（电力电子与电力传动专业论文）船舶自卸设备监控系统的设计与实现.pdf

东南人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ei n d u s t r i a lr e a l t i m em o n i t o rs y s t e mi so n eo fi n d u s t r i a lr e s e a r c hh o t s p o t si na u t o m a t i o n f i e l d s w h i c hi sa l s oo n es a f e l ym e t h o dt oa c h i e v es a f ep r o d u c t i o na n de n h a n c et h ee q u i p m e n t m a n a g e m e n tl e v e l t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h es e l f u n l o a d i n ge q u i p m e n t so n s h i p p i n ga n du p d a t e st h eo l d e rm o n i t o r i n gs y s t e mt h a ti sb a s e do nc o n s o l ec o n t r 0 1 t h en e w m o n i t o r i n gs y s t e mi sb a s e do nc o m p u t e rc o n t r o l a n da na u x i l i a r yp r o g r a mi sd e v e l o p e df o rt h e n e wm o n i t o r i n g s y s t e mt h a ti sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c6 0 f i r s to fa l l t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dt h e d e v e l o p m e n to fp l c s e c o n d l 5t h eo v e r a l ld e s i g ns t r u c t u r eo ft h en e wm o n i t o r i n gs y s t e mi s b r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eh u l la n dt h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m t h i r d l y t h e a j 71u c 2 4c o m m u n i c a t i o nm o d u l e w h i c ha n s w e r sf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dp c i sd e s c r i b e di nd e t a i l t h e ni ti n t r o d u c e st h ew a yt om o d i f yp l cp r o g r a ma n dt h ed e b u gm e t h o d o fp l cp r o g r a m f o u n h l y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e s i g no fi f l xm o n i t o r i n gs y s t e mi n d e t a i l t h eu p p e rp cr e a l i z e st h ef u n c t i o no fp i c t u r e a l a r m t r e n da n dc o m m u n i c a t i o nw i t hs q l d a t a b a s eb yi f i x f i f t h l y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ea u x i l i a r yp r o g r a ma n dt h er e l a t i o n b e t w e e nt h eu p p e rp ci nd e t a i l f i n a l l y t h es o f t w a r et e s tt e c h n o l o g ya n di t su s ei nt h i sp r o j e c ta le d e s c r i e di ng e n e r a l t h i sp r o j e c tp a s s e st h et e s ts u c c e s s f u l l y h o w e v e r t h e r ea r es t i l ls o m eu n s a t i s f a c t