摘要：本文介紹了基于MCGS工業(yè)組態(tài)軟件的上位機控制系統(tǒng)的開發(fā)與設計，闡述了系統(tǒng)的組成（MCGS組態(tài)軟件、智能監(jiān)控器）、功能，實現(xiàn)MCGS組態(tài)軟件與監(jiān)控器的通訊單元進行串行通信。現(xiàn)場采用智能監(jiān)控器采集實時數(shù)據(jù)，并且顯示當前的數(shù)據(jù)以及故障。上位機采用RS232-485轉(zhuǎn)換器與下位機通訊，主要通過設備窗口來完成，在設備窗口中建立系統(tǒng)與智能監(jiān)控器的連接關(guān)系，實現(xiàn)對電動機群的實時監(jiān)控。^[1]

關(guān)鍵詞：MCGS組態(tài)軟件；智能監(jiān)控器；485通信；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

      隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展，廠站內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)中采用的電動機數(shù)量不斷增加，單機容量也不斷提高。電動機作為工業(yè)系統(tǒng)的主要傳動設備，其故障不僅會損壞電動機本身，而且會影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)。對于電廠或企業(yè)的多臺電動機組成的電動機群，需要為其中的電動機分別配備保護裝置。一般情況下，保護裝置是隨電動機按照工序的要求散布在工業(yè)現(xiàn)場的。為電動機配備保護裝置和故障狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，進行實時的狀態(tài)監(jiān)測及保護，可以有效地降低電動機故障率、提高電動機的使用壽命、減少電動機故障造成的停產(chǎn)損失、降低維修成本、防止對人員和設備安全產(chǎn)生的威脅。在后臺監(jiān)控平臺上，對網(wǎng)內(nèi)的各臺電動機，可以實時地監(jiān)控運行狀況、記錄運行數(shù)據(jù)、在線調(diào)整參數(shù)、遠程啟停電動機、在線連鎖組態(tài)，進行事故分析與處理、發(fā)現(xiàn)輕微機械故障并發(fā)出告警信息等。本文上位機采用MCGS組態(tài)軟件完成上位機控制系統(tǒng)的開發(fā)，上位機完成系統(tǒng)在線監(jiān)控，調(diào)試，數(shù)據(jù)采集。上位機與智能監(jiān)控器采用RS485進行通訊。

1 MCGS的特點與功能

      MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件為用戶建立全新的過程測控系統(tǒng)提供了一整套解決方案。MCGS工控組態(tài)軟件是一套32位工控組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運行于Windows95/98/NT操作系統(tǒng)，集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設備控制與輸出、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、雙機熱備、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設備，廣泛應用多種工程領域。

特點如下：

        ·真正的32位程序，支持多任務、多線程，運行于Win95/98/NT/2000平臺

　　·提供近百種繪圖工具和基本圖符，快速構(gòu)造圖形界面

　　·支持數(shù)據(jù)采集板卡、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網(wǎng)絡設備等700多種國內(nèi)外眾多常用設備

　　·支持溫控曲線、計劃曲線、實時曲線、歷史曲線、XY曲線等多種工控曲線

　　·支持ODBC接口，可與SQL Server、Oracle、Access等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫互聯(lián)

　　·支持OPC接口、DDE接口和OLE技術(shù)，可方便的與其他各種程序和設備互聯(lián)

　　·功能強大的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫同步構(gòu)建，保證多個系統(tǒng)完美結(jié)合

　　·完善的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，可以支持最新流行的各種通訊方式，包括電話通訊網(wǎng)，寬帶通訊網(wǎng)，ISDN通訊網(wǎng)，GPRS通訊網(wǎng)和無線通訊網(wǎng)

        ·方便的報警設置、豐富的報警類型、報警存貯與應答、實時打印報警報表以及靈活的報警處理函數(shù)，使您能夠方便、及時、準確地捕捉到任何報警信息。

      MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分，兩部分相互獨立有緊密相連。MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與MCGS 運行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應用系統(tǒng)。

2   系統(tǒng)構(gòu)成

      2.1 系統(tǒng)總體設計

      基于RS485網(wǎng)絡的電廠輔機電機群監(jiān)控系統(tǒng)由電動機保護裝置、智能儀表及后臺監(jiān)控中心構(gòu)成，并利用RS485網(wǎng)絡將電動機群內(nèi)各臺保護裝置和后臺監(jiān)控中心組成工業(yè)局域網(wǎng)。在各保護裝置保護單臺電動機的基礎上，實現(xiàn)信息共享及智能管理，保證輔機電機群的正常工作，^{[2] [4]}系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      2.2  系統(tǒng)組成單元及工作原理

