（水利水电工程专业论文）新华闸自动化监控系统的设计与研究.pdf

华北水利水电学院硕士学位论文 新华闸自动化监控系统的设计与研究 摘要 随着社会生产规模的扩大、生产水平的提高，科学管理水资源越来越显示其重 要性和必要性，水闸自动化监控系统是当前我国大力推进的水利信息化的重要组成 部分。 论文丰要解决通过下游新华闸对上游液位的控制，以满足取水口对闸门水位的 要求。基于对工控网络的理解，为实现闸门的远程监控，论文构建了3 层网络控制 系统：现场控制层、在过程监控层、远程监控层。本文选用了的西门子公司的s 7 3 0 0 型p l c 作为闸门控制系统的主站，选择了远程i 0 站e t 2 0 0 m 作为子站。选用 组态王为系统组态软件。将现场总线技术和工业以太网技术运用到监控系统中，实 现了闸门的自动控制。 关键词：水闸现场总线技术p l c 组态王工业以太网 兰! ! 查型查皇堂堕堡兰兰堡堡塞一 t h ed e s i g na n dr e a s e a r c ho fw a t e ri n t a k eo f x i n l t u aa u t o m a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m a b s c r a c t a i o n 空w i t ht h es o c i a lp r o d u c ts c a l ee x p a n s i o n ，t h ep r o d u c t i o nl e v e l e n h a n c e m e n t t h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n tw a t e rr e s o u r c e sm o r ea n dm o r o d e m o n s t r a t ei t si m p o r t a n c ea n dt h en e c e s s i t y w a t e ri n t a k ea u t o m a t e dc o n t m l s v s t e mi s i m p o r t a n tc o m p o n e n to fc u r r e n t l yv i g o r o u s l yp r o m o t i n gc h i n a s w a t e ri n f o r m a t i o n t h et h e s i sm a i n l yd i r e c t sa tt h em e t h o dc o n t r o l l i n gt h eu p p e rl e v e l t h r o u g hm a n i p u l a t i n gt h e t a i ls t r o b ef o rt h es a t i s f a c t i o no ft h ed e m a n do f w a t e rm t a k ef o rl e v e lb e f o r es t r o b e u n d e r s t a n d i n go fi n d u s t r i a l c o n t r o l n e t w o r k s ，f o rt h ed e s t i n a t i o no fr e m o t e n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi ss u s p e n d e d ：t h e s u p e r v i s o r yc o n t r o l ，t h r e e l a y e r e d f i e l dc o n t r o ll a y e r ，t h es u p e r v i s o r y l a v e kt h er e m o t em o n i t o r i n gc o n t r o ll a y e r t h ec h o i c eo ft h es 7 3 0 0t y p eo f s i e m e n sp l cc o n t r o ls y s t e m a st h em a i n g a t e s t a n d s - h a ss e l e 。t e d l o n g - d i s t a n c ei os t a n d se t 2 0 0 m t ot a k et h es u b s t a t i o n s e l e c t st h ek i n g v j e wf o rt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o ns o f t - w a r e u t i l i z e st h ef i e l d b u st e c h n o l o g y a n dt h ei n d u s t r ye t h e m e tt e c h n o l o g yt ot h es u p e r v i s o r ys y s t e m - a c h i e v e d w a t e ri n t a k ea u t o m a t i c k e y w o r d s ：w a t e ri n t a k e f i e l d b u sp l ck i n gv i e wi n d u s t r ye t h e m e t i i 华北水利水电学院硕 ：学位论文 声明 本人郑重声明：本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成硕士学位论文“新华闸自动化监控系统的设计与 研究”。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外，本文 不包含其他人已经发表和集体公开发表的成果。