（机械电子工程专业论文）基于plc的到发场车辆防溜系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学穰论文第l 页 摘要 随着我国铁路运输业的快速发展，对到发场作业的自动化水平 提溅了更高的要求。到发场车辆的防溜作业则是关系到铁路安全运 输的重要一环。目前到发场防溜作业一般采用传统的铁鞋和制动手 闸，其工作效率不高且存在很大的安全隐患。尽管近年来在驼峰尾 作业中开始应用了一些新型的制停防溜装置，其中以液压线气压驱 动方式居多，但在技术上尚存在这样或那样的不足，整体自动化水 平还不高，而在中间站到发场的车辆防溜作业中基本上还是空自。 鉴于此，本论文从到发场工作实际出发，在西南交通大学研制 的z t l 型峰尾停车器基础上，进行结构优化和改造，研究并设计出 基于p l c 的到发场防溜系统。本系统采用欧姆龙公司c p m 2 a 系列的 p l c ，实现对到发场各股道的防溜制动器的控制、状态监测及故障保 护；通过网络与上位机进行通信，构成上位机与p l c 相结合的集散 控制系统。 在本系统中，控制股道采用模块化设计，每p l c 控制4 股道。 在p l c 之闻、p l c 与上位机之闻构建h o s tl i n k 圈络。系统除进行 作业控制之外，还能对股道、制动器进行故障判断和异常报警，使 系统能够得到及时维护，同时也对车辆位置进行检测。本系统可大 大提高到发场作业效率，减轻工作人员的劳动强度，使事故发生率 大大降低。对实现铁路运输业自动化具有现实意义。 关键词：到发场防溜装置p l c h o s tl i n k 网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t h t h e h i g h - s p e e dd e v e l o p m e n t o ft h e r a i l w a y t r a n s p o r ti n d u s t r y , r e q u e s tt oi n c r e a s et h ea u t o m a t i o nl e v e lo ft h e a r r i v a l d e p a r t u r eo p e r a t i o n s a n t i s l i po p e r a t i o n so fa r r i v a l - d e p a r t u r ei s a ni m p o r t a n tp a r to ft r a n s p o r t a t i o n t o d a y al o to fa n t i c r e e pd e v i c e si nt r a i nc o n t r o ly a r d sh a v ea l s o a d o p t e dt r a d i t i o n a lt e c h n i q u e ss u c ha sb r a k es h o e sa n dt h eh a n db r a k e ， h o w e v e ri ti si n e f f e c t i v ea n dh a sp o t e n t i a ls a f e t yh a z a r d s t h o u g h ，t h e e n do fh u m p o p e r a t i o n ss t a r t e ds o m en e wa p p l i c a t i o no ft h es y s t e mo f a n t i s l i pd e v i c ei nr e c e n ty e a r s ，m o s to fi sh y d r a u l i cc y l i n d e ra n da i r p r e s s u r e ，h o w e v e r ，t h et e c h n i c a ls u r v i v i n gi nt h i so rt h a ti n a d e q u a t e t h eo v e r a l ll e v e lo fa u t o m a t i o ni sn o th i 曲i ti sb a s i c a l l yb l a n ki nt h e v e h i c l ea n t i - s l i po p e r a t i o n s i ni n t e r m e d i a t es t a t i o n t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ez t - 1t y p eh u m pe n dc a rs t o p p e r d e v e l o p e db y s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y s r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tt e a m ，t h e yh a v ei m p r o v e dt h eb a s i c ，o p t i m i z ec o n f i g u r a t i o n t h ea u t h o rh a v er e s e a r c ha n dd e s i g nan e wa n t i - c r e e pd e v i c e t h i s d e v i c ea d o p t st h ec p m 2 as y s t e mp l co fo m r o nc o r p o r a t i o n t o a c h i e v et h eb r a k ec o n t r o l ，s t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l tp r o t e c t i o no f a n t i s l i pb r a k e si nt h ea r r i v a l d e p a 纛u r e 。