（电力电子与电力传动专业论文）电力推进船舶监测与控制网络.pdf

c o n t r o la n ds u p e r v i s i o nn e t w o r ki ne l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i p a b s t r a c t a san e wp r o p u l s i o nm o d e ，e l e c t r i cp r o p u l s i o ni sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ；f o r e x a m p l e ，w a r s h i pa n dl u x u r i o u sl i n e r c o m p a r et oc l a s s i cd i e s e lp r o p u l s i o ns y s t e m ，i ti s e c o n o m i c a l ，s a f ea n de a s yt oo p e r a t ea n dh a sl e s sn o i s e n e v e r t h e l e s s ，w i t h o u ta d v a n c e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s h i pc a n tc o m m u n i c a t ew i t ho t h e r sl i k ei s l a n da n dw i l lb e i n e f f i c i e n ta n du n s a f e t h e r e f o r e ，t h ei n t e l l i g e n ts h i pn e t w o r ki sn e c e s s a r y t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ed e s i g no fc o n t r o la n ds u p e r v i s i o nn e t w o r ki ne l e c t r i c p r o p u l s i o ns h i pw i t hf i v ec h a p t e r s i n - c h a p t e ro n e ，a i m e da tt h em a i no b j e c to fd e s i g n ，i t i n t r o d u c e st h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gn e t w o r ka n dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no fe l e c t r i c p r o p u l s i o ns h i p i nc h a p t e rt w o ，i tr e f e r st h ew h o l ec o n c e p ta n dt h em o s tc o m p o s i n go f e l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i p i nc h a p t e rt h r e e ，t h ea t t r i b u t e so f s e l e c t e d f i e l d b u sa n d e q u i p m e n t ss u c ha ss i e m e n sp l c s t e p7 - 3 0 0 、s t e p7 - 4 0 0 、e t 2 0 0 ma r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e rf o u ra n df i v e ，i te x p l a l n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o la n d s u p e r v i s i o ns y s t e mi nd e t a i l i ti n t r o d u c e st h en e t w o r ks i t u a t i o no fs y s t e ma n di n t e g r a n t s u b s y s t e m sw i t hp i c t u r e si nc h a p t e rf o u ra n dt h ed i s p l a y sw i t hw i n c ci nc h a p t e rf i v e t h e r ea r et w os e c t i o n s ：t h ec o n t r o lp r o c e s so fs u b s y s t e m sw i t hm a n yp i c t u r e sa n dt h e m a i nf u n c t i o n si nw i n c cu s e dt or e a l i z et h el o g i cc o n t r 0 1 