基于PLC的火车运行控制系统软件.docx

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基于PLC的火车运行控制系统软件

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

SoftwareDesignofTrainOperationControlSystem

BasedonPLC

Abstract:

Thistopic,whichtakestheexperimentalplatformoftrainrunningascontrolledobject,constructstheDeviceNetRemotereal-timesupervisorysystembasedonPLC.Accordingtotherequirementsoftrain’soperationstrategy,thedesignformsatrainoperationcontrolsystembasedonCQM1PLC.Bycircuitdesigning,programminganddebugging,thissystemachievedreal-timemonitoringfortherunningstateoftwotrains’preventingcollisionandroutechoice,etc;andthen,throughstudyingtheDeviceNet,networkmonitoringsystemofhoststationbasedonCS1PLCisestablished,andthesupervisionsystemisdevelopedbytheconfigurationsoftware.Afterdebugging,thedesignfulfillstheRemotereal-timesupervisorysystemCS1hoststationtotheCQM1slavestation.

Keywords:

programmablelogiccontroller;real-timemonitor;configuration

1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。

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（ProgrammableLogicController），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，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。

1.3PLC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，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动态模拟显示、分析限值及其报警信息，实现对被控系统的实施监控。

基于PLC的火车运行控制系统结构，如图4所示。

图4基于PLC的火车运行控制系统

2.2.2CompoBus/D（DeviceNet）网络构建方案

CompoBus/D是一种多供应商网络，含有多位控制和信息系统,符合开放式现场DeviceNet规范。

将CompoBus/D主单元与网络连接时，就可以实现PLC与网络上的从站之间的远程I/O通信。

这种远程I/O通信能够使用大容量的I/O和用户的地址分配。

它将控制和数据融合在一起，并且遵循DeviceNet开放标准，解决了传统网络所存在的问题。

本次设计首先构建了基于火车运行控制系统的DeviceNet实时监控网络，其结构如图5所示。

图5基于火车运行控制系统的DeviceNet实时监控网络结构

该网络结构中，上位机用来进行系统参数的修改与设定、自动控制、在线监视、传送信息等工作。

上位机-B机通过串行口与CQM1型PLC相连，进行相互通信，共同对模拟的工业现场进行实施监控；上位机-A通过串口与CS1型PLC相连，由于CS1型PLC与CQM1型PLC以及远程I/O模块之间通过主从站的通讯单元可以进行大量的数据传送，上位机-A可以通过对CS1型PLC的读写操作达到远程实时监控的目的。

2.3控制系统主要元器件选型

根据火车运行控制系统整体方案设计，系统主要由两台PC、两台PLC、数字量I/O模块、模拟量输出模块和构建DeviceNet网络所需的通讯模块等组成。

（1）上位机：

本次设计，均选择个人计算机作为工控机来应用，配置可满足设计要求，在实际的工业控制中，可根据合理设计的原则选择相应的工控机。

（2）通过对控制对象和控制任务进行统计和分析，结合实验室现有的设备，确定系统的规模、机型及配值情况如下：

主站:

主单元选用CS1G-CPU42型PLC，主站通信单元选用C200HW-DRM21-V1模块。

从站：

CQM1单元选用DRT21从站模块；远程I/O终端单元DRT1-OD16和DRT1-ID16。

I/O单元模块：

ID211模块，8路开关量输入；OC221模块,8路开关量输出；OC222模块，16路开关量输出；DA021模块，模拟量输出单元，提供输出电流信号范围0到20mA，电压范围-10V到10V。

3基于CQM1型PLC火车运行控制系统设计

通过第2节的介绍，已经对该系统有了一定得认识，本节将简要介绍一下火车模型控制系统的硬件设计和I/O分配情况，主要介绍系统的软件设计和上位机组态的过程。

3.1系统硬件设计

基于CQM1型PLC的火车运行控制系统，硬件部分主要由电源、控制电路，信号转换电路和火车模型运行实验平台四部分组成。

3.1.1系统整体结构

系统整体结构如图6所示，各部分电源分别供电，防止相互之间的干扰，PLC单元包括开关量输入输出单元和模拟量输出单元，中间电路部分包括信号电路和控制电路，系统通过检测现场的传感器信号，实时监控火车模型运行情况。

