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杜曉滔（1981－）
男，漢，碩士生，（武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430063 ），研究方向為計算機檢測及PLC控制
摘要：本文介紹了基于S7-300PLC和VB的鋪排船控制系統，文中論述了如何運用S7-300PLC和工業控制計算機進行系統的架構與實現；運用VB進行上位監控系統的開發。并且對系統的軟硬件設計和系統程序進行了分析說明。實踐應用表明，該系統運行穩定可靠，實時性好，監控效果理想，使用方便。
關鍵詞：現場總線；以太網；監控系統；開環控制系統
Abstract: The control system of working ships which based on Siemens S7 - 300PLC and VB is introduced in this paper.This paper also describes how to construct the control system by applying the S7-300PLC and industrial control computer and the development of the supervision and control system using VB . The hardware and software design and system program are also presented in this paper. The practical application results show that the system has advantages of high stability and reliability, real time control, ideal monitoring effect and convenient operation.
Key words: field bus；ethernet；supervision and control system；open loop control system
1 引言
鋪排船是用于工程施工的一種專用船舶，為一種非自航船舶。 鋪排船的控制系統是整個鋪排船工程施工作業的核心。目前隨著國家對長江航道和沿海堤岸的整治力度的加大，為了能夠保證工程的施工進度和施工質量，施工單位對鋪排船控制系統所提出的要求越來越高，對其自動化程度的要求也越來越高。本文以某鋪排船控制系統為例，就該項目的系統結構方案、配置原理、系統集成與通訊，以及實時監測和控制的實現，提出具體的解決方案，以實現整個系統高效運轉，從而達到減少生產成本，提高設備的使用效率、使用壽命和提高工程施工質量加快工程施工進度為目的。
2 控制與監控系統的架構與實現
2.1 系統概述
鋪排船控制系統由移船絞車機構（4臺移船絞車、 2臺錨絞車及其它配套設備）、卷筒機構（導梁、卡排梁、剎車等）、滑板機構（主、副滑板及其它配套設備）和其它附屬機構（克令吊等）等組成。鋪排船施工作業系統的驅動全部采用液壓系統完成，通過PLC控制網絡達到控制的目的（全船設有3個PLC子站和一個PLC主站）。鋪排船控制系統通過采集GPS信號、水深信號、船舶吃水信號、滑板角度信號、船舶橫縱傾斜信號、設備動作信號等多種信號來作為控制的依據。根據現場生產需要的不同要求，鋪排船控制系統設計有機旁手動控制、計算機手動控制（遠程集控）和計算機自動控制（全自動控制）三種作業方式。系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
2.2 全船控制系統
對于工業控制領域來說，一個控制系統組建的好與壞、先進與否、實用與否，會在系統的運行過程中直接體現出來的，為了能出色的完成鋪排任務，達到系統的最高控制要求，以及以后有利于控制系統近一步升級和改造。系統采用了PLC作為控制系統的核心，而且采用兩級控制網絡方式來完成監控與控制任務。具體概述如下，全船的PLC控制系統采用基于Profibus-DP 的現場總線來組網。在船的艏、舯和艉分別設立三個ET200M分布式I/O設備的PLC 子站（模塊化的DP從站），在駕駛室（集控室）設PLC 主站（DP主站），通過Profibus專用通訊電纜線依次按照集控室、艉部、舯部、艏部的順序把DP主站和三個DP從站進行串聯連接，來構成PLC控制系統。艏、舯和艉的機旁操縱臺采用硬接線的方法，來實現它的控制和監控設備與其對應子站的I/O連接，從而達到機旁監控的目的。機旁操縱臺設有相應的控制手柄、按鈕、報警燈，顯示儀表等。在駕駛室（集控室）的PLC 主站，向上通過工業以態網（Ethernet）與設在集中控制操縱臺上的一臺自動鋪排工業控制計算機，一臺手動監控工業控制計算機和一臺冗余的手動監控工業控制計算機進行連接，以組成工業以態網，DGPS和多通道測深儀通過多串口卡與自動鋪排工業控制計算機進行連接。航行燈和霧笛控制單元通過串口與手動鋪排工業控制計算機進行連接。船姿、滑板角度、船體四腳吃水、七臺油泵的壓力、各移船絞車的壓力和土工布卷筒計數等多種測量信號全部由PLC進行采集處理，用于上位顯示或經運算后作為控制的依據，由此構成一個完整的監控系統。此系統只要通過多點接口（MPI）把應用程序下載給PLC一次，以后就可以用上位機通過以太網與PLC進行通訊，完全省去了每次調試時需要準備額外電腦與專用編程電纜的麻煩。在集中控制操縱臺上，手動監控工業控制計算機和自動聯動監控工業控制計算機的顯示器上都配有觸摸屏面板，取代了以往鋪排船上的專用觸摸屏，做到了集控室的命令發送可由鼠標單擊或點擊觸摸面板的相應位置兩種方式來完成，并且工控機的運算處理功能明顯要優于專用觸摸屏。PLC 監控系統結構如圖2 所示。