对我帮助过的老师、 师兄师弟以及社会同仁的任何贡献已经在论文中作了明确说明并表 示了谢意。 本声明的法律责任由本人承担。 1 1 i 作者签名： 日期： 缸眨 一镡6 j 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究水闸自动化监控系统的目的 随着国民经济及科学技术的进一步发展，科学管理水资源越来越显示其重要性 和必要性，尤其是在我国水资源并不充裕的情况下，水资源必然成为国民经济发展 及人民生活水平提高的制约因素。要解决好新世纪水的问题，就必须调整治水思路， 转变治水方针，从工程水利向数字水利转变，从传统水利向现代水利、可持续发展 水利转变。进一步发挥水利工程效益，提高供水设备的准确性和可靠性，己成为当 前的迫切任务。 随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技 术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实现水资源的合理 输送、节制和分配，就是水闸监控系统的主要内容和目标。 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业优化升级和实现工 业化、现代化的关键环节。要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置。水利是 国民经济和社会发展的基础设施，必须适度超前发展。水利的现代化，离不开水利 信息化的支撑。水闸自动化监控系统是当前我国大力推进的水利信息化的重要组成 部分。 i 2 系统概述 陡河河道贯穿唐山市区，河道从陡河水库向下延伸，同时为唐山钢铁j 、唐山 发电+ 提供工业用水及下游农业灌溉用水，其中唐山钢铁厂、唐山发电厂等处提供 的用水，其水位高度需要下游新华闸的调节控制，当闸门提升高度过高，水位下降 取水口水位降低，水泵无法正常工作，而闸门提升高度过低，则水位不断升高，会 华北水利水电学院硕士学位论文 出现淹没取水口部分设备，适当控制闸门提升位置，保持闸前水位是关系到工业用 水正常取水的前提，因此控制闸门的提升高度是一件繁琐的工作，以往闸门升降由 人工进行，启动频繁，控制精度难于掌握，工作量较大。另一方面工业用水计量工 作也较繁琐，其中取水设备落后，用水信息无法快速反馈，给管理单位的工作造成 一定的网难。 根据闸门位于河道下游，取水 e l 位于河道上游，且上下游距离较远的实际情况 本文提出设计远程监控系统，依据上游水位的变化情况，实时完成对闸门的升降控 制，以确保上游工业用水和灌溉用水。 1 3 控制系统功能 1 控制功能，通过该网络可实现现地自动控制、现地于动控制以及远程自动控制共 三种控制模式。 2 显示功能，以数字、文本、曲线、表格等形式，实时监控闸门运行状态，监视内 容应包括： 闸门开度。 闸门状态，如手动自动状态、运行停止状态、远方现地状态、上升、下降、 停止等状态。 设备状态，如肩闭机状态、行程开关状态。 报警信息，如报警类型、报警时刻。 闸门概览、全景模拟。 、操作过程中文提示。 3 报表管理功能，自动生成各类报表可定时打印或召唤打印。 4 故障记录与语音报警，故障发生时，语音报警：同时详细记录故障信息可供查询。 5 远方自动与远方手动操作功能，对于掌握密码锁的操作员，在远程控制层能对各 闸门进行远方操作，远方操作分为远方手动操作和远方给定值操作( 自动) 6 ，历史数据记录与查询，能根据“时间”、“门号”等关键词查询历史操作记录。 7 监测功能，通过显示屏可进行闸门开度指示、状态指示、故障信息指示、操作信 华北水利水电学院硕士学位论文 息显示、设定参数显示等。 8 通信联网功能，通过p r o f i b u s d p 组成下层总线网，通过以太网组成远程监控网 络。 9 自诊断功能，p l c 故障诊断，可检测到模块，故障信息在屏上显示出来：传 感器故障自诊断，如传感器测量值与实际可能开度比较、传感器测量速度与闸门 实际可能速度比较、左右传感器测量值的差值与闸门实际可能偏差值比较、闸门 状态与传感器测量值关系是否合理的判断等。 1 4 论文完成的主要工作 本文的目的是要在分布式网络环境下，构建一个安全的远程监控系统。现场控 制级通过p r o f i b u s 总线把p l c 的远程i 0 模块与p l c 上位机相连。过程监控层是系统的 集中管理部分， 三要完成对现场控制状态的监测与控制，包括工程师站及操作站， 采用p l c 作为l 类主站。操作站f h p c + s 7 3 0 0 组成。工程师站由p c + 组态王6 5 1 ，主要 用于组态和维护。并且通过以太网实现远程监控与管理。 论文完成的主要工作： 基于p r o f i b u s 现场总线控制的控制系统方案的研究 p l c 硬件的选择 p l c 控制程序的编制 监控软件的特点与上位机的组态实现 p r o f i b u s 现场总线网络的实现 以太网技术应用 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章闸门控制系统方案的确定 2 1 控制系统的发展1 1 1 1 3 j 控制系统可分为以下4 个阶段： 1 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于2 0 世纪六、七十年代占丰导地位。其显著缺点是：模拟信 号精度低，易受干扰。 2 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统( d d c ，d i r e c t d i g i t a lc o n t r 0 1 ) ，于2 0 世纪七八十年代占主 导地位。它采用单片机、可编程序逻辑控制器( p l c ) 、顺序逻辑控制器( s l c ) 或微机 作为控制器，在控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模 拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易 于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调 度和安排。