（信号与信息处理专业论文）索道运输无线调度监控系统的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 随着上世纪一种重要的控制设备可编程逻辑控制器( p l c ) 在自动化控制领域 的广泛运用，将p l c 与计算机结合起来的工业计算机监视控制系统悄然出现。这 种以p l c 为基础的监控系统，利用p l c 对现场生产设备进行监视、控制及数据采 集，并利用各种通讯手段将数据传到调度中心监控机中，以实现对整个工业生产 过程的控制和调度。 本文以攀枝花煤业集团精煤公司索道车间为背景，旨在为该索道车间设计一 套用于索道运输生产的调度监控系统。整个系统以技术先进的无线局域网为信道 通信平台，采用p l c 及传感器对现场索道电机运行状态，煤车运输量等生产数据 进行采集获取，通过无线信道传到调度中心的监控计算机中，利用组态软件进行 二次开发制作地人机界面对相应生产数据进行处理或显示。以达到调度员只需坐 在调度中心的计算机前，就能轻松监视和调度几千米外的复杂的索道运输系统正 常生产的目的。 本文首先分析了当前国内外监控系统的发展现状，阐述了本课题的由来。接 着对本系统将要完成的功能进行了详细的介绍，提出了基于p l c 的监控系统的整 体解决方案，对系统的优势、特点和组成进行了详细的介绍。最后对无线局域网 信道传输平台进行介绍，给出了具体的网络拓扑结构和具体实现结果。 对基于p l c 设备的现场监测系统设计进行了内容详尽的论述。首先对现场监 测系统的功能和在整个监控系统中所扮演的角色进行深入的分析。其次，在硬件 设计部分着重对p l c 硬件各组成部分的设计选型进行介绍。最后，在p l c 控制软 件设计部分对用户控制程序各个组成功能模块设计思想及流程，进行了详细的阐 述，并给出各模块流程图。 对运行在调度中心p c 机上的监控软件从人机监控界面( h m i ) 、数据点的采 集与交互及数据库登录等几个方面详细介绍。并针对该监控组态软件在报表输出 打印功能上的缺陷，设计了一个基于剑的w m d o w s 应用程序，其中运用水晶报表 对各功能报表进行设计。最后介绍了系统的调试过程。调试工作完成后，本系统 在攀枝花煤业集团精煤公司索道车间投入正式运行。 关键词；监控系统p l c组态软件 c r y s t a lr e p o r t a b s t r a c t w i t hb r o a da p p l i c a t i o no ft h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n f f o l l e ri na u t o m a t i o nf i e l d l a s tc e n t u r y , 雅i n d u s t r i a lc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t hp l cc o n t r o l b e c o m 鹤p o p i l l 强t h es y s t e m 璐p l cf o ro n - s i t ep r o d u c t i o ne q u i p m e n tc o n t r o la n d m o n i t 0 血岛d a t aa c q u i s i t i o na n d 缸a n s m i t i o n , i n o r d e rt oa c h i e v ec o n t r o la n d m a n a g e m e n to f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa td e s i g n i n gam o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mf o rp z hc o a l g r o u pr o p e w a yw o r k s h o pt oc o n t r o lc o a lt r a n s p o r t a t i o nb yr o p e w a y t h i ss y s t e mb a s e d o nw i r e l e s sl o c a la l - e an e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e lp l a t f o r m , u s ep l ca n ds e n s o r f o rf i e l dp r o d u c t i o nd a t aa c q u i s i t i o n , s u c ha sm o t o ro p e r a t i o ns t a t u sa n ds c u t t l ec o u n t , t h e nt h ep r o d u c t i o nd a t as h o u l db e 订a n s m i t t e dt om o n i t o rc o m p u t e rb yw i r e l e s sc h a n n e l ， a n db ep r o c e s s e da n ds h o w e db yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ew h i c hb es e c o n d a r