1、摘 要 随着工业自动化的发展，PLC与计算机的通讯在工业中的应用越来越广泛。课题在监控系统的设计中，分析了工业监控系统所应具有的功能和工作原理，通过分析多级皮带机运行控制流程，设计相关控制方案，采用欧姆龙PLC编写控制程序，并基于EB500软件设计触摸屏监控界面，通过上位机触摸屏软件监控下位机PLC的控制系统，实现了工艺设备的启/停控制、故障报警、停机处理，同时对设备的各种性能参数进行动态显示，实现了基于触摸屏的皮带机实时监控。关键词欧姆龙PLC；触摸屏；工业监控系统；人机界面Electrical Engineering and Automation Specialty HU Xue-qiAb
2、stract: Along with the development of industrial automation, the communication of PLC and computer in industrial application is more and more widely. The Topic in the design of the monitoring system analyzes the industrial control system should have the function and working principle, after the anal
3、ysis of the control process and design control scheme, use Omron PLC to write control procedures and design for monitoring based on EB500 software touch screen interface, realize the real-time industrial field monitoring control by using computer touch-screen software to monitor the PLC control syst
4、em. Realized the process equipment run/stop control, fault alarm, stopping treatment, meanwhile the various performance parameters of equipment dynamically display, and analysis of a complete industrial monitoring system should have the function and working principle, realized real-time belt conveyo
5、r monitoring based on the touch screen. Keywords：OMRON PLC; touch Screen; industrial monitoring system; human-machine interface1 引言工业生产现场往往非常恶劣，单纯依靠技术人员对现场数据进行采集处理，一旦数据变化速度快或者数据量大就难以满足工业控制的实时性要求。然而仅仅实现对现场设备的控制已经无法满足工业自动化的更高要求，在对现场设备进行控制的同时实现对其运行状况的实时监视具有更多的实际意义，因此对工业现场进行自动检测控制和监视管理的工业监控系统应运而生。工业监控系统
6、是以计算机为基础用于生产过程自动监控的自动化系统，在对现场设备进行监视和控制的同时，实现数据采集、设备测量与控制及各类信号报警等各项功能。随着计算机技术、网络技术、控制技术的不断发展，监控系统自诞生之日发展到今天，共经历了五代基于不同软硬件的发展阶段1。基于工业控制计算机（Industrial Personal Computer IPC）的工业监控系统。其基本特点是输入输出装置采用板卡的形式，并将板卡与工控计算机的系统总线相连。IPC上必须安装多种驱动程序来采集数据，占用大量资源，造成系统不稳定；IPC中的数据具有独占性，只能通过本机进行分享，同时现场设备扩充困难，因此一般适用于中小型特别是小
