基于PLC的小型船闸闸门监控系统设计.docx
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基于PLC的小型船闸闸门监控系统设计
吉林化工学院毕业设计说明书
基于PLC的小型船闸闸门监控系统设计
DesignofSmallNavigationLockGateMonitoringSystemBasedonPLC
学生学号:
********
*******
专业班级:
自动1001
*******
职称:
副教授
起止日期:
2014.03.04~2014.06.23
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
摘要
随着科技发展和社会进步,计算机监控技术已在我国的水利事业中被广泛应用于泵站监控、船闸监控、闸门监控、变电站监控等方面。
在船闸自动化监控方面,可编程控制器(PLC)技术较为成熟地应用使得船闸监控系统也逐渐趋于完善。
PLC具有可靠性高,开发周期短,使用操作方便、便于现场编程调试等特点。
在分析和研究船闸闸门自动监控流程和控制要求的基础上,确立控制方案,进行了硬件选型及组态。
应用Step7软件编写了船闸控制系统的程序,应用WinCC`软件组态上位机监控界面。
本设计遵循先进性、实用性、经济性的原则,实现以人为本的工作理念,并结合工艺特点、生产环境,实现了根据控制要求手动或自动启闭闸门、监测闸室及上下游水位、监测各闸门闸位、定开高启闭闸门、监测系统设备状态等功能。
从根本上减轻操作人员的劳动强度,增强工作效率,取得了良好的社会效益和经济效益。
关键词:
PLC;船闸闸门;自动监控系统;WinCC
Abstract
Withthedeepeningoftechnologyandthesocialprogress,thecomputercontroltechnologyhavebeenwidelyusedonpumpstationmonitoring,NavigationLockmonitoring,Gatemonitoringandtransformersubstationmonitoring.ThetechnologyofPLChavebeenmaturelyusedonthenavigationlockgateautomaticmonitoring.ThecharacteristicofPLCisthehighreliability,theshortconstructioncycle,expedientlyoperateandlivedebuggingconvenience.
Established controlprogramsonthebasisof analysis and research NavigationLockGateMonitoring processandcontrolrequirements.WrittentheprogramsforlockcontrolsystembasedonStep7.ApplicationWinCCconfigurationPCinterface.The designfollows theprinciples of advanced,practicalandeconomicalthatrealizedtheworkethicofpeople-oriented,combinedwiththe technologicalcharacteristicsandtheproductionenvironmentachieveopenandclosethegatebyoperationorautomatic,monitortheliftofeverylockgate,monitorthelocationoflockgate,setahightostartorstopthelockgate,monitorthesystemequipmentstateandsoon.Radicallyreducethelaborintensityandenhancetheworkefficiencyoftheoperator.Ithasachievedgood socialandeconomicbenefits.
KeyWords:
PLC;NavigationLockGate;AutomaticMonitoringSystem;WinCC
第1章绪论
1.1课题设计目的和意义
船闸一直是河道最常用的交通设施之一,近年来为了缩短船舶通行时间,提高河道通行效率,人们不断提高船闸控制系统的自动化控制水平。
随着科学技术的不断发展,对船闸自动化水平的要求越来越高。
对于传统的船闸而言,使用继电器控制逻辑电路,这种老式的方法早已不能满足现代工业和生活的需要。