w i t hcs c r i p ta n dt h ev i s u a ld i s p l a y s ，u s e rc a ng e tt h ea c t u a lr u n n i n gs t a t u so fs h i p a n ds e n dc o r r e s p o n d i n gc o m m a n d s f u r t h e r m o r e ，t h e r ea r em a n yl o c ki np r o g r a m s i n t h ee n dt h es e c u r i t yo fd r i v i n gs h i pi sa d v a n c e da n dt h es y s t e mh a sac e r t a i np r a c t i c a l v a l u e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lp r o p u l s i o n ；n e t w o r k ；f i e l d b u s ；p l c ；w i n c c 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ：鱼左燕堂盥艟堕捌与控剑圆终：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：燃硼g 年弓月河日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：南鹰暗导师签名：膨 日期：毒。彦年j 月争目 引言 本课题属于即将新建的电力推进船舶实验室的一部分。随着国际上电力推进 船舶的发展，船舶控制网络也必然随之发展，所以选择电力推进船舶的监测与控 制网络作为课题，为未来的实验室建设提供相当的理论基础和实践经验，具有很 强的理论意义和实际意义。 船舶自动化技术产业已成为当今世界主要海洋强国的支柱产业之一。国外自 2 0 世纪7 0 年代起，由于海洋事业和国际贸易迅速发展的需要，在船舶自动化技术 及新设备研制方面出现了蓬勃发展形势，通过几十年的持续发展，当今世界在船 舶自动化方面正在进行着根本性的变革。而船舶控制网络作为船舶自动化的重要 组成部分，船舶自动化的发展必然加大了对船舶控制网络的需求。 船舶控制网络涉及范围很广，它涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控 制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术。包括推 进系统、发电系统等多个子系统的控制与监测。具有自动化程度高、可靠性高、 维护简洁等特点。通过船舶控制网络所实现的开放化和网络化将是未来船舶自动 化发展的必然趋势。船舶控制网络是一个庞大复杂的系统，所以本次课题任务只 作为电力推进船舶控制网络的实验平台和理论准备，主要完成电力推进船舶控制 网络中的船舶调速控制系统、集中监视与报警系统、船舶电站系统、中央冷却水 系统、压载水系统等的人机接口界面设计和网络设计。 因为工业控制网络并不是一个新的话题，它广泛的应用在工业控制的各个角 落，如：汽车控制网络，工厂生产线控制网络、电厂控制网络等。联系本次课题 的实际情况，借鉴前人的经验，总结必要的理论和实践知识，完成船舶控制网络 的初步框架设计。 第1 章电力推进船舶的发展概况 电力推进是指采用电动机直接带动螺旋桨推动船舶行进的推进方式，它可以 用于各类船舶的航行推进，船舶综合电力推进系统( 又称船舶综合电力系统) 是 指由共同的发电机组产生大功率的电力，同时满足全船所有负荷推进系统、 日用负载、传感系统、船舶系统以及各甲板机械需要的一种全电力系统。这种全 新的设计方案可以大大降低振动噪声，提高船舶的机动性能、可靠性降低费用， 电力推进将是一种被广泛采用的先进船舶推进系统，是当今商新技术船舶发展的 重要方向。 船舶电力推进装置已有近百年历史，上世纪3 0 年代曾出现电力推进的一个发 展高峰。由于当时交流电机调速技术不成熟，多采用直流电力推进，其调速系统 简单、调速性能好，但窘流电机结构复杂、体积大、重量大、维修困难并存在 功率及转速极限等问题，没有得至q 进一步的发展。2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力 电子技术迅速发展，大功率交流电机变频调速技术日臻成熟，基于晶闸管整流逆 变方案和| g b t 器件方案实现的船舶电力推进技术在国外得以迅速发展并在可靠 性和运行效率等方面都有了突破。从而使电力推进技术的应用领域不断扩大，除 应用于破冰船、挖泥船、渡轮以外，还广泛用于许多新建的浊轮、渡轮、游轮、 集装箱船中，显示出广泛的市场前景。 1 1 采用全电力综合推进系统船舶的优点 全电力推进与常授的机械推进方式相比，具有以下优点： 1 ) 经济性好多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机运行的 台数，是机组始终运行于高效工作区，实现最大的经济性。据统计，同功率的船 舶采用电力推进要比采用内燃机推进耗油减少1 0 左右，航速可提高0 5 节 “。 