7、型监控系统。微型计算机技术被应用到PLC中，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且增加了运算、数据传送和处理等功能，成为具有计算机功能的工业控制装置，具有可靠性高、编程简单、通用性强、安装及维护方便等特点1。一般来说，由PLC构成的监控系统分为三种类型，分别是：单机控制系统、集中控制系统和分布式控制系统。集散控制系统（Distributed Control System，DCS）后，集计算机技术、控制技术、网络技术、CRT显示技术于一身的DCS在化工、电力、冶金等自动化领域得到了广泛应用。DCS由回路仪表控制系统发展而来，它把大量分散的单回路检测系统通过计算机进行集中统一管理，用各种功能模块代替
8、传统仪表，利用计算机完成回路调节、工况联锁、参数显示、数据存储等多种功能，故迅速成为工业自动控制系统的主流。基于现场总线（Field Bus）技术的工业监控系统，即现场总线控制系统 （Field bus Control System，FCS），是一种全分散、全数字式、双向、串行、多节点的通信与控制系统。1.1 设计意义皮带机运输系统是矿石码头实现其各项生产工艺流程的关键基础环节，具有涉及的工业控制设备众多、矿石运输路线跨度大、沿途工矿较为恶劣等特点。为了保证设备工作正常、矿石的安全运输及工作人员的生命安全，对皮带机运输系统的全程实时监控是一项长期而重要的工作，因此矿石码头迫切需要可靠、准确、安
9、全的工业监控系统对矿石的卸、堆、取、装等生产流程进行全面的监视与控制。由于我国现代物流业起步较晚，港口监控系统的整体发展水平还比较落后，国内工控人员自行研究开发的皮带机监控系统仍旧处于初级阶段，大多为基于继电器与接触器控制和人工手动操作的传统半自动化系统。这种传统的皮带机监控系统由工作人员在生产现场手动操作皮带输送机及其它装卸设备来完成码头生产作业，系统运行环境恶劣，一次启动设备多，安全联锁要求高，经常会出现皮带机打滑、跑偏及溜槽堵塞等故障，因而生产效率极其低下，根本无法满足实际生产的不间断运行、控制实时性和安全性等要求1。开展皮带机监控系统的研究，是提高码头的生产过程综合自动化水平和经济效益
10、，适应码头生产发展的需要，也是促进国民经济的需要2。运用现代通信技术和工业控制网络技术以及采用最新的触摸屏组态监控工具，把先进的工业生产自动监控理念应用于实际的码头皮带机监控系统，用一台微型机作为监控系统的上位机，上位机通过监控级工业网络与PLC相连实现对现场数据的巡回采集、集中处理，实现了港口自动化系统的分散检测控制与集中监控管理3。1.2 设计研究内容及主要工作目前在国内港口方面，以监控组态软件设计出皮带机实时监控系统具有强烈的现实意义。以工业通信网络为基础，采用欧姆龙系列PLC，触摸屏监控软件，设计所做的主要工作有：（1） 参考国内外资料，分析触摸屏监控软件的构成与功能特点，并总结出利用
11、触摸屏监控软件开发实际工业监控系统的一般流程。（2） 通过对现有矿石码头皮带机的主要生产设备和工艺生产流程的分析研究，提出监控系统的整体设计方案，重点是系统组成结构和操作方式的设计。（3） 基于触摸屏easy view系列软件开发上位远程监控子系统，上位工控机与下位机进行数据通信并设计出相应的动态监控界面，实现流程运行状态、流程设备启/停状态的实时监控，并具有实时数据库、数据处理、运行报警、安全策略等多种功能。（4） 基于触摸屏easy view系列软件用MT500开发上位现场监控子系统，上位触摸屏通过网络与下位机进行数据通信并设计出相应的动态监控界面，实现生产设备的现场监视与控制。2 皮带机
12、监控系统整体设计方案2.1 皮带输送机皮带输送机（Belt Conveyer，BC）具有运量大、运输连续、维护简便等特点，在矿石码头生产中是比较经济可靠的运输设备，所以已成为矿石原料输送转移的主要运输设备。本设计中的水平运输系统，由欧姆龙公司的CPM2AH系列PLC进行工艺流程自动控制，停机制动使用电磁抱闸制动器，并对过长的皮带机配备张紧装置。由于实际生产运行中，皮带输送机跨度大，易形变，经常会发生故障从而影响生产进度，为此在皮带输送机沿线安装有大量保护开关，如跑偏开关、拉绳开关、欠速开关、溜槽堵塞开关、纵向撕裂开关、料流检测开关等2。要实现整个码头物料运输系统的安全顺利运行，除了皮带输送机的
