（检测技术与自动化装置专业论文）基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发.pdf

摘要 论文以船舶到港为边界，构建专业化散货码头装卸自动化系统半实物性仿真 模型的功能和结构，以集成于工控网络中的工控机虚拟生成各种装卸设备模型： 在监控工作站组态软件平台上仿真监控、中控操作管理；以p l c 控制设备，动 态仿真散货码头内的全部作业过程，提出了基于组态化工控网络的散货装卸控制 仿真系统的概念。 这种仿真系统建立在先进可靠的、实时性很强的工控网络硬件平台之上；性 能卓越、可视化的程序开发软件能进行逼真的设备仿真；组态化工控软件提供了 包括实时在线监控，实时数据采集、存储、查询、统计、报表打印，故障报警及 记录等在内的各种强大功能。从而使散货港口装卸自动化控制系统的仿真更加接 近实际。 论文第一章主要概述了散货港口装卸自动化系统仿真的技术背景。 论文第二章在分析典型散货码头的装卸工艺流程及其控制系统构成的基础 上，介绍了港口自动化仿真实验室的自动化控制系统的网络结构及软硬件配置。 论文第三章深入分析了建立仿真系统需要解决的关键问题。包括系统控制模 型；仿真实时性问题；i o 端口复用问题等。 论文第四章建立散货装卸控制系统仿真的数学模型。各模型变量的运算关系 式和关联逻辑的解算，为编写设备仿真应用程序、p l c 控制程序、监控工作站仿 真程序提供了理论支持。 论文第五章对仿真系统具体实现作了深入讨论。先提出仿真架构，后对i o 接口通信程序；设备仿真程序；p l c 仿真控制程序以及触摸屏程序；还有监控工 作站仿真程序的设计作出详细描述。 论文第六章是对项目研究的总结，并提出了前瞻性设想。 关键词：控制网络，仿真，可编程逻辑控制器，组态软件，散货港口 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i m u l a t i o n 。w h i c hs t a r t sw h e nt h es h i pr e a c h e s t h ep o r t 1 te s t a b l i s h e st h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fac o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l w h i c hi si m p o r t a n tt os i m u l a t ei o a d i n ga n du n l o a d i n gc o n t r o is y s t e mf o r as p e c i a l i z e db u l kc a r g o t h i ss v s t a mf i r s ts i m u l a t e sv a r i o u sk i n d so fl o a d i n g a n d u n l o a d i n ge q u i p m e n t v i a c o m p u t e r , w h i c h i s i n t e g r a t e d i n t oi c n ( i n d u s t r i a lc o m r o ln e t w o r k ) a tt h es a m et i m ei ts i m u l a t e sc e n t r a lc o n t r o l o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t v i ac o n f i g u r a b l es o f t w a r eo nt h ew o r k s t a t i o n ，a n d c o n t r o l s e q u i p m e n tw i t hp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) a l l t h ew o r k c o u r s ei nt h eb u l kc a r g oq u a y ；ss i m u l a t e d d y n a m i c a l l y t h ei c n b a s e ds i m u l a t i o n s y s t e m o f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g c o n t r o i e q u i p m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e dv i aa d v a n c e d r e l i a b l ea n ds t r o n gr e a l - t i m e c h a r a c t e rh a r d w a r e t h ev i s u a l d e v e l o p m e n t s o f t w a r eh a sr e m a r k a b l e p e r f o r m a n c e a n d c a n c a r r yo n l i f e l i k e e q u i p m e n t s i m u l a t i o n t h ec i c ( c o n f i g u r a b