基于PLC的水闸自动化监控系统

随着社会生产规模的扩大、生产水平的提高，科学管理水资源越来越显示其重要性和必要性，水闸自动化监控系统是当前我国大力推进的水利信息化的重要组成部分。

论文主要解决通过下游闸门对上游液位的控制，以满足取水口对闸门水位的要求。

基于对工控网络的理解，为实现闸门的远程监控，论文构建了3层网络控制系统:现场控制层、在过程监控层、远程监控层。

本文选用了的西门子公司的S7-300型PLC作为闸门控制系统的主站，选择了远程I/0站ET200M作为子站。

选用组态王为系统组态软件。

将现场总线技术和工业以太网运用到监控系统中，实现了闸门的自动控制。

关键词:水闸; 现场总线技术; PLC; 组态王；工业以太网
Along with the social product scale expansion, the production level enhancement, the scientific management water resources more and more demonstrate its importance and the necessity. Water intake automated control system is important component of currently vigorously promoting China's water information.
The thesis mainly directs at the method controlling the upper level through manipulating the tail strobe for the satisfaction of the demand of water intake for level before strobe. Understanding of Industrial control networks，for the destination of remote supervisory control, three-layered network control system is suspended: the field control layer, the supervisory layer, the remote monitoring control layer. The choice of the S7-300 type of Siemens Plc control system as the main gate stands, has selected long-distance I/O stands ET200M to take the sub- station. Selects the King View for the system configuration software. Utilizes the fieldbus technology and the industry ethernet to the supervisory system. Achieved Water intake automatic.
Keywords: Water intake; Fieldbus; PLC; King View; Industry Ethernet
目录
摘要 (1)
ABSCRACT (2)
1 绪论 (6)
1.1水闸自动化监控系统的意义 (6)
1.2 控制系统功能 (6)
1.3 论文完成的主要工作 (7)
2闸门控制系统 (8)
2.1 现场总线控制系统(FC S) (8)
2.1.1 现场总线控制系统概述 (8)
2.1.2 现场总线控制系统的组成 (8)
2.1.3 现场总线技术的主要特点 (9)
2.1.4 现场总线通信协议 (9)
2.1.5 现场总线（PROFIBUS）的协议结构和类型 (11)
2.1.6 现场总线网络中的总线存取控制 (12)
3 PLC控制系统的设计 (15)
3.1 PLC概述 (15)
3.2 PLC的组成 (15)
3.2.1 PLC的组成框图 (15)
3.2.2中央处理器(CPU) (17)
3.2.3 存储器 (17)
3.2.4 输入/输出接口 (19)
3.2.5 其他部件 (19)
3.3 PLC的工作原理 (20)
3.3.1 PLC的循环扫描工作方式 (20)
3.4 系统设计方法 (22)
3.5 本课题PLC控制系统的硬件设计 (24)
3.5.1 CPU模块 (24)
3.5.2 电源模块(PS) (25)
3.5.3 数字信号模块(DI/DO) (25)
3.5.4 模拟信号模块 (25)
3.5.5 通讯处理器(CP) (25)
3.5.6 远程I/O模块的选择 (25)
3.6 PLC编程 (26)
3.6.1 编程软件的选用 (26)
3.6.2 STL和LAD编程语言 (27)
3.6.3 闸门控制系统的部分程序 (28)
4 监控系统软件的组态 (33)
4.1 组态软件概述 (33)
4.2 组态软件的特点 (33)
4.3 组态软件的性能要求 (34)
4.4 组态软件的系统构成 (34)
4.4.1 以使用软件的工作阶段划分 (34)
4.4.2 按照成员构成划分 (35)
4.5 本课题组态软件的设计 (36)
4.5.1 组态软件的选择 (36)
4.5.2 “组态王”软件的分析 (36)
4.5.3 人机界面的设计 (38)
5 自控系统的网络通讯 (40)
5.1 自控系统的网络通讯模型 (40)
5.2 主从站通讯方式 (40)
5.2.1 设备级现场总线Profbus-DP (40)
5.1.2 PROFIBUS-DP的基本特征 (40)
5.2.3 PROFIBUS-DP的特点 (41)
5.2.4 PROFIBUS-DP的协议结构 (42)
5.2.4 PROFIBUS-DP在系统中的应用 (42)
5.3 以太网技术 (43)
5.3.1 以太网的重要概念 (44)
5.3.2 以太网协议 (45)
5.3.3 IP地址与以太网地址 (46)
5.3.4 工业以太网的研究现状 (48)
5.3.5 工业以太网在系统中的应用 (49)
6 总结 (51)
致谢 (52)
参考文献 (53)
1 绪论
1.1水闸自动化监控系统的意义
随着国民经济及科学技术的进一步发展，科学管理水资源越来越显示其重要性和必要性，尤其是在我国水资源并不充裕的情况下，水资源必然成为国民经济发展及人民生活水平提高的制约因素。

