（机械电子工程专业论文）首都机场行李中转系统故障诊断的智能化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 f 首都机场位于我国的首都北京，民航业务繁忙。但是，国际、国内的中 转旅客办理中转手续时需要手提行李从一楼到二楼，这样带来了很多的麻烦。 行李中转系统的设计就是为了解决这一问题。任何设备在其运行过程中都可 能产生故障，在行李中转系统设计的过程中，一个很重要的问题就是系统故 障的实时诊断。 由于p l c ( 可编程逻辑控制器) 具有编程容易、通用性强、可靠性高、 控制系统构成简单、维护方便等优点，用它来进行控制系统的设计很方便。 但是，由于目前的p l c 产品不具备自动获取和存储专家知识的功能，所采用 的编程语言无法完成计算推理功能，所以在行李中转系统故障诊断中采用的 是以上位计算机和p l c 构成的故障诊断结构。将p l c 与计算机进行通讯，充 分发挥了计算机的优势。监控计算机将p l c 采集到的故障信息进行分析与处 理，显示出故障发生的设备、位置、原因等信息，提高了系统故障诊断的自 动化程度。孓 本文首先对首都机场行李中转系统的整体结构作了简要的介绍，然后阐 述了p l c 与计算机之间的串行通讯技术，通过通讯模块，监控计算机可以向 p l c 发出读写命令，随时掌握中转设备的工作状况。 论文重点介绍了行李中转系统故障诊断的原理和方法，特别是使用计算 机处理p l c 采集到现场的故障信息。为了得到准确的故障发生源，降低监控 软件的运算量，提高故障诊断的效率和准确率，将故障层次分析法用于行李 中转系统的故障诊断。根据p l c 端口的故障信号由监控计算机进行运算得到 诊断结果，再以图形方式在计算机屏幕上显示故障、进行报警。c m n d o w s 以 其友好丰富的图形用户界面、简单灵活的操作，被越来越多的用户所接受。 因此在监控计算机上采用w i n d o w s 运行环境，用v i s u a lb a s i c 语言编写故障 诊断和图形显示程序。 此外，论文还介绍了神经网络的基本理论，并运用b p 神经网络进行中 转系统电机的故障诊断中，然后举例说明b p 网络的训练过程和电机故障模 式识别的方法。7 、 【关键词】故障诊断ip l c ，神经网络? 串行通讯 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c a p n a la i r p o r tl o c a t e si nt h ec a p i t a lb e i j i n go f o u rc o l l i l 仃y ，”b u s i n e s s o fc i v i l “i 砒o ni sb u s y h o w e v e r m eo v e r s e a sa i l dc i v i lt r a v e l l e r sh a v et oc a 玎y b a g g a g e 丘o m 山e f i r s tn o o rt om es e c o n df l o o rw h e n m e yp r o c e e d t h e t r a i l s f e r i n g p r o c e d u 托，w h i c hb r i n g su pal o to ft r o u b l e s t h eb a g g a g et r a l l s f e r i n gs y s t e mi s d e s i g n e dt os o l v em i sp r o b l e m t h ef h u l tm a yo c c u ri na n ye q u i p m e mw h e ni t n m s ，s oav c r yi m p o n a n tp r o b l e mi st h er c a l - t i m ef a u l td i a g n o s i si n 也ed e s i g no f 吐幢b a g g a g e 仃a s f 嘶n gs y s t e m 1 1 1 ep l c ( p r o 掣唧m a b l e l o g i cc o n 订o l l e r ) h a sm ea d v a n t a g e ss u c ha se a s i l y p r o 掣m n m i n g ，g o o dg e n c r a l i t y l l i g hr e l i a b i l i t y s i m p l ec o n f i g u r a t i o n o ft h e c o n 仃o ls y s t e ma n dc o r e n i e n tm a i n t e n a n c ee t c ，s oi ti sc o r e n i e n tt ou s e “t o d e s i g n 也e c o n t r o ls y s t e m b u t ，t l l ec u r r e n tp l c p r o d u c t sd on o th a v et h ef u n c t i o n t oa u t 锄a t i c a l 】yo b t a i na n ds t o r et h e e x p e n s k n o w 】e d g e ，a n d t h ep r o g r 锄 l 锄g u a g cw h j c h i sa d o p t e dc a n tc o m p l e t em e c o m p u t i n ga n dr e a s o n i n g ，m e r e f o r e w ea d o p tm ed i a g n o s i sc o 娟g l l r a t i o nw h i c hi sm a d eu po fp l ca n d u p p e r c o m p u t e ri nt h ef a u l td i a g n o s i so f t h eb a g g a g e 仃a n s f b r i n gs y s t e m t h ep l ci s c o m 】姗n i c a t e dt om ec o m p m e r ，、v h i c hc a nf u l le x e nt l l e a d v a n t a g e o ft h e c o m p u 把ct h e 跚p e r “s ec o m p u c 计a n a 扫s e sa n dp r o c e s sm ef a u l cj n f 0 珊a 百o n w h i c hi sc o l l e c t e d b y 妇p l c ，dd i s p l a ym ei 幽r m a t i o ns u c ha st h e e q u i p m e m ， i o c a t i o na n dr a s o ne t c w h e nt h cf a u l to c c u r s a n di n c r e a s e l ea l l t o m a t i o n d e g r e eo f 也es y s t c mf h u l td i a g i l o s i s 1 1 l i sp a p 盯f i r s ti n t r o d u c e sm ew h o l cc o n s 仃u c t i o no ft l l eb a g g a g e t r 蛆s f c r i n g s y s t c mi nt h ec a p i t a la i r p o r t ，t h e nd e s c r i b e st h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e o fm ep l c 蚰dt h ec o m p u t e ln l es u p e n r i s ec o m p u t c rc a i ls e n dt l l er e a d i n ga n d w r i d n go r d e r t ot h ep l c t h r o u g ht h ec o r m n u n i c a t i o nm o d u l e ，s oi tc a nk n o w t h e s t a t 啵o f l h e 咖s f e r i n ge q u i p m e m s a ta i l yt i m c t h ep a p e rp a ym o r ea t t e n t i o nt o 也ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o do fn l ef a u l t d i a g n o s i so ft h eb a g g a g et r a n s f e r i n gs y s t e me s p e c i a l l yu s i n gt h ec o m p u t e rt o p r o c e s s t h ei n f o r m a t i o nw h i c hi sc o l l e c t e db ym ep l c 盘o m 也e w o r k i n gp l a c e i n i i _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - 一一 武汉理工大学硕士学位论文 o r d e rt ok n o wt l l ea c c u r a t el o c a t i o no ft h ef a u l ts o u r c e ，l o w e rt h ec a l c u l a t i i l 窖 q u 姐t i t yo f t h es u p e r v i s es o f h v a r e ，a i l di n c r e a s et h ee 伍c i e n c ya i l da c c u r a t er a t e o ft h ef h l t d i a g n o s i s ，t 1 1 el e v e la 1 1 a l y z i n gm e t h o di su s e di nt 圭l ef a u l td i a g n o s i so f t h eb a g g a g e 仃a n s f b r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ei n f o m a t i o ng o tf r o m l ep