PLC-300和以太网通讯在挖泥船控制系统的应用毕业设计论文.doc
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1、广州航海高等专科学校毕业设计(论文)目录摘要1关键词11绪论21.1 PLC的国内状况21.2 PLC的未来展望21.3以太网远程控制的研究现状及发展趋21.4 wincc系统简介31.5 研究方向及目的32挖泥船系统开发环境42.1网络拓扑42.2 数据传输52.3综述63 PLC间的以太网通讯73.1 PLC 300硬件组态73.2 多台PLC之间数据传送的实现73.2.1 step7通讯块简介及功能83.2.2 SFB12/13功能83.2.3 PLC间传送数据程序块104泥门的驱动方式及泥门的打开条件134.1液压原理及控制方式134.1.2液压的定义134.1.2液压的原理134.1
2、.3电磁阀定义144.1.4电磁阀原理144.2 泥门的液压管路144.2.1小泥门打开过程155大泥门组态画面操作及预置条件155.1大泥门155.1.1泥门165.1.2操作位置165.1.3组合控制起动和停止条件165.2控制185.2.1模式选择195.22浅水模式195.2.3正常抛泥模式205.2.4泥门单独控制206小泥门组态画面操作及预置条件226.1 小泥门226.1.1单独控制的条件:226.1.2半自动启动条件:226.2操作236.2.1手动单独控制236.2.2半自动控制的自卸步骤236.2.3半自动控制打开小泥门246.2.4半自动关闭小泥门24附录一25附录二26
3、附录三39附录四44致谢46参考文献47摘要本文研究的是基于PLC 300的挖泥船泥门液压控制系统,利用PLC实现挖泥船上面的泥门自动控制及相应的电气连锁,系统中研究的是西门子S7-300 PLC属于中型PLC,结合该型号的一些优点,将其用于该控制系统中,实现系统功能的自动控制以及相应的电器连锁功能,最终使得该系统更加稳定,更加可靠以及维护相当的方便。而且还简化了控制线路,缩小了电控装置的体积,而且用户还可以自行扩展I/O点,方便以后系统的优化及改良。本课题利用PLC的以太网通信,实现多台PLC之间的数据传递。以及实现了利用WINCC组态软件进行远距离监控以及操作。以太网是按办公环境设计的,将
4、它用于工业控制环境,其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。关键词:以太网通讯,组态,监控,PLC一、绪论1.1 PLC的国内状况PLC全称Programmable Logic Controller可编程序控制器。是采用微电脑技术制造的自动控制设备。它以顺序控制为主,回路调节为辅,能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。在工业生产过程中,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的控制,及大量离散型的数据采集。在传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的
5、。可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。1.2 PLC的未来展望PLC未来展望21世纪,PLC会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品
6、的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.3以太网远程控制的研究现状及发展趋势随着信息技术的不断发展,信息交换技术覆盖了各行各业。在自动化领域,越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层
7、到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台,建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准,利用了交换以太网结构,有很高的网络安全性、可操作性和实效性,最大限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力,吸引着越来越多的制造业厂商。1.4 wincc系统简介WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统,提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档以及报表打印等模块,使其具有高性能的过程耦合、快速的画面更新及可靠的数据管理功能,Wincc实时