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的 可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 3 集散控制系统 集散控制系统( 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 ) 在2 0 世纪八九十年代占主导地 位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监 视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制 网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力 地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散 控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用。遗憾的是， 不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形 式，不同j 家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t e r n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间难以 实现网络互连和信息共享，因此从该角度而言，集散控制系统是一种封闭专用的、 华北水利水电学院硕士学位论文 不具有可互操作性的分布式控制系统，并且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对 网络控制系统提出了开放性和降低成本的追切要求。 4 现场总线控制系统 现场总线控制系统( r c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 正是顺应以上潮流而诞牛， 它用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连， 构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费 用。因此，f c s 实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统， 有望成为2 1 世纪控制系统的主流产品。 现场总线( f i e l d b u s ) 是应用在生产现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、 多点通信的数字通信系统。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。 现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算 和数字通信能力，采用一定的介质( 例如双绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外等) 作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场 设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的 自动化控制系统。 2 2 现场总线控制系统f c s ) 圆 2 2 1 现场总线控制系统概述 现场总线控制系统是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具 有检测、控制、通信能力的微处理芯片和数字化仪表( 设备) 在现场实现彻底分散控 制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形 式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络集 成式全分布控制系统，它将原来集散型的d c s 系统现场控制机的功能，全部分散在 各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使 得不同制造商的产品可以互联，大大简化系统结构降低成本，更好地满足了实时 性要求，提高了系统运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工 华北水利水电学院硕士学位论文 业p c 机内总线插槽的p c 接口板与现场总线网段连接。 2 2 2 现场总线控制系统的组成 现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分 的硬、软件是它最有特色的部分。 1 测量系统 其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采 用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表 设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。 2 控制系统 它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿 真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件 m m i 。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在 网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制 报警、监视、显示、报表等。 