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摘要： 采用羅克韦尔1756系列可编程逻辑控制器构建了港口机械的流量监控考核系统。该系统融合了数据采集、人机交互、数据库等技术，主要应用于港口、矿业等需要大型皮带运输取料作业的场合。重点介绍了该系统的软件编程、操作方式、通讯选择及系统功能等。该系统在使用过程中具有良好的交互体验，能根据物料等流量状态准确反应相关人员的操作状况，对提高相关人员操作技能和水平也有一定的帮助作用。
关键词： 数据采集; PLC; 考核; 报表查询
中图分类号： TP271+ . 4 文献标识码： A
Design of flow monitoring and assessment based on PLC
YAN Hai-long
（Tangshan Caofeidian Coal Port Co.， Ltd.， Tangshan 063000， China）
Abstract： The flow monitoring and assessment system of port machinery is constructed by using Rockwell 1756 series PLC. The system integrates data acquisition， human-computer interaction， database and other technologies， and is mainly used in port， mining and other occasions where the large-scale belt transportation is required. The paper focuses on the software programming， operation mode， communication selection and system functions of the system. The system has a good interactive experience in the use process， can accurately reflect the operation status of relevant personnel according to the flow status of materials， and also has a certain help to improve the operation skills and level of relevant personnel.
Key words： data acquisition; PLC; assessment; report query
1 引言
斗轮堆取料机是一种高效率连续装卸机械，广泛用于散货专业码头、钢铁厂、大火力发电厂和矿山等的散料堆场装卸铁矿石（砂）、煤炭、砂子等。我国大陆的上海、广州、秦皇岛、日照、南京等港口均已拥有这种机械。在生产作业过程中，由于操作人员技能水平及操作方式差异，实际作业效率差别很大。在港口的日常作业过程中对取料机的瞬时取料量进行合理的控制十分重要[1-2]，稳定合理的流量不仅有助于提高作业效率，而且对于减少设备损耗、降低故障率也有十分重要的意义。然而操作人员的技术水平及处理能力缺少数字化的评价形式，如何掌握和提高操作技能都很难入手，因此确定一个标准用于反应作业及操作水平具有重要意义。
2 系统网络硬件介绍
本文依托于港口和矿业取料机常用的罗克韦尔1756系列PLC、6181P-17TPXP上位机、RAMSEY品牌的MT3101流量计为例搭建的采集及控制部分，MT3101通过PROFIBUS[3]总线实时将测量物料的瞬时流量和累计流量传入单机主控制PLC内。单机PLC、调度指挥中心PLC、生产管理网络服务器、取料机操作上位机等按照罗克韦尔三级网络概念通过以太网相互连接来传递设备启停及控制信号。
图1 硬件系统网络图
3 考核系统软件设计
3.1 考核评分标准设计
综合港口行业堆取料机性能参数，以6000t/h为参考额定取料能力[4]，瞬时流量超过6700T/h为超载状态，高效的作业应使操作量保持在额定值左右，以避免超载带来的安全隐患和空载低流量状态下的能源浪费。综合调查分析后，每隔2秒采集一次当前悬皮的瞬时流量，根据瞬时流量计算出当前的瞬时分数。以悬皮的瞬时流量为x（t/h），瞬时得分为y，分数计算公式如式（1）所示。
y=0， x≤0或x≥7200■x， 0 设考核中每次的得分分别为y1，y2，y3，LL，ym-1，ym，在有效考试时间内采样次数为m，则该段时间内最终成绩平均分数z足以反映了操作人员取料瞬时量的整体情况，z的计算公式如式（2）所示。