l ei n d u s t r i a ic o n t r o i ) 一s o f t w a r ep r o v i d ev a r i o u sk i n d so fp o w e r f u l f u n c t i o n s s u c ha sr e a l - t i m eo n l i n em o n i t o r , r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r i n g ， i n q u i r y , s t a t i s t i c s ，t y p i n gr e p o r tf o r r n ，a l a r ml o g g i n ga n dr e c o r d i n g ，a n d s oo n t h u st h es i m u l a t i o no fi o a d i n ga n du n l o a da u t o m a t i cc o n t r o is y s t e mo fb u l k c a r g o c o m e sc l o s et or e a l i t y c h a p t e ro n es u m m a r i z et h et e c h n o l o g i c a lb a c k g r o u n do ft h es i m u l a t i o n ， w h i c hb a s e so nt h ea u t o m a t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e mo fb u l kc a r g o c h a p t e rt w oo fp a p e r f i r s ti n t r o d u c e st h ec r a f tf l o wo ft h eb u l kc a r g o ，t h e c o m p o s i n go fal o a d i n ga n du n l o a d i n gc o n t r o is y s t e m t h e ni t i n t r o d u c e st h e n e t w o r ks t r u c t u r eo ft h ea u t o m a t i cc o n t r o is y s t e m s 。s o f ta n dh a r d w a r e d i s p o s i t i o no ft h ea u t o m a t i cs i m u l a t i o n1 a b o r a t o r y o f p o r t 1 nc h a p t e rt h r e e t h ep a p e rd e e p l ya n a l y s e st h ek e yp r o b l e mw h i c hi s s o l v e di ns e t t i n gu pt h es i m u l a t i o ns y s t e m 1 ti n c l u d e sc o n t r o lm o d e l so ft h e s i m u l a t i o ns y s t e m r e a l - t i m ec h a r a c t e ra n di op o r tw h i c hi sd u a l u s e dh a v e a l s ob e e nd i s c u s s e dh e r e t h e p a p e r f r s ts e t su pt h es i m u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l o fab u l kc a r 9 0 c o n t r o is y s t e mi nc h a p t e rf o u r t h er e l a t i o ne q u a t i o na n dl o g i co fe v e r ym o d e l v a r i a b l ei sc a l c u l a t e d ，w h i c ho f f e r st h e o r ys u p p o r tf o rt h es i m u l a t i o na p p l i c a t i o n p r o g r a mo ft h ee q u i p m e n t ，p l cc o n t r o lp r o g r a m ，a n ds i m u l a t i o np r o g r a m o f t h em o n i t o rw o r k - s t a t i o n c h a p t e rf i v eo fp a p e rd e e p l yd i s c u s s e st h es i m u l a t i o ns y s t e m i t 卅s t i n t r o d u c e st h ef r a m eo ft h es i m u l a t i o n t h e n d e s c r i b e i nd e t a i la b o u t c o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fi