PLC具有系统构成灵活、扩展容易、编程简单、计算能力强等优点。
基于PLC和WinCC技术船闸监控系统,能使管理人员有效地对船闸的运行工况进行自动监测、优化控制和集成管理,从而达到安全、高效的控制目标。
1.2国内外船闸发展史
中国是建造船闸最早的国家。
秦始皇三十三年(公元前214年)凿灵渠,设置陡门,又称斗门(今名闸门),用以调整斗门前后的水位差,使船舶能在有水位落差的航道上通行。
这种陡门构成单门船闸,简称单闸,又称半船闸。
现如今,我国在船闸的建设控制系统等理论和应用方面已经处于世界先进水平,尤其是在对三峡船闸的建设上,使世界船闸建设技术都能实现了一个大跨越,在解决三峡船闸一系列关键性技术难题,高品质、高水平地建成当今世界上规模和设计最大、技术难度最高的三峡双线五级船闸。
促进长江三角洲地区和沿岸经济全面进步的同时,在船闸技术中的诸多方面取得了很多突破和创新,为我国乃至世界对船闸技术创造和积累了丰富的经验,极大丰富了世界高坝通航船闸设计和建设技术的理论和实践。
而且船闸在改善通航条件、提高通航能力、灌溉、防洪,等方面都起到着重要的作用[1]。
在欧洲,单闸在12世纪首次出现于荷兰。
1481年意大利开始建造船闸。
20世纪后,在美国、苏联和西欧各国,由于河流的开发和航运的发展,船闸的数量逐渐增多,技术上也不断改进。
船闸按照所处位置可分为海船闸、河船闸和运河船闸。
船闸根据沿船闸轴线方向的闸室数目可分为单级船闸、双级船闸和多级船闸(又称单室船闸、双室船闸和多室船闸),以单级船闸使用最广。
目前线数最多的船闸是莱茵河上荷兰境内的福耳克腊克四线船闸。
除普通船闸外,还有一种省水船闸。
省水船闸是在船闸闸室的一侧或两侧建有贮水池,暂时贮存闸室泄水时泄出的部分水量,待闸室需要灌水时,再将贮存的水灌入闸室,以节省过闸用水量。
省水船闸一般建造在水源不足的地区,目前建造较少,主要为联邦德国所采用。
传统的船闸控制技术主要是以继电器逻辑控制为主,这种控制方案已经不能适应高可靠性、高自动化的要求。
PLC具有配置灵活、控制方式修改方便、动作准确可靠,并完全适应恶劣工业环境等优点。
今后船闸监控系统采用PLC控制技术是一种必然趋势。
之所以这么说因为PLC对元器件、电源、输入输出接口、结构设计等采取了严格措施,在软件上采用循环扫描、程序语法检查、故障检测与诊断及出错报警、保护数据、封锁输出及自动恢复等措施,使PLC的平均无故障时间达到了10万小时以上,非常适合于船闸的实际应用环境。
因此在对船闸的控制器件上选择PLC控制。
这也使管理人员有效地对船闸的运行工况进行自动检测、优化控制和集成管理,从而达到安全、高效、满足社会需求的目标。
随着自动化技术的发展,这种研究将得到越来越广泛地应用,而且这种研究具有重要的实用价值,它对于保障河道通道的畅通,及人民的生产和生活具有十分重要的意义并顺应时代发展的要求[2]。
1.3小结
本章节主要讲解船闸控制系统悠久的发展历史,其中船闸技术也在不断更新换代,为本设计的控制结构奠定基础。
第2章控制方案及软件介绍
2.1船闸控制系统介绍
船闸是由设有闸门和阀门的闸首、放置船舶的闸室、导引船舶入闸室的上游及下游引航道、为闸室灌水与泄水的输水系统,以及闸门与阀门的启闭机械和控制系统组成。
船舶自下游引航道向上游行驶过闸的程序是利用输水系统使室水位与下游引航道中的水位齐平,打开下闸首闸门,船舶驶入闸室,关闭下闸首闸门,向闸室灌水至水位与上游引航道水位齐平,打开上闸首闸门,船舶驶入上游引航道。
船舶自上游引航道驶向下游引航道时,其程序相反操作[3]。
2.1.1工作流程
船闸的工作流程主要分为两个过程:
上行过程和下行过程。
上行过程:
首先等待30秒,当下游水位与闸室的水位一致后,关闭下游阀门,下游闸门打开,船只进入闸室,当船只全部进入闸室后,关闭下游闸门,打开上游阀门,此时闸室处于充水状态,等闸室水位与上游水位一致后,关闭上游阀门,上游闸门打开,船只离开闸室,一段时间后山楂们关闭。
下行过程:
首先等待30秒,当上游水位与闸室的水位一致后,关闭上游阀门,上游闸门打开,船只进入闸室,当船只全部进入闸室后,关闭上游闸门,打开下游阀门,此时闸室处于充水状态,等闸室水位与下游水位一致后,关闭下游阀门,下游闸门打开,船只离开闸室,一段时间后下闸门关闭,临时通行时的流程与上面流程基本一致。
2.1.2控制方案
本系统的闸门是位于河道上的船闸,分为上下游两个闸首,每个闸首各由一个单孔闸门构成,为充分发挥工程效益和提高工程运行管理水平,建设闸门自动化监控系统。
监控系统要对上、下闸首闸门(启闭机等)进行控制,并控制通航指挥系统的上、下闸首的通航信号灯等设备;测量上游、下游及闸室水位置。
根据工程范围及系统要求达到的目标,本闸门自动化监控系统主要负责以下设备:
监控对象包括两套闸门启闭机设备、闸位计、4套通航灯设备、上下游及闸室水位计等。
