巨騰OPEN-PLC實現(xiàn)大型液壓實驗平臺網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的應用研究

一、前言 早期的液壓實驗系統(tǒng)按照“傳感器+模擬二次儀表”模式，應用繼電器控制，接線復雜，觸點誤動作多，故障率高。而且，在試驗過程中，一般由模擬記錄儀器記錄試驗曲線或人工讀取試驗數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些曲線和數(shù)據(jù)得到設(shè)備的性能。對于像閥門開/關(guān)的快速動作，往往是通過人的經(jīng)驗來判斷設(shè)備是否工作正常。這就極大的降低了工作效率和設(shè)備可靠性。 隨著電子技術(shù)發(fā)展與單元處理器性能的提高，PLC控制技術(shù)已經(jīng)成為可靠的液壓系統(tǒng)監(jiān)控方式?？删幊炭刂破鱌LC (Programmable Logic Controller)是專為在干擾復雜、作業(yè)惡劣的工業(yè)應用環(huán)境下而設(shè)計的控制器[1]。在液壓系統(tǒng)的工作時，噪聲污染和漏油引起了運行環(huán)境惡化，這就提出了高性能、遠程控制方式。工控現(xiàn)代化進程也促使液壓控制系統(tǒng)朝大型、連續(xù)、集成與自動化方向發(fā)展。這種趨勢，對監(jiān)控系統(tǒng)提出了網(wǎng)絡(luò)化處理的要求，必須具備： 1）可靠性： 現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的復雜性和高效化特點決定了任何故障，特別是控制系統(tǒng)失效，將導致生產(chǎn)過程的巨大損失。 2）智能化： 液壓監(jiān)控系統(tǒng)承擔著整個過程的控制、指揮和協(xié)調(diào)功能，應能應用故障診斷理論等方法對系統(tǒng)異常進行預測、診斷和排除，并且在監(jiān)控系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障時還能自診斷與自恢復。 3）實時性： 監(jiān)控系統(tǒng)必須對生產(chǎn)過程中的信息如各種過程變量、設(shè)備狀態(tài)變量和環(huán)境狀況進行實時處理，將信息和結(jié)果進行儲存，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析、挖掘提供基礎(chǔ)。 本文針對現(xiàn)有的大型液壓實驗平臺進行監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)改造，設(shè)計了一套液壓設(shè)備的遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。利用工控機和巨騰公司的OpenPLC及系列拓展模塊，實現(xiàn)對大型液壓系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，完成了實時數(shù)據(jù)采集和儲存，及現(xiàn)場動態(tài)處理能力。 二、液壓控制要求簡介 本文研究的液壓實驗系統(tǒng)，是大型船舶系統(tǒng)的仿真試驗平臺。有著多個電磁控制閥、流量傳感器、壓力檢測儀和溫度傳感器[2]。 電磁閥在整個邏輯控制系統(tǒng)中占有重要地位,其運行是否正常直接影響設(shè)備的正常運行。通過電磁閥開度，控制進入液壓缸的流量和壓力，從而對驅(qū)動件的位移、速度和作用力等進行控制。如果在運行中電磁閥控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,輕者導致設(shè)備停止,重者導致整個流程中斷。電磁閥的工作條件惡劣、復雜，必須有足夠的可靠性，快速、準確、無反沖的實現(xiàn)其開啟和關(guān)閉。 流量控制和壓力控制是液壓系統(tǒng)的控制關(guān)鍵因素。通過他們，才能實現(xiàn)液壓缸的終端執(zhí)行器的速度和作用力控制。所以，對高精度的液壓系統(tǒng)，必須實時監(jiān)控各個缸的動態(tài)參數(shù)變化。 溫度控制在液壓系統(tǒng)中也不能忽視，由液壓系統(tǒng)的能力損失（壓力損失、容積損失和機械損失）造成。油溫升高, 會產(chǎn)生一系列的不良后果, 例如： 1. 會使油液粘度下降, 泄漏增加, 降低容積的效率；2.會加速油液的氧化, 油質(zhì)下降, 油液中的氧化性雜物增加, 堵塞液壓元件的油路或阻尼小孔；3.會使熱膨脹系數(shù)不同, 且相對于運動的液壓元件間的間隙縮小，破壞液壓元件原有精度。所以，應該嚴格控制液壓油溫, 一般控制在30℃～ 60℃內(nèi)，最高不超過70℃。 