（机械制造及其自动化专业论文）基于dcs的火车站照明控制系统的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 火车站照明系统担负着在亮度不足的环境中保障旅客安全的重要任务，在 铁路客运服务中占据了重要的地位。目前国内大多数火车站的照明系统存在着 控制方式陈旧和信息管理手段落后等问题，已经不能满足火车站在目前中国铁 路大发展的新形势下安全生产和节约能源的需要。因此研制开发新型照明控制 系统具有很大的经济效益和社会效应。 论文提出了一种将广泛应用于工业控制领域的分布式系统引入火车站照明 系统的方法。通过分布式系统在火车站照明系统中的应用，实现了火车站照明 的自动控制、数据库管理以及系统信息的远程访问。 分布式系统是一种“分散控制、集中管理”的工业自动控制系统，广泛应 用于厂矿、电力、化工、石油等行业，现场总线技术的发展更为分布式系统注 入了新的活力。采用分布式系统作为火车站照明自动控制系统的蓝本，可以提 高系统的标准化程度，保证系统工作的稳定性，同时又使系统具有较好的可移 植性和扩展能力。 新型照明控制系统采用分层分布式结构：以p l c 构成系统的底层控制单元， 完成生产过程的数据采集和过程控制；以i p c 构成系统的中央监控单元，完成 数据显示、人机界面操作和对整个照明控制系统的管理；以现场总线r s 4 8 5 连 接系统控制网络节点，完成中央监控单元与底层控制单元之间的双向数据传输。 同时，整个系统接入火车站局域网，实现了照明系统工作信息的远程访问和管 理。 整套系统已在汉口火车站运行了一年，各项设计功能和性能指标均达到汉 口站要求，工作稳定可靠，系统维护方便。 关键词：火车站，照明，d c s ，现场总线 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei l l u m i i l a t i o ns y s t e mo fr a i l w a ys t a t i o np l a y sa i li m p o n 锄tf o ki nc n s u r i n g p a s s e n g e r ss a f e t y w h e n t h e yp 弱s i na c a l i g i n o u sc n v i r o 衄c n t ； i th o l d sa c o n s e q u e n c ei nt h em i l w a yp a s s e n g c r 仃娜p o ns c r v i c e a tp r c s e n t ，m o s to fd o m e s t i c r a i l w a ys t a t i o ni l l u l i n a t i 衄s y s t e m st h e r ce x i s ts o m ep m b l 咖ss u c ha so l dc o n 嘣 m a 衄e r o l dm e t h o do ni i i f 0 l a t i o nm a n a g c m e n t ，e t c ，s ot l l e s es y s t c m sc a n1 1 0 tm e e t t h en e w r e q u i r e m e n t so fr a i l w a ys t a t i o no ns a f e l yp r o d u d i o n 孤ds a v i i l ge n e r g yw i t h t h ef a s t d e v e i o p i n gn a t i o n a lr a i l w a y o d 璐e q u e n t l y d c v e l o p i n gan e wi l l u m i n a t i o n c o n t r o ls y s t e m 啪b r i n g g r e a te c o n o m y b c n e 丘t 托ds 0 d e t ye f l b c t t h i s p a p e rp u t 如州a r dam e t h o di m m d u c i n gt h cd i s 州b u t e dc o t m ls y s t e m ( d c s ) w i d e l yu s e d i i lt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t m li i l t 0 t h e r a i l w a y s t a t i o n i 1 1 u m i n a t i o ns y s t e m u s i n gt h ed c s ，t h es t a t i o ni l l u m i n a t i o nr e a l i z c sa u t o m a t i c c o n t r o l ，d a t a b 弱em a n a g c m e n ta n dt h el o n gd i s t a n c ea c c e s so fs y s t e mi r i f o r i n a t i o n t 1 l ed c si sa ni n d u s t r ya u t o m a t i o ns y s t e mc o n f 0 咖i n gt o “d i s p e r s i n gc o n t r o l ， c e n