2.1.3系统的组成
PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。
近几年,随着科学技术的不断进步,各行业对其生产设备和系统的自动化程度要求越来越高,采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着很重要的作用。
以PLC为控制单元的控制系统在船闸闸门自动监控系统中的应用是一种自动控制的趋势。
系统的组成设备及其作用:
PLC选用SIEMENS公司的S7-300系列:
CPU模块、信号模块、功能模块等组成。
PLC作为控制单元,是整个系统的控制核心。
其主要的作用要体现以下几方面:
1、完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换;
2、完成对整个系统的逻辑控制;
3、向计算机提供所采集及处理的数据,并执行计算机所发出的各种指令。
该系统采用三层网络结构:
1、现场级
处于网络的底层,作为控制核心的PLC以网络节点的形式挂接在工业以太网上。
现场的智能设备带有PROFIBUS总线接口如闸门位置测量所用的旋转编码器、荷重传感器等,通过PROFIBUS专用电缆,把生产现场的各种数据传送到PLC,另外一些模拟量和开关量信号,通过送入PLC的I/O模块。
经过处理后再输送给上层网。
2、监控级
主要有控制站内部局域网上互相联网的监控主机和服务器等,采用工业以太网,用于连接PIX、操作员站、工程师站等,传输介质为光纤,传输速率为10Mbps,抗干扰能力强,采用星型拓扑结构,其优点是任一条线路发生故障均不会影响其他线路的工作因而具有很高的可靠性,并且连接简单、安装方便。
3、管理级
处于网络的最上层,也称企业信息管理层,是联接上级管理部门内部信息网以及互联网的远程监控层,远程用户能够随时通过浏览器查询网络运行的状态以及现场设备的工作情况,对丁作现场实施实时远程监控,实现测、控、管一体化的企业综合自动化功能[4]。
2.2船闸工作流程
为充分发挥工程效益和提高工程运行管理水平,建设闸门自动化监控系统。
监控系统要对上、下闸首闸门进行控制,并控制通航指挥系统的上、下闸首的通航信号灯等设备,测量上游、下游及闸室水位置。
1、具体控制要求
船闸的工作流程分为上行和下行两部分,上行部分为:
(1)闸室水位与下游水位一致,下闸门打开,下闸首通行指示灯亮,船只进入闸室;
(2)船只完全进入闸室关闭下闸门,等待闸室水位与上游水位一直,打开上闸门,
上闸首通行指示灯亮,船只进入上游;
(3)船只完全进入上游,关闭上闸门。
下行过程为:
(1)水位与上游水位一致,上闸门打开,上闸首通行指示灯亮,船只进入闸室;
(2)全进入闸室,关闭上闸门,等待闸室水位与下游水位一致,打开下闸门,下闸首通行指示灯亮,船只进入下游;
(3)船只完全进入下游,关闭上闸门。
2、系统方案的设计
(1)确定I/O点,并选型;
(2)编写PLC的控制程序;
(3)利用组态软件实现对船闸闸门控制系统的监控组态;
(4)完成船闸闸门的模拟仿真测试。
3、根据要求绘制流程图,如图2-1所示。
图2-1控制系统设计流程图
2.3设计主要环境
1、硬件环境
IntelCorei5520MCPU+4G内存+320G硬盘+10/100M网卡。
2、软件环境
Windows7(64位)+IE9.0。
3、开发环境
Step7V5.5sp1+WinCC7.0SP3。
2.4PLC简介
2.4.1PLC的定义
可编程控制器,简称PLC,它是一种可以在很多种环境下使用而设计的可以进行数字和模拟量运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种采用微型计算机的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,并一步步的成为了工业控制的核心部分[5]。
2.4.2PLC的组成及描述
1、CPU
CPU是PLC的核心部分。
与通用微机CPU一样,CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。
(1)用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据,并存入输入映象寄存器或数据寄存器;
(2)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据;
(3)诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误;
(4)在PC进入运行状态后,执行用户程序、进行数据处理、更新输出状态。
2、存储器
(1)系统程序存储器