l c p o n s ，t h es u p e r v i s ec o m p u t e rc a l c u l a t e s “a n dg e t st h er e s u l t ，t l l e nd i s p l a y st h e f a u l ta n da l e r t si nt 1 1 e g r a p h i c s o nt l l e m p u t e rs c r e e n w i n d o w so p e m t i n g s y s t e m i s b e i n ga c c 印t e db ym o r e 柚dm o r eu s e r s ，b e c a u s eo fi t sb e a u t i 砌 鲫h i c a ju s e ri n t e r f a c ea 1 1 ds i m p i ea n df i e x i b l eo p e r a t i o n 1 1 1 e r e f o r e 眦d o w s o p e m t i i l gs y s t e mi sa d o p t e di nt h es u p e r v i s ec o m p m e r a n du s et 1 1 e s u a lb a s i c l a n g l l a g e t 0d e s i 弘m e p r o c e d u r eo f t h e f 乱l l td i a g n o s i sa n d 也e g m p h i c a ld i s p l a y i na d d i t i o n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r y0 ft h en e r v en e t 、v o r k ，a i l d a p p l i e s t h eb pn e r v en e t w o r ki nt h ef a u l t d j a g n o s i so ft h em o t o r s o ft h e 托m s f h i n gs y s t e m ，t h e nu s e sa ne x 锄p l et oi l l u s t r a t et 1 1 eb pn e t 、v o r kt r a i 访g p r o c e s s 姐d 也em e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt oi d e m i 目t h ef a u l tm o d eo ft h e m o t o r s 【k e yw o r d s 】f a u hd i a 印o s i s ，p l c ，n e r v en e 呐o r k ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 本课题来源于北京首都国际机场新航站楼行李中转控制系统的设计项 目，本人主要进行行李中转系统故障诊断程序的设计工作。 1 1课题来源及研究意义 首都机场位于我国的首都北京，是中国的门户机场，也是中国唯一拥有 两条跑道的4 e 级国际机场，可供波音7 4 7 4 0 0 及其以下等级飞机起降，并拥 有完备的旅客及货物处理设施。在1 9 9 9 年内，首都机场旅客吞吐量达 1 8 ，1 9 0 ，8 5 2 人次，而飞机起降总数达l “，9 4 5 架次，是中国内地最为繁忙的 机场。2 0 0 0 年，首都机场年出入港旅客吞吐量首次突破2 0 0 0 万。北京首都 国际机场成立后，始终保持了良好的安全营运记录和出色的盈利能力。飞机 起降架次、旅客吞吐量和货运吞吐量的年均增长率都在1 4 以上，近几年的 收入年均增长8 1 。 随着我国经济的发展走向全球化，特别是w t o 组织的加入，对于我国 民航服务业的要求越来越高。首都机场新航站搂是1 9 9 9 年1 1 月投入使用的， 拥有国内第一套自动行李分拣系统。行李大厅共设有1 7 套行李提取转盘，先 进的行李分拣系统对条形码行李牌进行自动扫描，按不同航班自动分拣，发 送行李正确率达到9 9 9 9 。 但是旅客行李提取厅设在第一层，办票大厅设在第二层，旅客在二楼办 理国际、国内各航班的相关手续。对于国际转国内或者国内转国际的中转旅 客，需要先到一楼行李厅提取行李，然后手拎到二楼的办票大厅办理完相关 手续才能登机，这样给许多中转旅客带来了很多的麻烦，也不利于机场的管 理。为了解决中转旅客需要手工提取行李到二楼办票的问题，首都机场决定 设计行李中转系统，将新航站楼首层原9 号行李转盘改造为中转台，相应增 设中转设备，咀实现国内转国际，国际转国内，国内转国内，国际转国际的 功能。这样中转乘客可以在首都机场享受到快捷、方便和舒适的服务，同时 也有利于首都机场民航业务管理的自动化和以后的发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究现状 任何设备在其运行过程中都会产生故障，在行李中转系统工作的过程 中，各种设备和运行故障也会经常发生，如果不能及时解决，将会影响到机 场的声誉和经济效益，所以故障诊断是一个很重要的问题。 