畢業(yè)設(shè)計（論文）900噸箱梁架橋機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘摘 要要 鑒于我國鐵路基礎(chǔ)建設(shè)特別是高速鐵路及客運專線施工的要求，大量采用新技術(shù)， 新工藝，以提高鐵路施工的整體水平，鐵路整孔箱梁應(yīng)運而生，解決大噸位箱梁的架設(shè) 和運輸就成為急需解決的問題。架橋設(shè)備需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的要求及施工的需要進行設(shè) 計制造，由于京滬高速鐵路預(yù)制箱梁尺寸及架設(shè)噸位的增大，以往國內(nèi)的架橋設(shè)備已不 能滿足京護高速鐵路工程建設(shè)的需要，因此迫切需要結(jié)合京滬高速鐵路工程特點，設(shè)計 出適用于京滬高速鐵路工程的高噸位架橋機的電控系統(tǒng)。本論文中 900 噸箱梁架橋機電 氣控制系統(tǒng)的設(shè)計就是為了解決這一問題而提出的。 本文首先根據(jù)自動控制中的兩種控制結(jié)構(gòu)-分散控制系統(tǒng)(dcs)和工業(yè)以太

2、網(wǎng)系統(tǒng)， 結(jié)合架橋機的電氣控制要求，組建混合型系統(tǒng)。然后介紹了架橋機電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用 到的相關(guān)技術(shù)。其中主要闡述了西門子公司 plcs7-300 的特點，變頻器的應(yīng)用技術(shù)，無 線局域網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。 京滬高速鐵路屬于國家重點工程，由于工程量大、工期相對緊張，因此一旦開始修 建，必將形成多標(biāo)段、多單位、多工點的施工格局，架梁設(shè)備的需求量較大。所以，大 噸位架橋機的設(shè)計完成將有效的支持京滬高速鐵路的建設(shè)。 關(guān)鍵詞:架橋機；plc；dcs；無線局域網(wǎng)；工業(yè)以太網(wǎng) abstract seeing the demand of the capital construction of railwa

3、y 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 arises at the historic moment. it becomes th

4、e 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-shanghai high-speed railway is increasing, the

5、 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 this problem. at first in this text accordin

6、g 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 in the electrical control system. among t

7、hem 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 national key project. because the project amoun

8、t 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 large tonnage bridging machine is finishe

9、d, it will support the construction of beijing-shanghai high-speed railway. keywords: bridging machine；plc；dcs；wireless lan；industrial ethernet 目目 錄錄 摘摘 要要.i abstract.ii 第一章第一章 緒緒 論論.1 1.1 選題背景與意義.1 1.2 在國內(nèi)外的研究動態(tài).1 1.3 主要設(shè)計內(nèi)容.2 第二章第二章 控制系統(tǒng)介紹控制系統(tǒng)介紹.4 1.1 分散控制系統(tǒng).4 2.2 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制.8 2.3 控制系統(tǒng)的確定.9 第三章第三章 相關(guān)

10、技術(shù)介紹相關(guān)技術(shù)介紹.11 3.1 plc 應(yīng)用技術(shù).11 3.2 西門子 s7-300 系列 plc 特性.13 3.3 變頻器應(yīng)用技術(shù).15 3.4 無線局域網(wǎng)技術(shù).18 3.5 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù).21 第四章第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計.23 4.1 架橋機結(jié)構(gòu)形式.23 4.2 電氣控制系統(tǒng).25 4.3 系統(tǒng)可靠性的設(shè)計.28 第五章第五章 plcplc 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計.30 5.1 plc 通信網(wǎng)絡(luò)概念.30 5.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的實現(xiàn).31 5.3 架橋機無線通信模型的建立.35 5.4 架橋機無線局域網(wǎng)系統(tǒng)模型的實現(xiàn).38 總結(jié)總結(jié).40 致謝致謝.41 參考

11、文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).42 附圖附圖.43 第一章第一章 緒緒論論 我國高速鐵路建設(shè)已醞釀多年，鐵道部就其模式進行了一系列的研討,規(guī)劃和設(shè)計。 秦沈客運專線的建設(shè)，標(biāo)志著我國鐵路建設(shè)邁入一個新的里程碑，拉開了我國高速鐵路 建設(shè)的序幕，取得了有益的經(jīng)驗。 結(jié)合中國國情，我國高速鐵路橋梁及其架設(shè)的特點將是: (1)既有連續(xù)多孔的特大橋，也有較多的一座橋只有幾孔梁的中小橋，中小橋多數(shù)是 斷斷續(xù)續(xù)地沿線散布，且同一座橋中的跨度也可能有變化。這些都對高速鐵路運架設(shè)備 提出了更高的要求。 (2)以預(yù)制的 32m 及以下跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為主。 (3)為保證線路滿足行車需要，采用先架后鋪作業(yè)方式，架梁設(shè)備在沒有鋪

12、設(shè)線路的 路基上運送架設(shè)箱梁。 高速鐵路 900 噸級箱梁運架設(shè)備有兩部分組成：行走式架橋機和輪胎式運梁車1。 1.11.1 選題背景與意義選題背景與意義 擬建中的京滬高速鐵路全線總長 1320km，全線橋梁總數(shù) 840 余座，橋梁累計延長線 720km 以上，主要采用雙線整孔預(yù)制簡支箱梁(占橋梁總長的 60%左右)，需要使用架橋機 架設(shè)的箱梁主要有 20m,24m,32m 三種形式，最小梁重 511t，最大梁重 832t。 隨著高速鐵路的發(fā)展，架橋設(shè)備需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的要求及施工需要進行設(shè)計制造， 設(shè)備全方位適應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)需要。由于京滬高速鐵路預(yù)制箱梁尺寸及架設(shè)噸位的增大， 以往國內(nèi)的架橋設(shè)