oi n t e r f a c e p l cc o n t r o ip r o g r a m ，t o u c h - s e n s i t i v e s c r e e np r o g r a m ，a n dp r o g r a mo ft h em o n i t o rw 0 r k s t a t i o n c h a p t e rs i xo fp a p e rs u m m a r i z e st h es t u d yo ft h ep r o j e c t ，p r o p o s et h e p e r s p e c t i v ei m a g i n a t i o n k e y w o r d ：c o n t r o ln e t w o r k ，s i m u l a t i o n ，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 c o n f i g u r a b l es o f t w a r e ，b u l kc a r g op o r t d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fab u l kc a r g ol o a d i n g a n du n l o a d i n gc o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do n i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k v i a c o n f i g u r a b l e s o f t w a r e c h a o r u i w a n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y a n dc o n t r o ls c i e n c e ) d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rj i a n x i nc h ua n dv i c e - p r o f e s s o rj i a n z h o n gh u a n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：羔壹墨莹 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文 在解密后遵守此规定。 作者签名：墒聋一撕虢樾喻 1 0 0 母7 p 上海海事大学硕士学位论文 基十组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 第一章散货港口装卸自动化系统仿真的技术背景 1 1 系统仿真的发展阶段 仿真是以影响系统行为的主要元素及其相互关系来建立系统模型，研究和运行 模型从而对系统的行为做出可靠预测的模型化方法。 6 1 在一般情况下，可以将系统 仿真分成以下三大类别： ( 1 ) 物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的实物性物理模型，并在 物理模型上进行实验研究，称之为物理仿真。物理仿真是应用几何相似原理，仿制 一个与实际系统工作原理相同、质地相同但是体积小得多的物理模型进行实验研 究。物理仿真的出发点是依据相似原理，其状态变量与原系统完全相同。 物理仿真的优点是直观、形象，其缺点是构造相应系统的物理模型投资较大， 周期较长，不经济。另外，一旦系统成型后，难以根据需要修改系统的结构，仿真 实验环境受到一定的限制。 ( 2 ) 数学仿真：按照系统的输入输出关系构造系统的数学模型，并在计算机 上进行试验研究，因此也称之为计算机仿真。它是通过构造系统的数学模型在计算 机上进行实验研究的过程。 数学仿真具有经济、方便、使用灵活、修改模型参数容易等特点，已经得到越 来越多的应用。其缺点是受不同的计算机软、硬件档次限制，在计算容量、仿真速 度和精度等方面存在不同的差别。 ( 3 ) 混合仿真：将系统的物理仿真与数学仿真有机地组合在一起进行实验研 究，并结合计算机的使用，称之为混合仿真，也称为半实物仿真。这种方法结合了 物理仿真和数学仿真各自的特点，常常被用于特定的场合及环境中。 计算机仿真技术最初应用于军事领域，随着计算机的推广应用，以及由于计算 机仿真在模型上进行实验研究，具有经济、安全、可靠、投资少、收效快、节省能 源、实验周期短等显著特点，目前已经广泛地应用于科学决策、规划设计验证、科 学研究、虚拟现实、教育培训等领域。 计算机仿真技术的应用经历了以下两个阶段。 1 1 1数值仿真阶段 计算机数值仿真方法是从基本的物理定律出发，用离散化变量描述物理体系的 上海海事大学硕士学位论文基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 状态，然后计算这些离散变量在基本物理定律制约下的演变，从而体现物理过程的 规律。1 3 1 计算机数值仿真由前处理、中间计算和后处理三部分组成，包括模型的建 立，划分、求解条件( 初始条件和边界条件) 的确定、数值计算、计算结果的处理及 图形显示。其所用的数值模拟的基本方法主要是有限差分法，有限元法和边界元法。 