p l c ( p f o 盯a ml o g i cc o n t r o l ，可编程逻辑控制器) 具有编程容易、通用 性强、可靠性高、控制系统构成简单、维护方便等优点，常用作监控系统的 一种现场设备，它擅长对开关信号进行时序逻辑和组合逻辑控制，具有实时 信号数据采集、出色的可编程控制能力、集中图形显示、智能化数据处理、 自动打印记录等诸多优点。这种系统功能齐全、性能稳定、性价比高，深受众 多用户的青辣，目前在工业自动化领域中应用十分广泛。 由于目前的p l c 产品不具备自动获取和存储专家知识的功能，所采用的 编程语言无法完成控制层中的计算推理功能，因此，单纯采用p l c 的故障诊 断系统的智能程度是相当有限的。为此，我们可利用网络技术和通讯技术， 将p l c 和计算机联接成网络，互相取长补短，共同构成如图1 1 所示的故障 诊断的硬件系统。 图l - lp l c 与计算机构成的诊断网络 2 武汉理工大学硕士学位论文 以上这种p l c 和计算机构成的诊断结构在机场行李处理系统和其他工业 控制系统的设计中广泛运用，并取得了很好的结果。例如在南京禄口国际机 场的行李处理系统采用的是a e gm o d i c o n 公司的p l c 产品，通过p l c 完成 行李处理系统( b h s ，b a g g a g eh a n d l i n gs y s t e m ) 与安检系统( s c s ，s e c 嘶t y c o n t r o ls y s t e m ) 联动的p l c 控制程序编程，接受火灾报警系统( f i a s ，f i r e i n f o m a t i o n a l a ms y s t e m ) 的火警信号自动处理，同时完成p l c 向行李监视 中心计算机实时信号传递的编程。 本行李中转系统的故障诊断，主要是通过安装在现场的光电开关和传感 器得到的信息输入到p l c ，产生相应故障的开关量，然后通过串行通讯传至 上位机进行的。诊断的过程实际上是上位计算机查询p l c 故障开关量的状态 并利用故障诊断数据库得到故障原因，并用计算机屏幕显示。 人工智能是智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能，如判断、推 理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维 活动1 2 】。从某种程度上来讲，本故障诊断系统具有一定的智能化。其智能化 故障诊断与一般传统的p l c 系统的故障诊断相比，主要体现在以下方面： 不仅能够完成传统系统的功能，即在现场模拟屏上显示故障发生的位置 和进行报警，是现场人员能够及时了解故障情况，而且还能通过串行通讯将 故障信息传到监控室的计算机上，由计算机通过计算查询存储故障诊断知识 的数据库确定故障发生的具体原因并在计算机屏幕上加以显示，这样通过智 能化诊断查出故障的具体原因，既节省了维修时间，又有利于故障信息的查 询和管理，从而提高了效率。整个诊断过程( 包括运用神经网络对皮带电机 进行定子电流故障诊断) 不需要其他技术人员的参与，因此故障诊断的过程 具有一定的智能化。 1 3 本文工作 本文是以首都机场行李中转系统的故障诊断为研究目标，利用p l c 与计 算机之间的通讯，开发出了系统故障诊断的软件。所作的具体工作体现在以 下几个方面： ( 1 ) 大致介绍了首都机场行李中转系统的工作流程和利用p l c 设计其 控制系统的基本情况。 ( 2 ) 采用p l c 与上位计算机的串行通讯技术，以实现p l c 和计算机之 3 武汉理工大学硕士学位论文 问的信息交换。 ( 3 ) 根据本人对现场工作情况和服有行李输送系统的了解，总结出用 p l c 进行机械、电气和运行故障诊断的基本方法，并设计出能够处理采集的 故障信息从而实现中转系统电气、机械等故障诊断的软件。 ( 4 ) 为了能够对多台电机进行故障的智能化诊断，使用b p 神经网络对 电机的故障模式进行智能化判别。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章行李中转控制系统 计算机控制技术的应用，使机械设各的控制水平产生了质的飞跃。当前 应用较多的是可编程控制器( p l c ) ，p l c 装置所具有的各种功能及显著特点， 使系统的控制功能得以加强。不过在进行设计前需要对原有行李处理系统和 要求设计的行李中转系统的工作流程有一个全面的了解。 2 1首都机场行李处理控制系统概述 北京首都国际机场行李中转系统的设计是在原有行李处理控制系统 ( b h c s ) 的基础上进行的，在系统的硬件、软件的设计上与原有系统相似。 行李处理控制系统为行李处理系统( b h s ) 提供了计算机控制。它由计算机 监控和设备及控制组成，这些系统在国际和国际行李处理系统中共同负责行 李流向的管理、引导和监视。b h c s 提供了行李处理系统需要的监管和设备 级控制，以便管理出港系统中行李向分拣口的流动和监视入港系统中行李向 行李提取转盘的流动等组织计划。 b h c s 包括各种计算机和控制器，它们组成了叫做行李处理计算机 ( b h c ) 的整体分级计算机系统( 如图2 1 ) 。低级的控制器包括用于翻盘分 拣机的分拣机控制器，以及控制皮带机的皮带机控制器( c c ) 。这些计算机 以及它们的软件组成了指导和控制全部设备运行的系统。 独立的p l c 辅助系统控制出港和进港系统，每个翻盘分拣辅助系统有自 己的专用控制器。条码自动阅读器连接出港传输系统控制器，以便行李被导 入翻盘分拣系统以前能获取行李标签的信息。 