13、備已不能滿足京滬高速鐵路工程建設(shè)的需要，因此迫切需要結(jié)合京滬 高速鐵路工程特點，設(shè)計出適用于京滬高速鐵路工程的多種型式的高噸位架橋機。 1.21.2 在國內(nèi)外的研究動態(tài)在國內(nèi)外的研究動態(tài) 我國現(xiàn)有各種型式，各種噸位的鐵路架橋機 50 余臺，可分為 t 梁和箱梁架橋機兩大 類。在秦沈客運專線上使用的八臺箱梁運架設(shè)備中，單線箱梁和雙線箱梁架橋機各四臺， 最大起吊能力為 600 噸，從結(jié)構(gòu)型式上可分為邁步式，下導(dǎo)梁式、運架一體式及拼裝式 架橋機，其中運架一體機為意大利 nicola 公司生產(chǎn)，此外，在國外使用的還有導(dǎo)梁式架 橋機。 目前國際上具有代表性的高速鐵路架橋機有三種形式:步履式，導(dǎo)梁式和運架

14、一體式。 這三種形式的架橋機各具特色，有各自的針對性和適應(yīng)性。運架一體式運架作業(yè)程序為 順序式，整機高度低，集運梁、架梁于一身，但導(dǎo)梁縱移在吊梁公況下進行，需要較大 的驅(qū)動力，同時增加了作業(yè)的不安全因素。步履式、導(dǎo)梁式運梁、架梁為平行作業(yè)。導(dǎo) 梁式架橋機架設(shè)一座橋首孔梁和末孔梁需要安裝、拆卸導(dǎo)梁，工地橋間施工轉(zhuǎn)移時也需 拆除導(dǎo)梁，輔助作業(yè)時間較長，施工不便利。而步履式架橋機過跨作業(yè)簡便，可以方便 地架設(shè)一座橋的首孔梁和末孔梁，對墩臺無特殊要求，不僅適合架設(shè)箱梁集中的長大橋， 也適合橋群分散的中小橋及變跨橋的施工。 1.31.3 主要設(shè)計內(nèi)容主要設(shè)計內(nèi)容 結(jié)合京滬高速鐵路工程的特點，確定了高速鐵

15、路架橋機電氣系統(tǒng)設(shè)計的基本原則： (1)整機性能好，滿足京滬高速鐵路箱梁架設(shè)施工要求，技術(shù)性能達(dá)到國內(nèi)先進水平； (2)設(shè)備自動化程度高，施工安全可靠； (3)采用成熟技術(shù)，符合中國國情，能夠在國內(nèi)自行制造； (4)現(xiàn)場維護保養(yǎng)方便； (5)造價低。 目前國際上具有代表性的高速鐵路架橋機有三種形式:步履式，導(dǎo)梁式和運架一體式。 這三種形式的架橋機各具特色，有各自的針對性和適應(yīng)性。運架一體式運架作業(yè)程序為 順序式，整機高度低，集運梁、架梁于一身，但導(dǎo)梁縱移在吊梁公況下進行，需要較大 的驅(qū)動力，同時增加了作業(yè)的不安全因素。步履式、導(dǎo)梁式運梁、架梁為平行作業(yè)。導(dǎo) 梁式架橋機架設(shè)一座橋首孔梁和末孔梁需

16、要安裝、拆卸導(dǎo)梁，工地橋間施工轉(zhuǎn)移時也需 拆除導(dǎo)梁，輔助作業(yè)時間較長，施工不便利。而步履式架橋機過跨作業(yè)簡便，可以方便 地架設(shè)一座橋的首孔梁和末孔梁，對墩臺無特殊要求，不僅適合架設(shè)箱梁集中的長大橋， 也適合橋群分散的中小橋及變跨橋的施工。 根據(jù)架橋機電氣控制的要求，整個架橋機電氣部分由一號柱、二號柱、三號柱、一 號起重小車、二號起重小車、運梁車等六個子系統(tǒng)組成2。所有操作通過屏幕和遙控器 統(tǒng)一進行，主屏幕將實時同步顯示系統(tǒng)關(guān)鍵點數(shù)據(jù)及電氣系統(tǒng)本身各部分的工作狀態(tài)， 監(jiān)控各項安全保護參數(shù)的動態(tài)變化。每個子系統(tǒng)為一個工作站，每個工作站的系統(tǒng)都由 plc 進行控制。各個子系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)和 iom

17、 以太工業(yè)局域網(wǎng)連接組成一個完整的混 合型系統(tǒng)。 本文通過研究無線通信系統(tǒng)中的傳輸方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，建立 了適合架橋機的無線通信系統(tǒng)模型，并闡述了該模型的實現(xiàn)方法。在系統(tǒng)設(shè)計中根據(jù)對 工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，采用了全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)來解決通信的實時性和確 定性問題，使用交換式集線器擴大網(wǎng)絡(luò)帶寬，進一步保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性。 第二章第二章 控制系統(tǒng)介紹控制系統(tǒng)介紹 1.11.1 分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的控制規(guī)模不斷擴大，復(fù)雜程度不斷增 加，工藝過程不斷強化，因而對過程控制和生產(chǎn)管理系統(tǒng)提出了越來越高的要求。面臨 著日趨激烈的市場競

18、爭，我們的工業(yè)生產(chǎn)過程正處于一個由勞動力密集型、設(shè)備密集型、 信息密集型到知識密集型的轉(zhuǎn)變過程。在這一過程中，以計算機為基礎(chǔ)而構(gòu)成的控制、 管理、決策系統(tǒng)無疑起著非常重要的作用。而分散型控制系統(tǒng)(distributed control system，簡稱 dcs),正是在這種背景下產(chǎn)生的，它是繼直接作用式氣動儀表、氣動單元 組合儀表、電動單元組合儀表和組件組裝式儀表之后的新一代控制系統(tǒng)。 國外稱分散控制系統(tǒng)為 4c 技術(shù)的產(chǎn)物。這 4c 技術(shù)就是指控制(control)技術(shù)、計算 機(computer)技術(shù)、通信(communication)技術(shù)和 crt(cathode ray tube)顯

