物流系统机电设备工控网络

z.1摘要进入20世纪90年代后，为了适应现代物流的开展趋势，采用自动控制技术和网络通信技术对港口码头实现货物的装卸、输送、存储作业，有效地提高生产效率，降低劳动强度，使装卸作业连续化、高效化，提高企业的现代化程度已经成为企业生存和保持旺盛竞争力的必要条件。该方案的设计思想是利用现场总线的智能现场设备，实现作业过程的信号的采集、传送以及初步加工处理。可编程序控制器作为信号处理也挂在现场总线上，与总线进展数据交换。作为工业在作业现场前端的企业网络底层的现场总线，还要肩负着与中控室的控制计算机之间的通讯任务。而在企业内部还要通过组建企业局域网，在整个企业内部实现生产控制计算机之间、生产管理计算机之间、生产控制计算机与生产管理计算机之间以及其它管理计算机终端之间的通讯。从而可实现工业生产作业的集散控制与企业的综合管理。企业局域网还可实现工业生产作业的国际互联网连接，开放自己的来向效劳客户介绍企业自身，及时了解国际国内物流市场的动态变化，获取业务信息，实现与电子商务这一新型贸易方式的接轨。本方案技术先进，构造简单。S7-400与分布式I/O

ET200S功能强、体积小，因此控制柜内部构造简单，便于检查与维修。使用了PROFIBUS-DP现场总线，减少了电缆的铺设量，实现了数字通信，提高了数据传送精度。所有部件在运行过程中都能热插拔，在更换CPU模块时，系统将自动更新为当前程序和数据，因此系统具有很好的联机维修功能。该控制网络系统以独立的、单体的、分散的测量与控制设备为网络节点，以现场总线为纽带，并把它们连接成为互相沟通信息，共同完成自动化控制任务的控制与网路系统。具备高度的实时性、平安性和可靠性，系统容错性能好。易于实现与信息网络的互联和集成，从而为管理信息网络系统和自动化控制网络系统的一体化集成奠定了根底。关键词：现场总线；可编程序控制器；S7-400；分布式I/O

ET200S目录1.绪论11.1自动化控制技术的开展和展望11.2问题的引出32.现场总线技术42.1过程现场总线〔Profibus〕42.2Profibus的组成及特点42.3Profibus的协议构造53.现代港口机电设备状态检测及数据采集83.1系统概述83.2状态量的检测83.2.1模拟量的检测8开关量的检测104.基于现场总线技术的过程控制系统方案114.1现场总线通信原理114.2控制系统配置114.3方案介绍及调试过程124.3.1自动化系统134.3.2分布式I/O134.4控制系统的硬件组态134.5控制系统软件144.5.1实时操作系统设计154.5.2梯形逻辑控制语言174.6定位车速度给定程序174.6.1电路分析174.6.2梯形逻辑控制语言程序185.工业以太网的光纤通讯215.1光纤通讯概述215.1.1光发射机215.1.2光接收机226.设计小结24参考文献25致谢26-z.1.绪论1.1自动化控制技术的开展和展望随着控制、计算机、通信、网络等技术的开展，信息交换沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至全世界各地的市场。而作为自动化技术的重要组成局部的过程控制技术，在现代工业生产过程中，正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。过程控制的开展大致经历了以下几个阶段：〔1〕仪表化与局部自动化系统这一阶段的主要特点是:采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和局部单元组合式仪表(多数是气动式仪表),其构造方案大多数是单输入-单输出的单回路定值系统，过程控制的主要工艺参数是温度、压力、流量、液位等热工参数的定值控制，控制的主要目的是保持工业生产的连续性和稳定性,减少扰动。仪表化与局部自动化系统运行设计分析的理论根底是以频域法和根轨迹法为主体的经典控制理论,它在控制性能上一般只能实现简单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制,主要任务是稳定系统,实现定值控制。〔2〕计算机集中式数字控制系统由于生产过程的强化,控制对象的复杂化和多样化〔高维、大时滞、严重非线性、耦合及严重不确定性〕,并随着计算机技术的开展,人们试图用计算机控制系统,替代全部模拟控制仪表,即模拟技术由数字技术来替代计算机集中式数字控制系统主要经历了2个阶段:a.直接数字控制系统DDC(DirectDigitalControl)DDC系统是用1台计算机配以模数、数模转换器等输入输出设备,从生产中获得信息,按照预先规定的控制算法算出控制量,并通过输出通道,直接作用在执行机构上,实现对生产过程的闭环控制。在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程,它不仅能完全取代模-z.