圖2 PLC監控系統結構圖
主站和子站均采用西門子S7 系列PLC，主站CPU為315-2DP，子站為ET200M分布式I/O設備。本系統的機旁手動、遠程集控是兩種完全獨立的作業模式，其中機旁手動采用硬接線模式與PLC連接進行監控，遠程集控采用了通過硬接線與PLC連接和通過以太網與PLC通訊相結合的方式來達到監控目的。這樣可以保證在其中一種控制方式出現問題，仍可采用另一種方式來進行施工的。并且遠程集控還配有冗余的計算機，以確保系統的安全性、冗余性。自控聯動是在依靠遠程集控的部分監控功能有效的基礎之上來進行自控聯動的操縱命令的作業模式，不具備其獨立性的作業模式。以上三種作業模式的優先級別為機旁手動、遠程集控、自動聯動，機旁手動具有絕對的優先權。
2.3 上位監控系統的設計
系統采用SIMATIC NET 組態OPC 服務器, 并用VB 設計OPC 客戶端, 通過OPC實現PC 上位機與SIEMENS PLC S7- 300 動態的數據交換。 OPC 規范通常包括兩套接口: 自動化接口(Automation Interface)與定制接口(Custom Interface ) , 定制接口為使用C /C++的客戶提供服務, 自動化接口支持VBA 的所有應用程序。本系統采用自動化接口，系統中的上位監控系統OPC接口通過網絡把最下層的控制設備的原始數據提供給做為數據的使用者的PC上位機自動化應用程序， OPC 客戶端與服務器采用同步方式進行數據交換。
系統監控界面的各個面板都具有其獨特的優勢，其設計本著監控參數的圖形動畫表達的思想來完成，并且保證報警處理具有多點同時報警處理功能，提供報警信息的顯示，登錄，部分提供用戶應答功能。航行信號燈界面布局的設計與實物是完全對應的，并且燈的顏色與實際燈的顏色也是完全一樣的，使用戶對信號燈的監控變的相當的簡單。各個泵，閥的壓力設計成虛擬儀表，與現實中的模擬表盤是一樣的，并且采用了阻尼震蕩，保證了由于微小數字采集量的變化不會引起表盤指針的抖動，具用數字表的顯示精度，模擬表易于觀察的優點。模擬現實中的轉換開關，把霧笛的多檔控制功能全部含蓋于其中，每一個控制檔對應相應控制功能，不會由于人為原因產生誤操作。采用各種樣式的信號指示燈來表達各個設備的運行與否，是否出現故障等。并且有些指示燈是屬于帶燈按鈕，還起到對設備的控制作用。對于油泵和溢流閥等重要設備的控制采用二次確認的控制方式來完成，并且有幫助提醒，來引導操作人員進行操作。通過上述監控系統界面的設計，能夠做到駕控臺除了控制手柄之外，無機械觸點。所有的控制與監視命令全部由上位機來完成。
3 系統程序設計
由于系統屬于開環控制系統，且控制設備較多，要實現的功能也較多，所以采用相應控制功能分塊編程（既把系統分為若干子程序），統一調用的方式來完成的。這樣可以保證系統各個功能具有一定的相互獨立性、相互參考性，而且對于后期系統的維護都會帶來巨大的方便。以下對程序的結構進行一下簡單的概述。系統程序分為計算機手動控制，艏部機旁控制，舯部機旁控制，艉部機旁控制，模擬量數據采集，泵和剎車控制，信號燈和蜂鳴器報警消音控制，霧笛控制，溢流閥控制，和自動聯動控制等。其中模擬量的數據采集，設備的剎車控制，信號燈與蜂鳴器報警消音控制，霧笛控制，溢流閥控制屬于公用控制模式，無論采用那種作業模式，系統都要用到，系統直接調用，屬于一級調用。艏部機旁控制、舯部機旁控制、艉部機旁控制是在機旁手動/集中轉換開關打在機旁時進行調用上述三個程序的，屬于二級調用。計算機手動控制，自動聯動控制是在機旁控制權轉換到集中控制，并且監控室的計算機手動/自動轉換開關打在相應的一個狀態時才能進行調用，屬于三級調用。其系統程序調用流向如圖3所示。
圖3 系統程序調用流向圖
4 結語
鋪排船控制系統的核心是基于S7-300 PLC的控制網絡和VB開發的上位監控界面，通過以太網實現上位機與PLC的通訊。以太網的結構為總線型，S7-300 PLC的控制網絡是應用PROFIBUS現場總線技術中的PROFIBUS-DP來組網的。運用VB開發的上位監控界面應該是本系統的一個很大的亮點：首先它含有系統中的所有監控功能；其次它拋棄了應用組態軟件來開發，進而受其限制的缺點；最后由于它的應用，節省了許多機械觸點與控制器的I/O點，進而使外部電路設計簡單、可靠性提高，使用戶在集控室操作方便、直觀，并且使駕控室的操作臺布局更加美觀，跟得上國際的潮流?？傮w來說，本文的控制系統是一個控制層次比較鮮明的網絡化開環控制系統，在現實中很有實用價值，并且已經接受了實踐的考驗，對于以后其它類似工程應用中的控制系統設計具有一定的指導意義。
其它作者：
李志宏（1965-）：男，漢，碩士生導師，副教授，研究方向：計算機檢測及PLC控制，嵌入式控制
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號