图6系统整体结构图

3.1.2系统部分电路介绍

火车运行控制系统采用的光电传感器信号为模拟量输入，作为位置检测即为数字量输入，必须通过模拟电路转换，将其转化为开关量输入信号。

光电传感器输入信号转换电路如图7所示。

图7光电传感器输入信号转换电路

在本次设计过程中发现，该电路比较器输出端一直存在方波信号，导致PLC输入端在没有信号输入的情况下，指示灯仍常亮或闪烁，但上位机监控识其正常工作状态。

后经不断测试发现，该现象是由于光电传感器受外界杂散光干扰，使其输入信号存在交流分量所致，经修改电路，在比较器反向输入端加滤波电容，电路正常工作。

火车运行控制系统中，由于直接从模拟量单元输出的信号驱动能力有限，不能直接驱动轨道上多辆火车运行，所以在此，还设计了轨道电压驱动电路，如图8所示。

图8轨道电压驱动电路

3.2系统软件设计

通过对火车模型控制系统进行硬件选型及其系统分析后，对其进行软件设计。

首先，对已选资源进行合理的I/O分配；其次，根据确定的分配方案和设计要求，编写PLC程序，并调试运行。

3.2.1系统输入输出设计

分析该系统，共需22路开关量输入信号，23路开关量输出信号和三路模拟量输出信号。

由于实验室条件有限，本次设计所选的DA021单元只有两路模拟量输出信号，所以只能将其中两路共用，再用继电器开关将其分为两路信号，分别对其控制，达到两路输出的效果。

