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0引言
稱重控制器是應(yīng)用于冶金、礦山化工、交通、公路建設(shè)等場所的皮帶秤上的儀表，具有高精度、高可靠性的特點(diǎn). PLC( Programmable Logic Controller) 作為新一代工業(yè)控制器，以其高性價(jià)比在工業(yè)測控系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用. 雖然 PLC 具有使用簡單方便、抗干擾性強(qiáng)、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，但它也有不能提供良好的人機(jī)界面，數(shù)據(jù)處理與管理 能力弱等缺點(diǎn). 將 PC 與 PLC 結(jié)合起來，既可以充分利用 PLC 的可靠性高、開發(fā)周期短、編程容易等特點(diǎn)，又可充分利用計(jì)算機(jī)友好的人 機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和監(jiān)控功能［1］. 稱重控制器安裝在皮帶秤下面，皮帶上面有各個(gè)配料倉. 本文介紹了由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和 CP5613 通訊網(wǎng)卡組成的監(jiān)控系統(tǒng)，利用 Delphi7. 0 和 Access 數(shù)據(jù)庫開發(fā)了稱重控制器上位機(jī)軟件. 該系統(tǒng)采用上下位機(jī)的主從式結(jié)構(gòu)，PLC 作為下位機(jī)完成稱重控制器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和對(duì)各個(gè)稱重控制器的控制功能; 上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)與 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)通訊設(shè)置、料種設(shè)置、儀表參數(shù)設(shè)置等. CP5613 網(wǎng)卡用于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接到Profibus DP 現(xiàn)場總線，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊基于 Profibus 協(xié)議，通過專用數(shù)據(jù)線與控制站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊［2］.
1系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)分為 3 層: 上位機(jī)( 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和 CP5613 通訊網(wǎng)卡) 、現(xiàn)場控制站( PLC) 和現(xiàn)場傳感器. 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

上位機(jī)以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，并有管理功能. 上位機(jī)監(jiān)控軟件采用  Delphi7. 0，Access  數(shù)據(jù)庫和 Photoshop7. 0 圖像處理軟件進(jìn)行開發(fā). 其軟件平臺(tái)完成系統(tǒng)中的時(shí)鐘、通訊、料種、儀表等參數(shù)設(shè)置，實(shí)  時(shí)顯示各個(gè)配料秤的累計(jì)量、瞬時(shí)流量、實(shí)時(shí)料種的 配比，并將每班的生產(chǎn)情況記錄到數(shù)據(jù)庫中. 上位機(jī)通過現(xiàn)場總線接口卡 CP5613 使上位工控機(jī)接入 DP 網(wǎng)絡(luò)，這樣上位機(jī)與現(xiàn)場總線就連接為能完成運(yùn)行、操作等功能的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即 Profibus DP 現(xiàn)場總線通過 CP5613 接口卡與上位機(jī)進(jìn)行通信. 現(xiàn)場控制站直接面對(duì)控制對(duì)象( 各個(gè)稱重控制器) ，完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場的測控操作. 通過稱重控制器中的稱重傳感器和測速傳感器來測量系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)，并將 其返回到控制站，寫入上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中.
2上位機(jī)與 PLC 之間的通信
上位機(jī)作為主站能夠通過 PLC 監(jiān)控下層設(shè)備的狀態(tài)，首先要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與 PLC 間的通信. PC 與PLC 間通常采用串行通信方式. 上位機(jī)同 PLC 間的通信采用主從應(yīng)答方式，在通信過程中上位機(jī)始終處于主動(dòng)方，PLC 則處于被動(dòng)方，所有數(shù)據(jù)交換只能在主站和從站之間進(jìn)行，從站之間不能直接交換數(shù) 據(jù)，如果從站之間需要交換數(shù)據(jù)，必須通過主站中轉(zhuǎn). 上位機(jī)先向 PLC 發(fā)送指令幀，PLC 接收了上位機(jī)的指令后，先進(jìn)行 FCS 校驗(yàn)，看其是否正確，如果正確，則接收并向上位機(jī)傳送響應(yīng)幀; 否則，PLC 拒絕向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù). 需要說明的是，整個(gè)通信過程中因 PLC 中配有通信機(jī)制，一般不對(duì) PLC 進(jìn)行編程. 上位機(jī)接收到 PLC 傳送的數(shù)據(jù)，也要判斷正確與否， 若正確，則接收，完成一次正常通信; 否則，通信需要重新開始.
2. 1PLC 數(shù)據(jù)通信協(xié)議
2. 1. 1通信條件
要使上位機(jī)與下位機(jī)正確地交換數(shù)據(jù)，必須保證雙方在初始化時(shí)要使波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)均保持一致; 還必須嚴(yán)格按照 PLC 的通信協(xié)議的規(guī)定及幀格式編寫 PC 的通信程序.
2. 1. 2PC →PLC 的命令幀
PLC 傳輸協(xié)議的一般格式為