19、示技術(shù)。分 散控制系統(tǒng)就是以大型工業(yè)生產(chǎn)過程及其相互關(guān)系日益復(fù)雜的控制對象為前提，從生產(chǎn) 過程綜合自動化的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)工程中分解與協(xié)調(diào)的原則研制開發(fā)出來的，以微 處理機為核心，結(jié)合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和 crt 顯示技術(shù)的新型控制系統(tǒng)。 分散控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)。它以多層計算機網(wǎng)絡(luò)為 依托，將分布在全廠范圍內(nèi)的各種控制設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接在一起，實現(xiàn)各部分的 信息共享和協(xié)調(diào)工作，共同完成各種控制、管理及決策功能。典型的分散控制系統(tǒng)包括 四層:現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級和管理級。對應(yīng)著這四層結(jié)構(gòu)，分別由四層計算機網(wǎng)絡(luò)即 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò) fnet(field network

20、)、控制網(wǎng)絡(luò) cnet(control network)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) snet(supervision network)和管理網(wǎng)絡(luò) mnet(management network)把相應(yīng)的設(shè)備連接在 一起3。 現(xiàn)場設(shè)備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場級設(shè)備是各類傳感器,變送器和 執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號。例如 4-20ma 的電信號(一般變 送器)或符合現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字信號(現(xiàn)場總線變送器)，送往控制站或數(shù)據(jù)采集站，或 者將控制站輸出的控制量(4-20ma 的電信號或現(xiàn)場總線數(shù)字信號)轉(zhuǎn)換成機械位移，帶動 調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制?？刂萍壷饕蛇^程控制站和數(shù)

21、據(jù)采集站構(gòu)成。一般 在電廠中，把過程控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設(shè)備室中。過程 控制站接受由現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、變送器來的信號，按照一定的控制策略計算出所需 的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去。過程控制站可以同時完成連續(xù)控制、順序控制 或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能。數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似， 也接受由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并對其進行一些必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到分散型控制 系統(tǒng)的其他部分，主要是監(jiān)控級設(shè)備中去。數(shù)據(jù)采集站接受大量的過程信息，并通過監(jiān) 控級設(shè)備傳遞給運行人員。數(shù)據(jù)采集不直接完成控制功能，這是它與過程控制站的主要 區(qū)別。 監(jiān)控級的主要設(shè)備有運行員操

22、作站、工程師工作站和計算站。其中運行員操作站安 裝在中央控制室，工程師工作站和計算站一般安裝在電子設(shè)備室。 運行員操作站是運行員與分散型控制系統(tǒng)相互交換信息的人機接口設(shè)備。運行人員 通過運行員操作站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。運行人員可以在運行員操作站上觀察生 產(chǎn)過程的運行情況，讀出每一個過程變量的數(shù)值和狀態(tài)，判斷每個控制回路是否工作正 常，并且可以隨時進行手動/自動控制方式的切換，修改給定值，調(diào)整控制量，操作現(xiàn)場 設(shè)備。以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預(yù)。另外還可以打印各種報表，拷貝屏幕上的畫面和曲線 等。 為了實現(xiàn)以上功能，運行員操作站是由一臺具有較強圖形處理功能的微型機，以及 相應(yīng)的外部設(shè)備組成，一般

23、配有 crt 顯示器、大屏幕顯示裝置、打印機、拷貝機、鍵盤、 鼠標(biāo)或球標(biāo)。 工程師工作站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進行配制、組態(tài)、調(diào)試、維護所設(shè) 置的工作站。工程師工作站的另一個作用是對各種設(shè)計文件進行歸類和管理，形成各種 設(shè)計文件，例如，各種圖紙、表格等。工程師工作站一般由 pc 機配制一定數(shù)量的外部設(shè) 備所組成，例如打印機、繪圖機等。 計算站的主要任務(wù)是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，例如機組運行優(yōu)化和性能計算， 先進控制策略的實現(xiàn)等。由于計算站的主要功能是完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運算功能，因 此，對它的要求主要是運算能力和運算速度。一般，計算站由超級微型機或小型機構(gòu)成。 機組運行優(yōu)化也可以由一

24、套獨立的控制計算機和優(yōu)化軟件構(gòu)成，只是在機組控制網(wǎng) 絡(luò)上設(shè)一接口，利用優(yōu)化軟件的計算結(jié)果去改變控制系統(tǒng)的給定值或偏置。 管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發(fā)電廠的廠級管理計算機， 也可能是若千個機組的管理計算機。它所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師、值長 等行政管理或運行管理人員。廠級管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況， 利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理 人員進行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)4。 對管理計算機的要求是能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)。大量數(shù)據(jù)的 高速處理與存儲，能夠連續(xù)進行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長

25、期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且 具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件， 人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計算機的集 成化。 由于分散控制系統(tǒng)采用了先進的計算機控制技術(shù)和分級分散式的體系結(jié)構(gòu)，所以與 常規(guī)控制系統(tǒng)和集中式計算機控制系統(tǒng)相比，它具有很多優(yōu)點。下面討論下分散控制系 統(tǒng)的特點5。 (1)適應(yīng)性和擴展性 分散控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用了常規(guī)控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法，無論是硬件還是一 軟件都可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要去靈活地加以組合。對于小規(guī)模的生產(chǎn)過程，可以只用 一、兩個過程控制站或數(shù)據(jù)采集站，配以簡單的人機接口裝置，即可以實現(xiàn)生產(chǎn)過

26、程的 直接數(shù)字控制。對于大規(guī)模的生產(chǎn)過程，可以采用幾十個、甚至上百個過程控制站或數(shù) 據(jù)采集站以及各種實現(xiàn)優(yōu)化控制任務(wù)的高層計算站和運行員操作站、工程師工作站等人 機接口設(shè)備，組成一個具有管理和控制功能的大型分級計算機控制系統(tǒng)，這一點，集中 式計算機控制系統(tǒng)是無法做到的。一個按照小規(guī)模生產(chǎn)過程設(shè)計的集中式計算機控制系 統(tǒng)，由于主機存儲容量、運算速度和帶外部設(shè)備能力等諸多因素的限制，很難把它應(yīng)用 于大規(guī)模生產(chǎn)過程中。同樣，一個按照大規(guī)模生產(chǎn)過程設(shè)計的集中式計算機控制系統(tǒng)， 如果將其用于小規(guī)模的生產(chǎn)過程，則會造成巨大的浪費。 模塊化設(shè)計方法帶來的另一個優(yōu)點是系統(tǒng)的擴展性。分散控制系統(tǒng)可以隨著生產(chǎn)過