o r yp l a c e s n e e d i n gt ob ea m e n d e di nf u t u r e k e yw o r d s c o n f i g u r a t i o n i f i x a u x i l i a r yp r o g r a m s o f t w a r et e s t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 二虹同 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文 的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 左烫宣 导师签名 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 随着社会的发展与科学的进步 工业企业取得了迅猛的发展 企业不仅在规模上越来越大 而且在 企业设备的智能化程度上也有了长足的发展 设备通过自身所具有的微控制器和现代控制算法已经可以 对工业现场发生的情况做出判断并采取相应策略进行处理 但是如何对企业内所有的运行设备进行有效 监控 简化监控手段 提高监控效率 并且提高系统的可靠性 使其发挥最大效用已经成为一个亟待解 决的问题 本课题来源于上海时代航运公司自卸船自卸设备监控系统的改造项目 该白卸设备是9 0 年代中期建 成并投入使用的 虽然其原有的生产自动化水平在经过不断改造后有了一定程度的提高 但一直以来没 有一套完整的工业实时监控网络系统 目前的白卸设备控制系统主要存在以下两方面的问题 1 企业的上层管理者不能及时 直观的了解生产现场的运行情况 控制系统与管理系统分离 无 法实现数据共享 2 自卸设备已基本实现生产过程臼动化 但生产数据的收集 整理还沿用传统的处理方法 容易 造成数据不完整 数据传递不够及时 不够准确 这对科学利用数据资源进行生产状态分析 诊断和决策十分不利 信息的可靠性差 传输效率低 会导致生产现场调度协凋不及时 以至 影响设备的自卸速度和自卸质量 另外 对生产中的设备运行信息未能全面采集 造成数据不 准确 不及时 最终都会制约企业经济效益的提高 1 2 国内外自卸设备监控系统的现状以及相关技术的发展 p l c 技术及组态软件的应用使得丁业监控系统的发展达到了一个新的阶段 新型的 工业自动控制系 统正以标准的工业计算机软硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统 其具有适应性强 开放性 好 易丁扩展 经济 开发周期短等优点 通常可把这样的系统划分为控制层 监控层 管理层三个层 次结构 其中监控层对下连接控制层 对上连接管理层 不但可以实现对现场的实时监测与控制 且在 自动控制系统中起着上传下达 组态开发等重要作用 因此构建一个这样的实时监控系统是目前生产所 必需的 它可以进一步的提高生产过程信息化监控水平 为生产的连续 稳定 高效运行提供决策支持 中国的现代化建设正处于上升期 工厂的信息化 管理的自动化都依赖于实时工业监控系统 如何 构建一个集数据采集 数据传输通畅高效 网络安全可靠 管理方便 容易维护 二次开发方便的实时 监控系统是个热门的话题 1 2 1 国内外自卸设备监控系统的现状 目前 国外技术中较先进的自卸设备控制系统多为基于可编程控制器 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 智能化测量仪表 过程控制微机和通刚计算机等构成的监控系统 采刚了目前国际上最先进 的3 c 控制c o n t r o l 通信c o m m u n i c a t i o n 计算机c o m p m e r 技术 实现了模块化 网络化 智能化 多媒体监控系统和p l c 形成统一的有机整体 可以在计算机上实现控制 监视 报警 切换等功能 因 而比传统的控制系统更加灵活 强大 东南大学硕上学位论文 上世纪九十年代以前自卸设备监控系统多为继电器强电集中就地控制方式 自动化程度较低 九十 年代中期随着p l c 技术的迅猛发展和广泛应用 其高度的工作可靠性得剑了广泛的认同 国内新建的船 舶自卸设备监控系统普遍运用p l c 进行程序控制 但仍采用模拟屏加按钮方式 进入二十一世纪 自卸 设备监控系统采片j 了p l c 集散控制方式 所有操作均在上位机进行 甩掉了模拟屏和按钮式控制台 可 实现按流程的连锁程控起停 也可实现解除连锁的手动控制 近年来 随着网络技术的迅猛发展 p l c 不但在现场控制级使用 而且深入剑生产监控级及生产管 理级 特别是在其工作站 操作站或终端设备中配置了i f i x i n t o u c h 等组态软件 可以提供各种功能及 各式各样生动的画面 组态软件的使用提高了输煤系统的可靠性 自动化程度且能够使现场操作人员方 便地对生产现场的实时情况进行准确的了解 监控和监视 伴随着这种趋势 自卸设备监控系统也将朝 着管理一体化及高度自动化 高度智能化 高度信息化发展 自卸设备监控系统将不再仅仅是控制自卸 设备的生产运行 而将更多地开发出设备故障检测及诊断功能 更多的设备信息管理功能等等 并将与 厂级m i s 系统联网 实现更加远程的监控管理 1 2 2p l c 的发展 一 