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华中科技大学 硕士学位论文 煤矿井下PLC道岔网络控制系统 姓名肖晓帆 申请学位级别硕士 专业机械工程 指导教师史铁林;王峻峰 2011-05-24 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 近年来科学技术的不断发展，让工业自动化领域内不断推陈出新。但是对于我 国的煤炭行业，相关领域仍然进步甚微，甚至于近乎停滞不前。市场上针对煤矿行 业的相关工业自动化产品很少。尤其是在很多地底的煤矿作业环境下，操作机械和 方式都是非常传统的人工操作，缺乏网络化、数字化的调度控制，人为操作为整个 生产运输带来极大的危险性，极大地降低了生产效率。 本课题是结合了国内相关领域的发展趋势，以项目组的横向项目“本质安全型 矿井数字化提升运输系统”的子项目“井下车辆网络道岔控制系统”为具体的研究 背景，设计了一套矿用防爆网络道岔控制系统。由上位机通过以太环网接入 PLC 子 网，控制矿用道岔，实现扳道系统的数字化、电气化和网络化的改造。本文从系统 的总体方案设计、通信原理和具体的两个子系统的设计来介绍。在通信原理上全面 比较了两种通信协议 TCP/IP 和 UDP/IP 协议的优缺点，同时利用环网的多重拓扑结 构实现系统的冗余性设计，然后根据系统工作环境的特殊性介绍了系统防爆性的研 究。在整个系统的设计实现部分，通过 C和组态王两种实现方式来完成系统的搭建 和扩展，为项目的具体实施提供了多种可供参考的方案。在 PLC 子网中，着重考虑 系统的实用性， 铺设以主-从站形式的网络模式， 覆盖井下某些光纤无法覆盖的盲点， 完善了整个系统。最后针对整个系统的设计工作进行了总结。 关键词关键词 网络通信 远程控制 道岔 可编程控制器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the development of science and technology in recent years, we have acquired so many innovations in the field of industrial automation. Though, there is so little progress for Chinese coal industry. In the market for the coal industry, we don’t have many choices of relevant industrial automation products. Especially in the many underground coal mines, operation s are very traditional without the digital control of network. Manual operation for the entire production of transport brings great danger, greatly reducing production efficiency. This issue is combined with the related development trends of China and abroad and set at the background of our project“The Control System of Underground Vehicle Network Switch”, one part of the project “The Coal Mine Transportation System based on Intrinsically-safe-digital Enhancing “. Finally we designed a set of mine Network anti- explosion mine control system. We connect the host computer and PLC with the Ethernet ring network to control the switch action of the turnout. The whole article is separated from three parts the overall design of the whole system; the communication theory and the two subsystems. During the part of communication theory, we