t r a l i z i n gm a n a g c m e n t ”ni sw i d e l ya p p l i e di nm 蛆yf i c l d ss u c h 踮e l e c t r i c i t y ， c h e m i s t r y o i la t i dm i n e n o wi tg e t sm o r ee n e r g y 丘d mt h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u s a st h eb a s i co ft h er a i l w a ys t a t i o ni l l u m i n a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，t h ed c sc a nn o t o n l y a s s u r ci tw o r k s t c a 击l y b u a l s or c p l a n ta n d e x t e n d e x p e d i e m ly t 1 l ef r a m e w o r ko ft h en e w 丑l u m i n a t i o n s y s t e m i sl a y c r c da n dd i s t i ! i b u t e d ：a st h e b o t t o mc o n 仃0 l l e ri i ls y s t e m ，p l c l k c t sm ed a l aa l l dc o n 昀l st h ep m c e s s ；口c ，a s t h ec e n t e rc o m r o l l c f d i s p l a y st h cd a t a ，o p e r a t e st h ch m i ，勰dm a n a g e st h cw h o l e i l l u m i n a t i o ns y s t e m ；r s 4 8 5c o 加e c t st h en o d c s0 fs y s t e m n t m ln e 柳0 r k ，t l l e r 曲y t r a n s f e r sl h ed a l ab e m e e n 口ca n dp l c 。f u n h e 咖o r c ，t h ew 血o l ec o n 蜘1s y s t e mi s 1 i n k c dt ot h e r a i l w a ys t a t i o n 【a n ，t h u sr e a l i z e s t h el o n 分d i s t 卸c ea c c e s st ot l l e i n f o m a t i o no f t h e i l l u m i n a t i 0 s y s t e ma dt h e1 0 n g d i s t 姐c cm 姐a g c m e n t t h ew h 0 1 e s y s t e mh a s b o c nu s e do n e y e a ri n h a n k o ur a i l w a ys t a t i o n ，a l l f u n c t i o na n d t a r g c tc a ns a t i s f yt l l en e e d s o f r a i l w a ys t a t i o n t h es y s t e mw o r k ss t a b l y i t sm a i n t e n a n c ei sv e r yc o n v e n i e n t k e y w o r d s ：r 棚w a ys t a t i o n ，i l i u m i n a t i o n ，d c s ，h e l d b 哪 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本论文课题来自于武汉理工大学、北京铁道工程机电技术研究所与武汉铁 路分局汉口火车站的横向合作项目“分布式工业管理和控制系统在火车站照明 系统中的应用研究”。 1 1 2 课题背景 近年来，随着铁路五次大提速，铁路客运量逐年上升，去年全年运送旅客 1 0 2 亿人次。铁路作为一个重要的交通运输部门，提高客运服务的质量成为其 改革和发展的一个重要内容。而作为铁路窗口单位的火车站，其服务质量的好 坏更会直接影响到铁路客运计划的完成情况。 火车站的客运工作有其自身的特点，特别是在铁路提速以后，夕发朝至的 旅客列车明显增多，夜间到发列车密度大，接送旅客多，安全性要求高，因此 对于火车站的照明系统的实时性、可靠性、自动控制和数字化管理都提出了很 高的要求。但是，目前国内火车站的照明系统管理控制手段还很落后，无法满 足高质量的客运服务的要求。以下以汉口火车站为例进行说明。 汉口火车站现有的照明控制主要存在以下缺点： ( 1 ) 控制方式为全人工方式，响应速度慢，实时性、可靠性不高； ( 2 ) 站台值班员的工作量大，既要管理旅客的上下车，又要控制灯具： ( 3 ) 控制策略单一，站台和候车厅只有天黑全开，天亮全关； ( 4 ) 照明耗能计量与用于其他方面的电能计量混合，不易统计。 解决这些问题，需要设计一套新的照明系统，通过重新布线、换装灯具、 开发控制系统和计量设置等方面来实现灯具的计算机控制和照明耗能的单独统 计，减少照明控制中的人力资源。