李曉云畢業(yè)論文——環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件設(shè)計(jì)方案二

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）</p><p>　　報(bào)告（論文）題目：環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件 </p><p>　　設(shè)計(jì)方案二 </p><p>　　作者所在系部： 電子工程系 </p><p>　　作者所在專(zhuān)業(yè)： 自動(dòng)化 </p><

2、p>　　作者所在班級(jí)： B04221 </p><p>　　作 者 姓 名 ： 李曉云 </p><p>　　作 者 學(xué) 號(hào) ： 20044022115 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名： 孫東輝 </p>&l

3、t;p>　　完 成 時(shí) 間 ： 2008年6月20日 </p><p>　　北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制</p><p>　　北華航天工業(yè)學(xué)院電子工程系</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　指導(dǎo)教師： 教研室主任： 系主任：</p>&l

4、t;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　論文的研究工作是以某石油環(huán)道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為背景展開(kāi)的，并且詳細(xì)介紹了通過(guò)PLC控制下位系統(tǒng)工作的情況，以自由組態(tài)的形式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使得程序具有更靈活的控制途徑和更完備的控制方法。</p><p>　　本文在深入分析ControlNet總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解析了ControlNet在各總線中的優(yōu)勢(shì)

5、，同時(shí)闡述了其在環(huán)道控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且以Rockwell出品的RSLogix5000為基礎(chǔ)，編寫(xiě)了自由組態(tài)的獨(dú)立控制部分軟件。論文的主要論述了各類(lèi)控制閥門(mén)的自由控制，尤其是使用周期性PID控制的方法解決大量運(yùn)算帶來(lái)的滯后問(wèn)題。本文對(duì)系統(tǒng)的硬件、選型、軟件中流程控制的實(shí)現(xiàn)均有較為詳細(xì)的闡述，對(duì)使用的編程軟件也有描述，對(duì)于本系統(tǒng)的下位控制特點(diǎn)也進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，比較詳盡地?cái)⑹隽苏麄€(gè)系統(tǒng)的相關(guān)事宜。</p><p>　

6、　關(guān)鍵詞 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線 RSLogix5000 獨(dú)立控制 自由組態(tài)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況1</p><p>　　1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)控

7、制網(wǎng)絡(luò)1</p><p>　　1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作3</p><p>　　第2章 ControlNet總線技術(shù)4</p><p>　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展4</p><p>　　2.2 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2.1 基于生產(chǎn)者/

8、消費(fèi)者的通訊模式5</p><p>　　2.2.2 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線的仲裁方式6</p><p>　　2.2.3 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)9</p><p><b>　　2.3 小結(jié)10</b></p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件概況11</p><p>

9、;　　3.1 系統(tǒng)概況11</p><p>　　3.2 功能模塊12</p><p>　　3.2.1 CPU模塊12</p><p>　　3.2.2 SRM熱備模塊13</p><p>　　3.2.3 電源模塊13</p><p>　　3.2.4 C-NET模塊13</p><p>

10、　　3.2.5 模擬輸入模塊13</p><p>　　3.2.6 模擬輸出模塊14</p><p>　　3.2.7 RTD模塊14</p><p>　　3.2.8 開(kāi)關(guān)量輸入模塊14</p><p>　　3.2.9 開(kāi)關(guān)量輸出模塊14</p><p>　　3.3 冗余的實(shí)現(xiàn)14</p><

11、;p><b>　　3.4 小結(jié)15</b></p><p>　　第4章 下位系統(tǒng)軟件概況16</p><p>　　4.1 下位軟件概況16</p><p>　　4.2 RSLogix5000軟件簡(jiǎn)介16</p><p>　　4.2.1 軟件概況16</p><p>　　4.2.2

12、 程序界面17</p><p>　　4.3 程序標(biāo)簽設(shè)定18</p><p>　　4.4 程序流程18</p><p>　　4.5 程序簡(jiǎn)介24</p><p><b>　　4.6 小結(jié)24</b></p><p>　　第5章 課題特點(diǎn)25</p><p>　

13、　5.1 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用25</p><p>　　5.2 雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)25</p><p>　　5.3 PID周期運(yùn)算25</p><p>　　第6章 結(jié)論26</p><p><b>　　致謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28

14、</b></p><p><b>　　附錄29</b></p><p>　　環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件設(shè)計(jì)方案二</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況</p><p>　　一直以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)能源的需

15、求量還在不斷地?cái)U(kuò)大，能源作為一個(gè)國(guó)家發(fā)展的基本保障越來(lái)越受到重視。與此同時(shí)，因?yàn)槟茉刺貏e是石油而引發(fā)的沖突接連不斷。為了保證能源的供應(yīng)，我國(guó)一直在積極尋找國(guó)內(nèi)油田，而且在國(guó)際上也積極尋找供應(yīng)，因此目前我國(guó)的石油供應(yīng)呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。</p><p>　　石油的運(yùn)輸主要通過(guò)輸油管道進(jìn)行，而輸油本身就是一項(xiàng)耗能巨大的工業(yè)過(guò)程。如何在油品多樣化的現(xiàn)狀下尋找出不同油品運(yùn)輸?shù)淖畹统杀痉桨?，這成為一項(xiàng)重要的研究課題。建設(shè)大口徑

16、、多功能、自動(dòng)化水平高的石油試驗(yàn)環(huán)道，可以得到不同環(huán)境下石油儲(chǔ)運(yùn)的各種數(shù)據(jù)，為各儲(chǔ)運(yùn)站提供可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使石油儲(chǔ)運(yùn)最大化、科學(xué)化，減少儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的維護(hù)工作。但是，我國(guó)目前還沒(méi)有這樣一個(gè)完善的、能夠?qū)Σ煌推愤\(yùn)輸工況進(jìn)行試驗(yàn)的場(chǎng)所，為此建立一個(gè)大型的、國(guó)際一流的輸油管道試驗(yàn)基地顯得十分必要。</p><p>　　本課題就是抓住了這一契機(jī)，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)作為下位機(jī)，系統(tǒng)具有