z=■ （2） 3.2 PLC间数据传输定义
由于生产服务器只与调度指挥中心PLC有数据传输，且调度指挥中心PLC内接收各单机包括取料量等运行状态的实时反馈。结合港口单机运行模式后，决定程序主体计算部分由度指挥中心PLC完成。单机PLC只负责收集开始与结束的等控制指令。取料机PLC在获取司机的ID号、系统启停信号、悬皮运行情况等数据后，为了节省PLC的内存空间，将数据封装为8位十进制数字，其中右起最高位以1和2分别代表考试开始和结束，第七位为设备编号，第六至四位标示当前单机考核次数，第三位为操作人员班组号，最后两位表示人员编号。
调度指挥中心PLC接受到取料机发送的数据后，会自动根据式1和式2分别计算出瞬时分数和平均分数，然后将分数重新打包为9位十进制数字。第九位以1和2标记是否達到有效考试时间1小时，后面八位以4位一组分别表示当前瞬时成绩和平均成绩的10倍。
调度中心PLC处理后的数据将分别发给单机PLC和生产管理系统服务器。取料机PLC接收分数后对当前总分数进行实时显示，供操作人员了解操作过程中存在的失误和不足。生产管理系统则将分数保存在数据库中，已方便管理人员查询并采取相应的奖罚措施。
3.3 PLC功能程序设计
确定了评分标准及数据传输流向后，RSLogix 5000梯形图程序主要分为三个部分：第一部分是考核程序的启停控制，第二部分是瞬时流量成绩计算，第三部分是数据的接收和发送。
（1）考核程序的启停控制
以1号单机第一次考核为例，取料操作人员在单机上位机画面上输入ID后，点击开始按钮，开始指令触发自锁，同时将开始指令的8位数据以“11000000+（SJKHTIMES[0].ACC*1000）+DriverExam.Driver_ID”格式传送给调度指挥中心PLC，调度中心PLC接收到取料机的开始考核指令后，系统会自动初始化定时器及公式曲线转折点等相关参数，记录考核开始时间，然后在悬皮累计时间Timer[0]计时15秒钟以后开始对取料量进行评分，直到累计有效考试时间Timer[1]超过60分钟，司机手动选择“停止按钮”，系统停止本次考试。
（2）司机取料评分功能的实现
考试程序开始运行后，采样时间Timer[2]设置为2秒，每计满一次，系统会自动按照式1和式2分别计算司机的瞬时得分和平均得分，同时将数据按定义的的结果：
“100000000+（R1_Score_SS*10000）+（ R1_Score_PJ*10）”回传单机PLC和生产管理服务器。直至收到考试结束指令，将结果变为：
“000020000+（R1_Score_SS*10000）+（ R1_Score_PJ*10）”。此时累计分数为考试最终结果。
（3）调度中心数据的收发控制依靠MSG指令进行，PLC在处理完成数据后，将数据放入源TAG并在目标PLC指定目标TAG，利用MSG对两者进行读写即可完成数据内容的传输。
4 人机交互界面设计
为了实现人机交互，分别在取料机操作室上位机和调度控制系统上位机利用FactoryTalk View SE设计了考核评分系统的人机交互界面，在图2中所示的取料机操作室上位机界面中，取料司机在“司机ID”中输入职工编号，然后点击“开始按钮”，取料机考核评分系统即可开始运行，考核评分过程中，图2中的考试已结束指示灯变成绿色，并在左侧分别显示考试时间和考试成绩，通过实时观察流量成绩的升降来掌握取料过程中流量控制不稳的情况做出操作手法的调整。
在图2所示的调度控制系统上位机界面中，在考试开始后，考核评分系统对话框会显示从取料机获取的司机ID号，并显示计算得出的开始时间、平均分数、瞬时分数、有效时间，并且“开始考核”指示框变为绿色。在司机点击附图2中的“结束按钮”以后，附图3中会在“结束时间”处显示结束时间，而且“开始考核”指示框变为灰色。
5 数据处理及查询
考试成绩通过以太网上传至管理服务器之后，通过利用VB编程对数据进行采集保存，建立司机考核成绩数据库，然后用帆软以封装定义数字中的“结束位”及“成绩有效位”为准对数据进行初步删选，尽可能的减少数据存储量，通过编程然后建立班组人员与ID的对应关系，并完成可利用时间段、操作员姓名、班组信息进行分类查询汇总的功能报表，并最终形成报表在web上供管理人员查询。
6 结束语
该监控考核系统投入使用以后，为评估取料机操作人员技能水平提供了量化标准，在工作的同时让操作人员随时掌握自己的工作状态，有利于发现解决工作中的难点，并通过一段时间的比较，了解的自己技能水平的提高，结合管理上的奖惩制度，可以调动了职工钻研技能的积极性、主动性，企业在节约了司机培训成本的同时，也达到了高效生产的目的。
参考文献：
[1]李齐权，刘立坤. 斗轮式取料机瞬时取料量自动控制技术的研究及其节能应用[J]. 河北工业科技，2014，31（4）：326-331.
