基于Modbus网络和PLC控制的远程控制电性能系统的研究与应用

基于Modbus网络和PLC控制的远程控制电性能系统的研究与应用

叶,帆

上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805

摘要：随着汽车行业的不断发展及人们生活水平的提升，对汽车制造业提出了更高的要求；汽车由传统的机械结构不断向电气化、智能化迈进，特别是新能源汽车的快速发展使汽车电子在整车中的比重不断提高，为了能够使汽车质量有所提升，这就对汽车零部件质量提出了更高的检测要求。本文结合实际检测案例，介绍远程基于Modbus网络以及PLC控制的新型远程控制系统，从满足这套远程控制系统，可以使公司实现行业领先的电性能测试自动化测试功能服务，并且大大节省人力物力成本，以提高该单位的工作效率和市场竞争力，实现对各个不同样品及电压电流温度的自动检测及测试。

关键词：汽车；电路检测；机械结构设计；在线测试

0 引言

在科技飞速发展的当代社会，自动化检测技术在国家制造行业当中占有重要地位，最为明显的便是汽车行业；随着汽车不断向电气化、智能化方向发展，汽车电子在整车中的占比越来越高，这对于电路的检测要求越来越高，目前行业内的普遍做法是采用人工检测，即一个工人操作一台电源设备及电源检测，随着产品检测的需求量的提升，人工操作存在诸多弊端逐渐显现， 远程及自动化检测已经迫在眉睫。

1 远程监控系统简介及其发展现状

现代的监控系统大多为计算机监控系统，由计算机监控软件、检测装置、执行机构与被监控对象共同构成，实现了对所监控系统的自动检测、监督和控制功能并且迎合了现代企业在生产和管理中对大量参数进行实时监测、管理决策和自动控制等需求。但是由于不同领域所涉及的生产流程、工艺参数以及对环境的适应性、数据的实时性可靠性等要求各不相同，使得测控领域也按照不同的系统需求来发展各自的系统结构和通信技术，导致了大多数监控系统都是独立的面向单一、特定类型的设备。然而随着生产力的发展，需要被监控系统越来越庞大，系统中的监控点也越来越离散。面向单一，特定类型设备的监测系统已跟不上现代化企业的生产需求，于是分布式监控系统应运而生，分布式监控系统通过计算机网络可以将系统资源进行更加合理的分配。现在传统的分布式监控系统大多使用局域网进行数据的交换和传输，这种监控方式会受到很大的地域性限制，所以当所监控点的离散程度超过局域网的适用范围时，远程监控系统就成为了更好的选择。远程监控是本地计算机通过网络系统如Internet/Intranet，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能，通常把能够实现远程监控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统[1]。相对于基于局域网的分布式系统，这种远程分布式监控系统可以突破地域的局限性使人们更加灵活方便的对所监控系统进行监控、实现数据的共享并在紧急情况下快速做出决策。

2 建立远程自动化9点功能测试控制系统的意义

为了保持实验测试的准确性，现阶段的电性能的主要模式为远程操作控制，实现一键启动，一键出报告。 而传统的测试工作主要以人工现场手动操作、现场记录为主。测试人员往往要一直待在测试现场进行测试，非常的不便，而且这种监测方法存在监测频次低、监测数据分散、不能及时反映监控数据等缺陷，难以满足快速，大规模测试的需求。

本系统的研发也是多学科技术的综合应用，它将结合Modbus无线传输技术，计算机通信技术，工业自动化控制技术，现代传感器技术等多方面技术进行设计。

3 现场监控及其通信系统的设计与实现

3.1 三菱FX2N-64MR-001 PLC

系统采用三菱FX2N-64MR-001 PLC作为现场控制的设备。它是微型PLC的顶尖产品，CPU运算处理速度可达0.08uS/基本指令，可靠工作时间最长可工作30万小时，拥有高级的功能逻辑选件以及定位控制等功能；FX2N系列是小型化，高速度，高性能以及便捷性都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入输出16~25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可根据电源及输出形式进行16~256点的灵活扩展输入输出组合。除此之外其内置8K容量的RAM(Random Access Memory，随机存储器)存储器，可使用存储盒扩展至16K步。内置实时时钟（有时间设定指令、时间比较指令，具有闰年修正功能），拥有各类数据读取、处理指令集，并可进行多样化的通信、输出及控制。

