物流系统机电设备工控网络

I摘要进入20世纪90年代后，为了适应现代物流的发展趋势，采用自动控制技术和网络通信技术对港口码头实现货物的装卸、输送、存储作业，有效地提高生产效率，降低劳动强度，使装卸作业连续化、高效化，提高企业的现代化程度已经成为企业生存和保持旺盛竞争力的必要条件。该方案的设计思想是利用现场总线的智能现场设备，实现作业过程的信号的采集、传送以及初步加工处理。可编程序控制器作为信号处理也挂在现场总线上，与总线进行数据交换。作为工业在作业现场前端的企业网络底层的现场总线，还要肩负着与中控室的控制计算机之间的通讯任务。而在企业内部还要通过组建企业局域网，在整个企业内部实现生产控制计算机之间、生产管理计算机之间、生产控制计算机与生产管理计算机之间以及其它管理计算机终端之间的通讯。从而可实现工业生产作业的集散控制与企业的综合管理。企业局域网还可实现工业生产作业的国际互联网连接，开放自己的网站来向服务客户介绍企业自身，及时了解国际国内物流市场的动态变化，获取业务信息，实现与电子商务这一新型贸易方式的接轨。本方案技术先进，结构简单。S7-400与分布式I/OET200S功能强、体积小，因此控制柜内部结构简单，便于检查与维修。使用了PROFIBUS-DP现场总线，减少了电缆的铺设量，实现了数字通信，提高了数据传送精度。所有部件在运行过程中都能热插拔，在更换CPU模块时，系统将自动更新为当前程序和数据，因此系统具有很好的联机维修功能。该控制网络系统以独立的、单体的、分散的测量与控制设备为网络节点，以现场总线为纽带，并把它们连接成为互相沟通信息，共同完成自动化控制任务的控制与网路系统。具备高度的实时性、安全性和可靠性，系统容错性能好。易于实现与信息网络的互联和集成，从而为管理信息网络系统和自动化控制网络系统的一体化集成奠定了基础。关键词：现场总线；可编程序控制器；S7-400；分布式I/OET200SII目录1.绪论.......................................11.1自动化控制技术的发展和展望....................11.2问题的引出.................................22.现场总线技术................................32.1过程现场总线（Profibus）......................32.2Profibus的组成及特点........................32.3Profibus的协议结构..........................43.现代港口机电设备状态检测及数据采集..........73.1系统概述...................................73.2状态量的检测................................73.2.1模拟量的检测.............................83.2.2开关量的检测..............................94.基于现场总线技术的过程控制系统方案.........104.1现场总线通信原理............................104.2控制系统配置...............................104.3方案介绍及调试过程..........................114.3.1自动化系统..............................124.3.2分布式I/O..............................124.4控制系统的硬件组态..........................124.5控制系统软件...............................134.5.1实时操作系统设计.........................14III4.5.2梯形逻辑控制语言.........................164.6定位车速度给定程序..........................164.6.1电路分析...............................164.6.2梯形逻辑控制语言程序......................175.工业以太网的光纤通讯.......................205.1光纤通讯概述...............................205.1.1光发射机...............................205.1.2光接收机...............................216.设计小结...................................23参考文献.......................................24致谢.........................................2511.绪论1.1自动化控制技术的发展和展望随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至全世界各地的市场。而作为自动化技术的重要组成部分的过程控制技术，在现代工业生产过程中，正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。过程控制的发展大致经历了以下几个阶段：（1）仪表化与局部自动化系统这一阶段的主要特点是:采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动式仪表),其结构方案大多数是单输入-单输出的单回路定值系统，过程控制的主要工艺参数是温度、压力、流量、液位等热工参数的定值控制，控制的主要目的是保持工业生产的连续性和稳定性,减少扰动。仪表化与局部自动化系统运行设计分析的理论基础是以频域法和根轨迹法为主体的经典控制理论,它在控制性能上一般只能实现简单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制,主要任务是稳定系统,实现定值控制。（2）计算机集中式数字控制系统由于生产过程的强化,控制对象的复杂化和多样化（高维、大时滞、严重非线性、耦合及严重不确定性）,并随着计算机技术的发展,人们试图用计算机控制系统,替代全部模拟控制仪表,即模拟技术由数字技术来替代计算机集中式数字控制系统主要经历了2个阶段:a.