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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 基于基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计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 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 Automation Major YAN Liang Abstract: This topic, which takes the experimental platform of train running as controlled object, constructs the DeviceNet Remote real-time supervisory 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 collision 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 host station to the CQM1 slave station. Key words: programmable logic controller; real-time monitor; configuration 目目 录录 1 引言.1 1.1 概述 1 1.2 可编程控制器简要概述 1 1.3 PLC 在工业控制领域中的应用.2 1.4 本课题主要研究内容 2 1.5 本课题的意义 3 2 火车运行控制系统整体设计.3 2.1 火车模型平台概述 3 2.2 控制系统整体方案设计 4 2.3 控制系统主要元器件选型 5 3 基于 CQM1 型 PLC 火车运行控制系统设计6 3.1 系统硬件设计 6 3.2 系统软件设计 7 3.3 基于 CQM1 型 PLC 的上位机监控系统设计13 4 DEVICENET 网络设计18 4.1 现场总线技术概述 18 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 4.2 网络结构概述 18 4.3 网络配置 19 4.4 远程 I/O 通信.20 4.5 网络测试 21 4.6 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.36 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 1 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(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 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 2 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。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 3 (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 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 4 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。 CS1 上位机-A DRT1 -OD16 DRT1 -ID16 CQM1 上位机-B C Co om mp po oB Bu us s/D 网络层 火火车车模模型型控控制制系系统统运运行行平平台台 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。 控制器 传感器被控对象被控对象 ABC 信号转换电路驱动电路 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。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 5 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。 CQM1 火火车车模模型型控控制制系系统统运运行行平平台台 上位机-B 图 4 基于 PLC 的火车运行控制系统 2.2.2 CompoBus/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。 