17、網(wǎng)絡(luò)控制功能和遠(yuǎn)程控制接口，同時(shí)為了確保系統(tǒng)的安全可靠性，上、下位機(jī)均擬采用硬件冗余的方案，完成輸油管道試驗(yàn)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集。通過(guò)本課題的研究提出適合一般工業(yè)領(lǐng)域基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的過(guò)程控制系統(tǒng)方案并推廣。</p><p>　　為了更好的滿足試驗(yàn)需求，工藝流程控制過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)停輸再啟動(dòng)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，盡可能增加流程切換的靈活性，可在多種工況下進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，于是產(chǎn)生了本部分的各控制閥等的獨(dú)立控制。試驗(yàn)環(huán)道的數(shù)據(jù)

18、全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集，檢測(cè)設(shè)備采用高精度儀表。為適應(yīng)環(huán)道將來(lái)進(jìn)行其他油品測(cè)試的需要，預(yù)留原油卸車(chē)接口。</p><p>　　1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　在企業(yè)信息化和自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的結(jié)合孕育了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。作為近年來(lái)在國(guó)際上迅速發(fā)展起來(lái)的、備受關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)控制新技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間

19、實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制得到迅速發(fā)展。工廠底層控制除需完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信外，還必須實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專(zhuān)用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力。在此基礎(chǔ)上，即可采用簡(jiǎn)單連接的雙絞線、

20、同軸電纜等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按照公開(kāi)規(guī)范的通信協(xié)議，使位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，從而實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)集成。</p><p>　　自動(dòng)化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合形成了網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)一般指以控制對(duì)象為特征的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)亞網(wǎng)絡(luò)Infranet（Infrastructure Network），它主

21、要面向某個(gè)企業(yè)或某個(gè)系統(tǒng)的底層，與一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)既有很多共同點(diǎn)，又有不同和獨(dú)特之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1．控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性是對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的基本要求；</p><p>　　2．控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃裕?lt;/p><p>　　3．對(duì)信道容量要求不是太高；</p><p>　　

22、4．通信方式多采用廣播或組播方式；</p><p>　　5．控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中兼容――即互操作問(wèn)題。</p><p>　　目前，現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　1．以現(xiàn)場(chǎng)總線作為底層的控制網(wǎng)絡(luò)，在體系結(jié)構(gòu)、儀表的數(shù)字化與智能化、監(jiān)控組態(tài)軟件及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具、以及現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)際應(yīng)用等各方面

23、都取得了很大發(fā)展；</p><p>　　2．在OSI體系結(jié)構(gòu)、控制網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、可靠性技術(shù)等方面都進(jìn)行了深入研究，特別是以太控制網(wǎng)絡(luò)的研究，推動(dòng)了生產(chǎn)過(guò)程向更高層次的自動(dòng)化水平發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制，協(xié)調(diào)控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控；</p><p>　　3．控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成已成為網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，各種控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成技術(shù)研究日趨激烈，網(wǎng)絡(luò)集成的產(chǎn)品化程度不斷

24、提高，統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想將為企業(yè)計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；</p><p>　　4．在信息技術(shù)大潮的推動(dòng)下，各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。嵌入式技術(shù)推動(dòng)了嵌入式控制器的發(fā)展，嵌入式控制器不但能即插即用，而且能與已有的控制網(wǎng)絡(luò)一同協(xié)調(diào)工作。嵌入式技術(shù)正朝著控制網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性發(fā)展方向邁進(jìn)；</p><p>　　5．在網(wǎng)絡(luò)控制的軟件集成技術(shù)方面，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的DDE（Dynamic Data Exchan

25、ge）技術(shù)、OPC（OLE for Process Control）技術(shù)、集成軟件套件技術(shù)、Web技術(shù)、國(guó)際公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP以及網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)已經(jīng)逐漸融合到網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)中，大大推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展；</p><p>　　6．分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)提出了一個(gè)全新的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不但實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)、控制設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，而且也為實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成，組建統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供強(qiáng)了有力的技術(shù)支持，為實(shí)施企

26、業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning ERP）系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的條件[2]。</p><p>　　1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作</p><p>　　本文主要包括以下內(nèi)容：</p><p>　　1．以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為核心，建立下位PLC控制系統(tǒng)，編制各控制閥門(mén)獨(dú)立控制程序，為操作管理人員提供靈活、準(zhǔn)確的控制信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)球閥、

27、電動(dòng)板閥、變頻器等設(shè)備的管理；</p><p>　　2．下位機(jī)（PLC）為上位監(jiān)控系統(tǒng)提供控制途徑，具體地，要提供出程序的控制變量和入口程序等；</p><p>　　3．配合流程控制，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理與控制。</p><p>　　第2章 ControlNet總線技術(shù)</p><p>　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展</p>&l

28、t;p>　　隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益推廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域，控制規(guī)模的擴(kuò)大，控制信息、管理信息的增加以及控制系統(tǒng)的柔性、設(shè)備間互操作性的要求，八十年代中后期出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它貫徹全開(kāi)放協(xié)議，使不同生產(chǎn)商產(chǎn)品之間具有可操作性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)以全數(shù)字為主的通信方式，可靠性進(jìn)一步提高，代表了工控自動(dòng)化發(fā)展的方向。</p><p>　　根據(jù)電工委員會(huì)（ICE）和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）定

29、義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，支持雙向、多分支、總線式、全數(shù)字通信。采用OSI七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，增加了自己特有的用戶層作為現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型?，F(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)使其在自動(dòng)化控制領(lǐng)域顯示諸多優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　1．構(gòu)筑系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)硬件減少，節(jié)省工程費(fèi)用；</p><p>　　2．互操作性好。采用同一的技術(shù)規(guī)范，使

30、任何生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備相互間能連接在一起；</p><p>　　3．現(xiàn)場(chǎng)總線能綜合信息，現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制設(shè)備都采用全數(shù)字實(shí)現(xiàn)雙向通信、多變量訪問(wèn)；</p><p>　　4．提高生產(chǎn)率?，F(xiàn)場(chǎng)總線其有診斷數(shù)據(jù)、操作統(tǒng)計(jì)和自動(dòng)故障通知，使人更有效地分析、診斷系統(tǒng)；</p><p>　　5．具有可靠的診斷和預(yù)估，從而減少了維護(hù)費(fèi)用；</p><p>