对于提高火车站照明服务质量和节约照明成 本具有很大的实际意义和明显的经济效益。本文主要从开发一套新的自动管理 控制系统的方面进行研究，设计了以工业控制计算机和可编程序逻辑控制器相 结合的分布式控制系统，并投入到实际的照明管理控制过程中。 ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 分布式系统的应用现状 d c s ( b i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 分布式计算机控制系统是 利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理，而对现场装置进行分 散控制的一种新型控制技术“。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制 技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展渗透而产生的。 分布式控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，以通信网络为纽带， 实现集中显示操作管理和分散控制，具有灵活配置、组态方便的多级计算机控 制系统。它具有以下几个特点“。； 1 自主性：系统的各工作站均能独立自主地完成合理分配给自己的任务， 如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制等等。 2 协调性：各工作站间通过通信网络传送各种信息协调工作，以完成控制 系统的总体功能和优化处理。 3 友好性：实用而简捷的人机会话系统，交互式图形显示，复合窗口技术， 以及各式各样的输入设备使操作更为简便。 4 适应性、灵活性和可扩充性；硬件和软件采用开放式、标准化和模块化 设计，系统采用积木式结构，可灵活配置以适应不同的用户需求和生产要求。 5 在线性：实现了过程对象的数据的实时采集、分析、记录、监视、操作 控制，并且支持系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护。 6 可靠性：采取系统结构容错设计、双机热备、程序卷回或指令复执、元 器件的降额使用、电磁兼容性设计等等一系列可靠性设计技术，确保系统工作 的可靠性。 d c s 以其控制分散，管理集中，系统规模可大可小，配置灵活，组态方便以 及高可靠性等优点而广泛地应用于各个工业领域，如石化企业的各种装置，各 种大中型化工装置的控制；冶金企业的高炉、轧机等控制；1 0 万千瓦以上的火 力发电机组的控制，各种大型变电站的自动控制和监测；大型水泥、玻璃生产 线的自动控制：轻工、食品等企业的大型发酵过程等控制；各种大中型企业的 能源控制和管理系统，高级楼宇自动化系统等”。通过各种智能设备的发展和 与现场总线的结合，d c s 愈发显示出强大的生命力。 目前，d c s 在国内的应用主要集中在一些化工、冶金、电力等领域的过程控 制中，而在火车站这样的交通运输部门中的应用很少，还是以人工控制为主。 武汉理工大学硕士学位论文 对于经过5 次大提速、正处于快速发展阶段的铁路行业来说，人工控制方式已 经不能满足生产需要，迫切需要进行自动化改造。显然，将广泛应用于工业自 动化领域的分布式系统在适当的修改后直接应用到火车站中要比从零做起开发 自动控制系统简单的多，可以节省开发成本，缩短开发周期：而且由于分布式 系统的可扩充性、可移植性，可以开发出适用于绝大部分火车站的自动控制系 统，具有很强的推广意义。 1 3 论文主要工作 根据课题的相关背景和技术发展现状，结合工程实践，本文作者与北京铁 道工程机电技术研究所以及汉口火车站的技术人员一起从2 0 0 3 年7 月开始针对 汉口火车站照明系统进行自动化改造。作者研究了分布式系统在火车站照明管 理控制中的应用问题，并完成了整体方案、网络和软硬件的设计、控制程序的 编制等工作。实现了汉口站照明系统工作参数的实时采集检测、工作过程的远 程监控和管理、局域网的数据共享。整个系统人机界面简洁友好，系统构成灵 活、易扩展，可靠性高，具有一定的通用性和工程推广性。经过一段时间的运 行，效果良好。本文主要做了如下工作： 1 在系统总体方案设计中，在分析了汉口站原有照明系统的现状和分布式 系统目前的发展趋势后，研究了汉口站照明自动控制系统总体方案的设计：在 仔细分析了汉口站对于照明自动控制系统提出的技术要求后，确定了自动控制 系统的硬件网络和控制软件的设计方案；针对火车站的工作环境，研究了工程 实际中需要解决的振动问题和解决的办法。 2 硬件网络的构架是监控系统实现监控功能的前提。本文首先介绍了目前 在分布式监控系统中的应用越来越广泛的现场总线的定义和基本特性。然后分 析了现场总线的几种通信方式和标准：并根据工程实际的特点，选择了基带半 双工异步通信方式和r s 4 8 5 总线标准。在仔细分析了原有照明系统状况和客户 期望后，综合考虑了实时性、可行性、数据流量、施工量和系统成本等多方因 素后，通信网络采用了总线式拓扑结构。采用p l c 构成网络的分站点，完成照 明系统工作过程的数据实时采集和过程控制，并对p l c 的工作原理、选型和具 体实现进行了研究。利用局域网互联技术，实现火车站实时客车信息文件的自 动读取以及照明系统工作信息文件的网内共享。 3 控制软件开发在自动控制系统的开发中占据了重要的地位。针对控制软 3 武汉理工大学硕士学位论文 件结构和功能的复杂性，本文将其分为以实时数据库为核心的三个层次结构和 相应的功能模块。