comprehensively judge the two kinds of communication protocols TCP/IP and UDP/IP with their advantages and disadvantages, while we make the redundancy design with the ring topology of the network. Finally we introduce our research work about the anti-explosion feature of our control system. During the design research of the system, we use two ways C and King view to implement the structures of the system, which offers various choices during the engineering practice. In the subnet made up from the PLCs, we choose the the master – slave stood with the consideration of the practical applicability, which can excellently cover the blind spots which the Ethernet optical fiber networks can’t do. It finally optimizes the whole system. During the last passage I finish the summary of the whole design research of the system. Key words network service remote control system turnout PLC 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□， 在 年解密后适用本授权书。 不保密□。 （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论 文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题来源、目的和意义 1.1.1 课题来源 根据机电组目前的发展方向，以课题组横向课题“本质安全型矿井数字化提升 运输系统” 子项目之一“井下车辆定位于道岔控制系统”为驱动，结合国内外 相关领域的发展趋势，确定本人硕士研究论文题目为“面向井下车辆的 PLC 道岔控 制系统” ， 具体研究在井下利用可编程控制器即 PLC 控制井下道岔， 通过对转辙机的 近、远程控制，实现井下轨道运输的智能化控制和信号集中、闭塞的自动化。 双鸭山矿业集团有限公司是由双鸭山矿务局改制注册的国有独资公司，全国煤 炭百强企业排名第 38 位。双鸭山矿区地处黑龙江省东北部，含煤系面积 3300 平方 公里，煤炭工业储量近 20 亿吨，可采储量 10．01 亿吨。公司现辖 8 个生产矿和 2 个选煤厂、1 个矸石热电厂、2 个建筑安装公司等 35 个二级单位。目前项目第一批 负责双鸭山矿区下属的东荣三矿和新安矿。 【1】 整个双鸭山矿区中的矿井生产中，井下运输占据了重要的比重，因此，如何保 证矿井内高效安全的运输工作，对于提高煤炭生产效率和改善矿井的技术、经济指 标有很大的影响。 现今在东荣三矿和新安矿中，挖掘区已经基本实现运送机械化，原煤通过传送 带直接运送到地面，但是煤矸石、人员和设备的运输仍然是通过煤矿井下矿道来实 现运输，因此轨道运输是井下大巷的主要运输方式。随着挖掘量的逐年上升，井下 轨道运输的电机车台数和矿车台数均相应增加。每个矿目前均配有两台以上的电机 车，矿车的数量则超过 100 台，因此这就要求保证在实际的生产运输过程中轨道运 输的安全和通畅。 1.1.2 课题目的 本课题的目的是对现有的双鸭山矿区的轨道运输控制系统进行改造，利用 PLC 来代替传统的采用继电器、接触器的手动电控系统，及时采集各个道岔的定位反位 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 信号，并通过交换机连接起来组成以太环网，根据实时的运输需求对道岔进行正反 转控制，在中央控制室能够及时地了解具体的单个道岔、路段的具体情况并加以反 映操作，实现自动化、网络化地控制，提升整个系统的运行质量。 1.1.3 课题意义 本课题意义在于远程控制道岔的正反转、闭锁功能，实现了井下矿道道岔系 统的智能化、自动化、数字化控制；保证了矿区生产作业的安全规范，防止机车由 于道岔没搬的原因导致的翻车等事故；免去了电机车司机下车人工搬道岔的时间， 极大地提高了矿井运输效率。