（轮机工程专业论文）基于plc的船舶主机遥控系统的设计与研究.pdf

摘要 主机遥控是现代船舶的重要标志，足实现无人值班机舱的必要条件之。主 机遥控是指远离机旁，在驾驶室或集控室借助自动控制装置，操纵主机的一种遥 控装置。本文以可编程序控制器( p l c ) 为控制核心，用软件编程的方法，取代传统 的电子、气动、液压或继电器的逻辑功能，而设计的一套中速柴油机主机遥控装 置。 论文利用了自动化领域广泛使用并得到各国船级社、认可的s 7 3 0 0 可编程控 制器来取代工控计算机控制器部件，并利用可编程控制器的编程软件s t e p 7v 5 _ 3 实现对不可倒转中速柴油机，减速可逆齿轮箱和固定螺距浆组成的船舶推进系统 的各种控制功能，主要包括启动、重复启动、重启动、正常换向、应急换向、制 动、停车等逻辑控制，以及车令发讯、加速速率、程序负荷、i 临界转速回避、e p 等转速控制；完成遥控系统核心控制器的软件、硬件设计。软件设计主要运用 s i m a t i cs t e p 7m i c r 0 w i n 3 2v 5 3 进行直观、易懂、简洁的梯形图设计。 系统在开发中，充分利用，s 7 - - 3 0 0 p l c 的技术，使系统具有典型的模块化结 构，硬件具有通用性和互通性，便于建立全船控制管理中心，使机舱自动化程度 有所提高。 本文对西门子公司的s 7 3 0 0 p l c 的应用，特别是模拟量信号处理和数字运算 指令的使用方面具有参考价值，对国外引进的使用多年的船舶自动化系统进行改 进具有一一定的指导意义。 关键词：船舶自动化：主机遥控系统：可编程控制器；模拟量处理 a b s t r a c t s h i pd i e s e le n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n ts i g no fm o d e r nd i e s e a l a n dr e a l i z i n gt h em a r n a n e dm c h i n e r ys p a c e ，i tb e c o m e so n eo ft h em o s tm a i nf a c t o r s d i e s e le n g i n er e m o t ec o n t r o ls y s t e mi ss o r to fr e m o t ec o n t r o le q u i p m e n t w i t hi tt h e d i e s e li sc o n t r o l l e db ys e r v o m e c h a n i s mi nc a bo re n g i n e e rc o n t r o lr o o mf a ra w a yf r o m t h em a i ne n g i n e t h i sp a p e ri n t r o d u c e das y s t e mf o rt h er e m o t ec o n t r o ls e to fm i d d l e s p e e dm a r i n ed i e s e le n g i n er e a l i z e db yt h ep 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 n di t i s c o n t r o l l e db ys o f t w a r ep l a t f o r mi n s t e a do fc o n v e n t i o n a ll o g i ca n dn u m e r a lo p e r a t i o n f u n c t i o no f e l e c t r o n ，a i r - s t i r , h y d r a u l i co rr e l a y t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i si st ou t i l i z es 7 3 0 0p l cw h i c hi se x t e n s i v eu s e di n a u t o m a t i z a t i o nf i e l da n dr e c o g n i z e db ys h i p sc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e so fa l ln a t i o n s ， i n s t e a do fc o m p u t e rc o n t r o lp a r t s ，t oc a r r yo u ta l lc o n t r o lf u n c t i o n so ft h em a i ne n g i n e r e m o t ec o n t r o ls y s t e m t h eh m c t i o n si n c l u d el o g i cc o n t