要解决好新世纪水的问题，就必须调整治水思路，转变治水方针，从工程水利向数字水利转变，从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变。

进一步发挥水利工程效益，提高供水设备的准确性和可靠性，己成为当前的迫切任务。

随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实现水资源的合理输送、节制和分配，就是水闸监控系统的主要内容和目标。

信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业优化升级和实现工业化、现代化的关键环节。

要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置。

水利是国民经济和社会发展的基础设施，必须适度超前发展。

水利的现代化，离不开水利信息化的支撑。

水闸自动化监控系统是当前我国大力推进的水利信息化的重要组成部分。

1.2 控制系统功能
(1) 控制功能
通过该网络可实现现地自动控制、现地手动控制以及远程自动控制共二种控制模式。

(2) 显示功能
以数字、文本、曲线、表格等形式，实时监控闸门运行状态，监视内容应包括 :①闸门开度；②闸门状态。

如手动/自动状态、运行/停止状态、远方/现地状态、上升、下降、停止等状；③设备状态。

如启闭机状态、行程开关状；
④报警信息。

如报警类型、报警时间；⑤操作过程中文提示。

(3) 报表管理功能
自动生成各类报表，可定时打印或召唤打印。

(4) 故障记录与语音报警
故障发生时，语音报警;同时详细记录故障信息可供查询。

(5) 远方自动与远方手动操作功能
对于掌握密码锁的操作员，在远程控制层能对各闸门进行远方操作，远方操作分为远方手动操作和远方给定值操作(自动)。

(6) 历史数据记录与查询
能根据“时间”、“门号”等关键词查询历史操作记录。

(7) 监测功能
通过显示屏可进行闸门开度指示、状态指示、故障信息指示、操作信息显示、设定参数显示等。

(8) 通信联网功能
通过Profibus-dp组成下层总线网，通过以太网组成远程监控网络。

(9) 自诊断功能
包括:①PLC故障诊断，可检测到模块，故障信息在屏上显示出来；②传感器故障自诊断，如传感器测量值与实际可能开度比较、传感器测量速度与闸门实际可能速度比较、左右传感器测量值的差值与闸门实际可能偏差值比较、闸门状态与传感器测量值关系是否合理的判断等。

1.3 论文完成的主要工作
本文的目的是要在分布式网络环境下，构建一个安全的远程监控系统。

现场控制级通过PROFIBUS总线把PLC的远程I/O模块与PLC上位机相连。

过程监控层是系统的集中管理部分，主要完成对现场控制状态的监测与控制，包括工程师站及操作站，采用PLC作为1类主站。

操作站由PC+S7-300组成。

工程师站由PC+组态王6.51，主要用于组态和维护。

论文完成的主要工作:
⑴基于PROF工BUS现场总线控制的控制系统方案的研究;
⑵ PLC硬件的选择;
⑶ PLC控制程序的编制;
⑷监控软件的特点与上位机的组态实现；
⑸ PROFIBUS现场总线网络的实现。

2闸门控制系统
2.1 现场总线控制系统(FC S)
2.1.1 现场总线控制系统概述
现场总线控制系统是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。

它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片和数字化仪表(设备)在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。

它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。

为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。

使得不同制造商的产品可以互联，大大简化系统结构。

降低成本，更好地满足了实时性要求，提高了系统运行的可靠性。

2.1.2 现场总线控制系统的组成
现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。

(1) 测量系统
其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。

(2) 控制系统
它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。

首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MM1。

通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。

在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。

优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。

(3) 管理系统
可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息(包括智能仪表)、厂商提供的设备制造信息。

2.1.3 现场总线技术的主要特点
(1) 数字化的信号传输
无论是现场底层传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站及高速网之间的信息交换，全部使用数字信号，实现了高速、双向、多变量、多站点之间的通信。