2 ) 操纵性好推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转 矩，因此自得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性。 3 ) 安全性好柴油机推进的船舶一旦主机重要部件或舵机轴系出现故障往往 导致船舶停j l 航行而电力推进使用多台原动机，个别机组故障不致丧失动力。电 力推进系统多采用两套以上互为各用。在c y c l o 推进系统中，同步电动机定子有 两组相互独立的绕组，一组出了故障仍可减载运行。 4 ) 机舱布局灵活传统船舶轴系长度往往占到船长的4 0 左右，电力推进的 船舶省却了传动轴系、减速齿轮箱，改善了机舱布置，使动力装置安排更加合理， 节省了大量空间。 5 ) 噪音低、振动小传统船舶采用柴油机带动螺旋桨旋转采用大的传动齿轮， 由于机械磨合的存在，有许多振动和噪声，船舶采用电力推进以后，采用电动机 带动螺旋桨，电动机可以安置在离螺旋桨较近的地方，大大减少了嗓音、振动， 提高了船员和乘客舒适程度。这一点对客轮十分重要。一 6 ) 有利于船舶控制环境污染对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油 机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的n o x 含量少，燃 气轮机联合装置的n o x 排放水平则更低。 1 2 国内外电力推进船舶的发展概况 1 2 1 国内外民用船舶电力推进系统的发展概况 世界上各大船用设备厂家都推出了电力推进系统。a b b 、s i e m e n s 、 a l s t o m 、s t n a t l a s 等公司都已开发出成套的电力推进系列产品。其中尤以吊 舱式电力推进器a z 婵o d 最为成功，得到广泛应用。如图1 1 所示。 a z l p o d 将马达装入一个流线型壳体内，螺旋桨置于壳体前端，其推进效率高 于常规螺旋桨。a z w o d 操作十分方便，可以在很低转速下运行。又可作为转向装 置。从装有两套1 4 0 0 0 k wa z i p o d 的大型旅游船e l a t i o n 号的运营效果可知，航 速比装有常规推进的姐妹船快o 5 节，推进效率高8 ，回转半径减少3 0 ，从全 速前进到全速后退仅需2 0 秒。截止2 0 0 1 年，a b b 收到a z i p o d 订单1 0 1 套， 总功率1 0 6 7 m w ，累计运行时数超过3 0 万小时。 目前a z 伊o d 的最大竞争对手是由瑞典k a l l l e w a 公司和法国a l s t o m 公司联合 开发的m e r m m d 推进器，也称“美人鱼”推进器，功率范围为5 - 2 5 m w 该系统的 独特设计在于轴封甚至整个吊舱都可以在水下进行更换。现在有3 0 多艘装备了 m e r r n a i d 推进器的船舶正在运营。目前世界上最大的豪华邮轮“v o y a g e ro fs e a s ” 力推进系统多采用两套咀上互为备用。在c y c l o 推进系统中，同步电动机定子有 两组相互独立的绕组，组出了故障仍可减载运行。 4 ) 机舱布局灵活传统船舶轴系长度往往占到船长的4 0 左右，电力推进的 船舶省却了传动轴系、减速卤轮箱，改善了机舱布置，使动力装置安排更加合理， 节省了大量空自j 。 5 ) 噪音低、振动小传统船舶采j _ ；j 柴油机带动螺旋桨旋转采用大的传动齿轮， 由于机械磨台的存在，有许多振动和噪声，船舶采用电力推进以后，采用电动机 带动螺旋桨，电动机可以安置在离螺旋桨较近的地方，大大减少了噪音、振动， 提高了船员和乘客舒适程度。这一点对客轮十分重要。一 6 ) 有利于船舶控制环境污染对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油 机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的n o x 含量少，燃 气轮机联合装置的n o x 排放水平则更低。 1 2 国内外电力推进船舶的发展概况 1 2 1 国内外民用船舶电力推进系统的发展概况 世界上各大船用设备厂家都推出了电力推进系统。a b b 、s i e m e n s 、 a l s t o m 、s t n a t l a s 等公司都已开发出成套的电力推进系列产品。其中尤以吊 舱式电力推进器a z i p o d 最为成功，得到广泛应用。如图1 1 所示。 a z i p o d 将马达装入一个流线型壳体内，螺旋桨置于壳体前端，其推进效率高 于常规螺旋桨。a z i p o d 操作十分方便，可以在很低转速下运行。又可作为转向装 置。从装有两套1 4 0 0 0 k wa z i p o d 的大型旅游船e l a t i o n 号的运营效果可知，航 速比装有常规推进的姐妹船快0 5 节，推进效率高8 ，回转半径减少3 0 ，从全 速前进到全速后退仅需2 0 秒。截止2 0 0 1 年，a b b 收到a z i p o d 订单1 0 l 套， 总功率1 0 6 7 m w ，累计运行时数超过3 0 万小时。 目前a z i p o d 的最大竞争对手是由瑞典k a l l 2 9 w a 公司和法国a l s t o m 公司联台 开发的m e r m a i d 推进器，也称“美入鱼”推进器，功率范围为5 - 2 5 m w 该系统的 独特设计在于轴封甚至整个吊舱都可以在水下进行更换。