毕业设计-基于PLC的架桥机控制系统设计论文(含完整图).doc

毕业设计（论文）-基于PLC的架桥机控制系统设计论文(含完整图) 摘 要鉴于我国铁路基础建设特别是高速铁路及客运专线施工的要求大量采用新技术新工艺以提高铁路施工的整体水平铁路整孔箱梁应运而生解决大吨位箱梁的架设和运输就成为急需解决的问题架桥设备需要根据桥梁结构的要求及施工的需要进行设计制造由于京沪高速铁路预制箱梁尺寸及架设吨位的增大以往国内的架桥设备已不能满足京护高速铁路工程建设的需要因此迫切需要结合京沪高速铁路工程特点设计出适用于京沪高速铁路工程的高吨位架桥机的电控系统本论文中900吨箱梁架桥机电气控制系统的设计就是为了解决这一问题而提出的本文首先根据自动控制中的两种控制结构-分散控制系统 DCS 和工业以太网系统结合架桥机的电气控制要求组建混合型系统然后介绍了架桥机电气控制系统中应用到的相关技术其中主要阐述了西门子公司PLCS7-300的特点变频器的应用技术无线局域网技术和工业以太网技术京沪高速铁路属于国家重点工程由于工程量大工期相对紧张因此一旦开始修建必将形成多标段多单位多工点的施工格局架梁设备的需求量较大所以大吨位架桥机的设计完成将有效的支持京沪高速铁路的建设关键词架桥机PLCDCS无线局域网工业以太网AbstractSeeing the demand of the capital construction of railway especially the high-speed railway and passenger traffic special line of our country construct we adopt the new technology and new craft in order to improve the integral level of constructing of the railway The whole hole case roof beam of the railway arises at the historic moment It becomes the problem in need of solution that how to erect and transport the large tonnage case roof beam Bridge equipment is designed according to the demand of the structure of the bridge Because the prefabricate size of roof beam and the tonnage in the Beijing-Shanghai high-speed railway is increasing the equipment of bridging in the past in our country cant already meet the engineering construction of Beijing-Shanghai high-speed railways needs The electrical control system of the 900 ton case roof beam bridging machine in this paper is designed to solve this problemAt first in this text according to two kinds of control structure Distributed Control System DCS and wireless LAN system and combining the electric control request of the bridging machine we have set up the mixing type systemThen the paper introduced the technology that has been used in the electrical control system Among them it has explained the characteristic of Siemens Companys PLC S7-300 the application technology of the frequency converter mainly technology of the wireless LAN and technology of the industrial EthernetThe Beijing-Shanghai high-speed railway is a national key project Because the project amount is great time limit for a project is tense it will form many bid sectionmany unit many construction pattern that Engineer order when it is begin to builtThe demand for the equipment of setting a roof beam in place is relatively