9 0 年代以前，受计算机技术及计算机仿真支撑软件的发展制约，计算机仿真模 型绝大部分是数值仿真模型。数值仿真的数据比较抽象，不易被理解，其仿真过程 是一个按照一定规则运行的“黑箱”。开发者也不能确信，其确定的那些与系统运 行时间历程相联系的规则是否完全与用户的要求相一致。这使得计算机仿真技术和 仿真结果被理解和接受的程度受到限制。 1 1 2 可视化仿真阶段 上世纪9 0 年代，面向对象的软件设计技术的产生和发展，为在仿真领域的可 视化交互式仿真( v i s ) 以及虚拟现实( v r ) 仿真提供了极大的技术与支持。计算机仿 真技术由数值仿真发展到了可视化仿真阶段。可视化仿真仿真技术虽然以数值仿真 技术为基础，但其克服了数值仿真的缺点，以直观的图形信息显示系统的动态过程， 不但适合人的视觉观察而且容易被理解，其在系统动态描述、可视干涉、仿真真实 感、仿真可靠性、仿真结果检验和确认中具有明显的优势。此外可视化仿真技术 极大地方便了模型的调试，加速了建立模型的进程。因此，可视化仿真仿真技术进 一步推动了计算机仿真技术的应用与普及。 通常v i s 具有直观的图形建模界面，用户可以用系统提供的形象图标( 对象或 实体) ，按系统的构成与运行过程，在屏幕上建立对应于系统运行流程和逻辑关系 的仿真模型。而虚拟现实仿真是在三维可视化仿真的基础上，按照“人在回路中” 的思想，提供听觉、触觉、嗅觉、味觉等逼真感受，建立人与系统的实时交互与控 制，使操作者、管理者决策者近似身临其境地观察到和感受到被仿真系统运行中 的动态变化，并可随用户的意愿进入系统的特定地点，对系统进行控制和作出决策。 1 2 基于组态化工控网络的散货港口装卸自动化系统仿真的提出 港口码头是由船泊、泊位、堆场、货物集疏运输等子系统构成的复杂系统。 某一子系统的高效率无助于系统效率的提高，某一子系统的低效率又会影响系统效 率的发挥。码头作业受气候条件制约，船舶、泊位、设备及人员的情况随时间变化： 货源组成结构及数量也随时间变化，码头的堆场、环境受一定的条件制约。这些特 点决定了港口码头系统是个受多个随机因素影响、动态行为复杂的系统。港口码头 2 匕海海事大学硕士学位论文基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 系统的这些特点，使得计算机仿真技术受到港口规划、设计和营运管理人员的重视。 因此，在发达国家港口码头的规划设计和营运管理方面，计算机仿真技术成为提供 决策信息的有效手段，应用也越来越普遍。 1 2 1 散货装卸自动化系统的特点 专业化的散货港口是一种大型港口，一个泊位的投资高达数亿元，需要几十台 大型设备协调工作。港口控制系统作为现代港口的核心组成部分，是一种设备运动 控制与流程化过程控制相结合的大型控制系统，它的发展经历了三个重要阶段：2 0 世纪7 0 年代，由于使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制系统，即第三 代过程控制体系结构( c c s ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) ；2 0 世纪8 0 年代，微处理 机的应用，从而产生了分布式控制系统，即第四代过程控制体系结构( d c s ， d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ：2 0 世纪9 0 年代，现场总线技术的出现产生了新的 一代过程控翎体系结构，即现场总线控制系统f c s ( v i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。在 这个阶段，计算机技术飞速发展，其重心逐步转移到网络上，显示出信息互联的大 趋势。与此同时局域网技术也日趋成熟，应用越来越广泛。现场总线集控制技术、 计算机技术、通信技术于一体，是一种全分散、全数字化的通信与控制系统，它代 表了当今自动化技术的一种新的发展趋势。总之，随着科技的发展，散货装卸自动 化控制系统的科技含量越来越高，围绕这种系统展开的各项研究和开发工作，必将 是未来相关领域的焦点和亮点。 1 2 。2 计算机纯虚拟仿真的局限性 从上世纪8 0 年代初开始，国内外就对散货港口领域的计算机纯虚拟仿真进行 了相关有益的探索，但主要成果局限在港口规划、生产调度等方面，而在自动化控 制方面，尚是片空白。主要原因是： ( 1 ) 完整的散货装卸自动化控制系统的仿真应该是一个集图像处理、控制、 监控三位于一体的复杂系统，协调性程度要求很高，如果是在单台小型机或工作站 上开发运行，光是图像的处理就需要占据很大的内存空间和系统处理时间，对于散 货港口这样庞大复杂的系统，即使专业化的仿真专用语言系统，也很难在这方面带 来质的突破，系统的实时性较差；再者，这种在单台小型机或工作站运行的仿真软 件，虽然方便于系统参数的定量分析，但无法直观表达系统的运行机理。 ( 2 ) 如果是几台计算机联机仿真运行，各台计算机之问需要传递大量数字量、 模拟量信号，就目前的计算机串行、并行通讯技术，很难得到圆满解决。 上海海事大学硕士学位论文 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 因此，这种纯虚拟的仿真，如果应用到散货装卸自动化控制系统的仿真，还是 有一定得难度和很大的局限性。 1 2 3 实现混合仿真的现实性 我们所说得混合仿真，就是把大型装卸设备抽象为一定的数学模型，用计算机 仿真的方法加以动态演示；而把系统的控制装置等在简化主要环节后，用实物性的 物理形式加以配置实现，这在目前的技术水平和实验条件下，是完全可行的。 