27、程的不斷發(fā)展，逐漸擴充系統(tǒng)的硬件和軟件，以期達(dá)到更大的控制范圍和更高的控制水 平。分散控制系統(tǒng)的可擴展性具有兩個明顯的特征:一個是它的遞進性，即擴充新的控制 范圍或控制功能時，并不需要摒棄己有的硬件和軟件；另一個是它的整體性，也就是說， 分散控制系統(tǒng)在擴展時，并不是讓新擴充的部分形成一個與原有部分毫無聯(lián)系的孤島， 而是通過通信網(wǎng)絡(luò)把它們聯(lián)系起來，形成一個有機的整體。這一點對于現(xiàn)代化的大型工 業(yè)生產(chǎn)過程來說尤為重要。 (2)控制能力 常規(guī)控制系統(tǒng)的控制功能是用硬件實現(xiàn)的，因而要改變系統(tǒng)的控制功能，就要改變 硬件本身，或者改變硬件之間的連接關(guān)系。在分散控制系統(tǒng)中，控制功能主要是由軟件 實現(xiàn)的，因此

28、它具有高度的靈活性和完善的控制能力。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)控制系統(tǒng)的 各種控制功能，而且還能完成各種復(fù)雜的優(yōu)化控制算法和各種邏輯推理及邏輯判斷。它 不但保持了數(shù)字控制系統(tǒng)的全部優(yōu)點，而且還解決了集中式計算機控制系統(tǒng)由于功能過 分集中所造成的可靠性太低的問題。因此，它的控制能力是常規(guī)控制系統(tǒng)所不可比擬的。 (3)人機聯(lián)系手段 分散控制系統(tǒng)具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更先進的人機聯(lián)系手段，其中最重要的一點，就 是一采用了 crt 圖形顯示和鍵盤操作。人機聯(lián)系手段按照信息的流向分為“人-過程” 聯(lián)系和 “過程-人”聯(lián)系。在常規(guī)控制系統(tǒng)中， “人-過程”聯(lián)系是通過各種操作器、 定值器、開關(guān)和按鈕等設(shè)備實現(xiàn)的，運行人

29、員通過這些設(shè)備調(diào)整和控制生產(chǎn)過程;“過程 -人”聯(lián)系是通過各種顯示儀表、記錄儀表、報警裝置、信號燈等設(shè)備實現(xiàn)的，運行人 員通過它們了解生產(chǎn)過程的運行情況。所有這些傳統(tǒng)的人機聯(lián)系設(shè)備都是安裝在控制盤 或者控制臺上的。當(dāng)生產(chǎn)過程的規(guī)模比較大、復(fù)雜程度比較高時，這些設(shè)備的數(shù)量會迅 速增加，甚至達(dá)到令人無法應(yīng)付的程度。 在分散控制系統(tǒng)中，由于采用了 crt 顯示和鍵盤操作技術(shù)，人機聯(lián)系手段得到了根 本的改善。 “過程-人”的信息直接顯示在 crt 屏幕上，運行人員可以隨時調(diào)用他所關(guān)心 的顯示畫面來了解生產(chǎn)過程中的情況，同時，運行人員還可以通過鍵盤輸入各種操作命 令，對生產(chǎn)過程進行干預(yù)。由此可見，在分散

30、控制系統(tǒng)中所有的過程信息都被“濃縮” 在 crt 屏幕上，所有的操作過程也都“集中”在鍵盤上。因此，分散控制系統(tǒng)的人機聯(lián) 系手段是雙向集中的。除上述特點之外，分散控制系統(tǒng)還具有人機聯(lián)系一致性比較好的 特點，因為鍵盤操作使許多操作過程得到統(tǒng)一，而遵循統(tǒng)一的操作規(guī)律是防止誤操作的 有力措施。 (4)可靠性 分散控制系統(tǒng)的可靠性比以往任何一種控制系統(tǒng)的可靠性都要高，這主要反映在以 下幾方面: 1)由于系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個過程控制站僅控制少數(shù)幾個控制回路，個別回路 或單元故障不會影響全局，而且元器件的高度集成化和嚴(yán)格的篩選有效地保證了控制系 統(tǒng)的可靠性。 2)分散控制系統(tǒng)廣泛地采用了各種冗余技術(shù)，

31、例如，對電源、通信系統(tǒng)、過程控制 站等都采用了冗余技術(shù)。盡管常規(guī)控制系統(tǒng)也可以采用某些冗余措施，但由于其故障判 斷和系統(tǒng)切換都不易處理，所以常規(guī)控制系統(tǒng)的冗余往往只限于變送器或操作器。分散 控制系統(tǒng)由于采用了計算機技術(shù)，因此上述問題很容易得到解決。原則上說，分散控制 系統(tǒng)中的任何一個組成部分都可以采用冗余措施，這樣就為設(shè)計出高可靠性的系統(tǒng)創(chuàng)造 了條件。 3)分散控制系統(tǒng)采用軟件模塊組態(tài)方法形成各種控制方案，取消了常規(guī)系統(tǒng)中各種 模件之間的連接導(dǎo)線，因此，大大地減少了由連接導(dǎo)線和連接端子所造成的故障。 (5)可維修性 可維修性反映了系統(tǒng)不見發(fā)生故障后對其進行維修的難易程度?？删S修性差的系統(tǒng) 需要

32、較長維修時間和較高的維修費用。常規(guī)控制系統(tǒng)的可維修性最差。由于它的部件種 類繁多，穩(wěn)定性較差，又缺少必要的診斷功能，所以維修工作十分困難。集中式計算機 控制系統(tǒng)的可維修性比常規(guī)控制系統(tǒng)要好些，但由于它有一個龐大的、相互關(guān)聯(lián)十分密 切的硬件和軟件系統(tǒng)，所以也要求維修人員具有較高的技術(shù)水平。分散控制系統(tǒng)的可維 修性明顯優(yōu)于上述兩類系統(tǒng)。它采用少數(shù)幾種統(tǒng)一設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)模件，每一種模件包含的 硬件比較簡單。因為整個系統(tǒng)的控制功能不是由一臺計算機包攬，而是由許多微處理機 分別完成的，每臺微處理機只擔(dān)負(fù)著少數(shù)的控制任務(wù)，因此對它的要求并不很高。另外， 分散控制系統(tǒng)采用了比較完善的在線故障診斷技術(shù)，大多數(shù)系統(tǒng)

