摘要：介绍了以太网通信的真空造浪测控系统的研制方法，该系统由工控机、WinCC、OPC、S7-1200 PLC、压力及温度传感器等主要部件实现，分为上位机、系统主站、系统分站等组成部分，采用以太网通信。重点介绍了测控系统主站与上位机及主站与分站之间以太网通信实现方式，人机对话界面的WinCC实现方式以及造浪控制功能的实现方式等。经实际验证，该测控系统所实现的真空造浪机性能优良，生成波浪效果好。

关键词：S7-1200；以太网通信；OPC；WinCC；人机对话；真空造浪机

0　引言

真空造浪是采用真空泵抽取气室内空气以提升气室水位，再瞬间释放水位，形成推流式涌造浪，波浪气势磅礴，具有较好的观赏性和娱乐性。

一套完整的真空造浪系统由真空机组、阀门系统、管路系统、供水系统、液压系统、电气系统、测控系统组成。其中，测控系统是真空造浪系统的大脑与灵魂，作用至关重要。

1　测控系统总体结构

该文设计的真空造浪系统包括7套真空机组、11个气室、91个真空阀门、1套液压泵站、1套供水系统、1套测控系统。测控系统由1台工控机、7台SIEMENS S7-1200 PLC、WinCC软件、SIMATIC.NET软件、压力传感器、流量传感器、温度传感器、磁性检测开关等主要部件组成，分为上位机、1个系统主站和6个系统分站。测控系统总体结构如图1所示。

测控系统中，由于测控点较多，故采用分布式控制方式，设有6个系统分站，分别负责6个部分真空阀和大气阀的控制与信号检测，以及相应气室真空度信号检测；设1个系统主站，负责真空机组控制，管道阀、旁通阀控制及位置信号检测、冷却水流量和温度信号检测以及液压泵站相关信号检测。系统主站接收上位机控制指令，并与6个系统分站之间通过以太网通信，主要任务是对整套真空造浪系统进行造浪及保护等功能控制。

图1　测控系统总体结构框图

2　S7-1200的以太网通信系统设计实现

以太网采用国际标准的通信协议，性能先进，且组网数量无限制，组网范围广，特别适合于测控点数量多的分布式真空造浪测控系统。文中所选PLC为SIEMENS公司的新型产品S7-1200，其集成的PROFINET接口，提供10/100Mbit/s的数据传输速率，支持TCP/IP、ISO-on-TCP、S7等通信协议，为系统所实现的以太网通信提供了可行性，并降低了系统成本。

根据测控系统结构，系统主站由1台S7-1200 PLC来实现，型号为CPU-1214C，具有14个数字量输入通道和8个继电器输出通道，2个模拟量输入通道，输入为0～10 V电压信号，根据测控点数，另扩展2台数字量输入输出模块SM-1223(16I/16Q)。系统分站共6个，每个分站由1台S7-1200来实现。每个分站单独与主站进行以太网通信，接收主站控制指令，并将本站所检测到的现场信号反馈至主站，分站与分站之间无联系。上位机是由一台配备以太网卡的工控机来实现，S7-1200最新编程软件TIA Portal V13是一款自动化集成软件，内部集成HMI功能，可直接与S7-1200进行以太网通信，非常方便，但由于此软件对计算机配置要求较高，普通工控机难以满足要求，因此采用独立的HMI软件WinCC进行人机监控系统设计，用SIMATIC.NET软件作为OPC，解决了WinCC所不具备的以太网通信问题，由此实现了上位机与系统主站之间的以太网通信。上位机、系统主站、6个系统分站之间的网络连接，根据其不同IP地址，通过一台8端口以太网交换机来实现。

系统主站与系统分站之间采用PLC与PLC之间的以太网通信，双方CPU通过调用T-block(TSEND_C，TRCV_C，TSEN，TRCV)指令来实现。该设计选用TCP协议，通信双方在数据收发时必须设定相同固定长度传输字节。由于主站PLC与分站PLC之间为双边通信，所以在每个CPU中均有发送指令与接收指令。主站与1#分站之间收发指令参数设置如表1所示。

