物流系统机电设备工控网络.docx

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物流系统机电设备工控网络

摘要

进入20世纪90年代后，为了适应现代物流的发展趋势，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，与总线进行数据交换。

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，开放自己的网站来向服务客户介绍企业自身，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，结构简单。

S7-400与分布式I/O ET200S功能强、体积小，因此控制柜内部结构简单，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、安全性和可靠性，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基础。

关键词：

现场总线；可编程序控制器；S7-400；分布式I/O ET200S

1.绪论

1.1自动化控制技术的发展和展望

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，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部分的过程控制技术，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。

过程控制的发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部分单元组合式仪表（多数是气动式仪表）,其结构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基础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发展,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

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.计算机集中监督控制系统SCC（SupervisorComputerControlSystem）

   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行巡检,按照所设计的控制算法进行计算,计算出最佳设定值直接传递给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基础是现代控制理论，即多输入-多输出的多变量控制理论,克服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,保证系统稳定的监督控制等。

（3）集散式控制系统DCS（DistributedControlSystem）

DCS系统采用承担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行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基本问题，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（ComputerIntegrateProcessSystem）

   从过程控制系统发展的必要性和可能性来看过程控制系统必将朝综合化、智能化的方向发展，因此,以智能控制理论为基础,以计算机及网络为主要手段对企业的经营计划、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,基础控制层3部分组成，通讯技术以及计算机网络技术进行有机结合而发展起来的，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的重要技术和理论基础。

现场总线（FieldBus）就是顺应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展方向而发展起来的新技术，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基础。

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、信息技术的发速发展，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激烈，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，使企业了解接受市场并被市场了解与接受，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，与总线进行数据交换。

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，开放自己的网站来向服务客户介绍企业自身，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发展而产生的，它具有设备之间的分散性、集成性、互操作和互用性。

系统结构简单、投资成本低、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发展方向。

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行连接，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发展基础与前景的Profibus来构成本方案的控制网络。

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-DP

DP以DIN19245的第一部分为基础，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）进行通信，同这些分散的设备进行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-FMS

FMS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-PA

PA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，用于本质安全和现场供电的场合。

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；供用户选择服务多；集成、开放结构；

2.3Profibus的协议结构

Profibus协议以国际标准ISO7498开放系统互联网络OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型为基础，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协议结构示意图如图2.1所示：

FMS

DP

PA

用户层

FMS设备行规

DP行规

PA行规

DP扩展

DP基本功能

应用层

现场总线报文规范（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协议结构

（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，易达到本质安全的要求等。

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）。

1）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

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，新介入的主站必须加入令牌环。

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.广播通信，即主站向所有其他（包括主和从）发送信息；

c.有选择的广播通信，即主站向一组站（主和从）发送信息。

5）在Profibus-DP/-PA/-FMS中，分别使用了第二层服务的不同子集。

在FMS中，这些服务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，这种结构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的基本功能为基础，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），应用层由现场信息规范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服务；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、转速的反馈电压等。

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。

3.2.1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进行AC/DC转换，直接信号则直接进行V/I转换，输出标准的直流电流信号。

Vh=（RH/d）

I

B

f（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进行AC/DC变换，直流信号则直接进行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（=3.96847

10-31/℃）

B——系数（=-5.847

10-71/℃2）

C——系数（=-4.22

10-121/℃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。

3.2.2开关量的检测

采用开关量传感器对开关量进行检测。

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行测量。

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部分。

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，甚至停止振荡。

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的第一部分为基础，根据其需要达到的目标对通信功能加以扩充，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）进行通信，同这些分散的设备进行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行监控，从而达到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行监控，同时进行过程数据和信息传输，接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

根据物流系统结构及设备配置设计了控制系统。

控制系统框图见下图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