此液壓傳動系統(tǒng)有著復雜的油路結(jié)構(gòu)和多種運動要求。但是，都是由基本回路組成：壓力控制基本回路，包括調(diào)節(jié)與限壓回路、卸荷回路、減壓與增壓回路和平衡與閉鎖回路；速度控制基本回路；缸間配合工作回路，包括順序動作回路，同步回路和多缸換向閥串聯(lián)或并聯(lián)控制回路等。 因此，這套大型液壓實驗平臺需要多種采集和控制信號，必須進行多回路實時監(jiān)控。并且，為了實現(xiàn)CIMS（管理信息系統(tǒng)）的功能，需要實現(xiàn)遠程管理和控制。同時，實現(xiàn)所有采樣信號自動存儲。 三、液壓系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控實現(xiàn) 3.1 網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于液壓系統(tǒng)要求,設(shè)計了一種具有高可靠性的實時遠程監(jiān)控系統(tǒng),總體框架結(jié)構(gòu)見圖1。 圖1 液壓實驗系統(tǒng)實時遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)簡圖 鑒于系統(tǒng)設(shè)備和控制要求，我們的系統(tǒng)設(shè)計成一個遠程控制系統(tǒng)，開放可靠，集控制和管理一體化的工業(yè)DSC高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3,4]，如圖所示有三個層次的內(nèi)容： 1、數(shù)據(jù)管理層：該層由生產(chǎn)工程管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)保存服務(wù)器組成。生產(chǎn)管理服務(wù)器主要完成上層的任務(wù)規(guī)劃和工作安排等處理任務(wù)。CIMS系統(tǒng)可以方便的進行人員統(tǒng)籌安排、生產(chǎn)調(diào)度與管理和設(shè)備運行使用情況的記錄；數(shù)據(jù)保存服務(wù)器由SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理，負責設(shè)備運行參數(shù)、試驗數(shù)據(jù)等海量記錄，并可以進行數(shù)據(jù)挖掘，分析設(shè)備性能及實驗數(shù)據(jù)。 2、運行監(jiān)控層：該層負責每次液壓系統(tǒng)試驗實時監(jiān)控，實時信息處理。該層設(shè)備包括兩臺上位機其中一臺監(jiān)控備用工控機，輔助完成數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)場工作。管理監(jiān)控計算機主要負責對Open PLC進行實時命令，通過Open PLC的RS485模塊進行流量、壓力、溫度等信息采集。網(wǎng)絡(luò)擴展模塊是與其它系統(tǒng)連接的預留的接口模塊，實現(xiàn)硬件系統(tǒng)拓展和升級。 3、現(xiàn)場工作層：進行液壓系統(tǒng)的自動控制，實現(xiàn)設(shè)備的負荷監(jiān)控、報警和事故處理。在動力提供部分，現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要為控制柜和配套的變頻器等動力供給設(shè)備和接觸器的現(xiàn)場手動系統(tǒng)，以備在自動配置中失效或者需要檢修、調(diào)試時不影響系統(tǒng)的正常運作，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。同時，專用Open PLC實現(xiàn)手動控制和程控的自動切換，在上級程序輸出設(shè)備控制信號之間附加上一個程序有效信號，由它來控制系統(tǒng)切換“繼電器－接觸器”動作。由于采用了多個程控軟開關(guān)，這樣使得系統(tǒng)可以隨意在三種工作模式之間切換，以解決復雜情況下的系統(tǒng)運行問題。 在設(shè)備運行部分，實際程控系統(tǒng)由兩個巨騰Open PLC構(gòu)成。兩臺配置完全相同的PLC構(gòu)成主從式雙機液壓控制系統(tǒng),一臺為控制主機,另一臺為后備機。它們同步掃描,隨時準備在主機出現(xiàn)故障時后備機繼續(xù)對遠程I/ O進行控制。該液壓主從系統(tǒng)配置簡單、容易安裝,當部件或電源出現(xiàn)故障時可無擾切換。控制主機的I/ O 狀態(tài)表在每一個掃描周期傳給后備機,以便隨時更新系統(tǒng)狀態(tài)。由于各現(xiàn)場設(shè)備與傳感器在地理位置上不十分分散，故系統(tǒng)采用擴展I/O的配置方案，中央單元帶擴展單元，共使用了400個開關(guān)量I/O點和60個模擬量輸入信道。