【正文】 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。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。本系統(tǒng)采用的 ControlNet 總線結(jié)構(gòu)是現(xiàn)如今最有發(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) 。其中 V10 V30 V405 三個(gè)閥門(mén)是可調(diào)節(jié)閥門(mén)，配合變頻器工作，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 。 圖 46 復(fù)位子程序流程 圖 4．報(bào)警、顯示子程序流程 如 圖 47 所示。 程序界面 系統(tǒng)歡迎界面 及 如圖 41 所示 。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) 。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 16 第 4 章 下位系統(tǒng)軟件概況 下位 軟件概況 PLC 的控制包括 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)的控制管理和流程控制兩部分。 模擬輸入模塊 模擬輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756IF16 模塊（輸入電壓 0～ 、 0～ 、北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 － ～ ，輸入電源 4～ 20mA），共四塊，插在 1 站的 A17 框架的第 4槽中。每個(gè)框架需要一個(gè)1757SRM 模塊。 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、北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 輸出模塊以及專(zhuān)用的 Pt 電阻（測(cè)溫 RTD）輸入模塊，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。 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(mǎn)足對(duì)時(shí)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(mǎn)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]。 圖 21 ControlNet 邏輯網(wǎng)絡(luò)體系 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。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。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 22 所示 。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)。 ControlNet 現(xiàn)場(chǎng)總線的仲裁方式 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。 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。而 Rockwell 自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)化為三層結(jié)構(gòu)模式：信息層 （ Ether 以太網(wǎng) ） ，控制層（ ControlNet 控制網(wǎng) ） ，設(shè)備層 （ DeviceNet 設(shè)備網(wǎng) ） 。美國(guó) AB 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。 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)北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 構(gòu)。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(hù)層作為現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型。 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)： 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)用等各方面都取得了很大發(fā)展； 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； 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)； 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)。被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。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。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。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品或成果。 所要控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含：電動(dòng)球閥 20 個(gè)、電動(dòng)閘閥 3 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 2 點(diǎn)、溫度 26 點(diǎn)、地溫 30 點(diǎn)、液位 1點(diǎn)、流量 2 點(diǎn) ； 環(huán)道壓力： 0～ 環(huán)道流量： 0～ 500m3/h 熱媒溫度： 0～ 80℃ 儲(chǔ)油罐液位：0～ 地溫場(chǎng)溫度： 20～ 80℃ ； 實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單獨(dú)控制，設(shè)計(jì)流量、溫度的 PID 控制，保證上位機(jī)能自由組態(tài)。 本畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）成果歸北華航天工業(yè)學(xué)院所有。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。 為了更好的滿(mǎn)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?，F(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。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 課題的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下內(nèi)容： 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?，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) ； 5．具有可靠的診斷和預(yù)估，從而減少了維護(hù)費(fèi)用 ； 6．系統(tǒng)擴(kuò)充和修改容易，不必或很少增加新的硬件 ； 7．故障定位準(zhǔn)確，安全性進(jìn)一步提高。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)。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。生產(chǎn)者 /客戶(hù)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。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)。 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 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。 ControlNet 中傳遞隱性令牌的邏輯是通過(guò)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?。?Concurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）來(lái)控制的?？刂凭W(wǎng)保證至少有一個(gè)非預(yù)定節(jié)點(diǎn)有機(jī)會(huì)傳送數(shù)據(jù)，提供給非預(yù)定節(jié)點(diǎn)的時(shí)間取決于預(yù)定節(jié)點(diǎn)的通信量。因此， ControlNet 非常適用于一些控制關(guān)系關(guān)聯(lián)復(fù)雜，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。它全面支持ActiveX 技術(shù)，同時(shí)支持 OPC 的服務(wù)器和客戶(hù)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)。 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)。 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?？墒褂梅侨哂啵?1756PA72， PB72， PA75， PB75）和冗余（ 1756PA75R，PB75R）電源模塊，本方案中電源模塊采用 ROCKWELL 的 1756PA75（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 4763Hz，最大背板輸出電流 dc、 dc、 10A5V dc、24Vdc，共 75W），共四塊，分別外掛在四個(gè)框架上。 開(kāi)關(guān)量輸入模塊 開(kāi)關(guān)量輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756IB16 模塊（輸入點(diǎn)數(shù) 16， 電壓類(lèi)型 12/24V直流，工作電壓 10～ ，輸入延遲 2ms，最小導(dǎo)通輸入電流 ，最大導(dǎo)通狀態(tài)電流 10V，最大狀態(tài) ， 負(fù)載 電流 100mA），共 9 塊，插在 2 站的 A17 框架的第 9 槽中。 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。 ControlLogix 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。詳細(xì)標(biāo)簽內(nèi)容見(jiàn)附錄。 圖 49 調(diào)節(jié)閥子程序流程圖 7．變頻器 PID 控制流程 如 圖 410 所示。 圖 412 程序樣圖 小結(jié) 獨(dú)立控制的程序部分設(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。 PID 周期運(yùn)算 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)。 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)： 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； 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) ； 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，本部分也是 作者 本人所做設(shè)計(jì)的核心部分； 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； 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) 。 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！ 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。通過(guò)集成這些 EPICS 加速器控制系統(tǒng)和輸入輸出控制器 (IOC)，系統(tǒng)可以直接進(jìn)行讀取和寫(xiě)入PLC 數(shù)據(jù)。雖然他們封 裝方式不同，北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 30 但都可以通過(guò)默認(rèn)的 TCP 協(xié)議進(jìn)行連接。 這種類(lèi)型的傳輸稱(chēng)為明確無(wú)關(guān)聯(lián)傳輸，因?yàn)闃?biāo)簽名被明確地提出，各個(gè)協(xié)議包是單獨(dú)尋址。 5 EPICS 技術(shù)支持的實(shí)施 根據(jù)請(qǐng)求的更新率， vxWorks 驅(qū)動(dòng)代碼針對(duì)各個(gè) PLC 在掃瞄列表中都安排了標(biāo)簽名。這樣就決定了傳送時(shí)間會(huì)大量減少，但可能會(huì)產(chǎn)生其他作用：每當(dāng)輸出改變的記錄超過(guò)一個(gè)元素時(shí)，輸入輸出控制器 (IOC)總將重寫(xiě)整個(gè)數(shù)組?？梢蕴幚淼?PLC 數(shù)據(jù)類(lèi)型包括 BOOL、 SINT、 INT、 DINT 和 REAL。對(duì)于 CIP_Read_Data 請(qǐng)求，比起關(guān)聯(lián)信息，無(wú)關(guān)聯(lián)信息有效地壓縮了信息，并且在傳輸中提高了 3%的速率。 與此同時(shí)， AB 公司針對(duì) ControlLogix 推出了新的 CIP 服務(wù)編碼，包括使用 CIP 路徑來(lái)命名梯形圖邏輯標(biāo)簽、單獨(dú)使用讀寫(xiě)的服務(wù)代碼以及結(jié)合了傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式而使用的一些傳輸協(xié)議。 版本引入了數(shù)據(jù)包的 TCP/IP 封裝，而代替了基于以太網(wǎng)（ IP/UDP/TCP）的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，最終形成“基于以太網(wǎng)的 ControlNet”，稱(chēng)為 EtherNet/IP。 ControlLogix 以太網(wǎng)連接模塊“ 1756ENET”使用了 EtherNet/IP、 ControlNet 等協(xié)議，并采用了專(zhuān)業(yè)的服務(wù)代碼封裝于以太網(wǎng)協(xié)議包中。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 27 致 謝 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