现在有3 0 多艘装备了 m e r m a i d 推进器的船舶正在运营。目前世界上最大的豪华邮轮“v o y a g e r o f s e a s ” m e r m a i d 推进器的船舶正在运营。目前世界上最大的豪华邮轮“v o y a g e r o f s e a s ” 号采用的7 个推进器中6 个是“美人鱼”，整体采用分散驱动模式，船尾3 个主 推进器均为1 4 m w 。其他部位安装了4 个辅助推进器，功率均为3 m w 。实践证明， 通过这样设计的船舶可以减少船体阻力5 。1 0 ，提高运输效率1 5 。 图1 1 吊舱式电力推进器a z i p o d f i g 1 1c o m p a c ta z i p o dp r o p u l s i o n 在我国2 0 0 0 年，上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造了一艘1 9 5 0 0 吨级 化学品船，名为“柜劳斯佩拉”，这是我国制造的首艘吊舱式电力推进船舶。2 0 0 2 年广船国际为c o s c o 建造的1 8 0 0 0 吨级半潜船“泰安口”是我国自己建造的第二 艘电力推进船舶，第一艘海洋工程大型特种船舶。该船总长1 5 6 米、载重1 8 0 0 0 吨、型宽3 2 2 米、航速1 4 节、续航力1 3 0 0 0 海里，造型与一般海洋船舶完全不同， 其船头高大，驾驶舱高高耸起，但船身却是一大块低平的甲板，拥有一个3 2 x 1 2 6 米的装货大平台，登上船头向下俯瞰，足足有五、六个篮球场大。船尾则是两个 巨大的方形浮箱，下潜时可起到平衡作用。设计采用了世界上最先进的s s p 电力 推进系统( 由德国s i e m e n s 公司和s c h o t t e l 公司联合研制) 。采用3 6 0 度全回转 双螺旋桨形式，分别装在一个加长辙的两端，转向相同，吊舱尺寸不超过螺旋桨 直径的3 0 4 0 。并设有船艏侧推器两套，每套功率8 0 0 k w 。“泰安口”采用三 台中压3 9 0 0 k w 发电机组为两台4 7 0 0 k w 吊舱推进器和两台8 0 0 k w 侧推器供电。 为防止谐波对低压系统的影响，电力系统中增加了两台交流机组向低压配电板供 电，实现了中低压系统的电、磁隔离。利用电脑与卫星配合，自动操纵动力系统， 使得船舶在海上停泊保持船位不变时可以不用抛锚，只要在电脑中设定好停船点 的经纬度，它就会牢牢地停在这一点上，误差率仅为半径1 5 米的位置。并可在海 上垂直下潜至1 9 米深度，由于半潜船通过下潜的方式装运大型的货物，所以在业 内又享有“海上叉车”的美称。 “泰安口”号的姐妹船“康盛口”号、烟台一大连火车轮渡、3 0 0 0 吨级海事 船、某化学品船、自航式全回转起重船及些中小型船舶也采用了电力推进方式。 1 2 2 国际军用舰艇发展概况 第次世界大战至第二次世界大战间，汽轮机在舰船上首次使用，由于与之 相应的大功率机械减速装置的制造还有一定困难，因此航空母舰等许多舰船都采 用并发展了各种形式的电力推进方案。1 9 1 1 年建造的“海神”号是第一艘采用电 力推进的军舰，后被改造成第一艘航空母舰，还有比较有代表性的电力推进战列 舰“新墨西哥号”，其总轴功率分别达到了4 0 0 0 k w 和2 2 0 0 0 k w 。二战期间，电 力推进出现过广泛应用的流行期，仅美国就有2 2 6 嫂护卫舰与4 8 8 艘民船，采用 汽轮机发电异步电动机电力推进装置。此时的电力推进除了用于水面大型舰船外 还在军辅船、护卫舰和潜艇得到了广泛的应用。二战结束后，由于机械加工技术 的进步，特别齿轮传动装置加工能力的提高，蒸汽透平和柴油机朝大型化发展， 批量生产能力得到了提高，而当时的电力推进却由于技术条件的限制，其装置大 而笨重、效率低、成本高，限制了其广泛应用。因此大部分水面舰船均采用蒸汽 轮机、柴油机和燃气轮机及各种联合动力装置机械推进。8 0 年代以来，永磁电机、 电力电子技术、新型电机控制理论和交流调速技术的发展，电力推进技术相对于 传统的机械推进技术的优点不断显现，逐渐成为世界各国海军的研究热点。1 9 8 6 年美国提出“海上革命”计划，就把综合电力推进作为新一代舰船的推进方式。 1 9 9 2 年美国海军提出了a s m p ( 先进水面舰艇机械项目) 计划。1 9 9 4 年在a s m p 计划研究过程中，提出了口s 概念，即综合全电力推进系统。预计将造3 2 艘的 d d 2 1 驱逐舰将全部采用全电力推进。此外英国的4 5 型护卫舰也是采用的全电 力推进技术【2 】a 1 3 电力推进舶舶计算机网络发展概况 由于航运事业的发展，对某些特殊作业的船舶性能要求越来越高，电力推进 船舶的优点便突出显现出来，受到越来越多的重视。伴随着各种电力电子器件的 发展，使得电力推进船舶的各种数据信息均能转化为电信号传输，然后通过计算 机和可编程逻辑器件编写数据采集与控制的程序，实现船舶的自动化。但是传统 推进系统、甲板机械等船舶传动装置的通信系统时效性差，准确性不高，同步性 存在延迟，不能实现数据信息、控制信息的实时传递，无法跟上目新月异的船舶 电工新技术的步伐，成为制约电力推进船舶发展的瓶颈。为了解决这一问题，实 现电力推进船舶的网络化、智能化已经提到日程上来了。 