p l c 的来源及其发展 引 在制造t 业和过程 t 业中 存在大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序动作 并按照逻 辑关系进行连锁保护动作的控制 以及大量数字量的数据采集 传统上 这些功能是通过气动或电气控 制系统来实现的 1 9 6 8 年美国g e 公司提出取代电气控制装置的控制装置的要求 第二年 美国数字公 司研制出了基丁集成电路和电子技术的控制装置 使得电气控制功能实现了程序化 这就是第一代可编 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 简称p c 随着电子技术和计算机技术的发展 p c 的功能越来 越米强人 其概念和内涵也在不断扩展 8 0 年代 美国a b 公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑 控制器 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 从8 0 年代到9 0 年代中期 是p l c 发展速度最快 的时期 在这一时期 p l c 在处理模拟量能力 数字量运算能力 人机接口能力和网络能力得剑大幅度 提高 p l c 逐渐进入过程控制领域 在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的d c s 系统 近年来 工业计算机技术和现场总线技术的发展挤占了部分p l c 市场 p l c 增长速度出现渐缓趋势 但 其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位还是无法取代的 二 p l c 的主要功能及其特点 p l c 是应用面很j 发展非常迅速的工业自动化装置 在工厂自动化 f a 和计算机集成制造系统 c i m s 内占重要地位 今天的p l c 功能 远不仅是替代传统的继电器逻辑 p l c 系统一般具有以下基 本功能 7 1 数据采集 运算和处理能力 p l c 能采集来自过程硬件的参数信息 并能对信息进行加 减 乘 除 求平方根等运算 并且对数 据进行选择 组织 规格化以及移动等处理 2 输入 输出接口调理能力 具有a d d a 转换功能 通过模拟量模块能完成对模拟量的控制和凋节 位数和精度可按片j 户要求 进行选择 3 控制功能 p l c 具有与 或 非等逻辑运算功能 具有定时控制 计数控制以及顺序控制等功能 4 网络通讯功能 现代p l c 人多数都采用了通信 网络技术 有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口 可进行远程i o 控制 多台p l c 可 彼此间联网 通信 外部器件与一台或多台可编群控制器的信号处理单元之间 实现程序和数据交换 如 程序转移 数据文档转移 监视和诊断 p l c 具有的特点有 2 第一章绪论 1 可靠性高 p l c 的寿命一般在4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h 以上 西门子 a b b 松下等微小型p l c 可达1 0 j i h 以上 而且均有完 善的自诊断功能 判断故障迅速 便于维护 2 模块化组合灵活 可编程控制器是系列化产品 通常采用模块结构来完成不同的任务组合 有多种机型 多种功能模板 可供选择 组合方式也很灵活 结构形式也是多样的 3 编程方便 p l c 适用针对工业控制的梯形图 功能块图 指令表和顺序功能表图 s f c 编程 不需要太多的计算机 编程知识 新的编程工作站配有综合的软件工具包 并可在任何兼容的个人计算机上编程 4 安装 维修简单 与计算机系统相比 p l c 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽 使用时只要各种器件连接无误 系统便 可工作 各个模块上设有运行和故障指示装置 便于查找故障 大多数模块可以带电插拔 模块可更换 使片j 户可以在最短的时间内查出故障并排除 最大限度地压缩故障停机时间 使生产迅速恢复 然后再对 故障模块进行修复 这对大规模生产场合尤为适宜 三 p l c 的发展趋势 6 矧 1 向高速度 大容量方向发展 为了提高p l c 的处理能力 要求p l c 具有更好的响应速度和更大的存储容量 目前 有的p l c 扫 描速度可达0 1 m s k 步左右 p l c 的扫描速度已成为很重要的一个性能指标 在存储容量方面 有的p l c 最高可达几十兆字节 为了扩大存储容量 有的公司已使用了磁盘存储 器或硬盘 2 向超大犁 超小型两个方向发展 当前中小型p l c 比较多 为了适应市场的多种需要 今后p l c 需要向多品种方向发展 特别是向 超大型和超小型两个方向发展 现在已有i o 点数达1 4 3 3 6 点的超大型p l c 其使用3 2 位微处理器 多 c p u 并行工作和大容量存储器 功能比较强 小型p l c 由整体结构向小型模块化结构发展 配置更加灵活 为了满足市场需要已开发了各种简易 经济的超小型微型p l c 最小配置的i o 点数为8 1 6 点 以适应单机及小型自动控制的需要 3 大力开发智能模块 