c o m m u n i c a t e db r a k ea n dt r a c k s i g n a lb e t w e e nl o w e rc o m p u t e ra n du p p e rc o m p u t e rb yn e t t h es y s t e m ，c o n t r o lt r a c kh a sa d o p t e da ne x c e l l e n tm o d u l a r d e s i g n e a c hp l cc o n t r o l s4t r a c k s b e t w e e np l ca n du p p e rc o m p u t e r , t h e y u s eh o s tl i n kn e t w o r kt oc o m m u n i c a t e a n di tc a nd i s t i n g u i s hf a u l t a n da l a r mf o rd i s o r d e r , a n dc a na l s om a k es y s t e mm a i n t e n a n c ew a r n i n g a tt h es a m et i m ei tc a nc h e c kt h et r a i n sl o c a t i o n t h i ss y s t e mw i l l i n c r e a s ew o r ke f f i c i e n c yg r e a t l y a n da l s od e c r e a s e st h ew o r k e r s l a b o u ri n t e n s i t ya n dc h a n c e so fa c c i d e n t s k e yw o r d s ：r e c e i v i n g - d e p a r t u r ey a r da n t i - c r e e pd e v i c ep l ch o s t l l n kn e t w o r k 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据瘁进行检索，可戮采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 。保密豳，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打搿4 捧) 学位论文作者签名：j 毫敝 日期：p 帕了6 。r 指导老师签名：娟捧 日期：缈莎，6 3 - 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文所研究的到发场防溜系统结合我校研制的车辆防溜装 置，通过p l c 现场控制和上位机监控实现防溜装置的自动化作业、故 障监测及报警。 本系统解决了防溜装置在制动和缓解之闻自动转换，提高了作 业效率。同时监测防溜装置的工作过程，能准确地检测出防溜装置部 件故障，以便及时对防溜装置进行维修，提高了系统的可靠性。根据 实际情况，在系统各设备的安装、通信介质的选择以及通信介质的布 线上都能很好地抑制了现场各种干扰。 ， 目前在我国铁路还没有针对到发场十分理想的防溜装置的情况 下，本系统的研究与开发是一项非常有意义的课题和尝试，为实现到 发场自动化安全作业奠定了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着国民经济迅速发展，铁路货物运输日趋繁重，车站的各种 运输组织也日益繁忙，因此铁路安全面临着更加严峻的形势。长期 以来，防止车辆溜逸是铁路安全的非常重要的一部分。随着铁路工 作站场尽益繁忙，车站到发场发生车辆溜逸事故的概率也隧之升， 若不采取有效的防溜措施，将会发生重大的安全事故，给国家造成 巨大的经济损失。 目前尚无有效技术手段能杜绝此类事故的发生，对停放在到发 线上的列车或车辆予以可靠铡动，并监控其制动状态和位置，从两 达到防止列车或车辆溜逸的目的。因此，如何防溜、防溜的科学性 和可靠性等问题成了铁路安全的重要课题。 1 到发场防溜现状 目前，关于编组站驼峰作业的尾部的防溜设备比较常见，但对 于到发场车辆防溜基本还是采用比较原始的铁鞋制动加手制动机， 完全靠人工操作，劳动强度大，工作效率低，容易因人为因素造成 安全责任搴故。主要的闯题如下： 1 手制动机： 1 ) 制动力因人焉不同。毒予制动员酶手力各有差异，如果力度 不够，必然存在车辆溜逸的隐患。 2 结构中无保安装置。手闸割动的结构，没有自锁功能，易使 手制动机失去防溜作用。 3 与当今的车站自动他极不相称，严重阻碍了铁路运输业的发 展。 2 。铁鞋制动： 1 ) 铁鞋作业不便，并且上、下铁鞋需要有高度的责任心。如果 调车人员稍有琉忽，挂车或发车时，未及时取下铁鞋，将造成带鞋 开车，容易擦伤车轮、挤坏道岔，甚至车辆脱线，造成事故。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 ) 铁鞋极易丢失，如有遗失，将使停留车辆的驻车制动力不足， 极易在环境外力作用下发生溜逸，其后果不堪想象。 针对到发场防溜现状，笔者认为到发场防溜可借鉴编组站驼峰 作业的尾部防溜设备和技术。目前，大部分峰尾停车防溜自动控制 系统的基本结构，由控制系统硬件和控制系统软件两部分组成，其 功能结构上将峰尾调车进路控制、驼峰头控制部分与尾部停车防溜 装嚣控制结合起来，峰尾停车防溜与调车进路通过计算机网络技术 处理实现自动控制。