great If the design of large tonnage bridging machine is finished it will support the construction of Beijing-Shanghai high-speed railwayKeywords bridging machinePLCDCSwireless LANindustrial Ethernet目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论111 选题背景与意义112 在国内外的研究动态113 主要设计内容2第二章 控制系统介绍411分散控制系统422以太网网络控制823 控制系统的确定9第三章 相关技术介绍1131 PLC应用技术1132 西门子S7-300系列PLC特性1333 变频器应用技术1534 无线局域网技术1835 工业以太网技术21第四章 控制系统设计2341 架桥机结构形式2342 电气控制系统2543 系统可靠性的设计28第五章 PLC通信网络的设计3051 PLC通信网络概念3052工业以太网技术的实现3153 架桥机无线通信模型的建立3554 架桥机无线局域网系统模型的实现38总结40致谢41参考文献42附图43第一章 绪论我国高速铁路建设已酝酿多年铁道部就其模式进行了一系列的研讨规划和设计秦沈客运专线的建设标志着我国铁路建设迈入一个新的里程碑拉开了我国高速铁路建设的序幕取得了有益的经验结合中国国情我国高速铁路桥梁及其架设的特点将是 1 既有连续多孔的特大桥也有较多的一座桥只有几孔梁的中小桥中小桥多数是断断续续地沿线散布且同一座桥中的跨度也可能有变化这些都对高速铁路运架设备提出了更高的要求 2 以预制的32m及以下跨度预应力混凝土箱梁为主 3 为保证线路满足行车需要采用先架后铺作业方式架梁设备在没有铺设线路的路基上运送架设箱梁高速铁路900吨级箱梁运架设备有两部分组成行走式架桥机和轮胎式运梁车111 选题背景与意义拟建中的京沪高速铁路全线总长1320km全线桥梁总数840余座桥梁累计延长线720km以上主要采用双线整孔预制简支箱梁 占桥梁总长的60左右 需要使用架桥机架设的箱梁主要有20m24m32m三种形式最小梁重511t最大梁重832t随着高速铁路的发展架桥设备需要根据桥梁结构的要求及施工需要进行设计制造设备全方位适应于桥梁结构需要由于京沪高速铁路预制箱梁尺寸及架设吨位的增大以往国内的架桥设备已不能满足京沪高速铁路工程建设的需要因此迫切需要结合京沪高速铁路工程特点设计出适用于京沪高速铁路工程的多种型式的高吨位架桥机12 在国内外的研究动态我国现有各种型式各种吨位的铁路架桥机50余台可分为T梁和箱梁架桥机两大类在秦沈客运专线上使用的八台箱梁运架设备中单线箱梁和双线箱梁架桥机各四台最大起吊能力为600吨从结构型式上可分为迈步式下导梁式运架一体式及拼装式架桥机其中运架一体机为意大利NICOLA公司生产此外在国外使用的还有导梁式架桥机目前国际上具有代表性的高速铁路架桥机有三种形式步履式导梁式和运架一体式这三种形式的架桥机各具特色有各自的针对性和适应性运架一体式运架作业程序为顺序式整机高度低集运梁架梁于一身但导梁纵移在吊梁公况下进行需要较大的驱动力同时增加了作业的不安全因素步履式导梁式运梁架梁为平行作业导梁式架桥机架设一座桥首孔梁和末孔梁需要安装拆卸导梁工地桥间施工转移时也需拆除导梁辅助作业时间较长施工不便利而步履式架桥机过跨作业简便可以方便地架设一座桥的首孔梁和末孔梁对墩台无特殊要求不仅适合架设箱梁集中的长大桥也适合桥群分散的中小桥及变跨桥的施工 13 主要设计内容结合京沪高速铁路工程的特点确定了高速铁路架桥机电气系统设计的基本原则 1 整机性能好满足京沪高速铁路箱梁架设施工要求技术性能达到国内先进水平 2 设备自动化程度高施工安全可靠 3 采用成熟技术符合中国国情能够在国内自行制造 4 现场维护保养方便 5 造价低目前国际上具有代表性的高速铁路架桥机有三种形式步履式导梁式和运架一体式这三种形式的架桥机各具特色有各自的针对性和适应性运架一体式运架作业程序为顺序式整机高度低集运梁架梁于一身但导梁纵移在吊梁公况下进行需要较大的驱动力同时增加了作业的不安全因素步履式导梁式运梁架梁为平行作业导梁式架桥机架设一座桥首孔梁和末孔梁需要安装拆卸导梁工地桥间施工转移时也需拆除导梁辅助作业时间较长施工不便利而步履式架桥机过跨作业简便可以方便地架设一座桥的首孔梁和末孔梁对墩台无特殊要求不仅适合架设箱梁集中的长大桥也适合桥群分散的中小桥及变跨桥的施工根据架桥机电气控制的要求整个架桥机电气部分由一号柱二号柱三号柱一号起重小车二号起重小车运梁车等六个子系统组成2所有操作通过屏幕和遥控器统一进行主屏幕将实时同步显示系统关键点数据及电气系统本身各部分的工作状态监控各项安全保护参数的动态变化每个子系统为一个工作站每个工作站的系统都由PLC进行控制各个子系统通过无线局域网和IOM以太工业局域网连接组成一个完整的混合型系统本文通过研究无线通信系统中的传输方式拓扑结构和网络标准等关键技术建立了适合架桥机的无线通信系统模型并阐述了该模型的实现方法在系统设计中根据对工业以太网关键技术的研究采用了全双工交换式以太网技术来解决通信的实时性和确定性问题使用交换式集线器扩大网络带宽进一步保证网络传输的实时性第二章 