移动机械自控系统PLC与地面通信系统设计--毕业论文.doc

学院毕业设计 毕业设计 题目：移动机械自控系统PLC与地面通信系统设计 I 摘 要本设计采用了可编程控制器和单片机共同作用的控制系统来解决料场的自动化控制问题。此系统以单片机与PLC通信为基础，组成的一种控制系统。本设计重点采用了基于西门子S7-200 PLC的自由口模式协议进行问题的解决。主要阐述了如何实现移动机车自动控制系统中PLC与PLC之间的通信，从而自动控制移动机车的各个动作。文章着重介绍了PLC的PPT主站通信模式和自由端模式，以及在这俩种通信模式中所用到的NETR,NETR和XMT、RVC指令，并用这些指令设计出地面基站与移动机车自控系统的通信程序。关键词：PLC自由通信；数据通信；感应无线；梯形图；编码扁平电缆ABSTRACT This paper introduces a system with PLC and single chip micromputer ,with aiming at the raw material yards situation and to solve the control problem.The communication s can be solved by programmd protocol under freeport communication function mode SIEMENS S7-200 PLC.The PLC on the mobile locomotive and the terrestrial base can connect with each other by their communication function.the article mainly elaborates that how to send information between the automatic control system of mobile locomotive and the terrestrial bases PLC.in this way,the system can run automatically.in the paper,it mainly introduces the PPI connection made and the connection by definition of user.AT the same time ,the pertinent commends NETW,NETR,XTM and RCV will be presented.and they will be used to realize communication between the mobile lococomotive ancl the terrestrial base. Key words:wireless ensors;data communication;freecommunication PLC;the coded flat electric cable；protocol ladderI 目录摘 要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1料场控制系统的现状11.2料场车自动化控制系统模块简述22 PLC概述32.1 PLC产生与定义32.2 PLC网络的通信方式41.周期I/O通信方式42. 全局I/O通信方式53. 主从总线通信方式64. 令牌总线通信方式65. 浮动主站通信方式76. CSMA/CD通信方式72.3 PLC机型的选择73 S7-200通信模块设计83.1通信模块设计的通信构成图及设计分析83.2 S7-200数据传输方式91.并行传输与串行传输92.异步传输和同步传输93.3 串行通信接口103.4数据传输方向123.5 数据传输介质123.6 通信设备12(1)通信端口13(2)PC/PPI电缆13(3)网络连接器14(4)网络中继器144 移动机车PLC与地面PLC的自由口通信模式设计144.1 通信流程144.2 自由通信口协议165 PPI主站通信设计176 主工作站通信程序设计分析186.1 通信程序设计分析186.2 主站工作程序207 车载PLC程序设计207.1 传送数据格式和信息格式217.2 从内存分配218 调试方法239 总结23参考文献24致谢25附录1 PPI梯形图26附录2 主工作站程序28附录3 从工作站程序30III 1 绪论 随着我国国民经济的快速发展, 工厂工业对焦炭的需求量大大增加。虽然我国是一个焦炭生产大国, 拥有焦炉有上千座, 可是我国生产操作的自动化水平太低, 基本都是由人工完成焦炉机车的操作, 这样不仅劳动强度大, 而且操作失误多, 设备故障率也高。焦炉是焦化厂的重中之重，焦炉机车如推焦机车、拦焦机车、熄焦机车和装煤机车都是焦炉上最为重要的生产机车。安全和有效的运行焦炉车辆，是焦炉生产的重要保障。