(2) 开放式、互操作性、互换性、可集成性
现场总线技术及标准是全开放式的，从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有制造商和用户。

通信网络可以和其他系统网络或高速网络相连接，用户可共享网络资源。

此外，现场总线特别强调互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。

(3) 可靠性高、可维护性好
基于现场总线的自动化系统采用总线方式替代一对一的I/0连线，对于大规模I/0系统来说减少了接线点造成的不可靠因素，同时，系统具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，及可完成现场设备的远程参数设定、修改某参数的工作，增强了系统的可维护性。

(4) 降低系统成本
现场总线的应用将大大降低自动化系统投资，仅系统布线、安装、维护费用，可比传统的自动化系统(DCS)减少66%。

另外，还可以减少厂房面积、节省投资。

2.1.4 现场总线通信协议
目前世界上流行的各种现场总线产品的协议，均是根据国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI. Open System Interconnection)协议来制订的。

OSI 是为计算机相互联网而制定的七层参考模型，有下而上分别为:①物理层;②数据链路层;③网络层;④传输层；⑤会话层；⑥表示层;⑦应用层。

现场总线协议
FF 模型Profibus-DP 124
35
6
7
图2.1 现场总线的通信协议
现场总线的通信与计算机网络通信不同，现场总线中的通信信息量小，信息传输任务相对简单，但实时性、可靠性要求较高，因此各种现场总线在不同程度上对OSI 的七层通信模型进行了简化，尽量减少中间环节，提高数据的流通速度，以满足数据传输的实时性。

现场总线只是通信协议中的一个子集，一般采用OSI 模型中的物理层、数据链路层和应用层，根据需要增加了一个用户层，用来定义功能块FB 和设备描述DDL ，其中DDL 好比设备的驱动程序，为不同产品之间的互操作提供了基础。

其各层功能定义如下:
第一层 : 物理层(Physical Layer)定义了网络信道上的信号与连接方式、传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源等。

当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层(DLL)下发的数据，并将以某种电气信号进行编码并发送;当处于数据接受状态时，将相应的电气信号编码为二进制数，并送到链路层。

第二层 : 数据链路层(Data Link Layer)定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功能、信息传输的差错检验。

DLL 提供原语服务和相关事件、与原语服务相关的参数格式，以及这些服务及事件之间的相关关系。

DLL 为用户提供了可靠且透明的数据传送服务。

数据链路层是现场总线的核心。

所有连接到同一物理通道上的应
用进程实际上都是通过链路层的实时管理来协调的。

为了突出实时性，现场总线没有采用以往IEEE802.4 标淮中所定义的分布式物理通道管理，而是采用了集中式管理方式。

在这种方式下,物理通道被有效地利用起来，并可有效地减少或避免实时通信的延迟。

第三层 : 应用层(Fieldbus Application Layer)为用户提供了一系列的服务，拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。

应用层与其他层的网络管理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。

第四层 : 用户层(User Layer)是专门针对工业自动化领域现场装置的控制和具体应用而设计的，它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用户凭标准功能块可组态成系统，实现用户的应用程序，这是使现场总线标准超过一项通信标准而成为一项系统标准的关键，也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。

此外，现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络管理代理，可提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。

系统管理负责完成设备地址分配、功能块执行调度、时钟同步和标记定位等功能。

2.1.5 现场总线（PROFIBUS）的协议结构和类型
图2.2 PROFIBUS的协议结构
从图可以看出，PROFIBUS协议采用了ISO/OSI模型中的第1层、第2层以及必要时还采用了第7层。

第1层和第2层的导线和传输协议依据美国标准EIARS485,国际标准IEC870-5-1和欧洲标难EN60870-5-1。

总线存取程序、数据传输和管理服务基于DIN19241[5]标准的第1到第3部分和IEC955[6]标准。

管理功能(FMA7)采用ISODIS7498-4(管理框架)的概念。

从用户的角度看，PROFIBUS提供了三种通信协议类型:DP、FMS和PA。

2.1.6 现场总线网络中的总线存取控制
PROFIBUS的总线存取控制满足了现场总线技术的两个主要应用领域的重要需求，这两个领域就是自动化制造工业和自动化过程工业。