通过对分布式控制软件开发平台发展趋势的研究，引出了目 前在控制软件开发领域中方兴未艾的组态软件，并仔细分析了组态软件的三要 素。在对基于组态软件开发平台的控制软件设计部分，研究了软件开发步骤、 软件原型技术和控制软件开发的核心问题。最后，以一种国内应用非常广泛的 国产组态软件一组态王6 0 2 作为开发平台，按照控制软件的开发步骤，完成 了火车站照明管理控制系统控制软件的设计工作，并给出系统的一部分运行效 果图。 4 论文最后对火车站照明控制系统的研制工作做了总结，并对系统的后继 扩展和更新换代做出了展望。 火车站照明控制系统实物如图1 1 所示。 中央控制台 图1 1 火车站照明控制系统实物图 1 4 论文结构 电气控制柜 第一章绪论部分，主要介绍了课题的来源和背景，分布式控制系统的应用， 最后阐述了论文的主要工作。 第二章主要阐述了照明管理控制系统的总体方案设计。 第三章说明了通信网络的结构设计和信息网络的接入设计，其中重点研究 了照明管理控制系统接入火车站管理网络。实现信息共享的办法。 第四章阐述了基于组态王软件的照明控制软件总体和各功能模块的设计。 第五章对全文进行了总结和展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二章照明控制系统总体方案设计 本章针对汉口站提出的火车站照明自动控制的要求提出了照明自动控制系 统的总体设计解决方案，并阐述了系统原理、结构、网络节点以及软件等方案 的设计。最后对于本系统可能出现的干扰问题进行了分析并提出了解决办法。 2 1 火车站照明系统要求 火车站照明管理控制系统的内容包括：根据不同季节和气候、各站台到车、 候车厅旅客候车等情况综合考虑照明电气设备的开关控制、状态监视和故障报 警，电气参数的采集和管理，实现火车站照明系统的自动化控制和数字化管理。 照明设备的工作与环境亮度密切相关，环境亮度在一天之内主要与时间有 关，随着季节的交替和天气情况的变化，不同日期同一时刻的环境亮度会有改 变，因此照明系统不能只根据时间来控制，而因为某个站点的光照度传感器读 数并不十分稳定，因此也不能只根据环境亮度来控制，照明控制需要多冗余度 控制的控制策略。多冗余度控制可以实现控制逻辑的灵活性，既可以将时间作 为控制参数，又可以通过环境亮度来修正控制时间的偏差。 火车站遍布全国各地，不同的火车站对于照明控制的具体要求不尽相同， 因此火车站照明管理控制系统的通用性也极为重要。通用性是指系统只需少许 改动甚至不改动就可以应用于任何一个工作环境当中。 火车站照明管理控制系统应该是多功能的，不能只具有照明控制功能，还 应该具有监测、报警、记录、报表和数据库管理、数据资源共享等功能。 具体到汉口火车站这个对象，其照明控制要求以站台和候车厅为例说明： 1 每个站台灯具分成6 路，中间两路为常明灯路，无论站台是否有车停靠， 到达照明控制的时间阀值后点亮，维持站台的基本照明：其余四路根据列车停 靠站台情况分组投入，满足旅客上下车需要。分组如图2 1 所示： 田固田图田图田固团圉 图圆圈图图四囵回圆圆 囤囤圈圃囤囵圄囤圄囤 注：r 丌表示该照明设备为第一分组 圈2 1 照明分组情况图 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 某次列车到达火车站前1 0 分钟时，打开该列车将停股道的站台一侧照 明灯具，当列车发车后，延时5 分钟关闭照明灯具。 3 如遇到特殊情况或突发事件，为旅客安全起见，以开灯为缺省状态。 4 候车厅包括1 4 号候车厅和广厅，其中1 4 号候车厅要求以每个候车 厅内4 个照度传感器读数的平均值作为照明控制的唯一目标参数，求平均值的 计算过程在p l c 中完成。广厅照明灯具全天分六组循环投入工作，保持广厅 定的环境亮度。 5 所有站点的照明电气设备均具有手动和自动两种控制方式，手动控制优 先级高于自动控制，但手动控制时，中央监控单元也应能采集照明电气设备的 电气参数。 2 2 系统总体方案设计 本文针对国内火车站照明存在的问题和火车站提出的照明自动控制要求 提出了基于口c p l c 分布式系统的多冗余度通用型火车站照明控制系统方案。 2 2 1 系统工作原理 i p c - p l c 分布式控制系统是将口c 和p l c 这两种现场控制装置的优点结合 起来，并应用到工业自动控制中的一种分布式控制系统引。它是以i p c 作为工 业通信网络中的中央监控单元，并成为企业网中的一个结点；以p l c 作为位于 各站点的分散控制单元，管理和控制每个站点的设备：口c 与p l c 采用现场总 线连接，构架树状网络结构引。口c p l c 分布式控制系统结构如图2 2 所示： 豆息豆m 臣丑剖 i = h 匝h 嚣 口一 引 副 l 图2 2i p c p l c 分布式控制系统结构示意图 6 武汉理工大学硕士学位论文 i p c p l c 分布式控制系统工作原理是： i p c 既作为控制系统的根节点，负责整个控制系统的信息管理；同时，又作 为企业信息网络中的一个结点，从企业网中提取信息，并提供控制系统的工作 信息和数据的共享，供企业局域网用户使用： p l c 作为分散于各个车间、班组的控制单元，负责控制现场设备的动作， 监视现场设备的工作情况是否正常，并采集各种传感器的模拟输出信号，转化 为数字信号，上报讲c “。 火车站照明管理控制系统由于是基于i p c p l c 分布式控制系统的，因此系 统原理与之相同。 