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0引言
稱重控制器是應(yīng)用于冶金、礦山化工、交通、公路建設(shè)等場所的皮帶秤上的儀表，具有高精度、高可靠性的特點. PLC( Programmable Logic Controller) 作為新一代工業(yè)控制器，以其高性價比在工業(yè)測控系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用. 雖然 PLC 具有使用簡單方便、抗干擾性強、故障率低等優(yōu)點，但它也有不能提供良好的人機界面，數(shù)據(jù)處理與管理 能力弱等缺點. 將 PC 與 PLC 結(jié)合起來，既可以充分利用 PLC 的可靠性高、開發(fā)周期短、編程容易等特點，又可充分利用計算機友好的人 機界面，實現(xiàn)人機對話和監(jiān)控功能［1］. 稱重控制器安裝在皮帶秤下面，皮帶上面有各個配料倉. 本文介紹了由工業(yè)控制計算機和 CP5613 通訊網(wǎng)卡組成的監(jiān)控系統(tǒng)，利用 Delphi7. 0 和 Access 數(shù)據(jù)庫開發(fā)了稱重控制器上位機軟件. 該系統(tǒng)采用上下位機的主從式結(jié)構(gòu)，PLC 作為下位機完成稱重控制器數(shù)據(jù)的實時采集和對各個稱重控制器的控制功能; 上位機采用計算機與 PLC 進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)通訊設(shè)置、料種設(shè)置、儀表參數(shù)設(shè)置等. CP5613 網(wǎng)卡用于工業(yè)控制計算機連接到Profibus DP 現(xiàn)場總線，數(shù)據(jù)的實時通訊基于 Profibus 協(xié)議，通過專用數(shù)據(jù)線與控制站實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊［2］.
1系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)分為 3 層: 上位機( 工業(yè)控制計算機和 CP5613 通訊網(wǎng)卡) 、現(xiàn)場控制站( PLC) 和現(xiàn)場傳感器. 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

上位機以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，并有管理功能. 上位機監(jiān)控軟件采用  Delphi7. 0，Access  數(shù)據(jù)庫和 Photoshop7. 0 圖像處理軟件進行開發(fā). 其軟件平臺完成系統(tǒng)中的時鐘、通訊、料種、儀表等參數(shù)設(shè)置，實  時顯示各個配料秤的累計量、瞬時流量、實時料種的 配比，并將每班的生產(chǎn)情況記錄到數(shù)據(jù)庫中. 上位機通過現(xiàn)場總線接口卡 CP5613 使上位工控機接入 DP 網(wǎng)絡(luò)，這樣上位機與現(xiàn)場總線就連接為能完成運行、操作等功能的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即 Profibus DP 現(xiàn)場總線通過 CP5613 接口卡與上位機進行通信. 現(xiàn)場控制站直接面對控制對象( 各個稱重控制器) ，完成對工業(yè)現(xiàn)場的測控操作. 通過稱重控制器中的稱重傳感器和測速傳感器來測量系統(tǒng)的各種運行參數(shù)，并將 其返回到控制站，寫入上位機的實時數(shù)據(jù)庫中.
2上位機與 PLC 之間的通信
上位機作為主站能夠通過 PLC 監(jiān)控下層設(shè)備的狀態(tài)，首先要實現(xiàn)上位機與 PLC 間的通信. PC 與PLC 間通常采用串行通信方式. 上位機同 PLC 間的通信采用主從應(yīng)答方式，在通信過程中上位機始終處于主動方，PLC 則處于被動方，所有數(shù)據(jù)交換只能在主站和從站之間進行，從站之間不能直接交換數(shù) 據(jù)，如果從站之間需要交換數(shù)據(jù)，必須通過主站中轉(zhuǎn). 上位機先向 PLC 發(fā)送指令幀，PLC 接收了上位機的指令后，先進行 FCS 校驗，看其是否正確，如果正確，則接收并向上位機傳送響應(yīng)幀; 否則，PLC 拒絕向上位機傳送數(shù)據(jù). 需要說明的是，整個通信過程中因 PLC 中配有通信機制，一般不對 PLC 進行編程. 上位機接收到 PLC 傳送的數(shù)據(jù)，也要判斷正確與否， 若正確，則接收，完成一次正常通信; 否則，通信需要重新開始.
2. 1PLC 數(shù)據(jù)通信協(xié)議
2. 1. 1通信條件
要使上位機與下位機正確地交換數(shù)據(jù)，必須保證雙方在初始化時要使波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗均保持一致; 還必須嚴格按照 PLC 的通信協(xié)議的規(guī)定及幀格式編寫 PC 的通信程序.
2. 1. 2PC →PLC 的命令幀
PLC 傳輸協(xié)議的一般格式為