r o l ss u c ha sn o r m a ls t a r t i n g ， r e s t a r t i n g ，h e a v ys t a r t i n g ，n o r m a lc h a n g e ，e m e r g e n c yc h a n g e ，b r a k e ，s t o pe t c ；s p e e d c o n t r o l ss u c ha st e l e g r a p ht r a n s m i t t e r , a c c e l e r a t i n gr a t e ，p r o g r a ml o a d ，c r i t i c a ls p e e d l i m i t ，e pc h a n g e o 、 e re t c ；a n dc o m p l e t et h em er e m o t ec o n t o ls y s t e ma b o u th a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g no fn u c l e u sc o n t r o l l e r s t h ep a r to fs o f t w a r ei sc o m p l e t e db yt h e s i m a t i cs t e p 7m i c r o w i n 3 2v 5 3 ，w h i c hc a nd e s i g ne a s i l yt h el a d p r o g r a m t h em er e m o t ec o n t r o ls y s t e me m p l o ys u f f i c i e n t l yt h et e c h n o l o g yo fs 7 3 0 0p l c a n dh a st h eh i g hm o d u l ec o n s t r u c t u r e ，u n i v e r s i t ya n di n t e r c h a n g ep r o p e r t yt h i s m a k e su st ou s es h i pc o n t r o la n dm a n a g ec e n t e re a s i l y t h et h e s i sr e f e r e n c e st ot h ev a l u ei nt h eu s a g eo fs 7 3 0 0p l c ，e s p e c i a l l yi nt h e t r e a t m e n to fs i m u l a t i o nm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：a u t o m a t i o n o f s h i p ；m a i ne n g i n e r e m o t ee o n t o l s y s t e m p r o g r a m m a b l el o 画cc o n t r o l l e r ；a n a l o gv a l u ep r o c e s s i i 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：基王里l 的墼堑主扭遥控丕堕的遮盐量受究：。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。 论文作者躲琴麟勿。锌；月护日 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：考杉哆勋导师签名： 日期：名年弓月 引言 卜世纪五十年代以来，船舶自动化技术经历了由轮机当班人员在机旁依照驾 驶台指令操作的本地控制、采用机舱集控室的集中控制、机舱无人值班船舶到属 于全自动化以节能为中心的网络型的发展过程。也就是在这个发展形势下，主机 遥控系统应运而生并发展迅速。因为世界主要造船国家船级社己把主机遥控系统 作为“无人机舱”规范中不可缺少的部分。 随着船舶自动化水平的不断提高，船舶主机遥控技术发展也很快，近几年下 水的船舶主机遥控系统几乎全部采用微机控制，它的主要特点是采用微型计算机 用软件编程的方法，代替了常规硬件电路的逻辑和数字运算功能。而目前设计采 用微机控制的遥控系统主要有两种方案：一是采用专用或通用工业控制微机如 西门子d i f a 系列微机主机遥控系统，挪康的a u t oc h i c f 系列微机主机遥控系统， 国内有交通部上海船舶运输科学研究所研制的c y 8 8 0 0 型微机主机遥控。另外是 采用可编程序控制器，如西门子s i m o sr c s 5 1 型号p l c 柴油主机遥控系统，国 内还没有推广应用的p l c 主机遥控系统r f 式成熟产品。因此，把利用可编程序控 制器为控制核心，r 发中速主机遥控系统，也具有广阔的市场应用前景。 