系统运作时，只要驼峰信号楼操作员准备调车 进路完毕，相对应股道的停车防溜装置就能自动转换为制动位或缓 解位的状态。因此，到发场防溜系统也可形成车站调度室的上位机 控制、现场p l c 和防溜制动设备相结合的控制系统。 1 2 论文设计任务 到发场防溜控制系统作业环境恶劣，制动器安放在到发场到发 线首尾。为了防止到发场茵制动器制动不力蔼溜逸，因此要求系统 作业稳定、可靠，不受到发场电磁、噪音和信号干扰，股道作业状 态和故障报警要即时、准确上传上位机。整个系统的设计主要要涉 及的内容如下： ( 1 ) 防溜控制系统方案的研究与设计； ( 2 ) 对防溜制动器实现p l c 分布式控制及监测； ( 3 ) 各节点与上位机的通信网络设计、合理布线； ( 4 ) 系统软硬件采用模块化设计，便于系统扩展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 员 第2 章到发场和防溜装置 2 。 车站到发场 货运站是铁路货运的车站，其功能主要是从事货运业务，包括 货物承运、装卸作业和货物列车的到发作业。根据需要设置若干到 发线、编组线和货物库场、库房等设施。货运站的布置形式基本分 两秘：一是通过式的客、货运站，其正线和到发线是贯通的，货运 库场布置在铁路的一侧；二是尽头式货运站，其到发线是尽头式的， 货运站房和库场设于到发线的终端或一侧。 根据列车作业的性质可分为编组站、区段站和中间站3 种。此 外还有为工矿企业服务的专业化的车站，这些站点有的设有到发线 或者是到发场。 到发场是区段站、编组站办理列车到达、出发、技术检查、机 车的换挂、机车和车辆检修、车辆编组等业务所设的供机车和车辆 暂停的场所。到发场的大小要根据该站作业量、各项设备数量、区 间通过能力、列车流量等诸多因素密切相关。统计结果表明，无论 是到达场、到发场还是出发场，列车占用到发线时闻和到发线利用 系数等差别均不大。在同一行车辆情况下，所需要线路数量的差别 都较小。因此，到发场大小没有按不同性质的车站划分。2 - 1 和2 - 2 图分别是双线纵列式和双线横列式区段站布置图。 图2 - 1 双线纵列式 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 圈2 2 双线横列式 在铁路运输高速发展的今天，车站作业效率直接影响到铁路运 输的效率，而在车站作业中，到发场的作业效率必然成为其中重要 的一环，到发场最重要的就是对停留的车辆的各种技术作业。丽停 留的车辆若不采取可靠的制动措施将会发生车辆溜逸，引发严重的 安全事故。就其原因有以下几个方面的因素： ( 1 ) 大部分铁路站场的站线，都存在一定的坡度。 ( 2 ) 近年来，货车滚动轴承化，车辆起动阻力减小。若车辆在站 内停留，采取防溜措施不当，车辆就会在诸如风力、邻线过车车辆 振动等外在因素的作用下就发生溜逸。 ( 3 ) 铁路机车车辆连挂时，若调车员未将车钩提开，车钩碰撞以 后，也可能造成车辆的溜逸。 ( 4 ) 到发场防溜器具丢失、损坏，引起车辆溜逸 ( 5 ) 作业条件不良和调车人员不重视防溜。作业人员在时间紧、 任务重时重效率、轻安全，忽略防溜；天气不好和夜间照明不良都 可能造成车辆溜逸。 2 2 防溜装置 本系统的防溜装置借鉴编组站峰尾制停防溜装置的设计理念。 最近几年，对编组站峰尾制停防溜研制了一些自动控制装置并 投入现场使用，总的看来以液压式，气压式居多。但液压式防溜制 动器首先 ! 譬解决液压源及其传输润题，嚣此液压泵站、和输油管道 就必不可少；同样，气压式防溜制动器则需要配备空气压缩机、储 风缸和空气管道。_ 焉且液蓬系统或气压系统初期投入较大，施王量 大；长期使用还会出现管道泄漏、液动( 或气动) 器件等故障，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 丽在使用中需要经常对动力系统进行维护，也势必给站场带来不小 的物力和人力负担，并且安全性能也要大打折扣。在运用中，这些 车辆防溜装置对于那些车辆质量大、到发场坡度大或者风力大的地 方，制动器的制动力往往显得不足，因此制动装置制动的同时还必 须另加铁鞋制动。这就同样出现了操作不慎、有误和铁鞋遗失所带 来的隐患，当然也增加了到发场不少的工作量。 本制动装置摒弃了采用液压和气压制动装置的设计思想，采用 由电机驱动的机械传动装置，不仅能将初期投入降到最低，而且维 护周期大大延长。而本制动装置机械结构上如图2 - 3 所示，采取自 动升降方式，当装置处于缓解状态时，制动装置制动轨处于低位， 不影响其他车辆经过。当装置处于制动状态时，制动轨处于高位， 此时，制动轨和车轮侧面接触面积较大，因此所产生的制动力较大。 这解决了一些到发场因风力、坡度较大等因素要求较大制动力的难 题。当电机正转时，电机通过减速箱带动丝杆和传动杆向股道内方 向传动动力，通过摇臂摆动使传动轴以及传动轴上的凸轮旋转，凸 轮旋转推动弹簧挡板和撑臂使两条制动孰向股道两侧馋张，从恧完 成制动轨的制动功能。当电机反转时，通过上述机构使两条制动轨 向内侧收缩，从而完成制动轨的缓解功能 可靠性和可维护性是运用成败的关键。由于液压式和气压式装 置存在瀵漏的危险，所以降低了运行的可靠性。如果发生管路泄漏， 而且掩埋管路的泄漏点又难于检测，致使液压或气压动力装置失效； 同时对环境也存在不小的污染，这绘维护增加了不小的难度，也增 加了维护时间，必将对车辆防溜作业带来严重影响。而本装置的传 动机构不存在管路泄漏的问题，而且安装位置便于检测及维护，哪 里出现问题都一目了然，一些常见故障只需要进行简单的更换就可 以了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - 3 制动器结构简图 综上所述，该制动防溜装置相对已有的防溜装置在设计理念是 上有了很大的改进，使到发场防溜作业有质的飞跃，大大加快了到 发场自动化作业的进程。 