13、正常工作外，还离不开各种皮带机辅助设备参与流程运作。皮带机转换装置：由于皮带机跨度大且矿石运输路线多样，需要在沿途兴建一些皮带机转接楼 （Transfer House，TH）并通过楼中的皮带机转换装置来完成矿石运输路线的转换或者延伸。皮带机转换装置由空压机和料流切换翻板组成，由空压机产生足够气压推动翻板运动，从而控制料流切换翻板的位置变化。除尘器：为了防止矿石运输过程中产生的粉尘过大对现场人员造成危害并影响监控效果，所有皮带机转接楼中的矿石落料处都安装有干式除尘器。除尘器运行前，先要启动空压机来鼓风。喷水阀：为了防止矿石在运输过程中与皮带机摩擦过热而影响原料质量，皮带输送机沿线安装有若干喷水阀
14、，可以根据需要自动喷淋以便在矿石过热时给矿石清洁降温。2.2 监控系统总体设计2.2.1 监控系统的组成结构皮带机监控系统依据分散检测控制、集中监控管理的原则，设计为以工业通信网络为纽带、由上位机监控系统和下位机控制系统两部分组成的高可靠性实用系统。本皮带机监控系统实际上是一个由集中监控层和设备控制层构成的二级集散控制系统。作为集中监控层的上位机监控系统，主要是工控机和触摸屏，提供友好、丰富的人机操作界面，处理自动化任务，实现系统状态动态显示、设备工作信息采集、工艺流程控制及报表输出等功能，进行系统全面的监控和管理，并通过监控级工业网络与下位机交换信息；作为设备控制层的下位机控制系统，主要是可
15、编程控制器，与现场电气设备和执行机构直接连接，执行可靠、有效、具体的分散控制。在监控系统的运行过程中，下位PLC通过传感器采集监控对象的状态数据，采集到的信号由屏蔽信号电缆从现场传送到PLC控制柜的接线端子板上，再经由中间继电器中转送入PLC的输入模块，完成现场信号的采集过程；上位机通过与下位PLC通信实时获取监控对象的状态数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在上位机屏幕上，另一方面按照工艺流程要求和操作人员的指令将控制数据送入PLC的输出模块，按PLC的用户程序对数据进行运算处理后再通过执行器驱动对应监控对象的电机、电磁阀等工作，完成现场设备的控制过程3。监控系统的工作原
16、理如图1所示。图1 监控系统的工作原理图2.2.2 上位机监控系统现场触摸屏监控系统由一台工业用触摸屏构成，用于取代传统的控制面板和显示仪器，实现对皮带输送机B1-B4控制及其相关辅助设备的现场实时监控。触摸屏选用MT500系列触摸屏，监控组态软件选用Easy View系列触摸屏专用组态软件EB500中文版。2.2.3 下位机控制系统下位机控制系统实时采集现场设备的各种数据，同时接受上位机发出的流程控制命令对各生产设备按工艺流程要求进行有效控制。下位机控制系统的主要控制对象为皮带输送机（这里以四级皮带机为控制对象）。2.3 监控界面设计监控界面是整个监控系统的主要组成部分，是系统进行实时监控的
17、主要人机接口（HMI），监控界面的友好程度是衡量监控系统质量的重要指标。监控界面的设计首先应满足生产工艺流程的要求，同时界面要友好，形象逼真，便于操作管理。由于皮带机的生产规模大，生产线长，需要监控的大型设备多，所以监控系统要实现全局生产的实时监控就必须按照现场设备的物理位置和功能特点设计多个监控界面。监控界面被分为三类：工艺流程图界面（主监控界面）、逆流控制界面（流程控制界面）、顺流监控界面（流程控制界面） 5。系统监控界面一般分为三个部分：总览部分、现场画面部分和按钮部分。在总览部分一，可组态画面标题、启动运行方式选择：在按钮部分可组态每个画面中显示的固定按钮；在现场部分可组态当前监控的各
18、机构的具体情况。3 欧姆龙PLC简介3.1 PLC一般结构其基本组成部分大致采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入、输出接口电路等，其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，这些输入信号经过PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，再由这些输出变量对外围设备进行控制。PLC组成部分如图2所示。图2 PLC组成部分3.2 内部寄存器及I/O配置内部寄存器每个区分配一定数量的寄存器单元，并按不同的区进行编号。I/O区的寄存器可直接和外部输入、