可编程序控$ 1 j 器( 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 ，简称p l c ) 是在六十年代后 期和七十年代初期问世的，是面向用户的电子计算机，能用来完成各种各样的复 杂程度不同的工业控制功能。一度成为工业自动化领域的三大支柱。p l c 的主要 特点和优势体现在： 灵活性：可编程控制器的出现，电器工程师不必为每套设备配置专用控制装 置，硬件设备可以采用相同的可编程序控制器，只编写不同应用软件即可，这样， 能满足所控生产流程频繁变化的要求。而且，可以用一台可编程序控制器控制几 台操作方式完全不同的设备。可编程序控制器为原设计的改进和修订提供了极其 方便的手段，大大缩短了更新时间。 成本低、可靠性高：可编程序控制器提供的继电器触点、计时器、计数器、 顺控器的数量与实际数量的继电器、计数器、顺控器相比要便宜的多。在硬件上 采取光电隔离、滤波等技术，软件上采取自诊断等技术，因此可靠性大大高于机 械和电器继电器。 构成简单，使用方便：可编程序控制器采用模块化结构，用户只要根据被控 系统输入输出信号的性质及点数多少，选景相应的模块，很容易构造出需要的控 制系统。 可维护性好：可编程序控制器由各种功能模块组合而成，这样，一旦出现故 障，系统的自检功能将指出故障部位，维修人员便可方便地更换模块，使维修时 间降低到最低程度。同时，亦大大压缩了备件库存。 模拟调试：可编程序控制器能对所控功能在实验室内进行模拟调试，缩短现 场的调试时矧，不需在现场花费大量时间进行调试。 强大的通讯能力：目前，世界上各大可编程序控制器生产厂家生产的p l c ， 均可通过通讯处理模块或通讯处理卡组成网络，或连接到现场总线，以满足现代 规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的工程大系统的控制要求【5 】f 6 】【7 i f 8 1 f 9 1 。 然而随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通讯技术等的发 展。p l c 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算大基础上，增加了数值运 算、闭环调节功能，增加了模拟量和p i d 调节模块；运算速度提高，c p u 的能力 赶上了i q k 控制机算机；通讯功能的提高发展了多种局部总线和网路( l a n ) ，凼 而也可构成一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到p l c 系统中。 f 是由于p l c 技术的不断发展，使之更多的应用于船舶的各种控制中，发挥 其适应恶劣环境、线路简单、程序易修改的优点，实现自动化控制，它在t 机遥 控系统中的应用就势必成为科研人员的焦点。 本文针对不可倒转中速柴油机，减速可逆齿轮箱和固定螺距浆组成的船舶推 进系统，设计一套以可编程序控制器为核心的主机遥控系统。具体完成的内容和 工作有： 1 中速主机遥控装置功能设计：操纵方式及操纵方式转换功能，换向及逻辑 控制功能，程序调速功能，安全保护和故障报警功能，系统故障检测，参数修改 功能等。 2 系统硬件设计机旁控制箱、主控箱、集控驾控信号板的硬件电路设计，以 及外围模块和输入输出断线检测模块的设计。 3 系统软件设计：本文主要对控制方式选择、起动、应急倒车、转速信号发 送速率限制、临界转速回避等利用s t e p 75 3 版本进行t l a d 编程。 1 1 概述 第一章船舶主机遥控系统的基本技术要求 主机遥控系统是指对主机进行远距离遥控，也就是把主机的操纵地点从机旁 延伸到集控室和驾驶台。主机遥控是实现无人机舱的必要条件之一。 首先根据操纵场所的不同来划分，可分为机旁、集控室、驾驶台三种操作方 式。驾驶人员可用车钟通过电子逻辑系统和气动系统直接操纵主机，也可以利用 转换开关转到集控室遥控。般在正常情况下，使用驾驶台遥控方式。当驾驶台 自动遥控系统发生故障时，就转到集控室遥控。若集控室遥控系统也发生故障， 还可以转到机旁应急操纵。 本文设计利用p l c 来完成主机遥控系统的功能，主要基于以下考虑到p l c 在工业控制现场的灵活性、低成本、高可靠性、程序易于修改、可维护性好、p l c 控制网络的便捷通讯性能、系统外围电路简单等特点。 1 2 主机遥控系统中的起停控制 主机遥控系统中的起停控制主要包括：起动控制、重复起动、慢转控制 船舶主机对起动控制的要求如下： ( 1 ) 发出起动指令 ( 2 ) 换向结束，即凸轮轴位置与车令一致。 ( 3 ) 盘车机必须脱开。 ( 4 ) 开始起动时油门必须关闭。 ( 5 ) 船舶主机转速必须低于正常起动速度。 ( 6 ) 无三次起动失败或者说在允许的起动时间内。 ( 7 ) 主机转向正确，即主机运转方向与车令一致。 重复起动：车钟手柄扳到起动位置后，由于某种原因，可能使主机第一次起 动不成功，这时系统应能自动的进行多次起动。有的遥控系统允许三次起动，有 的允许四次起动。在三次或四次起动失败后，系统不能在进行起动操作，发出报 4 警信号。待查明原因或故障排除后，才可以重新起动。 