基于PLC的船舶电力推进仿真系统的网络通信＊

尚前明，刘 安

（武汉理工大学 仿真中心，武汉430063）

基于PLC的数据采集和控制在实际系统中应用很广泛，随着计算机技术的发展，综合全电力推进系统（IPS）和船舶电力推进已经进入了发展的新时期［1］。为研究需要，建造小比例实物电力推进系统进行混合仿真，该系统应用了仿真技术、数据采集技术、控制技术以及网络通信技术。

1 研究对象描述

船舶电力推进仿真系统由配电室、推进装置、集中控制室等组成，该系统主要实现如下几方面研究：采用与实船相似的电力推进系统搭建了小比例实物电力推进系统；采用可编程控制器PLC和PC机组成数据采集系统，变频器、变压器、推进电机、负载电机、操作控制器等通过PROFIBUS总线组成电力推进控制系统；采用了TCP／IP协议的局域网；建立了船舶综合中央能量管理系统的数学模型并进行实时仿真研究［2］；将电力推进系统分为不同的子模块，编制每个子系统仿真模型的数学模型并用仿真软件Saber对系统进行仿真分析。

2 网络拓扑结构和协议

2.1 网络组成及拓扑结构

电力推进仿真系统网络由4台PC机和1套PLC构成。PC机采用以太网的分布式结构，其中一台计算机作服务器（Server），运行电力推进系统的能量管理数学模型程序，另外三台计算机作为数据采集和监控计算机的客户端（Client）。型号为PLC314C-2DP的CPU一端通过插在集控台计算机上的CP5611通讯板卡实现与监控计算机的数据采集和通讯；另一端采用双绞线连接集控台、驾控台、机旁和变频柜，采用PROFIBUS＿DP协议的PROFIBUS总线结构实现数据通讯。船舶电力推进系统的网络组成如图1所示，上位计算机网络特点：分布式结构、TCP／IP协议和C／S模式；下位计算机网络的特点：Profibus总线和PROFIBUS-DP协议。

图1 船舶电力推进系统网络结构图

2.2 网络的协议介绍

PLC与四个变频柜的通信采用了PROFIBUS-DP协议，Profibus／DP协议是一个复杂的通讯协议［3］。Profibus的重要电文结构为：令牌信息、FDL状态请求电文、数据电文［2］。

TCP／IP协议的基本传输单位是数据包（datagram），TCP协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上相应的编号的包头（就像给一封信加上信封），以保证在数据接收端能将数据还原为原来的格式；IP协议在每个包头上再加上接收端主机地址 （就像信封上要写明地址一样），如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况，TCP协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。总之，IP协议保证数据的传输，TCP协议保证数据传输的质量。

3 数据采集和通信实现

3.1 PLC的选型和组态编程

选用SIMATIC S7-300型PLC。在软件包STEP7中，设置通信端口，MPI地址设定，选择数据传输速率等。通过MPI端口对S7-300的机架、电源、CPU、信号模件、通信处理器等的类型和物理地址进行组态，并将组态程序下载到PLC［3］。在STEP7中，可用梯形图（Ladder）、语句表（STL）或流程图（FlowChart）进行编程，若选择“线性程序设计”方法，则把所有程序放在PLC操作系统与用户程序间的接口的OB1中，PLC周期性地调用此块。若选择“结构式程序设计”方法，则通过组织块OB1调用其它块，如功能块FB、数据块DB等。

3.2 PLC与WinCC之间的通信

工控组态软件 WinCC［4］提供PLC的通信驱动程序和功能强大的工具（打印报表、趋势图、报警、系统安全等）使开发监控应用程序变得非常方便。PLC与WinCC之间通信的实现方法首先启动WinCC，建立一个新的WinCC项目，然后在标签管理中选择添加PLC驱动程序，建立WinCC与PLC之间的通信连接。然后在编程软件STEP7下设置标签名、数据类型和地址，其中最重要的是标签地址，它定义了此标签与PLC中某一确定地址如某一输入位、输出位或标志位等一一对应的关系，实现PLC与WinCC之间需要通信的数据的一一定义标签，即可完成PLC与WinCC之间的数据通信。最后在图形编辑器（GraphicsEditor）中，用基本元件或图形库中对象制作工艺流程监控画面，并将变量标签与每个对象连接，即相当于画面中各对象与现场设备相连，从而可在CRT画面上监视、控制现场设备。

