基于PLC的船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信＊

尚前明，劉 安

（武漢理工大學(xué) 仿真中心，武漢430063）

基于PLC的數(shù)據(jù)采集和控制在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)（IPS）和船舶電力推進(jìn)已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的新時期［1］。為研究需要，建造小比例實(shí)物電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行混合仿真，該系統(tǒng)應(yīng)用了仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

1 研究對象描述

船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)由配電室、推進(jìn)裝置、集中控制室等組成，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下幾方面研究：采用與實(shí)船相似的電力推進(jìn)系統(tǒng)搭建了小比例實(shí)物電力推進(jìn)系統(tǒng)；采用可編程控制器PLC和PC機(jī)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，變頻器、變壓器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、操作控制器等通過PROFIBUS總線組成電力推進(jìn)控制系統(tǒng)；采用了TCP／IP協(xié)議的局域網(wǎng)；建立了船舶綜合中央能量管理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行實(shí)時仿真研究［2］；將電力推進(jìn)系統(tǒng)分為不同的子模塊，編制每個子系統(tǒng)仿真模型的數(shù)學(xué)模型并用仿真軟件Saber對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議

2.1 網(wǎng)絡(luò)組成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由4臺PC機(jī)和1套PLC構(gòu)成。PC機(jī)采用以太網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)，其中一臺計(jì)算機(jī)作服務(wù)器（Server），運(yùn)行電力推進(jìn)系統(tǒng)的能量管理數(shù)學(xué)模型程序，另外三臺計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控計(jì)算機(jī)的客戶端（Client）。型號為PLC314C-2DP的CPU一端通過插在集控臺計(jì)算機(jī)上的CP5611通訊板卡實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集和通訊；另一端采用雙絞線連接集控臺、駕控臺、機(jī)旁和變頻柜，采用PROFIBUS＿DP協(xié)議的PROFIBUS總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示，上位計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：分布式結(jié)構(gòu)、TCP／IP協(xié)議和C／S模式；下位計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：Profibus總線和PROFIBUS-DP協(xié)議。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議介紹

PLC與四個變頻柜的通信采用了PROFIBUS-DP協(xié)議，Profibus／DP協(xié)議是一個復(fù)雜的通訊協(xié)議［3］。Profibus的重要電文結(jié)構(gòu)為：令牌信息、FDL狀態(tài)請求電文、數(shù)據(jù)電文［2］。

TCP／IP協(xié)議的基本傳輸單位是數(shù)據(jù)包（datagram），TCP協(xié)議負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)分成若干個數(shù)據(jù)包，并給每個數(shù)據(jù)包加上相應(yīng)的編號的包頭（就像給一封信加上信封），以保證在數(shù)據(jù)接收端能將數(shù)據(jù)還原為原來的格式；IP協(xié)議在每個包頭上再加上接收端主機(jī)地址 （就像信封上要寫明地址一樣），如果傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等情況，TCP協(xié)議會自動要求數(shù)據(jù)重新傳輸，并重新組包。總之，IP協(xié)議保證數(shù)據(jù)的傳輸，TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

3 數(shù)據(jù)采集和通信實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC的選型和組態(tài)編程

選用SIMATIC S7-300型PLC。在軟件包STEP7中，設(shè)置通信端口，MPI地址設(shè)定，選擇數(shù)據(jù)傳輸速率等。通過MPI端口對S7-300的機(jī)架、電源、CPU、信號模件、通信處理器等的類型和物理地址進(jìn)行組態(tài)，并將組態(tài)程序下載到PLC［3］。在STEP7中，可用梯形圖（Ladder）、語句表（STL）或流程圖（FlowChart）進(jìn)行編程，若選擇“線性程序設(shè)計(jì)”方法，則把所有程序放在PLC操作系統(tǒng)與用戶程序間的接口的OB1中，PLC周期性地調(diào)用此塊。若選擇“結(jié)構(gòu)式程序設(shè)計(jì)”方法，則通過組織塊OB1調(diào)用其它塊，如功能塊FB、數(shù)據(jù)塊DB等。