以i p c 作为照明管理控制系统的中央监控单元，负责管理控制各个分站点 ( 站台、候车厅、行包房、人行天桥等) 的分散控制单元，并将所有的现场设 备的工作参数进行汇总和管理，生成报表。中央监控单元与火车站局域网互联， 共享局域网内信息。 以p l c 作为照明管理控制系统的分散控制单元，负责在中央监控单元的统 一管理下对各个分站点的照明进行控制，并将自己管辖的分站点中的现场设备 工作参数上报给中央监控单元。 采用r s 4 8 5 现场总线建立照明管理控制系统的通信网络，实现口c 和p l c 之间的双向数据传输，确保控制指令和工作数据的畅通。 2 2 2 系统实现的功能 本系统实现的功能有： 1 数据采集：包括模拟量、开关量、电能计量 1 ) 模拟量的采集。需要采集的模拟量有：各照明分组的电流、电压，其中 每两组共一个电流传感器和一个电压传感器：每个站点一个光照度传感器；所 以每个站点总共有7 路模拟量接入p l c 的a d 模块。 2 ) 开关量的采集。需要采集的开关量有：继电器状态、手动自动选择开关 状态。因为p l c 本身带有光电隔离电路，因此这些开关量可以直接按入p l c 。对 于这些开关信号，由于并不要求反应迅速，因此p l c 不必采用中断响应方式， 用定期查询读入这些开关量就可以满足控制要求了。 3 ) 电能计量。电能计量是指对电能量的采集，传统的方法是采用电能表， 有电能表盘转动的圈数来反映电能量的大小，这种方法的成本高，且要占用控 7 茎堡翌三查堂堡主堂堡堡塞 制柜空间。本系统采用软件计算电能的方法，利用p l c 采集得到的各分组电流、 电压值，通过软件计算出电能量，因为u 、i 的采集是监控系统所必需的，因此 利用所采集的u 、i 值计算出电能量，不需要增加专门的硬件设备，而只需要在 软件中加入这一功能模块就可以了，这种方法最大的优点是节约投资和空间。 2 报警记录 为了分析现场设备故障的方便，设置故障报警记录功能。监控单元设置好 各工作参数的报警阈值，如各分组电流、电压值的工作上限和工作下限，并在 运行过程中对这些工作参数进行循环越限监视，实时记录报警事件、报警位置、 发生的时间、报警原因，并生成报警表，供查询分析。 3 操作控制 无需站台值班员参与照明控制，本系统可以全自动管理和控制照明系统工 作，也不需要设置专门的操作人员。但为了在某些特殊情况下人可以超越计算 机进行控制，因此设置了手动自动控制方式的灵活转换，而且本系统设有两套 手动自动转换开关，每个站点设置一套，中央监控单元设置一套，可以实现每 个站点的旋钮开关、鼠标、全自动三种控制方式的切换。 4 事件记录 s 0 e ( s e q u e n c eo fe v e n t s ) 包括启动自检记录，站台列车到出站记录，照 明设备开、关记录，系统管理员登录记录，修改初始工作参数值记录等，并记 录下所有事件的发生时间。 5 人机交互 利用工业通用组态软件开发监控软件，实时显示现场工作状况和操作结果， 比如：初始工作参数的修改、手动自动控制的响应、现场照明设备的模拟、各 操作界面的切换等，界面友好。图形元素丰富，操作简便，极易上手。 6 报表生成和打印 按照火车站要求的周期和格式，生成日报、月报、季报和年报，并在火车 站局域网内部共享，供管理部门打印、存档；根据事件记录信息生成和打印运 行日志。 7 趋势曲线 趋势曲线的生成和显示作为监控系统的一个重要环节，可以直观反映一些 重要工作参数的变化情况，比如照明电路功率每天的最大值或最小值以及对应 的时间，环境亮度变化的峰值及时间，并且通过对比一段时间的环境亮度趋势 8 武汉理工大学硕士学位论文 图，可以得到环境亮度随着日期变化的规律。趋势曲线分为实时趋势曲线和历 史趋势曲线，分别对应实时数据库和历史数据库。 8 ，数据库管理 监控系统的数据库管理也是很重要的环节，历史数据的形成和存储是数据 库管理的前提条件。此外，为满足火车站管理部门的需要，还必须进行一些数 据处理工作，包括：通过u 、i 计算照明电路的用电量，并得到报表所需的日用 电量、月用电量、季度和年度用电量；累计照明设备工作时长；累计各站台停 车数等。 9 网络功能 接入火车站局域网内，远程读取客车预报计算机的列车信息文件；生成报 表和数据库文件，供管理部门读取浏览。 1 0 系统扩展 长远来看，本系统通过添加模块可以逐步扩展，机车自动上水，旅客引导， 车站信号等部分均可以纳入该系统，形成火车站现场综合管理控制系统。 系统功能示意图如图2 3 所示。 。 特扩展部分 启动汜录、自检记录 ；乱、现场设备 记录 a 、 互界面 操作 控制 上级管酬，h 要篙h 篱卜- ( 鬈) 卜现场设备 嬉) 叁( 曼匕 趋势卜笠! 弋被 趋势曲线图丫，7 撤詈记录表 f l 规定辂式报表 图2 3 系统功能示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 系统网络结构 d c s 发展到今天，现场总线已经成为d c s 不可或缺的组成部分，它构成了 d c s 通信网络的筋络。 现场总线( f i e l d b u s ) 技术可以简单地理解为用双向传输的全数字信号取代 目前广泛采用的4 2 0 i n a 模拟信号。实际上现场总线是现场仪表和其它自动化 设备之间所建立起来的全数字化、双向、多支路的通信系统。这里的现场仪 表指智能变送器、智能执行器、智能记录仪、p l c 等。 在口c p l c 分散控制系统中，现场总线( f i e l d b u s ) 的应用为口c 和p l c 的沟通提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。