[2]刘伟锋. 斗轮堆取料机取料能力的提升改造[J]. 矿业工程研究，2012（03）.
[3]梁 涛. Profibus 现场总线控制系统的设计与开发（第 2 版）[M]. 国防工业出版社，2013（6）.
[4]郝 坤. 基于PID闭环反馈控制的斗轮式取料机系统的研究[D]. 燕山大学，2016.
收稿日期：2019-10-23
关键词： 数据采集; PLC; 考核; 报表查询
中图分类号： TP271+ . 4 文献标识码： A
Design of flow monitoring and assessment based on PLC
YAN Hai-long
（Tangshan Caofeidian Coal Port Co.， Ltd.， Tangshan 063000， China）
Abstract： The flow monitoring and assessment system of port machinery is constructed by using Rockwell 1756 series PLC. The system integrates data acquisition， human-computer interaction， database and other technologies， and is mainly used in port， mining and other occasions where the large-scale belt transportation is required. The paper focuses on the software programming， operation mode， communication selection and system functions of the system. The system has a good interactive experience in the use process， can accurately reflect the operation status of relevant personnel according to the flow status of materials， and also has a certain help to improve the operation skills and level of relevant personnel.
Key words： data acquisition; PLC; assessment; report query
1 引言
斗轮堆取料机是一种高效率连续装卸机械，广泛用于散货专业码头、钢铁厂、大火力发电厂和矿山等的散料堆场装卸铁矿石（砂）、煤炭、砂子等。我国大陆的上海、广州、秦皇岛、日照、南京等港口均已拥有这种机械。在生产作业过程中，由于操作人员技能水平及操作方式差异，实际作业效率差别很大。在港口的日常作业过程中对取料机的瞬时取料量进行合理的控制十分重要[1-2]，稳定合理的流量不仅有助于提高作业效率，而且对于减少设备损耗、降低故障率也有十分重要的意义。然而操作人员的技术水平及处理能力缺少数字化的评价形式，如何掌握和提高操作技能都很难入手，因此确定一个标准用于反应作业及操作水平具有重要意义。
2 系统网络硬件介绍
本文依托于港口和矿业取料机常用的罗克韦尔1756系列PLC、6181P-17TPXP上位机、RAMSEY品牌的MT3101流量计为例搭建的采集及控制部分，MT3101通过PROFIBUS[3]总线实时将测量物料的瞬时流量和累计流量传入单机主控制PLC内。单机PLC、调度指挥中心PLC、生产管理网络服务器、取料机操作上位机等按照罗克韦尔三级网络概念通过以太网相互连接来传递设备启停及控制信号。
图1 硬件系统网络图
3 考核系统软件设计
3.1 考核评分标准设计
综合港口行业堆取料机性能参数，以6000t/h为参考额定取料能力[4]，瞬时流量超过6700T/h为超载状态，高效的作业应使操作量保持在额定值左右，以避免超载带来的安全隐患和空载低流量状态下的能源浪费。综合调查分析后，每隔2秒采集一次当前悬皮的瞬时流量，根据瞬时流量计算出当前的瞬时分数。以悬皮的瞬时流量为x（t/h），瞬时得分为y，分数计算公式如式（1）所示。
y=0， x≤0或x≥7200■x， 0
z=■ （2） 3.2 PLC间数据传输定义
由于生产服务器只与调度指挥中心PLC有数据传输，且调度指挥中心PLC内接收各单机包括取料量等运行状态的实时反馈。结合港口单机运行模式后，决定程序主体计算部分由度指挥中心PLC完成。单机PLC只负责收集开始与结束的等控制指令。取料机PLC在获取司机的ID号、系统启停信号、悬皮运行情况等数据后，为了节省PLC的内存空间，将数据封装为8位十进制数字，其中右起最高位以1和2分别代表考试开始和结束，第七位为设备编号，第六至四位标示当前单机考核次数，第三位为操作人员班组号，最后两位表示人员编号。