31、　　6．系統(tǒng)擴(kuò)充和修改容易，不必或很少增加新的硬件；</p><p>　　7．故障定位準(zhǔn)確，安全性進(jìn)一步提高。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線有多種方案，目前世界較流行的有FF現(xiàn)場(chǎng)總線、HART、ControlNet、CAN、DEVICNET和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線等。1994年，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF（FILED BUS FOUNDATION）集中了世界著名儀表、DCS和自動(dòng)化設(shè)備制造商、科

32、研機(jī)構(gòu)和用戶，成為唯一世界公認(rèn)不隸屬于某個(gè)企業(yè)的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，其制定的現(xiàn)場(chǎng)總線物理層〔低速總線H1、高速總線H2）標(biāo)準(zhǔn)已獲得IEC批準(zhǔn)。但由于利益的驅(qū)使，歐美有些實(shí)力雄厚的公司不支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，仍大力推銷(xiāo)自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，如德國(guó)Bosch公司推出CAN，美國(guó)Echelon公司推出的Lon Works等，導(dǎo)致IEC最終否決了FF現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使其未能成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)在今后一段

33、時(shí)期里，會(huì)出現(xiàn)幾種總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開(kāi)放互聯(lián)系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。</p><p>　　與傳統(tǒng)的工業(yè)控制體系相比，Rockwell自動(dòng)化系統(tǒng)提供了高效的、開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在信息層和設(shè)備層常常需要傳遞大量的I/O和對(duì)等通訊信息，需要具有確定性和可重復(fù)性的，緊密聯(lián)系控制器和I/O設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)?？刂凭W(wǎng)（ControlNet）以其高速（5Mb/s）

34、的通信速度、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模型、高效率的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及靈活方便的安裝方式等特點(diǎn)，提供了滿足以上需要的解決方案。本系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要采用了ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　2.2 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　ControlNet/DeviceNet控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是一種用于對(duì)信息傳送有苛刻要求的、高速確定性網(wǎng)絡(luò)。它允許傳送無(wú)時(shí)間

35、苛求的報(bào)文數(shù)據(jù)，但不會(huì)對(duì)有時(shí)間要求數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。它為對(duì)等通信提供實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)。作為PLC與I/O設(shè)備之間的一條高速通信鏈路，它綜合了遠(yuǎn)程I/O和DH+鏈路的功能。美國(guó)A-B公司的ControlNet網(wǎng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的控制層網(wǎng)絡(luò)，為在專(zhuān)一物理鏈路上的實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)和message數(shù)據(jù)（包括程序的上載/下載、組態(tài)數(shù)據(jù)及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息）提供高速傳輸。它最重要的功能就是傳輸從一個(gè)NODE（站點(diǎn)）到另一個(gè)NODE（站點(diǎn)）的實(shí)時(shí)控制信息。在P

36、LC編程軟件中為本地框架來(lái)組態(tài)ControlNet網(wǎng)通訊，模塊1756-CNB負(fù)責(zé)處理控制器主框架與本地框架和遠(yuǎn)程框架之間的通訊。通訊模塊組態(tài)完成之后必須運(yùn)行ControlNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件RsNetWorx。要想實(shí)現(xiàn)從工作站到控制器的通訊，用戶必須對(duì)鏈接工作站和控制器的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵆绦颉Ｍㄓ嶒?qū)動(dòng)程序使得控制器可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。在RSLinx軟件中組態(tài)適當(dāng)?shù)耐ㄓ嶒?qū)動(dòng)程序，選擇AB-PCIC driver，設(shè)置NODE站點(diǎn)。&l

37、t;/p><p>　　傳統(tǒng)的工廠級(jí)控制體系結(jié)構(gòu)有五層即工廠層、車(chē)間層、單元層、工作站層、設(shè)備層組成。而Rockwell自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)化為三層結(jié)構(gòu)模式：信息層（Ethernet以太網(wǎng)），控制層（ControlNet控制網(wǎng)），設(shè)備層（DeviceNet設(shè)備網(wǎng)）。ControlNet層常傳輸大量的I/O和對(duì)等通訊信息，具有確定性、可重復(fù)性以及緊密聯(lián)系控制器和I/O設(shè)備的特點(diǎn)。同時(shí)，它還具備如下特點(diǎn)：ControlNet在單根

38、電纜上支持兩種類(lèi)型的信息傳輸，即有實(shí)時(shí)性的控制信息和I/O數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)時(shí)間苛求的信息發(fā)送和程序上/下載；另外，ControlNet技術(shù)采取了一種新的通信模式，以生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式取代了傳統(tǒng)的源舊的模式它不僅支持傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，而且允許同時(shí)向多個(gè)設(shè)備傳遞信息。生產(chǎn)者/客戶模式使用時(shí)間片算法保證各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率；同時(shí)，ControlNet使用同軸電纜可達(dá)6000m長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)99個(gè)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離最長(zhǎng)達(dá)1000m。48個(gè)

39、節(jié)點(diǎn)距離可長(zhǎng)達(dá)250m，采用光纖和中繼器后通訊距離可達(dá)幾十公里。ControlNet應(yīng)用于過(guò)程控制、自動(dòng)化制造等領(lǐng)域。</p><p>　　2.2.1 基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者的通訊模式</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)絡(luò)模型主要有兩種：源/目的地模型（Source/Destination）和生產(chǎn)者/消費(fèi)者（Producer/Consumer）模型，絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)通訊都是采用源/

