鄭劍 郝浩 劉思君 胡恩 俊玉

摘要：本文通過(guò)C#高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)西門子S7-300PLC的上位機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)用西門子提供的PRODAVE軟件包解決PC上位機(jī)與PLC之間的通訊問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)造粒生產(chǎn)線的自動(dòng)控制。運(yùn)行發(fā)現(xiàn)這種方法能對(duì) PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行快速準(zhǔn)確地讀寫，控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。本文針對(duì)造粒生產(chǎn)線的實(shí)際要求詳細(xì)介紹了基于PRODAVE的PC-PLC通訊，同時(shí)也闡述了整個(gè)造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PRODAVE;PLC;造粒生產(chǎn)線;上位機(jī)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0003-04

0 引言

在非金屬顆粒生產(chǎn)中，造粒對(duì)于顆粒質(zhì)量起決定性作用。從廣義上講造粒就是對(duì)粉體、液體等狀態(tài)原料進(jìn)行加工，將其成型為特定形狀的過(guò)程。隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，廠商紛紛要求引入自動(dòng)化生產(chǎn)線[1-2]。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中一般可使用組態(tài)軟件來(lái)完成PLC與上位機(jī)的通訊，但難以滿足個(gè)性化需求。結(jié)合造粒生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題，本文提出了基于Prodave造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，通過(guò)西門子提供的PRODAVE MPI/IE 6.2模塊（下文提及PRODAVE指此版本），解決了上下位機(jī)通信問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)造粒機(jī)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制;上位機(jī)在Win7環(huán)境下采用C#語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)造粒生產(chǎn)線全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析、視頻監(jiān)控等方面的功能;下位機(jī)主要由PLC來(lái)承擔(dān)動(dòng)作執(zhí)行及數(shù)據(jù)采集等功能。

1 造粒機(jī)生產(chǎn)線功能需求分析

造粒生產(chǎn)線控制就是按照指定的配方比例，混合各種原料，經(jīng)過(guò)充分混合后進(jìn)行高溫密煉加工，然后由造粒機(jī)生產(chǎn)特定形狀的顆粒，最后打包并通過(guò)機(jī)器人在指定位置碼垛，完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程[3-4]。如圖1為造粒機(jī)生產(chǎn)線加工過(guò)程圖。

作為一套完整的工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，不僅要求精準(zhǔn)的動(dòng)作控制，還要求能夠正確處理一些異常情況;同時(shí)要能實(shí)時(shí)的查看每個(gè)工位，每個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)及重要的參數(shù)，獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控，對(duì)于出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)及時(shí)的報(bào)警，并且做出相應(yīng)的記錄;為了便于對(duì)員工的績(jī)效考核，統(tǒng)計(jì)出個(gè)人完成工作的數(shù)量及質(zhì)量。最后還需將產(chǎn)品的關(guān)鍵信息存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中支持歷史查詢等功能。

2 基于PRODAVE的PC和PLC之間的通訊

PRODAVE MPI/IE是西門子提供的專門用于解決PC與西門子PLC的通訊問(wèn)題的軟件包，支持通過(guò)“DB_ Read/Write”、“Field_Read/Write”方式與西門子S7系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)PRODAVE軟件包實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)PLC的讀寫速度快，而且傳輸正確率高[5-6]。在造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，大大縮短開發(fā)周期。

2.1 PRODAVE通信流程

PRODAVE軟件提供了豐富的基于Windows操作系統(tǒng)的DLL函數(shù)，為開發(fā)人員解決PLC和PC通訊的問(wèn)題提供了極大地便利，開發(fā)人員可以通過(guò)PRODAVE建立與PLC的通訊。如圖2為通信流程圖。

2.2 建立PC-PLC通訊

2.2.1 設(shè)置PG/PC接口

首先設(shè)置上位機(jī)PG/PC接口。本項(xiàng)目選用CP5611通訊卡，PCI板卡與PLC的DP口通過(guò)PROFIBUS電纜連接，然后在PC上安裝CP5611驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)PG/PC接口進(jìn)行設(shè)置，在訪問(wèn)路徑標(biāo)簽下選擇對(duì)應(yīng)的CP5611（PROFIBUS）即可。

2.2.2 通訊實(shí)現(xiàn)

（1）建立連接。由于PRODAVE庫(kù)函數(shù)中用到了union結(jié)構(gòu)，而C#無(wú)此類型需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化。共同體結(jié)構(gòu)占用同一個(gè)開始地址，結(jié)束地址取決于其中最長(zhǎng)的變量長(zhǎng)度，結(jié)合本項(xiàng)目union占據(jù)6個(gè)byte的長(zhǎng)度，因此使用C#中的System.Runtime.InteropServices.Marshal類為其分配6個(gè)byte長(zhǎng)度的內(nèi)存，聲明一個(gè)長(zhǎng)度為6的byte類型數(shù)組。

然后調(diào)用LoadConnection_ex6連接PLC，返回值為0則連成功。調(diào)用SetActiveConnection_ex6激活連接。激活完成之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。如果上述過(guò)程連接或激活不成功可調(diào)用GetErrorMessage_ex6獲取返回值用以指示錯(cuò)誤位置。

（2）實(shí)現(xiàn)讀寫。由于PLC中數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式與PC中不一致，PC中32位Int整形的高位在左，低位在右，而PLC中正好與之相反，因此在寫入之前和讀取之后要對(duì)讀寫的內(nèi)容做相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換。