一方面，同一级的可编程序控制器或PC之间的通信必须使每一个总线站(节点)在确定的时间范围内能获得足够的机会来处理它自己的通信任务。

另一方面，复杂的PLC或PC 与简单的分散的过程I/0外围设备之间的数据交换必须是快速而又尽可能地实现很少的协议开销。

为此,PROFIBUS使用混合的总线存取控制机制来实现上述目标。

它包括用于主动节点(主站)间通信的分散的令牌传递机制和用于主动站(主站)与被动站(从站)间通信的集中的主一从机制。

当一个主动节点(总线站)获得了令牌，它就接手主站功能并在总线上与其他从站和主站节点进行通信。

在总线上的报文交换是用节点编址的方法来组织的。

每个PROFIBUS节点有一个地址，而且此地址在整个总线上必须是唯一的。

在一个总线内，最大可使用的站地址范围是在0到126之间。

这就是说，一个总线系统最多可以有127个节点(总线站)。

这种总线存取方式允许有如下的系统配置:
(1) 纯主---主系统(令牌传递机制)；
(2) 纯主---从系统(主一从机制)；
(3) 两种程序的组合。

主设备之间的逻辑循环
从站、从站设备
2.2 本课题闸门控制系统方案的确定
本文的目的是要在分布式网络环境下，构建一个安全的远程监控系统。

现场控制级通过PROFIBUS总线把PLC的远程I/0模块与PLC上位机相连。

过程监控层是系统的集中管理部分，主要完成对现场控制状态的监测与控制，包括工程师站及操作站,采用PLC作为1类主站。

操作站由PC+S7-300组成。

工程师站由PC+组态王6.51,主要用于组态和维护。

为了达到上述功能，本课题设计的基于PROFIBUS-DP现场总线控制的闸门监控系统的结构设计图如图:
3 PLC控制系统的设计
3.1 PLC概述
PLC是可编程序控制器(Programmable Controller)的简称。

PLC是一种数字运算的电子系统.专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出.控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关设备，都是按易与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。

PLC是一种以微处理技术为基础，将控制处理规则存储于存储器中，应用于以控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。

PLC采用面向控制过程、面向现场问题的“自然语言”进行编程，具有十分灵活的控制方式。

伴随着大规模集成电路的迅速发展.微处理器技术和通讯技术的迅速提高，PLC技术的发展正逐步成为工业生产自动化三大支柱(PLC技术、机器人技术和CAD / CAM技术)之一，在当前和未来的工业控制中起到重要作用。

今后的 PLC将主要朝着超小型、专用化、低价格、高速多功能和分布式自动化网络方向发展。

其特点如下:
(1) 抗干扰能力强、可靠性高;
(2) 采用模块化组合结构;
(3) 软件功能强;
(4) 灵活性和通用性强;
(5) 编程语言简单易学;
(6) 使用维护方便。

3.2 PLC的组成
3.2.1 PLC的组成框图
PLC是以微处理器为核心的工业用计算机系统，其硬件组成与计算机有类似之处。

根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

(1) 整体式PLC
整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。

另外还有独立的I/O 扩展单元与主机配合使用。

整体式PLC的结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构。

整体式PLC的基本组成如图所示。

EPROM
图3.1 整体式PLC的组成示意图
(2) 组合式PLC
组合式PLC是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互联系。

装有CPU的单元称为CPU模块，其他单元称为扩展模块。

中、大型机常采用组合式结构。

由于组合式的PLC系统配置灵活，有的小型机也采用这种结构。

组合式PLC的基本组成如图所示。

系统总线
图3.2 组合式PLC的组成示意图
3.2.2中央处理器(CPU)
CPU由控制电路、运算器、存储器和总线等组成，一般都集成在一块芯片上。

不同型号的PLC使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的系统指令编写系统程序，并固化到只读存储器(ROM)中。

CPU按系统程序赋予的功能，接收编程器或计算机等编程工具输入的用户程序和数据，并存入随机存储器(RAM)中。

CPU按扫描方式工作，从规定的首地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，就执行一次用户程序。

各种PLC的中央处理单元也不相同.但在系统中的作用是一致的。

目前中型PLC为提高其自身的可靠性。

常采用双中央处理单元系统:一个是主处理器，用来处理字节操作指令，控制系统总线，监视扫描时间，统一管理编程接口；另一个是从处理器，专门用来处理位操作指令，配合操作系统实现PLC编程语言向机器语言转换，是加快PLC工作处理速度的关键。