加强联网通讯能力 为满足各种自动化控制系统的需求 近年来不断开发出许多功能模块 如高速计算模块 温度控制 模块 远程i 0 模块 通讯和人机接口模块等 这些带c p u 和存储器的智能i 0 模块 既扩展了p l c 功 能 又使用灵活方便 扩大了p l c 的应用范同 加强p l c 联网通讯的能力 是p l c 技术进步的潮流 p l c 的联网通讯有两类 一类是p l c 之间联 网通讯 各p l c 生产厂家都有自己的专有联网手段 另一类是p l c 与计算机之间的联网通讯 一般p l c 都有专用通讯模块与计算机通讯 为了加强联网通讯能力 p l c 生产厂家之间也在协商制定通用的通讯 标准 以构成更大的网络系统 p l c 已经成为集散控制系统不可缺少的重要组成部分 4 增强外部故障的监测与处理能力 根据统计资料表明 在p l c 控制系统的故障中 c p u 占5 i 0 接口占1 5 输入设备占4 5 输出设备占3 0 线路占5 前两项共2 0 的故障属于p l c 的内部故障 它可通过p l c 本身的软 硬 件实现监测 处理 而其余8 0 的故障属 t p l c 的外部故障 因此 p l c 生产厂家都致力丁二研制和发展 用于检测外部故障的专用智能模块 进一步提高系统的可靠性 1 2 3 组态软件的发展 在工业监控领域中 目前监控系统的设计开发有两种方案 直接运用高级语言开发监控软件或选用 适当的工控组态软件包开发监控软件 开发人员通过编程自行开发1 业监控系统软件 虽然易于满足不 3 东南大学硕士学位论文 同用户的特殊要求 但存在工作量大 开发周期长 且软件功能可靠性低等缺点 随着工业监控领域的 发展 人们越米越重视组态软件的应用 近年米组态软件在工业监控领域中十分活跃 组态一词源于c o n f i g u r a t i o n 组态软件 作为一个专业术语 到目前为止 并没有一个统一的定义 简言之 组态软件是 应用程序生成器 即用户根据监控对象的具体要求 把面向对象 o o p 作为软件 设计的基本思想 以 搭积木 的简便方式配置组合各功能模块 系统整合 构成整个监控系统 生成实 现不同功能的用户应用程序 组态软件具有工业实时性强 稳定可靠 通用性强 功能模块化 g u i 丰 富 操作简单 系统开放等特点 引 下面就目前较流行的工控组态软件进行介绍 i f i x i f i x 是美国g ef a u n c 公司的产品 该软件既可以单机运行 也可以构成复杂 功能强大的 工业控制网络系统 它是目前世界范围内应用最为广泛的工控组态软件之一 i f i x 是一个真正模块化的 工控软件 它提供了十多个基本功能模块和扩展功能模块 支持多种软件平台 如 w i n n l w n 2 0 0 0 w i n x p 其人机界面功能强大 除具有一般的动态显示外 还支持网页功能 f i x w e b s c a d a 网络环境下的数据共享等功能 此外i f i x 具有良好的开放性 其二次开发接口开放 完备 并且具有标准的w i n d o w s 应用程序应用接口 具有o d b c s q i l 以及a c s e s s 等关系数据库接口 支持d d e 技术 1 9 9 8 年i n t e l l u t i o n 推出的i f i x 集成了v b a 的开发环境 利于充分利用w i n n t 的资源 开发更为灵活的监控系统 引 i n t o u c h i n t o u c h 是美国w o n d e r w e r 公司的产品 其最大的特点是i 0 点数和画面数不受限制 i n t o u c h 作为一个实时的人机界面程序的组态软件 可以生成管理级别上的监控和数据采集程序 依靠菜单驱动 在多种环境下运行 像其他工控软件一样其具有开发环境 运行环境 此外 它支持d d e 与其他应用 程序的通信1 1 5 1 g e n i e g e n i e 是台湾研华的产品 其特点是界面清晰 简沽 用户使用工具丰富 其开放性好 它 可提供c 语言和v b a 编程的开发环境 可以满足有特殊要求的用户 g e n i e 有三部分组成 策略构成 图形生成 实时运行系统 其中 策略构成部分是系统的关键 它完成设置各点扫描 计算 数据登录 和监控任务 图形生成部分可制作人机界面 运行管理系统主要实现系统运行时各任务的调配旧引 其他工控组态软件例如 康拓公司的e a s y c o n t r o l 北京亚控科技的 组态王 等等 工控软件包虽然具有组什模块化 网络化 通用性强的特点 从而使得应用程序的开发具有开发周 期短 系统配置通用化程度高的优点 但组态软件也存在缺陷 通用性强必然灵活性差 某些功能不健 全 国外的组态软件还存在汉化的问题等等 由于两种开发监控系统的方法各有利弊 所以充分利用组 态和高级编稃的优点 取长补短 以组态软件为主要开发工具 对其进行二次开发 来满足实际的需要 本课题的实践结果表明这是解决实际问题行之有效的办法 1 3 课题目标与主要内容 本课题的目标是结合计算机网络技术 通信技术 控制技术与自卸设备的特点 研究和设计白卸没 备监控系统 采片j 组态软件i f l x 和微软软件开发工具v i s u a l b a s i c 进行监控系统的软件设计 该系统以 基础自动化 过程自动化为基础进行进一步的系统集成 