控制系统介绍11分散控制系统随着现代化工业的飞速发展工业生产过程的控制规模不断扩大复杂程度不断增加工艺过程不断强化因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求面临着日趋激烈的市场竞争我们的工业生产过程正处于一个由劳动力密集型设备密集型信息密集型到知识密集型的转变过程在这一过程中以计算机为基础而构成的控制管理决策系统无疑起着非常重要的作用而分散型控制系统 Distributed Control System简称 DCS 正是在这种背景下产生的它是继直接作用式气动仪表气动单元组合仪表电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统国外称分散控制系统为4C技术的产物这4C技术就是指控制 Control 技术计算机 Computer 技术通信 Communication 技术和CRT Cathode Ray Tube 显示技术分散控制系统就是以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提从生产过程综合自动化的角度出发按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的以微处理机为核心结合了控制技术通信技术和CRT显示技术的新型控制系统分散控制系统是纵向分层横向分散的大型综合控制系统它以多层计算机网络为依托将分布在全厂范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起实现各部分的信息共享和协调工作共同完成各种控制管理及决策功能典型的分散控制系统包括四层现场级控制级监控级和管理级对应着这四层结构分别由四层计算机网络即现场网络Fnet Field Network 控制网络Cnet Control Network 监控网络Snet Supervision Network 和管理网络Mnet Management Network 把相应的设备连接在一起3现场设备一般位于被控生产过程的附近典型的现场级设备是各类传感器变送器和执行器它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号例如4-20mA的电信号 一般变送器 或符合现场总线协议的数字信号 现场总线变送器 送往控制站或数据采集站或者将控制站输出的控制量 4-20mA的电信号或现场总线数字信号 转换成机械位移带动调节机构实现对生产过程的控制控制级主要由过程控制站和数据采集站构成一般在电厂中把过程控制站和数据采集站集中安装在位于主控室后的电子设备室中过程控制站接受由现场设备如传感器变送器来的信号按照一定的控制策略计算出所需的控制量并送回到现场的执行器中去过程控制站可以同时完成连续控制顺序控制或逻辑控制功能也可能仅完成其中的一种控制功能数据采集站与过程控制站类似也接受由现场设备送来的信号并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统的其他部分主要是监控级设备中去数据采集站接受大量的过程信息并通过监控级设备传递给运行人员数据采集不直接完成控制功能这是它与过程控制站的主要区别监控级的主要设备有运行员操作站工程师工作站和计算站其中运行员操作站安装在中央控制室工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室运行员操作站是运行员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程运行人员可以在运行员操作站上观察生产过程的运行情况读出每一个过程变量的数值和状态判断每个控制回路是否工作正常并且可以随时进行手动自动控制方式的切换修改给定值调整控制量操作现场设备以实现对生产过程的干预另外还可以打印各种报表拷贝屏幕上的画面和曲线等为了实现以上功能运行员操作站是由一台具有较强图形处理功能的微型机以及相应的外部设备组成一般配有CRT显示器大屏幕显示装置打印机拷贝机键盘鼠标或球标工程师工作站是为了控制工程师对分散控制系统进行配制组态调试维护所设置的工作站工程师工作站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理形成各种设计文件例如各种图纸表格等工程师工作站一般由PC机配制一定数量的外部设备所组成例如打印机绘图机等计算站的主要任务是实现对生产过程的监督控制例如机组运行优化和性能计算先进控制策略的实现等由于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能因此对它的要求主要是运算能力和运算速度一般计算站由超级微型机或小型机构成机组运行优化也可以由一套独立的控制计算机和优化软件构成只是在机组控制网络上设一接口利用优化软件的计算结果去改变控制系统的给定值或偏置管理级包含的内容比较广泛一般来说它可能是一个发电厂的厂级管理计算机也可能是若千个机组的管理计算机它所面向的使用者是厂长经理总工程师值长等行政管理或运行管理人员厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行情况利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策帮助企业实现其规划目标4对管理计算机的要求是能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统大量数据的高速处理与存储能够连续进行可冗余的高可靠性系统能够长期保存生产数据并且具有优良的高性能的方便的人机接口丰富的数据库管理软件过程数据收集软件人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件实现整个工厂的网络化和计算机的集成化由于分散控制系统采用了先进的计算机控制技术和分级分散式的体系结构所以与常规控制系统和集中式计算机控制系统相比它具有很多优点下面讨论下分散控制系统的特点5 