3 管理系统 可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息( 包括智能 仪表) 、，商提供的设备制造信息。 ( 1 ) 总线系统计算机服务模式 客户机服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据 源( 提供者) ，应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行 处理。客户机运行在p c 机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双 方的智能、资源、数据来完成任务。 ( 2 ) 数据库 它能有组织地、动态地存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、 交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操 作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以瓦访操作的分布关系及实时性 华北水利水电学院硕士学位论文 的数据库系统。 ( 3 ) 网络系统的硬件与软件 网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器、用户 计算机等及底层智能化仪表；网络系统软件有网络操作软件，如：n e tw a r e 、l a n m a n a g e r 、v i n e s ；服务器操作软件：如l i n u x 、o s 2 、w i n d o w sn t ：应用软件数据 库、通信协议、网络管理协议等。 2 3 现场总线技术 2 1 1 4 1 2 3 1 现场总线的发展过程 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功 能的增强和价格的降低，计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测 控自动化系统仍采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量和控制，难以 实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换使自动化系统成为“信息孤 岛”。要实现整个企业的信息集成和综合自动化，就必须设计出种能在工业现场环 境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成现场的底层网络，完成现场自 动化设备之间的多点数字通信，实现底层设备之间以及生产现场与外界之间的信息 交换。现场总线就是在这种实际需要的驱动下应运而生的。 基于现场总线的现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布 控制系统，它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设 备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、 参数修改、报警、显示、监控、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。现 场总线控制系统是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主 要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、 电力等领域都有广泛的应用前景，被誉为2 1 世纪最有希望的自动化技术。 华北水利水电学院硕上学位论文 2 b 2 现场总线技术的主要特点 一、数字化的信号传输 无论是现场底层传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站 及高速网之间的信息交换，全部使用数字信号，实现了高速、双向、多变量、多站 点之间的通信。 二、开放式、互操作性、互换性、可集成性 现场总线技术及标准是全开放式的，从总线标准、产晶检验到信息发布都是公 开的，面向所有制造商和用户。通信网络可以和其他系统网络或高速网络相连接， 用户可荚享网络资源。此外，现场总线特别强调互操作性、可- 换性，因此设备具有 很好的可集成性。 二、可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化系统采用总线方式替代一对一的i 0 连线，对于大规模 i 0 系统来说减少了接线点造成的不可靠因素，同时，系统具有现场设备的在线 故障诊断、报警、记录功能，及可完成现场设备的远程参数设定、修改某参数的工 作，增强了系统的可维护性。 四、降低系统成本 现场总线的应用将大大降低自动化系统投资，仅系统布线、安装、维护费用， 可比传统的自动化系统( d c s ) 减少6 6 。另外，还可以减少厂房面积、节省投资。 现场总线的出现使传统的自动化系统产牛了革命性的变革。它改变了传统的信 息交换方式、信号制式和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构形式，也 改变了系统的设计和调试方法，我们面临的是一个崭新的自动化控制的新世界。 2 3 3 现场总线通信协议 目前世界上流行的各种现场总线产品的协议，均是根据国际标准化组织( i s o ) 的 开放系统瓦联( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 协议来制订的。o s i 是为计算机 相互联网而制定的七层参考模型，有下而上分别为：物理层；数据链路层； 华北水利水电学院硕士学位论文 网络层；传输层；会话层：表示层；应用层。