      由圖1可知系統(tǒng)又后臺監(jiān)控中心、各個電機保護裝置及智能監(jiān)控儀表組成。

      2.2.1后臺監(jiān)控中心

      后臺監(jiān)控中心使用工業(yè)控制計算機，使用中文組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，顯示，存儲和分析的功能，并能夠?qū)崟r的模擬顯示電動機動作狀態(tài)，利用組態(tài)軟件強大的控制功能可以直接控制各個電機的啟動和停止，后臺監(jiān)控中心的功能有：

      1.實現(xiàn)在線電動機監(jiān)測功能。實時收集電動機群內(nèi)各電動機的運行信息。以電動機為單位，收集電動機的機端電氣量及開關(guān)量信息，顯示在圖形界面上，并建立數(shù)據(jù)庫保存這些數(shù)據(jù)。

      2.利用PC強大的數(shù)據(jù)處理能力，檢測群內(nèi)各電動機的導條或端環(huán)斷裂等機械故障。

      3.監(jiān)控人員可以根據(jù)電動機運行狀態(tài)的變化，由后臺機下載保護裝置定值、控制參數(shù)。

      4.對群內(nèi)各保護裝置進行組態(tài)，實現(xiàn)連鎖控制。

      5.如果電動機出現(xiàn)故障或保護裝置自撿出錯，或檢測到電動機的機械故障，發(fā)出聲光報警。

      6.建立群內(nèi)各電動機的設備信息庫，保存各臺電動機的型號、運行方式和歷史維護記錄等，并根據(jù)設備狀態(tài)提示狀態(tài)檢修。

      7.通過485網(wǎng)絡將故障監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至廠、站內(nèi)的綜合自動化網(wǎng)絡。

      2.2.2  電機保護裝置作用

      電動機群故障監(jiān)控系統(tǒng)中，安放于現(xiàn)場主要實現(xiàn)的功能有：

      1.實時采集電動機啟動、運行過程中的電氣量，包括三相電流、零序電流、三相電壓及3Uo等，并通過數(shù)學運算實現(xiàn)各種電動機常見故障的保護功能。本電動機保護裝置可提供的保護包括：a.電流斷速保護；b．采用正序反時限保護作為堵轉(zhuǎn)等對稱故障的保護；c．考慮正序和負序電流的熱效應，對電動機過載等提供保護的過負荷保護；d．采用負序反時限保護作為電動機不平衡運行的保護；e．采用零序電流保護人作為電動機的接地保護；f.    啟動時間過長保護；g.低電壓保護。

      2.實時顯示現(xiàn)場采集電氣量，并具有RS485總線接口實時向后臺監(jiān)控中心上傳輔機電機的電氣量。

      3.電動機出現(xiàn)故障使保護動作時，實時向后臺監(jiān)控中心發(fā)故障信息。

      4.保護裝置自檢出錯時，實時向后監(jiān)控中心發(fā)自檢出錯報告。

      2.2.3基于Modbus的RS485通信網(wǎng)絡

      電廠輔機電動機數(shù)量多且分散，要實現(xiàn)對所有電機設備的集中監(jiān)控，采用485總線構(gòu)成通信網(wǎng)絡是一個較為合理的選擇。RS485總線線路簡單可靠，并且能夠完全覆蓋整個電廠輔機電機群，完全能夠滿足要求。Modbus通信協(xié)議是由Modicon公司提供的一種通信協(xié)議，目前它已經(jīng)成為工業(yè)自動化領域的一種通用協(xié)議，在很多工控類產(chǎn)品中得到應用。當在Modbus網(wǎng)絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。^[5]

3   上位機系統(tǒng)設計

      3.1  上位機與智能監(jiān)控器的連接

      本文智能監(jiān)控器采用ModBus-RTU標準協(xié)議，MCGS支持多種協(xié)議，對設備與組態(tài)的互連提供了極大的便利。在MCGS設備窗口將標準ModBus-RTU設備掛在標準串口父設備下，父設備屬性設置中要選定計算機的通訊端口、設置波特率、數(shù)據(jù)的校驗方式，在標準ModBus-RTU設備屬性中設置監(jiān)控器的地址、采集周期，在通道連接屬性中將監(jiān)控器的寄存器地址與MCGS通道建立連接。此步驟關(guān)鍵是父設備中端口以及波特率的設置，標準設備屬性設置中地址要與監(jiān)控器對應。各個屬性設置如圖所示:

圖2  設備屬性設置

     3.2  處理采集數(shù)據(jù)

      組態(tài)軟件將地址與上位機對應的監(jiān)控器的通道值采集上來，這些數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中無法直接讀出所需的信息。將根據(jù)監(jiān)控器內(nèi)部的定義，將寄存器中的值做處理，監(jiān)控器第一個通道值為各電機狀態(tài)的控制，判斷點擊出現(xiàn)何種故障。因此我們要通過腳本的編寫將每一種故障分離出來。代碼如下：

a01=原始控制字01

If a01=b01  then

過流01=!BitTest(a01,8)

堵轉(zhuǎn)01=!BitTest(a01,9)

不平衡01=!BitTest(a01,10)

斷相01=!BitTest(a01,11)

欠壓01=!BitTest(a01,12)

過壓01=!BitTest(a01,13)

短路01=!BitTest(a01,14)

漏電01=!BitTest(a01,15)

ELSE  

 b01=原始控制字01

EndIF

電機出現(xiàn)故障時，能夠?qū)崟r的得到故障信息，實現(xiàn)對電機的實時監(jiān)控。

      3.3  報警處理

      MCGS把報警處理作為數(shù)據(jù)對象的屬性，封裝在數(shù)據(jù)對象內(nèi)，由實時數(shù)據(jù)庫來自動處理。當數(shù)據(jù)對象的值或狀態(tài)發(fā)生改變時，實時數(shù)據(jù)庫判斷對應的數(shù)據(jù)對象是否發(fā)生了報警或已產(chǎn)生的報警是否已經(jīng)結(jié)束，并把所產(chǎn)生的報警信息通知給系統(tǒng)的其它部分，同時，實時數(shù)據(jù)庫根據(jù)用戶的組態(tài)設定，把報警信息存入指定的存盤數(shù)據(jù)庫文件中。

      當電機出現(xiàn)故障后，要根據(jù)要求顯示出現(xiàn)的故障并控制電機停下，可以伴隨聲音的提示，在監(jiān)控畫面中可以實現(xiàn)動態(tài)顯示，提醒觀察人。

      報警設置如下：從控制字中分離出的變量都是開關(guān)量，其中一位是故障位，在實時數(shù)據(jù)庫中打開故障位的屬性設置，在報警屬性設置中選中允許開關(guān)量報警，報警時設置為1，當故障位為1時就執(zhí)行。如圖示:

圖3  報警設置

      實現(xiàn)聲音的報警：在運行策略中建立報警策略，在屬性設置中對應的報警數(shù)據(jù)對象設置為故障位，當故障位為1時出發(fā)聲音報警。如圖所示:

圖4 聲音報警設置

      3.4  總體監(jiān)控

      在總體監(jiān)控中，將畫面中通道值通過組態(tài)與監(jiān)控器進行互聯(lián)，在畫面中可以看到每一臺電機的所有數(shù)據(jù)，最大化的為監(jiān)控人員提供便利。當電機發(fā)生故障，可以直接在監(jiān)控畫面中操作控制，真正的實現(xiàn)遠程監(jiān)控，避免故障發(fā)生時的延時處理。監(jiān)控畫面如圖示:

圖5 總體監(jiān)控圖

4   總結(jié)

      本文通過MCGS對電機進行監(jiān)控，使電廠輔機電機群監(jiān)控系統(tǒng)進一步完善，數(shù)字化礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)進一步提升。采用聯(lián)合的監(jiān)控方法，RS485總線覆蓋整個電廠輔機電機群實現(xiàn)了不同設備之間的聯(lián)網(wǎng)和通信。把故障診斷與維修技術(shù)相結(jié)合，降低了機電設備群的事故停機率。系統(tǒng)的運行和應用，能在最短的時間內(nèi)將辨識出異常點及狀態(tài)，按每年可因減少停電次數(shù)，影響生產(chǎn)3小時，可創(chuàng)造效益70萬元。對因設備群而減少影響排水或通風的安全效益更是可觀。