PLC的所有I/O信號在程控柜內(nèi)用繼電器轉(zhuǎn)換成24VDC輸出滿足抗干擾要求，PLC上還配置了接口通訊模塊，分別用于與上位機的串口通訊和主控的總線通訊及擴展板連接。采集信號，如流量、壓力、溫度、速度等信號，通過Remote I/O模塊提供的RS485端口傳送給管理監(jiān)控計算機。 3.2 巨騰Open PLC控制器 巨騰Open PLC可編程控制器采用32位CPU，I/O點數(shù)可達4096點(數(shù)字量輸入、輸出)或1024點（模擬量輸入\輸出），有4M RAM 空間。支持順序功能圖SFC(Sequential Function Chart)，階梯圖LD(Ladder Diagram)，功能方塊圖FBD(Function Block Diagram)，結(jié)構(gòu)化語言ST(Structured Text )，指令集IL(Instruction List)六種編程格式。其中，順序功能圖SFC以順序作基礎(chǔ)逐步描述自動化系統(tǒng)的動作與順序,相當于高階的分析設(shè)計工具, 而功能方塊圖則是相當于控制文件可以重復使用, 用來組裝控制系統(tǒng),在語言部份可用階梯圖、指令集及結(jié)構(gòu)化語言來描述其控制功能[5]。 圖2 巨騰公司Open PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 OpenPLC 是依據(jù)巨騰開放性自動化產(chǎn)品策略而開發(fā)的核心產(chǎn)品, 它整合巨騰原有的OpenIO, OpenControl控制器, 往上提供串行及以太網(wǎng)與SCADA/MMI 或信息系統(tǒng)整合, Open_PLC 是基于PC 的控制器，不僅能對本地 IO 與遠程IO 編程, 并能提供LonWorks、Modbus、其它Field Bus整合的能力。為了順應未來通訊擴展需求, OpenPLC 提供兩組以太網(wǎng)的通訊能力、RS485和RS232接口；采用ModBus RTU/Ethernet協(xié)議，可與任何MMI/SCADA整合；采用模塊化設(shè)計，使用方便，節(jié)省空間；并帶有一些特殊的智能控制模塊（PID模塊等）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 Open PLC軟件邏輯系統(tǒng)提供了強大的語言功能, 利用Windows系統(tǒng)良好開發(fā)環(huán)境，進行完整的離線仿真?？梢灶A先在Windows上編輯、測試, 最后再下載到OpenPLC 執(zhí)行, 而 OpenPLC 提供無盤的工業(yè)環(huán)境模塊和簡單良好的控制器，避免Windows復雜及可靠度的憂慮。 3.3 PLC軟件網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實現(xiàn) 大型液壓系統(tǒng)實驗平臺的輸入輸出點多，特別是模擬量種類點數(shù)多，控制功能與結(jié)構(gòu)相當復雜。借助巨騰公司Open PLC強大功能，我們將控制系統(tǒng)PLC控制程序劃分為模塊初始化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、報警及報警處理、邏輯功能和信號輸出等相對獨立的模塊。 圖3 Open PLC控制流程圖 CPU和初始化程序模塊是整個程序的起始部分，一旦PLC各模塊定義安裝完畢和程序下載后，此模塊程序只執(zhí)行一次。而當程序需要修改、重新下載或者PLC各模塊需要移動位置，此程序模塊將重新初始化過程。數(shù)據(jù)采集和處理模塊除了完成對所有現(xiàn)場信號的采集和處理外，還要處理上位機的數(shù)據(jù)包任務(wù)，此程序模塊為后繼程序模塊提供了準確無誤的數(shù)據(jù)信息。報警及報警處理程序模塊是將所有報警信號按順序匯總，集中加以處理，報警處理包括三個方面：所有報警須監(jiān)控顯示；超限報警須參加邏輯控制；部分報警輸出，邏輯功能和信號輸出模塊是整個程序的核心，主要包括各個控制閥的開關(guān)、切換控制等。該程序模塊主要是按照邏輯控制要求設(shè)計的，與具體現(xiàn)場設(shè)備無關(guān)，其優(yōu)點在于編制這部分程序時可以不需要完備的硬件環(huán)境。 利用Open PLC開發(fā)控制軟件過程，可以方便、獨立的進行模塊設(shè)計和測試，而且模塊化程序容易維護，當軟件發(fā)現(xiàn)問題和由于其它原因需要修改時，能迅速限定差錯或修改范圍。如在整個程序的設(shè)計到安裝調(diào)試都有可能發(fā)生外部信號的變動，與上位機通訊數(shù)據(jù)接口的調(diào)整，因而常須修改控制程序與<