毕业设计（论文）900吨箱梁架桥机电气控制系统的设计

1、武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 i 摘摘 要要 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

2、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；plc；dcs；无线局域网；工业以太网 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 ii abstract seeing the dem

3、and 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 ari

4、ses 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-shang

5、hai 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 thi

6、s problem. at 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 system.then the paper introduced the technology that has been used

7、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 ethernet. the beijing-shanghai high-speed railway is a nation

8、al key project. because the project amount is great, time limit for a project is tense, it will form many bid section,many unit, many construction pattern that engineer order when it is begin to built.the demand for the equipment of setting a roof beam in place is relatively great. if the design of

9、large tonnage bridging machine is finished, it will support the construction of beijing-shanghai high-speed railway. keywords: bridging machine；plc；dcs；wireless lan；industrial ethernet 目目 录录 摘摘 要要.i abstract.ii 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 选题背景与意义.1 1.2 在国内外的研究动态.1 1.3 主要设计内容.2 第二章第二章 控制系统介绍控制系统介绍.4 1.1 分散控制系

10、统.4 2.2 以太网网络控制.8 2.3 控制系统的确定.9 第三章第三章 相关技术介绍相关技术介绍.11 3.1 plc 应用技术.11 3.2 西门子 s7-300 系列 plc 特性.13 3.3 变频器应用技术.15 3.4 无线局域网技术.18 3.5 工业以太网技术.21 第四章第四章 控制系统设计控制系统设计.23 4.1 架桥机结构形式.23 4.2 电气控制系统.25 4.3 系统可靠性的设计.28 第五章第五章 plcplc 通信网络的设计通信网络的设计.30 5.1 plc 通信网络概念.30 5.2 工业以太网技术的实现.31 5.3 架桥机无线通信模型的建立.35

11、5.4 架桥机无线局域网系统模型的实现.38 总结总结.40 致谢致谢.41 参考文献参考文献.42 附图附图.43 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 1 第一章第一章 绪绪论论 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

12、)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1。 1.11.1 选题背景与意义选题背景与意义 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 20m,24m,32m 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

13、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。 1.21.2 在国内外的研究动态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 nicol

14、a 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。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 2 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

15、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。 1.31.3 主要设计内容主要设计内容 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

16、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

17、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 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 3 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。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 4 第二章第

18、二章 控制系统介绍控制系统介绍 1.11.1 分散控制系统分散控制系统 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

19、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

20、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

21、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 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 5 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

22、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

23、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

24、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 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 6 等行政

25、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

26、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

27、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

28、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。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 7 (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

29、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、

30、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

31、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 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 8 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

32、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

33、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

34、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。 2.22.2 以太网以太网网络控制网络控制 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 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书

35、9 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 1000mb/s； (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

36、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 tcp/ip 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(csma/cd)，一般认为这种 协议不能满足控制系统的实时性要求。但 1000mb/s 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 csma/cd 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

37、，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

38、品的整体水平。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 10 2.32.3 控制系统的确定控制系统的确定 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

39、 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。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 11 第三章第三章 相关技术介绍相关技术介绍 3.13.1 plcplc 应用技术应用技术 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

40、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

41、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。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 12 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 a/d,

42、 d/a 转换功能，通过 i/o 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 i/o 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

43、 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

44、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 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 13 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 i/o 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，

45、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 12m/s， 传输媒体为屏蔽双线电缆(最长 9.6km)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 1.5km(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，pro

46、fibus 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。 3.23.2 西门子西门子 s7-300s7-300 系列系列 plcplc 特性特性 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

47、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 ifm,cpu313,cpu314,cpu315,cpu315-2dp 等中央处 武汉工程大学毕业设计(论文

48、)说明书 14 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, cpu314,cpu315 模块上不带 i/o 端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的 i/o 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 step7,step7 采用了模块化的程序设计方法,这也是其一大 特色。step7 用

49、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(fb,fc)、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

50、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(fb,fc)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

51、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 fc。 s7 cpu 还提供标准的系统功能块(sfb,sfc)，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 cp

52、u 中。不同的 cpu 提供不同的 sfb,sfc 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 15 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

53、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 l2,sinec 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

54、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 sio,din 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 i/o 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-tf,l2-fms,l2-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

55、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 i/o 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(ieee802.3)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 l00km,sinec h3 功能强大，能长距离传输不同网 络间的数据，

56、并且绝对安全可靠。 s7-300 系列 plc 有多种用途的通信模块。如:cp3340,cp342-5,cp343-fms 等，这些 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 16 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。 3.33.3 变频器应用技术变频器应用技术 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

57、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 u/f 控制到高调速性能矢量控制，但目前 u/f 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

58、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

59、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 scr,gto,igbt,igct 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 31okw 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 610kw 的设备用于抽水 蓄能电站。 武汉工程大学毕业设计(论文)说明书 17 (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(ds

60、p)，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)1 ()1 ( 60 1 1 sns n f p 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