慢转控制：如果主机停车时间较长，一般指超过3 0 m i n ，则在下次起动主机 时，应首先使主机低速旋转一圈，然后转入正常起动；或电源切断后恢复供电， 也应该先低速慢转一圈，其目的是对主机进行润滑和故障检测。这种使主机以低 速旋转一圈的运动，叫做慢转。在应急操作情况下，可以取消慢转控制2 1 【“】。 1 3 船舶主机的转速控制 电子调速器主要是由p i 调节器组成，因其输入、输出都是电压信号，所以 电子调速器输入部分的设定值发送器、设定值限速器以及加速限制器等均用电路 来实现，而其输出则必须通过执行器去控制主机的供油量。图1 1 为电子调速系 统框图。 圈1l 电子调速系统框圈 f i g 1 1e l e c t r o n i cv e l o m e t e rs y s t e mc h a r t 1 4 遥控系统中的限制环节 船舶主机遥控系统中的限制环节主要包括以下几个方面： 1 临界转速限制：在主机遥控系统中，当车令转速落在临界转速时，应避开 临界转速区。方法主要有三种，本系统只介绍运用最广泛的一种：当车令转速落 在临界转速范围内靠近下限时，将主机转速限制在临界转速下限以下；当车令转 速落在临界转速范围内靠近上限时，以最快上升速率将速度通过临界转速区限制 在上限以上不变。如图1 2 幽12 临界转速控制 f i g1 2 c r i t i c a ls p e e dc o n t r o lc h a r t 2最大、摄小转速限制：正车最大限制转速是额定转速，它设置在车钟电 位器的发送线上。当车钟指令大于f 车最大转速时，就受到正车最大转速电位器 的限制。紧急操作指令通过逻辑电路解除最大转速限制，赢接由电位器控制。 3 故障减速和故障停车：为了保护主机安全运行，避免损坏，根据主机发 生的故障情况，分别采取减速或者停车措施进行处理。当发生滑油温度高、气缸 和活塞冷却水温度高、废气透平温度高、曲柄箱油雾浓度大、废气锅炉有故障等 不正常情况时，应发出故障减速信号。当故障排除后，利用集控室操纵台上的复 位按钮复位，即可以解除故障减速限制。当发生滑油压力低或气缸、气缸冷却水 低于允许值时，不允许主机继续运行，应由故障停车电路经短时问延时，使转速 给定值降到零，主机便断油停车 2 】【川【1 2 】。 4 负荷程序限制：负荷程序限制的限制值从8 0 n i l 增加到1 0 0 n i l 。图 1 3 为负荷限制器程序曲线图： 1 1 f i g1 3l o a dl i m i t e dp r o g r a mc u r v ec h a r t 负荷限制区 非负荷限制区 5 加速度限制器 加速度限制器应满足以下要求： ( 1 ) 把车钟指令信号变成斜坡信号。 ( 2 ) 根据主机不同工况不同热负荷要求用不同的速率发送。 图14 为加速限制曲线： 图1 4 加速限制曲线 f i g 14a c c e l e r a t i o n1 i m i t e dc u r v ef i z u r e t 第二章主机遥控系统总体功能设计 2 1 系统的结构设计 系统主要有遥控操纵台、主控制箱、机旁操纵箱和操纵位置转换装置等组成。 遥控操纵台包括驾驶室遥控操纵台和集控室遥控操纵台，遥控操纵台主要由车钟 和遥控信号板组成。可编程序控制器( p c c ) 接受车钟指令，检测主机和齿轮箱的相 关状念信息，运行相关的程序，通过e p 接口和开关量输出接口实现对主机的调 速及齿轮箱的操作控制，并进行报警及状态显示。通过设置在集控室的文本显示 器可进行参数修改及特定参数的显示。另外，为了充分利用可编程序控制器( p l c ) “软件”资源，使系统的硬件结构简洁和提高系统可靠性，辅助车钟的信号由p l c 编程实现【1 1 。 2 2 系统主要功能设计 系统的设计依据主要有： 船用中速柴油机主机遥控装置技术规格书 内河钢船建造规范 钢质海船入级与建造规范 船舶与海上设施与电气电子设备型式试验指南 船舶主机遥控系统的没计功能主要体现在以下六个方面： 1 ，操纵方式及操纵方式转换功能 系统设置驾驶室遥控、集控室遥控和机旁操纵三种操纵方式。 驾驶室遥控：在驾驶室用操纵手柄直接控制齿轮箱按设定的程序换向和 控制主机按给定的加速和减速程序调速； 集控室遥控：在集控室根据车钟指令用操纵手柄直接控制齿轮箱按设定 的程序换向和控制主机按给定的加速和减速程序调速： 机旁操纵：操作人员根据应急车钟指令在机旁操纵主机的起停和调速， 在机旁控制箱直接用选择开关来操纵齿轮箱换向： 各种操纵方式互相连锁，在同一时间内只允许一种操纵方式有效，其中机旁 操纵级别最高。手动遥控转换开关设置在机旁控制箱上，集控驾控转换设在集控 室操纵台上。 2 换向及逻辑控制功能 换向控制过程中，能处理换向和调速、换向逻辑连锁关系，同时区分m 常换 向和应急情况下的换向，从而正确执行换向操作。 低速脱排：主机在离合器脱开过程中，油门降至最低，以防飞车；当主机转 速降低到设定的脱排转速时自动脱排； 定速合排：离合器合排时，主机转速维持在设定的转速上； 加载连锁：系统在合排成功才能进行加速： 顺倒车互锁：在顺、倒车操作过程中，程序中应设计了互锁逻辑，保证不会 产生离合器顺、倒车油压同时存在的可能。 