因此，建立本质安全型矿井数字化车辆道岔控制系统， 将为煤矿安全生产以及建立高产高效矿井提供有力支持。 1.2 相关领域国内外研究现状分析 1.2.1 井下运输道岔系统的现状 目前的井下道岔运输主要存在以下几个问题 1、井下运输条件恶劣 位于-500 米以下的井下巷道由于离地较深，因此巷道本身非常潮湿，部分轨道 路段甚至出现水淹的情况，常年需要抽水机将积水及时排出巷道。此外，由于工作 区域是地底煤矿，在运输区和采矿区还是存在一定的易燃易爆气体，虽然一直有鼓 风机排出，但井下所选的元器件必须是有防爆资格认证的，目前的市场上具有煤安 资格认证标志的企业不是很多 【2】 ，因此对井下运输的改造造成了极大的困难。 2、运输轨道少而长，道岔数量多 井下大巷的宽度一般只有 3 至 4 米，不能铺设多层轨道，在巷道绝大数的部分 均只有一条巷道，只有在-500 米运输层的少数运输量最繁重的巷道铺设有两条并行 轨道。此外，在整个运输层，运输区域非常大，轨道线路很长，下图中即为东荣三 矿的道岔区域。因此在在运输作业繁忙的时候，机车行进途中如何保证道岔扳道方 向的准确性和及时性就显得极其重要，这一点对于全矿的生产也有重要的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 图 1.1 新安矿矿点分布图 3、原来运输设备老旧，平时操作习惯不良 双鸭山整个矿区之前大部分采用的是黑龙江天利公司的电气道岔机，也有少数 道岔采用的气动缸的矿用道岔机。目前每当电机车即将行进到某个道岔附近时，司 机都需要停止电机车，然后下车来用脚人工的踩动道岔，来实现道岔的换向操作， 然后再继续行进。这种做法显然非常不安全，而且极大地影响了运输效率。它需要 司机在行进途中对整个矿道的道岔分布有着非常清楚的认识，矿下光线一般不够充 足，一旦司机忘记前方的某个道岔，极有可能发生机车翻出轨道的事故，从而造成 运输线路的一段时间的瘫痪 【3-7】 。在目前的生产运输中，这种情况也是经常发生。道 岔转换设备是否能够正常工作将直接影响到机车安全和运输效率。因此矿区迫切地 需要通过在井下控制系统中智能化、自动化地控制道岔的定反位的切换及其闭锁功 能。 此外，在实际现场，这些非常落后的人工道岔换道的速度过慢，不够安全，操 作性不佳，容易出现矿车调出车轨的情况，往往经常容易出现故障，实际扳道操作 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 中，工人常常采用人工的“扒、蹬、跳”等不安全的操作行为，有很多的安全隐患。 这对于需要频繁扳动道岔的井下调度情况来说，效率极低 【8-10】 。而在井下更多的弯 道处，甚至连道岔控制器都没有完全装备上，井下用人力来扳动道岔实现换道。司 机下车换道的时间严重影响了运输效率和安全性。人工换道岔的缺点是显而易见， 主要有以下几点 1、每次换道需要重复开停车，这在一定程度上造成对机车、矿车的相关部件的 撞击损坏；此外，重复启动电机也会一定程度地缩短电机的使用寿命； 2、开停车换道拖延运输时间，严重的时候甚至会出现矿车排队、拥挤，无法及 时通过道岔的情况，减慢运输速度，降低运输效率； 3、司机下车扳道岔必须对井下道岔分布情况非常熟悉，每当车开近道岔时，必 须提前停车换道，存在一定的安全隐患，不利于规范作业； 4、缺乏对道岔的远程控制，系统使用率低下 由于这样的布置，道岔彼此之间是完全独立的，因此道岔之间无法相互控制和 联系。作为矿井的控制中心，也无法随时随地的了解具体的某个道岔的定反位信息， 无法实现远程对某个道岔的控制。一旦某个道岔出现问题，维修人员也无法在短时 间内确认是哪一个道岔出问题，从而也无法实施维修工作，这就造成运输系统的相 当长时间的瘫痪。这种情况的发生频率比较高，如同井下运输系统的一个极其危险 的隐患，随时等待着爆发，影响生产效率。 此外，在相对先进的一些煤矿矿区，他们采用的道岔控制系统也多为“一点一 机”的模式，即在每一个道岔处装一台电动或者气动的道岔机，控制此处道岔的定、 反位的转动。 例如在我们实际工程项目中新安三矿区， 在实际 40 多处的轨道节点处， 安装有 20 多个黑龙江天利公司的传统的气动道岔，一台控制器控制一个道岔的正反 位，控制器一般配有无线传输的遥控器进行操作。系统的利用率低下。 鉴于此，矿区急需对现有的井下运输系统进行数字化、网络化、模块化的升级， 提升现有系统的控制能力 【11】 。 目前国内已有少数煤矿企业成功引入了可编程控制器 PLC 来控制道岔系统。