賈 冰，曾鵬飛，郝永平

(沈陽理工大學(xué) a.機械工程學(xué)院; b.CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，沈陽 110159)

基于PLC和MCGS的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

賈 冰a,b，曾鵬飛a,b，郝永平b

(沈陽理工大學(xué)a.機械工程學(xué)院;b.CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，沈陽 110159)

文章針對某炮彈裝配兵工廠實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出了基于工控組態(tài)軟件MCGS與可編程控制器PLC的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)。PLC采用西門子S7-300系列，組態(tài)軟件采用MCGS，通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)存儲采用ODBC方式，外部數(shù)據(jù)庫采用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫。文中詳細介紹了組態(tài)軟件MCGS與PLC之間的通信過程以及數(shù)據(jù)存儲到外部SQLServer2008的具體實現(xiàn)，并且數(shù)據(jù)可以在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中實時的顯示。

實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)；生產(chǎn)管理；可編程控制器；工控組態(tài)軟件；數(shù)據(jù)庫存儲

0 引言

隨著自動化技術(shù)[1]的不斷發(fā)展，推動了過程控制系統(tǒng)[2]和現(xiàn)場控制系統(tǒng)[3]在炮彈裝配兵工廠的普及。由于炮彈裝配兵工廠生產(chǎn)的都是一些要求極其嚴格的產(chǎn)品，這就需要現(xiàn)場的生產(chǎn)過程中的每一環(huán)節(jié)都要反饋出數(shù)據(jù)，以用作后期產(chǎn)品出現(xiàn)問題的追溯依據(jù)。這些現(xiàn)場實時的數(shù)據(jù)，如何采集、保存和使用就成了急需解決的問題。

近年來，國內(nèi)外在實時數(shù)據(jù)采集方面做了大量的研究。文獻[4]通過動態(tài)加載規(guī)約處理、基于CIM/E文件的數(shù)據(jù)采集運行維護、標簽加密認證、多機冗余負載均衡、基于DL/T476和S語言的遠程瀏覽等技術(shù)，解決了多應(yīng)用下數(shù)據(jù)重復(fù)采集、程序重復(fù)開發(fā)、維護復(fù)雜的問題；文獻[5]介紹了在LabVIEW環(huán)境下利用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)與MicrosoftExcel之間實時通信方法；文獻[6]提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體的要求是：從PLC中的DB模塊中實時的采集生產(chǎn)現(xiàn)場返回的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具體包括：稱重值、擰緊力值、電檢測值、跳動值和過鏜力值等。并且要把這些數(shù)據(jù)存儲到外部數(shù)據(jù)庫中，已做制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)的上層使用。PLC采用的是西門子公司的S7-300，通信選擇的是工業(yè)以太網(wǎng)，組態(tài)軟件采用的是MCGS，數(shù)據(jù)存儲方式采用ODBC，數(shù)據(jù)庫采用的是SQLServer2008。

S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。它由中央處理單元(CPU)、電源模塊(PS)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)、通信處理器(CP)、接口模塊(IM)和導(dǎo)軌組成[8]。本系統(tǒng)具體的選型如圖1所示。

圖1 PLC各模塊選型圖

近年來，以太網(wǎng)在性能和速度上有很大的提高，使用以太網(wǎng)建立高效、開放的現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)已不存在任何技術(shù)問題。基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系，從信息網(wǎng)絡(luò)管理層、控制層到設(shè)備層，以太網(wǎng)以其良好的互連性和可擴展性使控制網(wǎng)絡(luò)成為真正的開放式網(wǎng)絡(luò)，極大地促進了信息從傳感器層到管理層的集成[9]。

MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平臺的、用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。MCGS擁有非常出色的人機界面(HMI)[10]，為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點[11]。具體的邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 MCGS邏輯關(guān)系圖

數(shù)據(jù)存儲采用ODBC。開放式數(shù)據(jù)庫互連(ODBC)是一種用在相關(guān)或不相關(guān)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)中存取數(shù)據(jù)的標準應(yīng)用程序接口(API)[12]?；贠DBC的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)人員可以不需考慮與數(shù)據(jù)源相聯(lián)的復(fù)雜性，同時為實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫訪問提供了一種有效的途徑。

本系統(tǒng)需要可信任的、高效的、智能的數(shù)據(jù)庫，可以將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化文檔的數(shù)據(jù)直接存儲到數(shù)據(jù)庫中，可以對數(shù)據(jù)進行查詢、搜索、同步、報告和分析之類的操作。數(shù)據(jù)可以存儲在各種設(shè)備上，從數(shù)據(jù)中心最大的服務(wù)器一直到桌面計算機和移動設(shè)備，它都可以控制數(shù)據(jù)而不用管數(shù)據(jù)存儲在哪里。因此系統(tǒng)選用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫。

2 數(shù)據(jù)采集的具體實現(xiàn)