拟调节器,实现多回路的PID调节,而且不需改变硬件,只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律,如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。b.计算机集中监视控制系统SCC(SupervisorputerControlSystem)SCC系统是将操作指导和DDC综合起来的一种较高形式的控制系统，在SCC系统中计算机对生产过程中的参数进展巡检,按照所设计的控制算法进展计算,计算出最正确设定值直接传递给DD计算机,进而由DDC计算机控制生产过程，它实现了分级控制，SCC系统能完成较为复杂的计算,可实时实现最优化控制，其系统所采用的主要理论根底是现代控制理论，即多输入-多输出的多变量控制理论,克制对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制,消除因模型失配而产生不良影响的预测控制,保证系统稳定的监视控制等。〔3〕集散式控制系统DCS(DistributedControlSystem)DCS系统采用承当分散控制任务的现场控制站和具备操作、监视、纪录功能的操作监视站二级组成。它的主导思想是将复杂的对象化分为几个子对象,然后用局部控制器(现场控制站)作为一级,直接作用于被控对象,即所谓水平分散；第二级是操纵各现场控制站的协调控制器(操作监视站),它使各子系统协调配合,共同完成系统的总任务。〔4〕现场总线控制系统FCS(FieldControlSystem)FCS是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，通过现场总线,将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统，能够使设备之间可直接进展数据传输和信息交换，同时,现场设备和远程监控计算机也可实现信息传输。这样,将现场控制站中的控制功能下移到网络的现场智能设备中,从而构成虚拟控制站,通过现场仪表就可构成控制回路,故实现了分散控制FCS系统，较好地解决了过程控制的两大根本问题，即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信。〔5〕计算机集成过程系统CIPS(puterIntegrateProcessSystem)从过程控制系统开展的必要性和可能性来看过程控制系统必将朝综合化、智能化的方向开展，因此,以智能控制理论为根底,以计算机及网络为主要手段对企业的经营方案、调度、管理和控制全面综合,实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化，整个系统由生产管理层高级控制与优化层,根底控制层3局部组成，通讯技术以及计算机网络技术进展有机结合而开展起来的，所谓综合自动化系统称为计算机集成过程系统CIPS。分布式控制系统,先进过程控制以及网络技术,数据库技术是实现CIPS的重要技术和理论根底。现场总线〔FieldBus〕就是顺应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的开展方向而开展起来的新技术，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的开放式、数字化、串行和多点通信的数据总线。它是控制技术、仪表技术和计算机网络技术相结合的产物。智能现场装置是现场总线的根底。现场总线在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用。1.2问题的引出随着计算机、信息技术的发速开展，21世纪最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致市场竞争空前剧烈，产品技术含量高、更新换代快。为了适应市场竞争需要，作为商品流通连路上重要环节的港口，更需要提高生产作业与管理效率，优化管理决策，使企业了解承受市场并被市场了解与承受，在市场竞争中充满旺盛的生命力。对于现代化港口，就有必要改变传统的现场控制方式，在企业内部建立网络集成式全分布自动化控制网络系统。该方案的设计思想是利用现场总线的智能现场设备，实现作业过程的信号的采集、传送以及初步加工处理。可编程序控制器作为信号处理也挂在现场总线上，与总线进展数据交换。在企业内部还要通过组建企业局域网，在整个企业内部实现生产控制计算机之间、生产管理计算机之间、生产控制计算机与生产管理计算机之间以及其它管理计算机终端之间的通讯。从而可实现工业生产作业的集散控制与企业的综合管理。企业局域网还可实现工业生产作业的国际互联网连接，开放自己的来向效劳客户介绍企业自身，及时了解国际国内物流市场的动态变化，获取业务信息，实现与电子商务这一新型贸易方式的接轨。因此本论文的方案研究低提高港口物流系统的作业效率，使企业在国际物流系统中处于技术及管理领先地位，从而占据竞争优势有着重大的现实意义。2.