3 程序调速功能 系统根据给定的加速速率和减速速率进行无级调速控制，调速特性如图2 2 。 所有的参数均可独立定义和修改。改变转折点的速度设定值n 和加速时l h t ，便可 改变各段范围的设定和加速速率的设定。 n m a x n d n i n 舍 n 怠 卜 j - 卅 d e c l a r a t i o f tv i e w ；也可以用数据显示形式： v i e w d a t av i e w 。可建立一个或多个数据块，每个数据块可大可小，但c p u 对数 据块及数据总量有限制。对数据块必须遵循先定义后使用的原则，否则，将造成 系统混乱。数据结构形式有：基本数据类型，复式数据类型和用户数据类型。 4 3 2 功能块f b 有两部分组成，一部分是每个f b 的变量声明表，声明此块的局部变量：另 一部分是逻辑指令组成的程序，程序要用到变量声明表中给出的局部数掘。当调 用f b 时，需要提供执行时用到的数据或变量，将外部数据传递给f b ，使得f b 具 有通用性，可被其他块调用，以完成多个类似的控制功能。它至少具有一个背景 数据块。功能f b 与f c 的区别是没有背景数据块，其不能使用静态变量，当完成 操作后数据不能保持。 4 3 3 组织块o b 它是操作系统和用户程序的接e j 。由操作系统调用并控制循环和中断程序的 执行以及p l c 如何启动通过编程o b 指定c p u 的响应。s 7 提供了各种不同的0 b ， 这些0 b 允许用户创建在特定时间执行的程序( 通过调用f b 或f c 完成) ，用o b 也可创建对特定事件响应的程序( 如错误检测等) 。o b 决定各个程序部分执行的 顺序。s 7c p u 中的这些o b 有优先级。如果被操作系统调用的0 b 多于一个，最高 优先级的o b 最先执行，其他的0 b 根据优先级依次进行。 4 4s t e p 7 语言程序设计注意的问题 4 4 1 符号表与变量声明表的区别 1 符号表” ( 1 ) 形成0 b 、f c 、f b 、d b 之前先进行编辑。 ( 2 ) 对所有的绝对地址分配符号名和数据类型，输入点、输出点、内部存储器、 定时器、计数器、o b 、f c 、f b 、d b 用其含义相吻合的不超过2 4 个字符1 2 个汉 字的符号名字来表示，可随时添加新的符号名字。 ( 3 ) 数据类型不能填错。f b 、f c 、d b 的符号名字，其数据类型足与该块相关联 的块及块号，共享数据块的符号名字为其本身。 ( 4 ) 符号表中的符号名字适用于整个项目中的所有的程序块，是共享符号名字 或全局符号名字即是共享数据。编程时程序中需输入的符号名字要用双引号。一 张符号表最多可容纳1 6 8 8 0 个符号名字。 2 变量声明表 ( 1 ) 形成f c 、f b 之前先进行编制 ( 2 ) 形成参数：i n ：程序只用到该参数的状态、数值，不改变其大小。o u t ： 程序不需要该参数的大小，状态，但会改变其大小。i n o u t ：程序既要用到该参 数的状态或大小，又会在程序块中改变其状态或大小。 ( 3 ) s t a r 静态变量：是块内使用的局部变量，其值被存储在背景数据块内并一 直保持。如常数、t 、c 的当前值等。 ( 4 ) t e m p 临时变量：是块内使用的局部变量，其值被存储在l 堆栈中，是中唰 运算结果，当该块执行完后，l 堆栈中的数据会丢失。 ( 5 ) o b ：只能声明临时变量；f c ：能声明形式参数与临时变量：f b ：能声明形 式参数、静态变量与临时变景。 ( 6 ) 声明的形参和变量不要与符号表中的符号名字相同，不能使用汉字，应该 以字母或“一”丌头的字母、数字与“”组合，不能同“一”符号连用，不能以 “一”结尾，长度为2 4 个字符。编程时程序中需要输入的参数或变量前用“# ” 表示。 ( 7 ) 变量声明表中的形参与变量只适用于该程序块，是局部数据、局部符号 名字、局部变量。形参是程序块间传递的数据，变量是程序块内使用的数据。 ( 8 ) 一个程序块的变量声明表可以声明的形参、变量总数为2 5 6 个字节：0 b 的前2 0 个字节是s 7 系列p l c 保留用于系统处理用，声明变量数在2 3 6 个字节内。 4 4 2f c 与f b 的区另q 1 功能f c ： ( 1 ) 用户自己编制的不带数据块的程序块。没有静态变量，没有与之相关联的 背景数据块。 ( 2 ) 其形参的值被存储在指针指示的地址内，这一地址就是该f c 被调用时由 调用块所提供的实际参数地址。 ( 3 ) 临时变量t e m p 的值存放在i ，堆栈，f c 执行完后，t e m p 的值会丢失。若要 保存f c 内相关数据作永久存储，使用共享数据块。 2 功能块f b ( 1 ) 用户自己编制的带有数据块的程序块。具有与之相关联的背景数据块d b ， 形参和静态变量的值被存储在d b 中，被长期保存。临时变量都放在l 堆栈中。 ( 2 ) 调用f b 时，与之相关联的d b 必须同时调用。 