o s i 参考模型的低二层( 物殚 层、数据链路层、网络层) ，主要用来管理物理网络，偏向硬件技术，其包含了各种 规范。如不同的通信媒体：双绞线、同轴电缆、光纤等；不同的网络访问方式，如： 载波听音多路访问、碰撞检测、令牌总线、令牌环等；不同的网络拓扑结构，如： 星型、环形、总线等。o s i 模型的最高三层( 会话层、表示层、应用层) ，则是偏向软 件技术，包含了字码的转换、数据的压缩及解压缩用户应用程序等。至于o s i 参考 模型的第四层传输层，丰要是作为最高三层与最低二层之间的沟通接口，确保 传输品质。 l s 啪s j 模斑现场总缱协设肝模型跏丘b 岫一d p胁劢啦年m 皋 斑胥j 甚 表示居 舍话层 f 孥辅屡 障略屠 赣精健麝瑶 钫理晨 应用展 f 用户足 功鼍块 设备描述 f i 耸头 总线接口子层 - 疆僧栈 靠希畦培层 袖理屈 物理层 斑甩晨巷口 用户接臼 应用屡 僵息攫范 低层接口 臆去赫3臆击蔓， 层毫纂7 层 甚至葺陆晨 獭蒸链辟层数据链培屡 物理层物理岩 图2 一l 现场总线的通信协议 f j g 2 1c o m m u n i e a t i o t i sa g r e e m e n to ff i e l d b u s 现场总线的通信与计算机网络通信不同，现场总线中的通信信息量小，信息传 输任务相对简单，但实时性、可靠性要求较高，因此各种现场总线在不同程度上对 o s i 的七层通信模型进行了简化，尽量减少中间环节，提高数据的流通速度，以满足 数据传输的实时性。现场总线只是通信协议中的一个子集，一般采用o s i 模型中的 物理层、数据链路层和应用层，根据需要增加了一个用户层，用来定义功能块f b 和 设备描述d d l ，其中d d l 好比设备的驱动程序，为不同产品之间的瓦操作提供了基础。 其各层功能定义如下： 第一层：物理层( p h y sj c a ll a y e r ) 定义了网络信道上的信号与连接方式、传输 介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。当处于数据 发送状态时，该层接受数据链路层( d l l ) 下发的数据，并将以某种电气信号进行编码 华北水利水电学院硕1 一学位论文 并发送；当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路 层。 第二层：数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 定义了一系列服务于应用层的功能和向 下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的差 错检验。d l l 提供原语服务和相关事件、与原语服务相关的参数格式，以及这些服务 及事件之间的相关关系。d l l 为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。数据链路层 是现场总线的核心。所有连接到同一物理通道上的应用进程实际上都是通过链路层 的实时管理来协调的。为了突出实时性，现场总线没有采用以往i e e e8 0 2 4 标淮中 所定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。在这种方式下，物理 通道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。 第三层：应用层( f i e l d b u sa p p l i c a t i o nl a y e r ) 为用户提供了一系列的服务， 拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控 制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。应用层与其他层的网络 筲理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。 第四层：用户层( u s e rl a y e r ) 是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和具 体应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功 能块可组态成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准 而成为一项系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。 此外，现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络管理代理，可提 供组态管理、性能管理和差错管理的功能。系统管理负责完成设备地址分配、功能 块执行调度、时钟同步和标记定位等功能。 2 4 现场总线p r o f l b 。- 。- 4 2 4 1 协议结构和类型 华北水利水电学院硕l 学位论文 d p 瑷备行艘p a 设磐打艘 f m s 擞* j j 蜘 川p 接ij ，： 肇奉功能 基本功能 扩展功能 扩展功能 ( l 千拧朴) d p1 1 ”接l i d p 用户接1 1 冉拄敬删硅j 1 4 蛱象柑序 j 逆用层接f i 阻技数姑链龉殃苏押序 ( a l | ) f d d l m ) ( d d l m ) 鼐7 心崩屈 ( 心川从) 现场总线撤上脱范 ( f m s ) 第：卜一8 腻束使朋 第2 层敷鲥链确屡 教掘链维屡 ( 缸槲链路b 0脱均总线蕺据链辟f f d l )现蚜总缱教据链路( f d l ) i e c 接 i 韶i 层铆理艋 铆珲层 ( 柳理层) ( r s 4 8 r 弘l w l ) ( r s 4 8 5 l w l ) i e c i i 酬一2 图2 2p r o f i b u s 的协议结构 f i g 2 - 2 a g r e e m e n ts t r u c t u r eo fp r o f i b u s 从图可以看出，p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第l 层、第2 层以及必 要时还采用了第7 层。