现场总线技术2.1过程现场总线〔Profibus〕自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的领域展示了自己的优势，它们具有各自的优特点，也显示了较强的生命力。主要包括基金会现场总线〔FF〕、CAN总线，LonWorks总线，Profibus等。其中，Profibus过程现场总线是随着智能芯片技术、网络通信技术和自动控制技术的开展而产生的，它具有设备之间的分散性、集成性、互操作和互用性。系统构造简单、投资本钱低、维护维修费用低。Profibus过程现场总线控制技术已经成为自动化领域重要的技术开展方向。现场总线技术是应用在生产现场、智能控制器、管理计算机之间双向多节点〔MPI〕数字式的通信系统，它将专用微处理器与测量仪表、智能传感器和计算机之间只通过一根总线进展连接，使它们之间具有数字计算和数字通信能力。基于本论文的方案研究对象是现代港口中的流程作业PLC控制系统，并且要在企业内部实现远程通讯、分布式控制，我们应该选择具有良好开展根底与前景的Profibus来构本钱方案的控制网络。2.2Profibus的组成及特点Profibus是德国标准，是一种开放式的现场总线标准，它可使分散式数字化控制从现场底层到车间级网络化。系统分为主站和从站，主站可通过获得令牌来主动向总线发数据，从站没有总线控制权。Profibus支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。根据用途分为三种类型：PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。〔1〕PROFIBUS-DPDP以DIN19245的第一局部为根底，进过优化的高速、廉价通信网络，适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间通信，它的设计旨在用于设备一级的高速数据传送。在设备级，中央控制器〔如PLC、PC〕通过高速串行线同分散的现场设备〔如I/O、传感器、阀门、执行器等〕进展通信，同这些分散的设备进展数据交换是周期性的。DP一般构成单主站系统，主从站之间采用循环数据传送方式工作。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。〔2〕PROFIBUS-FMSFMS完成车间级通用性通信任务，实时多网络监控，实现周期性和非周期性通信。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统的响应时间。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。〔3〕PROFIBUS-PAPA专为过程自动化设计，服从IEC1158-２标准，它是Profibus的过程自动化解决方案，将自动化系统和过程控制系统与现场设备〔如压力、温度和液位等变送器〕连接起来，代替了4-20mA模拟信号传输技术。可使传感器和执行机构联在一根总线上，用于本质平安和现场供电的场合。Profibus在现场控制的特点：封闭的物理过程；覆盖范围广；实时操作性；传输的完整性、有效性；供用户选择效劳多；集成、开放构造；2.3Profibus的协议构造Profibus协议以国际标准ISO7498开放系统互联网络OSI(OpenSystemInterconnection)参考模型为根底，采用了该模型七层中的第一层〔物理层〕、第二层〔数据链路层〕和第七层〔应用层〕，增加了用户接口层。Profibus-DP/-PA/-FMS均使用了第一层、第二层和用户接口层，FMS还使用了第七层，而DP/PA未使用第七层。Profibus协议构造示意图如图2.1所示：FMSDPPA用户层FMS设备行规DP行规PA行规DP扩展DP根本功能应用层现场总线报文标准〔FMS〕未使用〔3〕—〔6〕数据链路层〔2〕现场总线数据链路(FDL)IES接口物理层〔1〕RS-485/光纤IEC1158-2图2.1Profibus协议构造(1)第一层，定义物理的传输技术现场总线系统的应用在较大程度上取决于哪种传输技术，既要考虑简便和经济的因素，在流程自动化的应用场合，数据和电源还必须在同一根电缆上传送，易到达本质平安的要求等。因此，单一的传输技术不可能满足所有要求。为此，Profibus提供可选的三种传输技术：RS-485，光纤电缆(FO)和IEC1158-2。(2)第二层，定义总线存取协议Profibus-DP/-PA/-FMS均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型的第二层来实现的。它还包括数据的可靠性、传输协议和报文处理等。在Profibus中第二层称之为现场总线数据链路层FDL〔FieldbusDataLink〕。为了满足工业自动化应用领域对通信方式的各种需求〔如集中式、分散式、集中与分散混合式〕，Profibus总线存取协议提供两种方式：主站之间的令牌〔Token〕传递存取方式和主站之间和主站之间的轮询存取方式。