33、的故障診斷定位準(zhǔn)確度 都可以達(dá)到模件級。通過各種人機接口設(shè)備，運行員或工程師能夠迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備故 障的性質(zhì)和地點，并且可以在不中斷被控過程的情況下更換故障模件。 在分散控制系統(tǒng)中，控制方案的實現(xiàn)主要靠軟件功能塊的連接，因此大大地減少了 模件之間的連線。另外，過程控制站可以采用地理分散的方式安裝在被控過程的附近， 這樣就大大地減少變送器、傳感器和執(zhí)行器與控制系統(tǒng)之間的連接電纜，不僅節(jié)省了導(dǎo) 線、電纜的安裝敷設(shè)費用，而且減少了控制系統(tǒng)在中央控制室所占用的空間。根據(jù)有關(guān) 資料介紹，分散控制系統(tǒng)的安裝工作量僅為常規(guī)控制系統(tǒng)的 30%-50%，而控制室建筑面積 僅為常規(guī)控制系統(tǒng)的 60%左右?？梢姴捎?/p>

34、分散控制系統(tǒng)所取得的經(jīng)濟效益是十分顯著的。 2.22.2 以太網(wǎng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)控制 工業(yè)自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展越來越分散化，同時系統(tǒng)越來越復(fù)雜內(nèi)部的連接 越來越高速化與緊密化。由于系統(tǒng)細(xì)分成了獨立的控制孤島，對驅(qū)動器和用戶接口的需 求越來越多。分布式實時控制的前提及其確定性的概念是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其性能至少要 高于現(xiàn)行的現(xiàn)場總線。這也是為什么傳統(tǒng)的 plc 技術(shù)不能滿足這一要求，現(xiàn)場總線技術(shù) 也不能提供相關(guān)的性能。在所有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以太網(wǎng)技術(shù)是至今最理想的選擇，它能 滿足如下的所有要求: (1)充分考慮今后的發(fā)展需要，具有高傳輸速率，目前到 1000mb/s； (2)高傳輸安全性和可靠

35、性，集線器技術(shù)的確定性； (3)幾乎不需考慮網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； (4)傳輸物理介質(zhì):雙絞線、光纖、同軸電纜； (5)集線器的應(yīng)用可不需考慮網(wǎng)絡(luò)的擴展； (6)建立一種標(biāo)準(zhǔn)，一個新的工控總線標(biāo)準(zhǔn)； (7)與 it 連接， “世界標(biāo)準(zhǔn)”的 tcp/ip 技術(shù)的應(yīng)用； (8)在整個網(wǎng)絡(luò)中的隨機網(wǎng)絡(luò)存取技術(shù)； (9)低成本高性能面向未來的開發(fā)。 雖然以太網(wǎng)采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議(csma/cd)，一般認(rèn)為這種 協(xié)議不能滿足控制系統(tǒng)的實時性要求。但 1000mb/s 的以太網(wǎng)己開始廣泛應(yīng)用，千兆以太 網(wǎng)產(chǎn)品也已出現(xiàn)。而且以太網(wǎng)交換技術(shù)的出現(xiàn)，通過全雙工交換技術(shù)，可以較好的避免 csma/

36、cd 中的碰撞，并且可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級機制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用和最好的 實時性能5。 在工業(yè)控制現(xiàn)場，能否將以太網(wǎng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的底層完全替代現(xiàn)場總線，目前 還處于研究和討論階段。普遍以太網(wǎng)向下延伸到工業(yè)現(xiàn)場，面臨一系列的技術(shù)難題，如 確定性、實時性、安全性、抗干擾能力，還有現(xiàn)場設(shè)備的供電問題、網(wǎng)線的物理性能提 高等?？傊蕴W(wǎng)有其優(yōu)勢，也有其技術(shù)上的缺陷，它的研究方向應(yīng)在盡可能地保留原 有協(xié)議的基礎(chǔ)上，加入實時性控制措施。工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域新的研究熱點。 盡管它現(xiàn)在還有許多不成熟的地方，但它巨大的應(yīng)用前景吸引著眾多研究機構(gòu)和公司進 行研究探索。我國在現(xiàn)場總線的研究方面落后于

37、國際水平，對工業(yè)以太網(wǎng)的研究可以使 我們與國際工業(yè)控制的研究方向接軌。當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)形成的時候，我們就可 以迅速推出自己的產(chǎn)品，提高我國工業(yè)控制總線產(chǎn)品的整體水平。 2.32.3 控制系統(tǒng)的確定控制系統(tǒng)的確定 20 世紀(jì) 80 年代中期發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)，可以突破 dcs 中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的 封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn) 化的解決方案，所以近年來出現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)熱潮。其結(jié)果是世界各大 公司開發(fā)了各種各樣的現(xiàn)場總線，號稱開放的現(xiàn)場總線也有 44 多種，現(xiàn)場總線的國際標(biāo) 準(zhǔn) iec61158 也包含了 8 種之多，形成了多種

38、現(xiàn)場總線并存的局面。但是，這些現(xiàn)場總線 之間大部分不能實現(xiàn)互操作，現(xiàn)場總線技術(shù)也不能為企業(yè)提供從現(xiàn)場控制層到管理層的 全面信息集成，而且現(xiàn)場總線較低的通信速率也不能滿足工業(yè)控制越來越多的數(shù)據(jù)交換 的需要6。 本課題中的控制系統(tǒng)選用以工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和 dcs 系統(tǒng)組成混合型系統(tǒng)，為工業(yè)以 太網(wǎng)將來更廣闊的應(yīng)用前景作一些探索。 第三章第三章 相關(guān)技術(shù)介紹相關(guān)技術(shù)介紹 3.13.1 plcplc 應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù) plc 概述: 可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計， 它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和 算術(shù)運算等操作命令，

