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    杜曉滔（1981－）
男，漢，碩士生，（武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢  430063 ），研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)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(tǒng)，文中論述了如何運(yùn)用S7-300PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)；運(yùn)用VB進(jìn)行上位監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。并且對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序進(jìn)行了分析說明。實(shí)踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性好，監(jiān)控效果理想，使用方便。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；以太網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)；開環(huán)控制系統(tǒng)

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(tǒng)是整個(gè)鋪排船工程施工作業(yè)的核心。目前隨著國(guó)家對(duì)長(zhǎng)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(jìn)度和施工質(zhì)量，施工單位對(duì)鋪排船控制系統(tǒng)所提出的要求越來越高，對(duì)其自動(dòng)化程度的要求也越來越高。本文以某鋪排船控制系統(tǒng)為例，就該項(xiàng)目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案、配置原理、系統(tǒng)集成與通訊，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的實(shí)現(xiàn)，提出具體的解決方案，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到減少生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的使用效率、使用壽命和提高工程施工質(zhì)量加快工程施工進(jìn)度為目的。

2 控制與監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

    2.1 系統(tǒng)概述

    鋪排船控制系統(tǒng)由移船絞車機(jī)構(gòu)（4臺(tái)移船絞車、 2臺(tái)錨絞車及其它配套設(shè)備）、卷筒機(jī)構(gòu)（導(dǎo)梁、卡排梁、剎車等）、滑板機(jī)構(gòu)（主、副滑板及其它配套設(shè)備）和其它附屬機(jī)構(gòu)（克令吊等）等組成。鋪排船施工作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)全部采用液壓系統(tǒng)完成，通過PLC控制網(wǎng)絡(luò)達(dá)到控制的目的（全船設(shè)有3個(gè)PLC子站和一個(gè)PLC主站）。鋪排船控制系統(tǒng)通過采集GPS信號(hào)、水深信號(hào)、船舶吃水信號(hào)、滑板角度信號(hào)、船舶橫縱傾斜信號(hào)、設(shè)備動(dòng)作信號(hào)等多種信號(hào)來作為控制的依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要的不同要求，鋪排船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有機(jī)旁手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)手動(dòng)控制（遠(yuǎn)程集控）和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制（全自動(dòng)控制）三種作業(yè)方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    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(shè)備。本系統(tǒng)的機(jī)旁手動(dòng)、遠(yuǎn)程集控是兩種完全獨(dú)立的作業(yè)模式，其中機(jī)旁手動(dòng)采用硬接線模式與PLC連接進(jìn)行監(jiān)控，遠(yuǎn)程集控采用了通過硬接線與PLC連接和通過以太網(wǎng)與PLC通訊相結(jié)合的方式來達(dá)到監(jiān)控目的。這樣可以保證在其中一種控制方式出現(xiàn)問題，仍可采用另一種方式來進(jìn)行施工的。并且遠(yuǎn)程集控還配有冗余的計(jì)算機(jī)，以確保系統(tǒng)的安全性、冗余性。自控聯(lián)動(dòng)是在依靠遠(yuǎn)程集控的部分監(jiān)控功能有效的基礎(chǔ)之上來進(jìn)行自控聯(lián)動(dòng)的操縱命令的作業(yè)模式，不具備其獨(dú)立性的作業(yè)模式。以上三種作業(yè)模式的優(yōu)先級(jí)別為機(jī)旁手動(dòng)、遠(yuǎn)程集控、自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，機(jī)旁手動(dòng)具有絕對(duì)的優(yōu)先權(quán)。