系统程序存储器是用来存放系统工作程序、模块化应用功能子程序、命令。
其内容不能由用户直接存取。
(2)用户存储器
用户存储器是用来存放用户程序。
即用户通过编程器输入的用户程序。
(3)功能存储器
功能存储器是用来存放用户数据。
3、I/O(输入/输出部件)
CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块,以及各种用途的I/O组件供用户选用。
(1)输入/输出电平转换;
(2)电气隔离;
(3)串/并行转换;
(4)数据传送;
(5)A/D、D/A转换;
(6)误码校验;
(7)其他功能模块。
2.4.3PLC的功能和特点
1、功能
(1)逻辑控制;
(2)定时控制;
(3)计数控制;
(4)步进(顺序)控制;
(5)PID控制、数据控制;
(6)PLC具有数据处理能力、通信和联网;
(7)其它PLC还有许多特殊功能模块,适用于各种特殊控制的要求,如定位控制模块、CRT模块。
2、特点
(1)可靠性高,抗干扰能力强;
(2)功能完善,适用性强;
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎;
(4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造五.体积小,重量轻,能耗低。
2.4.4PLC控制的优点
目前船闸自动监控系统使用的控制方法主要为PLC控制,继电器及单片机控制已经达不到生产生活的需要,PLC具有很多显著的优点:
1、可靠性
(1)PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。
它的连线打打减少,与此同时,系统的维修简单,维修时间短。
PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。
例如:
冗余的设计、断电保护、故障诊断和信息保护及恢复;
(2)PLC有较高的易操作性。
它具有编程简单,操作方便,维修容易等特点,一般不容易发生操作的错误;
(3)PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置,它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件,采用了精简化的编程语言,编程出错率大大降低。
2、易操作性
(1)PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
程序的输入直接可接显示,更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找,然后进行更改;
(2)PLC有多种程序设计语言可供使用。
用于梯形图与电气原理图较为接近。
容易掌握和理解;
(3)PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可以很快找到故障的部位。
3、灵活性
(1)PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程简单、使用而且易拓展;
(2)操作十分灵活方便,监视和控制变量十分容易[6]。
2.5WinCC监控软件简介
西门子视窗控制中心SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)是HMI/SCADA软件中的后起之秀,1996年进入世界工控监控软件市场,当年就被美国ControlEngineering杂志评为最佳HMI软件,以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统。
WinCC是一个现代化的系统,设计有独特而颇富吸引力的用户界面,可用于办公环境和制造业,以提供成熟和可靠的运行机制及高效的组态。
WinCC系统可以扩展,不管是简单任务还是复杂任务都能胜任。
它也是一个IT及商务集成的平台。
凭借西门子的全面服务和支持,WinCC可在全球范围内应用。
面市伊始,SIMATICWinCC就高屋建瓴,并保持高水平的创新:
一方面,它能在最初阶段就认识到即将到来的发展趋势并予以实现;另一方面,它将长期的产品开发策略集中在标准上,以保护用户的投资利益。
凭借这种战略思想,WinCC已发展成为工业标准和欧洲市场的领先者,在世界范围内也是数一数二的[7]。
WinCC具有模块化的结构,其基本组件是组态软件(CS)和运行软件(RT),并有许多WinCC选项和WinCC附加软件。
启动WinCC后,WinCC资源管理器随即打开。
WinCC资源管理器是组态软件的核心,整个项目结构都显示在WinCC资源管理器中。