3.3 WinCC与Visual C++应用程序的进程间通信

由于西门子S7-300系列PLC通讯协议不公开［5］，要实现电力推进能量管理必须将PLC采集的数据与仿真的数据集成于服务器。实现与PLC的数据交换实际上是实现Visual C++与WinCC之间的进程通信。由于WinCC可以读写Excel数据库和进行文件操作，并且支持C语言脚本编程，但是WinCC在运行时必须打开Excel数据表才能动态刷新采集的数据，而且Excel数据表并非真正的数据库，应该算是数据视图。所以通过ODBC或DAO的数据库记录集类CRecordSet实现对Excel的读，只有通过SQL查询语句才能实现对Excel表的修改，而且同时实现对Excel读写，这种方式的数据刷新的实时性很差。因此在应用程序中开辟了两个线程：ReadExcelProc线程负责从Excel表读取来自PLC的数据，WriteFileProc线程负责将服务器下传的数据写进文件里，WinCC通过long＿main（）函数去读文件数据，从而实现了进程间数据通信。

3.4 C／S模式下服务器与客户端之间的命名管道通信

3.4.1 命名管道程序实现原理

1）建立连接和通信。服务端使用CreateN-amedPipe函数创建一个命名管道的实例并返回相应的句柄，或为已存在的管道创建新的实例。如果在已定义超时值变为零以前，实例管道成功创建并返回管道句柄，可以用ConnectNamedPipe函数来侦听客户端的连接请求。客户端通过函数WaitNamedPipe实现客户进程连接到一个命名管道，如果在超时值变为零以前，有一个管道可以为连接使用，则 WaitNamedPipe将返回True，调用CreateFile或CallNamedPipe函数来呼叫对服务端的连接。当服务端与客户端成功建立连接后，服务端ConnectNamedPipe返回True，客户端CreateFile将返回一指向管道文件的句柄。以后客户端与服务器端即可通过ReadFile和WriteFile，利用得到的管道文件句柄，进行彼此间网络通信。

2）连接终止。当客户端与服务端的通信结束，或由于某种原因一方需要断开时，客户端应调用CloseFile，而服务端应接着调用DisconnectN-amedPipe。当然服务端亦可通过单方面调用DisconnectNamedPipe终止连接。最后应调用函数CloseHandle来关闭该管道。

3.4.2 通信代码的实现

1）客户端代码

HANDLE ClientHandle；

Char PipeNameStr［200］；

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

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

MessageBox（″建立管道失败！″）；

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（″管道连接失败！″）；

else／／连接成功，从管道读写信息

……。

2）服务端代码

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（″建立管道失败！″）；

else

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

MessageBox（″管道连接失败！″）；

else／／／／连接成功，从管道读写信息

｛

……

｝。

4 结论

SIMATIC S7-314C的PLC可编程控制器数据采集的精度和实时性很好，用WinCC作为数据采集和监控的应用软件是可行的方案。基于命名管道的C／S模式网络通讯能够保证数据传输的实时性和安全性，可以适用于与服务器与多个客户端的连接与通信。船舶电力推进系统作为“211”重点建设项目，已经通过了省科技厅举行的专家鉴定会，与会专家参加一致认为该系统达到国际先进水平。

［1］杨晓丽.吊舱式电力推进系统的动态仿真的研究［D］.上海：上海海事大学，2004.

［2］温 洪.潜艇电力推进系统负载特性的计算方法［J］.机电设备，1999（4）：16-22.

［3］罗耀华，叶瑰昀，刘 勇.舰船全电力推进系统模拟研究［J］.船舶工程，2002（4）：45-49.

［4］展在宏.西门子S7-300及工控组态软件 WinCC的应用［J］.包钢科技，2002（2）：32-37.

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