一 台道岔控制箱可以同时控制 3 台以上的道岔，并将每个道岔的及时信息采集传送到 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 远程控制中心，而远程控制中心再根据司机驾驶的机车的位置信息，自动控制道岔 的自动转换,不需停车和人工扳道岔,大大地减轻了工人的劳动强度和系统的自动化 水平,为实现全矿井自动化奠定了基础,社会效益十分明显。 可编程控制器是 70 年代专门为工业控制而设计的计算机，简称 PLC。它使用可 以修改的梯形图来实现各种逻辑控制功能，控制各种机械运作或者工作程序，这就 使得它运行可靠性高、易于掌握，调试方便，因此在如今的工业社会中得到了极其 广泛的应用 【12-14】 。长期以来，PLC 一直在各个行业的自动化控制领域得到广泛的使 用，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用 【15】 。传统的电气控制系统 主要有三种 1、继电器控制系统 2、微机控制系统 3、PLC 控制系统 图 1.2 传统继电器控制和 PLC 控制的优劣对比图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 在三种系统中，最早在我国的道岔控制系统推广使用的就是继电器控制系统。 这种方法中各种逻辑关系都是由接点不同的连接方式来实现的，因此需要大量节点， 势必会造成控制系统的线路复杂，并增大了故障率。而且它的控制方法也欠灵活。 对于第二种微机控制系统来说，相对于继电器控制系统，虽然在智能控制方面有强 大功能，但是由于系统结构比较复杂，因此也导致了一般维修人员难以掌握其维修 技术，并且其抗干扰性差，不适合生产环境恶劣的地方。由于井下环境较差，信号 往往较弱，井下负 500 米地巷道有很多地底的干扰影响整个操作系统，因此这个系 统也不适用于井下控制系统。与微机控制系统相比，PLC 控制系统则有很多优点， 具体如下 1、通信性强PLC 内部是嵌入了微型计算机的基本结构，依据工业自动化控制 技术来标准化设计接口，驱动功能范围很广，输出端一般可直接驱动普通的继电器、 电磁阀线圈、接触器等，无需微型计算机二次开发的困难。对于不同的硬件控制对 象，无需做较大的调整，只需根据情况改变内部程序 【16-17】 。 2、编程简单对于操作人员的理论知识要求不高，不需要掌握系统的计算机编 程知识，是针对控制对象的控制编程，简单易上手。利用 PLC 的梯形图编程更加直 观、生动，在短时间内可以掌握基本原理和编程方法 【18】 。 3、接线简单、可靠性高对于一般的控制对象，只需将光电开关、提供输入信 息的按钮、限位开关等接入 PLC 的输入端口，而输出端可以直接接入电磁阀、接触 器、继电器、电磁铁功能，最后给这些控制对象配上相应的电压即可。PLC 在软硬 件上同时采取各种措施以应对偶发性故障，同时能够针对永久性故障提供限制、诊 断和指示功能，因此，PLC 运转的安全平稳性非常高 【19】 。 4、对电源要求不高、抗干扰能力强一般的 PLC 都提供 DV24v 供电，波动范 围在 16-32v 之间，而对于交流电，PLC 也一般提供 AC220v 的工作电压，允许的波 动范围在 190-260v。此外，PLC 一般都具有基本的掉电保护措施。PLC 对于生产机 械设备上的电脉冲等干扰都具有一定抵抗性，在实际的井下矿道中，来自负 500 米 的地底干扰往往特别多和复杂，因此选用 PLC 控制是最佳选择。 5、有不同的输出形式，扩充方便、组合灵活一般 PLC 产品都具有三种输出形 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 式晶体管输出、晶闸管输出、继电器输出，以适应不同负载的要求。除此之外， PLC 一般都具有扩展单元，可以很方便地组成适应于不同工业控制需要的输入/输出 I/O）点数的系统。 目前在实际应用中，单独采用可编程控制器的道岔控制系统已在某些煤矿内实 现了运行，基本可以满足了对道岔半自动化控制的要求，一定地调度提高了运营系 统的稳定性和可靠性。 1.2.2 今后发展趋势 在目前的基础上，今后井下道岔控制系统的主要发展方向有两个 1、网络通信 对目前发展的可编程控制器下的控制系统进行功能扩充，将控制每台道岔机的 PLC 接入局域环网，实现网络化控制。利用 PLC 的网络通讯模块实现与上位机之间 的数据通讯、PLC 与 PLC 之间的数据通讯，组成上下位机控制系统，实现各种参数 数据的传送，即时获取道岔信息和控制道岔，提高系统的即时控制能力 【20-21】 。 2、PLC 模块化设计 项目中集中使用的欧姆龙的 PLC，但是之前矿下采用了一些电气化设备，可能 采用不同类型的 PLC 及其通信协议， 不同品牌之间的 PLC 彼此之间通信协议也不尽 相同，降低了系统的兼容性和扩展性。在今后的 PLC 设计中，采用开放的的设计模 式，对项目中使用的 PLC 尽量统一类型，即同一类型的 PLC，如果使用不同类型的 PLC，也要统一两者之间的通信协议，方便数据传输。