39、并通過數(shù)字式，模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生 產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷坝嘘P(guān)的設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于 擴充功能的原則而設(shè)計。plc 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和 通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。這種裝置具有體積小、功能強、程序 設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等優(yōu)點,特別是他具有高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán) 境的能力。 可編程控制器的主要功能: plc 是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(fa)和計算機集 成制造系統(tǒng)(cims)內(nèi)占重要地位。今天的 plc 功能，遠(yuǎn)不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。 (1)控制

40、功能 邏輯控制:plc 具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運算功能，可以代替繼電器進 行開關(guān)量控制。 定時控制:它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設(shè)定:接通延時,關(guān)斷延時 和定時脈沖等方式。 計數(shù)控制:用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進行位置檢測。 順序控制:在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一多部步進控制器使用。 (2)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能，數(shù)學(xué)運算功能包括: 1.基本算術(shù):加、減、乘、除。 2.擴展算術(shù):平方根、三角函數(shù)和浮點運算。 3.比較:大于、小于和等于數(shù)據(jù)處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。 4.模擬數(shù)據(jù)處理:pid、積分和濾波。 (3)輸入/

41、輸出接口調(diào)理功能 具有 a/d, d/a 轉(zhuǎn)換功能，通過 i/o 模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。位數(shù)和精度可 以根據(jù)用戶要求選擇，具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。 (4)通信、聯(lián)網(wǎng)功能 現(xiàn)代 plc 大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有 rs232 或 rs485 接口，可進行遠(yuǎn)程 i/o 控制，多臺 plc 可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理 單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移，監(jiān)視和診斷。 通信接口或通信處理器按標(biāo)號尊的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。如西門子 s7-200 的 profibus 現(xiàn)場總線口，其通信 12mbps。 在

42、系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機與多臺 plc 構(gòu)成“集中控制，分散管理”的分布式 控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。通常所說的現(xiàn)場端和遠(yuǎn)程端也可以采用 plc 作現(xiàn)場機。 (5)人機界面功能 提供操作者以監(jiān)視機器/過程工作必需的信息。允許操作者和應(yīng)用程序相互作用，以 便作決策和調(diào)整。 實現(xiàn)人機界面功能的手段:從基層的操作者屏幕文字顯示，顯示與鍵盤操作和用通信 處理器、專用處理器、個人計算機、工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。 (6)編程、調(diào)試等 使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調(diào) 試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。 plc 的通信及聯(lián)網(wǎng)

43、 plc 的通信包括 plc 之間、plc 與上位計算機之間以及 plc 與其他智能設(shè)備間的通信。 plc 系統(tǒng)與通用計算機可以直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)接器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn) 信息的交換，并可構(gòu)成 “集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化 (fa)系統(tǒng)發(fā)展的需要，各 plc 系統(tǒng)或遠(yuǎn)程 i/o 模塊按功能各自放置在生產(chǎn)現(xiàn)場分散控制， 然后采用網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成集中管理的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 以西門子公司的 simatic net 為例，在其提出的全集成自動化(tia)的系統(tǒng)概念中， 核心內(nèi)容即包括組態(tài)和編程的集成、數(shù)據(jù)管理的集成以及通信的集成。通信網(wǎng)絡(luò)是這個 系統(tǒng)重要的，關(guān)鍵的組件

44、，提供了部件和網(wǎng)絡(luò)間完善的工業(yè)通信。 simatic net 包含了三個主要層次: as-i 網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器通信的國際標(biāo)準(zhǔn),掃描時間 5ms，傳輸媒體為屏蔽的雙絞 線，線路長度為 300m，最多為 31 個從站。 profibus工業(yè)現(xiàn)場總線，用于車間級和現(xiàn)場級的國際標(biāo)準(zhǔn)，傳輸率最大 12m/s， 傳輸媒體為屏蔽雙線電纜(最長 9.6km)或光纜(最長 90km),最多可接 127 個從站。 工業(yè)以太網(wǎng)用于區(qū)域和單元聯(lián)網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蛇_(dá) 1024 站 1.5km(電氣 網(wǎng)絡(luò))或 200km(光學(xué)網(wǎng)絡(luò))。 在這一網(wǎng)絡(luò)體系中，尤其值得一提的是 profibus 現(xiàn)場總線，profibus

45、 是目前最成功 的現(xiàn)場總線之一，已得到廣泛地應(yīng)用。它是不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各 種各樣的自動化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息。為數(shù)眾多的生產(chǎn)廠家提供了優(yōu)質(zhì)的 profibus 產(chǎn)品，用戶可以自由地選擇最合適的產(chǎn)品。profibus 已經(jīng)成為了德國國家標(biāo)準(zhǔn) din19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) pren50170，并在世界擁有了最多的用戶數(shù)量。 3.23.2 西門子西門子 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 適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動 化。s7-300 系列的強大功

46、能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功 能。因此 s7-300 系列具有極高的性價比。 s7-300 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面:極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、 便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。 s7-300 系列 plc 功能強、速度快、擴展靈活，具有緊湊、模塊化的組合結(jié)構(gòu)。根據(jù) 應(yīng)用對象的不同，可選用不同型號的和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一 機架上。s7-300 系列 plc 可提供 cpu ifm,cpu313,cpu314,cpu315,cpu315-2dp 等中央處 理單元可供選擇，cpu312 ifm

47、 模塊上集成有 10 個數(shù)字量輸入點和 6 個數(shù)字量輸出點。 cpu313, cpu314,cpu315 模塊上不帶 i/o 端口，其存儲器容量、指令執(zhí)行速度、可擴展的 i/o 點數(shù)、計數(shù)器/定時器數(shù)量、軟件塊數(shù)量等隨序號的遞增而遞增，cpu315-2dp 除具有 現(xiàn)場總線擴展能力外，其它特性與 cpu315 相同。同時還能夠提供各種數(shù)字量輸入輸出模 塊，模擬量輸入輸出模塊，通訊模塊等。 s7-300 plc 的編程特點 s7-300 plc 的編程語言是 step7,step7 采用了模塊化的程序設(shè)計方法,這也是其一大 特色。step7 用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運行所需的數(shù)據(jù)。