其中: @ 為幀開始標(biāo)志符; IP1、IP2 表示節(jié)點號，是指定與上位機通訊的 PLC; ID1、ID2 表示識別碼，為命令代碼，占 2 個字節(jié); CT 表示正文，用以設(shè)置具體的命令參數(shù); F1、F2 表示幀校驗碼( FCS) ，占 2 個字節(jié)， 它是從開始符“@ ”到正文結(jié)束的所有字符的 ASCII碼按位異或的結(jié)果; “*  ”和“/ ”2 字符表示命令結(jié)束［3］. 識別碼和正文取決于傳輸?shù)纳衔粰C鏈接命令; FCS 由上位機計算; 命令幀的正文最多可以有 131 個字節(jié)，一個大于等于 132 字節(jié)的命令必須分成若干幀，命令分段應(yīng)使用回車定界符，而不是終止符， 終止符只能用在最后一幀的末尾.
2. 1. 3PLC →PC 的響應(yīng)幀
當(dāng) PLC 收到上位機的指令后，以上面格式應(yīng)答. @ 、節(jié)點號和識別碼的含義與命令幀格式中的含義相同; 響應(yīng)碼表示指令完成的狀態(tài)( 是否有錯誤) ; FCS 由 PLC 計算給出，用來判斷 PLC 的應(yīng)答是否可靠; 終止符通過設(shè)置“*  ”和“/ ”表示應(yīng)答結(jié)束.
2.2 上位機的通信編程
用 Delphi7. 0 實現(xiàn)串行通信，常用的 2 種方法是: 使用 API 函數(shù); 使用如 MsComm 或 PComm 等控件. 使用 API 編寫串行通信程序復(fù)雜，需要掌握大量軟硬件知識，適合于編寫復(fù)雜的低層次通信程序. 相比較而言，利用 MsComm 控件則相對較簡單，該控件具有豐富的與串行通信密切相關(guān)的屬性及事件，支持多線程，提供了對串口的各種操作. 通信程序采用Delphi7. 0 編寫，使用通信控件 MsComm，該控件封裝了通信過程中的底層操作程序，用戶只需要設(shè)置和監(jiān)控軟件的相關(guān)屬性和事件即 OnComm 事件就可以實現(xiàn)串行通信. 在編寫通信程序之前，先對 MsComm 一些屬性進行初始化，完成串口通信設(shè)置. 設(shè)計時常用屬性如下.
CommPort. 設(shè)置并返回通信端口號.
InBufferSize. 確定接收緩沖區(qū)大小，一般采用默認值.
InputLen. 指定每次從接收緩沖區(qū)讀取的字符數(shù)，若設(shè)置為 0，則 1 次讀入輸入緩沖區(qū)所有字符.
OutBufferSize. 確定發(fā)送緩沖區(qū)大小，一般采用默認值.
Settings. 以字符串形式設(shè)置并返回串行通信協(xié)議，由波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位組成. 一般情況下設(shè)置為“9600，E，8，1 ”，含義是波特率為 9 600  bps，奇校驗，8 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位.
采用 MsComm 接收數(shù)據(jù)有 2 種方法: 事件驅(qū)動方式和定時查詢方式. 本系統(tǒng)采用 2 者結(jié)合的方式， 當(dāng) PC 機向 PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)后，就一方面不斷地檢查PLC 是否響應(yīng)回答，當(dāng) ComEvReceive 事件驅(qū)動時， PC 機接收PLC 的響應(yīng); 另一方面在OnComm 事件中輪詢端口，當(dāng)串口緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)時，觸發(fā) On- Comm 事件，這時啟動定時器輪詢端口，并關(guān)閉 On- Comm 事件. 若定時器計時到，通過串行通信口向指定地址的儀表發(fā)出讀命令，等待時間到則檢查 In- BufferCount 屬性值來判斷輸入緩沖區(qū)是否接收到了相應(yīng)數(shù)目的字符，從而進行數(shù)據(jù)的讀取、判斷數(shù)據(jù)合 法性和數(shù)據(jù)的存儲、處理、顯示. 接收完一幀后再打開 OnComm 事件等待下一次觸發(fā). 當(dāng)窗口串口的接收緩沖區(qū)沒有接收到數(shù)據(jù)時，不觸發(fā) OnComm 事件， 也就不會啟動定時器輪詢端口，釋放 CPU 資源. PC 機的通信流程如圖 2 所示.