总线存取方式示意图如图2.2所示主设备间的逻辑令牌环主动站、主设备PLCPLCPCPLC现场设备现场设现场设现场设被动站、从设备图2.2Profibus总线存取方式由于这种总线存取方式，可以实现三种系统配置：纯主—主系统，纯主—从系统和混合系统，从而能满足工业自动化各应用领域的需求。2)数据传输程序的控制由介质存取控制MAC〔McdiumAccessControl〕来实现，在总线系统建立初期，MAC的任务是检查总线上的站点地址并建立总线运行令牌环。在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新介入的主站必须参加令牌环。MAC确保在任意时刻只有一个主站具有令牌〔总线存取权〕。MAC还具有检测、检查传输介质及收发器故障、站地址错和令牌错务等功能。3〕数据传输的完整性和可靠性，依靠所有报文的海明距离HD=4(HammingDistance)，符合国际标准IEC870-5-1指定的要求。4〕Profibus第二层非连接的模式操作，提供三种通信方式：a.点对点通信；b.播送通信，即主站向所有其他〔包括主和从〕发送信息；c.有选择的播送通信，即主站向一组站〔主和从〕发送信息。5〕在Profibus-DP/-PA/-FMS中，分别使用了第二层效劳的不同子集。在FMS中，这些效劳存取点都赋予一个不同的、定义明确的功能。〔3〕第七层和用户接口层1〕Profibus-DP未使用第七层，这种构造确保数据传输的快速和有效。在DP的用户接口层中，直接数据链路映像DDLM〔DirectDataLinkMapper〕为用户接口进入第二层提供了简洁的途径。除此之外，用户接口中还规定了用户、系统及不同DP设备的设备行为。2〕Profibus-PA也未使用第七层，在PA的用户接口层，它以DP的根本功能为根底，采用扩展的DP功能。除此之外，还用PA行规描述了现场总线设备的各种参数和设备行为的各种要求。3〕Profibus-FMS使用了第七层〔应用层〕，应用层由现场信息标准FMS和底层接口LLI组成。其中：FMS包括应用协议并向用户提供可广泛选用的强有力的通信效劳；LLI协调各种通信关系并为FMS提供不依赖设备的访问第二层。在用户接口层中规定FMS行规。3.现代港口机电设备状态检测及数据采集3.1系统概述本文所研究的大型煤炭专用码头作业系统包括翻车机系统、皮带机系统、堆取料机系统、装船机系统以及洒水除尘系统。其中翻车机系统包括翻车机、定位车和漏斗给料装置；皮带机系统包括0#~6#共七个皮带传送机构；堆取料机系统包括1#、2#两台堆取料机；装船机系统包括1#、2#两台装船机；洒水除尘系统包括在作业现场布设的14个洒水喷头以及水处理装置套。系统框图如下列图1所示：3.2状态量的检测作业系统机电设备复杂，需要监测点状态量参数种类繁多，既有电流、电压等模拟量，又有液位状态、位置状态等开关量，而且需采集的信号数量多达数百个。在设计过程中，我们根据设备状态量各自的特点和性质选择相应的检测处理方式。通过对该作业系统的分析，本系统共需要设置231个监测点，其中具有300路数字信号〔包括有218路开关量信号〕和287路模拟信号。其中典型的数字信号有定位车运行位置及行程信号〔同步传感器采集〕、转换信号〔旋转编码器采集〕等；典型的开关量信号有各种继电器信号〔油温、油压、油位的极限控制，过流过载、过压故障的保护控制等〕、开关信号〔电源通断、运行方向正反、电机启停等〕；典型的模拟量信号有电源电压、电机电流、变流装置触发电压和元件压降、转速的反应电压等。为了检测这些信号，要在各监测点安装相应的传感器，下面介绍几种典型的传感器特点及工作原理。模拟量的检测选用夹钳型电流传感器变送器检测电机的起动电流和稳态电流以及励磁电流，价钱型电流传感器变送器分为交流输入和直流输入两种类型，作为隔离测量1200V及以下主回路系统的交、直流电流，输出侧提供能长距离传输的标准直流电流信号。广泛用于电力的微机检测系统和工矿企业电气自动化领域。根据安培定律,原边被测电流I1在夹钳磁路中将产生磁场B1，霍尔器件直接测量B1的强弱，输出霍尔电压VH，经线性放大后，交流信号必须经TRMS进展AC/DC转换，直接信号则直接进展V/I转换，输出标准的直流电流信号。Vh=(RH/d)IBf(l/W)(式3.1)式中：Vh——霍尔电压；RH——霍尔系数；d——霍尔元件的厚度；I——通过霍尔元件的电流；B——加在霍尔元件上的有效磁感应强度；f(l/W)——原件形成函数，其中l为元件的长度，W为元件的宽度。选用隔离型电压传感变送器检测电压控制供电电源电压，变流装置触发电压及原件降压等电压信号。隔离型电压传感变送器也分为交流输入和直流输入两种类型，用于隔离测量1200V及以下主回路系统的交、直流电压，输出侧提供能长距离传送的标准直流电流信号。