Beckhoff控制器与组态王在采掘设备在线监测系统的应用

康永玲

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

随着采掘设备智能化水平的不断提高，工业自动化技术的迅猛发展，电气系统技术的日趋成熟，用户对采掘设备在线监测系统的要求越来越高。用户既希望监测系统可靠实时、界面友好、操作简单，又要求开发周期短、系统便于升级改造[1]。为能实现用户的要求并保证采掘设备在线监测系统的稳定性，开发设计了一种以Beckhoff控制器为核心控制器，并利用软件组态王6.53作为远程显示界面的二次开发平台的采掘设备远程在线监测系统。文中以掘进机在线监测系统为例进行设计说明。Beckhoff嵌入式PC是一个用单个硬件实现PLC、运动控制和可视化任务的控制器。组态王6.53是一个专为工控开发的工具软件，它为用户提供了多种通用工具模块，具有与Windows一致的图形化操作显示界面，便于生产的组织和管理。掘进机工作状态在线监测系统不仅实现对了掘进机工作状态及工作参数的实时监测，还能够存储和查询掘进机的历史故障参数等，用户根据组态界面的提示大大缩短设备故障的处理时间，提高了掘进机的工作效率。

1 系统概述

1.1系统结构

掘进机在线监测系统由Beckhoff控制器、嵌入式工控机及显示屏、本安键盘、数据采集器和各类型传感器组成，系统结构如图1所示。Beckhoff控制器位于主电气控制箱内，安装在整机左后侧；数据采集器为本质安全型，安装在驾驶席前方；嵌入式工控机及显示屏为隔爆兼本安显示箱，安装在驾驶席前方。嵌入式工控机配置有本安键盘，键盘安装在驾驶席座椅靠背的右侧。通过键盘上的←和→键可以切换显示界面。掘进机操作人员可以通过监测主机查看掘进机当前的各类工作参数和状态以及历史故障。嵌入式工控机包含三个显示界面，分别为：主界面、故障状态显示界面和工作参数显示界面，系统默认显示主界面。

图1 掘进机在线监测系统结构图

1.2硬件结构及功能

主电气控制箱内选用Beckhoff嵌入式PC控制器作为主控器，它是用单个硬件实现PLC、运动控制和可视化任务的嵌入式控制器。它采用Windows CE 6.0独立的操作系统，含有10/100Mbit/s以太网接口、USB接口以及DB9针接口，且集中了工业PC和传统的PLC优势，功能强大，稳定可靠，价格合理，同时有丰富的通讯接口、体积小、拆装方便、可无限扩展、操作简单和通讯响应时间快等优点，并可通过丰富的系统接口加以扩展，用于 ProfiBus、CANopen、DeviceNet等的现场总线接口扩充了可选模块的种类。掘进机在线监测系统选用CX8050控制器，扩展了I/O模块，RS485及RS232模块以及CAN通信扩展模块。CX8050有两路供电，一路是为PLC控制器本身供电，为直流24 V；另一路是为I/O模块供电，为直流24 V.PLC和扩展模块采用单独供电，使电气系统分开，同时为故障检查提供方便。主控制器和扩展模块采用“插拔”式方式连接。主控制器的外观如图2所示。

图2 Beckhoff控制器外观

主电气控制箱内AC127 V电源由电控箱内多抽头变压器二次侧直接引出，经C65N断路器及继电器供电给监测系统显示箱及数据采集器。

监测系统为隔爆兼本安型显示箱，负责采集主电气控制箱内控制器运算好的传感器信号，经嵌入式工控机运用组态王软件进行二次开发实现掘进机当前各类工作参数和状态以及历史故障的显示。监测系统显示箱内部主要有AC127 V/DC12 V电源、嵌入式工控机及液晶显示屏。嵌入式工控机的DC12 V电源由位于该显示箱内部的AC127 V/DC12 V电源供电，与液晶显示屏通过HDMI接口连接，与位于主电气控制箱内的主控制器采用以太网通讯。

数据采集器为本质安全型，负责采集外部本安传感器的信号，将外部信号传输给主控制器。数据采集器的本安12 V电源由位于监测系统显示箱内部的本安AC127 V/DC12 V电源供电，与位于主电气控制箱内的主控制器采用以CAN通讯。