充分发挥自动化对生产的积极作用 提高监控 管理水平 本课题的主要内容如下 1 学习p l c 和i f i x 2 分析白卸没备的现场工作流程 3 完成p l c 部分程序的修改以及p l c 程序的软件仿真 4 完成i f i x 软件的组态 5 完成v b 辅助程序的设计 6 学习和研究软件测试方法的技术 完成i f i x 监控系统和v b 辅助程序的联合调试 4 第一章绪论 1 4 章节安排 全文共分为七章 内容如下 第一章绪论 介绍了工业监控技术和监控软件 给出了本课题的研究对象和研究内容 第二章监控系统的总体设计 详细介纫了本监控系统的设计和要点 第三章p l c 下位机硬件添加和软件修改 详细介绍了通讯模块a j 7 1 u c 2 4 在本 t 程中的应用以及 相关p l c 程序的改写和p l c 程序的调试 第四章上位机软件的组态设计 详细介绍了i f i x 在设计计算机监控系统中的应用 第五章监控系统辅助程序的设计与实现 详细介绍了采用v i s u a l b a s i c6 0 设计监控系统辅助程序 第六章软件测试 详细介绍了软件测试的定义和方法 以及i f i x 程序和v b 辅助程序的测试 第七章总结与展望 对本课题所做的工作做出总结 并对f 一步的工作进行了展望 5 东南大学硕上学位论文 第二章监控系统的总体设计 在设计新的监控系统之前 本章首先对白卸船的船体结构和白卸 攻各原有控制系统做一下简单介绍 2 1 原有监控系统介绍 船体结构如图2 1 和2 2 所示 从图中我们可以看到整个自卸船中共有六根皮带 分别为左仓传输 带 右仓传输带 左横传输带 右横传输带 提升传输带和驳姆传输带 在船体两侧各有一个货控室分 别为左仓货控室和右仓货控室 原有的p l c 控制系统便是根据白卸设备功能结构进行设计的 蠢霪 曩 图2 1 自卸船侧面图 图2 2 自卸船俯视图 原有的控制系统结构图如图2 3 所示 从结构图中可以看出原有控制结构图是以p l c 为主控制装置 控制台主要承担设备状态信息的显示和设备控制信号的输入等功能 控制台能够提供的设备当前运行状 态信息值主要有 如当前皮带启停状态 皮带载重 驳姆运行状态 还有一些故障信息如皮带跑偏 起 动器故障 低油位 高油温等信息 控制台能够提供的设备控制信号有 如伸缩料斗的上下运动 各个 皮带的启停信号 本地模式 测试模式 自动模式各种控制模式的选择等等 6 太 夕 第二章监控系统总体设计 2 2 新监控系统设计 图2 3 原有控制系统结构图 从图2 3 可以看出原有控制系统是一种集中式的控制系统 所有模块集中在若干个机柜中 这种系 统技术比较落后 不符合分布式和开放性的趋势 且在功能扩展上不是很方便 因此基于设备管理信息 化的要求 使得我们在不影响现有控制台操作的情况下 另外增加一套基于计算机控制的新型监控系统 作为原有监控系统的备用版本 在软件上对原有监控系统进行了积极的功能扩展 根据白卸设备监控系 统的需求分析得出以下具体要求 1 根据监控软件平台的要求 采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统 2 能够对白卸设备进行监视和控制 3 上位机采用工控一体机 具有原控制台所有监控功能 显示系统图和白卸设备的运行状态 控制状态等功能 设备运行状态的实时观察 报警的实时奄看 不同模式的切换 4 与s q l 关系数据库的连接 5 能够记录历史报警事件 6 能够记录历史操作事件 美国g e 公司开发的i f i x 监控软件能够运行于安全可靠的w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统环境下 具有良 好的安全措施 丰富完善的监控功能和友好的图形界面 冈此为缩短系统开发周期 提高系统的可靠性 上位机监控系统采用了i f i x4 0 监控组态软件作为开发平台 用于开发s c a d a 服务器和i c l i e n t 客户端 并且采用了v i s u a lb a s i c6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 米开发监控系统辅助程序 新监控系统的结构图如图2 4 所示 s c a d a 服务器与p l c 之间的通讯通过通讯模块a j 7 1 u c 2 4 来实现 数据交换采用r s 4 2 2 串口通讯 方式 数据交换过程是 p l c 通过传感器接收现场信号 并将信号处理后送剑s c a d a 服务器 s c a d a 服务器接收米自下位机p l c 的信号 以图形画面的形式进行显示 并将控制信号传给p l c 同时将来臼 p l c 的数据以及其它数据通过网络写入关系数据库中 v b 辅助程序可以通过访问关系数据库中的数据 来获知自卸设备的运行状态和操作员操作情况 7 东南大学硕十学位论文 图2 4 新监控系统结构图 整个监控系统充分体现了监控系统的设计思想 由上位机完成数据管理 画面显示 故障报警 记 录报表生成以及对下位机的控制等功能 在上位机与原控制台之间增加了转换开关 即当上位机因故而 停机时 仍可以利用原有控制台对自卸设备进行操作 从而不影响整个生产过程 这样可大大提高系统 运行的可靠性 设计将主要涉及到以下几个方面的内容 1 下位机与上位机通讯连接 