由于焦炉车辆是在温度高、粉尘大、腐蚀性气体严重等恶劣环境中工作，机车太过于分散、活动次数过于频繁、运作时振动幅度大，多种原因使得系统检测准确率以及控制保证偏难，两者之间信息达不到及时与可靠传递。因此，焦化企业生产过程中的难点和重点则是焦炉车辆之间的点对点对位通信。直到PLC通信技术的应用这才很好地解决了这一难题。PLC即是可以编程的一种程序序控制器，它是一种通过数字运算来操作的电子系统，主要是为了在工业恶劣环境下应用的设计。其使用可编写程序的存储器，用以在内部存储进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数以及算术运算等操作指令，还通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各类型的机械和生产过程。PLC的特点有：编程方法简单易学；功能强、性能价格比高；可靠性高、抗干扰能力强；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；维修工作量小，维修方便；系统的设计、安装、调试工作量少；体积小，能耗低等特点。1.1料场控制系统的现状 实现移动机车与地面基站的通信，对提高生产管理水平、提高生产效益都有着重要的意义。例如：要是钢铁企业焦化厂的料场的堆料机、取料机、配料仓斗能互相进行通信、地址对位，实现各移动机车的连锁控制、生产全过程管理及计算机集中联控等一系列自动化操作。在此运作过程中，不仅减少了对人力的需求，减少施工人员在危险环境中操作的频率，保障了人身安全，而且还提高了自动化水平。提高了生产效益和经济效益2。 我们可以得知：实现个控制单元的通信，将改变工业生产控制方式，提高生产效益和增加经济效益，产生深远影响。 本课题利用PLC的通信功能，实现移动机车上PLC与地面基站PLC的通信。 研究的基本内容： （1）研究S7-200 PLC基本通信方式（2）研究S7-200 PLC实现通信的方法（3）完成PLC的PPI 通信设计（4）利用S7-200 PLC通信技术实现移动机车自控系统的通信1.2料场车自动化控制系统模块简述编码扁平电缆 地 面 基 站1号移动机车2号移动机车3号移动机车图1 移动机车自动控制系统图 该系统由机上部分、编码扁平电缆、地面基站三部分组成。其中机上部分由车载PLC、天线箱、调制解调器、显示器、变频器等组成。主要进行数据采集、信号现实、机车动作控制以及地面基站的通信等。编码扁平电缆是种独特的非屏蔽电缆。在本系统中，它作为传送车载PLC和地面网络发送的信号的通信电缆和精确位置检测的关键部件。地面中空室由主站PLC、通信器件、公控计算机等组成。主要实现机车位置检测，数据的统计、处理，向移动机车发送信息等功能。通过沿轨道安装的编码扁平电缆将移动机车和地面基站有机的联系起来，编码扁平电缆传送移动机车上控制和地面通信网络发送的信号并发生准确的位置检测信号，送到地面基站的感应无线位置检测装置得到各车的实时准确位置，移动机车自动控制系统示意图如图1所示2 PLC概述2.1 PLC产生与定义【3】PLC产生：最初的电气自动控制装置是继电-接触器控制系统， 它是一种以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件组成的逻辑控制系统，它具有结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修直观方便、适用范围广的特点。它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。因此，直至今日“继电-接触器 控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。 但是，由于“继电-接触器控制系统”的控制元件均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，不可避免地存在以下不足：通用性、灵活性差； 运行费用高、噪声大；体积大，材料消耗多；功能局限性大； 可靠性低，使用寿命短；不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制功能。 为了解决“继电-接触器控制系统”存在的通用性、灵活性差、功能 局限性大与通信、网络方面欠缺的问题。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM 公司）提出了一种新颖控制器的十大技术要求， 并面向社会进行招标。由此，PLC 应运而生。PLC定义：1969 年美国 GOULD 公司首先将 PLC 技术进行商品化并推向市场； 1971 年，在引进美国技术后，日本研制出了自己的第一台 PLC；1973 年德国 SIEMENS 公司研制出欧洲第一台 PLC；1974 年，法国随之研制出了 PLC。 到了 20 世纪 70 年代中期，PLC 开始采用微处理器。