根据安培定律原理，原边被测电压U1，通过串接限流电阻R1，转换成I1，I1N1将产生磁场B1的强弱，输出霍尔电压VB，经线性放大后，交流信号则必须经过REMS进展AC/DC变换，直流信号则直接进展V/I转换，输出标准的直流电流信号。或而其间的数学模型参见〔式3-1〕定位车油泵液压油温度采用铂热电阻〔Pt100〕来测量。铂热电阻是一种国际公认的成熟产品，它性能稳定、重复性好、精度高，在工业用温度传感器中得到了广泛应用。波热电阻的阻值与温度之间的关系近似线性，其特征方程为当温度-200℃≤t≤0℃时：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](式3.2)当温度0℃≤t≤650℃时：Rt=R0[1+At+Bt2]〔式3.3〕式中：Rt——铂热电阻在t℃时的电阻值R0——铂热电阻在0℃时的电阻值A——系数〔=3.9684710-31/℃〕B——系数〔=-5.84710-71/℃2〕C——系数〔=-4.2210-121/℃4〕翻车机的电控系统电机测速装置，堆取料机行走机构、旋转机构、变幅机构、皮带机、斗轮等电动机测速装置采用直流测速发电机通过对转速的测量来转化成电压。转速与电压成正比关系，如〔式3.4〕Uout=K〔式3.4〕式中：K——比例系数；——角速度；Uout——测速发电机输出电压。开关量的检测采用开关量传感器对开关量进展检测。这些开关量信号多为不带点的触发信号。如利用光电开关控制定位车在夹轮器前的减速、测量车长、定位检测夹轮器、翻车机平台清车；利用限位开关检测定位车行走位置以及定位车车臂抬起、落下、钩闭合和挂钩的极限位置；压力开关用于翻车机装置的压紧联锁和系统检查信号、定位车液压系统的压力以及夹轴的啮合信号的检测。装船机系统的仰俯机构、伸缩机构的电动机转速使用增量式旋转编码器进展测量。它可以通过测量光电脉冲的频率，转而用来测量转速。选用电容式接近传感器〔限位开关〕检测控制定位车运行位置及行程、翻车机运行位置及行程、皮带位置、堆取料机行走机构行程、旋转机构行程、变幅机构行程、转船机系统旋转机构行程、仰俯机构角度、伸缩机构终点、溜筒机构上下行程、夹车行走机构终点等位移信号。电容式接近传感器是一个以电级为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电路与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成局部。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容C=Q/V，所以电荷的增多，使电容C随之增大，从而使振荡电路的振荡减弱，甚至停顿振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。4.基于现场总线技术的过程控制系统方案4.1现场总线通信原理Profibus_DP型现场总线用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一局部为根底，根据其需要到达的目标对通信功能加以扩大，DP的传输速率可达12Mbps，一般构成单主站系统，主从站间采用循环数据传送方式工作。它的设计旨在用于设备一级的高速数据传送。在这一级，中央控制器〔如PLC/PC〕通过高速串行线同分散的现场设备〔如I/O、驱动器、阀门等〕进展通信，同这些分散的设备进展数据交换是周期性的。煤炭物流系统包括翻车机子系统、皮带机子系统、堆取料机子系统、装船机子系统及洒水出尘子系统。其中翻车机子系统又包括翻车机、定位车和漏斗给料装置；皮带机子系统包括0#～6#共七条皮带传送机构；堆取料机子系统包括1#、2#两台堆取料机；装船机子系统包括1#、2#l两台装船机；洒水除尘子系统包括在作业现场布设的14个洒水喷头以及恒压水处理装置。该物流系统设有中控室(CCR),其控制、监视、管理范围包括定位车牵引重车、翻车机翻转重车、漏斗振动给料、出料口调节、皮带机传送流程、堆取料机运行状态、装船机工作控制、除尘洒水系统流量压力监控及喷头选择等主要作业流程。在中控室对整个作业流程进展监控，从而到达使作业设备稳定可靠运行的目的。4.2控制系统配置根据系统流程控制系统要求，设1#本地站和2#、3#、4#、5#、6#五个远程站，分别设置在中控室、翻车机作业现场、皮带机作业现场、堆取料机作业现场、装船机作业现场、以及洒水泵站。它们各自控制和检测范围为：1#本地控制站：整个装卸系统的流程作业控制〔中控室〕2#远程控制站：定位车、翻车机的运行3#远程控制站：皮带机流程控制4#远程控制站：堆取料机作业控制5#远程控制站：装船机作业控制6#远程控制站：除尘系统的电气控制和洒水喷头开关控制现场控制站具有闭环控制、顺序联锁控制以及数据采集、数据处理、储存、故障报警等功能；拥有数字量和模拟量控制的全部功能，可有效地对生产过程进展监控，同时进展过程数据和信息传输，承受来自操作人员的各种控制命令，完成检测控制要求。4.3方案介绍及调试过程根据物流系统构造及设备配置设计了控制系统。