2 下位机p l c 的部分程序改写 3 i f i xs c a d a 服务器端设计 4 i c l i e n t 客户端设计 5 i f i x 监控系统v b 辅助程序设计 8 第三章p l c 下位机设计 第三章p l c 下位机硬件模块添加和软件模块修改 下位机p l c 要完成的主要功能是 将p l c 采集到的现场信号进行处理后送剑上位机 并且接收上 位机发送来的控制信号 工程选用三菱p l c 来实现监控系统下位机的组态设计 系统的软硬件修改这里包含以下儿个部分 1 系统下位机硬件添加 主要是添加了通讯模块a j 7 1 u c 2 4 2 系统下位机硬件组态 主要包括p l c 组态以及p l c 与计算机连接组态等 3 p l c 原有程序修改 3 1 系统下位机硬件配置 系统硬件主要由两火部分组成 一部分是p l c 控制系统 一部分是工控机 工控机与p l c 之间的 通讯采用r s 4 2 2 接口通过a j 7 1 u c 2 4 连接实现 工程中采用1 二控一体机 基本配置情况是 奔腾m 处 理器 主频1 i g h z 5 1 2 兆内存 4 0 g 硬盘 p l c 的硬件主要由c p u i o 设备以及a 1 7 1 u c 2 4 通讯模 块组成 本工程涉及到的i o 点数共4 8 8 个 其中模拟量测点6 个 数字量测点4 8 5 个 原有的硬件配置情 况如下 1 电源模块 电源模块是采用三菱a 6 1 p 输入a c8 5 1 3 2 v 1 7 0 2 6 4 v 工程中采用短接2 0 0 v 接线方式 可输出 d c5 v 8 a 2 c p u 模块 p l cc p u 模块采用的是三菱a 系列p l c c p u 的型号为a 2 n 该种型号c p u 模块自带有一个 a 3 n c a 4 的存储盒 内置有一个3 2 k 的r a m 最大可扩充到4 4 8 k 字节 最高可处理5 1 2 个点 且本 身带有一个r s 2 3 2 编程接口 3 数字量输入模块 工程中选用a x 8 1 作为本系统的数字量输入模块 它将现场采集米的数字信号电平转换成a 2 n 内部 的信号电平 为直流3 2 点输入 工程中使j j 该型号模块共8 块 4 数字量输出模块 工程中选用a y 8 1 作为本系统的数字量输出模块 它将a 2 n 内部的信号电平转换成现场的数字信号 电平 为直流3 2 点输出 每点输出0 5 a 1 工程中使用该型号模块共6 块 5 模拟量输入模块 工程中选用a 6 8 a d n 作为本系统的模拟量输入模块 有精度可调整 可以测电压和电流 八通道 可将现场信号1 0 v 电压或2 0 m a 电流转换成a 2 n 系列p l c 的内部信号的1 6 位有符号整形数 共有多种 精度可选 工程中使用该型号模块共1 块 新添加的硬件如下 1 通讯模块 工程中采用a j 7 1 u c 2 4 作为本系统的通讯模块 该通讯模块具有r s 4 2 2 和r s 2 3 2 两种接口方式 a j 7 1 u c 2 4 通讯模块具有多种通讯连接方式 无协议连接方式 专有协议连接方式和双向连接方式 且 该通讯模块可参与组站 9 末南 学硬士学位论文 3 2 下位机硬件组态 a j 7 1 u c 2 4 通讯模块是在不影响原有p l ci 衄地址的前提下添加的 通讯模块瓣加后下位机工程环 境的配置将分成三个步骤进行 p l c 系统参数的修改 硬件接r n 连接 详细情况见附录a p l c 和p c 之间的通讯设置 p 与计算机连接硬件结构图如圈3 1 所示 3 2 1p l c 系统参数的修改 图3 ip l c 与计算机硬件连接结构图 p l c 系统参数的修改主要是当将a j 7 1 u c 2 4 通讯模块添入原有p l c 系统后 对系统的硬件i 0 地址 重新进行设定 这里我们将通讯模块插入1 号扩展基板7 号插槽内 井将其位置反映在p l c 程序系统i 0 参数分配中 只有将p l c 硬件参数设定正确之后 才能保证当p l c 程序被下载到p l c 后 程序能够正 常运行 圈3 2 a c p u 系统i o 分配 3 2 2p l c 与p c 之间的通讯设置 p l c 与p c2 间的通讯设置分为通讯模块上的参数设置 计算机端口和多串口卡c p l 3 2 参数设置 通讯协议的选择以及i o 驱动程序的配置 3 2 2 1 三菱a j 7 1 u c 2 4 通讯模块的参数配置 通讯模块的配置土要是在通讯模块上进行开关选择进行的 在j 1 程中的参数设置如f 第三帝p l c 下位机设计 协议要选择 专用协议l 因为m i t 硬件驱动支持该种协议格式 设置时将模式选择开关旋 转到m o d e5 数据长度和奇偶校验 数据长度为 8 位 奇偶校验选择偶校验 选中和数检验o 选中r u n 中可写入 选择计算机链接 本项目中p l c 与外部设备的链接为l 1 因此选择计算机链接 3 2 2 2 计算机端口和c p l 3 2 串口卡的参数设置 在进行端口设置时对计算机的端口也要进行设置 主要是在我的电脑 属性 硬件 设备管理器中 对相关项目所涉及到相关端口的通讯数据格式进行设置 使得通讯数据格式与工程要求保持一致 例如 本工程中的通信端口c o m 4 为串口卡上的端口 