其中: @ 為幀開始標(biāo)志符; IP1、IP2 表示節(jié)點(diǎn)號(hào)，是指定與上位機(jī)通訊的 PLC; ID1、ID2 表示識(shí)別碼，為命令代碼，占 2 個(gè)字節(jié); CT 表示正文，用以設(shè)置具體的命令參數(shù); F1、F2 表示幀校驗(yàn)碼( FCS) ，占 2 個(gè)字節(jié)， 它是從開始符“@ ”到正文結(jié)束的所有字符的 ASCII碼按位異或的結(jié)果; “*  ”和“/ ”2 字符表示命令結(jié)束［3］. 識(shí)別碼和正文取決于傳輸?shù)纳衔粰C(jī)鏈接命令; FCS 由上位機(jī)計(jì)算; 命令幀的正文最多可以有 131 個(gè)字節(jié)，一個(gè)大于等于 132 字節(jié)的命令必須分成若干幀，命令分段應(yīng)使用回車定界符，而不是終止符， 終止符只能用在最后一幀的末尾.
2. 1. 3PLC →PC 的響應(yīng)幀
當(dāng) PLC 收到上位機(jī)的指令后，以上面格式應(yīng)答. @ 、節(jié)點(diǎn)號(hào)和識(shí)別碼的含義與命令幀格式中的含義相同; 響應(yīng)碼表示指令完成的狀態(tài)( 是否有錯(cuò)誤) ; FCS 由 PLC 計(jì)算給出，用來判斷 PLC 的應(yīng)答是否可靠; 終止符通過設(shè)置“*  ”和“/ ”表示應(yīng)答結(jié)束.
2.2 上位機(jī)的通信編程
用 Delphi7. 0 實(shí)現(xiàn)串行通信，常用的 2 種方法是: 使用 API 函數(shù); 使用如 MsComm 或 PComm 等控件. 使用 API 編寫串行通信程序復(fù)雜，需要掌握大量軟硬件知識(shí)，適合于編寫復(fù)雜的低層次通信程序. 相比較而言，利用 MsComm 控件則相對(duì)較簡單，該控件具有豐富的與串行通信密切相關(guān)的屬性及事件，支持多線程，提供了對(duì)串口的各種操作. 通信程序采用Delphi7. 0 編寫，使用通信控件 MsComm，該控件封裝了通信過程中的底層操作程序，用戶只需要設(shè)置和監(jiān)控軟件的相關(guān)屬性和事件即 OnComm 事件就可以實(shí)現(xiàn)串行通信. 在編寫通信程序之前，先對(duì) MsComm 一些屬性進(jìn)行初始化，完成串口通信設(shè)置. 設(shè)計(jì)時(shí)常用屬性如下.
CommPort. 設(shè)置并返回通信端口號(hào).
InBufferSize. 確定接收緩沖區(qū)大小，一般采用默認(rèn)值.
InputLen. 指定每次從接收緩沖區(qū)讀取的字符數(shù)，若設(shè)置為 0，則 1 次讀入輸入緩沖區(qū)所有字符.
OutBufferSize. 確定發(fā)送緩沖區(qū)大小，一般采用默認(rèn)值.
Settings. 以字符串形式設(shè)置并返回串行通信協(xié)議，由波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位組成. 一般情況下設(shè)置為“9600，E，8，1 ”，含義是波特率為 9 600  bps，奇校驗(yàn)，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位.
采用 MsComm 接收數(shù)據(jù)有 2 種方法: 事件驅(qū)動(dòng)方式和定時(shí)查詢方式. 本系統(tǒng)采用 2 者結(jié)合的方式， 當(dāng) PC 機(jī)向 PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)后，就一方面不斷地檢查PLC 是否響應(yīng)回答，當(dāng) ComEvReceive 事件驅(qū)動(dòng)時(shí)， PC 機(jī)接收PLC 的響應(yīng); 另一方面在OnComm 事件中輪詢端口，當(dāng)串口緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā) On- Comm 事件，這時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器輪詢端口，并關(guān)閉 On- Comm 事件. 若定時(shí)器計(jì)時(shí)到，通過串行通信口向指定地址的儀表發(fā)出讀命令，等待時(shí)間到則檢查 In- BufferCount 屬性值來判斷輸入緩沖區(qū)是否接收到了相應(yīng)數(shù)目的字符，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、判斷數(shù)據(jù)合 法性和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、顯示. 接收完一幀后再打開 OnComm 事件等待下一次觸發(fā). 當(dāng)窗口串口的接收緩沖區(qū)沒有接收到數(shù)據(jù)時(shí)，不觸發(fā) OnComm 事件， 也就不會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器輪詢端口，釋放 CPU 資源. PC 機(jī)的通信流程如圖 2 所示.