19、输出端子传递信息。I/O寄存器一般是一个16位的寄存器，它的每一位对应PLC的一个外部端子。不同机型的PLC配备不同的I/O点，一般小型的PLC其主机有几十个I/O点。内部辅助寄存器区可供用户存放中间变量使用。在PLC中常习惯称它们为“辅助继电器”。PLC用来存放从外围设备采集进来的各种数据，或运算、处理的中间结果的内部存储区域。欧姆龙CPM2AH可编程序控制器的寄存器范围，如表1。表1 欧姆龙CPM2AH可编程序控制器的寄存器范围项目范围输入继电器IR160位：00000-00915输出继电器IR01000-01915特殊辅助继电器SR448位：22800-25515辅助记忆继电器AR384
20、位：0000-2315保持继电器HR320位：0000-1915链接继电器LR256位：0000-1515定时器/计数器TIM/CNT56位：0-255数据存储区DM2,048字：0000-20474 上位机与PLC通讯及监控程序的设计方案及功能4.1 系统的设计方案4.1.1 PLC的选择本设计选择实验室现有的欧姆龙公司的CPM系列PLC作为通讯的下位机。欧姆龙公司的CPM系列PLC成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本；高速率PLC能够提供高速的传输并且在线PLC属于“即插即用”，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网
21、络，使用非常便捷。4.1.2 编程软件的选择Easy View 500 软件操作容易而功能强大。人机界面使在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，用户可以自由的结合文字、按钮、图像、数字等来处理完成监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕，随着机械设备的飞速发展，使用人机界面使机器的配线标准化、简单化，同时也降低了生产的成本。触摸屏作为一种新型的人机界面，简单易用，有强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，应用非常广泛。MT500系列触摸屏使专门面向PLC应用的，它不同于一些简单的仪表式或其他的一些简单的控制PLC的设备，其功能非常强大，使用方便。4.1.3 设计方案在选择好
22、PLC型号和编程工具后，需要有一个清晰的设计思想，首先建立通讯，然后编制监控软件模块。（1）PC机和PLC的通讯双方通讯的前提就是必须首先对通讯串口设置相同的数据位，起始位，结束位，波特率和奇偶校验。对Easy View 500 及大部分PLC而言只支持非同步传输模式，必需有实体介面作为传输的媒介将数据以非同步传输模式送出及接收。利用一台PC机RS232串行端口COM1和COM2进行调试，把RS232通讯线的一端接在PLC的RS232接口上，发送正确的通讯指令，检测是否得到正确的PLC响应4。（2）测试PLC的通讯命令查阅通讯协议，利用上面所做的通讯程序，不断给PLC发送各种指令，直到能得到P
23、LC的正确响应为止。（3）向PLC发送命令帧PLC和PC机的通讯能顺利进行的基础上，发送正确通讯命令帧给PLC，分析处理反馈回来的代码信息，得到PLC各种数据和状态7。（4）编制监控程序的界面用Easy View 500 系列触摸屏软件编辑监控界面，能直观的显示出PLC资源的状态及数据信息。4.2 通讯与监控系统的功能通讯与监控系统模块的主界面如图3所示，在菜单编辑中选择系统参数项，将出现以下对话框：图3 系统参数设置在系统参数设置可以分别对PLC设置、一般、指示灯、安全等级、编辑器、硬件进行设置。在PLC设置中，可以对PLC的类型，人机类型，通信口类型等进行设置，在本次设计中，选择OMRON