此外，对于总线方式、结构和 编程也需要做到标准统一化，做到用户接口标准化、网络协议标准化、编程接口标 准化、编程语言标准化，实现系统的模块化设计 【22-23】 。 1.3 论文主要研究内容 本课题主要围绕 PLC 通讯和对道岔的逻辑控制进行研究。 第二章是主要介绍了矿用道岔防爆控制系统的总体设计，上位机通过与 PLC 的 上位链接接入由交换机组成的以太环网，进而进一步地控制同一级的 PLC 子网络和 下位的矿用道岔机。同时介绍了上位机与 PLC 通信方案的基本原理和基于两种通信 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 协议的优劣的取舍。同时，来介绍了利用 moxa 交换机构建 turbo v2 环网，将 PLC 对应 IP,连入环网，实现 PLC 的网络连接。这里由交换机组成的网络有多种类型，最 终针对具体的需求，选择最合适实际情况的网络类型。最后还针对系统所处工况的 特殊性，介绍了整体系统防爆性的研究设计，保证系统在井下负 500 米巷道运行时 候的安全性。 第三章则主要针对系统的上游端，即 PLC 与上位机的通讯设计来介绍。上位机 直接与 PLC 网线连接或者直接通过接入光纤环网。这里主要研究分别用组态软件、 C、232 和 485 多种通讯模式来实现该功能。上位机与 PLC 的数据交换来实现系统 对道岔即时信息的采集和对道岔控制指令的发送。 第四章则主要针对整个系统的下一级的子网，由 PLC 之间通信连接组成子网来 介绍。由于之间采用的 PLC 大部分为 OMRON L-20DR 系列，这种类型的 PLC 有 12 个输入端口和 8 个输出端口。这种 PLC 可以满足同时控制三台道岔的要求。但是在 东荣三矿和新安矿的某些矿道，有同时四个以上的道岔集中的分布在很小的一片区 域内， 这时候就通过 PLC 之间的通讯来实现这个特殊的要求。 此处需要使用 OMRON M-30DR 系列，可以同时安装两个模块。一个模块为 CIF41 网络模块连接光纤环网， 一个模块为 CIF11485 通讯模块连接下一台 PLC。PLC 与 PLC 之间的通讯同时分为 两种modbus 和 Host Link。两种模式通过改变拨码开关 5 来切换。 总体来说，论文将结合“井下车辆定位于道岔控制系统”的项目需要，最终能 够实现 PLC 与工控上位机之间的通讯连接和 PLC 之间的通讯连接， 实现对道岔正反 正等功能，同时由于采用的浙江海安道岔机配有遥控器控制道岔，因此为保证扳道 安全，还必须实现对遥控器的闭锁功能。同时要采集和处理各个道岔机上的到位信 号，在线纪录各个道岔的状态，从而实现整个道岔控制系统的网络化、自动化控制。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 矿用道岔防爆控制系统的总体设计矿用道岔防爆控制系统的总体设计 2.1 系统框架介绍 系统采用基于 OMRON PLC 组成的分布式控制系统。 各个子系统中都是 PLC 作 为下位机，用来完成子系统的数据采集、输出控制及状态判别等工作，上位机收集 PLC 采集的现场数据并存入动态数据库，完成管理道岔等功能。具体的系统运作如 下 图 2.1 系统总体技术路线图 在整个煤矿道岔控制系统的总体方案中，上位机通过由天一众合的读卡器、读 卡分站采集获取的关于矿下车辆的地址信息来确定道岔的扳道指令，然后上位机经 由交换机组成的以太网络，接入到 PLC 子网中，控制 PLC，将上位机下达的操作指 令传递至道岔控制机终端，实现扳道。当道岔控制机完成扳道动作后，扳道弹簧触 及道岔控制机的两对相互冗余的行程开关中的一对时，道岔控制机产生回程信号， 采集之后传送到 PLC 存取。当上位机需要获取某一道岔控制机的具体扳道状态时， 仍然可以通过光端机传至 PLC 对 PLC 进行读取操作，获取到位信息，并由 PLC 反 向经由光端机，传递至上位机，写入其数据库进行保存，方便控制人员的及时读取 和对道岔的调度。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 图 2.2 软件系统的操作流程图 系统中上位机采用的是研华 KJS31 矿用本质安全型计算机，光端交换机为 MOXA EDS-405A/485A，PLC 采用的是 OMRON CP1L-M-30D/AR、CP1L-L-20DR 及其通讯模块 CP1L- CIF41，道岔控制机采用的是浙江海安道岔控制机，每台 CP1L-M-30D/AR 可以同时控制操作四台道岔控制机，每台 CP1L-L-20DR 则可以同 时操作三台道岔控制机。 