40、目的地的通訊模式如FF、Lonworks、Profibus等。源/目的地網(wǎng)絡(luò)模型采用應(yīng)/答式通訊，如果網(wǎng)絡(luò)要向多個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，則需要對(duì)這些設(shè)備分別進(jìn)行“呼”“應(yīng)”通信，即使是同一個(gè)數(shù)據(jù)，也需要制造多個(gè)數(shù)據(jù)包，消耗過(guò)多的帶寬，并且數(shù)據(jù)到達(dá)每個(gè)設(shè)備的時(shí)間還是不同的，這樣，不僅增大了網(wǎng)絡(luò)的通信量，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度受到限制，容易發(fā)生信息瓶頸問(wèn)題，而且當(dāng)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間有苛求的實(shí)時(shí)控制信息要求傳送時(shí)，還需要采用其它不同的網(wǎng)絡(luò)。</p>&l

41、t;p>　　ControlNet則采用了一種基于開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型通訊模式――生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。此模式允許在同一鏈路上有多個(gè)主控制器共存，對(duì)輸入數(shù)據(jù)和對(duì)等通信數(shù)據(jù)采用多信道廣播方式，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的針對(duì)不同站點(diǎn)多次發(fā)送改為一次多點(diǎn)共享，以使鏈路上所有控制器之間實(shí)現(xiàn)預(yù)定的對(duì)等通信互鎖，共享輸入數(shù)據(jù)，從而大大減少了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的次數(shù)和網(wǎng)絡(luò)上的交通量，提高了網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)性能；同時(shí)允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)從單個(gè)數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)，報(bào)文通過(guò)標(biāo)

42、識(shí)符來(lái)識(shí)別，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)要接收一個(gè)數(shù)據(jù)，僅僅需識(shí)別與此信息相連的特定的標(biāo)識(shí)符，每個(gè)數(shù)據(jù)包不再需要源地址和目標(biāo)地址位。因?yàn)閿?shù)據(jù)是按內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)識(shí)的，數(shù)據(jù)源只需將數(shù)據(jù)發(fā)送一次。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)在網(wǎng)上同時(shí)識(shí)別這個(gè)標(biāo)識(shí)行，可同時(shí)從同一生產(chǎn)者取用此同一數(shù)據(jù)消費(fèi)。從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的精確同步，提高帶寬的有效使用率；其他的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后并不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因?yàn)樗鼈兺瑯涌梢韵M(fèi)這些相同的信息，并且所有數(shù)據(jù)可以同時(shí)到達(dá)。此時(shí)采用該模式既可以支持系統(tǒng)

43、的主從、多主或?qū)Φ韧ㄐ沤Y(jié)構(gòu)，也可以支持其任意組合的混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還可在同一鏈路上傳送任意信息類(lèi)型相混合的數(shù)據(jù)。</p><p>　　顯然，與典型的源/目的地模式相比，生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型是一種更為靈活高效的處理機(jī)制?？梢哉f(shuō)，基于此模式的ControlNet是當(dāng)今世界市場(chǎng)上各種工業(yè)控制底層現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中性能較為可靠的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2.2.2 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線的仲裁方式

44、</p><p>　　ControlNet是一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，在同一物理介質(zhì)鏈路上提供對(duì)時(shí)間有苛求的控制信息和I/O數(shù)據(jù)以及無(wú)時(shí)間苛求的信息發(fā)送，包括程序的上/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)文傳送等通訊支持，是具有高度確定性、可重復(fù)的高速控制和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較大提高。表2-1給出了ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和其他總線技術(shù)的主要性能比較。</p&

45、gt;<p>　　表2-1 幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的性能比較</p><p>　　相比可知，ControlNet網(wǎng)絡(luò)具有吞吐量高、體系結(jié)構(gòu)靈活、組態(tài)和編程簡(jiǎn)單、信息交換可靠等特點(diǎn)，是一種適合工業(yè)控制信息傳輸與控制的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　眾所周知，以太網(wǎng)采用“沖突檢測(cè)載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)”（CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with

46、 Collision Detection）仲裁機(jī)制，這一般不具有工業(yè)控制所要求的可靠性、確定性。因此，為適應(yīng)工業(yè)控制需求，ControlNet采用了一個(gè)特殊的令牌傳遞機(jī)制，叫做隱性令牌傳遞（Implicit Token Passing）。網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的MAC地址（從1到99），像普通令牌傳遞總線一樣，持有令牌的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，網(wǎng)絡(luò)上并沒(méi)有真正的令牌在傳輸。相反，每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)視收到的每個(gè)數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點(diǎn)地址，在該數(shù)據(jù)幀結(jié)

47、束之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)隱性令牌寄存器（Implicit Token Register），其值為收到的源MAC地址加1。如果隱性令牌寄存器的值等于某個(gè)節(jié)點(diǎn)自己的MAC地址，然后該節(jié)點(diǎn)就可以立刻發(fā)送數(shù)據(jù)。因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)的隱性令牌寄存器在任意時(shí)刻的值相同，這就避免了沖突的發(fā)生。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有要發(fā)的數(shù)據(jù)，則只須發(fā)一個(gè)空的數(shù)據(jù)幀（Null Frame）。</p><p>　　ControlNet中傳遞隱性令牌的邏輯是通過(guò)

48、特別設(shè)計(jì)的時(shí)間分片存取算法――并存時(shí)間域多路存?。–oncurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）來(lái)控制的。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特性，一些帶寬預(yù)先保留和預(yù)定用來(lái)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送，余下的帶寬則用于非實(shí)時(shí)和未預(yù)定數(shù)據(jù)的傳送。因此，它在保證對(duì)時(shí)間有苛求的控制信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也能在同一物理介質(zhì)鏈路上傳送其它無(wú)時(shí)間苛求的信息。在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間（Network Update Time NUT）內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)

49、上各節(jié)點(diǎn)拿到隱性令牌傳送信息的機(jī)會(huì)。ControlNet的技術(shù)規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的NUT時(shí)間為0.5ms～100ms（目前市場(chǎng)上可提供的有關(guān)產(chǎn)品的最小可組態(tài)的NUT為2ms）。網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間（NUT）分為三個(gè)部分：預(yù)定信息傳送時(shí)間、非預(yù)定信息傳送時(shí)間和維護(hù)時(shí)間，詳細(xì)內(nèi)容如表2-2所示。</p><p>　　表2-2 網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間</p><p>　　NUT（網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間）是由用戶自己選擇的，它將