在此次實驗中，PLC 通訊口初始化選用9 600 bps、8 位數(shù)據(jù)位、1 個校驗位、1 個停止位; 自定義以@ 開頭的信息作為有用信息的標(biāo)志; 引入 2 個中斷， 即接收結(jié)束事件和發(fā)送結(jié)束事件，完成 PLC 接收到PC 機的數(shù)據(jù)后對PC 機的一個響應(yīng)過程［3］. PLC 通信流程如圖 3 所示.

3上位機監(jiān)控軟件設(shè)計
3.1 總體設(shè)計
上位機使用 Windows XP 作為操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用 Delphi7. 0，Access 數(shù)據(jù)庫和 Photoshop7. 0 圖像處理軟件進行開發(fā). 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖 4 所示.

上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括用戶登陸、監(jiān)控主界面、系統(tǒng)設(shè)置、報警處理、數(shù)據(jù)顯示、歷史查詢、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)幫助等. 上位機可以設(shè)置各配料秤的給定流量、料種的配比，可以實時顯示各個配料秤的累計量、瞬時流量、實際料種的配比，將每班的生產(chǎn)情況記錄到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)生成實時生產(chǎn)報表、歷史生產(chǎn)報表，各料種的實時曲線、歷史曲線. 上位機主畫面可同時顯示各倉的通信狀態(tài)，各個倉可以選擇設(shè)置為供料倉或備用倉.
3. 2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計上，采用“前臺 + 后臺”的結(jié)構(gòu)，即借助 Access 來建立數(shù)據(jù)庫( 后臺) ，利用 Del- phi7. 0 實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、查詢、報表生成、打印輸出等
管理功能( 前臺) ，前后臺之間采用 ADO 技術(shù)實現(xiàn)連接. Access 數(shù)據(jù)庫是微軟公司在 Windows 環(huán)境開發(fā)的一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以表的形式存儲數(shù)據(jù)，需要創(chuàng)建 6 個表分別對應(yīng) 6 個表的數(shù)據(jù)存儲. 這 6 個表分別是用戶信息表、料種表、儀表參數(shù)表、報警記錄表、通訊狀態(tài)表、本班組配料狀況表. 其中報警記錄表有料倉、開始時間、結(jié)束時間、時長等字段; 本班組配料狀況表有料倉、料種、定值、本班累計、本日累計等字段. 完成數(shù)據(jù)庫的建立之后，Delphi7. 0 主要解決數(shù)據(jù)庫的連接、顯 示和操作 3 個問題. 用ADOConnection 控件完成對數(shù)據(jù)源的連接，用 DB- Grid 控件完成對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的顯示，用 ADOTable 控件來完成對數(shù)據(jù)庫的操作. ADO 和 DataGrid 控件的使用以及 Access 數(shù)據(jù)庫的建立［6］，不再詳述.
3. 3 模塊設(shè)計
模塊化、自動化是軟件設(shè)計的主題思想. 模塊化設(shè)計充分發(fā)揮了 Delphi 面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)的優(yōu)勢，將系統(tǒng)的功能分解成獨立的子功能模塊，使程序的開發(fā)、調(diào)試及維護簡單化. 自動化將體現(xiàn)在將程序參數(shù)化，按照用戶設(shè)定的參數(shù)自動完成既定的任務(wù)［2］.
3. 3. 1 用戶管理模塊
只有合法的系統(tǒng)操作人員或系統(tǒng)管理員才能進入系統(tǒng)，進行相應(yīng)的操作. 該功能模塊由用戶登錄和密碼修改 2 個部分組成.
3. 3. 2 監(jiān)控主界面模塊
監(jiān)控主畫面主要監(jiān)控各倉的通訊狀態(tài)( 通訊出錯還是通訊正常) ，每個倉的料種的瞬時流量( 單位: t / h) 和累計量( 單位: t) . 各個配料倉可以選擇設(shè)置為供料倉或備用倉. 各個配料倉可以選擇設(shè)置為是自動配料還是手動配料.
3. 3. 3 系統(tǒng)設(shè)置模塊
系統(tǒng)設(shè)置模塊包括通信參數(shù)設(shè)置、報警參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)校正值設(shè)置等.
3. 3. 4 報警處理模塊
報警的內(nèi)容包括配料倉超料、缺料; 皮帶機開、停; 皮帶跑偏以及相關(guān)參數(shù)超出設(shè)定值等. 報警處理采用系統(tǒng)自動處理和人為參與 2 種形式. 在自動模式下，系統(tǒng)將進入預(yù)先設(shè)定的故障處理程序( 如當(dāng) 1 號配料倉缺料時，系統(tǒng)將關(guān)閉該倉及皮帶機) ; 在手動模式下，由當(dāng)前的操作員進行相應(yīng)的處理. 但不管在何種模式下，系統(tǒng)都會對報警迅速進行定位和聲 光提示，并將其寫入系統(tǒng)日志.
3. 3. 5顯示模塊
系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)可以數(shù)字形式、曲線形式、實時報表等多種形式顯示.
3. 3. 6數(shù)據(jù)保存模塊
在實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件中，數(shù)據(jù)的存儲是其中的一個重要環(huán)節(jié)，由于系統(tǒng)采用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，采集的數(shù)據(jù)量相對較大，考慮到系統(tǒng)對實時性的要求較高，故采用了緩沖存儲的辦法，即在計算機內(nèi)存中開辟一段數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)，可以有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度［5］.
3. 3. 7 系統(tǒng)日志模塊
系統(tǒng)日志記錄系統(tǒng)運行的狀態(tài)和行為，作為系統(tǒng)的一個組成部分，它為操作人員對系統(tǒng)的操作提供參考和系統(tǒng)的故障分析.
3. 4 用戶界面設(shè)計與實現(xiàn)
登陸界面和報警界面屬于 Delphi7. 0 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序設(shè)計，比較簡單; 監(jiān)控界面涉及上位機和 PLC 通信以及 Delphi7. 0 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序設(shè)計. 用戶界面設(shè)計的基本原則是操作方便，直觀形象，具有明確的 錯誤提示. 上位機軟件運行于 Windows XP 環(huán)境下， 監(jiān)控主界面是整個設(shè)計的核心部分( 圖 5) .