y d e v e l o p e di nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i nt h i sw a y , t h eo p e r a t o rc a nm a s t e rt h ew h o l e r o p e w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sp r o d u c t i o nb yt h eh m i f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u so ft h em o n i t o r i n g s y s t e ma th o m ea n da b r o a da n de x p l a i n st h eo r i g i no f t h i sp r o j e c t t h e nt h ef u n c t i o n so f s y s t e mh a v ead e t a i l e dp r e s e n t a t i o n ap l c - b a s e dm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mt o t a l s o l u t i o ni sf o l l o w e d f i n a l l yi ti n t r o d u c e sw i r e l e s sl a nc h a n n e lt r a n s m i s s i o np l a t f o r m , n e t w d r kt o p o l o g ya n dt h es p e c i f i cr e s u l t so f r e a l i z a t i o n d e s i g nf o rp l ce q u i p m e n t - b a s e df i e l dm o n i t o r i n gs y s t e m i sd e t a i l e d 勰 f o l l o w e d f i r s to fa l l ，t h i sp a r ta n a l y z e s i n - d e p t ht h er m c t i o n so ff i e l dm o n i t o r i n g s y s t e ma n dt h e r o l ep l a y e db yt h ee n t i r em o n i t o r i n gs y s t e m i nt h ep a r t o fp l c s h a r d w a r ed e s i g nf o c u s e s0 1 1t h ed e s i g no ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so fp l ch a r d w a r e s e l e c t i o ni n t r o d u c e d t h e n , ie x p l a i nt h eu s e f sp l cc o n t r o ls o f t w a r ec o m p o n e n tm o d u l e i nd e t a i la n dg i v et h ef l o w c h a r t m o n i t o r i n gs o f t w a r eo p e r a t i n go nt h ep ci nd i s p a t c hc e n t e r , i sd e t a i l e do nt h e a s p e c t so fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e , d a t aa c q u i s i t i o na n di n t e r a c t i v e , a n da c c o s st o d a t a b a s e a i m e da td e f e c to ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nt h er e p o r to u t p u to ft h e a b s t r a c t c o n f i g u r a t i o ns o i t w a r e , w cd e s i g nac 样v - r m d o w sa p p l i c a t i o np r o g r a m , w h i c hu t i l i z e s c r y s t a lr e p o r tf o ra l lf u n c t i o n a lr e p o r td e s i g n f i n a l l y , t h ep r o c e s so f d e b u g g i n gt h es y s t e mi si n t r o d u c e d a f t e rt h a tt h es y s t e mi s p u ti n t of o r m a lo p e r a t i o ni nt h er o p e w a yw o r k s h o po ff i n ec o a lc r p e r a t i o np a n z h i h u a c o a lg r o u p k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m p l c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec r y s t a lr e p o r t m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 徘丝烨魄。