控制系统框图见下列图2：整个控制系统包括一个PLC本地站和五个PLC远程站。中控室PLC站〔1#PLC〕选用S7—400PLC,它是系统控制站的信息处理中心。其主要功能是将其它远程PLC站采集的数据进展处理与储存，并通过网络送到各操作员站或工程师站的显示屏上进展显示；同时，接收操作员或工程师站的操作指令进展处理后送到PLC从站。远程PLC站选用S7—300PLC，所有的分布式I/O均选用ET200M模块，以中控室为例研究，其具体的配置见表4-1：表4-1中控室控制系统硬件配置表站名名称所需模块数量订货号1#LocalStation-400S7-400CPU416-2DP(1)16ES7416-2*K01-0AB0CP443-116GK7443-1E*02-0*E0PS40710A16ES7407-0KA01-0AA0该设计方案选择SIEMENS公司的SIMATICPCS7，SIMATICPCS7为新集散控制系统〔DCS〕，是全集成自动化〔TIA〕的核心局部，在新的自动化领域中，SIMATICPCS7克制了计算机和DCS/PLC、控制和监视之间、集中式和分布式自动化构造之间、生产制造和工艺过程之间的障碍。拥有集成化系统所有的优点。4.3.1自动化系统中控室PLC本地站主要由S7-400H型PLC控制器组成，其主站的2个CPU模块上各有1个PROFIBUS-DP通讯接口，通过光纤网络与远程PLC从站相连接；远程PLC通过现场总线与现场分布式I/O进展单工通讯，对现场设备进展信号的处理与控制。每个PLC主站通过CP443-1通讯模块连接的双重容错高速工业以太网及HUB与操作员计算机和工程师计算机相连，以确保系统通讯的可靠性。当分布式I/O子系统之间的通讯电缆采用二芯屏蔽电缆。选用先进的OLM/S4光链路转换器，在各PLC控制器间形成闭环的光纤超干网络，实现室外通讯网络的容错设计，光纤中的任意一根出现故障时，网络通讯均不会中断，并能及时进展故障告警，进一步提高了系统网络通讯的可靠性。4.3.2分布式I/O分布式I/O采用装有S7-300模块的分布式ET200站用于过程连接。分布式现场站ET200M，是高密度配置的模块化I/O站，适用于高集中输出输入设备的模块化I/O站，具有处理全局部布式自动化问题各种需要的能力。ET200MI/O站包括IM153接口模块，最多8个可编程控制器的I/O模块。要求在运行过程中能插、拔模块，则应用一种插入和取出I/O子系统，它允许带电插拔模块，而不必停顿系统的运行时热更换模块成为可能。更换模块时，老模块仍保持运行，新模块插入时自动启动。如S7-300作为主设备，取出/插入一个分布式模块，就像在集中配置中取出插入模块一样。在CPU内产生一个中断。如果应用其它的DP标准主设备，信号经过DP诊断装置传送给主设备。4.4控制系统的硬件组态在设计中使用Step7和SIMATICManager进展硬件组态。Step7是具有所有其他工具用的全局数据库的标准SIMATIC编程软件。SIMATICManager是工程师系统综合工程管理的平台，是组织访问对象〔数据〕和工具的引导器。下面以Remote-300-翻车机PLC控制站为例介绍如何进入其编程环境以及如何将程序下载到PLC的CPU。步骤如下：在SIMATICManager内选择Remote-300-翻车机→S7Program→Blocks，插入一个逻辑块〔OB、FB或FC〕，双击插入的逻辑块，翻开其编程窗口。编辑声明表：在Lsdder编辑区中编辑代码局部：输入Lsdder元素编辑元素地址和参数创立平行分支创立新的分支错误即时修改保存及编辑。当程序通过编译，并且无错。则可以通过下载命令〔PLC→Downloading〕将程序下载至PLC的CPU.PC机上的通讯处理卡CP1413的安装与设置。CP1413通讯处理卡作为子卡安装到计算机上后要保证不能占用中断12，因为这可能会与作为主卡的CP5412A2发生冲突。安装上硬件后，需要安装相应的硬件驱动程序，步骤如下：翻开SettingthePG/PCinterface；选择Interface-Add/Remove，翻开Select窗口；在Selection窗口内选择CP1413，点击Install，则在Installed窗口中出现CP1413.CP1413占用的硬件资源可以在系统设备管理器中设置。4.5控制系统软件集散过程控制系统软件融计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术为一体，因此在它的产生和开展过程中吸取和借鉴了上述学科的理论、方法和技术。就整体来说，控制系统的系统软件与它的硬件构造相对应，可分成三个大局部：主工业控制计算机局部它包括存储设备图形显示器，外围接口，通讯接口等。它具有实时多道网络操作系统，系统公用程序，各种高级语言等。通讯网络局部它包括计算机的通信接口，控制设备的通信接口，网络匹配器和通信线路等。其软件配置主要是网络软件。