3.2 PLC與WinCC之間的通信

工控組態(tài)軟件 WinCC［4］提供PLC的通信驅(qū)動程序和功能強(qiáng)大的工具（打印報(bào)表、趨勢圖、報(bào)警、系統(tǒng)安全等）使開發(fā)監(jiān)控應(yīng)用程序變得非常方便。PLC與WinCC之間通信的實(shí)現(xiàn)方法首先啟動WinCC，建立一個新的WinCC項(xiàng)目，然后在標(biāo)簽管理中選擇添加PLC驅(qū)動程序，建立WinCC與PLC之間的通信連接。然后在編程軟件STEP7下設(shè)置標(biāo)簽名、數(shù)據(jù)類型和地址，其中最重要的是標(biāo)簽地址，它定義了此標(biāo)簽與PLC中某一確定地址如某一輸入位、輸出位或標(biāo)志位等一一對應(yīng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)PLC與WinCC之間需要通信的數(shù)據(jù)的一一定義標(biāo)簽，即可完成PLC與WinCC之間的數(shù)據(jù)通信。最后在圖形編輯器（GraphicsEditor）中，用基本元件或圖形庫中對象制作工藝流程監(jiān)控畫面，并將變量標(biāo)簽與每個對象連接，即相當(dāng)于畫面中各對象與現(xiàn)場設(shè)備相連，從而可在CRT畫面上監(jiān)視、控制現(xiàn)場設(shè)備。

3.3 WinCC與Visual C++應(yīng)用程序的進(jìn)程間通信

由于西門子S7-300系列PLC通訊協(xié)議不公開［5］，要實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)能量管理必須將PLC采集的數(shù)據(jù)與仿真的數(shù)據(jù)集成于服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交換實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)Visual C++與WinCC之間的進(jìn)程通信。由于WinCC可以讀寫Excel數(shù)據(jù)庫和進(jìn)行文件操作，并且支持C語言腳本編程，但是WinCC在運(yùn)行時必須打開Excel數(shù)據(jù)表才能動態(tài)刷新采集的數(shù)據(jù)，而且Excel數(shù)據(jù)表并非真正的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)該算是數(shù)據(jù)視圖。所以通過ODBC或DAO的數(shù)據(jù)庫記錄集類CRecordSet實(shí)現(xiàn)對Excel的讀，只有通過SQL查詢語句才能實(shí)現(xiàn)對Excel表的修改，而且同時實(shí)現(xiàn)對Excel讀寫，這種方式的數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時性很差。因此在應(yīng)用程序中開辟了兩個線程：ReadExcelProc線程負(fù)責(zé)從Excel表讀取來自PLC的數(shù)據(jù)，WriteFileProc線程負(fù)責(zé)將服務(wù)器下傳的數(shù)據(jù)寫進(jìn)文件里，WinCC通過long＿main（）函數(shù)去讀文件數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間數(shù)據(jù)通信。

3.4 C／S模式下服務(wù)器與客戶端之間的命名管道通信

3.4.1 命名管道程序?qū)崿F(xiàn)原理

1）建立連接和通信。服務(wù)端使用CreateN-amedPipe函數(shù)創(chuàng)建一個命名管道的實(shí)例并返回相應(yīng)的句柄，或?yàn)橐汛嬖诘墓艿绖?chuàng)建新的實(shí)例。如果在已定義超時值變?yōu)榱阋郧?，?shí)例管道成功創(chuàng)建并返回管道句柄，可以用ConnectNamedPipe函數(shù)來偵聽客戶端的連接請求。客戶端通過函數(shù)WaitNamedPipe實(shí)現(xiàn)客戶進(jìn)程連接到一個命名管道，如果在超時值變?yōu)榱阋郧?，有一個管道可以為連接使用，則 WaitNamedPipe將返回True，調(diào)用CreateFile或CallNamedPipe函數(shù)來呼叫對服務(wù)端的連接。當(dāng)服務(wù)端與客戶端成功建立連接后，服務(wù)端ConnectNamedPipe返回True，客戶端CreateFile將返回一指向管道文件的句柄。以后客戶端與服務(wù)器端即可通過ReadFile和WriteFile，利用得到的管道文件句柄，進(jìn)行彼此間網(wǎng)絡(luò)通信。