50、不停地掃描網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)上設(shè)備類(lèi)型的不同，按照ControlNet的時(shí)間片算法在NUT內(nèi)為它們分配時(shí)間段。由此可知，ControlNet網(wǎng)絡(luò)具有預(yù)見(jiàn)數(shù)據(jù)何時(shí)能夠可靠傳輸?shù)侥繕?biāo)的能力，并且數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加/刪除或網(wǎng)絡(luò)繁忙等狀況的影響而保持恒定[3]。</p><p>　　2.2.3 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，不

51、僅要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及PLC進(jìn)行對(duì)等通信。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用也不只要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應(yīng)有確定性和可重復(fù)性。</p><p>　　ControlNet是高度確定性、可重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)選擇性設(shè)定有計(jì)劃的I/O分組或互鎖時(shí)間，這些要求能得到更進(jìn)一步的保證。因此，ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系關(guān)聯(lián)復(fù)雜，

52、要求控制信息同步、協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)傳輸速度較高的應(yīng)用場(chǎng)合。如協(xié)同工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，焊接控制，運(yùn)動(dòng)控制，視覺(jué)系統(tǒng)，復(fù)雜的批次控制， 有大量數(shù)據(jù)傳送要求的過(guò)程控制系統(tǒng)，有多個(gè)控制器和人機(jī)界面共存的系統(tǒng)等。對(duì)于有多個(gè)基于PC的控制器之間不同PLC之間PLC與DCS之間存在通訊要求的場(chǎng)合，ControlNet也非常適用。ControlNet允許多個(gè)各自擁有獨(dú)立或共享I/O的控制器之間相互通訊或以靈活的方式組織互鎖。</p><

53、;p>　　在羅克韋爾推出的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)方案——“NetLinx”體系中，ControlNet處于核心地位，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 ControlNet邏輯網(wǎng)絡(luò)體系</p><p>　　ControlNet總線不僅可以與多種設(shè)備或子網(wǎng)直接相連，還能夠通過(guò)掃描器連接下層的DeviceNet設(shè)備網(wǎng)和FF現(xiàn)場(chǎng)總線等產(chǎn)品；同時(shí)，通過(guò)通信接口模塊連通上層的信息以太

54、網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，共享信息資源。</p><p>　　組態(tài)軟件是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用的人機(jī)接口（HMI）監(jiān)控軟件，是控制網(wǎng)絡(luò)底層總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的軟件接口和控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成的橋梁。RSView32、RSView SE是基于Windows環(huán)境（Windows 98，Windows NT）的工業(yè)監(jiān)控軟件，使用方便、直觀、可靠，同時(shí)允許用戶進(jìn)行圖形觀察和組態(tài)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它全面支持A

55、ctiveX技術(shù)，同時(shí)支持OPC的服務(wù)器和客戶端模式，既可以通過(guò)OPC和硬件通訊，又可以向其它軟件提供OPC的服務(wù)。同時(shí)Windows為RSView和基于Windows的應(yīng)用軟件提供接口，利用DDE（dynamic data exchange）技術(shù)，與Windows的應(yīng)用程序間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)本地控制網(wǎng)絡(luò)與上層信息網(wǎng)絡(luò)之間的信息共享，從而為用戶提供更為集中的數(shù)據(jù)操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。</p><p>　　綜上

56、所述，ControlNet控制網(wǎng)是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)時(shí)間有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸，它為對(duì)等通信提供實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)。它作為控制器和I/O設(shè)備之間的一條高速通信鏈路，綜合了現(xiàn)有的RI/O和DH鏈路的能力。因?yàn)樗母咚俾?，使其可以支持高度分布式的自?dòng)化系統(tǒng)，特別是那些具有高速數(shù)字量I/O和大量模擬量I/O的系統(tǒng)。</p><p>　　控制網(wǎng)結(jié)合了輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息網(wǎng)絡(luò)的功能，既可以滿足對(duì)時(shí)

57、間苛求的控制數(shù)據(jù)傳輸（如I/O刷新、控制器到控制器的互鎖）的需要，又可以滿足對(duì)時(shí)間非苛求的數(shù)據(jù)傳輸（如程序上傳、下載、信息傳送）的需要[4]。</p><p><b>　　2.3 小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，尤其是ControlNet總線技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了深入分析，著重闡述了它的通訊模式、仲裁方式以及其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并與其它常

58、見(jiàn)總線技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件概況</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)概況</b></p><p>　　為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)備性和安全性，系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備，以避免由于特殊原因使數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)中所要控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含：電動(dòng)球閥16個(gè)、電動(dòng)閘閥7個(gè)、變頻器1臺(tái)、攪拌器1臺(tái)。所需要采集的數(shù)據(jù)量為：壓力10點(diǎn)、差壓

59、2點(diǎn)、溫度26點(diǎn)、地溫30點(diǎn)、液位1點(diǎn)、流量2點(diǎn)。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　1．PLC采用美國(guó)ROCKWELL公司先進(jìn)的ControlLogix系列產(chǎn)品，可靠性高，具有雙機(jī)熱備功能，性

60、能穩(wěn)定；同時(shí)采用了高速傳送、實(shí)時(shí)I/O的控制網(wǎng)絡(luò)（ControlNet）通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和過(guò)程控制，增強(qiáng)下位機(jī)的擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程儀表（設(shè)備）、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集、處理與控制，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)功能和系統(tǒng)熱備功能。</p><p>　　2．下位機(jī)擴(kuò)展采用采用美國(guó)ROCKWELL公司的模擬輸入、輸出模塊、數(shù)字輸入、輸出模塊以及專(zhuān)用的Pt電阻（測(cè)溫RTD）輸入模塊

61、，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器、Pt電阻（測(cè)溫）及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制。</p><p><b>　　3.2 功能模塊</b></p><p>　　程序選擇的模塊如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 PLC配置清單表</p><p>　　3.2.1 CPU模塊</p><p>　　Cont

