報表畫面中進行查詢與打印數(shù)據(jù) , 報表畫面如圖 4所示。報表畫面中 , 通過報表選擇的下拉菜單來選取日 /月 /年報表 , 作業(yè)具體選擇的下拉菜單來選取以班 次、 機號、 投料口或其組合顯示 , 并可選擇起止時間。點擊生成報表按鈕可以在 Excel 控件上顯示選取的 數(shù)據(jù) , 點擊打印報表按鈕可以將數(shù)據(jù)打印出來 , 點擊刪除報表按鈕可以直接將選取的數(shù)據(jù)刪除。實現(xiàn)打印 功

16、能 , 要先建立頁面布局和打印作業(yè)。啟動 WinCC 的報表編輯器 Report Desinger, 先建立一個頁面布局 , 選 擇 ODBC 數(shù)據(jù)源 cms, 設(shè)置 SQL 語句。模板建好之后 , 在 Print Job 項下建立一個新的打印作業(yè) , 如以打印每 天的作業(yè)情況為例 , 命名為 zuoye, 并在新建 Job 的屬性對話框 Layout 處與剛建好的報表建立連接。打印報 表按鈕的 C 腳本為 :RPTJobPrint( zuoye 。圖 4 報表 畫面4 結(jié)語以西門子組態(tài)軟件 WinCC 作為上位機和 S7 300PLC 作為下位機 , 應(yīng)用到垃圾吊控制管理系統(tǒng)中 , 實 現(xiàn)了

17、對狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測 , 形象地模擬了現(xiàn)場的運行情況 , 完成了作業(yè)記錄 , 降低了故障發(fā)生率 , 并有效 地保障了起重機系統(tǒng)的安全。參考文獻 :1李偉 , 李瑞華 . 起重機智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀與思考 J.煤礦機械 , 2006, 27(8 :3 4.2朱鈺 , 許順隆 , 劉少輝 , 等 . 液壓起重 機安全 監(jiān)控 系統(tǒng)的 開發(fā) J. 武漢理 工大 學(xué)學(xué)報 :交 通科 學(xué)與工 程版 , 2008, 32(4 :638 640.3王曉遠 , 杜靜娟 , 齊利曉 , 等 . 基于工業(yè)組態(tài)軟件 Wi nCC 的化工工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng) J. 化工自動化及儀表 , 2006, 33(5 :41 43.4蔡小

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22、ina Jiaotong University, Nanchang 330013, ChinaAbstract:A kind of portable dyna mic relay testing instrument with the single chip for JSDXC 1700is developed. The instrument can test automatically mechanical, electrical and dyna mic characteristics of relay. Prac tical application proves that the ins

23、trument is easy to use with high precision and reliability.Key words:dyna mic relay; mechanical characteristics; electrical characteristics; dynamic characteristics; measurement(責(zé)任編輯 王建華 (上接第 74頁 Hydraulic Crane Monitoring and Management SystemBased on S7 300and WinCCYu Dan, Yang Hui, Lu Rongxiu(School of Electrical and Electronic Engineering, East China