1 适应性和扩展性分散控制系统在结构上采用了常规控制系统的模块化设计方法无论是硬件还是一软件都可以根据实际应用的需要去灵活地加以组合对于小规模的生产过程可以只用一两个过程控制站或数据采集站配以简单的人机接口装置即可以实现生产过程的直接数字控制对于大规模的生产过程可以采用几十个甚至上百个过程控制站或数据采集站以及各种实现优化控制任务的高层计算站和运行员操作站工程师工作站等人机接口设备组成一个具有管理和控制功能的大型分级计算机控制系统这一点集中式计算机控制系统是无法做到的一个按照小规模生产过程设计的集中式计算机控制系统由于主机存储容量运算速度和带外部设备能力等诸多因素的限制很难把它应用于大规模生产过程中同样一个按照大规模生产过程设计的集中式计算机控制系统如果将其用于小规模的生产过程则会造成巨大的浪费模块化设计方法带来的另一个优点是系统的扩展性分散控制系统可以随着生产过程的不断发展逐渐扩充系统的硬件和软件以期达到更大的控制范围和更高的控制水平分散控制系统的可扩展性具有两个明显的特征一个是它的递进性即扩充新的控制范围或控制功能时并不需要摒弃己有的硬件和软件另一个是它的整体性也就是说分散控制系统在扩展时并不是让新扩充的部分形成一个与原有部分毫无联系的孤岛而是通过通信网络把它们联系起来形成一个有机的整体这一点对于现代化的大型工业生产过程来说尤为重要 2 控制能力常规控制系统的控制功能是用硬件实现的因而要改变系统的控制功能就要改变硬件本身或者改变硬件之间的连接关系在分散控制系统中控制功能主要是由软件实现的因此它具有高度的灵活性和完善的控制能力它不仅能够实现常规控制系统的各种控制功能而且还能完成各种复杂的优化控制算法和各种逻辑推理及逻辑判断它不但保持了数字控制系统的全部优点而且还解决了集中式计算机控制系统由于功能过分集中所造成的可靠性太低的问题因此它的控制能力是常规控制系统所不可比拟的 3 人机联系手段分散控制系统具有比常规控制系统更先进的人机联系手段其中最重要的一点就是一采用了CRT图形显示和键盘操作人机联系手段按照信息的流向分为人-过程联系和 过程-人联系在常规控制系统中人-过程联系是通过各种操作器定值器开关和按钮等设备实现的运行人员通过这些设备调整和控制生产过程过程-人联系是通过各种显示仪表记录仪表报警装置信号灯等设备实现的运行人员通过它们了解生产过程的运行情况所有这些传统的人机联系设备都是安装在控制盘或者控制台上的当生产过程的规模比较大复杂程度比较高时这些设备的数量会迅速增加甚至达到令人无法应付的程度在分散控制系统中由于采用了CRT显示和键盘操作技术人机联系手段得到了根本的改善过程-人的信息直接显示在CRT屏幕上运行人员可以随时调用他所关心的显示画面来了解生产过程中的情况同时运行人员还可以通过键盘输入各种操作命令对生产过程进行干预由此可见在分散控制系统中所有的过程信息都被浓缩在CRT屏幕上所有的操作过程也都集中在键盘上因此分散控制系统的人机联系手段是双向集中的除上述特点之外分散控制系统还具有人机联系一致性比较好的特点因为键盘操作使许多操作过程得到统一而遵循统一的操作规律是防止误操作的有力措施 4 可靠性分散控制系统的可靠性比以往任何一种控制系统的可靠性都要高这主要反映在以下几方面1 由于系统采用模块化结构每个过程控制站仅控制少数几个控制回路个别回路或单元故障不会影响全局而且元器件的高度集成化和严格的筛选有效地保证了控制系统的可靠性2 分散控制系统广泛地采用了各种冗余技术例如对电源通信系统过程控制站等都采用了冗余技术尽管常规控制系统也可以采用某些冗余措施但由于其故障判断和系统切换都不易处理所以常规控制系统的冗余往往只限于变送器或操作器分散控制系统由于采用了计算机技术因此上述问题很容易得到解决原则上说分散控制系统中的任何一个组成部分都可以采用冗余措施这样就为设计出高可靠性的系统创造了条件3 分散控制系统采用软件模块组态方法形成各种控制方案取消了常规系统中各种模件之间的连接导线因此大大地减少了由连接导线和连接端子所造成的故障 5 可维修性可维修性反映了系统不见发生故障后对其进行维修的难易程度可维修性差的系统需要较长维修时间和较高的维修费用常规控制系统的可维修性最差由于它的部件种类繁多稳定性较差又缺少必要的诊断功能所以维修工作十分困难集中式计算机控制系统的可维修性比常规控制系统要好些但由于它有一个庞大的相互关联十分密切的硬件和软件系统所以也要求维修人员具有较高的技术水平分散控制系统的可维修性明显优于上述两类系统它采用少数几种统一设计的标准模件每一种模件包含的硬件比较简单因为整个系统的控制功能不是由一台计算机包揽而是由许多微处理机分别完成的每台微处理机只担负着少数的控制任务因此对它的要求并不很高另外分散控制系统采用了比较完善的在线故障诊断技术大多数系统的故障诊断定位准确度都可以达到模件级通过各种人机接口设备运行员或工程师能够迅速发现系统设备故障的性质和地点并且可以在不中断被控过程的情况下更换故障模件在分散控制系统中控制方案的实现主要靠软件功能块的连接因此大大地减少了模件之间