62、rolLogix控制器可提供系統(tǒng)規(guī)模可變化的控制器解決方案，可以訪問(wèn)大量的I/O點(diǎn)（數(shù)字量I/O最多為128，000個(gè)，模擬量I/O最多為4000個(gè)）。ControlLogix控制器能夠通過(guò)ControlLogix I/O框架的任一槽內(nèi)，而且多個(gè)控制器可安裝在同一框架內(nèi)，它們之間通過(guò)背板進(jìn)行通訊，而運(yùn)行是相互獨(dú)立的。</p><p>　　本方案中的CPU模塊采用ROCKWELL的1756-L55M24（內(nèi)存數(shù)據(jù)和

63、邏輯3.5M，I/O為208K字節(jié)，有非易失內(nèi)存；最大功率損耗5.7W，最大熱耗散19.4BTU/hr，5V時(shí)的背板電流1.25A），共兩塊，分別插入兩個(gè)A4框架的第0槽，不需接線。</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)控制器冗余，要滿足到如下要求：</p><p>　　1．冗余控制器系統(tǒng)需要一個(gè)Logix5555控制器；</p><p>　　2．由于在副控制器內(nèi)數(shù)據(jù)需要緩存

64、，所以控制器內(nèi)需要兩倍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；</p><p>　　3．冗余控制器必須在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上。</p><p>　　3.2.2 SRM熱備模塊</p><p>　　SRM熱備模塊采用ROCKWELL的1757-SRM/B（最大電壓30V，最大電流100mA），共兩塊，分別插入兩個(gè)A4框架的第2、3槽，SRM熱備模塊間采用專(zhuān)用光纖相互連接。</p&

65、gt;<p>　　1757-SRM冗余模塊是提供主框架和副框架之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)框架需要一個(gè)1757-SRM模塊。該模塊支持最多每個(gè)框架內(nèi)有五個(gè)1756-CNB模塊。</p><p>　　3.2.3 電源模塊</p><p>　　1756機(jī)架上的ControlLogix電源模塊直接給機(jī)架背板提供1.2V，3.3V，5V和24V直流電源?？墒褂梅侨哂啵?756-PA72，

66、-PB72，-PA75，-PB75）和冗余（1756-PA75R，-PB75R）電源模塊，本方案中電源模塊采用ROCKWELL的1756-PA75（額定輸入電壓120V ac或220V ac，最大有功輸入功率95W，最大視在輸入功率240VA，最大變壓器負(fù)載238VA，頻率47-63Hz，最大背板輸出電流1.5A@1.2V dc、4A@3.3V dc、10A@5V dc、2.8A@24Vdc，共75W），共四塊，分別外掛在四個(gè)框架上。該

67、模塊需接三根線：L1接220V交流電源，L2／N接零線，剩余一根接地線。其功率如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 電源模塊功率示意圖</p><p>　　3.2.4 C-NET模塊</p><p>　　C-NET模塊采用ROCKWELL的1756-CNBR模塊，共四塊，分別插在兩個(gè)A4框架的第1槽、A7框架的第0槽。每個(gè)模塊上有A、B兩個(gè)ControlN

68、et接口，互為冗余，使用時(shí)將四個(gè)A口用專(zhuān)用通信支線電纜和通信電纜連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)B口連成另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互為冗余。</p><p>　　3.2.5 模擬輸入模塊</p><p>　　模擬輸入模塊采用ROCKWELL的1756-IF16模塊（輸入電壓0～0.125V、0～10.25V、－10.25～10.25V，輸入電源4～20mA），共四塊，插在1站的A17框架的第1、2、3、4槽中

69、。</p><p>　　3.2.6 模擬輸出模塊</p><p>　　模擬輸入模塊采用ROCKWELL的1756-OF8（模塊輸入電壓0～0.125V、0～10.25V、-10.25～10.25V，輸入電源4～20mA），共1塊，插在1站的A17框架的第11槽中。</p><p>　　3.2.7 RTD模塊</p><p>　　RTD模塊采用

70、ROCKWELL的1756-IR6I模塊，共6塊，插在1站的A17框架的第5、6、7、8、9、10槽中。</p><p>　　3.2.8 開(kāi)關(guān)量輸入模塊</p><p>　　開(kāi)關(guān)量輸入模塊采用ROCKWELL的1756-IB16模塊（輸入點(diǎn)數(shù)16，電壓類(lèi)型12/24V直流，工作電壓10～31.2V，輸入延遲2ms，最小導(dǎo)通輸入電流2.0mA，最大導(dǎo)通狀態(tài)電流10V，最大狀態(tài)1.5mA，負(fù)載

71、電流100mA），共9塊，插在2站的A17框架的第1、2、3、4、5、6、7、8、9槽中。</p><p>　　3.2.9 開(kāi)關(guān)量輸出模塊</p><p>　　開(kāi)關(guān)量輸入模塊采用ROCKWELL的1756-OW16I模塊（最大輸出延遲時(shí)間10ms，工作電壓10～265V交流或5～150V直流，輸出電流0.25A～2A），共5塊，插在2站的A17框架的第10、11、12、13、14槽中。&l

72、t;/p><p><b>　　3.3 冗余的實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　冗余電源的實(shí)現(xiàn)如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 冗余電源示意圖</p><p>　　冗余控制器實(shí)現(xiàn)如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 冗余控制器示意圖</p><p><

73、;b>　　3.4 小結(jié)</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)深入的了解，本章詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對(duì)總體的設(shè)計(jì)有個(gè)大致了解。</p><p>　　第4章 下位系統(tǒng)軟件概況</p><p>　　4.1 下位軟件概況</p><p&g

74、t;　　PLC的控制包括ControlNet網(wǎng)絡(luò)的控制管理和流程控制兩部分。其中網(wǎng)絡(luò)控制管理通過(guò)ROCKWELL ControlNet網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用的RSLinx作為網(wǎng)絡(luò)配置軟件，RSNetWorx作為網(wǎng)絡(luò)的管理軟件。使用這兩個(gè)軟件進(jìn)行相關(guān)的配置和管理，就能正確的使用掛在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的PLC單元。</p><p>　　通過(guò)本系統(tǒng)的獨(dú)立控制部分，管理者可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)于任何流程的控制，只要形成清晰的控制思路，通