首先要将卡上的硬件端口选择为r s 4 2 2 在 操作系统中将该端e 1 的波特率设为1 9 2 0 0 b p s 奇偶校验为偶校验 停j 卜位为1 位 本工程中的编程调试口c o m l 为计算机自有的r s 2 3 2 端口 因此将波特率设置为9 6 0 0 b p s 奇偶校 验为偶校验 停止位为l 位 3 2 2 3 通讯模块a j 7 1u c 2 4 通讯协议的选择 工程中选用三菱a j 7 1 u c 2 4 通讯模块作为计算机与p l c 之间的通讯连接 a j 7 1 u c 2 4 支持多种通讯 协议 无协议方式通讯 专有协议方式通讯和双向方式瞄1 一 无协议方式 通过选择a j 7 1 u c 2 4 通讯模块的无协议方式 用户可以定义自己的通讯步骤将任意数据在外部设备 和p l c 之间通讯 无协议方式的特点 1 从p l c 可请求发送数据 外部没备和p l c 都可请求发送 从p l c 向外部设备发送数据时 用 p l c 程序的t o 命令 把数据写入缓冲存储器 并将请求发送信号o n 即可 从外部没备接收 到数据 片jp l c 程序的f r o m 指令可以读出 2 接收时可选择可变长度或固定长度 p l c 接收外部设备发送的数据 有可变长度或固定长度两 种接收方法 可由用户选择和设定 幻接收可变长度数据 用户预先设定接收停止码 接收 停j 卜码之前的数据 b 接收固定长度数据 接收用户预先设定的州定氏度数据 然后就停 i e 接收 接收停止码和接收停止的数据长度 可由用户任意设定 3 可改变发送和接收用的存储区 根据传输数据的目的和用途等 用户可以对缓冲存储器内的用户自由区进行地址分配 专有协议方式 按照专有协议方式规定的通信步骤 把计算机通讯用的指令报文从计算机发送给计算机通讯模块 由此就可以进行p l c 中的c p u 模块 程控程序等的读 写 专有协议方式的特点 1 根据计算机请求的通信 数据发送和接收的请求都是由计算机进行 通过将指令从计算机发送 给计算机通讯模块 来执行指定数据的通信 冈此在使用计算机通讯模块 不必编制特别的p l c 程序或予以变更 a 在p l cc p u 模块中的各元件都可以进行读出或写入 通过读出c p u 模 块中各元件的内容 就能进行操作状态的监视 控制 采集或分析数据等 此外 根据写入各 元件的数据 可进行生产管理及生产指示等丁作 b 可以发送和接收程序 可将c p u 模块中 的程序 主程控科序 子程控程序 计算机程序 以及参数数据 注释数据预先读剑计算机中 东南犬学硕士学位论文 加以存储 根据需要 写入p l c 可以进行程序变更 c p l c 的远程运行 r u n 停j k s t o p 由于可从计算机进行p l c 的远程r u n s t o p 冈此 能对p l c 进行远程控制 c c p u 模块输 入信号的o n o f f 能够对装有计算机通讯模块的p l cc p u 的输入信号 x 进行o n o f f 操作 因此 就可进行p l c 的紧急停止或同时起动等控制 这个功能称为计算机通讯模块的全程功能 2 根据p l c 请求的通信 数据发送的请求由p l c 进行 这是在必需把采样数据等从p l c 发送给 计算机时 p l c 向计算机通讯模块发出发送请求 而使计算机中断处理的功能 这个功能称为 计算机通讯模块的请求式功能 三 双向方式 通过计算机通讯模块 按照双向方式规定的通信步骤 就可以将任意数据在计算机与p l c 之间进行 通信 双向方式的特点 1 从p l cc p u 可请求发送数据 计算机和p l c 都可请求发送 从p l c 向计算机发送数据时 用 p l c 程序的t o 命令 把数据写入缓冲存储器 并将请求发送信号o n 即可 当接收到发送数 据的计算机发出接收应答报文时 发送数据结束 然后读缓冲存储器就可知道发送结果 止常 出错结束 从计算机接收到的数据 用p l c 程序的f r o m 指令可以读出 适用丁二从计算机通 讯模块发送的场合 2 指定发送报文中的发送数据长度 向对方设备发送数据时 发送的报文中含有数据长度 因此 接收方从报文中可知道接收到的数据长度 图3 3 双向报文格式 3 可改变发送和接收用的存储区 根据传输数据的目的和用途等 可以对缓冲存储器内的用户自 由区进行地址分配 这里主要是i f i x 上位机主动对p l c 进行读写 因此比较这三种协议 我们选用了专有协议作为p l c 与上位机之间的通讯方式 3 2 2 41 1 0 驱动程序配置 在开始使用硬件驱动之前 在i f i x 中配置该i 0 驱动配置程序 首先通过启动系统配置工具 s c u s y s t e mc o n f i g u r a t i o nu t i l i t y 然后添加要使用的m i t 驱动器到s c a d a 配置中 当m i t 驱动器被 添加到s c a d a 配置后 就能启动该驱动的i o 配置程序 该硬件i o 驱动配置程序由通道 设备和轮询记录三部分组成 通道是i o 驱动器和字段设备与系 统之间的逻辑连接 有8 个通道可用 在本项目中只用剑了一个通道 因此只选择c h a n n e ll 在端口设 置对话框中 根据下程约定进行如下设置 端口为c o m 4 波特率为1 9 2 0 0 