与原有d c s 比较， 采用现场总线使得传输信号由传统的4 2 0 a 模拟信号变成数字信号”。，提高 了通信的可靠性和抗干扰能力。d c s 的本意是i o 和控制分散，信息和管理集中， 现场总线与传统d c s 的融合，将使此初衷更为完美。 目前用于i p c p l c 分散控制系统的现场总线有很多种，应用较为广泛的有 c a n 、r s 4 8 5 、b i t b u s 等等“。r s 4 8 5 总线是较早广泛应用的现场总线，具有连 接简单。支持的硬件多、实时性和可靠性较高等优点“，因此在照明管理控制 系统中采用r s 4 8 5 现场总线是很好的选择。 本系统的网络结构为总线型，传输介质为双绞线，中央监控单元通过接口卡 与r s 4 8 5 总线连接，和总线上的分散控制单元p l c 构成一点对多点的通信网络。 本系统还接入到火车站的局域网内部，与客车预报系统、信息管理系统等共享 信息。系统总体结构如图2 4 所示 火车站局域网 1fi l 一叫! ! 篓引i l r s 蛆5 总线 i 一 终端电阻r 00 r l 些 i 眦ll 呈叫l 眦j j 继电器t ，t v 继电器w t v 继电器t a t v继电器t a t v 图2 4 系统总体结构图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 中央监控单元将管理控制指令经现场总线发给分散控制单元p l c ；p l c 采集 到电流互感器t a 和电压互感器t v 的4 2 0 【l l a 的电流信号，通过a d 转换模块， 将模拟量变成数字量经现场总线送至中央监控单元。 2 2 4 中央监控单元 照明管理控制系统采用工业计算机作为中央监控单元。工业计算机( 1 p c ) ， 英文全称m d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ，是在原个人计算机( p c ) 基础上发展起 来的新型工业控制装置，它既充分发挥了p c 的技术优势，又利用工业级部件替 换家用级部件，极大的提高了普通p c 工作的稳定性和可靠性，能够很好地运用 于工业生产自动化领域“。目前口c 已经成为工业自动控制的标准设备，是实 现工业自动化的最佳配套产品。 i p c ( 工控机) 作为生产过程控制的中央监控单元，主要具有以下优点“一： 1 。i p c 运算速度快，能力强，能进行复杂的数学运算和逻辑判断； 2 口c 与微处理器同步发展，更新换代快，容易升级，通用性强； 3 i p c 硬件采用工业级，甚至是军用级部件，抗干扰性、稳定性都比p c 机要高： 4 i p c 结构紧凑，与现场设备连接简便： 5 i p c 具有开放的体系结构，硬件通用性和互换性强； 6 i p c 的软件资源丰富，品种齐全，软、硬件开发及有关工具丰富，用户 界面友好。 由于现场总线采用的是r s 4 8 5 ，因此，在i p c 中需要配置一块r s 4 8 5 串行 接口卡。 2 。2 。5 分散控制单元 照明管理控制系统采用可编程序逻辑控制器p l c 作为各个站点的分散控制 单元。可编程序控制器( p l c ) 。英文全称p r o g 阻m m a b l el 0 沓c a lc o n t r o u e r ，又 称可编程序逻辑控制器。它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境 下应用而设计，它采用可编程的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算，顺 序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字模拟输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程“。可编程控制器是以微处理器为基础，结合 计算机技术，自动控制技术和通讯技术的一种“自然语言”编程，适应工业环 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 境，其操作方便可靠，是新一代通用工业控制装置。可编程控制器及有关设备， 都应按易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 p l c 与传统继电器相比，有很多优点“”： 1 p l c 的安装和现场接线简单，可以按积木方式扩充和删减其系统规模。 p l c 采用标准的积木硬件结构和模块化的软件设计，使其不仅可以适应大小不 同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。 2 p l c 功能强大，不仅能完成逻辑运算、定时、计数和开关董输入输出等 功能，而且指令系统日趋丰富，既具有逻辑运算、算术运算等基本功能，又能 以双倍精度或浮点形式完成代数运算和矩阵运算。目前p i c 已能与计算机联成 网络，实现分级控制。 3 p l c 体积小，重量轻，结构紧凑，对工作环境要求低，安装维护工作量 小，p l c 还有自诊断功能。其可靠性极高。 自从二十世纪六十年代末可编程序控制器( p l c ) 问世以来，正是由于p l c 与传统的继电器控制方式相比有这些优点，使得p l c 在工厂中倍受欢迎，成为 现代工业自动化的支柱。 2 2 6 系统软件方案 系统软件包括中央监控单元软件和分散控制单元软件两部分。 