皮带传输机为进港和离港航班运送行李其中包括转机行李。行李从值 机和中转出被运送到翻盘分拣机，然后被运到相应的分拣口。进港的行李被 放在皮带机上并被运送到行李提取区，而出港行李则在高速分拣系统上被处 理。b h s 不处理超尺寸行李，它由人工处理。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1行李处理监管计算机系统结构图 分拣机是一种在行车轨道上首尾相连、翻盘小车不停的运行的分拣机构。 其分拣的工作过程如下：要分拣的行李在握手信号( 控制继电器) 的协调控 制下由高速传递带送上分拣机引导装置。行李被放置在引导装置上的条码阅 读器扫描，如果扫描成功，则这个条码信息被送往行李处理计算机。但行李 未能被正确扫描时，分拣机控制器( c m c ) 也会向行李处理计算机发送信息 告知扫描失败，这个行李将被送往人工编码站分拣口溜槽。当成功读取了该 行李的条形码之后，分拣机控制器( c m c ) 上传此信息给行李处理计算机 ( b h c ) ，b h c 回送信息告知c m c 把此件行李送往那个分拣口。分拣机控 制器c m c 跟踪翻盘小车上的行李，并将行李在适当的位置予以释放。行李 从小车翻盘上翻下滑进溜槽中，落入分拣输送带。 2 2 行李中转系统简介 行李中转系统包括首都机场新航站楼首层增设的两条行李输送线，它与 机场原有的行李输送系统既有相同点又有不同点，因此在设计时除了要了解 原有系统的情况外。还要针对中转系统与原有输送系统不同的功能进行专门 的设计。 行李中转系统的设计是要拆除原有9 号行李转盘，放置1 6 个中转办票柜 6 武汉理工大学硕士学位论文 台( 南北两侧各8 个) ，改造完成之后，国内、国际的中转旅客就可以分别由 设在一楼的国内行李厅和国际行李厅手工提取行李后，到同一层新增设的中 转办票柜台办理中转手续，而不必手拎行李到二楼了。 也就是说，中转旅客首先须经过海关绿色或红色通道，由安检机有选择 的安检行李( 此处安检设备为海关使用) ，然后不必上楼，就到同一层的中转 办票柜台排队办理中转手续，将行李放置在电子称上称量重量送上中转传 送带。旅客在一楼办理手续完毕后，无需携带行李，可经由设在柜台东侧的 扶梯或电梯可到达二层相应办票大厅，国内转国际旅客到达国际办票厅，国 际转国内旅客到达国内办票厅，在经过安检及边检到达指定登机口登机。 根据实际情况，行李中转系统首先使在一楼从不同的中转办票柜台处送 入的行李都能够进入行李传送主皮带，然后送至分拣机进行分拣。所以从行 李经由电子称称量进入中转系统，到被传送到主传送带的这一过程，有两种 情况： ( 1 ) 国内转国际行李由设在中转柜台东侧的洞口( 北侧洞) 下至地下室 原有的c 9 a 3 传送带上，c 9 a 3 经改造后，与相临的原有c 1 0 3 传送带相联 接。行李沿地下室c 1 0 3 、c 1 0 2 传送带，穿首层楼板洞至一层改造后的c 1 0 一1 传送带，经安检机后再由新增的皮带传至标高在+ 3 6 1 8 米的国际主传送带上， 进入行李传送主系统。 ( 2 ) 国际转国内行李由设在中转柜台东侧的洞口( 南侧洞) 下至地下室 原有的c 9 3 传送带上，行李沿地下室c 9 3 、c 9 2 传送带，穿首层楼板洞至 一层改造后的c 9 1 传送带，经由安检机后再由新增的皮带传至标高为+ 2 0 6 9 米的传送带上。由转弯皮带将行李由窗口送出楼外，接新增的传送带，再爬 升至标高在+ 3 6 8 1 米的国内主传送带上，进入行李传送主系统。 4 2 3 行李中转系统的p l c 设计 2 3 1 可编程控制器( p l c ) 简介 整个控制系统的设计是使用可编程序控制器( p l c ) 完成的，可编程序 控制器是2 0 世纪6 0 年代末在继电器控制系统的基础上开发出来的。经过几 十年的发展，p l c 已不仅能实现继电器控制所具有的逻辑判断、计时、计数 等顺序控制功能，同时还具有了执行算术运算、对模拟量进行控制等功能。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的，美国数字设备 公司( d e c ) 于1 9 6 9 年研制成第一台p l c ，投入通用汽车公司的生产线控 制中，取得了令人满意的效果，从此开创了p l c 的新纪元。第一台p l c 具 有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。这些控制器易于安装， 占用空间小，可重复利用。但它具有公共的工厂标准梯形图编程语言， 这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它【3 】1 4 1 。 进入八九十年代后，p l c 的软硬件功能进一步加强，p l c 已发展成为一 种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其它设备通信，生成报表，调度 产出，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使p l c 符合现代高质量高产出 的要求。 一个p l c 可以简单的视为具有特殊体系结构的工业计算机，只不过它比 一般的计算机具有更强的与工业过程相连的接口，具有更适于控制要求的编 程语言。由于有特殊的连接器件及监控软件，因此其外形不像计算机编程 语言甚至工作原理与一般计算机有一定的差别。 