谣南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第3 章防溜系统的控制 本章主要内容；根据制动防溜装鬟的王侔原理和王作流程，皇 要研究土位祝与p l c 链接的技术方案和条件，介绍p l c 原理、构成 释鹰用特点以及上位槐实现对节点p l c 酶隧终避售。 3 。l 防溜控制系统的原理及组成 隧着铁路援米装备豹不断发腥，辈辆防灌器作势先进的爨漕逸 设蓊正逐步在到发场使用。基于p l c 的到发场攀辆防溜逸装置就是 针对铁路赞站剿发场防车辆、车刭潜遽开发酶一套自动纯设备。它 对股道军列各种作业僖息和状态信息进行采集，并采震传感器监测 防溜器的制动与缓解动作。土述信号经电缆或光纤传送到p l c ，经 p l c 处理后，送往上链计算橇，在诗冀视羼纂土显示整个系统鳇工 作状态，并进行操佟控糕、故障报警及处理、关键数据的粪询管理 和打印撤表。本制动装置系统豹攘制操作由王作人员在车站工律窒 进行，既增强了系统的安全霹靠僚又减轻了王入躲劳动强度。实现 远程控剽，失到发场进一步爨动化繁来了契枫，这誉枝提薅了刘发 场作业的效率，适应现代化铁路作业的要求，也增加铁路作业的安 全牲，默焉产生更大翡经济效益期社会效益零 从整防溜体系来米看，可分必三部分，即：进行现场僚业的制 动装黉、现场控制制动设备昀p l c 帮监控整个现场状态和傣监黪上 位桃。该系统工作流翟如图3 - 1 所示： 纛整麓蕴涟 匿3 一l 系统互捧方框圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 系统制动流程： p l c 制动信号输出一一电机正向运转一一丝杠转动一一传动杆 惫蘸传动动力接近开关开始检测一一摇臂摆动动力杆旋转 一一凸轮旋转弹簧挡板向轨道移动一一制动轨张开一一制动到 位检测信号p l c 取消命令电视停转作监完毕 系统缓解流程 p l c 缓解输出一一电机反向运转一一丝杠转动一一传动秆向后 传动动力一一接近开关开始检测一一摇臀摆动动力杆旋转 凸轮旋转弹簧挡檄向中间移动一制动轨内伸缓解到位检 测信号p k 取消命令电机停转作业完毕 3 。2 防溜系统控制方案设计 在本控制系统孛，同蒴溜控制室中的上位枫对现场p l c 进行实 时监控和管理，现场p l c 对股道作业进行制动与缓解控制，若所要 控制的毅道数是l 为遒( 可根据站场实际设置) ，而且各个股道独立 工作，没有逻辑上的关系，阀时也为了便于扩展、简化编程、缩短 程净扫描时闻，我们采用模块化设计的方法，帮：每4 股道用一个 p l c 进行控制。 该系统通过现场p l c 实时采集站场所有传感器信号。并对这些信 号的逻辑关系进行识别，并秘站场作业要求进行对比分析詹，将结 果传送至防溜控制室的上位机，进行站场实时工况的图像显示、语 音提示和故障报警，对操作员起到有力的辅动作耀，从两提高防溶 器系统使用的安全和可靠性。同时记录各项作业的实施时刻，为维 修和事故分析提供技术依据。 车站防溜控制室至到发场的距离视不同的车站不尽相间，从几 酉米到凡千米不等。在车站现场，蠹于存在电磁、嗓音、铸号等干 扰，因此在防溜控制室到到发场第一个p l c 所在的这段距离采用光 纤通信。掇据中霆铁路区闻站内两相邻线路孛心线润赡标准距离是 大约5 米，粗略估算，第一股道到最后一股道之间的距离是1 0 0 米 左右，茭了节省光纤转挨模块帮减少光纾接线，在第薹个和第4 个 p l c 之间采用双绞线通信。控制框图见如下所示； 谣南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 车站防溜控制室 r 一一一一一一一一一一一一 3 3p l c 技术 图3 - 2 控制系统布置 3 3 1 可编程控制器的定义 可编程控制器，简称p l c ( 可编程控制器) ，是指以计算机技术 为基础的新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际电工委员会颁布的p l c 标准草案中对p l c 做了如下定义：“p l c 是一种专门为在工业环境下 应用丽设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存 储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和 算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。蚪p l c 及其有关的外围设备都应该 按易于与工业控制系统形成个整体，易于扩展其功熊的原则丽设 计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 3 3 2p l c 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件 进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量 离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统 来实现的。1 9 6 8 年美国g m ( 逶用汽车) 公司提出取代继电气控制装 置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技 术的控制装置，首次采用程序化的手段应用予电气控制，这就是第 一代可编程序控制器，称p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p c ) 。个人计 算机( 简称p e ) 发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器 的功能特点，可编程序控制器定名为p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) 。