本系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖3所示。主要就是通過PLC的以太網(wǎng)模塊連接上位機的普通網(wǎng)卡，使用MCGS中的驅(qū)動進行實時數(shù)據(jù)采集，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，最后在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中顯示實時數(shù)據(jù)。

我剛盼出點兒希望，又成了枉然。到下午我實在忍不住，就使勁拍門板。東洋人開了門，我大聲說：“我找伊藤！伊藤！我是他娘……”

圖3 系統(tǒng)整體構(gòu)架圖

2.1 以太網(wǎng)通信的實現(xiàn)

(1)硬件連接

系統(tǒng)采用交換式以太網(wǎng)通信。它提供了多個通信通道，且可以實現(xiàn)在不同速率的網(wǎng)絡(luò)間自由轉(zhuǎn)換，增加整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同性。簡單地連接方式就是：PLC的以太網(wǎng)模塊與雙絞線的一端連接，中間通過交換機，另一端與計算機的網(wǎng)口連接。

(2)參數(shù)設(shè)置

完成硬件連接后，進行參數(shù)設(shè)置：計算機IP與PLC的以太網(wǎng)模塊的IP地址應(yīng)在同一個網(wǎng)段，它們應(yīng)使用相同的子網(wǎng)掩碼。首先設(shè)置計算機的IP，本系統(tǒng)采用PLC以太網(wǎng)接口默認的子網(wǎng)網(wǎng)段地址192.168.0，計算機的IP地址的最后一位只要不和其他站點沖突就可以了。子網(wǎng)掩碼使用默認的255.255.255.0。然后，通過西門子step7編程軟件進行PLC方面的設(shè)置。在SIMATIC管理器中，執(zhí)行菜單命令“選項”→“設(shè)置PG/PC接口”，選擇TCP/IP(Auto)的計算機網(wǎng)卡，在HWConfig中，雙擊CP343-1所在的插槽，點擊打開CP屬性對話框的“常規(guī)”選項卡中的“屬性”按鈕，對IP地址和子網(wǎng)掩碼進行設(shè)置，這里使用默認即可，當(dāng)然最重要的是一定要和計算機在同一個網(wǎng)段。最后使用MPI接口或ISO協(xié)議的普通網(wǎng)卡將IP地址下載到PLC的CPU模塊中。這樣就可以進行TCP/IP以太網(wǎng)通信了。

(3)通信驗證

在MCGS的設(shè)備窗口中選擇與西門子S7-300通信的的以太網(wǎng)驅(qū)動。把以太網(wǎng)模塊添加到設(shè)備窗口中，然后雙擊此模塊打開屬性模塊進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。這里需要注意的是本地IP地址和遠端IP地址一定要和上面設(shè)置的IP一致，否則通信不成功。設(shè)置完成后，在設(shè)備調(diào)試中測試是否建立通信，如果通訊狀態(tài)為0表明連接成功。連接狀態(tài)如圖4所示。

圖4 MCGS與PLC的通信狀態(tài)界面圖

2.2 組態(tài)過程

(1)數(shù)據(jù)對象建立

在MCGS的實時數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)對象的建立。只有建立了數(shù)據(jù)對象，才可以實現(xiàn)上位機與PLC中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，同時，數(shù)據(jù)對象也是數(shù)據(jù)存儲必不可少的。本系統(tǒng)要使用的數(shù)據(jù)類型有：開關(guān)類型、數(shù)值類型和組對象類型。開關(guān)型是記錄開關(guān)信號(0或非0)的數(shù)據(jù)對象，通常與外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出通道連接，用來表示某一設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)；數(shù)值型數(shù)據(jù)對象除了存放數(shù)值及參與數(shù)值運算外，還提供報警信息，與外部設(shè)備的模擬量輸入輸出通道連接；數(shù)據(jù)組對象是MCGS引入的一種特殊類型的數(shù)據(jù)對象，類似于一般編程語言中的數(shù)組和結(jié)構(gòu)體，用于把相關(guān)的多個數(shù)據(jù)對象集合在一起，作為一個整體來定義和處理。

(2)動畫界面建立

在MCGS的用戶界面中建立不同的動畫窗口，以用來顯示采集到的實時數(shù)據(jù)。

(3)設(shè)備構(gòu)件通道連接

首先進行通道建立，在MCGS的設(shè)備窗口中打開西門子PLC以太網(wǎng)模塊，本系統(tǒng)要從PLC的DB模塊中取出數(shù)據(jù)，在MCGS中“V寄存器”就是專門用來連接PLC的DB模塊讀寫數(shù)據(jù)的，所以要選擇“V寄存器”；數(shù)據(jù)類型項中，系統(tǒng)只取兩類數(shù)據(jù)，一種是Bool型的，一種是Real型的，Bool型使用“通道的第00位”來獲取，Real型使用“16位無符號二進制”來獲?。患拇嫫鞯刂?，這一項就是對應(yīng)PLC中的DB模塊中具體的地址數(shù)值，本系統(tǒng)要連接的是DB1中的地址，所以使用“1.0”、“1.1”等地址進行連接通信；操作方式：使用“只讀”。根據(jù)不同的地址，進行逐一添加，這樣就完成了數(shù)據(jù)通道的建立。接下來就是把這些通道與MCGS中實時數(shù)據(jù)庫中建立的數(shù)據(jù)對象一一對應(yīng)的連接起來。需要注意的地方是一定要把數(shù)據(jù)對象與通道對應(yīng)正確，不同類型的對象是不能建立連接的，不然會組態(tài)不成功。數(shù)據(jù)對象與通道的一一對應(yīng)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)對象與通道對應(yīng)關(guān)系