75、過(guò)對(duì)每一個(gè)閥門(mén)的控制，即可實(shí)現(xiàn)任意的控制流程，如進(jìn)油流程、自循環(huán)流程、旁接流程、清管流程、倒罐流程、高壓泄放流程等。</p><p>　　流程的控制通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)，編程軟件為ROCKWELL的RSLogix5000企業(yè)版。</p><p>　　4.2 RSLogix5000軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　4.2.1 軟件概況</p><p>

76、;　　與第一代可編程控制軟件相比，RSLogix5000功能更加強(qiáng)大，更加方便實(shí)用。RsLogix5000編程軟件除了為順序控制提供梯形圖編程外，還可以為運(yùn)動(dòng)控制提供完整的編程及調(diào)試支持。RSLogix5000可同時(shí)完成順序控制與運(yùn)動(dòng)控制。使用RSLogix5000軟件可以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的設(shè)置和監(jiān)視通過(guò)I/O實(shí)現(xiàn)ControlLogix背板連接，所有模塊相關(guān)數(shù)據(jù)都包含在一個(gè)處理器數(shù)據(jù)對(duì)象中，這便于配置，監(jiān)視和連接模塊參數(shù)。</p&

77、gt;<p>　　高度集成的RSLogix5000編程軟件基于IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)，Logix5550控制器的指令集保持了已有的Allen-Bradley產(chǎn)品共同的看則有悟的特點(diǎn)，這使我們能充分利用已有的編程技能。只需要安裝一個(gè)RSLogix5000編程軟件包即可完成可編程序控制器、伺服控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器的編程和設(shè)置，而不像有些系統(tǒng)那樣需要2個(gè)甚至是3個(gè)單獨(dú)的軟件包。</p><p>　　Cont

78、rolLogix是一種框架式控制系統(tǒng)，它將順序控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制和傳動(dòng)控制功能集成在一起，同時(shí)還提供通訊和I/O功能。一個(gè)最簡(jiǎn)單的ControlLogix系統(tǒng)由一個(gè)獨(dú)立的控制器和位于同一個(gè)框架上的I/O模塊組成。</p><p>　　ControlLogix控制器是Logix5000系列控制器的一種。典型的ControlLogix系統(tǒng)包括：</p><p>　　1．ControlLo

79、gix控制器；</p><p>　　2．RSLogix5000編程軟件；</p><p>　　3．安裝在1756框架上的1756 ControlLogix I/O模塊；</p><p>　　4．不同的通訊模塊，用于連接EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、DH+以及通用遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　5．通過(guò)

80、第三方設(shè)備連接的其他網(wǎng)絡(luò)。例如：FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線和HART總線；</p><p>　　6．每個(gè)ControlLogix控制器內(nèi)置的串口。</p><p>　　4.2.2 程序界面</p><p>　　系統(tǒng)歡迎界面及如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 RSLogix5000歡迎界面</p><p>　　軟件

81、界面如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 RSLogix5000（企業(yè)版）軟件界面</p><p>　　4.3 程序標(biāo)簽設(shè)定</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用了較多的標(biāo)簽，命名皆以控制的對(duì)象或是作用為名，目的是增加程序的可讀性。詳細(xì)標(biāo)簽內(nèi)容見(jiàn)附錄。</p><p><b>　　4.4 程序流程</b></p

82、><p>　　根據(jù)課題要實(shí)現(xiàn)的功能及要求，PLC軟件的獨(dú)立控制部分設(shè)計(jì)方案如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 程序總流程圖</p><p>　　各個(gè)程序的流程圖如下：</p><p>　　1．主程序流程如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 主程序流程圖</p><p>　　2．

83、初始化子程序流程如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 初始化子程序流程圖</p><p>　　3．復(fù)位子程序流程如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 復(fù)位子程序流程圖</p><p>　　4．報(bào)警、顯示子程序流程如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 報(bào)警、顯示子程序流程圖</p>

84、;<p>　　5．開(kāi)關(guān)閥控制子程序流程如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 開(kāi)關(guān)閥子程序流程圖</p><p>　　6．調(diào)節(jié)閥控制子程序流程如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 調(diào)節(jié)閥子程序流程圖</p><p>　　7．變頻器PID控制流程如圖4-10所示。</p><p>　　圖4

85、-10 變頻器PID控制控制流程圖</p><p>　　8．PID運(yùn)算流程如圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11 PID運(yùn)算流程圖</p><p><b>　　4.5 程序簡(jiǎn)介</b></p><p>　　環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件方案二目的在于單獨(dú)控制每一個(gè)閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)靈活控制。在RSLogix5000編程環(huán)境中，

86、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的硬件基礎(chǔ)編寫(xiě)完成下位PLC獨(dú)立控制部分的程序，其中有一個(gè)主程序和28個(gè)子程序，分別用來(lái)調(diào)用或控制相應(yīng)的功能模塊。程序主要控制的閥門(mén)有V101、V103、V104、V201、V301、V302、V403、V404、V405、V407、V408、V501、V503、V511、V513、V601、V602、V611、V612、V621、V622、V623、V624。其中V101、V302、V405三個(gè)閥門(mén)是可調(diào)節(jié)閥門(mén)，配合變頻器工作

87、，分別控制著液位、溫度和流量三個(gè)參數(shù)，它們的編程主要考慮應(yīng)用PID運(yùn)算進(jìn)行控制，從而獲得更好的控制效果。其中，V101的處理方法與開(kāi)關(guān)閥相同，原因是便于在以后控制進(jìn)油的速度，為以后的使用提供了保障。程序設(shè)計(jì)示例如圖4-12所示。</p><p>　　圖4-12 程序樣圖</p><p><b>　　4.6 小結(jié)</b></p><p>　　獨(dú)立

