[關(guān)鍵詞]PLC 監(jiān)控系統(tǒng) 上、下位機(jī)

摘 要：本文介紹了基于PC及PLC的火車模型監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，并給出此系統(tǒng)的硬件原理簡(jiǎn)圖和軟件的實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)，有很強(qiáng)的使用價(jià)值。 
關(guān)鍵詞：PLC 監(jiān)控系統(tǒng) 上、下位機(jī) 
Abstract: In this paper, the whole design of a train model‘s monitoring and controlling system based on PC and PLC 
are introduced. The hardware theorem block and
 realization process of its software are also given. Experiment 
results show that this system has running reliability, 
more expansibility and practical application potential. 
Keywords: PLC Monitoring and controlling system Master/Slave Module 
［中圖分類號(hào)］TP29 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1606-5123（2002）03-0021-03 
1 引 言 
　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的提高，上位機(jī)同可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC）之間的通訊與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，在工業(yè)控制過程中的應(yīng)用越來越廣泛。在各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中，隨著自動(dòng)化程度的提高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)精度要求也越來越高。PLC作為一種新興的工業(yè)控制器，以其功能完備、編程靈活、應(yīng)用面廣、價(jià)格低廉等眾多*的性能在國(guó)內(nèi)外越來越多的生產(chǎn)過程中得到實(shí)際的應(yīng)用，尤其在數(shù)據(jù)的采集、控制及相應(yīng)的通信方面，更以其價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定得到同行業(yè)各個(gè)廠家的認(rèn)可。 
　　為了充分利用PC及PLC的優(yōu)點(diǎn)，我們針對(duì)上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一套“車輛運(yùn)行控制策略優(yōu)化“實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，開發(fā)出基于PC及PLC的該模型的監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)PC中用北京亞控公司的組態(tài)王作為人機(jī)界面，完成技術(shù)人員的參數(shù)設(shè)置和手動(dòng)控制，下位機(jī)PLC負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)針對(duì)火車模型的直接控制，其中包括對(duì)火車的運(yùn)行方向和速度的控制以及如何實(shí)現(xiàn)安全及時(shí)的避讓和尋找*線路的策略。本系統(tǒng)具有編程可視化、可移植性強(qiáng)、系統(tǒng)可靠度高、控制裝置標(biāo)準(zhǔn)化、接線軟件化、系統(tǒng)柔性化等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠擴(kuò)展到當(dāng)前國(guó)內(nèi)鐵道車輛的監(jiān)控系統(tǒng)中，大大優(yōu)化車輛的運(yùn)行策略，并為廣大從事該類系統(tǒng)開發(fā)的廣大工程技術(shù)人員提供了很好的借鑒。 
2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能2.1 硬件系統(tǒng)組成 
  　整個(gè)系統(tǒng)硬件布置的簡(jiǎn)單示意圖如圖1所示。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。以 PC機(jī)作為上位機(jī)，通過通信接口連接至可編程控制器，并以可編程控制器作為下位機(jī)來控制火車模型。上位機(jī)選用Pentum以上機(jī)型，組態(tài)王作為人機(jī)交互的組態(tài)軟件，由于上位機(jī)是以較的CPU建立的系統(tǒng)，它在圖形處理、復(fù)雜計(jì)算，以及人機(jī)界面上可以很輕松的達(dá)到較高的水平，相對(duì)于單片機(jī)等微處理器來說，處理速度快了好多倍。另外，它有語言的支持，有大量已經(jīng)成熟且應(yīng)用相當(dāng)廣泛的操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件的支持。本系統(tǒng)上位機(jī)的監(jiān)控部分選用組態(tài)王，就是充分利用它的編程簡(jiǎn)單、界面美觀友好，更重要的是，它支持許多常用的硬件設(shè)備，包括各主要廠家的PLC、智能模塊、智能儀表、板卡和變頻器等。本系統(tǒng)選用的PLC是日本OMRON公司的C200HE，也在組態(tài)王支持的硬件設(shè)備之列，這樣通過串口依據(jù)RS232的通信協(xié)議就可以順利的連接起來，實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和下位機(jī)PLC之間準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。 