這里以PLC中DB2.DBD16的位置寫入一個(gè)DINT類型的數(shù)據(jù)a為例說(shuō)明此問(wèn)題。DINT型是32位的占據(jù)4個(gè)字節(jié)，該數(shù)據(jù)占據(jù)了16～19號(hào)地址位，分別寫入的內(nèi)容如表1所示。

然后將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果放在一個(gè)數(shù)組中賦值給field_ write_ex6函數(shù)中對(duì)應(yīng)的參數(shù)，執(zhí)行field_write_ex6即可寫入成功。同理對(duì)調(diào)用field_read_ex6函數(shù)讀出來(lái)的數(shù)組也要進(jìn)行上面相反的格式轉(zhuǎn)換上位機(jī)才能正確顯示。

封裝是C#等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言的重要特征之一，為了便于在主程序中調(diào)用讀寫函數(shù)，對(duì)讀寫函數(shù)進(jìn)行封裝。對(duì)DB數(shù)據(jù)塊中D、I、M、T、Z類型Write/Read封裝，封裝后只需填寫參數(shù)要即可完成寫的操作，如果返回值為0則寫入成功，反之出現(xiàn)故障，按返回值來(lái)查詢出現(xiàn)故障的原因。

（3）斷開連接。PRODAVE在一個(gè)進(jìn)程中只能與一臺(tái)PLC建立連接，如果不斷開連接會(huì)導(dǎo)致在下一次連接無(wú)法成功。為了防止上位機(jī)通訊系統(tǒng)異常或死機(jī)等異常發(fā)生兼顧通信效率，每一次完成讀寫操作前先檢測(cè)是否連接，退出系統(tǒng)調(diào)用UnloadConnection_ex6函數(shù)斷開與PLC的連接。

（4）C#通訊中定時(shí)器的使用。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線各設(shè)備工作狀況，上位機(jī)需要周期性的讀取PLC寄存器中的數(shù)據(jù)，因此定時(shí)器的精度對(duì)數(shù)據(jù)的采集有很大程度的影響。

C#中共有三種timer 來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能：

①System.Windows.Forms.Timer

②System.Timers.Timer

③System.Threading.Timer

第一種也就是從工具箱中拖拽到WinForms窗體上的定時(shí)器timer，它是通過(guò)Windows消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，由于消息的優(yōu)先級(jí)別比較低，容易造成數(shù)據(jù)的丟失。另一方面由于占用UI線程，如果timer_Tick事件代碼過(guò)長(zhǎng)則會(huì)引起主窗體的卡頓，定時(shí)精度只能達(dá)到50ms左右，定時(shí)不準(zhǔn)確。另外兩種timer類似，都是開啟獨(dú)立的計(jì)時(shí)線程計(jì)時(shí)精準(zhǔn)，也不影響UI線程但使用時(shí)需要注意跨線程的操作。本系統(tǒng)采用第二種timer來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣。

3 造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)有上下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)采用C#高級(jí)語(yǔ)言編程，在VS2010中開發(fā);下位機(jī)使用西門子S7-300PLC以及相應(yīng)的模塊;兩者通過(guò)PRODAVE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1 硬件連接

本控制系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)獲取配方的原料種類和添加質(zhì)量以及生產(chǎn)過(guò)程中所需要的工藝參數(shù)，另一方面通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和下位機(jī)PLC相連接完成數(shù)據(jù)傳輸[7]。硬件連接如圖3所示。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)主要充當(dāng)用戶與下位機(jī)之間的媒介。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用C#的三層架構(gòu)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。表示層是直接呈現(xiàn)給用戶的，也就是軟件界面的設(shè)計(jì);業(yè)務(wù)邏輯層是結(jié)合具體的情況對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)邏輯處理，供表示層調(diào)用;數(shù)據(jù)訪問(wèn)層是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的直接訪問(wèn)與操作，供業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用。結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于使用三層架構(gòu)，本系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴(kuò)充性，維護(hù)和升級(jí)方便，同時(shí)安全性也比較高。

3.3 功能模塊

造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，主要功能模塊如圖5所示。用戶管理用于對(duì)用戶身份、權(quán)限的管理;生產(chǎn)計(jì)劃管理，主要對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行管理;工藝管理是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)的管理;過(guò)程監(jiān)控是對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)的顯示、故障告警及各工位的視頻監(jiān)控;數(shù)據(jù)報(bào)表是根據(jù)管理需要開發(fā)對(duì)應(yīng)的報(bào)表，實(shí)現(xiàn)報(bào)表的自動(dòng)生產(chǎn);數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份、還原等常規(guī)管理。

4 結(jié)語(yǔ)

調(diào)試表明PRODAVE一次連接與斷開PLC的時(shí)間在200ms左右，讀取一條數(shù)據(jù)時(shí)間0.7ms左右，因此要盡可能一次連接完成所有讀寫任務(wù)。此讀寫速度足以滿足造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

工程實(shí)際應(yīng)用表明本文提出的基于PRODAVE的造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，有效地解決了造粒生產(chǎn)中工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備信息難以有效結(jié)合的問(wèn)題，有效地提高了生產(chǎn)效率，降低了加工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了造粒生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。

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