基于PLC的远程监控系统设计

刘月胜 张立伟 王顺 戴玉瑶

摘 要：本文介绍了基于PLC的远程监控系统的组成，从硬件、软件、通讯三个方面详细研究了该远程监控系统的设计方式。最后，通过探讨PLC的远程监控系统的实际应用方式说明了远程监控系统的优点，以期促进自动化控制领域的发展。

关键词：远程监控；系统设计；PLC控制器；自动化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.109

0 引言

PLC即可编程逻辑控制器，它是专门应用于工业生产过程中的数据运算电子系统。PLC通过可编程存储单元对采集的现场数据进行处理，具有极高的稳定性、可靠性、适应新。PLC控制器能过实现位置控制、温度控制、轉速控制等控制功能在现代工业中具有不可或缺的作用。因此，本文研究基于PLC的远程监控系统并针对系统设计进行了探究。

1 系统基本组成

基于PLC的远程监控系统的结构图如图1所示，该系统包括：现场数据采集模块、下位工控机、工业MODEM模块以及上位监控计算机四个部分。

现场数据采集模块主要通过连接底层数据库建立数据流转，包括模块间的数据交互规则和数据读写规则。现场数据采用PLC完成数据的采集和控制信号写入，通过PLC实现下位工控机和现场设备的连接。下位工控机是对生产过程中的电机设备、工艺设备等进行监测和控制的具有总线结构的计算机。下位工控机的主要作用是完成对现场数据的监控并负责通过工业MODEM实现与远程监控计算机之间的数据通信。工业MODEM模块能够实现上位监控机和下位工控机之间的数据通信。同时，由于工业MODEM模块具有极强的抗电磁干扰能力，能够适应复杂多变的生产现场环境，被广泛应用于远程监控系统中。上位监控计算机的主要作用是监测下位机采集的现场数据并发出相应的操作控制命令，实现对远程设备的控制。

2 远程监控系统设计

基于PLC的远程监控系统是通过对厂区设备的运行参数以及工艺参数进行实时、远程监控的生产管理系统。该系统通过PLC、下位机等前端设备采集现场数据，然后通过相应的通信模块将信号传输至上位计算机。最后，上位计算机根据预先设置好的控制算法得到控制信号并向下传输到现场设备。

设计基于PLC的远程监控系统首先需要分析监控的工艺过程并确定监控系统的结构，包括通信网络结构的设计以及数据通信链路的设计。其次，需要根据具体工程选择相应的设备型号，如下位工控机的性能参数以及PLC型号等，设备的性能与工程通信数据量相关。最后，需要根据具体工程规模和控制要求设计相应的控制算法和监控界面。设计流程如图2所示。

2.1 远程监控系统的硬件设计

远程监控系统的硬件设计需要分析工程中的被控对象并确定相应的控制要求，根据信号输入设备和输出设备选择相应的PLC型号，包括机型、容量、I/O模块、电源等。其中，分析工程中的被控对象是根据被控对象的工艺流程和运行特性确定相应的要求。通过确定信号输入/输出设备数量来选择PLC的I/O点数，如按钮、开关、阀门、干接点、信号灯等。输入/输出模块是PLC与控制对象进行信号交互的接口，根据交互信号的物理性质分为数字量信号与模拟量信号。输入模块的主要作用是检测现场设备的信号并通过模块内部结构转化为PLC内部电流信号或电压信号。输出模块的主要作用是将PLC内部电流信号或电压信号转化为外部设备能够接收的控制信号，通过该信号实现对外部设备的控制。

选择好硬件设备型号后还需要设计下位工控机和上位监控机等电器设备的布置图、电器互连图和安装接线图。

2.2 远程监控系统的软件设计

远程监控系统软件能够实现对远程设备运行参数的监测，包括PLC控制器的输入/输出信号、寄存器信号、中间继电器等信号。远程监控系统需要有相应的控制程序，针对不同远程监控系统需要设计不同PLC控制，而软件设计的主要作用是编写相应的控制程序，同时在程序中还需要编写相应的检测功能代码、故障诊断功能代码以及保护和连锁功能代码。PLC控制程序分为简单逻辑控制、顺序控制、特殊控制、网络组态控制等，根据远程监控系统的监控对象复杂程度开发对应PLC控制程序。

例如，目前大部分立库厂商都在立库系统使用西门子1200型PLC，因此针对基于西门子1200型PLC的立库远程监控成为监控行业的主要开发方向。西门子1200型PLC支持TCP/IP以太网通信，包含Idd、Odd、Mdd、DB四个寄存器块，每个寄存器块对应有相应的通道范围，不同的通道范围具有不同的读写特性以及存储不同的变量类型。立库中的现场设备通过PLC采集数据并将数据包存入对应的寄存器块，监控系统通过设计好的PLC通讯驱动协议读取寄存器块中的数据并传输到上次人机交互界面显示。针对西门子1200型PLC驱动需要通过VC++6.0进行开发，编写PLC驱动时首先对程序进行初始化并创建相应的信号通道。如DBx，y寄存器能够存储SHORT、FLOAT、LONG等类型数据并能够对这类数据进行读写，x、y范围为0-65535。创建完信号通道后，程序进入采集段并根据设置的数据采集周期进行采集，每个数据的采集周期内根据PLC寄存器模块通讯协议编译数据读取命令代码，命令代码与校验码、地址、校验和、结束符组成命令集并向PLC发送数据帧，随后返回PLC寄存器块的数据包，PLC驱动通过解析数据包数据完成数据读写，即完成一次标准通讯。若校验成功将接数据通过信号通道进行传输并返回通讯成功标识，若校验失败则返回通讯失败标识。PCL驱动中数据传输格式为ASII 码形式并规定通讯格式为10个异步通讯，包括1个起始位、8个数据位以及1个停止位。其中，数据采集命令需要根据远程监控系统需要监测的数据进行编写，如发送命令$016BB且$，0，1，6 的 ASCII 码分别为 24H，30H，31H，36H则校验和为24H+30H+31H+36H=BBH。返回代码为！00000041则校验和为21H+30H+30H+30H+30H+30H+30H=141H，通讯成功。远程监控系统根据PLC驱动进行数据采集，实现对生产现场的远程监控。

最后，软件中的控制程序根据采集的现场数据计算控制参数并向现场PLC发出控制指令实现对远程设备的控制。同时，远程监控系统通过组态软件设计相应的现场监控界面，实现人机交互功能。

3 实际应用与结论

基于PLC的远程监控系统实现了对设备的远程监控。同时，实时的数据采集、高效的信号传输、稳定的监控系统以及便捷的控制操作使得该远程监控系统被广泛应用于恶劣的生产环境中。例如，我国的水利水库系统大部分还通过传统的人工检测的方式进行水位检测，人工将观测到的数据传到控制中心，控制中心根据观测数据对现场进行调度。人工的方式无法实时将现场数据传输到控制中心，失去了现场数据的实时性，同时由于现场条件恶劣容易出现人员伤亡的情况。采用基于PLC的控制系统能够实时掌握水库的水位参数和阀门开度等运行情况，技术人员无需亲自到现场便可远程操作设备，远程对水阀进行开启或关闭等操作。基于PLC的远程监控系统极大地提高了生产效率也保障了人员安全。

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