上世纪8 0 年代至9 0 年代中期，是p l c 发展最 快的时期，年增长率一直保持为3 0 4 0 。在这时期，p l c 在处理模 拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提 高，p l c 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制 领域处于统治地位的d c s 系统。p l c 具有通用性强、使用方便、适 应诬广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。p l c 在工业 自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取 代的。 3 。3 。3 可编程控制器p l c 的组成 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定 式p l c 包括c p u 板、i o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元 素组合成一个不可拆卸的整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模 块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组 合配置。 i ) c p u 的构成 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个 c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据， 用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定 酉南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 的寄存器中，嗣时，诊断电源和p l c 内部电路的工作状态和编程过 程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指 令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有 关的控制电路。 c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数 据、控制及状态总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及 有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成 单元。 c p u 的控制器控制c p u 工作，由它读取指令、解释指令及执行 指令。但工作节奏由振荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运 算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结 果，它也是在控制器指挥下工作。 c p u 速度和内存容量是p l c 的重要参数，它们决定着p l c 的工 作速度，i o 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2 ) i 0 模块 p l c 与电气回路的接蜀，是通过输入输出部分( i o ) 完成的。 i o 模块集成了p l c 的i o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态， 输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换戒数字信号进 入p l c 系统，输出模块相反。i o 分为开关量输入( d i ) ，开关量输 出( d o ) ，模拟量输入( 矗i ) ，模拟量输出( h o ) 等模块。 3 ) 电源模块 p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。阕时，有 的还为输入电路提供2 4 v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源 ( 2 2 0 v a c 或l l o v h c ) ，直流电源( 常用的为2 4 v d c ) 。 其它设备。 4 ) 编程设备 编程器是p l c 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控p l c 及p l c 所控制的系统的工 作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器p l c 一般有手持 型编程器，目前一般e l j 计算机( 运行编程软件) 充当编程器。也就 是我们系统的上位机。 5 ) 人机界面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶羼( 或触摸屏) 式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机( 运行组态软件) 充当人机界面非常普及。 3 3 4p l c 的优特点 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规 模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进 的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余c p u 的p l c 的平 均无故障工作时间则更长。