叼年参月歹日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 迩 日期：州年6 月j 日 第一章绪论 1 1课题背景与意义 第一章绪论 我国煤炭资源分布广泛，总体格局是北富南贫，西多东少。全国2 3 0 0 多个县( 市) 中，有1 2 0 0 多个境内有煤炭资源。煤田总体构造在世界上属于中等偏下，特厚煤 层少、埋藏深，决定了露天煤矿数量少，与以露天煤矿为主的美国、澳大利亚相 比，我国煤矿的安全生产运输难度较大，因此需要开发基于大型设备实时监控系 统，以保证安全生产。 国外煤矿监控技术是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今已有四代产品， 基本上5 1 0 年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来 划分监控系统发展阶段的。国外最早的煤矿监控系统的信息传输采用空分制来传 输信息。六十年代中期英国煤矿运输控制，日木煤矿都是采用这种手段，其中最 具代表的是法国c c t 6 3 4 0 煤矿环境监测系统，主要监测瓦斯，一氧化碳，风速和 温度等，最多可测4 0 个点，到7 0 年代末，西欧就安装了1 5 0 多套，后技术沿及 波兰c m m - 2 0 系统，可测2 0 个点，扩展到1 2 8 个点，形成了c i v i c 1 系统，这是 第一代监控系统。第二代主要的特征是信道频分制技术的应用，大大减少了电缆 芯数，其中最具有代表的是s i e m e n s 公司的t s t 系统和升h 公司的v f 2 0 0 ( 早期是 t f 2 4 ) 系统，采用音频传输。第三代最具代表的是英国煤炭研究院在1 9 7 6 年推出 以时分制为基础的m i n o s 煤矿监控系统，达到各种环境的监控，当时在英国大量 的推广，还向美国和印度出售，直到现在以该系统为基础的国内外各种监控系统 虽然在技术上有很大的提高，但在整体结构上都没有太大变化。随着计算机技术 和集成电路，数字通讯的高速发展，苏联、日木、美国也将计算机技术，大规模 集成电路技术，数据通讯技术相融合使用于煤矿监控系统中，便产生了第四代产 品，具有代表的是美国m s a 公司的d a n 6 4 0 0 监控系统，信息传输方式仍为时分 制范畴。特别是现在传感技术上的发展，为监控系统整体技术上的提高做出了不 可磨灭的贡献。目前在美国广泛使用的监控系统为e d a s ( e t h e m o td a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m ) ，系统基于以太网的i o 系统结合智能仪器仪表实现数据高速传输，目前 已经广泛的应用于煤矿等地，特别是可扩充数据采集通道达到1 9 2 个，而且智能 i o 模块具有很强的兼容能力，是新一代的开放式系统 电子科技大学硕士学位论文 目前，随着计算机技术、微电子技术、检测和传感技术的发展，在以机械、 电子、航空、航天技术等为主的多门技术相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和 发展了工业计算机监控系统。在自动控制技术迅速发展的同时，计算机控制技术 作为其重要组成部分，它正在向网络化、集成化、智能化等方面发展。它是一种 高度集成化的技术，不但包含通用控制技术，而且还包括通信技术和网络技术。 它与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相关。同时，随着上世纪一种重要的控 制设备( p 在自动化控制领域的出现，将p l c ( 可编程逻辑控制器) 与计算机结 合起来的计算机工业监视控制系统悄然出现。这种以计算机为基础的生产过程控 制与调度自动化系统，通过p l c 对现场的运行设备进行监视和控制，并利用各种 通讯手段将数据传到p c 监控机中，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节 以及各类信号报警等各项功能。这种监控系统主要由位于调度中心的服务器计算 机、位于各现场监控站的远程终端单元( p l c ) 、以及连接它们的通讯系统三部分 组成，主要用于地域分散，人工欠缺的工业环境，已被广泛应用于煤矿运输、煤 矿生产、水利、军事、医疗、农业等众多领域中。近几年来，这种计算机监控系 统的发展相当迅速，已经成为当今工控领域的主流。它综合了计算机、电子、电 气、通信、自动控制、机械等领域的许多技术，成为未来我国工业监控系统发展 的新方向。 1 2 本课题的提出 本次研究课题是专门为攀枝花煤业集团精煤公司索道运输车间设计的用于完 成整个索道煤矿运输生产信号的传输、实现实时的调度生产控制指令传输、生产 过程监管以及实时生产量统计的无线数据通信监控系统。