调度指挥中心PLC接受到取料机发送的数据后，会自动根据式1和式2分别计算出瞬时分数和平均分数，然后将分数重新打包为9位十进制数字。第九位以1和2标记是否達到有效考试时间1小时，后面八位以4位一组分别表示当前瞬时成绩和平均成绩的10倍。
调度中心PLC处理后的数据将分别发给单机PLC和生产管理系统服务器。取料机PLC接收分数后对当前总分数进行实时显示，供操作人员了解操作过程中存在的失误和不足。生产管理系统则将分数保存在数据库中，已方便管理人员查询并采取相应的奖罚措施。
3.3 PLC功能程序设计
确定了评分标准及数据传输流向后，RSLogix 5000梯形图程序主要分为三个部分：第一部分是考核程序的启停控制，第二部分是瞬时流量成绩计算，第三部分是数据的接收和发送。
（1）考核程序的启停控制
以1号单机第一次考核为例，取料操作人员在单机上位机画面上输入ID后，点击开始按钮，开始指令触发自锁，同时将开始指令的8位数据以“11000000+（SJKHTIMES[0].ACC*1000）+DriverExam.Driver_ID”格式传送给调度指挥中心PLC，调度中心PLC接收到取料机的开始考核指令后，系统会自动初始化定时器及公式曲线转折点等相关参数，记录考核开始时间，然后在悬皮累计时间Timer[0]计时15秒钟以后开始对取料量进行评分，直到累计有效考试时间Timer[1]超过60分钟，司机手动选择“停止按钮”，系统停止本次考试。
（2）司机取料评分功能的实现
考试程序开始运行后，采样时间Timer[2]设置为2秒，每计满一次，系统会自动按照式1和式2分别计算司机的瞬时得分和平均得分，同时将数据按定义的的结果：
“100000000+（R1_Score_SS*10000）+（ R1_Score_PJ*10）”回传单机PLC和生产管理服务器。直至收到考试结束指令，将结果变为：
“000020000+（R1_Score_SS*10000）+（ R1_Score_PJ*10）”。此时累计分数为考试最终结果。
（3）调度中心数据的收发控制依靠MSG指令进行，PLC在处理完成数据后，将数据放入源TAG并在目标PLC指定目标TAG，利用MSG对两者进行读写即可完成数据内容的传输。
4 人机交互界面设计
为了实现人机交互，分别在取料机操作室上位机和调度控制系统上位机利用FactoryTalk View SE设计了考核评分系统的人机交互界面，在图2中所示的取料机操作室上位机界面中，取料司机在“司机ID”中输入职工编号，然后点击“开始按钮”，取料机考核评分系统即可开始运行，考核评分过程中，图2中的考试已结束指示灯变成绿色，并在左侧分别显示考试时间和考试成绩，通过实时观察流量成绩的升降来掌握取料过程中流量控制不稳的情况做出操作手法的调整。
在图2所示的调度控制系统上位机界面中，在考试开始后，考核评分系统对话框会显示从取料机获取的司机ID号，并显示计算得出的开始时间、平均分数、瞬时分数、有效时间，并且“开始考核”指示框变为绿色。在司机点击附图2中的“结束按钮”以后，附图3中会在“结束时间”处显示结束时间，而且“开始考核”指示框变为灰色。
5 数据处理及查询
考试成绩通过以太网上传至管理服务器之后，通过利用VB编程对数据进行采集保存，建立司机考核成绩数据库，然后用帆软以封装定义数字中的“结束位”及“成绩有效位”为准对数据进行初步删选，尽可能的减少数据存储量，通过编程然后建立班组人员与ID的对应关系，并完成可利用时间段、操作员姓名、班组信息进行分类查询汇总的功能报表，并最终形成报表在web上供管理人员查询。
6 结束语
该监控考核系统投入使用以后，为评估取料机操作人员技能水平提供了量化标准，在工作的同时让操作人员随时掌握自己的工作状态，有利于发现解决工作中的难点，并通过一段时间的比较，了解的自己技能水平的提高，结合管理上的奖惩制度，可以调动了职工钻研技能的积极性、主动性，企业在节约了司机培训成本的同时，也达到了高效生产的目的。
参考文献：
[1]李齐权，刘立坤. 斗轮式取料机瞬时取料量自动控制技术的研究及其节能应用[J]. 河北工业科技，2014，31（4）：326-331.
[2]刘伟锋. 斗轮堆取料机取料能力的提升改造[J]. 矿业工程研究，2012（03）.
[3]梁 涛. Profibus 现场总线控制系统的设计与开发（第 2 版）[M]. 国防工业出版社，2013（6）.
[4]郝 坤. 基于PID闭环反馈控制的斗轮式取料机系统的研究[D]. 燕山大学，2016.
收稿日期：2019-10-23