24、系列的PLC，人机类型选择MT510S/508S 640*480。该系统模块有以下几项功能：PC机与欧姆龙CPM系列PLC通讯功能的实现、I/O点、数据寄存器、中间继电器等PLC内部寄存器的监控功能的实现。在一些分布式控制系统中普遍采用串行数据通讯，即用来自微机串行的命令对控制对象进行控制操作，欧姆龙CPM2H系列PLC与PC机之间进行数据传送时所采用的是RS232通讯接口。4.3 欧姆龙CPM2AH系列PLC的通讯协议通讯协议就是通讯双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程。欧姆龙CPM2AH系列PLC通讯系统的基本协议是欧姆龙公司提供的HOSTLINK通讯协议4。上位机连接系统即HOSTL
25、INK系统是一种即优化又经济的通讯方式，它适合一台上位机与一台或多台PLC进行链接。上位机可对PLC传送程序，并监控PLC的数据区，以及控制PLC的工作情况。其编程口通讯协议命令如表2所示：表2 欧姆龙通信协议命令识别码PLC的工作模式命令运行监视编程RR有效读出输入/输出/内部辅助/特殊辅助继电器区RL读出链接继电器（LR）区RH读出保持继电器（HR）区RC读出定时器/计数器当前值区RG读出定时器/计数器状态值RD读出数据内存（DM）区RJ读出辅助记忆继电器（AR）区WR无效写入输入/输出/内部辅助/特殊辅助继电器区WL写入链接继电器（LR）区WH写入保持继电器（HR）区WC写入定时器/计数
26、器当前值区WG写入定时器/计数器状态值WD写入数据内存（DM）区WJ写入辅助记忆继电器（AR）区MS读出状态SC写入状态KS强制置位强制复位5 PLC程序设计5.1 多级皮带机双向控制PLC设计方案 本设计中是对多级皮带机控制，在此以四级皮带机为例来说明其控制方法。一般工矿场所常用的是皮带机逆流启动控制，可以确保其安全上料，但是逆流启动控制系统该方式对运输机数量较多的系统，因启动时间长、设备空运转而造成机械磨损和能源损耗。本设计以PLC为核心控制器，以触摸屏为人机交互界面，设计具备“顺流启动”和“逆流启动”两种方式的双向启动控制系统，可根据需要随时转换，以满足工艺要求，同时通过触摸屏对全过程进
27、行动态监控6。应用欧姆龙PLC控制四级皮带机运行设计方案：（1） 采用启动信号控制主程序运行，在主程序中进行选择采用逆流或者顺流方式启动皮带机。（2） 当选择逆流启动时，皮带机B4先开始启动，启动3秒后，皮带机B3开始启动，在B3启动运行3秒后，皮带机B2开始启动运行，在B2启动运行3秒后B1开始启动，系统开始上料运行，若此时有流程设备产生故障，则故障设备的上游设备将无法启动，并弹出信息提示和声光报警，在有关人员确认后发出流程停止命令对己启动的设备全部逆序停止。待系统正常后，程序控制系统逆流启动。（3） 当选择顺流启动时，程序跳转至顺流启动开始进行运行，使用跳转指令使两种启动方案互不干扰，皮带
28、机B1先开始启动，启动3秒后，皮带机B2开始启动，在B2启动运行3秒后，皮带机B3开始启动运行，在B3启动运行3秒后B4开始启动，在系统开始启动后就上料运行，若此时有流程设备产生故障，则故障设备的下游设备将无法启动，并弹出信息提示和声光报警，在有关人员确认后发出流程停止命令对己启动的设备全部顺序停止。待系统正常后，程序控制系统顺流启动正常运行。流程控制的完整运行模式如下流程图4所示。图4 运行控制流程图5.2 PLC程序设计5.2.1 主程序欧姆龙PLC的I/O分配表如下表，表3所示。表3 I/O分配输入输出急停按钮00000逆流启动指示01000系统启动按钮00001顺流启动指示01001顺流启动00002皮带机B101002逆流启动00003皮带机B201003压力传感器100004皮带机B301004压力传感器200005皮带机B401005一级皮带机故障00006二级皮带机故障00007三级皮带机故障00008四级皮带机故障00009使用启动按钮0.01控制系统准备开始运行：0.02控制皮带机逆流启动；0.03控制皮带机顺流启动，主程序段如下图5所示。图5 PLC控制主程序段5.2.2 逆流启动程序段在PLC控制过程中使用JMP跳转与JME跳转结束指令结合的方法，在按下0.02进入皮带机逆流启动系统，即皮带机B4先