第l 层和第2 层的导线和传输协议依据美国标准e i a r s 4 8 5 、 国际标准i e c 8 7 0 一5 一l 和欧洲标难e n 6 0 8 7 0 一5 1 。总线存取程序、数据传输和管 理服务基于d i n l 9 2 4 1 5 标准的第l 到第3 部分和j e c 9 5 5 6 标准。管理功能( f m a 7 ) 采用i s o d i s 7 4 9 8 - - 4 ( 管理框架) 的概念。 从用户的角度看，p r o f i b u s 提供了二种通信协议类型：d p 、f m s 和p a 。 2 4 2p r o f i b u s 总线网络中的总线存取控制 p r o f i b u s 的总线存取控制满足了现场总线技术的两个主要应用领域的重要需 求，这两个领域就是自动化制造工业和自动化过程工业。一方面，同一级的可编程 序控制器或p c 之间的通信必须使每一个总线站( 节点) 在确定的时间范围内能获得足 够的机会来处理它自己的通信任务。另一方面，复杂的p l c 或p c 与简单的分散的过 程i 0 外围设备之间的数据交换必须是快速而又尽可能地实现很少的协议开销。 为此，p r o f i b u s 使用混合的总线存取控制机制来实现上述目标。它包括用于主 动节点( 主站) 间通信的分散的令牌传递机制和用于丰动站( 丰站) 与被动站( 从站) 问 华北水利水电学院硕士学位论文 通信的集中的丰一从机制。 当一个主动节点( 总线站) 获得了令牌，它就接手r 丰站功能并在总线上与其他从 站和主站节点进行通信。在总线上的报文交换是用节点编址的方法来组织的。每个 p r o f i b u s 节点有一个地址，而且此地址在整个总线上必须是唯一的。在一个总线内， 最大可使用的站地址范围是在0 到1 2 6 之间。这就是说，一个总线系统最多可以有 1 2 7 个节点( 总线站) 。 这种总线存取控方式允许有如下的系统配置： ( 1 ) 纯丰一主系统( 令牌传递机制) 。 ( 2 ) 纯丰一从系统( 丰一从机制) 。 ( 3 ) 两种程序的组合。 圭鼍= 土闰鞠蕞僻 娥靖、从蚺量鲁 图2 3 总线存取协议 f i g 2 - 3a c c e s sa g r e e m e n o fp r o f j b u s 2 5 本课题闸门控制系统方案的确定 本文的目的是要在分布式网络环境下，构建一一个安全的远程监控系统。现场控 制级通过p r o f i b u s 总线把p l c 的远程i o 模块与p l c 上位机相连。过程监控层是系统的 集中管理部分，主要完成对现场控制状态的监测与控制，包括工程师站及操作站， 华北水利水电学院硕士学位论文 采用p l c 作为l 类主站。操作站由p c + $ 7 - 3 0 0 组成。工程师站由p c + 组态王6 5 i ，主要 用于组态和维护。并且通过以太网实现远程监控与管理。 为了达到上述功能，本课题设计的基于p r o f i b u s d p 现场总线控制的闸门监控 系统的结构设计图如图： 图2 4 控制系统结构设计图 f i g 2 - 4c o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n p r o f i b u s 现场总线 华北水利水电学院硕士学位论文 第三章p l c 控制系统的设计 3 1p l c 概述【2 3 】【2 4 】 p l c 是可编程序控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 的简称。 p l c 是一种数字运算的电子系统专为在工业环境下应用而设计。它采用可编 程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等 操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或牛产过 程。p l c 及其有关设备，都是按易与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原 则设计。 p l c 是一种以微处理技术为基础，将控制处理规则存储于存储器中，应用于以 控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业 控制领域的新型工业控制装置。 p l c 采用面向控制过程、面向现场问题的“自然语言”进行编程，具有十分灵 活的控制方式。伴随着大规模集成电路的迅速发展微处理器技术和通讯技术的迅 速提高，p l c 技术的发展正逐步成为工业生产自动化三大支柱( p l c 技术、机器人技 术和c a d c a m 技术) 之一，在当前和未来的工业控制中起到重要作用。 今后的p l c 将主要朝着超小型、专用化、低价格、高速多功能和分布式自动化 网络方向发展。其特点如下 1 抗干扰能力强可靠性高 2 采用模块化组合结构 3 软件功能强 4 灵活性和通用性强 5 编程语言简单易学 6 使用维护方便 华北水利水电学院硕j 二学位论文 3 2p l c 的组成2 3 】【2 4 1 3 2 1p l c 的组成框图 p l c 是以微处理器为核一i i , 的工业用计算机系统，其硬件组成与计算机有类似之 处。根据结构形式的不同，p l c 可分为整体式和组合式两类。 1 整体式p l c 整体式p l c 是将中央处理单元( c p u ) 、存储器、输入单元、输出单元、电源、 通信端口、i o 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的i 0 扩 展单元与主机配合使用。