CS1 上位机-A DRT1- OD16 DRT1- ID16 CQM1 DeviceNet 网络层 上位机-B 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 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 6 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。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 7 P L C 单 元 光电传感器 轨道电压大小 控 制 电 路 信号转换电路 轨道电压方向 岔道方向控制 蜂鸣器 信号灯指示 电源1电源2电源3 RS232C 上位机 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。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 8 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-EID211 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 0000.00开关量输入光电传感器位置 16001.00 开关量输 入 光电传感器位置 1000.01开关量输入光电传感器位置 17001.01 开关量输 入 光电传感器位置 2000.02开关量输入光电传感器位置 18001.02 开关量输 入 光电传感器位置 3000.03开关量输入光电传感器位置 19001.03 开关量输 入 光电传感器位置 4000.04开关量输入光电传感器位置 20001.04开关量输 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 9 入 光电传感器位置 5000.05开关量输入光电传感器位置 21001.05 开关量输 入 光电传感器位置 6000.06开关量输入 光电传感器位置 7000.07开关量输入 光电传感器位置 8000.08开关量输入 光电传感器位置 9000.09开关量输入 光电传感器位置 10000.10开关量输入 光电传感器位置 11000.11开关量输入 光电传感器位置 12000.12开关量输入 光电传感器位置 13000.13开关量输入 光电传感器位置 14000.14开关量输入 光电传感器位置 15000.15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 BOOL100.00外围轨道正向电压BOOL205.116#岔道直行-手动 BOOL100.01外围轨道反向电压BOOL205.12蜂鸣器控制-手动 BOOL100.022#站轨道正向电压BOOL210.00启动指示 BOOL100.032#站轨道反向电压BOOL220.00手动运行指示 BOOL100.041#站轨道正向电压BOOL220.01自动运行指示 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 10 BOOL100.051#站轨道反向电压BOOL221.00手动正向运行按钮 BOOL100.061#岔道BOOL221.01手动反向运行按钮 BOOL100.071#岔道BOOL221.14手动运行正向指示 BOOL101.002#岔道BOOL221.15手动运行反向指示 BOOL101.012#岔道BOOL222.00自动正向运行按钮 BOOL101.023#岔道BOOL222.01自动反向运行按钮 BOOL101.033#岔道BOOL222.14自动运行正向指示 BOOL101.044#岔道BOOL222.15自动运行反向指示 BOOL101.054#岔道BOOL225.06客车 2#站前标记 BOOL101.065#岔道BOOL225.15客车 1#站前标记 BOOL101.075#岔道BOOL227.00货车起始位 BOOL101.086#岔道BOOL227.06货车 1#站前标志 BOOL101.096#岔道BOOL227.15货车 2#站前标记 BOOL101.10蜂鸣器BOOL228.00 BOOL200.00启动BOOL228.151#站外围轨道 BOOL200.01停止BOOL229.004#岔道直行允许动作 BOOL201.00手动按钮BOOL229.012#岔道允许动作 BOOL201.01自动按钮BOOL229.021#岔道允许动作 BOOL205.001#岔道站内-手动BOOL229.035#岔道允许动作 BOOL205.011#岔道外围-手动BOOL229.043#岔道外围 BOOL205.022#岔道站内-手动BOOL229.056#岔道进轨允许动作 BOOL205.032#岔道外围-手动BOOL229.062#岔道允许动作 BOOL205.043#岔道进轨-手动BOOL229.074#岔道外围允许 BOOL205.053#岔道直行-手动BOOL230.001#站内是否有车标志 BOOL205.064#岔道站内-手动BOOL230.012#站内是否有车标志 BOOL205.074#岔道外围-手动BOOL230.021#站内车辆出站前判断 BOOL205.085#岔道站内-手动BOOL230.032#站内车辆出站前判断 BOOL205.095#岔道外围-手动BOOL230.12 BOOL205.106#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列出设计要点，绘制程序设计流程图如图 9 所示。 