　　下位機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)火車模型的直接驅(qū)動(dòng)控制，它是由OMRON的可編程控制器各模塊組成。整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)包括電源模塊、CPU-42-E模塊、ID212模塊、OD212模塊、DA模塊等，分別完成接收數(shù)字量的輸入、實(shí)現(xiàn)控制算法、完成火車模型各段的順序啟停、產(chǎn)生數(shù)字量和模擬量的輸出等功能。 
2.2 符合RS232協(xié)議的電纜連接 
　　RS232是目前zui常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。RS232串行接口總線適用于：設(shè)備之間的通訊距離不大于15m，傳輸速率zui大為20kB/s。本系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過符合RS232通信協(xié)議的串口電纜連接起來。具體連接圖如圖2所示。硬件的連接重點(diǎn)在于火車模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)和PLC各模塊之間的連線。其中包括PLC的開關(guān)量輸入信號(hào)線，共22根；PLC的開關(guān)量輸出信號(hào)線，共23根；PLC的模擬量輸出信號(hào)線，共6根。另外還要引入相應(yīng)的220V交流電和24V直流電。 
注意：在進(jìn)行PLC的硬件設(shè)置時(shí)，DIP開關(guān)除引腳4置于OFF外，其它全置于ON，同時(shí)，PLC底板上所插的各個(gè)模塊的設(shè)備單元號(hào)不能互相沖突。 
2.3 軟件系統(tǒng)組成 
　　首先分析PLC的輸入輸出信號(hào)。由于火車模型在經(jīng)過不同位置時(shí)會(huì)使該位置處的紅外信號(hào)傳感器產(chǎn)生光電認(rèn)別信號(hào)的輸出，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的22個(gè)紅外信號(hào)傳感器就相應(yīng)產(chǎn)生了22個(gè)開關(guān)量的輸出（對(duì)于PLC來說是輸入信號(hào)）。而對(duì)6個(gè)火車叉道的切換控制、1#站、2#站和外圍軌道的電壓方向控制，還包括對(duì)1#站和2#站的紅綠燈控制，則必須靠PLC方來完成，屬于PLC方的開關(guān)量輸出。另外，對(duì)于車速的調(diào)節(jié)，則需要PLC方0～10的直流電壓輸出，這屬于PLC方的模擬量輸出。 
　　軟件的設(shè)計(jì)思想是首先將從火車模型引出的開關(guān)量信號(hào)輸入至PLC內(nèi)部繼電器IR區(qū)域，然后根據(jù)各位的高低電平的不同判斷火車模型的不同位置，再在PLC的CPU中由程序處理輸出相應(yīng)的開關(guān)量和模擬量信號(hào)來作出相應(yīng)的控制，如切換叉道、改變方向、紅綠燈亮滅、蜂鳴器報(bào)警、增減速等，同時(shí)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)組態(tài)王的畫面中，使不同的控制方式以更為直觀的方式顯示出來供操作人員調(diào)節(jié)。組態(tài)王中要包括監(jiān)視畫面和　　　控制畫面，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)更新和交互來產(chǎn)生畫面的更新和對(duì)火車模型不同控制的實(shí)現(xiàn)。軟件中比較難實(shí)現(xiàn)的就是火車運(yùn)行路線的*控制問題。通過分析和動(dòng)態(tài)規(guī)劃，我們實(shí)現(xiàn)了2部以上火車模型同時(shí)在軌道上運(yùn)行時(shí)，如何運(yùn)用不同的叉道和車站，使它們找到各自*的路線，以zui短的時(shí)間，zui節(jié)省的能源，安全順利的到達(dá)各自的目的地，沿途伴隨著相應(yīng)的紅綠燈閃爍、蜂鳴器報(bào)警、實(shí)時(shí)的啟停和避讓，從而在相當(dāng)大的程度上模擬了火車的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)于實(shí)現(xiàn)無人自控火車的研究人員來說，更是具有相當(dāng)重要的參考價(jià)值。 
3 軟件的設(shè)計(jì) 
3.1 PLC控制過程的程序設(shè)計(jì) 