结合实际选型情况和控制要求，在此将信号分为开关量输入区、开关量输出区和模拟量输出区三部分。

由于所选硬件资源有限，这里还采用软件开关的方式对整体系统的运行进行控制，如启动、运行、停止等按钮。

硬件详细分配情况如表1、表2、表3所示。

表1系统硬件资源分配情况

开关量输入分配

PLC单元CQM1-CPU21-E

ID211模块（8路数字量输入）

名称

地址分配

描述

名称

地址分配

描述

光电传感器位置0

000.00

开关量输入

光电传感器位置16

001.00

开关量输入

光电传感器位置1

000.01

开关量输入

光电传感器位置17

001.01

开关量输入

光电传感器位置2

000.02

开关量输入

光电传感器位置18

001.02

开关量输入

光电传感器位置3

000.03

开关量输入

光电传感器位置19

001.03

开关量输入

光电传感器位置4

000.04

开关量输入

光电传感器位置20

001.04

开关量输入

光电传感器位置5

000.05

开关量输入

光电传感器位置21

001.05

开关量输入

光电传感器位置6

000.06

开关量输入

光电传感器位置7

000.07

开关量输入

光电传感器位置8

000.08

开关量输入

光电传感器位置9

000.09

开关量输入

光电传感器位置10

000.10

开关量输入

光电传感器位置11

000.11

开关量输入

光电传感器位置12

000.12

开关量输入

光电传感器位置13

000.13

开关量输入

光电传感器位置14

000.14

开关量输入

光电传感器位置15

000.15

开关量输入

表2开关量输出分配

OC211单元模块

OC222单元模块

名称

地址分配

地址分配

名称

地址分配

描述

外围轨道电压反向

100.00

开关量输出

2#岔道外围

101.00

开关量输出

外围轨道电压正向

100.01

开关量输出

2#岔道站内

101.01

开关量输出

2#站轨道电压反向

100.02

开关量输出

3#岔道直行

101.02

开关量输出

2#站轨道电压正向

100.03

开关量输出

3#岔道进轨

101.03

开关量输出

1#站轨道电压反向

100.04

开关量输出

4#岔道外围

101.04

开关量输出

1#站轨道电压正向

100.05

开关量输出

4#岔道站内

101.05

开关量输出

1#岔道外围

100.06

开关量输出

5#岔道外围

101.06

开关量输出

1#岔道站内

100.07

开关量输出

5#岔道直行

101.07

开关量输出

6#岔道进轨

101.08

开关量输出

6#岔道直行

101.09

开关量输出

蜂鸣器

101.10

开关量输出

1#站红灯

101.11

开关量输出

1#站绿灯

101.12

开关量输出

2#站红灯

101.13

开关量输出

2#站绿灯

101.14

开关量输出

表3模拟量输出分配

DA021单元模块

名称

地址分配

描述

1#站轨道电压

102

模拟量输出

2#站轨道电压

102

模拟量输出

外围轨道电压

103

模拟量输出

设计完系统输入输出，对输入输出点以及系统编程中用到的变量进行地址分配是系统软件编程的首要工作，本系统编程中所设计的主要变量地址分配如表4所示。

表4系统变量地址分配表

数据类型

地址分配

注释

数据类型

地址分配

注释

BOOL

100.00

外围轨道正向电压

BOOL

205.11

6#岔道直行--手动

BOOL

100.01

外围轨道反向电压

BOOL

205.12

蜂鸣器控制--手动

BOOL

100.02

2#站轨道正向电压

BOOL

210.00

启动指示

BOOL

100.03

2#站轨道反向电压

BOOL

220.00

手动运行指示

BOOL

100.04

1#站轨道正向电压

BOOL

220.01

自动运行指示

BOOL

100.05

1#站轨道反向电压

BOOL

221.00

手动正向运行按钮

BOOL

100.06

1#岔道

BOOL

221.01

手动反向运行按钮

BOOL

100.07

1#岔道

BOOL

221.14

手动运行正向指示

BOOL

101.00

2#岔道

BOOL

221.15

手动运行反向指示

BOOL

101.01

2#岔道

BOOL

222.00

自动正向运行按钮

BOOL

101.02

3#岔道

BOOL

222.01

自动反向运行按钮

BOOL

101.03

3#岔道

BOOL

222.14

自动运行正向指示

BOOL

101.04

4#岔道

BOOL

222.15

自动运行反向指示

BOOL

101.05

4#岔道

BOOL

225.06

客车2#站前标记

BOOL

101.06

5#岔道

BOOL

225.15

客车1#站前标记

BOOL

101.07

5#岔道

BOOL

227.00

货车起始位

BOOL

101.08

6#岔道

BOOL

227.06

货车1#站前标志

BOOL

101.09

6#岔道

BOOL

227.15

货车2#站前标记

BOOL

101.10

蜂鸣器

BOOL

228.00

BOOL

200.00

启动

BOOL

228.15

1#站外围轨道

BOOL

200.01

停止

BOOL

229.00

4#岔道直行允许动作

BOOL

201.00

手动按钮

BOOL

229.01

2#岔道允许动作

BOOL

201.01

自动按钮

BOOL

229.02

1#岔道允许动作

BOOL

205.00

1#岔道站内--手动

BOOL

229.03

5#岔道允许动作

BOOL

205.01

1#岔道外围--手动

BOOL

229.04

3#岔道外围

BOOL

205.02

2#岔道站内--手动

BOOL

229.05

6#岔道进轨允许动作

BOOL

205.03

2#岔道外围--手动

BOOL

229.06

2#岔道允许动作

BOOL

205.04

3#岔道进轨--手动

BOOL

229.07

4#岔道外围允许

BOOL

205.05

3#岔道直行--手动

BOOL

230.00

1#站内是否有车标志

BOOL

205.06

4#岔道站内--手动

BOOL

230.01

2#站内是否有车标志

BOOL

205.07

4#岔道外围--手动

BOOL

230.02

1#站内车辆出站前判断

BOOL

205.08

5#岔道站内--手动

BOOL

230.03

2#站内车辆出站前判断

BOOL

205.09

5#岔道外围--手动

BOOL

230.12

BOOL

205.10

6#岔道进轨--手动

3.2.2系统程序流程图设计

系统软件设计所需变量地址分配完毕后，对控制系统所要完成的功能进行详细分析，根据系统设计要求并