把网络技术引入到仿真系统，在国内外已经有了较完善的做法和产品。如基于 网络的远程数控仿真系统：基于网络的变电站培训仿真系统。但是，把网络技术引 入到港口系统的自动化仿真，这在国内外还是首创，它的实践性、先进性必将产生 深远影响。 1 2 4 基于组态化工控网络的散货港口装卸自动化系统仿真 以集成于工控网络中的工控机虚拟生成设备模型：在监控工作站组态软件平台 上仿真监控、中控操作管理：以p 【c 控制规范设备的控制律，动态仿真散货码头的 装卸自动化过程。 基于组态化工控网络的散货港口仿真的特点： ( 1 ) 更接近实际应用 基于组态化工控网络的散货港口仿真实现了设备、控制系统、上位机监控系统 的有效分离，三者通过网络通讯技术相互协调工作，因此更加接近于实际应用。 ( 3 ) 便于进行功能扩展 本系统采用现场总线式网络拓扑结构，现场总线采用高速的通讯网络将各种性 能的处理机系统连在一起，各个站上的处理机同时工作，因此，系统处理能力大大 提高；现场总线网络结构可以连接几个、几十个、甚至上百个站，每个站具有很强 的i o 数据采集和处理能力，响应时闻短，系统实时性强：更重要的是：现场总线 控制系统采用统一的国际标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信规程、连接方 式等方面互相兼容，可以互换和联用，因而使系统具有开放性。由于我们可将复杂 的仿真系统按功能划分为数个仿真节点。增加或者删除节点不影响整个系统运行。 可以根据需要，通过增加或者删除节点来改变系统的功能。 ( 3 ) 便于系统的移植或系统重用 随着技术的发展，单系统平台的性能仿真逐渐发展演变为多系统平台运行的综 合性仿真。以工控机、p l c 、网络通讯为硬件平台的仿真系统是实现多系统平台综 4 上海海事丈学硕士学位论文基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 合性仿真的基础。只要符合集散控制系统特征的自动化系统都可以此平台上开发。 在仿真中，多个相关仿真系统之间既可以独立运行，各司其职；也可以连接成可进 行交互的实时仿真系统，彼此间进行交互式访问，以便交流数据信息，形成综合性 系统仿真，这样更加接近实际运营情况。 同时，在一个硬件平台仿真不同的系统，既可以避免资源的重复建设，又便于 系统移植和重用。 ( 4 ) 监控组态软件带来极大的应用便利 “组态”的概念是伴随着集散控制系统( d c s ) 的出现及计算机控制技术的日 趁成熟才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的，并随着d c s 商品化而发 展起来的。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、p c 化、低成本的发 展趁势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。使得自动化系统的“水平” 和“垂直”集成变得更加容易。监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动 化系统中的重要组成部分。 港口设备种类繁多，动态特征复杂，对系统软件部分提出了高要求。监控组态 软件适用于可视化和工业生产过程控制，它提供了易用性和易于配置的图形设计界 面，为系统监视带来便利。同时，用户可以快速创建并部署自定义的应用程序，连 接并传递实时信息。其灵活的架构可以确保满足各种用户的需求，并可根据将来的 需求进行扩展，同时还能保留原来的工作成果。此外。监控组态软件具备相当的开 放性和可扩展性，所提供的连接功能，可以同行业内的各种自动化设备相连接，适 用范围广泛。 1 3本课题的任务和目标 从系统仿真的角度来说，基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统，建立 在先进可靠的、实时性很强的工控网络硬件平台之上；性能卓越、可视化的程序开 发软件能进行逼真的设备模拟；组态化工控软件提供了包括实时在线监控，实时数 据采集、存储、查询、统计、报表打印，故障报警及记录等在内的各种强大功能。 1 3 1 本课题的主要任务 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的开发与研究是交通部重点实验 室上海海运学院航运仿真中心港口自动化仿真实验室的研究课题之一。目前在 国内港口方面，通过网络平台对散货港口装卸控制系统进行仿真，具有重要的科研 5 上海海事大学硕士学位论文基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 价值和现实意义。本课题的开发与研究的主要任务有： ( 1 ) 分析研究散货港口装卸设备、输送设备、环保喷淋等设备的工作特点和 一般原理，在工控机上对它们进行动态仿真。 ( 2 ) 通过对散货港口自动化装卸工艺流程控制规律的研究，编制p l c 仿真控 制程序。 ( 3 ) 确定装卸流程及其流程设备的监控对象和内容，采用工控组态软件开发 设计，人机监控界面设计。 ( 4 ) 做到动态地仿真散货港口装卸控制系统，并进行中央监控。 1 3 2 本课题的目标 以散货港口自动化装卸控制系统为对象，建立系统仿真模型，开发面向对象的 装卸流程作业控制仿真软件、以及相应的硬件系统，为散货港口的自动化装卸控制 系统科研和教学提供仿真实验平台。