b p s 数据长度为8 位 奇偶 校验为偶校验 停止位1 位 1 2 第三章p l c 下位机设计 圈3 4 i f l x i 0 驱动通讯设置 设备为默认设置 选择p l c c p u 类型为a n n 站号为0 p c 号为f f 在配置轮询记录时要注意的是驱动器中轮询记录的长度 因为在m l t 硬件驱动中不同类型寄存器有 着不同类型的轮询k 度 因此当长度超过该类型寄存器最大轮询长度时就需要另外增加一条轮询记录 轮询时间为f o 驱动器从过程硬件读取数据的时间间隔 工程中将轮训时间设置为1 秒 具体设置如图 3 所示 互l 业删u 吲 i 黼崔 i 粹t 号产 3 2 3 配置后的检验 r n ad ir 1 1 i i i i i mr l 1 l i i m hn u h 囝3 5 i f i x f o 驱动配置界面 在配置好并个参数后 我们就可以将p l c 程序下载到p l c 中 在程序的写入我们是通过p l c 的编 程口进行写入操作 将g x d e v e l o p e r 传输设置中的p c l f 设置为c o m i9 6 0 0 b m p l c l f 改为c p u 直 接相连模式 a c p u 这样做可以在i f i x 对p l c 进行写入操作或者p l c 程序运行时 观察p l c 程序 运行结果 当i f i x 与p l c 进行通讯时 f 位机p l c 可能由于掉电等原因而不能与i h x 进行及时通讯t 因此在 i f i x 程序中添加一个定时器对f 位机的状态进行检测 当发生通信敏障时 可通知操作者及时进行模式 切换操作 m 9 0 3 6 为三菱p l c 中的一个特殊辅助寄存器 通过检测它的状态来检测通讯是否正常 详细 使刚见4 3 2 小节 东南大学硕士学位论文 3 3p l c 程序的修改注意事项 因为是双系统模式 所以要考虑到掉电之后对系统运行状态的保持 因此在程序编写时应考虑到当 监控系统遭遇到外界不利条件影响时的自我保护功能 在三菱p l c 中内部继电器 m 锁存继电器 l 和步进继电器 s 均为供p l cc p u 使用的辅助继电器 但是内部继电器m 步进继电器s 不能锁存晗1 因此如果切断p l c 的电源 或对p l c 进行复位或锁存 清零时 则全部内部继电器都清零 锁存继电器l 则不会出现这种情况 因为有锂电池带电保护 所以 当p l c 上电或复位时 其操作结果将会被保持的 在这里我们将取消岸上连锁开关的状态 以及控制台模式与计算机控制模式的状态寄存器的状态值 放入锁存寄存器中 s s3 4p l c 程序编程 3 4 1 编程工具g xd e v e l o p e r 本工程中三菱a 2 n 系列p l c 作为系统的主控制器 p l c 程序设计软件选用当前比较流行的三菱g x d e v e l o p e r 编程1 具 它是应用于三菱系列p l c 的中文编程软件 可在w i n d o w s 9 x 及其以上操作系统运 行 g xd e v e l o p e r 的功能十分强人 集成了项目管理 程序键入 编译链接 模拟仿真和程序调试等功 能 其主要功能如下怕 在g xd e v e l o p e r 中 可通过梯形图 指令表来创建p l c 程序 建立注释数据及设置寄存器数 据 创建p l c 程序以及将其存储为文件 用于打印机打印 该程序可在串行系统中与p l c 进行通讯 文件传送 操作监控以及各种测试功能 在三菱可编程控制器中主要有以下两种常用程序设计方式 它们是梯形图和指令表 p l c 梯形图是在继电器控制系统中常用的接触器继电器电路图基础上演变而米的 梯形图中的很多 图形符号与继电器控制系统电路图有对应关系 其编程思想也与继电器控制系统梯形图基本一致 只是 p l c 在编程中使用的继电器 定时器 计数器等 其功能都是由软件实现的 指令表编程语言类似丁二计算机中的助记符语言 它是可编程控制器最基础的编程语言 所 r 月3 a 1 日e t a 令表 编程 是用一系列的指令表达程序的控制要求 一条典型指令往往由两部分组成 一部分是由儿个容易 记忆的字符来代表可编科控制器的某种操作功能 成为助记符 另一部分为操作数或称为操作数的地址 指令还和梯形图有一定的对应关系1 5 引 本工程中只采用了梯形图作为主要开发语言 因为梯形图简单 直观 易读 好懂 但g xd e v e l o p e r 提供了梯形图和指令表的互换功能 3 4 2p l c 程序的修改 为了实现对p l c 设备的计算机监控 需要对原有p l c 程序进行部分修改 以适应新系统的要求 原有臼卸设备控制系统已有两个控制台 冈此只要在程序中增加一个模式切换程序 使其能够自由 的进行计算机模式与原有的控制台模式之间的模式切换 原有的程序有4 6 5 5 步 更改之后的程序有5 0 0 1 步 更改的部分程序如图3 6 所示 1 4 第三章p l c 下位机设计 图3 6 部分p l c 程序修改图 在图3 6 中我们可以看到 当触点x 5 或x 6 闭合时 l 2 0 0 0 处于o n 状态选择计算机模式操作 当 触点x 5 闭合时 l 2 0 0 0 处于o f f 状态选择控制台操作 3 4 3p l c 程序调试 g xs i m u l a t o r 梯形图