的连线另外过程控制站可以采用地理分散的方式安装在被控过程的附近这样就大大地减少变送器传感器和执行器与控制系统之间的连接电缆不仅节省了导线电缆的安装敷设费用而且减少了控制系统在中央控制室所占用的空间根据有关资料介绍分散控制系统的安装工作量仅为常规控制系统的30-50而控制室建筑面积仅为常规控制系统的60左右可见采用分散控制系统所取得的经济效益是十分显著的22以太网网络控制工业自动控制系统的网络结构发展越来越分散化同时系统越来越复杂内部的连接越来越高速化与紧密化由于系统细分成了独立的控制孤岛对驱动器和用户接口的需求越来越多分布式实时控制的前提及其确定性的概念是一种网络技术其性能至少要高于现行的现场总线这也是为什么传统的PLC技术不能满足这一要求现场总线技术也不能提供相关的性能在所有的网络技术中以太网技术是至今最理想的选择它能满足如下的所有要求 1 充分考虑今后的发展需要具有高传输速率目前到1000MBs 2 高传输安全性和可靠性集线器技术的确定性 3 几乎不需考虑网络的拓扑结构 4 传输物理介质双绞线光纤同轴电缆 5 集线器的应用可不需考虑网络的扩展 6 建立一种标准一个新的工控总线标准 7 与IT连接世界标准的TCPIP技术的应用 8 在整个网络中的随机网络存取技术 9 低成本高性能面向未来的开发虽然以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问协议 CSMACD 一般认为这种协议不能满足控制系统的实时性要求但1000MBs的以太网己开始广泛应用千兆以太网产品也已出现而且以太网交换技术的出现通过全双工交换技术可以较好的避免CSMACD中的碰撞并且可以方便地实现优先级机制实现网络带宽的最大利用和最好的实时性能5在工业控制现场能否将以太网用于网络控制系统的底层完全替代现场总线目前还处于研究和讨论阶段普遍以太网向下延伸到工业现场面临一系列的技术难题如确定性实时性安全性抗干扰能力还有现场设备的供电问题网线的物理性能提高等总之以太网有其优势也有其技术上的缺陷它的研究方向应在尽可能地保留原有协议的基础上加入实时性控制措施工业以太网是当前工业控制领域新的研究热点尽管它现在还有许多不成熟的地方但它巨大的应用前景吸引着众多研究机构和公司进行研究探索我国在现场总线的研究方面落后于国际水平对工业以太网的研究可以使我们与国际工业控制的研究方向接轨当工业以太网的国际标准形成的时候我们就可以迅速推出自己的产品提高我国工业控制总线产品的整体水平23 控制系统的确定20世纪80年代中期发展起来的现场总线技术可以突破DCS中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷把基于封闭专用的解决方案变成了基于公开化标准化的解决方案所以近年来出现了现场总线技术和产品的开发热潮其结果是世界各大公司开发了各种各样的现场总线号称开放的现场总线也有44多种现场总线的国际标准IEC61158也包含了8种之多形成了多种现场总线并存的局面但是这些现场总线之间大部分不能实现互操作现场总线技术也不能为企业提供从现场控制层到管理层的全面信息集成而且现场总线较低的通信速率也不能满足工业控制越来越多的数据交换的需要6本课题中的控制系统选用以工业以太网系统和DCS系统组成混合型系统为工业以太网将来更广阔的应用前景作一些探索第三章 相关技术介绍31 PLC应用技术PLC概述可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统专为在工业环境下应用而设计它采用可编程序的存储器用来在其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命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生产过程可编程序控制器及有关的设备都应按易于工业控制系统联成一个整体易于扩充功能的原则而设计PLC是以微处理器为基础综合了计算机技术自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置这种装置具有体积小功能强程序设计简单灵活通用维护方便等优点特别是他具有高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力可编程控制器的主要功能PLC是应用面很广发展非常迅速的工业自动化装置在工厂自动化 FA 和计算机集成制造系统 CIMS 内占重要地位今天的PLC功能远不仅是替代传统的继电器逻辑 1 控制功能逻辑控制PLC具有与或非异或和触发器等逻辑运算功能可以代替继电器进行开关量控制定时控制它为用户提供了若干个电子定时器用户可自行设定接通延时关断延时和定时脉冲等方式计数控制用脉冲控制可以实现加减计数模式可以连接码盘进行位置检测 顺序控制在前道工序完成之后就转入下一道工序使一多部步进控制器使用 2 数据采集存储与处理功能数学运算功能包括 1基本算术加减乘除 2扩展算术平方根三角函数和浮点运算 3比较大于小于和等于数据处理选择组织规格化移动和先入先出 4模拟数据处理PID积分和滤波 3 输入输出接口调理功能 具有AD DA转换功能通过IO模块完成对模拟量的控制和调节位数和精度可以根据用户要求选择具有温度测量接口直接连接各种电阻或电偶 4 通信联网功能 现代PLC大多数都采用了通信网络技术有RS232或RS485接口可进行远程IO控制多台PLC可彼此间联网通信外部器件与一台或多台可编程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 