    2.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用SIMATIC NET 組態(tài)OPC 服務(wù)器, 并用VB 設(shè)計(jì)OPC 客戶端, 通過OPC實(shí)現(xiàn)PC 上位機(jī)與SIEMENS PLC S7- 300 動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)交換。 OPC 規(guī)范通常包括兩套接口: 自動(dòng)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(wù), 自動(dòng)化接口支持VBA 的所有應(yīng)用程序。本系統(tǒng)采用自動(dòng)化接口，系統(tǒng)中的上位監(jiān)控系統(tǒng)OPC接口通過網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給做為數(shù)據(jù)的使用者的PC上位機(jī)自動(dòng)化應(yīng)用程序， OPC 客戶端與服務(wù)器采用同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    系統(tǒng)監(jiān)控界面的各個(gè)面板都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其設(shè)計(jì)本著監(jiān)控參數(shù)的圖形動(dòng)畫表達(dá)的思想來完成，并且保證報(bào)警處理具有多點(diǎn)同時(shí)報(bào)警處理功能，提供報(bào)警信息的顯示，登錄，部分提供用戶應(yīng)答功能。航行信號(hào)燈界面布局的設(shè)計(jì)與實(shí)物是完全對(duì)應(yīng)的，并且燈的顏色與實(shí)際燈的顏色也是完全一樣的，使用戶對(duì)信號(hào)燈的監(jiān)控變的相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單。各個(gè)泵，閥的壓力設(shè)計(jì)成虛擬儀表，與現(xiàn)實(shí)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(shù)字采集量的變化不會(huì)引起表盤指針的抖動(dòng)，具用數(shù)字表的顯示精度，模擬表易于觀察的優(yōu)點(diǎn)。模擬現(xiàn)實(shí)中的轉(zhuǎn)換開關(guān)，把霧笛的多檔控制功能全部含蓋于其中，每一個(gè)控制檔對(duì)應(yīng)相應(yīng)控制功能，不會(huì)由于人為原因產(chǎn)生誤操作。采用各種樣式的信號(hào)指示燈來表達(dá)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行與否，是否出現(xiàn)故障等。并且有些指示燈是屬于帶燈按鈕，還起到對(duì)設(shè)備的控制作用。對(duì)于油泵和溢流閥等重要設(shè)備的控制采用二次確認(rèn)的控制方式來完成，并且有幫助提醒，來引導(dǎo)操作人員進(jìn)行操作。通過上述監(jiān)控系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，能夠做到駕控臺(tái)除了控制手柄之外，無機(jī)械觸點(diǎn)。所有的控制與監(jiān)視命令全部由上位機(jī)來完成。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    由于系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，且控制設(shè)備較多，要實(shí)現(xiàn)的功能也較多，所以采用相應(yīng)控制功能分塊編程（既把系統(tǒng)分為若干子程序），統(tǒng)一調(diào)用的方式來完成的。這樣可以保證系統(tǒng)各個(gè)功能具有一定的相互獨(dú)立性、相互參考性，而且對(duì)于后期系統(tǒng)的維護(hù)都會(huì)帶來巨大的方便。以下對(duì)程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的概述。系統(tǒng)程序分為計(jì)算機(jī)手動(dòng)控制，艏部機(jī)旁控制，舯部機(jī)旁控制，艉部機(jī)旁控制，模擬量數(shù)據(jù)采集，泵和剎車控制，信號(hào)燈和蜂鳴器報(bào)警消音控制，霧笛控制，溢流閥控制，和自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制等。其中模擬量的數(shù)據(jù)采集，設(shè)備的剎車控制，信號(hào)燈與蜂鳴器報(bào)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(yè)模式，系統(tǒng)都要用到，系統(tǒng)直接調(diào)用，屬于一級(jí)調(diào)用。艏部機(jī)旁控制、舯部機(jī)旁控制、艉部機(jī)旁控制是在機(jī)旁手動(dòng)/集中轉(zhuǎn)換開關(guān)打在機(jī)旁時(shí)進(jìn)行調(diào)用上述三個(gè)程序的，屬于二級(jí)調(diào)用。計(jì)算機(jī)手動(dòng)控制，自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制是在機(jī)旁控制權(quán)轉(zhuǎn)換到集中控制，并且監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)打在相應(yīng)的一個(gè)狀態(tài)時(shí)才能進(jìn)行調(diào)用，屬于三級(jí)調(diào)用。其系統(tǒng)程序調(diào)用流向如圖3所示。

4 結(jié)語

    鋪排船控制系統(tǒng)的核心是基于S7-300 PLC的控制網(wǎng)絡(luò)和VB開發(fā)的上位監(jiān)控界面，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的通訊。以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)為總線型，S7-300 PLC的控制網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中的PROFIBUS-DP來組網(wǎng)的。運(yùn)用VB開發(fā)的上位監(jiān)控界面應(yīng)該是本系統(tǒng)的一個(gè)很大的亮點(diǎn)：首先它含有系統(tǒng)中的所有監(jiān)控功能；其次它拋棄了應(yīng)用組態(tài)軟件來開發(fā)，進(jìn)而受其限制的缺點(diǎn)；最后由于它的應(yīng)用，節(jié)省了許多機(jī)械觸點(diǎn)與控制器的I/O點(diǎn)，進(jìn)而使外部電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(tái)布局更加美觀，跟得上國(guó)際的潮流。總體來說，本文的控制系統(tǒng)是一個(gè)控制層次比較鮮明的網(wǎng)絡(luò)化開環(huán)控制系統(tǒng)，在現(xiàn)實(shí)中很有實(shí)用價(jià)值，并且已經(jīng)接受了實(shí)踐的考驗(yàn)，對(duì)于以后其它類似工程應(yīng)用中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
 
其它作者：

    李志宏（1965-）：男，漢，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)檢測(cè)及PLC控制，嵌入式控制

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