系统运行 系统启动 手动自动选择 自动 站前判断 站内有车 客车 轨道送电压 鸣笛进站 红灯亮 到位停车 定时时间到 站前近距离有车 鸣笛 岔道动作 出站 绿灯亮 站外等候客车 站外等候 货车外围绕行 站内直行 正反向运行选择 正向运行 结束 N Y N N N N NN 等候出站 等候出站 N N Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 手动操作 岔道动作 轨道电压 图 9 火车运行策略程序结构流程图 系统设计要求如下： (1) 系统要求有启动、运行、停止、手动/自动选择、运行反向等基本控制按钮； (2) 手动运行状态下，能够随时控制各车辆（启动、停止、加减速、鸣笛、岔道动 作等控制） ，以便调节车辆的运行情况； (3) 自动运行状态下，系统能够实时监测列车的运行情况，并根据自己的运行条件 做出行驶轨迹选择，达到最佳路径形式（货车：遇到车站，若站内无车，则鸣笛从站 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 11 内通过，有车，则岔道动作，从站外绕行；客车：遇到车站，若站内有车，则需站前 等待，若站内无车，则鸣笛进站、到位停车，延时等待，定时时间到，准备启动，但 防止站外短距离内有车，需判断站前短距离内是否有车，有车则需继续等待，直至达 到安全距离时，车辆鸣笛、出站） 。 设计要点： (1) 由于实验平台的输入只有位置检测信号，而没有车辆识别装置，如何编程实现 在只知道初始位置和系统控制规则的情况下，实时监测车辆的运行状态，并做出准确 的动作； (2) 系统平台位置检测元件之间距离较大，而车辆运行速度和本身的机械结构等决 定了，车辆在运行过程中不能相距太近，以防止发生追尾事故； 3.2.3 系统部分程序设计 在完成系统详细 I/O 地址分配和程序流程图后，首先利用 CX-Programmer 6.1(后边 简写 CX-P)进行编程设计，在此，给出部分程序梯形图，并进行简要说明，详细程序 请参考附录程序。 图 10 新建工程网络设置 编写程序前，需在 CX-P 下建立新工程，选择设备类型为系统设计中所对应的 PLC 型号，接着需要选择并设定网络类型，在此只是对应编程，选择 SYSMAC WAY 网络。打开“设定”按钮，弹出“网络设置”对话框，如图 10 所示，这里需要根据所 选 PC 的硬件情况进行设置。 查看硬件设置情况，我的电脑属性硬件设备管理器端口-通讯端口属 性-端口设置-高级，设置连接属性和数值格式，设置不对，将不能与 PLC 进行通讯 连接。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 12 设置完设备类型和网络类型后，即可在程序段下编写系统控制程序，同时为了方 便程序分析和移植，采用多程序段独立编程结构，在此给出了部分子程序的程序设计 流程图和程序梯形图，系统自动/手动选择控制子程序，如图 11 所示。 图 11 自动/手动选择控制程序 由于系统硬件条件有限，系统运行只知道车辆运行的初始位置及运行规则，为使 车辆能完成预定任务，须对车辆进行站前识别，因此，对车号位置进行实时跟踪，是 本次设计的关键。客运和货车车辆实时跟踪程序设计结构图流程如图 12 所示。 系统自动运行 车辆标志位=站前 按规则继续运行 下一个位置到 写车辆标志位 为当前位置 岔道 蜂鸣器动作 Y Y N N 图 12 车辆实时跟踪结构流程图 及时准确的完成对不同情况下岔道动作的控制，是车辆进出站、停车避让等控 制的前提，系统部分岔道控制程序如图 13 所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 13 图 13 部分岔道控制程序 3.3 基于 CQM1 型 PLC 的上位机监控系统设计 典型的计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次 结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号转换成数 字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对 多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现对生产数据 进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中 管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。 