88、控制的程序部分設(shè)計(jì)目的在于增加各節(jié)點(diǎn)的靈活控制性，方便管理者在使用流程控制的過(guò)程當(dāng)中，單獨(dú)控制某一個(gè)閥，從而使軟件有了更友好的使用方法。本章從軟件的概況、各控制程序的流程等方面詳細(xì)做了介紹，在保證了功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，盡量增加程序的可讀性，方便在需要時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)。</p><p><b>　　第5章 課題特點(diǎn)</b></p><p>　　5.1 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)

89、總線技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　在現(xiàn)場(chǎng)總線控制領(lǐng)域，ControlNet憑借更強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程集中處理的便捷；憑借5Mb/s的速率保證了實(shí)時(shí)傳輸；而且在安全性和穩(wěn)定性上，自身獨(dú)有的解決方法保證了在使用過(guò)程中數(shù)據(jù)的完備和安全。結(jié)合成功例子，使得ControlNet應(yīng)用于環(huán)道控制系統(tǒng)有了強(qiáng)大的保障。伴隨更多人的關(guān)注，ControlNet會(huì)有更大的發(fā)展。本系統(tǒng)采用的ControlNet總線結(jié)構(gòu)是現(xiàn)如今最

90、有發(fā)展的總線之一，這就注定了在今后的使用當(dāng)中，有這更多的拓展的空間和進(jìn)行進(jìn)一步提高性能的基礎(chǔ)。</p><p>　　5.2 雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了解決在實(shí)際科研過(guò)程中會(huì)遇到的數(shù)據(jù)安全威脅，或者是因?yàn)樵O(shè)備的老化而停止運(yùn)轉(zhuǎn)給系統(tǒng)帶來(lái)的巨大損失。系統(tǒng)在始建之初就充分考慮到這一點(diǎn)，從CPU到電源，全部的設(shè)備都使用的熱備的冗余結(jié)構(gòu)，最大程度上保證了系統(tǒng)的安全性。</p>

91、;<p>　　5.3 PID周期運(yùn)算</p><p>　　眾所周知，在PLC控制過(guò)程當(dāng)中，CPU對(duì)進(jìn)程中的PID運(yùn)算總是顯得很難處理，這是由于PID運(yùn)算會(huì)帶來(lái)很大的運(yùn)算量，使得在運(yùn)算過(guò)程中，可能會(huì)有很多的控制量處于不確定狀態(tài)。這對(duì)于確定性控制是致命的威脅。為此，本課題中，PID運(yùn)算全部采用了周期性的運(yùn)算，而非在主程序中實(shí)時(shí)調(diào)用，而是處于周期性運(yùn)算當(dāng)中，在運(yùn)算完畢后，將運(yùn)算值暫時(shí)存儲(chǔ)于一個(gè)變量標(biāo)簽中。

92、這樣做的目的就是為了解決在工控中大量進(jìn)行PID運(yùn)算帶來(lái)的高負(fù)荷。</p><p><b>　　第6章 結(jié)論</b></p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到頂層生產(chǎn)管理之間正確的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)性和可靠性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)未來(lái)將向著工業(yè)以太控制網(wǎng)的方向發(fā)展和融合。ControlNet作為現(xiàn)場(chǎng)總線中的優(yōu)秀代表

93、，也會(huì)在不斷的發(fā)展過(guò)程中占領(lǐng)市場(chǎng)份額，以它高效的傳輸速率、安全的性能等諸多方面的出色表現(xiàn)，定會(huì)捍衛(wèi)自己主流的地位。論文在分析ControlNet總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了其在環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件中的應(yīng)用。同時(shí)，采用該總線的環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件也表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　1．對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，尤其是ControlNet總線技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了深入分析，著重闡述了它的通訊模式、仲裁方式及

94、其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并與其它常見(jiàn)總線技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，從而肯定了ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在具有多個(gè)PLC控制器和較高數(shù)據(jù)傳輸率控制系統(tǒng)的應(yīng)用；</p><p>　　2．在了解了本系統(tǒng)的控制要求基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了各硬件模塊的選用，同時(shí)，出于保護(hù)特殊數(shù)據(jù)的安全考慮，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)均采用冗余設(shè)計(jì)；</p><p>　　3．對(duì)環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件PLC控制進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)列出了獨(dú)立控制的流程圖，

95、本部分也是作者本人所做設(shè)計(jì)的核心部分；</p><p>　　4．介紹了RSLogix5000軟件在建立自由組態(tài)的獨(dú)立控制系統(tǒng)時(shí)的使用方法；</p><p>　　5．最后對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。</p><p>　　環(huán)道控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)性、科研性的課題，在實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)要求有高質(zhì)量的信號(hào)采集系統(tǒng)，而本設(shè)計(jì)中的獨(dú)立控制配合著流程控制，使得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的高要求等到保證。

96、更靈活的控制方式，更方便的操作方式也在下位機(jī)PLC控制中突顯了其高效、高質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。也決定了獨(dú)立控制在下位軟件中不可或缺的地位。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文研究工作是在我的導(dǎo)師孫東輝副教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開(kāi)題伊始到論文結(jié)束，我所取得的每一個(gè)進(jìn)步、編寫(xiě)的每一段程序都無(wú)不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹?/p>

97、學(xué)態(tài)度、淵博的各科知識(shí)、無(wú)私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪，從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在今后的學(xué)習(xí)工作中，我將銘記恩師對(duì)我的教誨和鼓勵(lì)，盡自己最大的努力取得更好的成績(jī)。</p><p>　　在此我要向我的導(dǎo)師孫東輝副教授致以最衷心的感謝和深深的敬意！</p><p>　　在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間，自動(dòng)化教研室的每位老師對(duì)我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)

98、心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。</p><p>　　在此，向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！</p><p>　　衷心感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專(zhuān)家、教授。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 蔡方偉，吳章維，劉珧，魏成文．

99、ControlNet/DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)．寶鋼技術(shù)，2001(6)：34-38、48．</p><p>　　[2] 朱春花，周齊國(guó)．ControlNet技術(shù)及其在冷站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用．建筑電氣，2005(1)：29-32．</p><p>　　[3] 閆曉，汪晉寬，金廣業(yè)，張維杰．ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)．儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(8)：31-33．

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