3.2 FX2N-232-BD扩展单元

系统采用FX2N-232-BD扩展单元实现Modbus模块与PLC之间基于RS232C标准的半双工串行通信。每个FX2N主单元只能连接一个FX2N-232-BD；此扩展单元不占用I/O点。其通信格式由FX2N可编程控制器的特殊数据寄存器D8120进行设置。具体内容见表3-1。

表3-1 D8120寄存器中的通信格式的设置

3.3 串口通信格式设置指令

此部分命令需计算机通过串口进行预设。

载波检测设置

输入指令：AT^&C[value]

响应：设置成功：OK

  设置出错：ERROR

参数：[value]：0为DCD(Data Carrier Detect，数据载波检测)信号总是为ON，1为DCD信号只有在有数据传输的时候为ON（默认值），[value]参数缺省时默认为0。

功能及说明：对Modbus模块RS232(DB9)中的line 1(DCD)的工作模式进行设置。系统中设置为AT^&C1。

3.4 软件界面设计及使用方法

远程中心界面的UI设计主要由QTGUI库中以QObject为基类的各继承类实现，包括QTreeView、QTableView、QTabWidget、QRadioButton、QLabel、QGroupBox等QT自带控件类，以及自定义扩展控件等。并且通过connect()函数将相应对象的动作信号与所触发的槽函数联系起来。

远程监控中心的登录界面如图3-1所示，在输入正确的用户名，密码以及登录身份后，可以相应的权限进入监控中心，管理员身份可以新建工程，录入，修改或删除工程的基本信息，同时对远程端的数据进行监测，控制等操作，而以监测工程师或者客户身份进行登录的权限则会相应降低。

图1 监控中心登录界面

在成功登录后，系统会进入相应的监控界面，监控界面下的子功能界面主要分为实时监控，监控曲线，数据查询，统计信息。分别如图2、图3所示。

图2 监控中心实时监控界面

实时监控子界面可以对数据库中已注册的所有系统进行状态和各类系统指标的监控，并根据数据库中各指标对应的警戒值和超标值在主界面中进行全局的警戒和超标报警，并且在监控总览表和树状选项卡中进行相应颜色的报警提示。使监控人员对当前所有项目进行全局性的监控。

图3 监控中心监控曲线界面

监控曲线子界面可以根据树状选项卡对所选项目进行实时监控，并且可以根据数据库中的数据绘制历史曲线。曲线图上方的功能按钮可对曲线进行放大、缩小、复原、上下左右平移、数据导出以及具体监控数据显示等。使监控人员对当前重点监控项目的走势和波动等进行直观的判断。

（1）设备功能如下：

1：设备可对测试样品做5点法功能测试；单路最大电压0-30VDC   0-10A

2：设备可对测试样品做全程采集电压曲线，电流曲线，温度曲线，并实时记录保存功能

3：设备可对测试样品曲线放大缩小，回看截图等功能，方便出具测试报告曲线截图

4：设备可对测试样品做定时通断测试；单独最大时间0-99999.9S

5：设备可对电源进行远程通信控制；电压可在测试界面内自动调整

6：设备可同时检测2路温度信号变化曲线

7：软件由Labview编写，可进行10CH单独编程控制；

8：设备可实时显示每一路通断时间；

（2）使用方法介绍：

1：将被测样件DC电源±端接入控制机箱的红色及黑色端子上。可同时接10CH通道。

2：打开电源及将样件放入环境箱内，同时将PT热电偶同步放入环境箱内。

3：在测试温度，测试电压，测试时长分别输入需要测试的对应数值，例如23度下测试电压设定为12V，测试时长为10S.