从p l c 的机外电路来说，使用p l c 构成 控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接 点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有硬 串故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在 应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系 统中除p l c 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个 系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2 ) 配套齐全，功麓完善，适用性强 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产 品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外， 现代p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温度 控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人枫界 面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 3 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。 它接墨容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图 形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关 量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功熊。为不熟悉电 子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制 打开了方便之门。 4 ) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备钤部的接 线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易 起来。更重要的是使网一设备经过改变程序改变生产过程成为可畿。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 5 ) 体积小，重量轻，麓耗低 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于l o o n ，重 量小于1 5 0 9 ，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实 现机电一体化的理想控制设备。 3 。3 。5p l c 提供的编程语言 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特 点： 1 ) 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、 串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 2 ) 梯形图中接点( 触点) 只有常开和常闭，接点可以是p l c 输 入点接的开关也可以是p l c 内部继电器的接点或内部寄存器、计数 器等的状态。 3 ) 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串 联。 4 ) 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载， 只能做中间结采供c p u 内部使用。 5 ) p l c 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫 描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序 中可以当做条件使用。 6 ) 语句表语言，类似于汇编语言。 7 逻辑功缝图语言，沿用半导体逻辑框圈来表达，一般一今运 算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。 3 4p l c 通信 当任意两台设备之间有信息交换时，它们之问就产生了透信。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 员 p l c 透信是指p l c 与计算机、p l c 与p l c 、p l c 与现场设备或远程i o 之间的信息交换。p l c 通信的任务就是将地理位置不同的p l c 、计算 祝、各种现场设各等，通避通信介质连接起来，按照规定的通信协 议，以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。 本节主要讲解p c 与p l c 之闻的通信，其他透信的关键是配备适合的 连接模块。 个人计算机( p c ) 具有较强的数据处理功能，配备着多种高级 语畜，若选择适当的操作系统，则可提供优良的软件平台，开发各 种应用系统，特别是丰富的画面显示。随着工业p c 的推出，p c 在 工业现场运行的可靠性不断提高，p c 连入p l c 应用系统带来诸多好 处。把p c 连入p l c 应用系统是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、 动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管 理等多种功能，为p l c 应用系统提供良好、物美价廉的人机界面。 