2）連接終止。當(dāng)客戶端與服務(wù)端的通信結(jié)束，或由于某種原因一方需要斷開時，客戶端應(yīng)調(diào)用CloseFile，而服務(wù)端應(yīng)接著調(diào)用DisconnectN-amedPipe。當(dāng)然服務(wù)端亦可通過單方面調(diào)用DisconnectNamedPipe終止連接。最后應(yīng)調(diào)用函數(shù)CloseHandle來關(guān)閉該管道。

3.4.2 通信代碼的實(shí)現(xiàn)

1）客戶端代碼

HANDLE ClientHandle；

Char PipeNameStr［200］；

sprintf（PipeNameStr，″＼＼＼＼ServerName＼＼Pipe＼＼PipeName″）；

if（WaitNamedPipe（PipeNameStr，NMPWAIT ＿WAIT＿FOREVER）＝＝FALSE

MessageBox（″建立管道失敗！″）；

else

CltHandle＝CreateFile（ClientPipeStr，GENERIC＿READ｜GENERIC＿WRITE，F(xiàn)ILE＿SHARE＿READ｜FILE＿SHARE＿WRITE，NULL，OPEN＿EXISTING，F(xiàn)ILE＿ATTRIBUTE＿ARCHIVE｜FILE＿FLAG＿WRITE＿THROUGH，NULL）；

If（ClientHandle＝＝INVALID＿HANDLE＿VALUE）

MessageBox（″管道連接失??！″）；

else／／連接成功，從管道讀寫信息

……。

2）服務(wù)端代碼

HANDLE ServerHandle；

char PipeNameStr［200］；

sprintf（PipeNameStr，″＼＼＼＼ServerName＼＼Pipe＼＼PipeName″）；

ServerHandle＝CreateNamedPipe（PipeNameStr，

PIPE＿ACCESS＿DUPLEX｜FILE＿FLAG＿WRITE＿THROUGH，

FILE＿WAIT｜PIPE＿TYPE＿BYTE，PIPE＿UNLIMITED＿INSTANCES，

128，128，NULL，NULL）；

if（ServerHandle ＝ ＝INVALID＿HANDLE＿VALUE）

MessageBox（″建立管道失??！″）；

else

If（ConnectNamedPipe（ServerHandle，NULL）＝＝FALSE）

MessageBox（″管道連接失敗！″）；

else／／／／連接成功，從管道讀寫信息

｛

……

｝。

4 結(jié)論

SIMATIC S7-314C的PLC可編程控制器數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時性很好，用WinCC作為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的應(yīng)用軟件是可行的方案。基于命名管道的C／S模式網(wǎng)絡(luò)通訊能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和安全性，可以適用于與服務(wù)器與多個客戶端的連接與通信。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)作為“211”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，已經(jīng)通過了省科技廳舉行的專家鑒定會，與會專家參加一致認(rèn)為該系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

［1］楊曉麗.吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的動態(tài)仿真的研究［D］.上海：上海海事大學(xué)，2004.

［2］溫 洪.潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載特性的計(jì)算方法［J］.機(jī)電設(shè)備，1999（4）：16-22.

［3］羅耀華，葉瑰昀，劉 勇.艦船全電力推進(jìn)系統(tǒng)模擬研究［J］.船舶工程，2002（4）：45-49.

［4］展在宏.西門子S7-300及工控組態(tài)軟件 WinCC的應(yīng)用［J］.包鋼科技，2002（2）：32-37.

［5］Adnanes AK.Maritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion［R］.Norway：ABB Marine AS，Oslo，2003.