通信接口或通信处理器按标号尊的硬件接口或专有的通信协数据的转移如西门子S7-200的Profibus现场总线口其通信12Mbps 在系统构成时可由一台计算机与多台PLC构成集中控制分散管理的分布式控制网络以便完成较大规模的复杂控制通常所说的现场端和远程端也可以采用PLC作现场机 5 人机界面功能 提供操作者以监视机器过程工作必需的信息允许操作者和应用程序相互作用以便作决策和调整 实现人机界面功能的手段从基层的操作者屏幕文字显示显示与键盘操作和用通信处理器专用处理器个人计算机工业计算机的分散和集中操作与监视系统 6 编程调试等 使用复杂程度不同的手持便携和桌面式编程器工作站和操作屏进行编程调试监视试验和记录并通过打印机打印出程序文件PLC的通信及联网PLC的通信包括PLC之间PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元通信转接器相连构成网络以实现信息的交换并可构成 集中管理分散控制的分布式控制系统满足工厂自动化 FA 系统发展的需要各PLC系统或远程IO模块按功能各自放置在生产现场分散控制然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统以西门子公司的SIMATIC NET为例在其提出的全集成自动化 TIA 的系统概念中核心内容即包括组态和编程的集成数据管理的集成以及通信的集成通信网络是这个系统重要的关键的组件提供了部件和网络间完善的工业通信SIMATIC NET包含了三个主要层次AS-I网传感器和执行器通信的国际标准扫描时间5ms传输媒体为屏蔽的双绞线线路长度为300m最多为31个从站PROFIBUS工业现场总线用于车间级和现场级的国际标准传输率最大12ms传输媒体为屏蔽双线电缆 最长96km 或光缆 最长90km 最多可接127个从站工业以太网用于区域和单元联网的国际标准网络规模可达1024站15km 电气网络 或200km 光学网络 在这一网络体系中尤其值得一提的是PROFIBUS现场总线PROFIBUS是目前最成功的现场总线之一已得到广泛地应用它是不依赖生产厂家的开放式的现场总线各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息为数众多的生产厂家提供了优质的PROFIBUS产品用户可以自由地选择最合适的产品PROFIBUS已经成为了德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170并在世界拥有了最多的用户数量32 西门子S7-300系列PLC特性S7-300系列PLC特性SIMATIC S7-300系列PLC适用于各行各业各种场合中的检测监测及控制的自动化S7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此S7-300系列具有极高的性价比S7-300系列出色表现在以下几个方面极高的可靠性极丰富的指令集易于掌握便捷的操作丰富的内置集成功能实时特性强劲的通讯能力丰富的扩展模块S7-300系列PLC功能强速度快扩展灵活具有紧凑模块化的组合结构根据应用对象的不同可选用不同型号的和不同数量的模块并可以将这些模块安装在同一机架上S7-300系列PLC可提供CPU IFMCPU313CPU314CPU315CPU315-2DP等中央处理单元可供选择CPU312 IFM模块上集成有10个数字量输入点和6个数字量输出点CPU313 CPU314CPU315模块上不带IO端口其存储器容量指令执行速度可扩展的IO点数计数器定时器数量软件块数量等随序号的递增而递增CPU315-2DP除具有现场总线扩展能力外其它特性与CPU315相同同时还能够提供各种数字量输入输出模块模拟量输入输出模块通讯模块等S7-300 PLC的编程特点S7-300 PLC的编程语言是STEP7STEP7采用了模块化的程序设计方法这也是其一大特色STEP7用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据如果这些文件块是子程序可以通过调用语句将他们组成结构化的用户程序这样PLC的程序组织明确结构清晰易于修改通常用户程序由组织块 OB 功能块 FBFC 数据块 DB 构成其中OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面用于控制程序的运行OB块根据操作系统调用的条件 如时间中断报警中断等 分成几种类型这些类型有不同的优先级高优先级的OB可以中断低优先级的OB每个S7 CPU包含一套可编程的OB块 随CPU而不同 不同的OB块执行特定的功能OB1是主程序循环块在任何情况下它都是需要的根据过程控制的复杂程度可将所有程序放入OB1进行线性编程或将程序用不同的逻辑块加以结构化通过OB1调用这些逻辑块除了OB1操作系统可以调用其它的OB块以响应确定事件其它可用的OB块随所用的CPU性能和控制过程的要求而定功能块 FBFC 实际上是用户子程序氛围带记忆的功能块FB和不带记忆的功能块FC前者有一个数据结构与该功能块的参数完全相同的数据块 DB 附属于该功能块并随功能块的调用而打开随功能块的结束而关闭该附属数据块叫做背景数据块 Instance Data Block 