2.2 上位机与 PLC 的通信方案 2.2.1 PLC 与上位机的各种通信协议 随着自动化、计算机和互联网的发展，PLC 技术也在不断发展和完善，PLC 的 应用己从单机自动化、生产线自动化扩大到车间和工厂自动化，己成为计算机集成 制造系统CIMS和智能制造系统的基础。PLC 及其网络通信功能也越来也在工业自 动化中受到重视，其自身功能也在不断加强完善。在实际的项目运用中，基于 PLC 网络通信的各通信控制系统在不同的工业控制需求中，都可以很好的完成任务。结 合 PLC 原有的管理和控制功能，我们可以充分发挥其组网通信功能，实现 PLC 与上 位机、PLC 与 PLC 之间、PLC 与处于通信终端的各种控制装置之间如远程 I/O 的网 络连接。这彼此的三级网络是相互独立又相互影响的，根据具体的项目需求，可以 组成完整的三级网络，也可以任取其中的一个或者两个组网，形成中小型的控制网 络 【24】 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 图 2.3 欧姆龙支持的网络类型 因此在整个矿用防爆道岔控制系统，采用了类似于如上图所示的基于欧姆龙 PLC 的三级网络，系统通过上位机接入以 MOXA 交换机为架构的以太环网，可以直 接通过各个节点的 PLC 控制每个道岔，也可以进一步接入 PLC 子网，利用 485 的线 路控制巷道中比较偏远、不利用铺设光纤的道岔点。具体的系统主要分为以下三个 部分 图 2.4 系统结构图 其中以太网络的环网形式保证了系统的冗余性，PLC 子网则弥补了以太网络铺 设地点不足的缺陷，同时增加了通信网络结构拓扑的多样性，最终形成对道岔网络 的多重控制。 作为 OMRON 的中小型 PLC，项目中采用的 CP1L 系列的 PLC 支持多种串行通 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 信功能。 图 2.5 欧姆龙支持的各类串行通信协议 1、 无协议 利用带有条形码阅读器等的 RS-232C 端口或 RS-422A/485 端口的通用设备与 终端连接， 通过 CPU 单元程序内的 TXD 和 RXD 指令与外界交换数据， 整个过程无 需在使用发送-应答接收的指令，另外，在数据的发送或接收帧中可以指定开始、结 束代码[25]。 2、 串行网关 在串行通信线路上通过接收 FINS 指令并将其转换 CompoWay/F 指令或 Modbus-RTU 指令，以此来进行数据传送。 3、 串行 PLC 链接 在最大 9 台（主站 1 台、从站最大 8 台）的 CPU 单元之间，每 1 个 单元共 享最大 10 CH 通道的数据。硬件上是采用欧姆龙专用的 485 通信板（CP1W-CIF11） 或 RS-232C 选件板（CP1W-CIF01）。也可以和 CJ1M CPU 单元或 CJ1M CPU 单元 串行连接 PLC。另外，如果用使用 PT 硬件，可以使用 NT 链接接入 PC Link 和 CPU 单元连接。（注串行 PLC 链接不可以同时使用两个串口） 4、 NT 链接（1N） CPU 单元侧没有通信用程序，进行与 PT 的数据交换。 5、 NT 链接（11） CPU 单元侧无需使用通信程序，进行与 PT 的数据交换。 6、 上位链接 1 上位机对 CPU 单元发送 C 模式指令或 FINS 指令的上位链接指令，对 CPU 单元进行输入输出的读写、强制置位或复位以及改变 PLC 的操作模式等各种控制动 作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2 PLC 具有对上位电脑通过发送指令将 PLC 的各种数据上传至上位电脑中，进 行 I/O 存储。可以利用上位连接对 PLC 的运行情况和存储器数据进行监视、调度。 7、 11 链接 两台 PLC 之间利用 RS-232C 电缆通信，双方共享某一块继电器区域，最大为 64 CH 通道 8、 工具总线 与外围工具进行高速通信。 项目中采用的主要是上位链接和 PLC 之间的串行通信，其中上位链接主要用在 以太环网两端上位机与 PLC 的数据通信， PLC 之间的串行通信则是用在 PLC 子网之 间的数据共享。 2.2.2 PLC 的 UDP 与 TCP 通信 当 PLC 与上位机进行数据通信时，即进行上位链接，一般通过 socket 方式走 TCP/UDP 的协议， socket 是一种专用网络通讯的接口， 它允许用户直接调用 TCP/UCP 协议。在普通的 PC 机上，一般都有 C 语言的接口库文件，这就方便 TCP/UCP 这两 种通信协议直接调用。 socket 通信机制使得用户可以在任意进行上位机和欧姆龙设备 的以太网通信，它同时支持不超过 16 组的数据通信，UCP 和 TCP 各 8 组。在这 16 个 socket 通讯码中，前 8 个是 UDP 和 TCP 协议共用的，当进行具体的通络通信时， 由 PLC 编写的梯形图为每一次 socket 数据包的传送分配相应的 socket 端口。