1980 年，美国电气制造商协会 （National Electronic Manufacture Assciation,简称 NEMA）将其可编程控制器进行如下定义： 可编程控制器（Progranmmable Logic Controller,简称 PLC）是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计时和算术运算功能；面向机器或生产过程的自动控制装置。2.2 PLC网络的通信方式【4】通信方式是通信协议最核心的内容，PLC网络由几级子网复合而成，而各级子网通信过程是由通过协议决定。通信方式主要有两种：存取控制方式和数据传送方式。所谓存取控制是指怎样获取共享通信介质的使用权，而数据传送方式则是指一个站获取了通信介质的使用权之后如何传送数据。1.周期I/O通信方式可编程控制器的远程I/O链路其实就是PLC控制网络中的一种，在该链路中采用“周期I/O方式”来交换数据。该链路按主站从站两种方式运作，主站为PLC远程I/O主单元，从站是其他远程I/O单元。主站中设立“远程I/O缓冲区”，采用信箱结构，每个分箱与每个从站相对应，单个分箱再一分为二，分别管理接收和发送。主站中的通信处理器用周期扫描方式，按照顺序和每一个从站进行数据交换，将其与之对应的分箱中传输的分格数据发给从站，并且对应的分箱接收分格中储存从从站中读取数据，这样来回往复，便可得到周期性的刷新主站中的“远程I/O缓冲区”。 PLC主站中的CPU单元是对用户程序进行周期性的循环扫描方式，在每个周期中都有一段时间集中进行I/O处理，这是它对本地I/O单元和远程I/O缓冲区所进行的读写操作。而且PLC的周期性扫描和PLC的CPU单元对用户程序的周期性循环扫描是异步进行的。尽管PLC的CPU单元没有直接操作远程I/O单元，但因为远程I/O缓冲区周期性的刷新，PLC的CPU单元读写操作于远程I/O缓冲区，便相当于直接访问了远程I/O单元。此通信方式要占用PLC的I/O区，所以，只适用于少量数据的通信。表面上来看远程I/O链路的通信就像是PLC直接读写操作于远程I/O单元进行，所以比较简单和方便。2. 全局I/O通信方式全局I/O方式就是一种串行共享存储区的通信方式，主要用于带有链接区的PLC之间的通信。PLC网络的每台PLC的I/O区中都划出一块作为链接区，并且使用图2所示邮箱结构。每个相同编号的接收区和发送区大小相同，占用地址段也相同，一个作为发送区，其它的作为接收区。使用广播方式进行通信。图中PLC1把1#发送区的数据放在PLC网络上传播，PLC2、PLC3在PLC网络上接收到后把PLC1发送的数据接收下来存入各自的1#接收区中，然后PLC2把2#发送区的数据在PLC网络上传播播，PLC1、PLC3在PLC网络上接收到后把它接收下来存入各自的2#接收区中， 最后PLC3把3#发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC2在PLC网络上把它接收下来存入各自的3#接收区中。在此广播通信过程中， 每台PLC链接区中的数据是相同的，此过程称等值变化过程，通过等值化通信让PLC网络中的每台PLC链接区中的数据保持一致。它包含自己送出去的数据和其它PLC送来的数据。每台PLC链接区一样大小，占用相同的地址段，任意PLC只要访问自己的链接区，就相当于访问了其它PLC的链接区和其它PLC交换了数据。通过这种通信方式链接区就成了所谓的共享存储，共享区就是各PLC交换数据的中介。链接区有两种方式刷新。等值化异步方式刷新；同步方式刷新。异步刷新与PLC中用户程序无关，由各PLC所带的通信处理器按顺序进行广播通信，周而复始，使其所有链接区保持等值化；同步刷新则是用户程序中对链接区的发送指令，每发送一次指令就启动一次刷新，这种方式只有当链接区的发送数据变化时才刷新。与周期I/O方式一样，全局I/O方式也要占用PLC的I/O区，因而只适用于少量数据的通信。这种方式优点是PLC直接用读写指令对链接区进行读写操作，所以方便、简单、快速，但应注意的是在一台PLC中对某地址的写操作在其他PLC中对同一地址只能进行读操作。全局I/O方式的通信原理如图2所示。1#接收区2#发送区3#接收区PLC2链接区1#接收区2#接收区3#发送区PLC3链接区1#发送区2#接收区3#接收区PLC1链接区 PLC网络图2 全局I/O方式的工作原理3. 主从总线通信方式 总线结构的PLC子网上N个站，其中只有一个主站，其它皆为从站，所以主从总线通信方式又被称为1:N通信方式。1:N通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，一般采用轮询表法。主从总线通信方式中有两种基本的数据传送方式：只允许主从通信，不允许从从通信，从站与从站之间要交换数据，必须经主站中转。既可主从通信也可从从通信，从站获得总线使用权后先安排主从通信，然后安排自己与其他从站之间的通信。4. 令牌总线通信方式 令牌总线通信方式又称为N：N通信方式。在总线结构的PLC子网上有N个站，N个站都是主站。N：N通信方式采用令牌总线存取控制技术。数据传送方式有：1.无应答数据传送方式。2.采用有应答数据传送方式。有应答数据传送方式比无应答数据传送方式的响应