调用f c 、f b 时，形参必须用实参代替，实参可以是绝对地址、符号名、局 部符号名，f c 、f b 是控制系统的子程序，在整个扫描周期内仅需执行一次，可以 不设置形式参数，若是一个反复执行的公共功能子程序时，需设最形式参数。不 涉及常数( 给定值) 、定时器或计数器当前值的功能子程序时，可在f cv , j 编程 反之则在f b 内编程1 。 4 4 3 多个背景d b 和多重背景瞻的区别 1 多个背景d b ：个f b 有多个d b ，以适合同一个功能在一个扫描周期内的 多次调用，每次调用均需各自的d b ，因此，这个就有了多个d b 。 2 多重背景d b ：在某个f b 内多次调用一个f b ，将多次调用的背景数据块共 同存放在同一个背景d b 内，或者多个f b 共用一个背景d b 。 为了将这些多重背景在一个背景d b 中实现，必须在调用功能块f b ( 其他程 序块不允许) 的变量声明表内为每个独立背景定义一个静态变量，浚静态变量的 数据类型被调用f b 。在某个i r b 内调用的f b 为静态变量，其不再需要背景数据块。 对于流程复杂的主机遥控设备，在编程过程中，会遇到各种各样的难题，甚 至使用一般的编程方法难以实现控制。本文利用s 7 的内部存储器m ，实现分支选 择和运行；为了增强程序运行的可靠性，如果程序连续直接从汇合点转移到下一 个分支而没有中间分支时，需要增加一个中间状态存储器m ，这种处理方法叫做 空操作：并行运行时不应有转移条件：把s 7 的上跳变f p 、下跳变f n 指令与s 、 r 指令的结合使用，可以抓住程序中的某些瞬态变量。s 7 - - 3 0 0 p l c 指令丰富( 1 6 2 条) ，可以进行复杂的浮点数运算。 本文在编程过程中，从应用的角度出发，采用梯形图语言，简单易懂。分 析主机遥控功能指令时，侧重理解对应的l a d 、编程方法和技巧。 第五章主机遥控系统中模拟量处理方法 51 s 7 - 3 0 0 p l c 的模拟量处理的优点 8 7 - 3 0 0 p l c 的模拟量模块可任意组合以配合任何所需i o 点数量，组装简单， 接线方便，输入地址由插槽决定。电压、电流传感器，热电偶，热电阻和电阻均 可以作为传感器与该模块相连。从8 位到1 5 位+ 符号位的分辨率可调，用于不 同的转换n , j - f i l 。模块将诊断和超限中断传送到p l c 的c p u 中，并以红色l 。即显示。 $ 7 - 3 0 0 p l c 模拟量模块标准化，选择它时要考虑模拟量的类型、量程、极性、通 道数、转换精度( 9 1 5 位+ 符号位) 、每个通道的转换时间( 最大) 。 a d 转换把工作过程送来的模拟信号转化成p l c 可以使用的数字信号，用于 数据采集，提供被控对象的各种实时参数，以便p l c 对被控对象进行监控”“。 a d 转换公式： o u t , ，= 铲丝等( 心- k i ) 吲k l i ml o ( 5 - ) h il i m 、。 。 j d a 转换将经过c p u 的内部程序处理，p l c 以数字量形式给出的控制数据转 换成模拟量，通过机械或电气手段来控制和调整被控对象。 d a 转换公式： o 呱= 案拳( 肼一三- l o _ l i m ) + l o _ l ( 5 2 ) 公式中：z m ：模拟量输入值z d ：数字量输入值 k ：一2 7 6 4 8 0k 2 ：+ 2 7 6 4 8 0 上埘7 ：模拟量量程上限值 三o 一上m ，：模拟量量程下限值 o c t a ：模拟量输出值o u t v ：数字量输出值 这样，如果要取进模拟量( a d ) 程序可使用lp i w 2 7 2 等指令：如果要输 出模拟量( d a ) ，程序可使用tp q w 3 5 2 等指令。 5 2 模拟量采样子程序f c l 0 1 在s 7 3 0 0 应用程序巾，使用模拟量模块采集信号，模拟量较多时，读模拟 输入量麻烦，利用通用程序f c l 0 1 可以方便地把模拟量读回并顺序存入数据块。 表5 1f c l 0 1 变量声明表 t a b 5 ，1f c l 0 1v a r i a b l eo f d e c l a r a t i o nt a b l e a d r e s sd e c l al j o i ln a m e t y p e i n i t i a lv a l t i ec o m m e n t 00i np i wa d d ri n to 输入模块通道起始 地址 2 0i n c i tl e ni n to 要读入的通道数 4 0i nd b n 0i n t0 存储数据块号- 6 0i nd b wa d d ri n to 储存在数据块中的 字地自 指令 l# d bn 0 t l w o o p nd b l w o l# p i wa d d r s l d3 tl d 4 l# d b wa d d r s l d3 tl d 8 l# c hl e n n e x t ：tl w o ll d 4 l a r l lp i w a r l ，p # o 0 1 、l 2 说明 装载数据块号到a c c u i ； 将a c c u l 的内容暂存在局部数据字l w