在此次實(shí)驗(yàn)中，PLC 通訊口初始化選用9 600 bps、8 位數(shù)據(jù)位、1 個(gè)校驗(yàn)位、1 個(gè)停止位; 自定義以@ 開頭的信息作為有用信息的標(biāo)志; 引入 2 個(gè)中斷， 即接收結(jié)束事件和發(fā)送結(jié)束事件，完成 PLC 接收到PC 機(jī)的數(shù)據(jù)后對(duì)PC 機(jī)的一個(gè)響應(yīng)過程［3］. PLC 通信流程如圖 3 所示.

3上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
3.1 總體設(shè)計(jì)
上位機(jī)使用 Windows XP 作為操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用 Delphi7. 0，Access 數(shù)據(jù)庫和 Photoshop7. 0 圖像處理軟件進(jìn)行開發(fā). 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖 4 所示.

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括用戶登陸、監(jiān)控主界面、系統(tǒng)設(shè)置、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)顯示、歷史查詢、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)幫助等. 上位機(jī)可以設(shè)置各配料秤的給定流量、料種的配比，可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)配料秤的累計(jì)量、瞬時(shí)流量、實(shí)際料種的配比，將每班的生產(chǎn)情況記錄到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)生產(chǎn)報(bào)表、歷史生產(chǎn)報(bào)表，各料種的實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線. 上位機(jī)主畫面可同時(shí)顯示各倉的通信狀態(tài)，各個(gè)倉可以選擇設(shè)置為供料倉或備用倉.
3. 2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，采用“前臺(tái) + 后臺(tái)”的結(jié)構(gòu)，即借助 Access 來建立數(shù)據(jù)庫( 后臺(tái)) ，利用 Del- phi7. 0 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、查詢、報(bào)表生成、打印輸出等
管理功能( 前臺(tái)) ，前后臺(tái)之間采用 ADO 技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接. Access 數(shù)據(jù)庫是微軟公司在 Windows 環(huán)境開發(fā)的一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以表的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要?jiǎng)?chuàng)建 6 個(gè)表分別對(duì)應(yīng) 6 個(gè)表的數(shù)據(jù)存儲(chǔ). 這 6 個(gè)表分別是用戶信息表、料種表、儀表參數(shù)表、報(bào)警記錄表、通訊狀態(tài)表、本班組配料狀況表. 其中報(bào)警記錄表有料倉、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、時(shí)長等字段; 本班組配料狀況表有料倉、料種、定值、本班累計(jì)、本日累計(jì)等字段. 完成數(shù)據(jù)庫的建立之后，Delphi7. 0 主要解決數(shù)據(jù)庫的連接、顯 示和操作 3 個(gè)問題. 用ADOConnection 控件完成對(duì)數(shù)據(jù)源的連接，用 DB- Grid 控件完成對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的顯示，用 ADOTable 控件來完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作. ADO 和 DataGrid 控件的使用以及 Access 數(shù)據(jù)庫的建立［6］，不再詳述.
3. 3 模塊設(shè)計(jì)
模塊化、自動(dòng)化是軟件設(shè)計(jì)的主題思想. 模塊化設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了 Delphi 面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)的優(yōu)勢(shì)，將系統(tǒng)的功能分解成獨(dú)立的子功能模塊，使程序的開發(fā)、調(diào)試及維護(hù)簡單化. 自動(dòng)化將體現(xiàn)在將程序參數(shù)化，按照用戶設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)完成既定的任務(wù)［2］.
3. 3. 1 用戶管理模塊
只有合法的系統(tǒng)操作人員或系統(tǒng)管理員才能進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的操作. 該功能模塊由用戶登錄和密碼修改 2 個(gè)部分組成.
3. 3. 2 監(jiān)控主界面模塊
監(jiān)控主畫面主要監(jiān)控各倉的通訊狀態(tài)( 通訊出錯(cuò)還是通訊正常) ，每個(gè)倉的料種的瞬時(shí)流量( 單位: t / h) 和累計(jì)量( 單位: t) . 各個(gè)配料倉可以選擇設(shè)置為供料倉或備用倉. 各個(gè)配料倉可以選擇設(shè)置為是自動(dòng)配料還是手動(dòng)配料.
3. 3. 3 系統(tǒng)設(shè)置模塊
系統(tǒng)設(shè)置模塊包括通信參數(shù)設(shè)置、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)校正值設(shè)置等.
3. 3. 4 報(bào)警處理模塊
報(bào)警的內(nèi)容包括配料倉超料、缺料; 皮帶機(jī)開、停; 皮帶跑偏以及相關(guān)參數(shù)超出設(shè)定值等. 報(bào)警處理采用系統(tǒng)自動(dòng)處理和人為參與 2 種形式. 在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)將進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的故障處理程序( 如當(dāng) 1 號(hào)配料倉缺料時(shí)，系統(tǒng)將關(guān)閉該倉及皮帶機(jī)) ; 在手動(dòng)模式下，由當(dāng)前的操作員進(jìn)行相應(yīng)的處理. 但不管在何種模式下，系統(tǒng)都會(huì)對(duì)報(bào)警迅速進(jìn)行定位和聲 光提示，并將其寫入系統(tǒng)日志.
3. 3. 5顯示模塊
系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)可以數(shù)字形式、曲線形式、實(shí)時(shí)報(bào)表等多種形式顯示.
3. 3. 6數(shù)據(jù)保存模塊
在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于系統(tǒng)采用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，采集的數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，考慮到系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，故采用了緩沖存儲(chǔ)的辦法，即在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中開辟一段數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)，可以有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度［5］.
3. 3. 7 系統(tǒng)日志模塊
系統(tǒng)日志記錄系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和行為，作為系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它為操作人員對(duì)系統(tǒng)的操作提供參考和系統(tǒng)的故障分析.
3. 4 用戶界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
登陸界面和報(bào)警界面屬于 Delphi7. 0 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，比較簡單; 監(jiān)控界面涉及上位機(jī)和 PLC 通信以及 Delphi7. 0 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序設(shè)計(jì). 用戶界面設(shè)計(jì)的基本原則是操作方便，直觀形象，具有明確的 錯(cuò)誤提示. 上位機(jī)軟件運(yùn)行于 Windows XP 環(huán)境下， 監(jiān)控主界面是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分( 圖 5) .

