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1、基于PLC的火车运行控制系统软件设计基于PLC的火车运行控制系统软件设计Software Design of Train Operation Control System Based on PLC基于PLC的火车运行控制系统软件设计 摘 要 本课题以火车运行实验平台为被控对象，构建基于PLC的DeviceNet远程实时监控系统。首先，根据火车运行策略的具体要求，设计基于CQM1型PLC的火车运行控制系统，通过电路设计及软件编程、调试，实现了对两辆火车模型停车避让、进出站选择等运行状态的实时监控；其次，通过研究DeviceNet现场总线，建立以CS1型PLC为主站的网络监控系统，并利用组态软件开
2、发上位机监控系统。经调试运行，实现了上位机通过CS1主站对CQM1从站火车运行控制系统的远程实时监控。关键词 可编程序控制器；实时监控；组态Software Design of Train Operation Control System Based on PLCAutomation Major YAN LiangAbstract: This topic, which takes the experimental platform of train running as controlled object, constructs the DeviceNet Remote real-time s
3、upervisory system based on PLC. According to the requirements of trains operation strategy, the design forms a train operation control system based on CQM1 PLC. By circuit designing, programming and debugging, this system achieved real-time monitoring for the running state of two trains preventing c
4、ollision and route choice, etc; and then, through studying the DeviceNet, network monitoring system of host station based on CS1 PLC is established, and the supervision system is developed by the configuration software. After debugging, the design fulfills the Remote real-time supervisory system CS1
5、 host station to the CQM1 slave station.Key words: programmable logic controller; real-time monitor; configuration 目 录1 引言11.1 概述11.2 可编程控制器简要概述11.3 PLC在工业控制领域中的应用21.4 本课题主要研究内容21.5 本课题的意义32 火车运行控制系统整体设计32.1 火车模型平台概述32.2 控制系统整体方案设计42.3 控制系统主要元器件选型53 基于CQM1型PLC火车运行控制系统设计63.1 系统硬件设计63.2 系统软件设计73.3 基于C
6、QM1型PLC的上位机监控系统设计134 DEVICENET网络设计184.1 现场总线技术概述184.2 网络结构概述184.3 网络配置194.4 远程I/O通信204.5 网络测试214.6 基于DEVICENET网络的远程监控系统设计22结束语25参考文献26致谢361 引言1.1 概述随着计算机科学的发展，自动化控制技术己渗透到各个领域，同时，由于计算机科学领域中应用软件的飞速发展，对被控系统的实时监控，已由最初的仪器仪表显示状况，发展到现代在PC机中配以生动的界面来进行实时监视，有的监控界面，甚至能够模拟被控对象的具体过程来进行实时监控。操作界面不仅方便、美观，而且生动、及时、准确
7、。控制技术的发展提高了生产自动化的程度，设备和系统的控制，需要较大的空间分布，控制系统的这种发展要求可编程控制器(PLC)具有分散控制的功能，因此远程连接和通信功能成为PLC的基本性能之一。PLC及其网络被公认为现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一，对PLC及其网络进行理论上的研究和实践中的应用是科技发展的迫切需要。 1.2 可编程控制器简要概述PLC(Programmable Logic Controller)，是可编程逻辑控制器的缩写。它是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有如下特
8、点：(1) 高可靠性：如欧姆龙、西门子、三菱的PLC产品，平均无故障时间大大超出IEC规定的10万小时，并可采用多机冗余系统，进一步提高可靠性。(2) 编程方便、易于使用：梯形图语言、SFC、功能块等多种编程语言和方式，直观易懂，易于上手。(3) 控制功能极强：除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，还可实现点位控制、PID控制、过程控制、数字控制等功能，还可进行远程控制。(4) 扩展与外部连接极为方便：各个受控设备可通过PLC网络模块连接在一起，实现有效信息资源的共享于交换。在自动化控制系统中，可编程逻辑控制器起着核心作用。可编程逻辑控制器于1969年在美国面世，经过30多年的发展，