本安键盘与监测系统显示箱采用本安信号连接，用户可通过键盘上的←和→键切换监测系统的主界面、故障状态显示界面和工作参数等显示界面。

1.3软件结构

1.3.1 TwinCAT软件的应用

Beckhoff作为主控制器有丰富的软件平台，支持用户编程编译的TwinCAT PLC软件，该软件是在CoDeSys平台上的应用，它可以提供通用的库函数极大的缩短开发时间，更快更好的建立稳定的通讯，并有组态软件TwinCAT System Manager，可以配置其它现场总线接口的通讯参数。用户在TwinCAT PLC软件下定义并解析PDO发送或接收的数据，编写代码，为组态软件生成TPY文件，再进行总线通讯系统的组网优化配置。

1.3.2组态王的应用

组态王软件是用于嵌入式工控机等上位机上实现监控的一种智能化软件，操作简便直观。它使采用PC机开发的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发[2]，具有开发简单、扩展性好、可靠性高等优点。

数据库是“组态王”最核心的部分。数据库是联系Beckhoff控制器与嵌入式工控机的桥梁。工业现场既要求掘进机当前在线的工作状态及I/O变量参数实时反应到嵌入式工控机界面上，又要把采集的参数实时传送给掘进机主控制器，这些全部都是建立在数据库为中介环节的基础上实现的。而变量的基本类型共有两类：内存变量、I/O变量。在工程管理器中，选择“数据库/数据词典”。根据控制要求定义I/O数据变量，I/O变量是指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，这种数据交换是双向的、动态的，组态王定义需要采集的上位机变量以及下位机变量的对应关系。

1.3.3 Beckhoff主控制器与嵌入式工控机通讯连接

组态王完全基于网络的概念，是一种真正的客户——服务器模式，可运行在基于TCP/IP网络协议的网上，TCP/IP网络协议提供了在不同硬件体系结构和操作系统的计算机组成的网络上进行通信的能力。该系统中Beckhoff控制器与嵌入式工控机采用以太网通讯连接，组态王驱动程序使通讯程序和组态王构成一个完整的系统，设计人员只需要在组态王的设备库中选择设备的类型，然后按照“设备配置向导”的提示一步步完成安装即可，使驱动程序的配置更加方便，主控制器与嵌入式工控机利用组态王连接的设备配置如图3所示。

图3 设备配置

2 界面显示

嵌入式工控机利用组态王提供的丰富的绘图工具以及图库提供的模型，加上程序设计的配合，可以使监控画面很好的模拟现场实际，同时把需要监控的变量显示在画面上。

嵌入式工控机包含三个显示界面，分别为：主界面、工作参数显示界面和故障状态显示界面，系统默认显示主界面。三个界面需要通过外接的本安键盘的←和→键进行切换显示。主界面实时显示采掘设备主回路电机的电流、工作时间及各液压机构的压力状态，现场操作人员对现有的采掘设备运行状态一目了然，主界面如图4所示。

图4 嵌入式工控机主界面

工作参数显示界面显示当前采掘设备整机的工作参数即模拟量及开关量的状态参数，故障状态显示界面显示在有故障情况下的控制器所有开关量的故障状态，开关量I/O点的状态指示灯绿色代表接通，红色代表断开。显示界面如图5所示。

图5 工作参数显示和故障状态显示界面

3 结束语

以Beckhoff控制器、组态王作为上位机组态软件的采掘设备在线监测系统，可以对采掘设备整机进行远程在线监测，可以监测采掘设备运行中的大量的实时信息，使得复杂的系统显得更加直观和便于理解。该系统优化了电气系统的性能，使操作和设计更加人性化，减轻使用者的认知负担，使其更适合用户的操作需求，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，提升采掘设备的市场竞争力。现场应用表明：该采掘设备在线监测系统应用性能稳定可靠、反响良好。

参考文献：

[1]李瑞先．组态王软件在监控系统中的应用．电气传动自动化[J].2006，28（5）：49-51．

[2]李桂玲，刘 慧，张建锋．基于组态王的泵站监控系统的应用．中国农村水利水电[J].2007（12）：52-53．