船舶自动化早在5 0 年代就已经提出来了，当时航运发达的国家为了降低运输 成本，实现了某些单个系统的自动化，如自动舵、自动锅炉、柴油机装置的压力、 温度和液位的自动调节等。但并未构成一个完善的集中控制系统，只能称之为单 元装置自动化。6 0 年代初，随着电子技术的发展，日本、丹麦等国家首先推出机 舱集中监控系统，实现了无人机舱管理。而当时的所采集和控制的信号主要以模 拟信号为主，因此称之为模拟式( a c c ) 监控系统。7 0 年代随着船舶主机、辅机 和各种自动化设备可靠性的进一步提高，特别是电子计算机技术的发展，形成了 “超自动化船舶”，但这种集中控制的方式( c c s ) 会由于计算机故障而导致整个 系统瘫痪，所以风险很大。直到上世纪8 0 年代，由于计算机及其计算机网络通信 技术的快速发展，特别是微处理器的广泛应用，先后出现了分散监控系统和集散 型微机网络监控系统。特别是近十多年来，已经有很多船用设备相继采用了微机 控制及监测技术，可以对船舶设备的运行状态进行监测和故障诊断，实现驾驶台 遥控操纵、无人机舱管理【3 1 。例如本文设计所参考的s m s 1 2 监测和报警系统就是 由日本j r c s 公司生产的、专为船舶设计的1 6 位中央处理单元，它可以满足在各 类船舶上用报警和监测机械设备的运行工况。 第2 章电力推进船舶的主要结构 众所周知，艘采用以柴油机、燃气轮机或热电机作为原动机的机械推进方 式的船舶，通常需要配置推进原动机( 主机) 和至少两台用以保证电力系统运行 的原动机( 副机) 。在绝大多数工况下，这些原动机不可能运行在最高的效率区。 而对采用全电力推进方式的船舶来说，由于实现了推进及日常用电的综合电力系 统( 即一源多用) 。已没有必要再将原动机区分为主、副机，只需构成若干种“原 动机发电机组模块”供选择即可。由此，原动机发电机组模块的总数完全能根据 船舶若于种常用典型工况下的负载弗考虑到使其工作在高效率区和合理布局等原 则综合优选确定。 船舶电力推进系统主要组成部分包括原动机、发电机、配电板、变压器、变 频器以及推进电机。主要工作方式就是原动机带动发电机，发出的电能传送至配 电板，由配电板汇流后分配至全船各用电设备。另外通过整流还可以给蓄电池充 电，使之作为备用电源。有些系统的变频器采用中高压供电，因为提高电压有利 于减小推进电机的尺寸和线路损耗，然后在转换过程中按要求对电的频率进行控 制调整把满足要求的电能送给电机。 1 ) 原动机有柴油机、蒸汽轮枫、燃气轮机和原子能动力装置。现在，新型电 源有燃料电池、热电偶及太阳能供电等。 2 ) 主配电板由西部分组成，即发电机控制屏、并车屏、负载屏及连接母线。 发电机控制屏一般包括励磁控制部分，发电机主开关及其指示操纵部分，发电机 保护部分，仪用互感器及测量仪表等。 3 ) 交流变频器分为间接变频( 交直交变频) 及直接变频( 交交) 两大类。 前者是目前变频器的主流，适用于大中小功率各种机械；后者适用于5 0 0 0 k w 以 上特大功率及低速驱动。交直交变频由整流器、滤波器及逆变器三部分组成，按 使用滤波器的种类不同又可分为电压型及电流型两类，主要区别是在滤波器中前 者用电容器，后者用电抗器。 除了上面所介绍的船舶电力推进系统的基本组成外，电力推进船舶还应该包 括，普通船舶所具有的一些辅助设各，才能完成正常地航行。这些辅助设备包括 船舶系统和甲板机械等。 船舶系统是保证船舶不沉、安全、防火、防污染和正常航行性能，以及满足 船舶营运和旅客生活需要而设的全船管路系统。它包括各种机械、管子及附件、 仪表等等。它是为保证船舶正常营运不可缺少的系统。船舷系统按其用途可分为： 舱底水系统、压载系统、卫生水系统、空调系统、消防系统、特种系统等。甲板 机械从广义上说，是指在机舱之外的所有依靠动力驱动的船舶设备。包括舵机、 锚机、系缆机、船舶起货机、侧推装置、船舶减摇鳍等甲板机械的动力，除在极 少数场合使用人力或气动力外，主要有三种型式，即蒸汽动力、电力和液压动力。 由于蒸汽动力存在汽源供给困难和冬季使用不便等缺点，除在大型油轮上因其防 火安全性较好仍有使用外，已基本为后两种动力所取代。尤其是液压传动，因为 具有较高的工作可靠性及更能适应许多甲板机械对遥控的需要等一系列的优点， 在甲板机械中得到越来越多的应用j 。 新型的电力推进包括超导电力推进、太阳能电力推进、燃料电池电力推进等 方向，其研究领域十分广泛，待研究的课题众多，无论从深度上还是广度上都有 很大的发展潜力，在未来的几年乃至十几年内，就船舶电力推进系统相关技术掌 握的好坏，将在很大程度上体现出一个国家造船技术的水平。 第3 章电力推进船舶计算机网络组成 如果把船舶机电部门所管辖的各类设备都配置相应的自动监控装置就可以实 现对该设备的自动监控。“机舱自动化”有两层含义，第一是所有这些自动监控 装置的总称；第二是将这些自动监控装置优化组合再加上具有管理功能的模块， 组成能满足船舶动力系统总体性能要求的自动监控系统整体。因此，从层次分析 的观点看，前者是个体和基础，而后者则是全局和管理层。从某种意义上来说， 后者所涉及的面更宽，其重点在于整体优化。 因为远程操纵机舱设各时，必须掌握该设备当前的技术状态和运行状态，随 时根据要求保持或改变设备的运行状态。可见，远程操纵需要三个要素：具有人 机对话功能的监测软件其操作界面能够显示技术状态和运行状态；接受控制信号 以保持或改变设备运行状态的控制机构；传递控制信号与状态信息的网络介质。 