3.3.1 组态软件概述 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特 点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的 用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的 “组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用 中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全 相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化系统集成时间，提高了集成效率。 力控监控组态软件的基本程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数 据库DB、I/O 驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件，其中实时数 据库是系统的核心，组态软件结构图如图14所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 14 VIEW IOServer RTDB 控制策略 CommBridge NETSERVER ODBCRouter OPCServer PortServer 扩展组件 图 14 组态软件结构图 3.3.2 上位机监控系统组态 力控组态软件的开发一般由下列部分组成：设计图形界面、I/O设备组态、创建数 据库、数据连接、建立动画连接、运行及调试等步骤。 采集数据在力控各软件模块中的数据流向如图15所示。 View 数据库变量 数据库点参数 IO服务器 IO连接项 设备地址 图 15 组态软件中数据流向 1)设计图形界面 用户可用抽象的图形画面来模拟实际的火车模型控制系统现场和相应的辅助设备。 利用力控软件内部图库和工具箱，绘制控制系统的监控界面。打开力控组态软件，工 程管理/新建工程/确定，建立工程，选择工程管理/选择系统已建工程/开发，进入工程 画面开发界面，新建基于CQM1型PLC的火车运行监控系统开发界面，运用工程项目导 航栏，管理当前工程项目相关信息，运用系统工具箱，开发系统手动监控界面如图16 所示。 图 16 火车运行监控系统手动运行画面 由于系统工具箱绘图能力有限，火车模型运行系统的平台用AUTOCAD2008绘制， 在力控工具箱下，采用CAD控件的方式，加载DXF文件的CAD对象，建立火车模型控 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 15 制系统手动运行监控界面。 2)I/O设备组态 I/O设备的通讯一般包括：DDE、OPC、PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块、 板卡等，这些设备一般通过串口和以太网等方式与上位机交换数据，只有在定义了I/O 设备后，力控软件才能通过数据库变量和这些I/O设备进行数据交换。 在Draw 导航器中双击“I/O设备驱动”项出现对话框，在展开项目中选择 “PLC”项并双击使其展开，然后继续选择“OMRON”并双击使其展开后，选择项目 “HOST LINK”，双击 “PLC”出现 “I/O设备定义”对话框，在“设备名称”输入 框内键入一个人为定义的名称，下一步，设定串口，完成操作。I/O 设备设置，如图 17所示。 图 17 I/O 设备设置 3)创建数据库 数据库 DB 是整个应用系统的核心，构建分布式应用系统的基础。它负责整个力 控软件应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数 据服务请求处理。 在Draw 导航器中双击“实时数据库”项使其展开，在展开项目中双击“数据库组 态”启动组态程序DBManager主窗口。单击菜单条的“点”选项选择新建或双击单元 格，出现“请指定区域、点类型”向导对话框，创建数据库，如图18所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 16 图 18 数据库创建 4)数据连接 如何将已经创建的数据库点与PLC中的数据项联系起来，以使这些点的PV参数值 能与I/O设备PLC进行实时数据交换，这个过程就是建立数据连接的过程。由于数据库 可以与多个I/O设备进行数据交换，所以必须指定哪些点与哪个I/O的哪个数据项设备建 立数据连接。双击数据库中点LEVEL的单元格，选择“数据连接”选项或双击LEVEL 所对的“IOLINKI/O连接”单元格，都会出现如图19所示的对话框。 图 19 数据连接 单击增加按钮，出现数据连接对话框，“寄存器地址”选择“0”，“寄存器类型” 指定为“增量寄存器”，然后单击“确定”按钮返回，完成该点数据连接的定义，在 点LEVEL的I/O连接单元格中列出了点LEVEL的数据连接项，当完成数据连接的所有组 态后，单击保存按钮并退出DBManager窗口。 