48、如果這些文件 塊是子程序，可以通過調(diào)用語句，將他們組成結(jié)構(gòu)化的用戶程序，這樣，plc 的程序組織 明確，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。 通常，用戶程序由組織塊(ob)、功能塊(fb,fc)、數(shù)據(jù)塊(db)構(gòu)成。其中，ob 是系統(tǒng) 操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。ob 塊根據(jù)操 作系統(tǒng)調(diào)用的條件 (如時間中斷、報警中斷等)分成幾種類型，這些類型有不同的優(yōu)先級， 高優(yōu)先級的 ob 可以中斷低優(yōu)先級的 ob。每個 s7 cpu 包含一套可編程的 ob 塊(隨 cpu 而 不同)，不同的 ob 塊執(zhí)行特定的功能。ob1 是主程序循環(huán)塊，在任何情況下，它都是需要 的。根據(jù)過程控制

49、的復(fù)雜程度，可將所有程序放入 ob1 進行線性編程，或?qū)⒊绦蛴貌煌?的邏輯塊加以結(jié)構(gòu)化，通過 ob1 調(diào)用這些邏輯塊。 除了 ob1,操作系統(tǒng)可以調(diào)用其它的 ob 塊以響應(yīng)確定事件，其它可用的 ob 塊隨所用 的 cpu 性能和控制過程的要求而定。 功能塊(fb,fc)實際上是用戶子程序，氛圍帶記憶的功能塊 fb 和不帶記憶的功能塊 fc。前者有一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與該功能塊的參數(shù)完全相同的數(shù)據(jù)塊(db)附屬于該功能塊，并 隨功能塊的調(diào)用而打開，隨功能塊的結(jié)束而關(guān)閉。該附屬數(shù)據(jù)塊叫做背景數(shù)據(jù)塊 (instance data block)，存放在背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)在 fb 結(jié)束時繼續(xù)保持，也即被 “記憶

50、”功能塊 fc 沒有背景數(shù)據(jù)塊，當(dāng) fc 完成操作后數(shù)據(jù)不能保持。 數(shù)據(jù)塊(db)是用戶定義的用于存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，也可以被打開和關(guān)閉。db 可以是 屬于 fb 的情景數(shù)據(jù)塊，也可以是通用的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，用于 fb 和 fc。 s7 cpu 還提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)功能塊(sfb,sfc)，它們是預(yù)先編好的，經(jīng)測試集成在 s7 cpu 中的功能程序庫。用戶可以直接調(diào)用它們，高效地編制自己的程序。由于它們是操作 系統(tǒng)的一部分，不須將其作為用戶程序下載到 plc。與 fb 塊相似，sfb 需要一個背景數(shù) 據(jù)塊，并須將此 db 塊作為程序的一部分安裝到 cpu 中。不同的 cpu 提供不同的 sfb,sfc

51、功能。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊(sdb)是為存放 plc 參數(shù)所建立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)。用 setp7 的 s7 組態(tài) 軟件可以將 plc 組態(tài)數(shù)據(jù)和其它操作參數(shù)存放于 sdb 中。 s7-300 的通訊能力 s7-300 可以通過 mpi 接口組成 plc 網(wǎng)絡(luò)，也可以采用現(xiàn)場總線構(gòu)成基于 profibus 的 plc 網(wǎng)絡(luò)，還可以采用各種專用的通信處理器的模塊構(gòu)成不同應(yīng)用不同層次的 plc 網(wǎng) 絡(luò)，并與 s7-200plc 外部設(shè)備或其他廠家的 plc 進行通信。mpi 網(wǎng)采用全局?jǐn)?shù)據(jù)(gd)通信 模式，可在 pc 之間進行少量的數(shù)據(jù)交換。它不需要額外的硬件和軟件，不但成本低，而 且用法方便。但是由于

52、s7-300 的應(yīng)用范圍越來越廣泛，不同的應(yīng)用要求 plc 具有不同程 度的通信能力。因此 s7-300 提供了專用的通信處理器(communication proccessor)模塊 可組成不同層次的網(wǎng)絡(luò)，西門子公司的控制網(wǎng)絡(luò)可分為四個層次:sinec s1, sinec l2,sinec h1，以及 sinec h3。下面分別介紹一下: sinec s1 是用于連接執(zhí)行器、傳感器、驅(qū)動器等現(xiàn)場器件的總線規(guī)范，只傳遞開關(guān) 位置等少量的信息，總線長度被限制在 100m 內(nèi)，最大優(yōu)點是可以用通信電纜直接供電。 sinec l2 是面向現(xiàn)場級的通信網(wǎng)，與單元網(wǎng)絡(luò)相比，用戶更青睞于現(xiàn)場總線系統(tǒng)， 因

53、為它具有如下優(yōu)點:對于各種裝置、各個部門行業(yè)、特使應(yīng)用具有普遍適應(yīng)性:符合 sio,din 或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有開放性和發(fā)展性。sinec l2 遵從 din19245 標(biāo)準(zhǔn)，是西門子的 過程現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(profibus)，它為分布式 i/o 站或驅(qū)動器提供了高速通信所需的用戶 接口，以及主站間大量的數(shù)據(jù)內(nèi)部交換的接口。介質(zhì)為雙絞線或光纜。sinec l2 又分為 如下子協(xié)議:l2-tf,l2-fms,l2-dp 以及 l2-ap。其中 l2-dp 遵從 profibus 標(biāo)準(zhǔn)的開放式 結(jié)構(gòu)，適用于對時間要求嚴(yán)格的現(xiàn)場，能夠最快速的處理和傳遞網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。例如，在西 門子 plc 中用在 s5, s