在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符 语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。 总而言之，p l c 的特点表现为以下几个方面： ( 1 ) 硬件的可靠性高； ( 2 ) 编程简单，使用方便： ( 3 ) 接线简单，通用性好； ( 4 ) 可连接为控制网络系统； ( 5 ) 易于安装，便于维护。 从以上各点可见，在工业应用中使用p l c 的好处是很多的。通过使用 p l c ，用户可获得高性能、高可靠性带来的高质量和低成本，这也就是本系 统采用p l c 设计的重要原因。 从p l c 诞生以来，它已成功的应用于工业中几乎所有的领域，包括钢铁 厂、纸浆厂、食品厂、石油化工厂和电厂等。p l c 完成各种控制任务，从重 复开关控制单一机器到复杂的制造加工控制，p l c 未来的发展不仅依赖于对 新产品的开发，还在于p l c 于其他工业控制设备和工厂技术的综合。无疑， p l c 将在今后的工业自动化中扮演重要角色【引。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 p l c 配置及系统设计 p l c 本质上是一台用于控制的专用计算机，主要特点是与控制对象有强 的接口能力，它的基本结构主要是围绕着顺序与过程控制( 及过程中数据的 采集、控制信号的输出和数据的处理) 的要求来进行设计的，其硬件结构如 图2 2 所示。 图2 2p l c 的结构框图 电磁线圈 指示灯 电磁阀 主要由五部分组成：中央处理机( c p u ) ，输入模块，输出模块，电源， 编程器及外部设备。p l c 主要采用继电器梯形圈语言编程，从事电气设计的 人员很易掌握，即直观又很简单。通过键盘操作，对梯形图上的逻辑元素进 行删改、插入、编辑十分方便。而且，在编程中还有较强的自诊断功能，编 程器对编入的用户程序逐条的不断的作语法检查及自诊断，一旦发现错误， 就在显示屏上显示发现错误的信息代码，操作人员若不进行修正，则无法继 续编程。直到前面所编的程序逻辑完全是正确的，才允许继续编程。 p l c 采用循环扫描的工作方式，其工作过程如图2 3 所示。这个过程可 分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理等几个阶段，整 9 武汉理工大学硕士学位论文 个过程扫描一次所需的时间称为扫描周期，一般为几十毫秒。在内部处理阶 段，p l c 检查c p u 模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成其它 一些内部处理。在通信服务阶段，p l c 与带微处理器的智能装置通信，响应 编程器键入的命令，更新编程器的显示内容【6 】。 图2 3p l c 扫描过程 本行李中转控制系统要求对各传送皮带电机进行实时控制，且各柜台电 机反复起动和停止，控制系统必须可靠耐用，抗干扰能力强，选用世界上生 产p l c 的著名厂家一日本三菱公司a 系列p l c 。 开关量输入点数：1 0 4 点， 开关量输出点数：9 5 点。 另外，输入、输出模块共占用3 2 点，模拟量输入模块点数为3 2 点，所 以c p u 的i o 点数共为2 6 3 点，大于2 5 6 点，选择5 1 2 点较合适，根据系统 特点及价格因素，可选用如表2 1 、表2 2 所示的硬件配置。 用户程序编制完成后，借助于编程器将用户写入p l c 的用户程序存储器 内。可以采用分断调试的办法，依次调试每一个子程序，各子程序的调试都 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 通过，然后再对整个用户程序进行调试。 表2 1p l c 硬件配置 f 名称型号点数数量主要用途 l 主机c p u a 2 s h 1 主机板a 1 s 3 8 b ( 8 槽) l 扩展基板a l s 6 8 b s l ( 8 槽) 2 机架扩展 开关量输入模块a 1 s x 2 0 ( 2 2 0 v )1 6 1 2 检测输入，操作输入 继电器输出模块 a 1 s y 2 0 ( 2 2 0 v )1 65 动作输出，动作显示 模拟量输入模块 a 1 s 6 8 a d3 2l 定子电流输入 计算机通讯模块 a 1 s j 7 1 c 2 4 r 41 串行通讯 中央处理单元 表2 2a 2 s c p u 技术规格 l 项目a 2 s c p u 技术规格 控制系统安所存程序，反复执行 i o 控制方式刷新方式或直接方式 指令数2 9 5 处理速度1 0 2 3 微妙步 用户程序存储容量1 4 k 步 i o 点数 5 1 2 内部寄存器( m )1 0 0 0 ( 缺省值m o m 9 9 9 ) 定时器点数( t )2 5 6 ( c o c 2 5 5 ) 范围0 3 2 7 6 7 数据寄存器( d ) 1 0 2 4 ( d o d 1 0 2 3 ) 累加器( a )2 ( a o a l ) 行李中转控制系统共有两条中转线，即国际转国内中转线和国内转国际 中转线( 如图2 4 ) ，每条中转线的控制系统均由以下部分构成： ( 1 ) 电源、皮带机的起动、停止等一般的逻辑顺序控制； ( 2 )故障信息的采集，电机的电流等参数的检测； ( 3 ) 电气元件故障实时检测、诊断和显示： 在中转柜台处的行李输送系统的重点监测部位，如皮带转弯、升降或合 流处，都设置监控光眼或传感器，对系统实施有效的监控。 