早期的d c s 系统中中央监控单元软件多使用通用软件开发工具( 如 m i c r o s o f i 公司的v b 、v c 等) 来设计，这些开发工具虽然功能强大，可是对于 每种不同的硬件，都需要重新写通讯协议，需要较高的软件开发水平，而且开 发周期长，可移植性不高。随着d c s 系统的发展，各d c s 系统厂商针对自己的 产品开发出工业组态软件，由于内部集成有本厂产品的通讯协议，因此开发起 来十分简便，界面也十分友好，可是由于这些工业组态软件均只针对某一个厂 家的硬件设备，因此可移植性的问题依然存在。目前，d c s 已经得到比较广泛 的应用，越来越多的厂商能够生产可用于d c s 的硬件设备，在这种情况下，通 用型的工业组态软件应运而生。通用型的工业组态软件在秉承原有组态软件界 面友好，功能强大的基础上，其内部集成的通讯协议囊括了各个厂家生产的应 用较为广泛的硬件设备，因此成功的解决了可移植性问题，使得d c s 系统的应 用进一步的得到推广。 系统软件平台选用目前工业控制领域应用比较广泛的组态软件专组态王 武汉理工大学硕士学位论文 6 0 2 版，软件容量( 郎点数) 的选择参照工业控制系统组态软件点数选择经验 公式，见公式2 1 n 副： p 。2 砉a 3 ( 式2 d 其中：p 0 - 一系统所需的总点数 p i第i 个站点管理的i o 点数 n 一一一系统站点数 本系统中目前纳入管理和控制的站点类型有二种：站台站点；候车厅 站点。其中对于站台站点，每个站点需管理：6 路开关和7 路模拟。总共点数为 1 3 ：而候车厅站点的每个站点需管理：6 路开关和7 路模拟，总共点数也为1 3 ； 因此系统所需总点数为： v 尸f = 1 1 7( 个) 留 p o = 1 1 7 3 = 3 5 l( 个) 因为组态王的点数都是2 的n 次方( 6 4 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 等等) ，按照公式 计算结果，应该选择5 1 2 点的组态软件，但是组态软件按点数多少定价，而且 不同点数的组态软件价格差别很大，考虑到软件成本和整个工程成本，决定选 择2 5 6 点版本，结合节约点数的策略，达到既满足系统要求又节约软件成本的 目的，具体解决办法见第四章第三节组态软件的选择，在此就不敷述；以后如 需较大范围的扩展，可以改变组态软件的版本，选择1 0 2 4 点甚至无限点版本， 无需改变硬件和软件原有部分，也不会对系统的工作造成任何不好的影响，十 分方便。 由于分散控制单元采用p l c ，而p l c 编程工具均为各p l c 厂商开发，只支持 自己的产品，因此p l c 软件的开发只能使用该p l c 厂商提供的专用开发工具。 p l c 软件的工作原理是：循环扫描本分散站点各照明分组控制开关的状态，与内 部命令参数比较，判断各照明分组工作是否正常：循环采集各分组的电气参数， 经过a d 转换，存入内部数据存储器d 4 9 8 0 d 4 9 8 7 中；p l c 接受中央监控单元 下达的命令参数修改数值，同时记录本分散站点当前的各个工作参数的状态， 并发送给中央监控单元进行管理， 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 干扰问题和解决办法 在设计过程中，由于现场工作环境很恶劣，铁路接触电网、机车电气设备 和电气控制柜中电源的电磁干扰很严重，因此如何有效的抵抗这些干扰因素， 保证数据传输的准确和设备工作的正常，是必须考虑并予以解决的问题。 对于电磁的干扰问题，其危害主要在于： 1 ) 对通信设备和线路的影响，造成数据传输失败或传输错误数据，使得中 央监控单元产生误判断、误操作和误报警以及记录错误数据，负面影响十分严 重。如果无法克服这个影响，就不能保证控制指令和工作参数的准确传递，那 么自动控制和数据管理就沦为空谈。 2 ) 对继电器线圈的影响，造成继电器电气接点的误动作，则中央监控单元 下达的控制指令就无法被正确执行，整个照明系统的工作就会陷入混乱，危及 旅客乘车的安全，会给火车站带来严重的后果。 3 ) 对a d 输入信号线的影响，造成电流、电压等电气参数值错误，产生误 报警和电量参数运算错误。 针对，这三个急需解决的问题，经过查资料和现场调研，制定了解决措施。 解决的办法主要有：电气柜柜体可靠接地；p l c 单独接地，地线与电源地线隔 离：p l c 通信线及a d 输入线采用屏蔽双绞线，且通信线通过金属管道敷设； p l c 输出点串接中间继电器；输入信号电缆和交流电源线分开：与p l c 接线端 子连接线的头部尽量平整，增大接触面。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章火车站照明控制系统硬件设计 本章研究的是火车站照明管理控制系统的硬件设计，其中包括通信网络设 计、网络节点设计以及系统和火车站局域网的互联设计等内容。在通信网络设 计部分研究了现场总线技术在本系统中的应用问题；在网络节点设计部分研究 了p 【c 作为子节点的原理和具体实现；在与火车站局域网互联的设计中，简要 介绍了两者互联的目的和实现方法。 3 1 通信网络设计 火车站照明管理控制系统的通信网络是以现场总线为基础构架起来的。由 于整个火车站照明管理控制系统是以分布式系统c s ) 作为基本结构，因此，已 经在d c s 中得到广泛应用的现场总线可以确保本系统通信的双向畅通。 3 1 1 现场总线技术 工业生产过程控制中的现场总线技术，是伴随着计算机技术、电子技术和 信息技术的发展而出现的一项系统技术。