由各個(gè)配料秤的通訊狀態(tài)，瞬時(shí)量顯示值，累計(jì) 量顯示值組成，并且可以對(duì)每個(gè)倉的通訊狀態(tài)進(jìn)行 控制，是通訊還是停止. 如當(dāng)點(diǎn)擊某倉旁邊的“手動(dòng)” 時(shí)彈出備用倉設(shè)置對(duì)話框，用戶可以把該倉設(shè)置為 供料倉還是備用倉; 可以為每個(gè)倉所加入的料種設(shè)定定值; 可以顯示各料種的實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線，曲線的范圍可以是 1  min，1  h，8  h，1  d 等.
菜單欄中一級(jí)菜單系統(tǒng)設(shè)置有管理員密碼、系統(tǒng)時(shí)鐘、通訊設(shè)置( 圖 6) 、料種設(shè)置、儀表參數(shù)、保存時(shí)間、首班時(shí)間等二級(jí)菜單，配比設(shè)定可以添加新的料種并進(jìn)行比例設(shè)定，報(bào)表菜單有生產(chǎn)日志、小時(shí)記錄、料種累計(jì)、料倉累計(jì)二級(jí)菜單.

操作人員通過主工具欄及其級(jí)連的子工具欄可 以快速地切換到需要查看或處理的頁面，界面直觀， 形象，方便操作.
4結(jié)束語
上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集下位機(jī)的數(shù)據(jù)，可以讓管 理者隨時(shí)掌握裝置的運(yùn)行情況，并通過對(duì)生產(chǎn)過程 的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，對(duì)出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行 處理. 目前開發(fā)的上位機(jī)軟件具有了必要的功能， 并可以隨著用戶要求的增加，方便地對(duì)軟件進(jìn)行 升級(jí).
 

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