4：选择数据保存的路径，可修改文件夹名字。

5：点击启动测试，程序将自动运行起来。采集到的电压，电流，温度的数据遵循去掉最大值及最小值，中间的数据取平均数记录。保证数据的可靠性及发生异常波动。

6：下方会记录测试时间及日期，对应的每一个CH的电压电流及温度数值。

7：测试完成后，点击停止按键即可。

（3）手动控制界面：

手动控制01-10开关可以分别手动点动控制通断，用于测试样品是否正常。

（4）实时电流界面：

可以实时监控每一路的实际电流值，可以测到电流大小，用于判断样件的情况。

（5）通道使能界面：

如测试过程中出现样品异常可点击使能按键，启动或停止测试，并且不影响其他样品的测试进度及时许。

4 测试机构的系统控制方式

测试设备的软件系统由三部分组成：工控机,数据采集卡，PCB控制板。工作流程如下图所示：工控机由编辑好的程序传送上电命令至PCB控制板，这时电源会输出一个电压电流提供给输入端口，输入端口样品得电后正常工作，此时，电子设备由于上电，每个样品都对应的CH端口会有一个电压值及电流值，数据采集卡会采集回对应的数据，将电压电流信号转换为数字信号传送回给工控机，此时工控机会根据预先设定的程序来采集及控制在什么温度下，测试电压是多少，测试时长是多少。根据实时采集出来的数值取平均值，显示在数据库的下方框内；如超过限值则软件输出报警。

图4 测试机构的系统控制流程图

5 结语

随着我国汽车行业的蓬勃发展，自动化生产线技术得到了普遍运用，并且伴随其相关技术不断发展，自动化生产技术越来越丰富和成熟；利用当前最成熟的通信网络来构建远程监控系统无疑是最高效，最可靠，最经济的方式。本系统结合Modbus技术、PLC控制技术，Internet网络以及数据库技术构建的系统，有助于提高工作效率及成本。自动化测试代替人工检测，有利于提高生产产品质量一致率，提高生产测试效率，降低劳动力成本，生产产品可追溯，方便产品质量把控、管理，可以实现产品自动连续生产，适用于多种汽车零部件的功能检测，柔性较大，适用于多品种或单一产品的检测模式，具备较高的推广应用价值。但在实际生产过程中难免会遇到各种问题，需要采取有效的解决方案，对企业来说，持续改进永无止境，“没有最好，只有更好”。而当下中国的劳动力成本逐年升高，将来会有越来越多的项目考虑用自动化程度高的设备来代替人工。然而，在考虑发挥设备最大功效的同时，要始终考虑人在生产中的重要作用，保证设备与人的最大平衡与协调，发挥人的主观能动性。

本文从系统的整体设计角度出发，分别从系统的设计目标，现场监控通信系统的设计，以及远程监控中心的设计三方面对系统的设计进行了详细的介绍。本文完成的重点研究内容如下：

（1）参照GB 50050-2007确立了在线监控系统所需要监控的主要指标，根据系统设计需求对系统进行整体的划分。

（2）对于现场监控及其通信系统，简要介绍了系统采用的主要元器件及其整体架构、Modbus模块AT指令的控制方式，讨论了自动控制算法的流程及其优化方案，完成了PLC控制系统、PLC与Modbus模块交互流程以及Modbus模块与远程服务器连接流程的设计。并通过GX Works 2对现场监控及其通信系统进行实现。

参考文献：

[1]陈白冰.自动化技术在汽车机械控制系统中的应用探析[J].湖北农机化,2020,(1):73.

[2]李佳,蔡博.机械自动化技术在汽车控制中的应用探析[J].建筑工程技术与设计，2018，（31）：3221.

[3]张岩.机械自动化技术在汽车控制中的应用探析[J].电脑迷,2018,(28):148. DOI.

[4]王大伟, 龚清萍, 张德晓. ICT 测试技术在航空电子产品PCBA 测试中的应用[J]. 航空电子技术, 2014 ,45(4).