它顺应了工业控制系统向分散化、网 络化、智能化发展的趋势，一经产生便成为了全球工业自动化技术的热点，并 导致目前生产的自动化仪表、分布式控制系统( d c s ) 、可编程序控制器( p l c ) 等在产品体系结构、功能结构方面的大变革“。 1 现场总线的定义和基本结构 在实际工程中，人们必须解决2 个基本问题，一个是系统的控制原理，另 一个是实现控制原理所需要的系统结构。现场总线技术，就是提供一种信息化、 智能化、高性能、低价格，并能应用于工程控制的系统框架。 目前，不同的标准对现场总线的定义大同小异： 根据i s a ( 美国仪器仪表学会) 的定义：现场总线是一种串行的、数字数据 的通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备( 即现场级设备) 之间以 及与更高层次之间自动控制领域的自动化控制设备( 即车间级设备) 之间的联 系( 1 7 。 按照国际电工委员会c 6 1 1 5 8 的标准定义：安装在制造和过程区域的现场 武汉理工大学硕士学位论文 装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称 为现场总线“。 这两种定义均十分明确和具体地揭示了现场总线的内涵，可以叙述为：现 场总线就是把数字通信总线一直延伸到现场仪表，使现场仪表( 变送器，调节 器，p 【c 等) 可以在同一总线上与控制系统和控制室进行全分散，全数字化， 双向，多变量，多点的通信。 现场总线系统是指通过一个适当的现场总线把工业生产系统中的各种设备 连接在一起，从而形成一个完整的网络系统。连接在总线上的设备既可以是各 种具备智能和通信特点的传感器、控制器，也可以是通信设备和计算机，设备 之间可以直接进行信息交换。 现场总线的基本系统结构如图3 1 所示。可以看出，系统布线己经脱离了点 对点方式，采用的是串行总线结构，系统中的所有设备全部通过一根串行总线 连接在控制计算机上，同时各种设备采用统一的控制连接标准，从而使整个系 统形成了一个完整的通信网络。这个通信网络可以通过控制计算机( 工作站) 与企 业的h t f a n e t 或i n t e m e t 相连。 p l c智能仪表智能模城其他设备 图3 1 现场总线基本系统结构实例图 2 现场总线的基本特性 现场总线的特点如下”： ( 1 ) 开放性、互操作性与互用性：现场总线致力于建立统一的工厂底层网络 的开放系统，它把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和考虑， 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 现场设备的智能化与功能自治性：现场总线将传感测量、补偿计算、工 程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控 制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 3 ) 系统结构的高度分散性：现场总线构成的是全分散性控制系统的体系， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 从根本上简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 4 ) 对现场环境的适应性：专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电 缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线翻 实现送电与通信。并可满足本质安全防爆要求等。 3 1 2 火车站照明控制网络的通信方式 现场总线的通信是整个工业自动控制最重要的部分，它是沟通监控中心和 现场仪表的纽带，是构成整个控制网络的筋络。如果不能实现通信功能，即使 网络中的各个节点与现场总线连接完美无缺，也只能是一个个孤立的点，不能 构成真正的，四通八达的网络。而如果现场总线的通信无法达到畅行无阻和准 确无误，就会“通则不痛，痛则不通”，无法实现“上令下行，下状上明”，导 致整个系统错误百出，陷入瘫痪状态。因此，现场总线的通信畅通，是整个工 业自动控制系统正常运转的可靠保证。 目前现场总线基本采用串行通信方式，大致可以按以下几个方面分类： 1 同步通信和异步通信 串行数据通信时，数据的各位依次传输的，发送方与接收方必须同步地进 行通信，否则将收到一串毫无意义的数据。在数据以串行方式传输时，控制通 信双方同步的方法分为同步方式和异步方式“。 ( 1 ) 异步通信：指通信双方进行数据传输时无严格的时钟同步关系，通信双 方的同步关系是靠传输帧的起始位确定的。异步通信规程是面向字符型的，它 由一个起始位、多个数据位( 如8 个) 、一个或零个奇偶校验位、一个或两个停 止位组成传输的一帧。由于异步通信每一帧都是固定格式，通信双方只需按约 定的帧格式来发送和接收数据，所以，硬件结构比同步通信方式简单。此外， 它还能利用校验位检测错误，所以，异步通信方式应用较广泛。 ( 2 ) 同步通信：在数据开始传送前用同步字符来表示( 通常约为1 2 个) ， 并由时钟来实现发送端和接收端同步。即检测到规定的同步字符后，就按顺序 连续传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符之间没有间隙