整个系统以技术先进的 无线局域网结构为信道通信平台，使用可编程逻辑控制器( p l c ) 和各种传感器对现 场索道电机运行状态、煤车运输量等生产数据进行采集获取，再通过无线信道传 输到调度中心的监控计算机中，利用p l c 配套的上位机组态软件制作地人机界面 对相应生产数据进行处理或显示。以达到调度员只需坐在调度中心的p c 前，就能 轻松监视和调度几千米外的复杂的索道运输系统正常生产的目的。 1 3论文的主要工作 本文的主要工作是设计一个索道运输的无线调度监控系统，采用g ef a n u c 2 第一章绪论 公司的v e r s a m a x 系列p l c 和c i m p l i c i t yh m i 组态软件对该监控系统进行设计， 实现对攀煤索道车间六条索道运输生产情况的实时监测、控制和生产数据的存储、 处理及显示。该设计包括：p l c 硬件组态、程序编写、监控计算机监控系统软件 的设计、报表数据库软件设计等几个部分。本文的主要工作如下： 1 结合现场实际情况参与系统方案的论证： 2 参与对p l c 的硬件选型、完成p l c 硬件组态； 3 完成p l c 控制程序编写，满足控制流程的要求： 4 完成监控计算机监控软件的人机界面设计、网络及流程控制程序设计； 5 完成报表数据库的设计； 6 参与设备现场安装与调试。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统分析与总体方案设计 2 1现有系统简介及新系统需求 2 1 1索道运输系统功能简介 攀枝花煤业( 集团) 有限责任公司是原攀枝花矿务局于2 0 0 0 年3 月改制而成的 国家大型企业。矿区总面积2 0 9 平方公里，煤炭储量丰富，已探明储量4 5 亿吨， 深部预测储量9 3 亿吨，可采煤层3 4 5 1 层，可采煤层总厚度为2 9 7 5 5 2 2 8 米，焦煤占5 0 9 ，瘦煤占4 5 5 ，均为低硫、低磷、低灰到中灰的优质炼焦用 煤，是四川省确定的两个稳定发展的煤炭矿区之一，也是西南地区重要的煤炭能 源基地。 图2 1 各索道分布图 4 第二章系统分析与总体方案设计 它下属的精煤公司主要负责原煤到精煤的开采和运输。众所周知，从煤矿中 开采出来的原煤含有大量的有害物质和杂质( 矸石) ，因此开采出来的原煤需要运 到洗煤厂经过洗选将煤与矸石分离，从而得到质量符合要求的精煤，并将矸石运 往其它地方加以利用。由于各个煤矿地理位置相差甚远，基于运输成本和时间的 限制，以及运输路途遥远对周围环境造成的破坏等因素的考虑，没有采用传统的 汽车运输的方式，而是通过六条索道完成洗煤和排矸石的运输工作。 在索道分布图2 - 1 中，我们可以清楚看到六条索道的分布，这六条索道需要 完成的任务是：从三个原煤生产点( 花山装矿站d 1 ，大宝顶装矿站( 1 线、2 线) e l e 3 和小宝鼎装矿站f i ) 的原煤通过索道运输到洗煤厂( c l 、d 2 、e 2 、e 4 、f 2 ) 进行洗选将排出的矸石需要运往排矸一段的卸矿站加以利用。 从图中我们可以看到各个煤矿装矿站到洗煤厂，监控中心到洗煤厂空间距离 极其遥远，因此需要一套完整可靠的监控系统的支持；使调度人员在调度监控中 心通过监控系统实时地对整个索道运输生产情况进行监控，以保证安全生产该 监控系统需要完成如下主要功能： 1 监测各个站点电机的运行状态，并记录电机正常运转的时间。 2 对每条索道的运输的煤车量进行统计，并依据各索道煤车的载重记录总产量。 3 在故障发生时，调度信令的传输。 2 1 2 现有监控系统的缺点及新监控系统需求 现在应用中的索道系统因为使用年代久远，存在很多不足之处： 第一原有系统是建立在有线网络的基础之上，由于地理环境复杂，铺设的 电缆长度相当长，电缆偷盗现象极为严重，严重影响正常安全生产运输秩序。 第二原有系统存在计数不准的问题，且由于排矸二段索道是在原监控建成 之后才投入运行，因此现在排矸二段的生产情况只有通过现场人工记录，再通过 电话汇报给调度中心调度员。原有系统的调度停车信令是通过电话语音传输的。 第三原有系统的调度信令是通过电话语音传输的。 综合以上不足，随着煤矿生产的自动化要求，公司希望利用现在主流的以p l c 为现场控制设备的计算机监控系统替换现有监控系统，完成整个精煤公司的索道 生产调度及控制监管任务，以保障生产的顺利进行。实现监控生产的自动化、准 确化。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 2 索道无线调度监控系统整体方案设计 根据用户要求和实地现场情况的需要，本系统采用以无线局域网为通信信道 平台，以可编程逻辑控制器( p l c ) 及传感器对现场索道电机运行状态，煤车运输量 等生产数据进行采集获取，再通过无线信道传到调度中心的监控计算机中，利用 p l c 厂商配套的上位机组态软件对收到的生产数据进行处理、统计、显示及监视， 从而完成整个监控系统设计。当调度员通过监视屏幕发现生产故障，可以直接点 击人机界面上的功能按钮做出相应处理措施，即完成调度信令的传输，实现故障 处理自动化。同时由于用户提出了报表生成要求，希望整个系统能根据每日的组 态软件纪录的生产数据生成当日，当月及当年的生产报表。 因此整个监控系统分为如下几个部分： 第一部分：调度控制中心监控软件。调度控制中心监控软件是整个监控系统 的调度指挥中心，操作人员在调度控制中心通过监控机的人机界面即可完成对整 个生产过程的监控和运行管理等任务。此外，还包括一个数据库管理软件，值班 员可以根据需要产生生产报表并进行打印。 第二部分：现场监测系统的远程测控终端( p i c ) 。