8、分批从可编程控制器中读出相关检测和计算参数,进行动态显示和存储。 Wincc的一个主要特点是开放性,它能和所有主要厂商的PLC进行通讯。总的来说,Wincc 软件是一套功能强大的组态软件,具有良好的人机界面,故障报警、记录、显示及打印等功能。能够用于多种用途的控制系统,同时提供嵌入式C语言编程,而且很容易配置形象、逼真的监控画面,也利于保证程序运行的安全性。 1.5 研究方向及目的本文所研究的挖泥船PLC控制系统共由多个PLC通过以太网通讯共同工作。而本论文所讨论的液压泥门控制系统位于PLC2中。本文研究目的在于搞清楚挖泥船的以太网通讯方式。了解各大小泥门的控制模式、预置条件、及制作出WINC
9、C组态画面,通过WINCC人机界面来控制PLC并用来实时监控挖泥船泥门的状态。54二、挖泥船系统开发环境2.1网络拓扑本文所研究的自航耙吸挖泥船控制要求高,功能复杂,传感器、执行机构数量种类众多,单台PLC运算速度及资源已不能满足现代自航耙吸挖泥船的控制要求。而受到多任务操作系统的约束,功能强大的计算机也无法投入到实时性要求高的控制系统中。因此,本系统设置了底层和顶层两个环形网络。采用两个完全独立的环网,除了增强系统的独立、安全、可靠性外,也对网络负荷进行了分流,对网络上设备的属性进行了统一划分。顶层网络连接的设备为信号刷新速率较低的设备(如:潮位遥报仪、DGPS、电罗经、雷达等)、响应速度要
10、求较低的指令设备(如:HMI人机界面工作站、历史数据分析工作站等)。底层网络连接各台控制PLC,为保证通信速度和网络安全稳定,PMS系统、AMS系统、主机和CPP控制系统之间通过底层网络相连,不通过上网机转发任何信号。上下两层网络通过高性能的服务器进行数据桥接。全船网络系统,主干网络采用具有冗余功能的环形光纤网络,分支采用屏蔽超5类双绞线。网络交换机系统为1000Mb以太网。包含了:两个具有冗余功能的环形光纤网络(SCADA)、视频监控网络、AMS网络、办公自动化。图2-1 自航耙吸挖泥船网络结构简图光纤环网为整个控制系统提供了稳定可靠的数据链接;管理网络提供了船舶管理系统的工作平台,并与控制
11、系统联结;办公网提供船上办公自动化功能。控制网络与管理网络、办公自动化网络通过防火墙进行隔离,划分在不同的网段,在提高船舶管理自动化水平的同时,保障了控制网络的安全。2.2 数据传输本系统是一个基于数据库控制的系统。系统数据结构采用开放式的结构,可综合全船的控制系统,并通过OPC进行数据交换。可采集与控制的系统包括了:液压疏浚系统PLC、疏浚仪器仪表信号、泥泵控制PLC系统、PMS系统、AMS机舱报警系统等。通过数据库,使全船的传感器对上层完全透明,上层对底层的执行机构也完全可控。系统配置了3台服务器,3台服务器均通过两个以太网接口,与上下两个环网连接。图2-2 OPC通讯PLC数据通过网络接
12、口,进入数据服务器,并通过接口程序采集进实时数据库;服务器通过接口程序将实时数据库数据经环网向全船工作站提供数据。PLC网络接口可与PLC进行直接通讯。工作站发出的指令,通过网络写入服务器实时数据库,数据服务器经网络,将实时数据库内容通过接口程序,向PLC提供数据。全船在同一个时间周期内,实时数据库是唯一的,因而保证了所有工作站、PLC所面对的对象状态是唯一的。本系统实时数据库刷新周期为1秒。实时数据库每刷新一次,就将数据存储于历史数据库。因此,本系统可通过历史查询的方式,查询历史操作。3台服务器中,2台为互为热冗余备用的数据服务器,1台兼历史数据服务器。当1台数据服务器出现故障时,另1台备用
13、服务器自动投入,以保证不间断地向全船的工作站及PLC系统提供实时数据的采集与分配。在任何一个时刻,只有一台服务器向工作站及PLC发送指令,以保证数据的唯一。历史服务器专门用于存储船舶的各种数据,并为其他非实时工作站软件提供分析数据并处理报表。系统所有工作站,均通过服务器获取或发送数据。每台工作站均为标准的通用型计算机,通过不同的应用软件的切换以完成不同的工作。系统中,需要快速反应的现场控制数据,由各自不同的PLC在底层单独完成。PLC与PLC之间的协调,不经由服务器。系统的安全连锁功能,不经由服务器、工作站处理,但这些数据均能反应在服务器的数据库内,并可通过工作站进行显示。2.3综述本船包含一
14、套完整的PLC系统,用于推进、电站、挖泥和液压系统控制。PLC软件储存在PLC的程序存储卡内。PLC内部的CPU供电采用AC220V-DC24V双路供电,驱动回路严格按照模块、输入回路、输出回路进行供电。PLC采用SIEMENS公司的S7系列PLC,所有的PLC通过带有冗余功能的光纤环网与服务器及相邻的PLC连接。接入PLC 的模拟量信号,均为4-20mA信号。三、PLC间的以太网通讯3.1 PLC 300硬件组态图3-1 PLC2的硬件组态挖泥船系统采用CPU 416-2 DP的PLC 加入了IM460-0的以太网通讯模块用于数据的传送以及接收使用。 3.2 多台PLC之间数据传送的实现3.