最后運行設(shè)置好的工程，做具體調(diào)試，運行效果如圖6所示。

圖6 實時數(shù)據(jù)顯示效果圖

2.3 數(shù)據(jù)庫存儲實現(xiàn)

對于已經(jīng)采集到的的實時數(shù)據(jù)，要進行存儲，這樣才可以長久的保存，已做后期的查詢、使用。由于大部分組態(tài)軟件自帶的數(shù)據(jù)庫并不是現(xiàn)在企業(yè)中通用的數(shù)據(jù)庫(比如：Oracle、DB2、MySQL、SQLServer等)[13]，這樣對于后期的操作就會帶來很多不便。因此本系統(tǒng)通過ODBC來實現(xiàn)組態(tài)軟件直接把實時數(shù)據(jù)存儲于外部的數(shù)據(jù)庫。在MCGS網(wǎng)絡(luò)版中有一個模塊專門用來連接外部數(shù)據(jù)庫，通過做一些簡單地設(shè)置便可與SQLServer2008獲得連接。連接中需要注意的是“數(shù)據(jù)庫名”這一選項就是要存儲到的數(shù)據(jù)庫，這個數(shù)據(jù)庫要提前在SQLServer2008客戶端進行建立，否則會出現(xiàn)錯誤。當(dāng)連接成功之后，從PLC中獲取的數(shù)據(jù)就會存儲到外部的SQLServer2008中。具體的數(shù)據(jù)表是根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫中定義的組對象來命名的，一般默認為“組對象名_MCGS”。數(shù)據(jù)表中的字段是根據(jù)組對象中添加的不同成員組成的，這里就需要我們自己根據(jù)需求來進行添加設(shè)置，以滿足系統(tǒng)需求。

2.4 實時數(shù)據(jù)在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的顯示

通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中各個實時數(shù)據(jù)表，可以實時的在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中進行顯示或查詢。

圖7 實時數(shù)據(jù)顯示

3 結(jié)論

通過上面幾步的設(shè)置，就可以實現(xiàn)了從PLC的DB模塊中實時采集數(shù)據(jù)并存儲于外部數(shù)據(jù)庫中。通信采用以太網(wǎng)解決了多臺上位機與PLC連接的不方便，且連接簡單、成本低。通過組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)庫連接，解決了自己編寫代碼帶來的一些協(xié)議問題，大大的減輕了工作量。本方案的創(chuàng)新之處在于把采集的數(shù)據(jù)實時地存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，一方面可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的查看，另一方面可以實現(xiàn)永久歷史數(shù)據(jù)的分析查閱。但此方案也存在一個小缺陷，因為SQLServer2008是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)的實時性上存在一些時間延遲，不過對炮彈裝配于兵工廠的實際生產(chǎn)造不成影響。

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(編輯 李秀敏)

Implementation of Data Collection Based on PLC and MCGS

JIABinga,b,ZENGPeng-feia,b,HAOYong-pingb

(a.SchooloftheMechanicalEngineering;b.R&DCenterofCAD/CAMTechnology,ShenyangLigongUniversity，Shenyang110159,China)

Inthispaper,accordingtotheapplicationrequirementofthereal-timedatamanagementsystemforashellassemblyfactory,theimplementationofdatacollectionwasproposedbasedontheindustrialcontrolconfigurationsoftwareMCGSandprogrammalbecontrollerPLC.TheS7-300seriesofSiemenswasusedinthePLC,MCGSwasusedintheconfigurationsoftware,IndustrialEthernetwasusedinthecommunicationmode,ODBCwasusedinthesavingdataandSQLServer2008isusedintheexternaldatabase.ThecommunicationprocessbetweenMCGSandPLCconfigurationsoftwareandthedatastoredintheexternalSQLServer2008implementationwereintroducedindetail,Andthereal-timedisplayofthedatacanbeachievedintheproductionmanagementsystem.

real-timedatasystem;productionmanagement;programmablecontroller;industrialcontrolconfigurationsoftware;databasestorage

1001-2265(2016)12-0006-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.002

2016-03-01；

2016-04-07

國家863計劃項目(2014AA041603-03)

賈冰(1989—)，男，山東臨清人，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為先進數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用，(E-mail)jiabing.yx@163.com。

TH166;TG

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