在除调度中心的其他9 个 站点各放置一台p l c 。一个p l c 可以有几个，几十个或几百个i o 点，放置在测 量点现场。p l c 结合各种传感器就具备数据采集及处理、数据传输( 网络通信) 、 p i d 控制或逻辑控制、流量累计等功能。本项目中主要用于采集现场索道电机运行 状态、煤车运输量及网络运行状态。 第三部分：通讯系统。整个监控系统运行是否良好，通讯系统起到至关重要 的作用。本项目主要采用无线局域网负责各站点之间及各站点到调度中心的信道 数据传输工作，调度中心监控计算机和现场p l c 通过r j 4 5 接口与交换机相接，接 入无线局域网平台，实现数据通信。网络结构如图2 - 2 所示。 6 第二章系统分析与总体方案设计 图2 - 2 无线监控系统组成 2 3以无线局域网为基础的信道传输平台设计 2 3 1无线局域网简介及其优势 无线局域网( w i r e l 嘲n ，w l a n ) 是利用无线射频技术构成的局域网络【”，采 用i e e e8 0 2 1 l b 标准，传输速度达到1 1 m b p s ，使用2 4 g t t z 频段，传输距离在无 线网卡内置天线的情况下为室内1 0 0 米，室外3 0 0 米，本项目中因为传输距离较 远，需要架设室外天线。在本次项目中使用了全向天线和定向天线。全向天线， 即在水平方向图上表现为3 6 0 。都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直 方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。定向 天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性， 在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增 益越大。 无线局域网不需要铺设电缆，不受节点布局的限制，就可以构建局域网络， 网络拓扑结构具有很大的灵活性和弹性。 7 电子科技大学硕士学位论文 选择无线网络的优点 2 1 ： 无线网络的使用，省去了布线的复杂。也不会出现电缆或光纤被盗用和损 坏。保证网络的畅通。 8 0 2 1 i b 无线网络目前主要使用了免费的频段2 4 g h z ，这被很多公共设施 所共同使用，因此会无可避免地受到干扰，但是由于是处于局域网的应用 方式，同时使用其它设备的可能性比较少，干扰现象就不用担心，而且无 线网络本身有1 2 个信道可供调整。 使用w a v e l a n 组网成本成本较低，可以避免安装线路、电缆的高成本费 用，租用线路的月租费，以及与设备需要经常移动、增加和改变相关的费 用。 组网灵活，由于没有线缆的限制，可以根据需要随心所欲的增加工作站或 从新配置工作站。 移动性好，由于w a v e l a n 设置允许在任何时间，任何地点访问网络数据， 而不需要在指定的地点，所以用户可以在网络中自由漫游( 如果有足够的 权限的话) 。 施工周期较短，由于采用无线网络技术，无须旋工许可证明，不需要开挖 沟槽。因此安装无线网络所需要的时间只是安装有线网络的零头 较高的传输速率，如果选择合适的网络设备，可以得到或超过用户所需要 的网络传输速率，充分保证用户的需要。 2 3 2 无线网络的拓扑结构 本次工程中调度中心网络和其下的各站点子网之间通过数字微波链路来实现 互联。采用微波为传输媒介的又分为扩频和窄带两种。采用微波扩频通信具有以 下特点【3 】： 建设无线微波扩频通信系统目前无需申请、带宽较高、建设周期短。 一次性投资、建设简便、组网灵活、易于管理，设备可再次利用相连单 位距离不能太远，并且两点直线范围内不能有阻挡物。 抗噪声和干扰能力强，具极强的抗窄带瞄准式干扰能力。 能与传统的调制方式共用频段。 信息传输可靠性高。 8 第二章系统分析与总体方案设计 保密性强，伪随机噪声使得不易发现信号的存在而有利于防止窃听。 多址复用，可以采用码分复用实现多址通信。 采用扩频方式的无线局域网一般选用i s m ( t 业、科学和医学) 频段，因为 使用这个频段时只要功率和带外辐射满足要求，就无需向频管部门申请。因此 本项目采用扩频方式。这种无线局域网的体系结构一般分为三种方式：点对点 方式、点对多点方式和中继方式如图2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 所示。 一般点对点方式微波设备最大可传输5 0 k i n ；而点对多点方式微波设备 覆盖范围为1 0 k i n 左右。特殊场合下可考虑利用微波反射或采用微波中继方式 进行连接。 图2 - 4 点对多点方式 9 一 电子科技大学硕士学位论文 图2 5 中缝方式 根据现场实际情况和各站点的地域分布，采用星型网络拓扑结构，结合上述 三种桥接方式，设置个中心节点，9 个用户节点，其中包括三个中继节点( c 3 、 b i 、f 2 ) 。具体网络拓扑结构如图2 - 6 所示： 图2 - 6 无线两络拓扑结构图 1 0 第二章系统分析与总体方案设计 2 3 3无线局域网的实现 根据工程实际需要，在无线网络组件部分选择以下几款无线设备，分别是无 线网桥、无线网卡、天线( 全向和定向) 。根据上述拓扑结构图，各个站点无线通 讯数据传输情况如下： 1 、调度中心a 采用两台无线网桥，中心无线网桥与用户无线网桥各一台。中心无线网桥a 1 使用信道1 ，同时收发花山装矿站d l 、小宝鼎转角站f 2 2 与排矸一段转角站1 2 2 的无线信号。采用全向天线，极化方式为垂直极化。