o 打开存储数据块； 形成输入模块地址指针( 双字指针格式) ； 在临时本地数据双字l d 4 中存储输入模块地址指针 装载数据块中的地址到a c c u l ： 形成输入模块地址指针( 双字指针格式) 在临时本地双字l d 8 中存入数据块存储地址指针 以要读入的通道数为循环次数，装入a c c u l ： 将a c c u l 的值，装入循环次数计数器l w o ； 将输入模块地址指针装入地址寄存器l 读输入模块装入a c c u l ； 将a c c u l 的内容暂存缓冲器l w 2 ： l l d 8 l a r 】 ll w 2 t d b w a r l ，p # 0 0 ll d 4 + l # 1 6 ti d 4 ll d 8 +l # 1 6 tl d 8 ll w 0 l o o pn e x t b u p 将数据块存储地址指针装入地址寄存器l ； 将数据缓冲器中的内容装入a c c u l 中： 将a c c u l 的内容存入数据块中； a r i + p t t 2 o - a r l ； a c c u i + ( 一0 0 0 1 0 0 0 0 ) 调整输入模块地址指针，指向下一个通道 调整数据块存储地址指针，指向下一个存储地址： 将循环次数计数器l w o 的值装入a c c u l ； 若a c c u l 的值不为0 ，将a c c u l 减l 继续循环，若 a c c u l 的值为0 ，则结束本次模拟量采集。 5 3 模拟量在s t - - 3 0 0 p l c 中表示方法 表5 2 卜六位精度数字量对应的每位值的大小 表5 2 数字量对应值表 t a b51v a l u e0 fd i g i t a lv a r i a b l et a b l e b t t1 51 41 31 21 11 098765432l0 v a l u eo fb i t2 。2 42 1 82 22 1 12 1 02 92 82 72 62 。2 42 。2 ：2 12 ” 第1 5 位为模拟量的符号位，“0 ”代表“+ ”；“1 ”代表“一”。 如果模拟量转换成的二进制数字量位数少于1 6 位，以“左对齐”为原则， 余下的空位填零补齐。这样可以保证在不同的转换精度下，其转化的结果不会差 别太大。精度要求不一样，就要求二进制转换的位数是变化的，如表5 3 给出了 不同精度数字量的左对齐列表，其中“”表示需要置0 的位。 表53 数字量的左对齐原则表 t a b5 3 d i g it a lv a l u e1 e f t s i d ep r i n c i p l et a b l e b i t s + s i g n u n i t s a n a l o g v a l u e d e c t t e x 1 t i g hb y t e l o w b y t e 81 2 8 8 0 hv zooo oo0 0 l x 96 4 4 0 hv z000000 0ol x ) m o n i t o r ，可直接监视程序的运行情况和数值大小，利用刻度 化功能，直接观测电位或转速的大小“2 。 5 5a d 处理子程序f 0 5 0 为了取得模拟量信号的真实性，就要消除随机起伏的问题。其中计算机输入 通道的干扰，频率较高，为快随机起伏；电源电压的波动，被控系统的波动等， 频率较低，为慢随机起伏。信号较小时，干扰的影响突出。在测量回路中采用屏 蔽措旎，就可以提高p l c 输入通道的可靠性，在p l c 内部则采用一些补偿算法。 用求数字平均值的方法求t = n t s 时刻前后几次采样结果的平均值，并作为第n 次采样值。具体程序如下： 指令说明 o p nd b i o打开共享数据块d b i o ： c a l lf c l 0 1调用模拟量采样子程序f c i o i p i wa d d r ：= 2 7 2对外部输入的5 个模拟量p i w 2 7 2 、p i w 2 7 4 c hl e n ：= 5p i w 2 7 6 、p i w 2 7 8 、p i w 2 8 0 ，开始第一次采样， d bn o ：- 1 0数据量存储在数据字d b i o d b w o 、d b i o d b w 2 、 d b l 0 d b w 4 、d b l 0 d b w 6 、d b l 0 d b w 8 c a l lf c l 叭开始第二次采样，数字量存储在数据字 p i wa d d r ：2 7 2 d b i o d b w i o 、d b i o d b w l 2d b l 0 d b w l 4 、 d b l 0 d b w l 6 、d b i o d b w l 8 c h l e n ：= 5 d b n o ：2 1 0 d b wa d d r ：= 】0 c a l lf c l 0 1共采样8 次 p i wa d d r ：2 7 2 c hl e n ：- 5 d bn o ：- 1 0 d b wa d d r ：1 0 4 2 d b wa d d r ：7 0 ld b lo d b w o 将第一个通道p i w 2 7 2 的八次采样值累加 ld b l 0 d b w l 0 + i l d b l 0 d b w 2 0 + t ld 刚0 d b i _ | 3 0 d b l 0d b w 7 0 + i s r w3 td b i o d b w s o c a ll 。