3 4 1p c 与p l c 通信条件 为了实现p c 与p l c 的通信，必须满足以下几点条件： 1 ) 判别p c 上配置的通信日是否与要连入的p l c 匹配，若不匹 配，则增加通信模板。 2 ) 要清楚p l c 的通信协议，按照协议的规定及帧格式编写p c 的通信程序。p l c 中配有通信机制，一般不需用户编程。若p l c 厂 家有p l c 与p c 的专用通信软件出售，则此项任务较容易完成。 3 ) 选择适当的操作系统提供昀软件平台，利用与p l c 交换的 数据编制用户要求的画面。 4 ) 若要p c 具有编程功能，应配置编程软件。 只要为p c 配备该种p l c 网专用的通信卡以及通信软件，按要 求对通信卡进行初始他，并编制用户程序郎可。 带异步通信适配器的p c 与p l c 通信并不一定行得通，只有满 足如下条件才能实现通信。 1 ) 只有带有异步通信接口的p l c 及采用异步方式通信的p l c 网络才有可麓与带异步透信适配器的p c 互连。同时还要求双方采用 的总线标准一致，都是r s - 2 3 2 c ，或者都是r s - 4 2 2 ( r s - 4 8 5 ) ，否则 西南交逶大学硕士研究生学位论文第1 5 页 要通过“总线标准交换单元”交换之后才能互连。 2 ) 要通过对双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、 奇偶校验都相圊。 3 ) 用户必须熟悉互联的p l c 采用的通信协议。严格地按照协 议规定为p c 编写通信程序。在p l c 一方不需用户编写通信程序。 满足上述三个条件，p c 就可以与p l c 互联通信。如果不能满足 这些条彳牛则应配置专用两卡及通信软件实现互联。 考虑到本系统安全性、可靠性、经济性、可扩展性等因素，采 用了o m r o n 公司生产的c p m 2 a h 型p l c 进行系统构建，c p m 2 a h 自带 i o 接口，可以接3 6 点输入，2 4 点输出，输出形式是继电器，并且 通过r s - 4 2 2 串翻与同上位机通讯。 ，为了更合理有效的利用连接适配器，使系统网络连接更简化、 降低信号衰减，有必要对连接适配器各端口情况做一个比较，具体 情况见下表。在车站防溜控制室，上位桃信号通过3 g 2 a 9 - a l 0 0 4 适 配器将电缆通信接口转为光纤接翻；防溜现场，第一个p l c 分支适 配器同样使用3 g 2 a 9 一a l 0 0 4 适配器，另外两个端蜀分剃为r s - 2 3 2 秘 r s 一4 2 2 ，r s 一2 3 2 端口直接与p l c 内置r s - 2 3 2 端口连接，剩下端口 r s - 4 2 2 通过双绞线与器面3 个分支适配器3 g 2 a 9 - a l 0 0 1 逶信，它们 是3 个r s - 4 2 2 端口，为了与p l c 通信，还得通过r s 一4 2 2 r s 一2 3 2 转 换适配器n t a l 0 0 1 将r s - 4 2 2 转换成r s - 2 3 2 。表3 - 1 为所用连接适 配器接口比较： 袭3 - 1 连接适配器接蠲对比 菘、遣芝 r s - 2 3 2r s - 4 2 2光纤接口 3 g 2 a 9 一a l o ol0 个3 个0 个 3 g 2 a 9 一a l 0 0 41 个1 个1 个 3 g 2 a 9 一a l 0 0 20 个0 个3 个 n t - a l 0 0 11 个重个0 个 3 。4 。2p o 与p l c 实现通信的意义 1 )构成以p c 为上位机，单台或多台p l c 为下位机的小型集散 系统，可用p c 实现操作站功能。 西南交逶大学硕研究生学位论文第1 6 页 2 )在p l c 应用系统中，把p c 开发成简易王俸站或者王业终端， 可实现集中显示、集中报警功能。 3 )把p e 开发成p l c 编程终端，可透过编程器接口接入p l c ， 进行编程、调试及监控。 4 )把陌开发成网闻连接器，进行协议转换，可实现p l c 与其 它计算机网络的互联。 3 。4 3 常见通信介质的比较 逯信介质就是在逶信系统中位于发送端与接收端之闻的物理通 路。通信介质一般可分为导向性和非导向性介质两种。导向性介质 有双绞线、圊轴电缆和光纤等，这种介质将引导信号的传播方向； 非导向性介质一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向， 如短波、微波和红井线通信等。 以下仅简单介绍几种构建p l c 网络常用的导向性通信介质。 ) 双绞线 双绞线是一种廉价而又广为使用的通信介质，它由两根彼此绝 缘的导线按照一定规则以螺旋状绞合在一起的。这种结构能在一定 程度上减弱来自外部的电磁干扰及相邻双绞线引起的串音干扰。但 在传输距离、带宽和数据传输速率等方面双绞线仍有其一定的局限 性。 双绞线常用于建筑物内局域网数字信号传输。这种局域网所能 实现的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。只要选择、 安装得当，在有限距离内数据传输率达到l o m b p s 。当距离很短且采 用特殊的电子传输技术时，传输率可达l o o m b p s 。 在实际应用中，通常将许多对双绞线捆扎在一起，用起保护作 用的塑料外皮将其包裹起来制成电缆。采用上述方法制成的电缆就 是非屏蔽双绞线电缆。为了便于识别导线和导线间的配对关系，双 绞线电缆中每根导线使用不同颜色的绝缘层。为了减少双绞线闻的 相互串扰，电缆中相邻双绞线一般采用不同的绞合长度。