用户无线网桥a 2 使用信道6 ， 收发原煤卸矿站c 1 d 2 e 4 e 2 f 3 1 的无线信号。采用定向天线，极化方式为水平极化。 2 、排矸二段装矿站b 1 采用两台用户无线网桥。一台用户无线网桥b 1 使用信道6 ，收发小宝鼎转角 站f 2 - 的无线信号。采用定向天线，极化方式为水平极化。另一台用户无线网桥 b 1 ：使用信道1 l ，收发排矸二段卸矿站b 2 的无线信号。采用定向天线，极化方式 为垂直极化。 3 、排矸二段卸矿站b 2 采用一台用户无线网桥。用户无线网桥使用信道l ，收发小宝鼎转角站f 2 的 无线信号。采用定向天线，极化方式为垂直极化。 4 、洗煤厂c l d 2 e 4 e 2 f 3 采用两台用户无线网桥。一台用户无线网桥c 1 d 2 f _ 4 e 2 f 3 。使用信道6 ，收发 调度中心a 2 的无线信号。采用定向天线，极化方式为水平极化。另一台用户无线 网桥c 1 d 2 e 4 e 2 f 3 ；使用信道l l ，收发排矸一段卸矿站c 3 的无线信号。采用定向 天线，极化方式为垂直极化。 5 、排矸一段转角站c 2 采用一台用户无线网桥。用户无线网桥使用信道1 ，调度中心a 1 的无线信号。 采用定向天线，极化方式为垂直极化。 6 、排矸一段卸矿站c 3 采用一台中心无线网桥，两张无线网卡。一张无线网卡使用信道1 ，同时收发 小宝鼎装矿站f 1 与大宝鼎装矿站e 1 e 3 的无线信号。采用全向天线，极化方式为 垂直极化。另一张无线网卡使用信道l l ，收发原煤卸矿站的无线信号。采用定向 天线，极化方式为垂直极化。 7 、花山装矿站d 1 电子科技大学硕士学位论文 采用一台用户无线网桥。用户无线网桥使用信道1 ，调度中心a l 的无线信号。 采用定向天线，极化方式为垂直极化。 8 、大宝鼎装矿站e 1 e 3 采用一台用户无线网桥。用户无线网桥使用信道1 ，收发排矸一段卸矿站c 3 的无线信号。采用定向天线，极化方式为垂直极化。 9 、小宝鼎装矿站f 1 采用一台用户无线网桥。用户无线网桥使用信道1 ，收发排矸一段卸矿站c 3 的无线信号。采用定向天线，极化方式为垂直极化。 1 0 、小宝鼎转角站f 2 采用一台用户无线网桥，两张无线网卡。一张无线网卡f 2 ：使用信道1 ，收发 调度中心a 1 的无线信号。采用定向天线，极化方式为垂直极化。另一张无线网卡 f 2 。使用信道6 ，收发排矸二段装矿站b 1 的无线信号。采用定向天线，极化方式为 水平极化。 具体设备连接示意图如图2 7 、2 - 8 所示。 图2 - 7 调度中心无线设备连接实现图 1 2 第二章系统分析与总体方案设计 图2 8 中继用户站点和用户站点无线设备连接实现图 2 4 可编程逻辑控制器( p l c ) 概述 2 4 1 可编程逻辑控制器( p l c ) 简介 在自动化控制领域，p l c 是一种重要的控制设备。在工业生产过程中，负责 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，及大量离散量的数据采集。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 m ( 通用汽车) 公司提出取代继电器控制 装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装 置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p c ) 忉。 个人计算机( 简称p c ) 发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的 功能特点，可编程序控制器定名为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 ( p l c ) ，现在， 1 3 电子科技大学硕士学位论文 仍常常将p l c 简称p c 。p l c 的定义有许多种。国际电工委员会( i e c ) 对p l c 的 定义是：可编程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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制 各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业 控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪8 0 年代至9 0 年代中期，是p l c 发展最快的时期，年增长率一直保持 为3 0 - 4 0 。在这时期，p l c 的处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和 网络能力得到大幅度提高，并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。 p l c 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程 简单等特点。具体体现在： ( 1 ) 可靠性高。在i o 环节，p l c 采用了光电隔离、滤波等各种措施。系统程序和 大部分的用户程序都采用e 2 p r o m 存储，一般p l c 的平均无故障工作时间可达几 万小时以上。 ( 2 ) 控制功能强。