整体式p l c 的结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构。 整体式p l c 的基本组成如图所示。 ：主机 一一一一一一一一一一 图3 1 整体式p l c 的组成示意图 f i g 3 一lc o m p o s i t i o nm a p so fo v e r a l ls t y l ep l c 2 组合式p l c 组合式p l c 是将c p u 单元、输入单元、输出单元、智能i o 单元、通信单元 等分别做成相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有c p u 的单元称为c p u 模块，其他单元称为扩展模块。中、大型机常采用组合式结构。由 华北水利水电学院硕士学位论文 于组合式的p l c 系统配置灵活，有的小型机也采用这种结构。组合式p l c 的摹本组 成如图所示。 累境总线 图3 2 组合式p l c 的组成示意图 f i g 3 - - 2c o m p o s i t i o nm a p so f m o d u l a rp l c 3 2 2 中央处理器( c e u ) c p u 由控制电路、运算器、存储器和总线等组成，一般都集成在一块芯片上。 不同型号的p l c 使用不同的c p u 部件，制造j 家使用c p u 部件的系统指令编写系 统程序，并固化到只读存储器( r o m ) 中。c p u 按系统程序赋予的功能，接收编程器 或计算机等编程工具输入的用户程序和数据，并存入随机存储器( r a m l 中。c p u 按 扫描方式工作，从规定的首地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一 个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，就执行一次用户程序。 各种p l c 的中央处理单元也不相同但在系统中的作用是一致的。目前中型p l c 为提高其自身的可靠性。常采用双中央处理单元系统：一个是丰处理器，用来处理 字节操作指令，控制系统总线，监视扫描时间，统一管理编程接口：另一个是从处 理器，专门用来处理位操作指令，配合操作系统实现p l c 编程语言向机器语言转换， 是加快p l c 工作处理速度的关键。 华北水利水电学院硕l 学位论文 3 2 3 存储器 p l c 的存储器是用来存放系统程序、用户程序和工作数据的。存放应用软件的 存储器称为用户程序存储器，存放系统程序的存储器称为系统程序存储器。 ( ) 系统程序存储器 p l cj 一家根据c p u 部件的指令系统编写的程序为系统程序，它固化在r o m 和 e p r o m 中。存储在r o m 和e p r o m 中的内容，在断电情况下保持不变。 系统程序存储器存放内容包括系统工作程序( 监控程序) 、模块化应用功能了程 序、命令解释程序、功能了程序的调用管理程序、系统诊断程序和系统参数。以上 内容都是事先存放在r o mf e p r o m ) 芯片中开机后便可运行其中程序， 日这些内 容用户无法直接存取，它和硬件一起决定了该p l c 的各项性能。 ( 二) 用户程序存储器 用户根据机器指令编写的程序称为用户程序，一般p l c 产品说明节中所列的存 储器就是指用户存储器。不同p l c 产品的存储容量各不相同。用户程序存储器一般 采用加备用电池供电的r a m ，存放在r a m 中的内容在p l c 断电时会消失，所以目 前一般采用锂电池在p l c 断电时保存其内容，直到用户需要修改时为止。用户程序 存储器内容包括用户由编程器键盘输入的程序、各种暂存数据和中间结果等。 ( z - ) r o m 和r a m 1 只读存储器r o m r o m 中的内容一般是由p l c 制造j | 家写入的系统程序，并且永远驻留，所以 运行时，首先将检查的结果显示给操作人员；然后编译程序将用户键入的控制程序 转换成由微电脑指令组成的程序，并对用户程序进行语法检查；最后再执行程序。 监控程序相当于总控程序，根据用户的需要调用相应的内部程序。r o m 的容量与 p l c 的复杂程度有关。 2 随机存储器r a m r a m 是可读写存储器。读出时，r a m 中的内容不被破坏，而写入的信息就会 覆盖原来位置上的信息。用户程序是指选择编程工作方式时用编程工具输入的程 华北水利水电学院硕士学位论文 序经过预处理后。存放在r a m 的低地址区，而逻辑变量则指在r a m 的若干个存储 单元中用来存放的变量，即输入输出继电器、内部铺助继电器、保持继电器、定 时器、位移继电器等。一般p l c 还有一定数量的数据区供数值运算、a d 、d a 、 高速脉冲计数等功能使用。内部监控、管理程序也要使用部分存储单元存放系统数 据。由于不同型号p l c 的存储容量是不相同的，所以在技术说明书中，一般都会给 出与用户编程和使用存储单元有关的指标。如输人输出继电器的数量、保持继电 器的数量、内部辅助继电器的数量、定时器和计数器的数量、允许用户程序的最大 长度等，这些指标都间接地反映了r a m 的容量。r a m 通常和理电池配合使用，这 样在断电时可起到对用户程序的保存作用。 3 2 4 输入输出接口 输入输出接口起着p l c 与外围设备之间传送信息的作用 ( 一) 输入接口 p l c 通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息输入丰机，通过用户程 序的运算和操作，将结果经输出接口输出给执行机构。一般情况下，现场的输入信 号可以是按钮开关、行程开关、接触器的触点以及其他一些传感器输出的开关量或 模拟量( 要通过数模转换后才能输入p l c 内) 。输入接口一般由光电耦合电路和微 电脑输入接口电路组成。 ( 二) 输出接口 p l c 的输出信号是通过输出接口传送的，这些信号控制现场的执行部件完成相 应的动作。