在本系统中，考虑到设备的兼容性、一致性，所以，尽可能都采用了s i e m e n s 公司 设计生产的一系列产品，其中监控软件采用的是w i n c c6 0s p 2 、控制执行机构采 用的s t e p 74 0 0 、s t e p 73 0 0 、s t e p 72 0 0 、e t 2 0 0 m 、网路传输介质采用已被国际认 可并广泛使用的p r o f i b u s 现场总线。 3 1 现场总线技术p r o f b u s 分布式外围设备的标准通信 目前现场应用比较广泛的现场总线主要有：基金会现场总线( 即f f 现场总线) 、 p r o f i b u s 现场总线、c a n 总线、h a r t 总线等，这里我们主要介绍p r o f i b u s 总线。 p r o f i b u s 协议的设计满足介质控制的两个基本要求1 6 j ： 1 ) 在复杂的自动化系统( 主站) 间的通信，必须保证在确切的时间阃隔中， 任何一个站点有足够的时间来完成通信任务。 2 ) 在复杂的p l c 或p c 和简单的i 0 外围设备( 从站) 间的通信，应尽可能 简单快速地完成数据的实时传输，因通信协议增加的数据传输时间应尽量 少。 p r o f i b u s 采用混合的总线存取控制机制来实现上述目标。它包括主站 ( m a s t e r ) 之间的令牌( t o k e n ) 传递方式和主站与从站( s l a v e ) 之间的主一从方 9 式。令牌实际上是一条特殊的报文，他在所有的主站上循环一周的时间是事先规 定好的。主站之间构成令牌逻辑环，令牌传递仅在各主站之间进行。令牌按令牌 环中各主站的地址的升序在各主站之间依次传递。 当某主站得到令牌报文后，该主站可以在一定时间内执行主站工作。在这段 时问内，他可以依照主一从通信关系表与所有从站通信，也可以依照主一主通信关 系表与所有主站通信。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内褥到 总线存取权( 即令牌) 。如图3 1 所示。 图3 1p r o f i b u s 现场总线存取方式 f i g 3 1 f i e l d b u sa c c e s sm e t h o d p r o f i b u s 主要由p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 、 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s b p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 等3 部分组成。 其中p r o f i b u s - d p ( 或d p 标准) 是由欧洲标准e n s 0 1 7 0 和国际标准i e c 6 1 1 5 8 定义的一种远程i o 通信协议。是一种高速( 数据传输速率9 6 k 1 2 m b i t s ) 、经 济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散i o 之间的通信，可满足交直流调 速系统快速响应的时间要求。遵守这种标准的设备，即使是由不同的公司制造， 也是兼容的。d p 表示分布式外围设备。亦即远程i o 。p r o f i b u s 表示过程现场总 线。 p r o f i b u s d p 使用了i s o o s i 通信标准中的第一层、第二层( 即物理层和数据 链路层) 和用户接口层，第三层到第七层未使用。这种精简的结构确保高速数据 传输。直接数据链路欧像程序( d d l m ) 提供对第二层的访问。在用户接口中规定 了p r o f i b u s d p 设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行为特性。这种为 高速传输用户数据而优化的p r o f i b u s 协议适用于p l c 与现场级分散的i o 设备之 间的通信。 p r o f i b u s d p 物理层与i s o o s i 参考模型的第一层相同采用e i a r s 4 8 5 协议， 根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。 r s 4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一种传输技术。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 r s 一4 8 5 传输技术基本特征如下： 1 ) 网络拓扑：线性总线，两端有源的总线终端电阻。 2 ) 传输速率：9 6 k b p s 1 2 m b p s 。 3 ) 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件。 4 ) 站点数：每分段3 2 个站( 不带中继) ，可多到1 2 7 个站( 带中继) 。 5 ) 插头连接：最好使用g 针d 型插头。 光纤传输技术是在p r o f i b u s 系统在电磁干扰很大的环境下应用的时候所采用 的，这可以增加高速传输的距离。