本课题设计对象是某散货港口输煤控制系统。 设计验证在上海海运学院“港口自动化仿真实验室”进行。 1 3 3 实施方案 以国内某电厂的原料中转码头的输煤控制系统为仿真范例，进行初步仿真研 究。在广泛调研的基础上进行补充和修改，开展二次开发。考虑到散货装卸控制系 统是一个典型的d c s 系统，因此，可将系统按功能层面划分，有利于开发的进行。 同时，阶段性进行仿真系统与实际系统进行比较和试验，使散货装卸控制系统的仿 真研究逐步深入，最后研制出一套完整实用、功能较强的散货控制系统的仿真系统。 6 上海海事大学硕士学位论文基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 第二章散货装卸自动化控制仿真系统的通用结构 2 1 散货码头的装卸工艺流程及其控制系统构成 图2 - 1 是某煤炭码头的煤炭装卸工艺流程图，较典型地代表了散货装卸的主要 特点。本课题主要以它为实际仿真范例。 图2 - 1 仿真范例某散货港口输煤工艺系统图 图2 1 的煤炭装卸工艺流程主要实现以下功能： ( 1 ) 直驳 卸船机+ 带式输送机装船机 l 装车机 即利用四台卸船机将大型船舶装载的煤炭卸至带式输送机上，经带式输送机的 输送，由装船机装载运送至驳船( 或用装车机运送至陆地运输工具) ，然后运送到 用户单位。 在煤炭码头的煤炭装卸工艺中，直驳流程具体的设备使用情况见图2 2 ： ，一叫 皮带机d s l 甲卜_ 1 | 皮带机d s 5 甲 i l 卸船机 、1皮带机d s i - 7 u l 皮带机d s 5 一乙i 7 上海海事大学硕士学位论文 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 图2 - 2 卸煤直驳工艺流程 ( 2 ) 仓储 卸船机带式输送初r 斗轮机( 堆料) 即经由卸船机、皮带机将散货输送至斗轮堆取料机，并将其储存在堆场上。具 体的设备使用情况见图2 3 ： 图z o 煤炭储运工艺流程 ( 3 ) 驳运 斗轮机( 取料) 带式输送机装船机 l l 一- 装车机 即由斗轮堆取料机将堆场的库存煤料取出，输送至两台装船机，卸煤到驳船上 后驳运至工矿企业。具体的设备使用情况见图2 - 4 ： 图2 4 装煤驳运工艺流程 上述情况可组成可组成六条输煤流程，流程及其设备的使用状态如表2 - i 所示： 表2 - l 流程及其设备的使用状态 、 斗 、茛每卸船机 d s l 一d s l 一 d s 5 一d s 5 一1 撑装捕装 d s 2d s 3d s 4轮 流程( 1 和4 舟) 用 乙乙船机船机 机 、 流程1 11000o1001o 流程21o100oo1oo1 流程31 1o11oo01o0 流程4101110oo100 流程5 00o011 1011o 流程6o0o011o1101 8 上海海事大学硕士学位论文 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统构设计与开发 注；“l ”表示该设备在相应流程中纳入使用；0 表示该设备在相应流程中未纳入使用。 不是所有的装卸流程都能同时运行，存在着流程禁忌。如：当1 群流程运行时， 3 撑流程就不能运行。原因是在1 样、3 # 流程中，1 撑甲皮带输送机属于复用设备，当上 述两个流程分别起动运行时，1 静甲皮带输送机运转于不同的方向，所以两个流程不 能同时运行。表2 2 所示，为图2 - 1 装卸工艺条件下的流程禁忌列表。 表2 - 2 流程禁忌列表 1 # 流程斜流程鲥流程删流程5 # 流程酣流程 1 # 流程 2 徉流程 3 # 流程 端流程 5 # 流程 酣流程 注：“x ”表示两个流程互为禁忌。 2 2装卸控制系统构成 为了实现对上述装卸流程的控制以及其流程设备的控制，按照开放式集散控制 原则，通常采用图2 5 所示的装卸控制系统，此控制系统主要实现三个层次的监控。 ( 1 ) 过程控制级 现场层可采用一主站三从站的方式，以p l c 程控器通过f i e l d b u s ( 现场总线) 或者r i on e t ( 远程输入输出) 主从式网络，把三个远程站( 从站) 与本地站( 主 站) 联接起来，构成对现场设备的基本控制。主站负责整个输煤系统的控制及各分 站的调度、通信等，也处理适当的z o 系统。各分站负责给定区域内设备的控制。 ( 2 ) 控制管理级 即以监控工作站和工控网络构成，与p i x 2 程控器相连，实现对流程设备的上位 机监控。上位系统由监控微机组成，在工控组态软件支持下，通过应用程序完成与 p l c 的通信，以图形方式动态显示生产流程和设备状态等信息，并可以通过操作界 面，实施对过程控制级的控制。现场数据经应用程序处理后，汇总成报表格式，可 供工作人员查阅。 9 上海海事大学硕士学位论文 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 现场设各现场设备现场设备 图2 - 5 散货港口装卸控制系统组成结构图 ( 3 ) 生产管理级 生产管理系统由服务器以及配置在各管理部门的终端来完成。生产管理的功 能，是生产过程中的数据处理，形成各职能部门所需的信息文件，供统计分析之用， 为管理决策提供数据。在这一级上，从安全性考虑，管理计算机不能直接干预装卸 控制系统。 2 3仿真系统硬件配置 港口自动化仿真实验室的自动化控制系统，为三层结构的集散控制系统，如图 2 - 6 所示。 ( 1 ) 由高速以太网b l 连接网络服务器和控制台的三台监控工作站，即把上层 信息管理级与下层控制管理级连接起来。通过网络交换机，可与其它管理计算机， 以及l n t r a n e t 连接。 ( 2 ) 由工业以太网c 1 连接控制台的三台监控工作站和p l c 设各，即把控制 管理级与过程控制级连接起来。 ( 3 ) 在现场控制级为实现分散控制，增加了p r o f i b u s 现场总线和无线以太网。 上海海事大学硕士学位论文基于组态化工控刚络的散贷装卸控制仿真系统的设计与开发 控制台上的三台监控工作站，作为d c s 的控制管理级，双以太网卡。网口1 与上 层的信息以太网连接：网口2 与下层的控制以太网连接。监控计算机不仅起到了控 制管理的功能，而且也作为上、下层网络的网关。 图2 - 6 仿真系统网络结构图 击其它实验室 以太网应用t c p i p 网络传输协议，网络上的p c 机( 监控计算机、服务器、管 1 1 上海海事大学硕士学位论文基于组态化_ t 控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 理计算机等) 可以在w i n d o w s 操作系统的i n t e r n e t 协议( t c p ，i p ) 属性中设定口 地址。网络上的可编程程序控制器( p l c ) 可以在专用编程软件c i m p l i c i t y 中设 定其i p 地址。 围绕散货港口装卸控制系统的d c s 特性，对图2 2 的网络结构进一步说明基于 组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统硬件的选型和配置。 2 3 1 现场设备及其现场控制级 现场设备( 如卸船机、装船机) 的仿真是在设备模拟器( 一台工控机) 上使用 m sv i s u a lc + + 6 0 编程工具开发完成。设备模拟器通过两种硬件接口电路跟p l c 建立通讯连接：作为p l c 的i 0 口，通过p c - b a s e d 板卡实现；作为p l c 的 一个从站通过p r o f i b u s 实现。 由可编程序控制器( p l c ) 及其近程外围控制按钮、触摸屏等组成现场控制级。 g e 一9 0 3 0p l c 设一主站、三从站。开关量输入( d i ) 5 1 2 点，开关量输出( d o ) 2 7 2 点，模拟量输入( a j ) 9 3 点，模拟量输出( a o ) 4 0 点。各站点硬件的具体选 型配置参考表2 3 。 阳2 7p l cd 陷构酬 上海海事大学硕士学位论文 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 表2 - 3p l c 各站点硬件配置 物理 站号u o 信号类别模板型号 主要硬件特征 位置 1 m 3i c 6 9 3 m d l 6 5 0 3 2 点2 4 v 输入 开关量输入( 3 2 p t d i ) 1 m 4i c 6 9 3 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 主站1 m 8 i c 6 9 3 a l g 2 2 31 6 通道4 2 0 m a 输入 模拟量输入( 1 6 c h a i ) 1 m 1 0i c 6 9 3 a l g 2 21 6 通道4 - 2 0 m a 输入 模拟量输出( 8 c h a o )1 m 9i c 6 9 3 a l g 3 3 28 通道4 2 0 m a 输出 2 m 3i e 6 9 3 m d l 6 5 0 3 2 点2 4 v 输入 2 m 4i ( 2 6 9 3 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 开关量输入( 3 2 p t d i )2 m 5i c 6 9 3 m d l 6 5 0 3 2 点2 4 v 输入 2 m 6i c 6 9 3 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 从站l2 m 7i c 6 9 3 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 2 m 1r c 6 9 3 m d i j 5 3 3 2 点集电极开路输出 开关量输出( 3 z p td o ) 2 m 8l c 6 9 3 m d i j 5 3 3 2 点集电极开路输出 2 m 9i ( 2 6 9 3 m d l 7 5 3 3 2 点集电极开路输出 开关量输出( 1 6 p t d o ) 2 m 1 0i c 6 9 3 m d 凹4 01 6 点继电器输出 模拟量输入( 1 6 c h a l )2 m 2i c 6 9 3 a l g 2 2 31 6 通道4 2 0 m a 3 m 1i c 2 0 0 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 3 m 2i c 2 0 0 m d i 石5 03 2 点2 4 v 输入 开关量输入( 3 2 p t d i ) 3 m 3i ( ：2 0 0 m d l _ 6 5 0 3 2 点2 4 v 输入 从站2 3 m 4i c 2 0 0 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 