工业控制和生产过程控制设备局部它包括可编程序控制器，可编程序调节器，I/O接口等。相应软件可分为采用高级语言编制的控制程序及使用梯形图逻辑语言和功能顺序表的方法编制的控制程序两大类。4.5.1实时操作系统设计一个实时操作系统的根本构造框图如图4.11所示：初始化初始化优先级中断效劳程序实时时钟资源分配及管理程序任务调度程序输入输出传送程序指令解释程序外设驱动器程序任务应用程序图4.11实时操作系统的根本构造下面将实时操作系统中主要模块的功能介绍如下：初始化模块执行初始化模块来启动操作系统。该模块建立一个包括运行任务和输入输出缓冲存放器在内的清单，并给个计数器和实时操作系统的标志位赋初始值，最后转移到调度程序模块，等待第一个中断。中断响应模块中断响应模块的作用过程是，首先将被中断任务的状态保存起来，并检测中断源，然后输入与该中断源相关的中断响应程序。〔3〕指令模块该模块处理表4-7中所列指令。表4-7任务指令表指令功能创立该指令为实时操作系统创立一个新任务。初始状态为等待〔E*tant〕。此指令也是提供描述新任务的参数表。该指令能在任何时刻产生。初始化该指令将一个处于等待状态的任务〔E*tantTask〕转为就绪待运行状态〔ReadytoRun〕激活该指令将一个处于挂起状态的任务〔SuspendedTask〕转为就绪状态〔Ready〕。挂起该指令将暂停运行并将该任务置挂起状态，有关该任务的所有信息都将被暂存起来。该指令在有更重要的任务需要运行或中断请求时出现。撤销该指令将一个任务从实时操作系统中取消。此指令可在任务处于准备、暂停以及运行的任意状态下产生。〔4〕调度程序模块该模块决定中央处理器下次执行哪一个任务。它将检查运行任务清单中的每一项，启动具有最高优先级并能够运行的任务。〔5〕存储器分配模块该模块保存主存储器和后备存储器的变换〔Maps〕。当任务传送到主存储器作为新任务输入时，该模块能够完成实时修正变换的功能。〔6〕输入输出模块用户程序中的一个输入输出语句将在一个输入输出清单中产生一个新条目，据此条目，当外部设备可利用时便产生各种转移。〔7〕延时子程序模块该模块使用户能够将一段程序延迟*一段时间，或者使用户能在*一特定时间启动*段程序。〔8〕定时器模块该模块是响应程序的一局部，响应程序由*个定时器中断来初始化。当定时器中断产生时，响应程序检查定时器目录，并启动应该执行的新任务。然后便将硬件定时器复位，直到下一个定时作用到来之前才承受此中断。4.5.2梯形逻辑控制语言梯形逻辑控制语言是一种普遍适用在可变程序控制器上的解释执行程序设计语言。其一般体系构造如图4.12所示：系统程序存储区系统程序存储区CPU输出映像表输出模块输入映像表输入模块 用户程序存储区可变数据存储区梯形逻辑控制语言程序运行环境的体系构造输入输出部件主要完成电信号转换和电气隔离功能；存储器按存放内容划分五局部：系统程序存储器存放用户程序的解释程序及其它系统功能程序，用户程序存储区存放用户梯形程序，可变数据存储区存放数值数据，输入影像表存放输入模块输入的状态信息，输出映像表存放输出至输出模块的输出控制信息。4.6定位车速度给定程序4.6.1电路分析本节以控制对象定位车为例，编写速度给定提醒逻辑控制语言程序。定位车参考速度从斜坡发生器获得，而其上升率可选定参考速度和上升率的综合，由可编程控制器的控制器程序与先选定，通过舌簧继电器的动作，以适应定位车的机械运动。斜坡发生器包括两个放大器，第一个为高增益放大器，它的输出电压作用于第二个放大器。当积分器到达所需要的参考数时，积分器将停顿工作而将下一个固定的速度参数送给驱动系统。任何时刻的斜坡信号的输出〔速度给定负反应〕与输入信号比拟都将获得一个高增益的输出电压以补偿积分气的变化。电路示意图见图4.13后退后退限幅积分放大器前进1234速度给定加速度给定信号转换至速度驱动电路图4.13定位车速度给定电路示意图4.6.2梯形逻辑控制语言程序表4-8定位车速度基准1程序变量表地址名称数据类型描述I0.1I0.1BOOLAUTO自动方式I1.1I1.1BOOLMANUAL手动方式I0.2I0.2BOOL定位车反向继电器线圈I0.3I0.3BOOL定位车中间返回极限I0.4I0.4BOOL定位车臂开继电器I0.5I0.5BOOL定位车减速返回得电I0.6I0.6BOOL定位车减速1辅助绕组I0.7I0.7BOOL定位车不选择I1.0I1.0BOOL无效返回按钮Q0.1Q0.1BOOL分度其速度基准1I0.1I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1Q0.1图4.14定位车速度基准1给定程序表4-9定位车基准1程序变量表地址名称数据类型描述I0.1I0.1BOOLAUTO自动方式I1.1I1.1BOOLMANUAL手动方式I2.2I2.2BOOL定位车正向控制1号台I2.3I2.3BOOL定位车前进不减速1I2.4I2.4BOOL定位车夹具收回I2.5I2.5BOOL定位车前进不减速2I2.6I2.6BOOL定位车前进中极限开关I2.7I2.7BOOL定位车前进极限开关I3.0I3.0BOOL中间反回极限开关I3.1I3.1BOOL定位车速度2辅助设备线圈I3.2I3.2BOOL定位车正向操作2I3.3I3.3BOOL夹具结合I2.1I2.1BOOL定位车选择手动控制I3.4I3.4BOOL控制台和及其选择对准定位车I3.5I3.5BOOL选择正常I3.6I3.6BOOL地面操作杆选择关I3.7I3.7BOOL推车机选则正常快速I4.1I4.1BOOL定位车中间返回极限开关I4.2I4.2BOOL控制台和地面煤线管对准定位车I4.3I4.3BOOL选择正常I4.4I4.4BOOL选择关Q0.2Q0.2BOOL分度其速度基准1I0.1I0.