一般情况下，可选用两种光纤导体，一是价格 低廉的塑料纤维导体，供距离小于5 0 m 的情况下使用。另一种是玻璃纤维导体， 供距离大于l k m 情况下使用。 许多厂商提供专用总线插头可将r s - 4 8 5 信号转换为光纤导体信号或将光纤导 体信号转换成r s 一4 8 5 信号。由于在本系统中采用光纤作为传输介质，所以在后面 我们会对光纤通信作详细介绍，在这里就先简单介绍到这。 3 2 网络物理构成 本网络采用西门子公司的s i m a t i cs 7 系列，s 7 系列是传统意义的p l c 产品， 其中的s 7 2 0 0 是针对低性能要求得小型p l c ，s 7 3 0 0 是针对低性能要求的模块式 中小型p l c ，最多可以扩展3 2 个模块。s 7 4 0 0 是用于中高性能要求的大型p l c ， 可以扩展3 0 0 多个模块。根据实际需要本网络采用s 7 4 0 0 作为主站，监控站连接 在总线上，完成远程编程、组态以及在线监控功能。p r o f i b u s d p 网络中从站分为 两种：一、采用输入区域和输出区域可变的模块化e t 2 0 0 m ：二、以带c p u 的 p l c 2 0 0 3 0 0 作为智能从站。智能从站提供给d p 主站的输入输出区域不是实际的 i o 模块使用的i o 区域，而是从站c p u 专门用于通信的输入输出映像区。下面 简要介绍本次网络用到的一些主要的现场设备。 3 2 1s t e p 74 0 0 系列p l c 本网络系统采用的是s t e p 74 1 4 2 d p ，具有2 5 6 k b 2 5 6 k b 集成式程序数据r a m 。 具有两个内置的通信口，第一个通信接口可以作为m p i ( 默认设置) 和d p 主站， 有光隔离。作m p i 接口时，可以与编程器和o p ( 操作员面板) 通信，可以作路由 器。全局数据通信的g d 包最大6 4 k b 。s 7 标准通信每个作业的用户数据最大7 6 k b ， s 7 通信每个作业的用户数据最大6 4 k b ，s 5 兼容通信每个作业的用户数据最大8 k b ， 通过c p 和可装载的f c 可以进行标准通信。内置的通信接口最大传输速率 1 2 m b i t s 。做d p 主站时，可以与编程器和0 p 通信，支持内部节点通信，有等时 线和s y n c f r e e z e 功能，最多3 2 个d p 从站，可以作路由器，插槽数最多5 1 2 个。 最大地址区2 k b ，每个d p 从站的最大可用数据为2 4 4 b 输入2 4 4 b 输出。第二个通 信接口可以作为d p 主站( 默认设置) 和点对点连接，有光隔离。作d p 主站时， 可以与编程器和o p 通信，支持内部节点通信，有等时线和s y n c f r e e z e 功能。每 个d p 从站的最大可用数据为2 4 4 b 输f l , 2 4 4 b 输出【确】。 s t e p 74 0 0 是具有中高档性能的p l c ，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠 性要求极高的大型复杂的控制系统。s t e p 74 0 0 系列提供了多种级别的c p u 模块和 齐全的通用功能的模块，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。它们采用模 块化设计，性能范围宽广的不同模块可以灵活组合，扩展十分方便。主要特点： 1 ) 运行速度高，s t e p4 1 6 执行一条二迸制指令只要0 0 8 u s 。 2 ) 存储器容量大，例如s t e p 74 1 7 - 4 的r a m 可以扩展到1 6 m b ，装载存储器 ( f e p r o m 或r a m ) 可以扩展到6 4 m b 。 3 ) i o 扩展功能强，可以扩展2 1 个机架，s t e p 74 1 7 4 最多可以扩展2 6 2 1 4 4 个数字量和1 6 3 8 4 个模拟量i o 。 4 ) 有极强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的m p i ( 多 点接口) 能建立最多3 2 个站的简单网络。大多数c p u 集成有p r o f i b u s d p 主站接口，可以用来建立高速的分布式系统，使操作大大简化。从用户的 角度看，分布式i o 的处理与集中式i o 没有什么区别，具有相同的配置、 寻址和编程方法。c p u 能与在通信总线和m p i 上的站点建立联系，最多1 6 4 4 个站点，通信速率最高1 2 m b i t s 。 5 ) 通过钥匙开关和口令实现安全保护。 6 ) 诊断功能强，最新的故障和中断时间保存在f i f o ( 先入先出) 缓冲区中。 7 ) 集成的h m i ( 人机接口) 服务，用户只需要为h m i 服务定义源和目的 3 2 2s t e p 73 0 0 系列p l o s t e p 73 0 0 采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块( p s ) 、c p u 、信 号模块( s m ) 、功能模块( f m ) 、接口模块( i m ) 和通信处理器( c p ) 都安装在 导轨上。