p l c 所采用的c p u 一般是具有较强位处理功能的位处理机，为 了增强其复杂控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双c p u 运行方式，使 其功能得到极大的加强。 ( 3 ) 编程方便易学。第一编程语言( 梯形图) 是一种图形编程语言，与多年来工业 现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。 ( 4 ) 适合于恶劣的工业环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体 等的应用场合。 ( 5 ) 与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的 端子功能适合于多种电气规格。 ( 6 ) 模块化结构，扩展能力强。根据现场需要进行不同功能的扩展和组装，一种型 号的p l c 可用于控制从几个i o 点到几百个i o 点的控制系统。 2 4 2p l c 的分类及组成单元 p l c 分类多种多样，按其i o 点数一般分为微型( 3 2 点以下) 、小型( 1 2 8 点 以下) 、中型( 1 0 2 4 点以下) 、大型( 2 0 4 8 点以下) 、超大型( 从2 0 4 8 点以上可达 8 1 9 2 点及以上) 5 种8 1 。按结构可分为整体式和模块式两种结构f 2 4 1 。采用整体式结 构的p l c 将c p u 模块、输入，输出模块、电源模块和通信接口模块等基本模块紧 - 1 4 一 第二章系统分析与总体方案设计 凑地封装在一个机壳内，构成一个整体。微型、小型p l c 一般采用整体式结构。 一般适用于控制比较集中的工业现场。在模块式p l c 结构中，按p l c 的各个组成 部分将p l c 划分为不同的模块，并将这些模块独立地进行物理封装。划分的模块 一般包括c p u 模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块。各个模块 功能是独立的，外形尺寸是统一的，安装时将这些模块插在机架上或基板上即可， 安装方便，它们由系统自动进行寻址连接，插入什么模块可以根据需要进行配置。 大、中型p l c 多采用模块式结构形式。适用于各种工业现场的分布式控制，本系 统采用的就是模块式p l c ，下面对各模块组成进行简要介绍： 1 c p u 单元 c p u 单元是p l c 的核心部件，它由微处理器、系统程序存储器、用户程序存 储器，以及工作数据存储器等组成。此外还包括外设端口、通信端口，还可以加 选通信板和扩展存储器板。每套p l c 至少有一个c p u ，它按p l c 的系统程序赋予 的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状 态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和p l c 内部电路的工作状态 和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令， 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构 成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及 数据，是p l c 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必详细分析c p u 的内部电路，但对各部分的工作机制还是 应有足够的理解。c p u 的控制器控制c p u 工作，由它读取指令、解释指令及执行 指令。但工作节奏由震荡信号控制运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器 指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下 工作。 2 模块 输入输出模块是p l c 与用户现场设备相互连接的接口，输入单元接受需要输 入到p l c 的各种控制信号，如按钮开关、位置开关、波段开关、接近开关、光电 开关，以及拨码开关等元件的开关量信号，可使用开关量输入单元接收这些开关 量信号；接收来自速度传感器和位置传感器的运动控制信号；接收来自温度传感 器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、成分传感器，以及相应变送器的过 程控制信号。输入信号分为开关量信号、模拟信号及脉冲信号。输入模块将接收 到的各种现场信号转换成c p u 能够接收和处理的信号 1 5 电子科技大学硕士学位论文 输出模块通常有开关量输出、脉冲输出和模拟量输出3 种输出单元。开关量 输出单元用于驱动控制继电器、接触器、电磁阀及指示灯等。脉冲输出单元用于 连接步进电机驱动器，驱动步进电机，构成定位控制系统；也可以连接具有脉冲 输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流永磁同步电动机，构成位置闭环控制系统。 