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7I3.0I3.1Q0.2I1.1I3.3I3.2I2.1I3.4I3.5I3.6I3.7I4.1I4.2I4.3I4.4图4.15定位车速度基准2给定程序5.工业以太网的光纤通讯5.1光纤通讯概述21世纪是通讯信息时代，随着国际互联网络的普及和应用，人们正在构建“信息高速公路〞，信息高速公路的核心就是光纤通讯技术。在工业控制领域，尤其是大型企业〔如港口码头〕的控制系统将是一个功能多样而完善的通讯网络，不但具有控制信号的采集、传输、控制输出，还要具有故障报警、信息查询、打印输出、视频监控等功能。这样一个控制网络还必须具有与企业管理网络甚至国际网络相连的接口，以备将来实现整个企业内部的信息交互或远程诊断功能。基于这些要求，该工业过程控制系统采用双环容错光纤网络构成企业局域网的超干网。网络性能要求传输速率到达10Mbps。光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。通常的具体做法是首先将拟传递的信息设法加载〔或调制〕到*种载体上，然后将被调制的载体传送到目的地后，将信息从载体上解调出来。光纤通信系统有模拟和数字两大类，以下将以数字光纤通信系统为例作具体介绍〔如强度调制—直接检波光纤通信系统〕。光纤通信系统主要包括光发射机、光接收机、光中继器、监视控制系统、脉冲复接和脉冲分接系统、告警系统以及电源系统等。5.1.1光发射机光发射机的作用是把电信号转换成光信号并发射出去。其功能电路主要包括两局部：输入电路〔输入盘〕和电光转换电路〔发送盘〕。而输入盘又包括均衡器，码型变换，扰码，时钟提取，编码等功能；发送盘主要完成将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤的任务。它主要包括光源驱动电路、自动光功率控制〔APC〕和自动温度控制〔ATC〕电路以及其他保护检测电路。其中光源驱动电路是光发送盘的核心，它用经过编码以后的数字信号来调制发光器件的发光强度，来完成电/光转换任。现在主要就输入盘各局部的功能进展介绍：均衡器对于使用不同速率的光端机，CCITT规定了系列数字接口的码型，以2048kbps为基群速率的数字系列各比特所规定的接口码型如表5-1所示：表5-1数字复接等级对应的接口码型群路等级一次群(基群)二次群三次群四次群接口速率〔kbps〕2048844834368139264接口码型HDB3HDB3HDB3CMI由PCM端机送来的HDB3或CMI码流，首先要进展均衡，用以补偿由电缆传输所产生的衰减或畸变，以便正确译码。码型变换由均衡器输出的HDB3〔三阶高密度双极性码〕或CMI〔传号反转码〕，前者是三值双极性码〔即+1，0，-1〕,后者是归零码，在数字电路中为了处理方便，需要通过码型变换电路将其变换为非归零码〔NRZ〕。扰码假设信码流中出现长连“0〞和长连“1〞的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，为了防止出现这种情况，需加一扰码电路，它可有规律的破坏长连“0〞和长连“1〞的码流。从而到达“0〞、“1〞等概出现。扰码以后的信号再进展线路编码。时钟提取由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此在均衡电路之后，由时钟提取电路取出时钟信号，供应码型变换和扰码电路使用。编码经过扰码后的码流，尽量使得“1〞、“0〞的个数均等，这样便于承受端提取时钟信号。在实际的光纤通信系统中，都要对经过扰码以后的信码流进展编码，使得码流变为适合在光纤线路中传送的线路码型。5.1.2光接收机光接收机〔光检测器〕的任务是将从光纤传输来的微弱的光信号转换成电信号，其功能电路主要有接收盘和发送盘两局部组成。光接收机〔光检测器〕的一个重要指标是接收灵敏度。对于模拟光接收器而言，接收灵敏度是指为到达*确定的信噪比所需要的最低接收光功率；对数字光接收机而言，是指为到达*确定的误码率BER〔bitcrrorrate〕所需的最低接收光功率。信噪比与误码率有关，误码率越低，所需的信噪比越高，即对于同样的噪声所承受的最小光功率