导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在d i n 标准的安装导轨上， 然后用螺栓锁紧就可以了m 1 。本次设计采用的是s t e p 73 1 3 c ，集成的数字量i t o 和模拟量i o ，适用于有较高要求的系统。 3 2 3e t 2 0 0 m 分布式i o 西门子的e t 2 0 0 系列是基于p r o f i b u s - o p 现场总线的分布式i 0 ，可以与经过 认证的非西门子公司生产的p r o f i b u s d p 主站协同运行。 全集成自动化概念和s t e p 7 使e t 2 0 0 能与西门子的其他自动化系统协同运行， 实现了从硬件配置到共享数据库等所有层次上的集成。所有的i o 均在一个软件 的控制之下，因此用户在增加程序是不需要额外的培训。 因为e t 2 0 0 只需要很小的空间，能使用体积更小的控制柜。集成的连接器代 替了过去密密麻麻、杂乱无章的电缆，加快了安装的过程，紧凑的结构是成本大 幅度降低。 e t 2 0 0 能在非常严酷的环境下( 例如酷热、严寒、强压、潮湿或多粉尘) 中使 用。能够提供连接光纤p r o f i _ b u s 网络的接口，可以节省费用昂贵的抗电磁干扰措 施【7 矧。 本设计采用的e t 2 0 0 m 是多通道模块化的分布式 o ，采用s 7 3 0 0 全系列模块， 最多可扩展8 个模块，可以连接2 5 6 个i o 通道，适用于大点数、高性能的应用。 它有支持h a r t 协议的模块，可以将h a r t 仪表接入现场总线。它具有集成的模块 诊断功能，在运行时可以更换有源模块。提供与s 7 4 0 0 h 系统相连的冗余接口模 块和i m l 5 3 2 集成光纤接口。 32 4s t e p 72 0 0 系列p l c 及其d p 接口模块e m 2 7 7 s t e p 72 0 0 系列属于整体是小型p l c ，用于代替继电器的简单控制场合，也可 以用于复杂的自动化控制系统。将c p u 模块、i o 模块和电源装在一个箱型机壳内。 它还配备与许多专门的特殊功能模块，例如：模拟量输入输出模块、热电偶、热 电阻模块、通信模块等，使p l c 的功能得到扩展【7 】。 s t e p 72 0 0 的c p u 模块自带的r s 一4 8 5 串行通信口支持p p i 、d p t 、自由通信 口协议和p r o f i b u s 点对点协议。每个网络最多1 2 6 个站，最多3 2 个主站。通信 接口可以实现与下列设备的通信：运行编程软件的计算机、文本显示器t d 2 0 0 、o p ， 以及s 7 - 2 0 0 c p u 之闽的通信；通过自由通信口协议，可以与其他厂商的设各进行 串行通信。 e m 2 7 7p r o f i b u s d p 模块是s 7 2 0 0 的智能扩展模块，该模块己定义作为以下 通信协议标准中的从站，实现d p 标准协议川： 1 ) e n 5 0 1 7 0 ( p r o f i b u s ) 描述总线访问和传送协议，并规定数据传送介质的 性能。 2 ) e n 5 0 1 7 0 ( d p 标准) 描述d p 主站和d p 从站之间的高速循环交换数据。这个 标准规定组态和参数赋值过程，解释具有分布式i o 功能的循环数据如何 进行交换，并列出支持的诊断选择。 e m 2 7 7 经过串行i o 总线连接到s t e p 72 0 0c p u 。p r o f i b u s 网络经过其d p 通 信端口，连接到e m 2 7 7p r o f i b u s - d p 模块。这个端口可运行于9 6 0 0 波特和1 2 m 波 特之间的任何p r o f i b u s 波特率。 一个d p 主站组态应包含地址，从站类型以及从站所需要的任何参数赋值信息。 还应告诉主站由从站( 输入) 读入的数据应放置何处，以及从何处获得写入从站 ( 输出) 的数据。d p 主站建立网络，然后初始化启动其d p 从站。主站将参数赋值 信息和i o 配置写入到从站。然后，主站从从站那里读出诊断信息，并验证d p 从 站已接受参数和i 0 配置。然后，主站开始与从站交换i o 数据。每次对从站的 事务处理为写入从站的输出缓冲区值和读出从站的输入缓冲区值。这种数据交换 方式无限期地继续下去。如果有一个例外事件，从站会通知主站，然后，主站从 从站那里读出诊断信息。 一旦d p 主站已将参数和i o 配置写入到d p 从站，而且从站已从主站那里接 受到了参数和配置，则主站就拥有那个从站。从站只能接受其主站的写请求。网 络上的其他主站可以读取该站的输入和输出，但是他们不能向浚从站写入任何信 息。 但是，当e m 2 7 7 用于s t e p 72 0 0 的d p 连接模块时，s t e p 72 0 0 仍能作为一个 m p l 从站与同一网络上如s 1 m a t l c 编程器或s t e p 73 0 0 s t e p 74 0 0 c p u 等其他主站 进行通信。 在p r o f j b u s 网络上进行数据传输时，应知道p r o f i b u s 共支持三种数据致 性f 6 j ： 1 ) 字节一致性保证字节作为整个单元传送。 2 ) 字一致性保证字的传送不会被c p u 中的其他处理所中断。就是说，组成字