茎堡墨三查兰堡主堂堡堡主 一一 - _ _ _ 一 ( b ) 国内转国际中转线 图2 4 行李中转系统示意图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 在监控终端计算机显示屏上，皮带输送系统的各功能模块要有准确、直 观和详尽的图形与设备代号显示。对于输送系统出现的任何故障，比如行李 堵塞、电机过载、接触器故障等，监控系统能立即给出告警和故障说明信息， 并在图上用不同颜色显示出来，同时对故障和告警进行记录和统计。 此外，当办票柜台上的行李送入中转传送主皮带时，通过p l c 控制各柜 台皮带的电机的起动和停止，以防止行李冲突。因为这时共有1 6 个柜台向主 带上传送行李，当某一柜台的行李要传送至主皮带时，若主皮带上恰好有前 面柜台传送过来的行李，此时就必须停止此柜台的行李传送，等此行李通过后 再启动此柜台的皮带，再将行李传送到中转主带上。 为此需要在每个柜台安装一个光电开关，检测主传送带上是否有行李， 如果没有则柜台继续向中转主皮带上传送行李；如果有则p l c 设定延时，并 停止由柜台向中转主皮带上传送行李。在此时间内确保此行李己通过柜台， 然后再重新启动柜台的皮带向中转主皮带上传送行李。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章p l c 与计算机之间的通讯 随着p l c 技术的不断发展，其网络通讯的功能日益增强，不断的有形的 联网结构推出。 p l c 可与工业计算机向连接进行通信，可用计算机参与编程对p l c 进行 控制和管理，使p l c 用起来更方便。为了充分发挥计算机的作用，可实行一 台计算机控制和管理多台p l c 。 各种高级计算机语言，如v i s u a lc 十+ ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i 等可视化编 程语言的出现，为我们在w i n d o w s 环境下开发与p l c 通讯的软件提供了方 便。尽管p l c 本身的发展使得其可以完成各种复杂程度不同的工业控制功 能，但在图形、数据处理方面的能力较弱。行李中转系统监控程序要求使用 图形界面，而基于w i n d o w s 的开发工具也非常完善，因此，运用高级编程语 言编制程序，使计算机与p l c 实时串行通信，可阻实现上位机对p l c 的监 控与管理。 本章主要介绍p l c 与计算机之间串行通讯的实现方法，由于v b 是一种 可视化、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于 开发w i n d o w s 环境下的各类应用程序，它简单易学、效率高，且功能强大， 所以通讯程序用v b 语言实现。 3 1 p l c 与计算机之间的通讯概述 在对行李中转系统进行故障诊断时，需要把现场获得的故障信息传递到 监控室中的计算机中，然后由计算机处理后根据故障诊断数据库确定故障的 设备、位置和原因等，所以p l c 与计算机之间需要进行通讯。通过上位机与 下位机的通讯，上位机能够随时了解系统的工作情况，出现故障时也能在计 算机的显示屏上实时显示出相关的信息。因此，在进行故障诊断时，必须首 先解决上位机与下位机的通讯问题。 上位机可通过r s - 2 3 2 或者r s 4 2 2 串行接口与p l c 连接起来形成局部网 络。通讯的特点是：上位机是主动的，p l c 是被动的。通讯时，由微机给p l c 发命令，p l c 接到命令后执行。通讯的目的是把上位机作为操作台，把p l c 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的输入、输出状态、输入寄存器或保持寄存器的内容送到微机中进行加工， 实现集中管理、监控、现场流程状态显示、打印等。 3 2p l c 与上位机的连接 三菱a 系列的a 1 s j 7 1 c 2 4 - r 4 计算机通讯模块是半双工通讯，数据长度、 波特率、字符校验方式、停止位位数、是否校验等通讯参数可通过d i p 开关 设定，有四种协议可供选择( 或无协议) ，它采用面向字符型的通信规程，以 规定好的1 2 个控制字符实现传输控制，本系统采用专用计算机连接协议【5 j 。 微机与p l c 之间的通信采用主从应答方式，微机始终处于主动状态，根 据需要向p l c 发出读写命令；下位机处于被动状态只能响应上位机的命 令，无需编程，通讯模块自动进行应答。读数据时上位机通过通讯口向p l c 发出读数据命令，p l c 响应命令并将数据准备好，上位机再次通过读通讯口 即可读到所需的数据；写数据时上位机通过通讯口向p l c 发送写命令及数 据，p l c 即可接收。 通讯模块有多种命令代码，微机通过向p l c 发出不同的命令，可以灵活 的对其位或者字等软设备以及特殊功能模块的缓冲区进行读写，如i o 继电 器、辅助继电器、各种寄存器、计数器定时器的当前值等，并且还可以对 p l c 进行远程运行停止控制。 p l c 与上位机的通讯是以“帧”为单位进行的，帧的格式分为两种：读 数据帧和写数据帧。 ( 1 ) 读数据格式 计算机发送： e n q 站号p l c 号指令延时( 等待时间) 首地址数量求和校验 p l c 回应： s 1 x 站号p l c 号有效数据区e t x 求和校验 以上过程可用下图表示： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 蓑 e站p c 薯 蚕 囊囊 c r 站 p c nl f c l f 0号号 e 号号 通讯板 l s j 7 1 c 2 4 s 站p c 囊 e 鍪 c r t tl f x 号 号x 图3 1 微机自p l c 读数据格式 ( 2 ) 写数据格式 计算机发送： e n o 站号p l c 号指令延时( 等待时间) 首地址数量写入值求 和校验 p l c 回应： a c k 站号p l c 号 以上过程可用下图表示： 蓑 e站 p c 砉 蒿 囊霎 c r nl f q号号 通讯板 1 s j 7 1 c 2 4 站p cc r c l f k号 号 图3 2 微机向p l c 写数据格式 ( 3 ) 出错代码 在通讯过程出现错误时，p l c 发送如下错误代码帧 n a k 站号p c 号错误代码 下面对以上指令进行说明： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) e n q ：请求标志，a s c n 值：0 5 h 2 ) 站号：在p l c 网络中，上位机所能识别的p l c 的号码。号码范围为0 0 h 一斑啊，设置方式如下图： 图3 3 站号设置方法 其中x 取值从0 0 0 f ，在本系统中，国际转国内线设为0 0 h ，国内转国 际线设为0 l h 。 3 ) p l c 号：用于识别p l c 的c p u ，默认值为f m 。 4 ) 命令码：用来指定所需操作，例如读、写等，有两个a s c 码表示。常 用通讯指令如下表。 表3 1 通讯协议指令表 指令注释a s c 值 b r 以1 为单位，读出位元件的状态 4 2 h ，5 2 h 以1 6 点为单位，读出为元件的状态，或 绛贾5 7 h ，5 2 h 以1 字为单位，读出字元件的值 b w 以1 点为单位，写入位元件的状态4 2 h ，5 7 h 以1 6 点为单位，写入位元件的状态，或 w w5 7 h ，5 7 h 以1 字为单位，写入值到字元件 b t以1 点为单位，s e t 瓜e s e t 位元件4 2 h ，5 4 h 以1 6 点为单位，s e t 依e s e t 位元件，或 w t5 7 h ，5 4 h 写入值到字元件 r r控制p l c 运行r 【肘5 2 h ，5 2 h r s 控砖0 p l c 停止s t o p5 2 h ，5 3 h p c读出眦设备类型5 0 h ，4 3 h t t 连接测试5 4 h ，5 4 h 注：位元件包括x ，y ，m ，s ，以及t ，c 的线圈等，字元件包括d ，t ， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 c 等。 5 ) 延时( 等待时间) ：是指上位机从发送状态到接收状态两者之间切换所需 的时间。同时它也决定了上位机发出命令后，在p l c 响应之前的一段延时的 最小值。示意图如图3 4 所示，延时可被设置为o 1 5 0 毫秒，1 0 毫秒为一 个步长。延时值用一个a s c i i 码来表示，在此项中，a s c i i 从o 取到1 5 ，分 别代表0 毫秒，1 0 毫秒，2 0 毫秒等等。 f l o 廿0 1 w z ! 卫o i u h “a ” l 一矗咛士几磐山脯 图3 4p l c 响应延时图 秒 6 ) 和校验：用于检查所传送信息的正确性。将需要和校验的每一项的a s c i i 值累加起来，取其低两位( 1 6 进制) ，再分别将这两位表示成a s c i i 码就是 和校验值。 7 ) a c k ：正确标志，a s c 值：0 6 h 。n a k ：错误标志，a s c i i 值：1 5 h 。 8 ) s t x ：开始标志，a s c 值：0 2 h 。e t x ：结束标志，a s c i i 值：0 3 h 。 9 ) c r ，l f ：协议4 的信息帧结束标志符。c r 的a s c l l 值：o d h 。l f 的a s c i i 值：0 c h 。 3 3 三菱p l c 与上位机之间串行通讯的实现 3 3 1 通讯方式的选择 p l c 与上位机之间是以主从方式通讯的，即通讯的主动权在上位机，从 机没有请求发送权。由于信息出现的随机性，主机并不知道何时去读取，因 此，这种通讯方式会给实时系统带来一定的麻烦。在实际应用中一般有以下 三种通讯方法1 7 j ： ( 1 ) 查询方式 程序安排上位机定期读取下位机( p l c ) 有关信息。当监控点的状态发 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 生变化时，则采用相应的处理措施。这种方法最简单，易于实现( 硬件上不 需作改动) 。缺点是：为了满足系统的实时性，查询的速度须足够快，但是必 将加重通讯双方处理机的负担。反之速度放慢后通讯负担减轻，当会直接影 响系统的实时效果。总之，因每次通讯都有大量的信息要交换，涉及复杂的 数据处理，在监控点状态无变化时，会造成c p u 资源较大的浪费。 ( 2 ) 利用实时时钟中断读标的方式 在从机中建立一个通讯请求标志位。只有当监控点( 被监控对