存放在背景数据块中的数据在FB结束时继续保持也即被记忆功能块FC没有背景数据块当FC完成操作后数据不能保持数据块 DB 是用户定义的用于存储数据的存储区也可以被打开和关闭DB可以是属于FB的情景数据块也可以是通用的全局数据块用于FB和FCS7 CPU还提供标准的系统功能块 SFBSFC 它们是预先编好的经测试集成在S7 CPU中的功能程序库用户可以直接调用它们高效地编制自己的程序由于它们是操作系统的一部分不须将其作为用户程序下载到PLC与FB块相似SFB需要一个背景数据块并须将此DB块作为程序的一部分安装到CPU中不同的CPU提供不同的SFBSFC功能系统数据块 SDB 是为存放PLC参数所建立的系统数据存储区用SETP7的S7组态软件可以将PLC组态数据和其它操作参数存放于SDB中S7-300的通讯能力S7-300可以通过MPI接口组成PLC网络也可以采用现场总线构成基于PROFIBUS的PLC网络还可以采用各种专用的通信处理器的模块构成不同应用不同层次的PLC网络并与S7-200PLC外部设备或其他厂家的PLC进行通信MPI网采用全局数据 GD 通信模式可在PC之间进行少量的数据交换它不需要额外的硬件和软件不但成本低而且用法方便但是由于S7-300的应用范围越来越广泛不同的应用要求PLC具有不同程度的通信能力因此S7-300提供了专用的通信处理器 Communication Proccessor 模块可组成不同层次的网络西门子公司的控制网络可分为四个层次SINEC S1 SINEC L2SINEC H1以及SINEC H3下面分别介绍一下SINEC S1是用于连接执行器传感器驱动器等现场器件的总线规范只传递开关位置等少量的信息总线长度被限制在100m内最大优点是可以用通信电缆直接供电SINEC L2是面向现场级的通信网与单元网络相比用户更青睐于现场总线系统因为它具有如下优点对于各种装置各个部门行业特使应用具有普遍适应性符合SIODIN或相关标准具有开放性和发展性SINEC L2遵从DIN19245标准是西门子的过程现场总线标准 PROFIBUS 它为分布式IO站或驱动器提供了高速通信所需的用户接口以及主站间大量的数据内部交换的接口介质为双绞线或光缆SINEC L2又分为如下子协议L2-TFL2-FMSL2-DP以及L2-AP其中L2-DP遵从PROFIBUS标准的开放式结构适用于对时间要求严格的现场能够最快速的处理和传递网络数据例如在西门子PLC中用在S5 S7与分布式IO系统ETT200之间或与驱动器阀门等其它现场器件的通信中SINEC H1遵从以太网 IEEE8023 协议介质为双绞线电缆或光缆为光缆时表示为HIFO可以用于构成单元网络或局域网络SINEC Hl网络可用在大量的总线部件接口模块的连接上SINEC H3是遵从FDDI ISO9314 规范的主干网通信介质为光缆双环扑结构可以扩至500个网络节点距离可以达到l00kmSINEC H3功能强大能长距离传输不同网络间的数据并且绝对安全可靠S7-300系列PLC有多种用途的通信模块如CP3340CP342-5CP343-FMS等这些模块有些是为了解决点到点连接的串行通信而设计的有些是为用于高速SINEC H1或PROFIBUS现场总线控制系统而设计的虽然它们在结构使用的目的功能方面各不相同但大家都有一个最基本的功能那就是通信33 变频器应用技术在电气传动领域人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态 位置速度加速度等 在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质高产低耗的目的近年来交流调速中最活跃发展最快的就是变频调速技术是交流调速的基础和主干内容其根本原因在于变频调速在节能和调速特性等方面优良的特性优于其他调速方式目前国内变频调速方面主要的产品状况如下 1 在中小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备这类设备的市场很大总容量占的比例虽然不大但台数多需求增长快产品应用的范围从单机到全生产线控制方式从简单的Uf控制到高调速性能矢量控制但目前Uf控制占主体矢量控制数量还较少此类产品的品种和质量还不能满足市场的需要每年需要大量进口 2 电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备这类产品在大容量风机泵压缩机和轧机传动方面有很大需求国内有能力制造的单位不多目前功率装置由国内自行生产数字化控制装置的控制设备由国外进口应用软件由国内自行开发设计 3 交一交变频器供电的交流变频调速设备这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有较大需求虽总需求台数不多但该类装置功率大国内只有极少数科研单位有能力制造目前最大容量可做到7000-8OOOkW此类产品主要靠进口目前的国内产品的生产状态是功率装置由国内自行生产数字化控制装置的控制设备由国外进口应用软件由国内自行开发设计但系统可靠性方面与国外还有很大差距7当前国外交流变频调速技术高速发展主要有以下几个特点 1 近些年来不断涌现出SCRGTOIGBTIGCT等高电压大电流的大功率电力电子器件以及大功率器件的并联串联技术的发展应用使得高电压大功率变频器产品的生产及应用得到很大发展例如法国阿尔斯通公司已能提供单机容量达3 1OkW的电气传动设备用于船舶推进系统意大利ABB公司能够提供单机容量为6 