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

關鍵詞：MCGS組態軟件；智能監控器；485通信；監控系統

0 引言

      隨著現代工業自動化的發展，廠站內生產系統中采用的電動機數量不斷增加，單機容量也不斷提高。電動機作為工業系統的主要傳動設備，其故障不僅會損壞電動機本身，而且會影響整個生產系統。對于電廠或企業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現場的。為電動機配備保護裝置和故障狀態監控系統，進行實時的狀態監測及保護，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損失、降低維修成本、防止對人員和設備安全產生的威脅。在后臺監控平臺上，對網內的各臺電動機，可以實時地監控運行狀況、記錄運行數據、在線調整參數、遠程啟停電動機、在線連鎖組態，進行事故分析與處理、發現輕微機械故障并發出告警信息等。本文上位機采用MCGS組態軟件完成上位機控制系統的開發，上位機完成系統在線監控，調試，數據采集。上位機與智能監控器采用RS485進行通訊。

1 MCGS的特點與功能

      MCGS全中文工業自動化控制組態軟件為用戶建立全新的過程測控系統提供了一整套解決方案。MCGS工控組態軟件是一套32位工控組態軟件，可穩定運行于Windows95/98/NT操作系統，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、雙機熱備、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，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，快速構造圖形界面

　　·支持數據采集板卡、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網絡設備等700多種國內外眾多常用設備

　　·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等關系型數據庫互聯

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

　　·功能強大的網絡數據同步、網絡數據庫同步構建，保證多個系統完美結合

　　·完善的網絡體系結構，可以支持最新流行的各種通訊方式，包括電話通訊網，寬帶通訊網，ISDN通訊網，GPRS通訊網和無線通訊網

        ·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，使您能夠方便、及時、準確地捕捉到任何報警信息。

      MCGS軟件系統包括組態環境和運行環境兩大部分，兩部分相互獨立有緊密相連。MCGS組態環境是生成用戶應用系統的工作環境，由可執行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶在MCGS組態環境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱為組態結果數據庫，其與MCGS 運行環境一起，構成了用戶應用系統。

2   系統構成

      2.1 系統總體設計

      基于RS485網絡的電廠輔機電機群監控系統由電動機保護裝置、智能儀表及后臺監控中心構成，并利用RS485網絡將電動機群內各臺保護裝置和后臺監控中心組成工業局域網。在各保護裝置保護單臺電動機的基礎上，實現信息共享及智能管理，保證輔機電機群的正常工作，^{[2] [4]}系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

      2.2  系統組成單元及工作原理

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

      2.2.1后臺監控中心

      后臺監控中心使用工業控制計算機，使用中文組態軟件實現數據采集，顯示，存儲和分析的功能，并能夠實時的模擬顯示電動機動作狀態，利用組態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，后臺監控中心的功能有：

      1.實現在線電動機監測功能。實時收集電動機群內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量信息，顯示在圖形界面上，并建立數據庫保存這些數據。

      2.利用PC強大的數據處理能力，檢測群內各電動機的導條或端環斷裂等機械故障。

      3.監控人員可以根據電動機運行狀態的變化，由后臺機下載保護裝置定值、控制參數。

      4.對群內各保護裝置進行組態，實現連鎖控制。

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

      6.建立群內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，并根據設備狀態提示狀態檢修。

      7.通過485網絡將故障監控系統中的監控數據上傳至廠、站內的綜合自動化網絡。

      2.2.2  電機保護裝置作用

      電動機群故障監控系統中，安放于現場主要實現的功能有：

      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，并通過數學運算實現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.實時顯示現場采集電氣量，并具有RS485總線接口實時向后臺監控中心上傳輔機電機的電氣量。

      3.電動機出現故障使保護動作時，實時向后臺監控中心發故障信息。

      4.保護裝置自檢出錯時，實時向后監控中心發自檢出錯報告。

      2.2.3基于Modbus的RS485通信網絡

      電廠輔機電動機數量多且分散，要實現對所有電機設備的集中監控，采用485總線構成通信網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通信協議是由Modicon公司提供的一種通信協議，目前它已經成為工業自動化領域的一種通用協議，在很多工控類產品中得到應用。當在Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。^[5]

3   上位機系統設計

      3.1  上位機與智能監控器的連接

      本文智能監控器采用ModBus-RTU標準協議，MCGS支持多種協議，對設備與組態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、數據的校驗方式，在標準ModBus-RTU設備屬性中設置監控器的地址、采集周期，在通道連接屬性中將監控器的寄存器地址與MCGS通道建立連接。此步驟關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  處理采集數據

      組態軟件將地址與上位機對應的監控器的通道值采集上來，這些數據為原始數據，從這些數據中無法直接讀出所需的信息。將根據監控器內部的定義，將寄存器中的值做處理，監控器第一個通道值為各電機狀態的控制，判斷點擊出現何種故障。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

電機出現故障時，能夠實時的得到故障信息，實現對電機的實時監控。

      3.3  報警處理

      MCGS把報警處理作為數據對象的屬性，封裝在數據對象內，由實時數據庫來自動處理。當數據對象的值或狀態發生改變時，實時數據庫判斷對應的數據對象是否發生了報警或已產生的報警是否已經結束，并把所產生的報警信息通知給系統的其它部分，同時，實時數據庫根據用戶的組態設定，把報警信息存入指定的存盤數據庫文件中。

      當電機出現故障后，要根據要求顯示出現的故障并控制電機停下，可以伴隨聲音的提示，在監控畫面中可以實現動態顯示，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量，其中一位是故障位，在實時數據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量報警，報警時設置為1，當故障位為1時就執行。如圖示:

圖3  報警設置

      實現聲音的報警：在運行策略中建立報警策略，在屬性設置中對應的報警數據對象設置為故障位，當故障位為1時出發聲音報警。如圖所示:

圖4 聲音報警設置

      3.4  總體監控

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

圖5 總體監控圖

4   總結

      本文通過MCGS對電機進行監控，使電廠輔機電機群監控系統進一步完善，數字化礦井安全監控系統進一步提升。采用聯合的監控方法，RS485總線覆蓋整個電廠輔機電機群實現了不同設備之間的聯網和通信。把故障診斷與維修技術相結合，降低了機電設備群的事故停機率。系統的運行和應用，能在最短的時間內將辨識出異常點及狀態，按每年可因減少停電次數，影響生產3小時，可創造效益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。