54、7 與分布式 i/o 系統(tǒng) ett200 之間或與驅(qū)動器、閥門等其它現(xiàn)場器 件的通信中。 sinec h1 遵從以太網(wǎng)(ieee802.3)協(xié)議，介質(zhì)為雙絞線電纜或光纜，為光纜時表示為 hifo，可以用于構(gòu)成單元網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)絡(luò)。sinec hl 網(wǎng)絡(luò)可用在大量的總線部件、接口 模塊的連接上。 sinec h3 是遵從 fddi(iso9314)規(guī)范的主干網(wǎng)，通信介質(zhì)為光纜，雙環(huán)撲結(jié)構(gòu)，可 以擴至 500 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，距離可以達(dá)到 l00km,sinec h3 功能強大，能長距離傳輸不同網(wǎng) 絡(luò)間的數(shù)據(jù)，并且絕對安全可靠。 s7-300 系列 plc 有多種用途的通信模塊。如:cp3340,cp3

55、42-5,cp343-fms 等，這些 模塊有些是為了解決點到點連接的串行通信而設(shè)計的，有些是為用于高速 sinec h1 或 profibus 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)而設(shè)計的。雖然它們在結(jié)構(gòu)使用的目的、功能方面各不相同， 但大家都有一個最基本的功能那就是通信。 3.33.3 變頻器應(yīng)用技術(shù)變頻器應(yīng)用技術(shù) 在電氣傳動領(lǐng)域，人們關(guān)心的是如何合理地使用電動機以節(jié)約電能和有目的地控制 機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，在實現(xiàn)電能-機械能之間的轉(zhuǎn)換過程中達(dá)到 優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)， 是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容，其根本原因在于變頻調(diào)速在節(jié)能和調(diào)速特性

56、等方面優(yōu)良 的特性優(yōu)于其他調(diào)速方式。目前國內(nèi)變頻調(diào)速方面主要的產(chǎn)品狀況如下: (1)在中、小功率變頻調(diào)速中主要是 igbt 的 pwm 逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。 這類設(shè)備的市場很大，總?cè)萘空嫉谋壤m然不大，但臺數(shù)多，需求增長快,產(chǎn)品應(yīng)用的范 圍從單機到全生產(chǎn)線;控制方式從簡單的 u/f 控制到高調(diào)速性能矢量控制，但目前 u/f 控 制占主體，矢量控制數(shù)量還較少，此類產(chǎn)品的品種和質(zhì)量還不能滿足市場的需要，每年 需要大量進口。 (2)電流源型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在大容量風(fēng)機、泵、 壓縮機和軋機傳動方面有很大需求，國內(nèi)有能力制造的單位不多。目前功率裝置由國內(nèi) 自行生產(chǎn)，

57、數(shù)字化控制裝置的控制設(shè)備由國外進口，應(yīng)用軟件由國內(nèi)自行開發(fā)設(shè)計。 (3)交一交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在軋機和礦井卷揚傳動方面有 較大需求，雖總需求臺數(shù)不多，但該類裝置功率大，國內(nèi)只有極少數(shù)科研單位有能力制 造。目前最大容量可做到 7000-8oookw。此類產(chǎn)品主要靠進口，目前的國內(nèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)狀 態(tài)是功率裝置由國內(nèi)自行生產(chǎn)，數(shù)字化控制裝置的控制設(shè)備由國外進口，應(yīng)用軟件由國 內(nèi)自行開發(fā)設(shè)計，但系統(tǒng)可靠性方面與國外還有很大差距7。 當(dāng)前國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展，主要有以下幾個特點: (1)近些年來不斷涌現(xiàn)出 scr,gto,igbt,igct 等高電壓，大電流的大功率電力電子器

58、 件以及大功率器件的并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使得高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生 產(chǎn)及應(yīng)用得到很大發(fā)展。例如:法國阿爾斯通公司已能提供單機容量達(dá) 31okw 的電氣傳 動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)；意大利 abb 公司能夠提供單機容量為 610kw 的設(shè)備用于抽水 蓄能電站。 (2)矢量控制、磁鏈控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻 器提供了理論基礎(chǔ)；16 位、32 位高速處理微處理器,數(shù)字信號處理器(dsp)，精簡指令集 計算機(risc)和高級專用集成電路(asic)技術(shù)的快速發(fā)展使得變頻器朝高精度、多功能 化方向發(fā)展。國外產(chǎn)品已實現(xiàn)控制全數(shù)字化產(chǎn)品系列化、功能多樣化，產(chǎn)品已進

59、入很成 熟的階段。 (3)由于相關(guān)的基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，已經(jīng)使變頻調(diào)速裝置相關(guān)配套件 的生產(chǎn)社會化、專業(yè)化，產(chǎn)品可靠性更高8。 異步電動機變頻調(diào)速的原理 異步電動機的轉(zhuǎn)速為： (2-1)1 ()1 ( 60 1 1 sns n f p 式中，n 為電動機轉(zhuǎn)速; f1為電動機定子的供電頻率;s 為轉(zhuǎn)差率;np為電動機定子繞 組極對數(shù);n1為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。 由式2-1)可以看出交流電源頻率 f 的變化，電動機同步轉(zhuǎn)速隨之成正比變化。因 此，改變電源頻率很容易改變異步電動機的轉(zhuǎn)速。但是，對于異步電動機來說，若電源 頻率不變化而其電源電壓 u,值不變的話，將會引起磁通的變化,因為：

60、(2-2) 11144 . 4 1knfu 式中,u1為定子相電壓，e1為定子相電動勢，n1為定子每相繞組的匝數(shù)，k1為定子 的繞組系數(shù)， 為每極氣隙磁通。 當(dāng) f1小于額定值 f1n時， 就大于額定值。由于電機設(shè)計制造時取額定磁通在磁化 曲線的飽和段附近，當(dāng) 上升時就會引起過大的勵磁電流。為了使 保持恒定，必須 在頻率 f 變化的同時改變電源電壓 u,，并使它們遵循的規(guī)律是： (2-3)常數(shù) 1 1 1 1 f e f u 這種壓頻比為常數(shù)的控制方式成為恒磁通控制方式，一般在額定頻率 f1n以下，即 f1f1n時，如果仍保持 u1/f1=常數(shù)，則 u1u1n,這是不允許的，此時只能保持 u1