3 m 5i c 2 0 0 a l g 2 “1 5 通道和2 0 m a 模拟量输入( 1 5 c h ) 3 e 5i c 2 0 0 a l g 2 6 41 5 通道扣2 0 m a 4 m li c 2 0 0 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 4 m 2i c 2 0 0 m d 巧03 2 点“v 输入 开关量输入( 3 2 p t d i )4 m 3i c 2 0 0 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 从站3 4 m 4i c 2 0 0 m d l 6 5 03 2 点2 4 v 输入 4 m 5k ：2 0 0 m d i 石5 03 2 点2 4 v 输入 模拟量输入( 1 5 c h a i )4 m 6 i c 2 0 0 a l g 2 6 41 5 通道4 2 0 m a + 注：“x ”m 。y ”表示在p l c 控制柜的机架上位于x 层y 排。 e 海海事大学硕士学位论文基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 ( 1 ) 主站：见图2 7 ，在p l c 屏结构图上可以看到，主站上的模块从左到右 依次排列。p l c 的c p u 采用具有加强型e t h e r n e t ( 以太网) 功能的c p u 3 6 4 ， 通过该e t h e r n e t 可读取从站3e n i u 所带的i o 数据，实现远程信号采集：主站 的p r o f l b u s 模块与从站2p n i u 通过p r o f i b u sd p 进行信息交换；主站第一个 r a c k 通过扩展电缆带有扩展槽，作为从站1 ；作为p l c 的人机操作界面，触摸屏 与p l c 主站直接连接，用p l c 的编程口与p l c 进行g e n i u s 通讯，联系并交换数 据，实际系统都装在一个控制屏内，即p i c 屏。 ( 2 ) 从站1 ：从站1 是主站的扩展站。 ( 3 ) 从站2 ：从站2 通过p r o f i b u s 连接主站。 ( 4 ) 从站3 ：从站3 通过工业以太网( e t h e r n e t ) 连接主站。 ( 5 ) 从站4 ：从站4 是设备模拟器的接口电路通过p r o f i b u s 连接主站。 2 3 2 控制管理级 中央控制台布置三个工位，3 台工控计算机作为监控工作站。通过以太网与现 场控制级p l c 主站连接。监控监控工作站可以对p l c 采集到的现场信息进行监控、 报警输出、打印输出以及保存实时数据。同时经由以太网，一方面可以将有用的数 据存放在网络历史数据库上，在必要的时候可以访问查看。另一方面，也可以与关 系数据库的数据相互交换读取，为企业的管控一体化提供现场设备状态数据。 2 3 3 生产管理级 在项目规划中，下一步将要实现对散货港口装卸自动化仿真系统实时运行状况 的远程监控。即以实时数据服务器、管理计算机及其i n t r a n e t 局域网与监控工作站 相连接，随时读取现场信息，实现一线生产数据对生产管理层开放。将生产现场数 据从控制系统中取出来，并依据采集到的数据在校园i n t r a n e t 上通过浏览器实时再 现监控工作站的内容，采集到的数据，同时作为历史数据，可应用到生产管理级。 2 4 仿真系统软件配置 2 4 1 现场设备仿真软件平台m s v i s u a lc + + 6 0 v i s u a lc + + 6 0 ( 以下简称v c6 0 ) 是m i c r o s o f t 公司最新推出的新一代面向对 象的程序开发工具，因它具有卓越的性能、可视化的编程环境，而成为国内最流行 1 4 卜海海事大学硕士学位论文 基于组态化工控网络的散货装卸控制仿真系统的设计与开发 的编程工具。现场设备仿真软件的开发选用v c6 0 编程工具，基于以下几点考虑： ( 1 ) 丰富的图形设备接口和强大的位图处理功能方便了控制界面的开发。 ( 2 ) 丰富的控件和快捷可靠的消息处理功能为前台控制和后台处理提供了高质 量的链接通道。 ( 3 ) v c6 , 0 的开放性便于嵌入各种板卡驱动函数的库文件，使接口应用程序 的编写成为可能。 2 , 4 2 现场控制级p i a 2 程控器软件开发平台i 加g i cd e v e l o p e r p l c 仿真系统p l c 控制器主机佼用l o g i cd e v e l o p e r p l c 专用编程软件。它是 g ef a n u cp l c 的编程工具，属于m a c h i o e e d i t i o n 系列自动化软件中的一个部分、 这个软件包提供了多种工具用于铋建功能强大的p l c 控毒4 程序、l o g i co e v e l o p e r p l c 可以用于p l c 控制器或远程i o 站组态。创建和修改p l c 逻辑，上载和下载p l c 工程，监视和调试正在执行的控制程序。工程文件也可以从l o g i cm a s t e r ，v e r s a p r o 和c i m p l i c i t yc o n t r o l 的文件夹中导入。 l o g i cd e v e l o p e r p l c 可以在个人电脑上进行控制程序的开发，并且通过以 太网和串行口调制解调器下载到p l c 中。 在