f c l 0 5 # in = d b l 0 d b w s o # l ol i m = 一1 0 0 o r # i t il i m = + 1 0 0 0 r # o u t d - m d l 2 0 由于受扫描周期限制，除法运算通过移位来实现 将8 次采样值除以8 ，取其平均值 测速发电机输出电压经a d 的数字平均值 调用刻度化功能f c l0 5 将主机转速一r r p m q - r r p m 放大一百倍为 1 0 0 0 r 一+ 1 0 0 0 r 。这样提高了精度。 测速发电机的数字量刻度化为放大了的转速值。 对第二个通道p i w 2 7 4 ( i r 车钟) 的八 次采样值累加： td b i o d b w 8 2i r 车令发讯电位经a d 后的数字量平均值。 c a l lf c l 0 5 # i n = d b i o d b w 8 2 # i f il i m = 1 0 0 # il i m = 一1 0 0 4 3 # o i 】t 。= m d l 2 4 td b l 0 d b w 8 4 # o u t 。= m d l 3 0 td b l 0 d b w 8 6 # o u t 。 = m d l 3 4 td b l 0 d b w 8 8 # o u t 。= m d l 3 8 将i r 的数字量刻度化为电位值存储在m d l 2 4 c r ( e ) 车令发讯电位经a d 后的数字量平均值。 将c r ( e ) 的数字量刻度化为电位值存储m d t 3 0 。 e - p p 反馈电位经a d 后的数字量平均值。 将e - p p 反馈的数字量刻度化为转速值( 放大1 0 0 倍) 存储在m d l 3 4 。 模拟车钟发讯电位经a d 后的数字量平均值。 将模拟车钟的数字量刻度化为电位值存储m d l 3 8 。 b e u 这样，在后面的编程过程中，可以直接使用数字量，a 可p j , a 接使用刻度化 后的转速值或电位值。为了与刻度化的值相对应，数据块d b i o 中的转速鉴别值也 要放大1 0 0 倍。 第六章遥控系统逻辑控制程序设计 6 1 控制方式选择逻辑控制 6 1 1 控制方式选择的逻辑信号 选择控制方式后，外界现场状态和对应p l c 输x 输出端子的状态如下： ( 1 ) 气源板上，机旁遥控选择手柄置在遥控位置一 p l c 输入端子i o 1 = l 。 ( 2 ) 集控室操作台上，p l c 集控室气动遥控选择手柄景在微机操作位置一 p l c 输入端子i o 2 = “l ”。 ( 3 ) 主机不是应急停车状态一 应急停车继电器无电- - p l c 输入点1 1 o 一0 。 ( 4 ) 控制空气压力f 常一 p l c 输入点i o 0 = “1 ”。 ( 5 ) 驾驶台选择丌关量“请求驾控”一 p l c 输入点i o 4 = 1 。 ( 6 ) 集控室选择开关置“同意驾控”一 p l c 输入点1 0 3 = “l ”。 ( 7 ) 系统功能模拟实验开关s m t 没有闭合 p l c 输入点1 3 1 = “0 ”。 6 1 2 控制方式选择的过程 1 e s 一 c r ( e ) 的条件：控制气源正常，1 0 0 = 1 ；气源板上的选择手柄封 遥控位，i o 1 = 1 ；则c r ( e ) 转换条件充分标志m o 4 = 1 。操作方式转换连锁电 磁阀( 见附图l ：m v - - c p 2 5 4 ) q 5 0 = l ，解除了转换连锁，这样集控室操作台上 的选择手柄才能转换到c r ( e ) ，i o 2 = l ，则微机控制标志m o o = 1 ，c r ( e ) 车 钟起车令发汛器作用。 2 c r 一 i r 的条件：i o ，o = l ，1 0 2 = 1 ，无应急停车指令1 1 0 = 0 。驾驶 台上选择丌关扳到i r ，1 0 4 # 1 ，驾驶灯点亮( 集控灯平亮) ，警铃响，发出“驾控 请求”信号，m o 7 = 1 。集控室操作台上选择开关扳到i r ，10 3 - 1 ，“同意驾控”， m o 6 = 1 ，则消声，驾控灯变平光( 集控灯熄灭) 。 6 1 3 控制方式选择程序设计 1 c r ( e ) 一 i r ：集控室请求驾控1 0 3 = 1 ，则c r 灯q 4 7 平光，i r 灯q 5 7 l 刈烁，警铃响。驾驶台同意驾控i o 4 = l ，i r 灯平光，c r 灯熄灭。 2 i r c r ( e ) ：( 1 ) i r 要求集控i o 4 = 0 ，则i r 灯平光，c r 灯闪烁， 警铃响。c r 同意集控1 0 ，3 = 0 ，c r 灯平光，i r 灯熄灭。( 2 ) c r 请求集控i o 3 = o ，则i r 灯熄灭，c r 灯闪烁，