9、已成为现在最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。PLC的CPU是以分时操作的方式处理各项任务的。由于运算速度高，从PLC的外部输人、输出关系来看，处理过程几乎是瞬时完成的。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。用户程序采取扫描工作方式运行，在没有跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条执行用户程序，直到用户程序结束，然后，程序返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始重复上诉的扫描循环，达到实时控制的目的。1.3 PLC在工业控制领域中的应用PLC发展至今，已有30余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领
10、域已有翻天覆地的变化，PLC亦在不断的发展变化之中，以其结构紧凑、可靠性高、功能强、速度快、价格低等优点获得广泛应用，已经成为工业控制系统的主流。在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但随着软PLC（SoftPLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，PLC市场也面临着较大的冲击。面对这些事实， PLC技术也是在不断的更新和完善自己，使其在开放式通信网络技术和开放式的编程组态工具软件方面得到了突破，将其融入更加开放的
11、工业控制行业。同时也应该清楚的认识到，我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品仍有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制，随着我国经济的快速增长，中国的PLC市场仍然将保持高速的增长势头。因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。1.4 本课题主要研究内容PLC作为工业控制领域中的核心器件，其不断地采用新技术以及增强系统的开放性，除传统的硬PLC外，还融入控制组态软件之中，使其在工业自动化领域的应用范围不断扩大。分析国内外该领域的发展现状，同时结合我校实验室现有条件，设计了基于CQM1型
12、PLC的火车运行控制系统，该系统由CS1G-CPU42型PLC作为网络主站核心控制器，CQM1-CPU21型PLC以及两块远程终端I/O模块作为从站，火车运行系统可以通过DeviceNet网络实时监控车辆运行情况。采用两台PC机作为开发平台，利用ForceControl组态软件开发上位机监控界面，分别对火车运行控制系统进行实时监控。具体设计安排如下：(1) 简单介绍当前PLC领域的发展状况和我国目前面临问题，以及该领域未来的发展前景，同时提出本次研究设计的内容和意义。(2) 简要介绍火车模型运行控制系统整体设计方案和系统硬件选型。(3) 详细介绍基于CQM1型PLC的火车运行控制系统的设计流程
13、，包括系统硬件介绍、软件设计和基于CQM1型PLC的上位机组态过程。(4) 组建DeviceNet网络，并开发基于CS1G型PLC的上位机监控界面，实现对火车运行控制系统进行远程实时监控。(5) 分析整体系统设计中存在的问题及其需要进一步深入研究设计的内容。1.5 本课题的意义研究了DeviceNet的组网原理和方法及其应用特点，并将其应用于火车模型运行控制系统中，存在以下几点意义：(1) 构建DeviceNet网络，并且利用上位机和PLC共同对被控对象实时监控，增强了系统运行的安全稳定性。(2) 本次系统设计结构，可以应用于我国目前的自动化工程等改造项目中去，可行性和可移植性强。(3) 对现
14、有火车模型控制系统的研究和设计，可以为广大从事该类系统开发的广大工程技术人员提供的一定借鉴。2 火车运行控制系统整体设计2.1 火车模型平台概述“车辆运行控制策略”实验模型，建立在一个2.5米长，1.26米宽的实验台上，该实验台上，它主要由6个手/电动岔道；2台机车， 2个站台，2个红、绿、黄信号灯以及三段分段供电的轨道和沿途共设置的22个红外信号传感器所组成的一个轨道车辆运行系统，如图1所示。图 1 车辆运行控制策略实验平台列车在轨道上的运行速度和运行方向，可通过调节轨道电压的大小和方向进行控制，其运行路线通过改变电动/手动道岔的位置来改变，整个模型可结合相应的信号转换电路和控制电路构建一个
15、模拟的工业现场被控对象，利用PLC和上位机对其进行实时监控。2.2 控制系统整体方案设计根据设计要求，本次需要完成两项任务，第一，设计基于PLC的火车运行控制系统，达到对模拟工业现场控制的目的；第二，构建CompoBus/D（DeviceNet）网络，实现对工业现场多被控对象的远程实时监控，为下一步构建更高级的控制网络打下基础。整体系统结构，如图2所示。图 2 整体系统结构2.2.1 基于PLC的火车运行控制系统方案设计利用PLC可以构成多种控制系统:单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程I/O控制系统。由于设计所选被控对象较多，有位置检测、轨道电压控制、轨道电压方向控制、岔道控制、蜂鸣器控制等，被控对象比较集中，且相互之间的动作有一定的联系，因此选用集中控制方案对现场进行控制。集中控制系统结构如图3所示。图 3 集中控制系统结构在此控制系统中，部分信号要经过转换电路才能与可编程控制器指定I/O相连接，因此，对不同对象的检测和控制，需要根据实际情况，设置专门的信号转换电路。PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和良好的人机交互界面。在此，选用上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形形式对现场进行