机和 PLC、PLC 之间传递数据。其中在以太网络中，支持 TCP 和 UDP 两种协议。 1、UDP/IP UDP/IP 是一种无连接传输模式协议[26-28]。在传输过程中，每个 PLC 占有一个对 应的 IP 和节点。当信息从节点 A 传输到节点 B 时，这两个节点彼此间关系对等，并 没有特殊的连接。由于 UDP/IP 使用无连接的传输协议，因此对数据矫正的数量没有 限制。并且 UDP/IP 协议通常可以用来广播通讯，当使用 UDP/IP 在多种网段之间进 行通讯时，通信的稳定性会下降。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 图 2.6 UDP/IP 通信示意图 由于数据是单向传送，无法确定数据是否被目标节点受到，传送过程步骤简单， 因此适合高速传递数据但数据的稳定性和准确性无法和 TCP/IP 相比较。 2、TCP/IP TCP/IP 是一种需要建立连接请求的通讯协议。在数据传送之前，首先必须建立 一个回路，比如一个连接。一旦建立了连接，就可以保证节点之间通信的稳定性和 可靠性[29-32]。源节点首先发送一个建立连接的请求，目标节点收到后形成回复响应， 源节点收到响应后确认连接建立成功，然后开始传送数据。当需要时，系统自动重 试传送数据。此外，当使用 TCP/IP 协议的时候，节点之间不再是平等关系，必须设 置一台为客户端，一台为服务器。 图 2.7 TCP/IP 通信示意图 在 TCP/IP 模式中，无论是建立连接还是数据传送，都需要由目标节点发回一个 确认响应，这样可以保证可靠性，但减慢了传送速度。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 相比较于 UDP/IP,TCP/IP 模式则有以下几个特点 1、 由于在 TCP/IP 协议中有重试模式，因此数据传送更加稳定。在一个拥有多层网 络的组网中，TCP/IP 也更适合用于处理其中的通信错误。 2、 远程客户端将收到服务器设置的限制 3、 广播模式不能使用 4、 TCP/IP 对同时连接的数量有限制，对于给定的某个节点一般最大不超过一次同 时 16 个连接。 通过上文对两种机制的对比，鉴于 TCP/IP 协议通信的稳定性和可查错性，同时 其所带来的通信速度的略微下降不会对整个系统的运行带来实质的影响，因此系统 中采用的上位通信链接均以 TCP/IP 作为通信机制。基于 TCP/IP 机制，下文分别通 过 C和组态王两种方式来实现上位链接。 2.3 以太环网冗余设计 在整个控制系统中，系统需要利用矿用光缆搭建一个以太环网，其基本架构是 是圆环形的网络拓扑，各段首尾依次相连组成环路。环网的优点在于某一段网络出 现通信故障，整个网络不受影响，依旧畅通。 【33】 系统使用的 MOXA 的 EDS-405A/485A 型号的矿用交换机，MOXA 提供两种不 同的协议来支持通信冗余功能Rapid Spanning Tree Protocol（IEEE 802.1w）和 Turbo Ring 及 Turbo Ring V2。 这为系统具体铺设时提供了多种网络类型的选择。 在配置冗余环网时，同一个环网中的所有交换机必须使用相同的冗余协议。 对比各个网络拓扑结构的物理结构和恢复时间，系统选择了 Turbo Ring 或是 Turbo RingV2 的网络类型。 用光纤连接起 moxa 交换机铺设以太环网， 将交换机以环 网形式连接好，系统软件自动配置主通路和备用通路。在正常工作时，主通路是通 行状态，备用通路则一直处于 blocked 状态。一旦主通路断开，系统在 1s 以内开启 备用通路，使得软件通讯不被阻碍。 Turbo Ring 和 Turbo Ring V2 在运行使用的时候，加入协议指定网络中的其中 一台以太网交换机作为主机，则在这个网络中，任一冗余环网的回路数据包都不能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 通行，即备用通道都是处于物理连接，实际断开的状态，即可以称作“假死”状态。 而当环网出现故障的时候，如果环网中的某一部分网络不管由于什么原因出现断路， 与主网失去连接的情况时，那么此时将由 Turbo Ring 协议来重新配置调整整个环网 的连接途径，保证断开的网络部分仍然可以正常地与其他通路进行连接，这在实际 的井下巷道中，由于采矿区的突发状况较多，很有可能在生产运输操作的时候弄断 光纤，这样的环网冗余设计有效地避免了这种原因导致的运输中断，可以维持系统 的正常运行直至维修人员来修护受损光纤部分。在运用 Turbo Ring 协议的时候，必 须对 MOXA 交换机进行起始设定 1. 针对环网中的每台交换机，选