表1　主站与1#分站收发指令参数设置表

系统主站与上位机之间实现的是PLC与WinCC之间的以太网通信。由于WinCC不具备S7-1200的驱动，所以两者只能采用OPC的方式通信。将S7-1200作为Server端，上位机作为Client端，通过SIMATIC.NET建立PC Station来实现与PLC以太网通信。在实现过程中，在OPC SCOUT中建立PLC与WinCC之间所需传输的变量，通过OPC SCOUT将该变量导入WinCC变量表，然后在WinCC中就可以对该变量进行监控。

3　监控系统WinCC设计实现

真空造浪测控系统中，人机对话界面是工作人员与设备之间交流的平台，采用WinCC软件编程来实现。

WinCC设计人机对话界面大致分为如下几步：创建图形界面，将所需监控的阀门位置、流量、温度、压力等状态信号以及控制操作按钮以特定图形元素表示；构造数据库，定义WinCC内部变量以及OPC变量(来自PLC的变量)；变量连接，将监测的设备状态信号图形元素与所定义变量相连接，使该图形元素根据连接变量的变化作出相应的颜色形状等变化，对控制操作按钮作C语言编程，使其对某些变量作出相应改变；创建功能函数，对系统运行中频繁使用的功能部分如抽真空、开阀门等创建函数，进行调用；最后对人机对话界面进行功能调试。

人机对话界面主要分为参数界面、操作界面、调试界面以及报警界面4部分。参数界面中，对波浪类型、波浪大小、波浪时间、所用真空机组套数等参数进行设置，完成后进入操作界面；操作界面中，对启动、停止、急停等功能进行控制，同时可对真空机组、阀门状态、流量、压力、温度等信号进行实时监控；调试界面作用是可对系统的每个单体部件进行单独或整体手动操作；在报警界面可对所有故障信息进行查看、故障复位等。人机对话界面功能实现流程如图2所示。

4　造浪软件设计实现

造浪功能主要是由系统主站PLC的控制程序来完成的。控制程序可划分为4个模块：通信模块、动力控制模块、阀门控制模块、检测模块。

通信模块负责处理主站PLC与6个分站PLC之间的以太网通信，接收分站数据，向分站发送控制指令，处理主站PLC与上位机之间的数据通信，接收主站指令，并将本站与分站数据反馈到上位机；动力控制模块负责控制真空机组、阀门动力液压泵站、冷却动力水泵的启动与停止；阀门控制模块负责控制造浪运行中不同状态下的真空、大气、旁通、管道等阀门动作及相互配合；检测模块负责对检测开关、流量、压力、温度等检测信号进行实时反馈。造浪功能流程如图3所示。

图2　人机对话界面功能实现流程图

图3　造浪功能实现测控流程图

由于系统检测信号种类较多，在系统安全性和实用性方面作了故障报警分级处理，根据检测到的报警信号的轻重缓急，分为I级报警和II级报警。例如，在气室水体释放时，某个大气阀未完全开启，对系统不会产生安全性和功能性方面影响的，为II级报警；当冷却水消失或水温油温过高，可能会对设备造成损坏等后果的，为I级报警。对II级报警，仅发出报警警报，系统仍然运行；对I级警报，发出报警警报，并立即执行急停命令。故障报警类型分级及处理情况如表2所示。

表2　故障报警类型分级及处理方式

停止运行中的设备分为急停和停止两种状况。停止命令执行时，系统会在当前造浪周期(抽真空-造浪)执行完毕后停止所有真空机组和阀门，并将系统复位；急停命令执行时，系统仅停止真空机组，关闭所有阀门，使当前状态保持，停止下一步动作，待急停信号解除后，手动使系统复位。

5　结束语

该测控系统设计调试完成后应用于真空造浪机中，设备运行流畅，稳定性好，操作方便，安全保护功能齐备，能够制造出排浪、转浪、突起浪、钻石浪、随机浪等多种波浪效果，最大波浪可达3 m，达到了预期设计对波浪效果的要求。