5)创建动画连接 前面已经完成了很多工作，包括：制作显示画面、创建数据库点，与I/O设备 “PLC 中的过程数据一一连接。现在回到开发环境Draw 中，通过制作动画连接使图形在画面 上随仿真数据的变化而活动起来。下面以所建的工程为例说明建立动画连接的部分步 骤：双击“系统启动”对象，出现动画连接对话框如图20所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 17 图 20 动画连接按钮动作 单击“左键动作”按钮，出现脚本编辑器对话框，编写函数构建动画连接；右键 “LED指示灯”对象，出现动画连接对话框，点击，选择已经创建的变量，建立数 据连接，如图21所示。 图 21 动画连接变量选择 6)系统运行 力控组态下新建工程初步完成，进入运行阶段，首先保存所有组态内容，关闭 DBManager(如果没关闭)。在力控的开发系统（DRAW）中选择“文件进入运行”菜 单命令，进入力控的运行系统。在运行系统中选择“文件打开”命令，从“选择窗口” 选择“基于CQM1的火车运行监控系统”。 在运行的主界面下，点击“系统启动”按钮，开始运行PLC 的程序，系统运行指 示灯亮，点击“手动运行”按钮，手动运行指示灯亮，系统可以在手动运行和自动运 行之间切换工作状态，并可以在任何时候点击“停止”按钮来中止这个过程，结合 PLC中的程序，可对火车运行控制系统进行实时监控，通过测试，系统运行实现设计 要求，实时监控运行主界面如图22所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 18 图 22 火车运行实时监控系统 4 DeviceNet 网络设计 CompoBus/D是OMRON公司的一种开放式的网络，它遵循DeviceNet开放现场网络 标准，非MORNO公司生产的设备，如主从单元，都可以连接到该网络上。 CompoBus/D是MORNO公司主推的网络之一，它的内容丰富，功能很强。随着各种新 器件或单元的不断推出，CompoBus/D的功能越来越强。本次采用该网络类型，设计了 基于火车模型控制系统的DeviceNet远程控制系统，实现了对火车运行策略的实时监控。 4.1 现场总线技术概述 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字的系统，也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层网络，它在各个自动化系统中 具有广泛的应用。 现场总线采用公开规范的通信协议，它把单个分散的测量控制设备变成网络系统 节点，以现场总线为纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系 统并进一步构成自动化系统，实现控管一体化的综合自动化功能。现场总线是新型自 动化系统，又是低带宽的底层控制网络（Infranet）。它可与因特网（Internet）、企业 内部网（Intranet）相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而称之为底层网络。 4.2 网络结构概述 4.2.1 DeviceNet网络结构 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 19 图 23 DeviceNet典型网络结构 凡是支持DeviceNet开放现场网络标准的主单元和从单元，都可以按照该网络类型 接入。DeviceNet网络典型结构如图23所示。 4.2.2 DeviceNet通信的主要技术指标 表 6 DeviceNet通信的主要技术指标 项目规格 通信协议DeviceNet 支持的连接主一从:远程I/O和Explicit信息 点对点:FINS信息 以上两种都遵守DeviceNet规格 连接形式M多分支和T型分支组合连接(干线和支线) 通信波特率500Kbps，250Kbps，或125Kbps(可选择) 通信介质专用5芯电缆 (50OKbps)网络长度:最大100m; 支线长度:最大6m;总支线长度:最大39m (250Kbps)网络长度:粗线250m，细线100m;支线长度:最大6m;总支线长度:最大78m 通信距离 (125Kbps)网络长度:粗线500m，细线100m;支线长度:最大6m;总支线长度:最大156m 通信电源24V DC，外部供给 最大节点数64节点(包括配置器在内) 最大主单元数没有配置器:l 带有配置器:63 最大从单元数63个从单元 出错控制CRC出错检查 4.3 网络配置 4.3.1 网络硬件配置 在配置网络前先阐述一下几个网络中常用到的概念： 主单元：支持在PC和从单元之间，OMRON PC与OMRON PC之间，以及OMRON 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 20 PC与其他公司主从单元之间的远程I/O通信，主单元相当于INTERNET网络中的 SERVER。 