10kW的设备用于抽水蓄能电站 2 矢量控制磁链控制直接转矩控制模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础16位32位高速处理微处理器数字信号处理器 DSP 精简指令集计算机 RISC 和高级专用集成电路 ASIC 技术的快速发展使得变频器朝高精度多功能化方向发展国外产品已实现控制全数字化产品系列化功能多样化产品已进入很成熟的阶段 3 由于相关的基础工业和各种制造业的高速发展已经使变频调速装置相关配套件的生产社会化专业化产品可靠性更高8异步电动机变频调速的原理异步电动机的转速为 2-1 式中n为电动机转速 f1为电动机定子的供电频率s为转差率np为电动机定子绕组极对数n1为旋转磁场的同步转速由式2-1 可以看出交流电源频率f的变化电动机同步转速随之成正比变化因此改变电源频率很容易改变异步电动机的转速但是对于异步电动机来说若电源频率不变化而其电源电压U值不变的话将会引起磁通的变化因为 2-2 式中U1为定子相电压E1为定子相电动势N1为定子每相绕组的匝数K1为定子的绕组系数为每极气隙磁通当f1小于额定值f1n时就大于额定值由于电机设计制造时取额定磁通在磁化曲线的饱和段附近当上升时就会引起过大的励磁电流为了使保持恒定必须在频率f变化的同时改变电源电压U并使它们遵循的规律是 2-3 这种压频比为常数的控制方式成为恒磁通控制方式一般在额定频率f1N以下即f1 f1N情况下采用 在f1 f1N时如果仍保持U1f1 常数则U1 U1N这是不允许的此时只能保持U1 U1N不变由式2-2看出随着f1上升将减弱即 2-4 这种保持U1 U1N常数的控制方式称为恒电压控制方式一般在f1 f1N情况下采用在变频调速过程中始终保持定子电流幅值恒定即I1 常数这种变频调速的控制方式称为恒流变频调速控制方式电压源型或电流源型变频器的确切含义是指变频器的直流中间回路属于何种滤波方式即属于电压滤波还是电流滤波电压源型采用较大容量的电容器进行滤波直流回路电压波形平直输出阻抗小电压不易变化相当于直流恒压源交一直一交变频器又主要有以下三种 a 不可控整流的电压源型PWM变频器它在当前中小功率变频调速系统中应用十分广泛 b 可控整流电压源方波变频器现在已很少应用了 a 和 b 两者的逆变器中的电力电子开关将直流电压以一定方向和次序分配给电动机的各个绕组形成PWM调制波或阶梯波的交流电压 c 可控整流电流源交频器中采用较大电感的电抗器进行滤波直流回路的电流波形比较平直输出阻抗很大电流不易变化相当于直流恒流源逆变器的电力电子开关将直流电流以一定方向和次序分配给电动机的各个绕组并形成PWM调制波或阶梯波的交流电流此种变频器因为它有特殊的优点因而再大功率变频调速中仍有用途交流变频调速技术是强弱电混合机电一体化的综合性技术它分为功率级和控制级两大部分功率级部分是要解决高电压大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题控制级部分是要解决数字化控制的硬软件开发问题9变频调速技术作为高新技术基础技术和节能技术己经渗透到经济领域的所有技术部门中我国现在正大力发展和推广变频调速技术努力缩小和世界先进水平的差距使之向规模化自主化标准化发展34 无线局域网技术无线局域网是计算机网络与无线通信技术的产物无线局域网 Wireless Local Area NetworkWLAN 就是在不采用传统电缆线的同时提供传统有线局域网的所有功能网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里网络却能够随需要而移动或变化无线局域网技术具有传统局域网无法比拟的灵活性无线局域网的通信范围不受环境条件的限制网络的传输范围大大拓宽最大传输范围可达到几十公里在有线局域网中两个站点的距离在使用铜缆时被限制500M即使采用单模光纤也只能达到3000m而无线局域网中两个站点间的距离目前可达到50km距离数公里的建筑物中的网络可以集成为同一个局域网此外无线局域网的抗干扰性强网络保密性好对于有线局域网中的诸多安全问题在无线局域网中基本上可以避免而且相对于有线网络无线局域网的组建配置和维护较为容易一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作无线局域网的基础还是传统的有线局域网是有线局域网的扩展和替换它只是在有线局域网的基础上通过无线 HUB无线访问节点 AP 无线网桥无线网卡等设备使无线通信得以实现与有线网络一样无线局域网同样也需要传送介质只是无线局域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤而是红外线 IR 或者无线电波 RF 以后者使用居多网络模型国际标准化组织 ISO 的机构20世纪70年代开始制定计算机网络的规范该组织于1933年完成了这些概念规范该规范称为开放系统互连 QSI 模型开放系统互连模型是由七层组成如图3-1所示在每一个内都要完成几个不同的网络任务每一层都要通过其相邻的上下层来实现数据的发送或接收为了实现网络功能每一层都必须要实现特定的功能各层的功能如表3-1应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层图 3-1 OSI模型表3-1各层功能表层功能应用层7层提供了用户与网络服务的接口这些服务主要包括发送和接收电子邮件以