15、2.1 step7通讯块简介及功能因为有的数据需要不同的PLC所提供。在STEP7中,S7通讯需要调用功能块sfb或fb,最大通讯数据可以达到64KB。其中通讯功能块如表3-2功能块功能描述SFB8/9FB8/9USENDURCV无确认的高速数据传输,不考虑通信接收方的通信处理时间,因而有可能会覆盖接收方数据SFB12/13FB12/13BSENDBRCV保证数据安全性的数据传输,当接收方确认收到后,传输才完成SFB14/15FB14/15GETPUT读,写通讯对方的数据而无需对方变成表 3-23.2.2 SFB12/13功能本系统使用的是稳定性准确率最高的SFB12/13的数据传输块,确保数
16、据传送的安全性可靠性。SFB12(如图3-3)描述:在调用块之后,当在控制输入REQ上有上升沿时,发送作业被激活。发送用户存储区中的数据与处理用户程序是异步执行的。由SD_1指定起始地址和要发送数据的最大长度。可以通过LEN来确定数据域的作业指定长度。在这种情况下,LEN替换SD_1的长度区域。参数R_ID必须在相应的两个SFB/FB上完全相同。如果在控制输入R处有上升沿,则当前数据传送 图 3-3将被取消。 如果传送成功完成,则通过将状态参数DONE的数值设置为1来进行指示。如果状态参数DONE或ERROR的数值为1,则在前一个发送处理结束之前,不能处理新的发送作业。由于是异步数据传送,所以
17、只有在通过调用伙伴SFB/FB而检索到前一个数据时,新传送才能启动。在数据被检索到之前,当调用SFB/FBBSEND时,将给出状态值7 (参见表3-4)参数声明数据类型储存器描述REQINPUTBOOLI.Q.M.D.L使能端上升沿有效RINPUTBOOLI.D.M.D.L.常数复位端上升沿触发IDINPUTWORDM.D常数寻址IDR_IDINPUTDWORDI.Q.M.D.L.常数寻址参数R_IDDONEOUTPUTBOOLI.Q.M.D.L校验位。输出0:作业还未起动或者仍然在运行输出1代表作业已经无错的执行完毕ERROROUTPUTBOOLI.Q.M.D.L错误显示0STATUSOUT
18、PUTWORDI.Q.M.D.L显示出错详细信息SD_1IN_OUTANYM.D指针。指向发送区LENIN_OUTWORDI.Q.M.D.L定义要发送的数据字节表 3-4SFB13(如图3-5)描述:SFB/FB 13BRCV接收来自类型为BSEND的远程伙伴SFB/FB的数据。在收到每个数据段后,向伙伴SFB/FB发送一个确认帧,同时更新LEN参数。图 3-5在块调用完毕,并且在控制输入EN_R数值为1之后,块准备接收数据。可以通过EN_R=0来取消一个已激活的作业。由RD_1指定起始地址和接收区的最大长度。由LEN指示已接收数据域的长度。S7-300:在EN_R的每个上升沿处应用参数R_I
19、D、ID和RD_1。在每个作业结束之后,可以给R_ID、ID和RD_1参数分配新数值。为了进行分段数据的传送,必须在用户程序中周期性地调用块参数R_ID必须在相应的两个SFB/FB上完全相同。通过状态参数NDR的数值为1来指示所有数据段的无错接收。接收到的数据保持不变,直到通过EN_R=1来重新调用SFB/FB 13为止。如果在数据的异步接收期间调用块,则将引发一个警告,该警告通过STATUS参数输出;如果当控制输入EN_R数值为0时进行调用,则接收将被终止,并且SFB/FB将返回到它的初始状态。参数声明数据类型储存器描述EN_RINPUTBOOLI.Q.M.D.L常数 使能端上升沿有效.通知
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