尚前明，劉 安

（武漢理工大學 仿真中心，武漢430063）

基于PLC的數據采集和控制在實際系統(tǒng)中應用很廣泛，隨著計算機技術的發(fā)展，綜合全電力推進系統(tǒng)（IPS）和船舶電力推進已經進入了發(fā)展的新時期［1］。為研究需要，建造小比例實物電力推進系統(tǒng)進行混合仿真，該系統(tǒng)應用了仿真技術、數據采集技術、控制技術以及網絡通信技術。

1 研究對象描述

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

2 網絡拓撲結構和協(xié)議

2.1 網絡組成及拓撲結構

電力推進仿真系統(tǒng)網絡由4臺PC機和1套PLC構成。PC機采用以太網的分布式結構，其中一臺計算機作服務器（Server），運行電力推進系統(tǒng)的能量管理數學模型程序，另外三臺計算機作為數據采集和監(jiān)控計算機的客戶端（Client）。型號為PLC314C-2DP的CPU一端通過插在集控臺計算機上的CP5611通訊板卡實現與監(jiān)控計算機的數據采集和通訊；另一端采用雙絞線連接集控臺、駕控臺、機旁和變頻柜，采用PROFIBUS＿DP協(xié)議的PROFIBUS總線結構實現數據通訊。船舶電力推進系統(tǒng)的網絡組成如圖1所示，上位計算機網絡特點：分布式結構、TCP／IP協(xié)議和C／S模式；下位計算機網絡的特點：Profibus總線和PROFIBUS-DP協(xié)議。

圖1 船舶電力推進系統(tǒng)網絡結構圖

2.2 網絡的協(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)議是一個復雜的通訊協(xié)議［3］。Profibus的重要電文結構為：令牌信息、FDL狀態(tài)請求電文、數據電文［2］。

TCP／IP協(xié)議的基本傳輸單位是數據包（datagram），TCP協(xié)議負責把數據分成若干個數據包，并給每個數據包加上相應的編號的包頭（就像給一封信加上信封），以保證在數據接收端能將數據還原為原來的格式；IP協(xié)議在每個包頭上再加上接收端主機地址 （就像信封上要寫明地址一樣），如果傳輸過程中出現數據丟失、數據失真等情況，TCP協(xié)議會自動要求數據重新傳輸，并重新組包?？傊琁P協(xié)議保證數據的傳輸，TCP協(xié)議保證數據傳輸的質量。

3 數據采集和通信實現

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，設置通信端口，MPI地址設定，選擇數據傳輸速率等。通過MPI端口對S7-300的機架、電源、CPU、信號模件、通信處理器等的類型和物理地址進行組態(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）進行編程，若選擇“線性程序設計”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周期性地調用此塊。若選擇“結構式程序設計”方法，則通過組織塊OB1調用其它塊，如功能塊FB、數據塊DB等。

3.2 PLC與WinCC之間的通信

工控組態(tài)軟件 WinCC［4］提供PLC的通信驅動程序和功能強大的工具（打印報表、趨勢圖、報警、系統(tǒng)安全等）使開發(fā)監(jiān)控應用程序變得非常方便。PLC與WinCC之間通信的實現方法首先啟動WinCC，建立一個新的WinCC項目，然后在標簽管理中選擇添加PLC驅動程序，建立WinCC與PLC之間的通信連接。然后在編程軟件STEP7下設置標簽名、數據類型和地址，其中最重要的是標簽地址，它定義了此標簽與PLC中某一確定地址如某一輸入位、輸出位或標志位等一一對應的關系，實現PLC與WinCC之間需要通信的數據的一一定義標簽，即可完成PLC與WinCC之間的數據通信。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，并將變量標簽與每個對象連接，即相當于畫面中各對象與現場設備相連，從而可在CRT畫面上監(jiān)視、控制現場設備。

3.3 WinCC與Visual C++應用程序的進程間通信

由于西門子S7-300系列PLC通訊協(xié)議不公開［5］，要實現電力推進能量管理必須將PLC采集的數據與仿真的數據集成于服務器。實現與PLC的數據交換實際上是實現Visual C++與WinCC之間的進程通信。由于WinCC可以讀寫Excel數據庫和進行文件操作，并且支持C語言腳本編程，但是WinCC在運行時必須打開Excel數據表才能動態(tài)刷新采集的數據，而且Excel數據表并非真正的數據庫，應該算是數據視圖。所以通過ODBC或DAO的數據庫記錄集類CRecordSet實現對Excel的讀，只有通過SQL查詢語句才能實現對Excel表的修改，而且同時實現對Excel讀寫，這種方式的數據刷新的實時性很差。因此在應用程序中開辟了兩個線程：ReadExcelProc線程負責從Excel表讀取來自PLC的數據，WriteFileProc線程負責將服務器下傳的數據寫進文件里，WinCC通過long＿main（）函數去讀文件數據，從而實現了進程間數據通信。

3.4 C／S模式下服務器與客戶端之間的命名管道通信

3.4.1 命名管道程序實現原理

1）建立連接和通信。服務端使用CreateN-amedPipe函數創(chuàng)建一個命名管道的實例并返回相應的句柄，或為已存在的管道創(chuàng)建新的實例。如果在已定義超時值變?yōu)榱阋郧?，實例管道成功?chuàng)建并返回管道句柄，可以用ConnectNamedPipe函數來偵聽客戶端的連接請求?？蛻舳送ㄟ^函數WaitNamedPipe實現客戶進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，調用CreateFile或CallNamedPipe函數來呼叫對服務端的連接。當服務端與客戶端成功建立連接后，服務端ConnectNamedPipe返回True，客戶端CreateFile將返回一指向管道文件的句柄。以后客戶端與服務器端即可通過ReadFile和WriteFile，利用得到的管道文件句柄，進行彼此間網絡通信。

2）連接終止。當客戶端與服務端的通信結束，或由于某種原因一方需要斷開時，客戶端應調用CloseFile，而服務端應接著調用DisconnectN-amedPipe。當然服務端亦可通過單方面調用DisconnectNamedPipe終止連接。最后應調用函數CloseHandle來關閉該管道。

3.4.2 通信代碼的實現

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??！″）；

else

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

If（ClientHandle＝＝INVALID＿HANDLE＿VALUE）

MessageBox（″管道連接失?。　澹?；

else／／連接成功，從管道讀寫信息

……。

2）服務端代碼

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?。　澹?；

else

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

MessageBox（″管道連接失?。　澹?；

else／／／／連接成功，從管道讀寫信息

｛

……

｝。

4 結論

SIMATIC S7-314C的PLC可編程控制器數據采集的精度和實時性很好，用WinCC作為數據采集和監(jiān)控的應用軟件是可行的方案。基于命名管道的C／S模式網絡通訊能夠保證數據傳輸的實時性和安全性，可以適用于與服務器與多個客戶端的連接與通信。船舶電力推進系統(tǒng)作為“211”重點建設項目，已經通過了省科技廳舉行的專家鑒定會，與會專家參加一致認為該系統(tǒng)達到國際先進水平。

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

［2］溫 洪.潛艇電力推進系統(tǒng)負載特性的計算方法［J］.機電設備，1999（4）：16-22.

［3］羅耀華，葉瑰昀，劉 勇.艦船全電力推進系統(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.