常见的现场执行部件有电磁阀、接触器、继电器、信号灯、功率不大的 电动机等。现场输出接口电路由接口电路和功率驱动电路组成。 3 2 5 其他部件 ( 一) 电源部件 p l c 中般有开关稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体 华北水利水电学院硕士学位论文 积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的p l c 能向外部提供2 4 v 直流电源，可 给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 ( 二) i o 扩展端口 当丰机上的i o 点数或类型不能满足用户需要时，主机可以通过i 0 扩展端 口连接l o 扩展单元来增加i o 点。没有i o 扩展端口的p l c 是不能进行i o 点扩展的。另外，通过i 0 扩展端口还可以连接各种智能单元，扩展p l c 的功能。 f = ) f i b 设端口 每台p l c 都有外设端口，通过外设端口，p l c 可与外部设备相连接，如连接编 程器输入、修改用户程序或监控程序的运行。有的p l c 可以通过外设端口与其他 p l c 、计算机或终端设备p t 等链接进行通信，或连成各种网络等，还可用e p r o m 写入器，将调试好的用户程序写入e p r o m ，以免被误改动。 r 四) 编程工具 编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试和监控程序的执行，还可以在线测 试p l c 内部状态和参数，与p l c 进行人机对话等。编程工具可以是专用编程器，也 可以是配有专用编程软件包的通用计算机。 ( 五) 智能单元 p l c 含有多种智能单元。智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的 c p u 、系统程序、存储器以及与外界相连的接口。对组合式p l c ，智能单元是p l c 系统的一个模块，它与c p u 单元通过系统总线相连接，并在c p u 单元的协调管理 下独立地进行工作( 不参与循环扫描、。 目前已开发的常用智能单元有a d 单元、d a 单元、高速计数单元、位置 控制单元、p i d 控制单元、温度控制单元和各种通信单元等。 3 3 p l c 的工作原理【2 5 】 p l c 采用循环扫描方式，在p l c 中用户程序按先后顺序存放，c p u 从第一条指 令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令。如此周而复始不断循环。 这种工作方式是在系统软件控n - f ，扫描输入的状态( 输入刷新) ，按用户程序进行运 华北水利水电学院硕士学位论文 算处理，然后向输出发出相应的控制信号( 输出刷新) 。 p l c 与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电器是按“并行”方 式( 即同时执行的方式) 工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而 p l c 是以反复扫描的方式工作的，它循环地连续逐条执行程序，任一时刻只能执行 一条指令这就是说p l c 是以“串行”方式工作的可以避免继电器控制的触点竞 争和时序失配等问题。 3 3 1p l c 的循环扫描工作方式 p l c 采用循环扫描的工作方式，可以看成是一种由系统软件支持的扫描设备， 不论用户程序运行与否，都周而复始地进行循环扫描，并执行系统程序规定的任务。 每一个循环所经历的时间称为一个扫描周期。每个扫描周期又分为几个工作阶段， 每个阶段完成不同的任务。p l c 的内部工作过程如图3 3 所示。 这个过程可以分为四个阶段。 1 公共处殚阶段 这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、 检查i o 总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号， 或自行进行相应的处理，这特有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的 可靠性。 2 执行外围设备命令阶段 当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与p l c 相连时，则p l c 在每 次循环时，都将执行来自外部设备的命令。 3 程序执行阶段 在这个阶段，c p u 将指令逐条调出并执行。即按程序对所有的数据( 输入和输出 的状态) 进行处理，包括逻辑、算术运算。再将结果送到输出状态寄存器。 4 输入、输出更新阶段 p l c 的c p u 在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。c p u 对各个输入 端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器 华北水利水电学院硕士学位论文 的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。 这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是p l c 工作的重要特点。 丽面丽蕊1 鼍复值斯有计时器 l 照巫巫圈 ； j 酉殛殖 i + 一 检蠢爱件和i 程序存器 夯 厂一一叫是 l 执行亲自外设的命令i 一1 一 j ，。，：，一 ：复位监视计时器i i 一一一 l 一垫堡矍鼬全f 0 是 图3 3p l c 的内部工作过程 f i g 3 - 3i n t e r n a lp r o c e s s e so fp l c 加 电 后 韧 始 处 理 司 导 f、l l卢：卜汩：一i 乙 一一_二一矧目圈 0 一一+一一