模拟量输出( d 从) 单元可用于连接具有模拟量输入端口的直流驱动器，驱动直流电 动机构成直流调速系统或位置控制系统；也可用于连接具有模拟量输入端口的交 流伺服驱动器，驱动交流伺服电动机，构成速度控制系统、位置控制系统或同步 控制系统；还可以与气动调节阀，以及气缸等构成气动控制系统，或与伺服阀( 比 例阀) 及液压缸( 或液压马达) 等构成液压控制系统 3 电源模块 p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入 电路提供2 4 v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源( 2 2 0 、傀c 或l1 0 v a c ) ， 直流电源( 常用的为2 4 ) c ) 。 4 底座 底座用于提供装配，背板通讯和所有模块的现场接线连接。i o 模块可以在不 影响现场接线的情况下，安装在底座上或者从底座上卸去。实现各模块间的连接， 使各模块构成一个整体。 2 4 3p l c 的工作原理及工作过程 p l c 是采用c p u 的工业用控制器，与普通计算机有相似之处，属于串行工作 方式，但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询工作方式，都不 能满足原并行逻辑控制电路的要求，为此，p l c 采用了与普通计算机工作方式差 别较大的“循环扫描”工作方式【9 】o 所谓扫描，就是c p u 从第一条指令开始执行程序，直到最后一条( 结束指令) 。 扫描过程分为三个阶段，即输入采样( 刷新) 、用户程序执行和输出刷新三个阶段， 这三个阶段称为一个扫描周期。普通继电器的动作时间大于l o o m s ，一般p l c 的一 个扫描周期小于l o o m s 。循环扫描示意图如图2 - 9 所示： 1 6 - 第二章系统分析与总体方案设计 第n 个扫描周 一 , r r v l 个扫描周 期 第n + 1 个| 期 周期 一md a l t “口 一 输出 7 输入输出 一 输入 刷新 瑶碰犀】l 耋芹 采样 描 图2 - 9p i - c 循环扫描示意图 因此p l c 的整个运行过程可分为三部分； 第一部分是上电处理。可编程控制器上电后对p l c 系统进行一次初始化工 作，包括硬件初始化、模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始 化处理等 第二部分是扫描过程。可编程控制器上电处理完成以后进入扫描循环工作。 先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器 更新。当c p u 处于s t o p 方式时，转入执行自诊断检查。当c p u 处于r u n 方 式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。p l c 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定p l c 自 身的动作是否正常，如c p u 、电池电压、程序存储器、i o 、通信等是否异常 或出错，如检查出异常时，c p u 面板上的l e d 及异常继电器会接通，在特殊寄 存器中会存入出错代码。当出现致命错误对，c p u 被强制为s t o p 方式，所有的 扫描停止。 p l c 运行正常时，扫描周期的长短与c p u 的运算速度有关，与i o 点的情 况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用p l c 执行i k 指 令所需时间来说明其扫描速度( 一般h 0 m e k ) 。值得注意的是，不同指令其执 行是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将 会不同。若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。 2 5组态软件概述 组态软件在整个p i , c 监控系统中是实现p l c 采集数据处理、过程控制、实时 监控硒面运行、实时动态数据显示，实时数据存储，历史数据杳询，超限或者低 1 7 - 电子科技大学硕士学位论文 限报警、显示报警记录，报警杳询，历史报表打印等，同时能实现网络化管理， 局域网内直接权限访问等功能。在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软 件是系统的数据收集处理中心，远程监控中心和数据转发中心，处于运行状态的 监控组态软件与各种控制、检测设备( 如p l c 、智能仪表、传感器等) 共同构成快速 响应控制中心。 2 5 1组态软件的发展 随着工业自动化水平的迅速提高，在2 0 世纪8 0 年代末期，p c 机开始走上工 业控制的历史舞台，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和 过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件己无法满足用户的各 种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修 改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个 控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软 件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去，则必须同其他人员或新 手进行源程序的修改，因而更是相当困难。软件工业的迅速发展后，开始有人研 究和开发通用的p c 监控软件一组态软件。世界上第一个把组态软件作为商品进 行