　　按照用戶的要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)循環(huán)、手動(dòng)、單周期運(yùn)行過程。其中，手動(dòng)調(diào)節(jié)是指火車模型的運(yùn)行速度、方向、叉道的切換以及啟停等均由技術(shù)人員通過組態(tài)王的控制畫面來進(jìn)行手工調(diào)節(jié)，主要是為了調(diào)試各個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確性；單周期運(yùn)行則是在一定的條件下，讓一輛或幾輛火車模型同時(shí)在軌道上運(yùn)行一個(gè)周期，主要是為了對(duì)火車模型在各運(yùn)段的運(yùn)行速度大小和叉道的切換進(jìn)行細(xì)調(diào)，它通常結(jié)合手動(dòng)調(diào)節(jié)來進(jìn)行；而自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行方式是在前兩種調(diào)節(jié)方式*無誤的情況下才可以進(jìn)行，由于實(shí)際的運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生這樣或者那樣的干擾，因此這一過程在實(shí)際的環(huán)境中也要結(jié)合手動(dòng)調(diào)節(jié)來進(jìn)行，但只要環(huán)境條件不發(fā)生特別大的變化，一般不需要手動(dòng)調(diào)節(jié)（由于本系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的這一過程，所以在這一過程中未考慮手動(dòng)調(diào)節(jié)）。 
　　首先考慮PLC程序是和上位機(jī)組態(tài)王程序相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)火車模型的控制，因此zui初的運(yùn)行方式必須由技術(shù)人員在人機(jī)對(duì)話的畫面上選中，然后讓PLC根據(jù)輸入的開關(guān)量信號(hào)執(zhí)行運(yùn)算產(chǎn)生開關(guān)量和模擬量的輸出來控制火車。程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。3.2 組態(tài)王監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)及它同PLC的數(shù)據(jù)交互過程 
組態(tài)王是一套以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的組態(tài)軟件系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中含有豐富的數(shù)據(jù)類型，系統(tǒng)在進(jìn)行刷新、趨勢(shì)顯示、 
　　報(bào)警判斷、歷史數(shù)據(jù)記錄等工作時(shí)所采用的數(shù)據(jù)皆是取自實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)用戶是開放的，所以用戶可以方便的構(gòu)造適應(yīng)自己需要的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。同時(shí)由于組態(tài)王提供了內(nèi)嵌的類C語言環(huán)境，使用起來更加方便。 
　　組態(tài)王的畫面包括監(jiān)視畫面和控制畫面。限于篇幅，我們只給出手動(dòng)的控制畫面，如圖4所示。 
　　組態(tài)王中的每一個(gè)手動(dòng)控制按鈕都對(duì)應(yīng)使PLC中繼電器區(qū)域中的某個(gè)字變化一位或幾位（即將該字中的一位或幾位置高或低電平）。而該位的變化就可以產(chǎn)生開關(guān)量的輸出，這只是程序設(shè)計(jì)的zui基本思想。當(dāng)然在PLC的程序中，包含著對(duì)火車模型運(yùn)行的各個(gè)位置的判斷，并以此為根據(jù)來判斷運(yùn)行的策略，由此作出*路線以及車速的運(yùn)行狀態(tài)。 注意：在調(diào)節(jié)車速的時(shí)候，不宜將車速調(diào)的過高或者過低，以免翻車或者出軌，造成不必要的實(shí)驗(yàn)事故，另外，紅外線傳感器一定程度上受日光中紅外成分的影響，所以開始時(shí)應(yīng)該在火車模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)下面的硬件電路上調(diào)試其紅外傳感器相對(duì)應(yīng)的放大器微調(diào)電位器，使其輸出電壓低端在5V以下，在20V即可。另外叉道由脈沖小于50ms的脈沖信號(hào)控制，如果脈沖時(shí)間過長(zhǎng)，易對(duì)叉道造成損壞，這在PLC的程序中必須用TIMH（高速定時(shí)器）才能產(chǎn)生這樣標(biāo)準(zhǔn)的脈沖。 
4 結(jié)束語 
　　經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行證明，本系統(tǒng)成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)火車模型的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了車輛及時(shí)進(jìn)站、準(zhǔn)確停車、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、紅綠燈控制以及相向運(yùn)行或同向車輛的及時(shí)避讓等功能，并可借助實(shí)驗(yàn)盤上所設(shè)置的22個(gè)紅外傳感器，采用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)直觀跟蹤，以便操作人員及時(shí)的控制車輛的運(yùn)行,在控制策略的實(shí)現(xiàn)過程中，我們更是利用了優(yōu)化控制的算法，從而實(shí)現(xiàn)了車輛的自動(dòng)避讓和自動(dòng)選擇優(yōu)化路線的智能功能。 
這種基于PC及PLC和火車模型監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涵蓋了現(xiàn)代控制理論中有關(guān)決策過程中的*化問題，對(duì)于當(dāng)前鐵路系統(tǒng)客車、貨車的上等級(jí)、上水平、提益創(chuàng)造了技術(shù)上的前提。相信隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，類似的系統(tǒng)的應(yīng)用前途將會(huì)越來越廣泛。