由各個配料秤的通訊狀態(tài)，瞬時量顯示值，累計 量顯示值組成，并且可以對每個倉的通訊狀態(tài)進行 控制，是通訊還是停止. 如當(dāng)點擊某倉旁邊的“手動” 時彈出備用倉設(shè)置對話框，用戶可以把該倉設(shè)置為 供料倉還是備用倉; 可以為每個倉所加入的料種設(shè)定定值; 可以顯示各料種的實時曲線、歷史曲線，曲線的范圍可以是 1  min，1  h，8  h，1  d 等.
菜單欄中一級菜單系統(tǒng)設(shè)置有管理員密碼、系統(tǒng)時鐘、通訊設(shè)置( 圖 6) 、料種設(shè)置、儀表參數(shù)、保存時間、首班時間等二級菜單，配比設(shè)定可以添加新的料種并進行比例設(shè)定，報表菜單有生產(chǎn)日志、小時記錄、料種累計、料倉累計二級菜單.

操作人員通過主工具欄及其級連的子工具欄可 以快速地切換到需要查看或處理的頁面，界面直觀， 形象，方便操作.
4結(jié)束語
上位機軟件實時采集下位機的數(shù)據(jù)，可以讓管 理者隨時掌握裝置的運行情況，并通過對生產(chǎn)過程 的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，對出現(xiàn)的問題及時進行 處理. 目前開發(fā)的上位機軟件具有了必要的功能， 并可以隨著用戶要求的增加，方便地對軟件進行 升級.
 

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