从单元：提供一般的I/O或晶体管（无触点）I/O单元模块。 主站：包括电源在内的所有一般I/O模块（包括主单元模块在内）的整机。 从站：每个从站根据自身的特征可以带有一个或者一个一上的从单元，即每一个 从单元对应唯一的节点号。 节点：连接在网络中的主从单元为了能够进行通信，必须给其编号，就像局域网 中的IP地址，同一网络中，节点号不能重复。 1)硬件安装 主单元安装：主单元像其它单元一样安装在PC上，当不使用配置器时只有一个主 单 元能与PLC连接。主单元是一个特殊的I/O单元，只要单元号不与另一个特殊的I/O单元 号冲突就可安装在CPU机架或者扩展I/O机架底板的任何槽中。本次设计主单元直接安 装CS1的CPU机架上即可。 从单元安装：I/O Link单元能和标准I/O单元一样安装到CQM1 PLC上，I/O字的分 配取决于单元装在PLC上的顺序。装好单元后，需将PLC用DIN轨道螺钉和端子板固定。 2)通信连接 通信连接需注意通讯电缆、通讯电缆接头、终端电阻、电源等问题。这里选择五 芯电缆，如表7所示。 表 7 五芯电缆指标 颜色信号 棕色电源线，负电压（-V） 蓝色通信线，低（CAN低） 屏蔽线 黄色通信线，高（CAN高） 红色电源线，正电压（+V） 选用DCN1-3C接头，将网络中的节点连接在一起，同时一定要注意电源和终端电 阻 的连接方法，注意事项参考相关参考手册。 3)通信设置 本次构建的网络，主要设置参数如下表8所示。 表 8 DeviceNet网络通信设置 机架模块主/从站单元号波特率节点号通信电源 CS1GC200HW-DRM21-V1主站0150OKbps0024V DC CQM1CQM1-DRT21从站50OKbps0324V DC 远程 I/ODRT1-OD16从站50OKbps0124V DC 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 21 远程 I/ODRT1-ID16从站50OKbps0224V DC 注意，如果相同的节点号用于主单元和另一个节点（节点号重叠） ，从单元将不能 够参与通信。系统调试过程中，在改变节点号设置之前，需先关闭从单元的电源（包 括通信电源） 。 4.4 远程I/O通信 远程I/O通讯时，安装在主单元PLC的I/O存储区为每个从单元分配字地址，以实现 与从单元I/O数据的自动交换。 4.4.1 I/0分配方式 本次设计只有一个主单元，且没有使用配置器，所以选择了缺省远程I/O分配的方 式。使用缺省远程I/O分配时，PLC存储区中的字地址是根据从单元的节点地址进行分 配的，分配的字地址分成输入区和输出区，PLC由输入区接收从单元的输入，由输出 区输出数据到从单元，每个节点地址分配一个输入字和一个输出字。如果一个从单元 需要不止一个输出或输入字，它将占有不止一个节点地址，如果一个从单元需要的字 少于一个字，它仅占有分配给它的字的最右边的位。 4.4.2 扫描表 要想使网络能够正常进行通讯，必须在主单元中创建扫描表。扫描表提供下列信 息。 每个从单元的I/O分配，多少I/O点以及节点地址是什么； 提供有关远程I/O通信状态和通信循环时间的通信参数； 当用户缺省远程I/O分配时，扫描表可置为使能或无效，但对于用户设定分配时必 须使其使能。因此，必须使用软件开关进行登记。软件开关的位置如表9所示。 表 9 软件开关位 位0扫描表使能 位1清除扫描表 位2清除通信出错阻塞 位3起动远程I/O通信 位4停止远程I/O通信 位515不能用（系统要求） 通过查阅资料，得出本网络结构中CS1内存区中扫描表软件开关的通道号计算方法： 软件开关通道号=CIO 2000 +10*单元号 单元号为通讯模块在该机架中的设置，此处，设置主站单元号为01，所以软件开 关的通道号为CIO 2010。 4.5 网络测试 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 22 通过前边的网络配置安装，在对其测试之前，先按照参考手册中的应用步骤，对 其再进行一次系统的检查，然后，编写软件进行网络测试。 4.5.1 工程创建 使用CX-P软件组建工程，CPU选择CS1G-CPU42，连接PLC后，创建I/O表，系统 将自动检测CPU机架上的硬件信息，如图24所示。 图 24 主单元I/O表创建 注意该处如无特殊情况，尽量使用软件自动创建I/O表，否则容易出现I/O检验等错 误。如果主站通信模块LED灯提示错误，通过查看相应的操作手册，可以判断网络通 讯故障类型，然后进行排除。在本次设计过程中，由于以前创建的扫描便与现行的硬 件不匹配，通讯过程中，一直提示“D5”错误，后通过软件开关重新建立扫描表，问 题解决。这里需注意两个问题：建立扫描表和软件开关通道号计算。 4.5.2 检测网络系统 建立扫描表后，查看主从站的MS和NS指示灯，若都为绿色则为通讯正常，若不正 常，查看相关手册，进行故障排除。当指示灯检测网络通讯正常后，再查看主单元的 状态区，可以进一步确认网络通讯正常与否。