从WinCC资源管理器中调用特定的编辑器,既可用于组态,也可对项目进行管理,每个编辑器分别形成特定的WinCC子系统[8]。
2.6Step7概述
Step7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。
它是SIMATIC工业软件的一部分。
应用在SIMATICS7-300/S7-400、SIMATICM7-00以及SIMATICC7上,可作为SIMATIC工业软件的软件产品中的一个扩展选项包,具有更广泛的功能。
1、功能模块和通讯处理器分配参数的时机;
2、强制模式与多值计算模式;
3、全局数据通讯;
4、使用通讯功能块进行的事件驱动数据传送;
5、组态连接[9]。
在S7系列PLC中,用户程序是由块组成的。
构成用户程序的块包括:
组织块、功能块、功能、数据块、系统功能块、系统功能。
组织块OB是操作系统和用户程序之间的界面。
操作系统只调用组织块,其他的程序块需要通过用户程序中的指令调用,操作系统才会加以处理。
其中最主要的组织块是OB1,这是操作系统自动做循环扫描的唯一的一个块。
其他的组织块包括启动组织块和各种中断组织块,均由操作系统在特定条件下调用,用户不可以用简单的指令调用组织块。
功能FC和功能块FB是用户程序中的主要逻辑操作块。
主要的控制、运算、操作等均由FC和FB来完成。
组织块负责安排FC和FB的调用条件和调用顺序。
系统功能块SFB和系统功能SFC本质上就是FB和FC,只是它们的作者是西门子公司。
SFB和SFC通常用于完成一些通用的功能,如读写实时时钟、设置参数、数据通信等。
数据块DB用于记录数据。
在数据块中只有数据没有程序。
但数据块占用程序容量。
按使用方法,数据块可分为全局(共享)数据和背景(伴随)数据块两种[10]。
2.7MPI通信协议
MPI标准化涉及到大约60个国家的人们,他们主要来自于美国和欧洲的40个组织,这包括并行计算机的多数主要生产商,还有来自大学、政府实验室和工厂的研究者们。
标准化开始于分布存储环境中消息传递标准的讨论会,这个会议是由并行计算研究中心支助的,于一九九二年四月二十九日至三十日在威吉尼亚,威廉姆斯堡召开。
会议上讨论了标准消息传递的必要的、基本的特点,并建立了工作组继续进行标准化工作。
由Dongarra,Hempel,Hey和Walker建议的初始草案MPI于一九九二年十一月推出,并在一九九三年二月完成了修订版[12]。
在威廉姆斯堡讨论会上认定的消息传递标准必须的主要特点都包括在MPI1中。
因为MPI的基本目的就是促进讨论并继续此项工作,所以它主要集中在点对点的通信。
虽然MPI引出了一些重要标准化讨论的前沿,但它并没有包括任何集合通信程序,也没线索-安全。
于一九九二年十一月MPI工作组在明尼阿波利斯召开会议,决定以更形式化的角度继续标准化过程,一般地采用高性能Fortran专题讨论的过程和组织。
对这个标准的各主要组成部分建立分组委员会,并为各分组建立一个电子信件讨论设施。
而且设立目标:
到一九九三年秋产生MPI草案。
为达到这个目标,MPI工作组在一九九三年前九个月每隔六个星期讨论两天,后来于一九九三年十一月在九三年的超计算会议上提出了MPI标准草案。
这些会议和电子信件讨论组成了MPI专题会,该会员资格对高性能计算学会全体成员开放[11]。
建立消息传递标准的主要优点是可移植性和易于使用。
以低级消息传递程序为基础的较高级和(或)抽象程序所构成的分布存储通信环境中,标准化的效益特别明显。
而且,正象这儿所建议的,消息传递标准的定义能提供给生产商清晰定义的程序库,以便他们能有效地实现这些库或在某些情况下为库程序提供硬件支持,因此加强了可扩展性。
简单地说,这个消息传递接口(MPI)的目的是为编写消息传递程序而开发的广范使用的标准。
象这个接口一样,应为消息传递建立一个实际的、可移植的、有效的和灵活的标准。
全部目标如下:
设计一个应用编程接口(不必为编译器或一个系统实现库)。
允许有效的通信:
避免存储器到存储器的拷贝,而允许计算和通信的重叠,尽可能给通信协同处理器卸载。
对于接口允许方便的C语言和Fortran77联接。
设定一个可靠的通信接口:
用户不必处理通信失败。
这些失败由基本的通信子系统处理。
定义一个接口,并非不同于现在的实践,如:
PVM,NX,Express,p4等,还提供更大灵活性的扩展。
定义一个接口,它能在基本的通信和系统软件无重大改变时,在许多生产商的平台上实现。
接口的语义是独立于语言的。
接口应设计成允许线索-安全(thread-safety)。
对MPI的定义是多种多样的,但不外乎下面三个方面,它们限定了MPI的内涵和外延。
1、MPI是一个库,而不是一门语
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