杜曉滔（1981－）
男，漢，碩士生，（武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢  430063 ），研究方向為計算機(jī)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(tǒng)，文中論述了如何運用S7-300PLC和工業(yè)控制計算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的架構(gòu)與實現(xiàn)；運用VB進(jìn)行上位監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。并且對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)程序進(jìn)行了分析說明。實踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實時性好，監(jiān)控效果理想，使用方便。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；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)是整個鋪排船工程施工作業(yè)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(jìn)度和施工質(zhì)量，施工單位對鋪排船控制系統(tǒng)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(tǒng)為例，就該項目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案、配置原理、系統(tǒng)集成與通訊，以及實時監(jiān)測和控制的實現(xiàn)，提出具體的解決方案，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)高效運轉(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臺移船絞車、 2臺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PLC子站和一個PLC主站）。鋪排船控制系統(tǒng)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(shè)備動作信號等多種信號來作為控制的依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)需要的不同要求，鋪排船控制系統(tǒng)設(shè)計有機(jī)旁手動控制、計算機(jī)手動控制（遠(yuǎn)程集控）和計算機(jī)自動控制（全自動控制）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、遠(yuǎn)程集控是兩種完全獨立的作業(yè)模式，其中機(jī)旁手動采用硬接線模式與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算機(jī)，以確保系統(tǒng)的安全性、冗余性。自控聯(lián)動是在依靠遠(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)動的操縱命令的作業(yè)模式，不具備其獨立性的作業(yè)模式。以上三種作業(yè)模式的優(yōu)先級別為機(jī)旁手動、遠(yuǎn)程集控、自動聯(lián)動，機(jī)旁手動具有絕對的優(yōu)先權(quán)。

    2.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

    系統(tǒng)采用SIMATIC NET 組態(tài)OPC 服務(wù)器, 并用VB 設(shè)計OPC 客戶端, 通過OPC實現(xiàn)PC 上位機(jī)與SIEMENS PLC S7- 300 動態(tài)的數(shù)據(jù)交換。 OPC 規(guī)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(wù), 自動化接口支持VBA 的所有應(yīng)用程序。本系統(tǒng)采用自動化接口，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)控界面的各個面板都具有其獨特的優(yōu)勢，其設(shè)計本著監(jiān)控參數(shù)的圖形動畫表達(dá)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(yīng)答功能。航行信號燈界面布局的設(shè)計與實物是完全對應(yīng)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(jiān)控變的相當(dāng)?shù)暮唵巍８鱾€泵，閥的壓力設(shè)計成虛擬儀表，與現(xiàn)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(shù)字采集量的變化不會引起表盤指針的抖動，具用數(shù)字表的顯示精度，模擬表易于觀察的優(yōu)點。模擬現(xiàn)實中的轉(zhuǎn)換開關(guān)，把霧笛的多檔控制功能全部含蓋于其中，每一個控制檔對應(yīng)相應(yīng)控制功能，不會由于人為原因產(chǎn)生誤操作。采用各種樣式的信號指示燈來表達(dá)各個設(shè)備的運行與否，是否出現(xiàn)故障等。并且有些指示燈是屬于帶燈按鈕，還起到對設(shè)備的控制作用。對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，能夠做到駕控臺除了控制手柄之外，無機(jī)械觸點。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

    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(tǒng)的維護(hù)都會帶來巨大的方便。以下對程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一下簡單的概述。系統(tǒng)程序分為計算機(jī)手動控制，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，信號燈和蜂鳴器報警消音控制，霧笛控制，溢流閥控制，和自動聯(lián)動控制等。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(yè)模式，系統(tǒng)都要用到，系統(tǒng)直接調(diào)用，屬于一級調(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/集中轉(zhuǎn)換開關(guān)打在機(jī)旁時進(jìn)行調(diào)用上述三個程序的，屬于二級調(diào)用。計算機(jī)手動控制，自動聯(lián)動控制是在機(jī)旁控制權(quán)轉(zhuǎn)換到集中控制，并且監(jiān)控室的計算機(jī)手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)打在相應(yīng)的一個狀態(tài)時才能進(jìn)行調(diào)用，屬于三級調(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)場總線技術(shù)中的PROFIBUS-DP來組網(wǎng)的。運用VB開發(fā)的上位監(jiān)控界面應(yīng)該是本系統(tǒng)的一個很大的亮點：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；最后由于它的應(yīng)用，節(jié)省了許多機(jī)械觸點與控制器的I/O點，進(jìn)而使外部電路設(shè)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。總體來說，本文的控制系統(tǒng)是一個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)實中很有實用價值，并且已經(jīng)接受了實踐的考驗，對于以后其它類似工程應(yīng)用中的控制系統(tǒng)設(shè)計具有一定的指導(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：計算機(jī)檢測及PLC控制，嵌入式控制

參考文獻(xiàn)

    [1] 廖常初.PLC 編程及應(yīng)用[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

    [2] 西門子S7-300 參考手冊. 西門子(中國)有限公司.

    [3] 張顯庫，任光，劉軍，趙衛(wèi)軍.綜合船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國造船，2002，43（2）：71-80.

    [4] 陳積明，王智，孫優(yōu)賢.工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及展望[J].化工自動化及儀表，2001 ，28（6）：22-25.

    [5] 李臘元，李春林.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[Ｍ].國防工業(yè)出版社，2001-7.