主站状态区标志指示了主单元和网络的 状态。根据硬件配置情况，本次查看以下通道确认系统通讯是否正常，如图25所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 23 图 25 系统通讯检测 主单元状态区 1 通道= CIO 2011 登记从单元数据通道= CIO 2012 正常从单元数据通道= CIO 2016 4.5.3 编程测试 经过验证，确认系统通讯正常，即可在 CS1G 下编程，进行数据传输测试。由于 本次选择的 CQM1-DRT21 通讯模块不支持 message 通讯方式的，只有 I/O 通信方式， 所以 CS1 和 CQM1 的通信只能通过扫描表的 I/O 映射实现，即前边 I/O 分配给出的映 射关系。 在 CS1G 下给 CIO 0053 通道的送 0003 数据，通过基于 CQM1 的上位机 PC 监控， 在 CQM1 的内存区监控到 IR002 通道收到数据 0003，可以证明系统通讯正常。 4.6 基于DeviceNet网络的远程监控系统设计 DeviceNet 网络可以将不同的现场设备连接进来，前边虽然连接了三个从站，但这 里暂时只用到 CQM1 从单元，将其作为现场信号采集控制设备，通过对 CQM1 从站的 操作，达到远程监控的目的。 4.6.1 远程监控系统组态 这里仍然采用力控软件组态，组态过程已在前边详细的介绍，这里不再阐述，根 据设计要求，远程上位机监控主界面和系统实时监控界面分别如图 26、图 27 所示 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 24 图 26 火车模型控制系统远程监控主界面 图 27 火车运行系统远程实时监控界面 4.6.2 远程监控系统软件设计 该网络中远程监控所需数据，都是通过 I/O 映射传送，即在主单元 PC 内存区直接 读写相关数据区，便可以实现对远程设备的监控。但这里没有经过配置器分配，采用 自动创建的扫描表的方式，内存映射区只有一个字的输入区和输出区，可供数据实时 传输。因此大量的数据怎样能够通过一个字的通道，进行实时无误的传输，便成为本 次上位机监控系统软件设计的重点。 软件设计的过程中，一定要根据设置好的 PLC 内部资源分配表进行编程，注意 I/O 映射区的一一映射关系，要结合从站单元 PLC 编程时的 I/O 分配情况，为对应主单 元分配合理的地址，不至于逻辑上出现紊乱。远程监控系统数据传输及其主从单元内 部 I/O 映射关系如图 28 所示。 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 25 CS1G 输入区输出区 CQM1 CIO 0051 CIO 0050 CIO 0052 CIO 0053 CIO 0054 . CIO 0099 CIO 0350 CIO 0351 CIO 0352 CIO 0353 CIO 0354 . CIO 0399 DRT1-OD16 节节 点点 01 DRT1-ID16 节节 点点 02 节节 点点 03 IR104 IR002 . . . . 输出区输入区 数数据据流流向向 图 28 远程监控系统主从站 I/O 映射关系 简单的 DeviceNet 网络主从单元站 PLC 对应编程测试例子，如图 29、图 30 所示。 图 29 从站 CQM1 编程 图 30 主站 CS1G 编程 基于 PLC 的火车运行控制系统软件设计 26 4.6.3 火车模型运行控制系统远程监控测试 在设计完硬件和软件的基础上，利用上位机 A 通过 CS1G 型 PLC 对整个网络从单 元进行实时监控，利用上位机 B 通过 CQM1 型 PLC 对火车模型运行系统进行采样监控。 通过测试，可以实现上位机之间、上位机与 PLC 之间实时通讯，如：系统启动、 启动允许、系统停止两地控制、现场信号远程监控等功能，达到预期效果。 结束语 现代工业自动化应用水平是反映一个国家的工业综合实力的风向标，它不但反映 了企业的综合实力、管理水平、技术力量；同时与国民经济直接相联系，其运转情况 直接影响着企业的经济效应和国家的财政收入，意义十分重要。 基于 DeviceNet 网络远程监控 PLC 的自动化控制系统，是利用计算机技术和通讯 技术去监测控制工业现场的手段，也是保障稳定可靠生产的方法，还是企业减低成本， 提高经济效益的途径，具有很大的应用价值。 本文设计基于 CQM1 型 PLC 火车模型控制系统，是根据实验室现有控制设备，结 合被控对象的特性，去模拟一个复杂的工业控制现场。设计过程中涉及有网络通讯、 上位机监控组态、PLC 编程以及模拟电路设计等系统知识，基本包含了工业控制现场 中所要应用的内容，符合本次设计的目的。最终通过调试运行，已实现整体网络的正 常监控运行，达到了预期效果。 由于我国的自动化程度较低，该系统运行模式在我国工业企业有很大的发展空间， 因此，本次研究具有一定的实际意义。 经过三个多月的设计，本次课题的设计任务已基本完成，但也有许多需要进一步 研究设计的内容： (1) 目前已经实现网络的通讯，