直接数字控制系统DDC(DirectDigitalControl)DDC系统是用1台计算机配以模数、数模转换器等输入输出设备,从生产中获得信息,按照预先规定的控制算法算出控制量,并通过输出通道,直接作用在执行机构上,实现对生产过程的闭环控制。在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程,它不仅能完全取代模1拟调节器,实现多回路的PID调节,而且不需改变硬件,只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律,如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。b.计算机集中监督控制系统SCC(SupervisorComputerControlSystem)SCC系统是将操作指导和DDC综合起来的一种较高形式的控制系统，在SCC系统中计算机对生产过程中的参数进行巡检,按照所设计的控制算法进行计算,计算出最佳设定值直接传递给DD计算机,进而由DDC计算机控制生产过程，它实现了分级控制，SCC系统能完成较为复杂的计算,可实时实现最优化控制，其系统所采用的主要理论基础是现代控制理论，即多输入-多输出的多变量控制理论,克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制,消除因模型失配而产生不良影响的预测控制,保证系统稳定的监督控制等。（3）集散式控制系统DCS(DistributedControlSystem)DCS系统采用承担分散控制任务的现场控制站和具备操作、监视、纪录功能的操作监视站二级组成。它的主导思想是将复杂的对象化分为几个子对象,然后用局部控制器(现场控制站)作为一级,直接作用于被控对象,即所谓水平分散；第二级是操纵各现场控制站的协调控制器(操作监视站),它使各子系统协调配合,共同完成系统的总任务。（4）现场总线控制系统FCS(FieldControlSystem)FCS是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，通过现场总线,将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统，能够使设备之间可直接进行数据传输和信息交换，同时,现场设备和远程监控计算机也可实现信息传输。这样,将现场控制站中的控制功能下移到网络的现场智能设备中,从而构成虚拟控制站,通过现场仪表就可构成控制回路,故实现了分散控制FCS系统，较好地解决了过程控制的两大基本问题，即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信。（5）计算机集成过程系统CIPS(ComputerIntegrateProcessSystem)从过程控制系统发展的必要性和可能性来看过程控制系统必将朝综合化、智能化的方向发展，因此,以智能控制理论为基础,以计算机及网络为主要手段对企业的经营计划、调度、管理和控制全面综合,实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化，整个系统由生产管理层高级控制与优化层,基础控制层3部分组成，通讯技术以及计算机网络技术进行有机结合而发展起来的，所谓综合自动化系统称2为计算机集成过程系统CIPS。分布式控制系统,先进过程控制以及网络技术,数据库技术是实现CIPS的重要技术和理论基础。现场总线（FieldBus）就是顺应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展方向而发展起来的新技术，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的开放式、数字化、串行和多点通信的数据总线。它是控制技术、仪表技术和计算机网络技术相结合的产物。智能现场装置是现场总线的基础。现场总线在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用。1.2问题的引出随着计算机、信息技术的发速发展，21世纪最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致市场竞争空前激烈，产品技术含量高、更新换代快。为了适应市场竞争需要，作为商品流通连路上重要环节的港口，更需要提高生产作业与管理效率，优化管理决策，使企业了解接受市场并被市场了解与接受，在市场竞争中充满旺盛的生命力。对于现代化港口，就有必要改变传统的现场控制方式，在企业内部建立网络集成式全分布自动化控制网络系统。该方案的设计思想是利用现场总线的智能现场设备，实现作业过程的信号的采集、传送以及初步加工处理。可编程序控制器作为信号处理也挂在现场总线上，与总线进行数据交换。在企业内部还要通过组建企业局域网，在整个企业内部实现生产控制计算机之间、生产管理计算机之间、生产控制计算机与生产管理计算机之间以及其它管理计算机终端之间的通讯。从而可实现工业生产作业的集散控制与企业的综合管理。企业局域网还可实现工业生产作业的国际互联网连接，开放自己的网站来向服务客户介绍企业自身，及时了解国际国内物流市场的动态变化，获取业务信息，实现与电子商务这一新型贸易方式的接轨。因此本论文的方案研究低提高港口物流系统的作业效率，使企业在国际物流系统中处于技术及管理领先地位，从而占据竞争优势有着重大的现实意义。32.现场总线技术2.1过程现场总线（Profibus）自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的领域展示了自己的优势，它们具有各自的优特点，也显示了较强的生命力。主要包括基金会现场总线（FF）、CAN总线，LonWorks总线，Profibus等。其中，Profibus过程现场总线是随着智能芯片技术、网络通信技术和自动控制技术的发展而产生的，它具有设备之间的分散性、集成性、互操作和互用性。系统结构简单、投资成本低、维护维修费用低。Profibus过程现场总线控制技术已经成为自动化领域重要的技术发展方向。现场总线技术是应用在生产现场、智能控制器、管理计算机之间