3.2.3 存储器
PLC的存储器是用来存放系统程序、用户程序和工作数据的。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器，存放系统程序的存储器称为系统程序存储器。

(1) 系统程序存储器
PLC厂家根据CPU部件的指令系统编写的程序为系统程序，它固化在ROM 和EPROM中。

存储在ROM和EPROM中的内容，在断电情况下保持不变。

系统程序存储器存放内容包括系统工作程序(监控程序)、模块化应用功能子程序、命令解释程序、功能子程序的调用管理程序、系统诊断程序和系统参数。

以上内容都是事先存放在ROM {EPROM)芯片中.开机后便可运行其中程序，但这些内容用户无法直接存取，它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。

(2) 用户程序存储器
用户根据机器指令编写的程序称为用户程序，一般PLC产品说明书中所列的存储器就是指用户存储器。

不同PLC产品的存储容量各不相同。

用户程序存储器一般采用加备用电池供电的RAM，存放在RAM中的内容在PLC断电时会消失，所以目前一般采用锂电池在PLC断电时保存其内容，直到用户需要修改时为止。

用户程序存储器内容包括用户由编程器键盘输入的程序、各种暂存数据和中间结果等。

(3) ROM和RAM
①只读存储器ROM
ROM中的内容一般是由PLC制造厂家写入的系统程序，并且永远驻留，所以运行时，首先将检查的结果显示给操作人员;然后编译程序将用户键入的控制程序转换成由微电脑指令组成的程序，并对用户程序进行语法检查;最后再执行程序。

监控程序相当于总控程序，根据用户的需要调用相应的内部程序。

ROM 的容量与PLC的复杂程度有关。

②随机存储器RAM
RAM 是可读写存储器。

读出时，RAM 中的内容不被破坏，而写入的信息就会覆盖原来位置上的信息。

用户程序是指选择编程工作方式时.用编程工具输入的程序经过预处理后存放在RAM的低地址区，而逻辑变量则指在RAM的若干个存储单元中用来存放的变量，即输入/输出继电器、内部铺助继电器、保持继电器、定时器、位移继电器等。

一般PLC还有一定数量的数据区供数值运算、A/D. D/A,高速脉冲计数等功能使用。

内部监控、管理程序也要使用部分存储单元存放系统数据。

由于不同型号PLC的存储容量是不相同的，所以在技术说明书中，一般都会给出与用户编程和使用存储单元有关的指标。

如输人/输出继电器的数量、保持继电器的数量、内部辅助继电器的数量、定时器和计数器的数量、允
许用户程序的最大长度等，这些指标都间接地反映了RAM的容量。

RAM通常和理电池配合使用，这样在断电时可起到对用户程序的保存作用。

3.2.4 输入/输出接口
输入/输出接口起着PLC与外围设备之间传送信息的作用
(1) 输入接口
PLC通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息输入幸机，通过用户程序的运算和操作，将结果经输出接口输出给执行机构。

一般情况下，现场的输入信号可以是按钮开关、行程开关、接触器的触点以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过数/模转换后才能输入PLC内)。

输入接u一般由光电藕合电路和微电脑输入接口电路组成。

(2) 输出接口
PLC的输出信号是通过输出接口传送的，这些信号控制现场的执行部件完成相应的动作。

常见的现场执行部件有电磁阀、接触器、继电器、信号灯、功率不大的电动机等。

现场输出接口电路由接口电路和功率驱动电路组成。

3.2.5 其他部件
(1) 电源部件
PLC中一般有开关稳压电源为内部电路供电。

开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

有的PLC能向外部提供24V直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。

(2) I/O扩展端口
当主机上的I/O点数或类型不能满足用户需要时，主机可以通过I/O扩展端口连接I/O扩展单元来增加I/O点。

没有I/O扩展端口的PLC是不能进行I/O 点扩展的。

另外，通过I/O扩展端口还可以连接各种智能单元，扩展PLC的功能。

(3) 外设端口
每台PLC都有外设端口，通过外设端口，PLC可与外部设备相连接，如连接编程器输入、修改用户程序或监控程序的运行。

有的PLC可以通过外设端口与其他PLC、计算机或终端设备PT等链接进行通信，或连成各种网络等，还可。