非屏蔽双 绞线电缆价格便宣、直径小节省空闻、使用方便灵活、易于安装， 是目前最常用的通信介质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 美蓬电器王韭协会( 蠡薹矗) 规定了六释质量级别的双绞线电缆， 其中i 类线档次最低，只适于传输语音；6 类线档次最高，传输频 率可达到2 5 0 m h z 。瓣络综合布线一般使髑3 、凄、5 类线。3 类线传 输频率为1 6 m h z ，数据传输率可达1 0 m b p s ；4 类线传输频率必2 0m h z ， 数据传输率可达1 6 m b p s ：5 类线传输频率隽i o o m h z ，数据传输可达 l o o m b p s 。 菲屏蔽双绞线易受干扰，缺乏安全性。因此，往往采用金属包 皮或金属网包裹以进褥屏蔽，这种双绞线就是屡蔽双绞线。屏蔽双 绞线抗干扰能力强，有较高的传输速率，l o o m 内可达到1 5 5 m b p s 。 但其价格相对较贵，在接线时需要配置相应的连接器，使用时不是 很方便。 2 ) 圆辘电缆 同轴电缆由内、外层两层导体组成。内层导体是由一层绝缘体 包裹鲍单股实心线或绞合线( 通常是铜制酶 ，位于外层导体的中轴 上；外层导体是由绝缘层包裹的金属包皮或金属网。同轴电缆的最 外层是熊够超保护作翔的塑料乡 皮。同轴电缆昭外层导体不仅能够 充当导体的一部分，而且还起到屏蔽作用。这种屏蔽一方面能防止 外部环境造成豹于挽，另一方瑟巍阻止疼层导体的辐射笺量于扰其 它导线。 与双绞线楣跑，同辘电线挠干扰麓力强，熊够应藤于频率雯嵩、 数据传输速率更快的情况。对其性能造成影响的主要因素来自衰损 和热噪声，采用频分复用技术对还会受到交调噪声的影响。虽然露 前同轴电缆大量被光纤取代，但它仍广泛应用子有线电视和某些局 域网孛。 目前提到广泛应用的同轴电缆主要有5 0 欧电缆和7 5 欧电缆这 两类。5 0 欧电缆用于基带数字信号传输，又称基带同轴电缆。电缆 中只有一个信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传输速率 可达l o m b p s ，这种电缆主要用于局域以太两。7 5 欧电缆是c a t v 系 统使用的标准，它既可用于传输宽带模拟信号，也可用于传输数字 信号。对于模拟信号丽言，其工作频率可达4 0 0 m h z 。若在这种电缆 上使用频分复用技术，贝l j 可以使其同时具有大量的信遭，每个信道 都能传输模拟信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 光纤 光纤是一种传输光信号的传输媒介。处于光纤最内层的纤芯是 一种横截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造这种纤维的 材料可以是玻璃也可以是塑料。纤芯的外层裹有一个包层，它由折 射率比纤芯小的材料割成。正是出于在纤芯与包层之间存在着折射 率的差异，光信号才得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。在光 纤的最外层则是起保护作用的外套。通常都是将多根光纤扎成束并 裹以保护层制成多芯光缆。 从不同的角度考虑，光纤有多种分类方式。根据制作材料的不 同，光纤可分为石英光纤、塑料光纤、玻璃光纤等；根据传输模式 不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤；根据纤芯折射率的分布不 同，光纤可以分为突变型光纤和渐变型光纤；根据工作波长的不网， 光纤可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。 单模光纤的带宽最宽，多模灏变光纤次之，多模突变光纤的带 宽最窄；单模光纤适于大容量远距离通信，多模渐变光纤适于中等 容量中等距离的通信，丽多模突变光纤只适于小容量的短距离通信。 由于单模和双模光纤的价格都差不多，为使衰减降低，该系统选择 单模光纤。 在实际光纤传输系统中，还应配置与光纤配套的光源发生器件 和光检测器件。露前最常见的光源发生器件是发光二极管( l e d ) 和 注入激光二极管( i l d ) 。光检测器件是在接收端能够将光信号转化 成电信号的器件，目翦使焉的光检测器件有光电二极管( p i n ) 和雪 崩光电二极管( a p d ) ，光电二极管的价格较便宜，然而雪崩光电二 极管却具有较高的灵敏度。 与一般的导向性通信介质相比，光纤具有很多优点： 1 ) 光纤支持很宽的带宽，其范围大约在1 0 1 4 - - , 1 0 1 5h z 之间， 这个范围覆盖了红外线和可见光的频谱。 2 ) 其有很快的传输速率，当前限制其所能实现的传输速率的因 素来自信号生成技术。 3 光纤抗电磁干扰能力强，由于光纤中传输的是不受外界电磁 于扰的光束，丽光束本身又不向外辐射，因此它适用于长距离的信 息传输及安全性要求较高的场合。 西南交通大学硕研究生学位论文第1 9 页 4 ) 光纤衰减较小，中继器的闻距较大。采震光纤传输信号时， 在较长距离内可以不设置信号放大设备，从而减少了整个系统中继 器的数目。 当然光纤也存在一些缺点，如系统成本较高、不易安装与维护、 质地脆易断裂等。 3 5 系统通信网络 从整个控制系统来看，本系统控制规模不大，属于一台上位机 与多台p l c 进行连接简单系统。h o s t l i n k 系统是对于f a ( 局域网) 系统一种既优化又经济的通信方式。在h o s t l i n k 系统中上位机可对 p l c 传送程序，并监控p l c 的数据区，戮及控制p l c 的工作情况。 因此，本系统选择h o s t l i n k 系统是适合的选择。下面介绍h o s t l i n k 系统。 3 5 1h o s tiin k 网络概述 上位连接系统( h o s tl i n ks y s t e m ) 是把一台微型计算机作为 上位机，通过h o s tl i n k 单元及