【正文】 計(jì)方案二縱向課題（√） 理論研究（?。┙處熆蒲姓n 題 橫向課題（?。?應(yīng)用研究（　）教師自擬課題（?。?應(yīng)用設(shè)計(jì)（√）題目來源學(xué)生自擬課題（?。╊}目類型其 他（　）注：請(qǐng)直接在所屬項(xiàng)目括號(hào)內(nèi)打“√”總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)要點(diǎn)：根據(jù)試驗(yàn)環(huán)道工程實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)工藝要求、該環(huán)道工程的自動(dòng)控制部分的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)道實(shí)驗(yàn)工藝的過程控制與數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)出完整的按控制閥、泵、攪拌器單獨(dú)控制的軟件，以方便在上位機(jī)按工藝要求，自由構(gòu)成流程。 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：0～500m 3/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)。工作內(nèi)容及最終成果： 研究系統(tǒng)的工作需求； 分析所用控制閥的控制要求，畫出總體流程圖和不同種類閥門的分流程圖以及 PID 控制流程圖； 進(jìn)行下位系統(tǒng)的組態(tài)和單元整定； 分配下位 PLC 資源，確定控制、采集用標(biāo)簽； 完成控制程序的編制； 做出使用說明書。指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日教研室主任意見：教研室主任簽字： 年 月 日北華航天工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性及知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件設(shè)計(jì)方案二是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作取得的成果。對(duì)本設(shè)計(jì)（論文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。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。本人同意北華航天工業(yè)學(xué)院有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以營(yíng)利為目的的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容。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)，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)，編寫了自由組態(tài)的獨(dú)立控制部分軟件。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)說明，比較詳盡地?cái)⑹隽苏麄€(gè)系統(tǒng)的相關(guān)事宜。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。石油的運(yùn)輸主要通過輸油管道進(jìn)行，而輸油本身就是一項(xiàng)耗能巨大的工業(yè)過程。建設(shè)大口徑、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)過程中的維護(hù)工作。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。為了更好的滿足試驗(yàn)需求，工藝流程控制過程能夠?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。為適應(yīng)環(huán)道將來進(jìn)行其他油品測(cè)試的需要，預(yù)留原油卸車接口。作為近年來在國(guó)際上迅速發(fā)展起來的、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)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。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?，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。在此基礎(chǔ)上，即可采用簡(jiǎn)單連接的雙絞線、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。控制網(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) Infra（Infrastructure Network） ，它主要面向某個(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：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；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?．對(duì)信道容量要求不是太高；4．通信方式多采用廣播或組播方式；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――即互操作問題。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。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。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文4第 2 章 ControlNet 總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展隨著自動(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)。根據(jù)電工委員會(huì)（ICE）和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）定義，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?，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)：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；2．互操作性好?，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。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)品開發(fā)，其制定的現(xiàn)場(chǎng)總線物理層〔低速總線 H高速總線H2）標(biāo)準(zhǔn)已獲得 IEC 批準(zhǔn)。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文5成開放互聯(lián)系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。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)。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)。它允許傳送無時(shí)間苛求的報(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。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。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。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。通訊驅(qū)動(dòng)程序使得控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。傳統(tǒng)的工廠級(jí)控制體系結(jié)構(gòu)有五層即工廠層、車間層、單元層、工作站層、設(shè)備層組成。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)。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。ControlNet 應(yīng)用于過程控制、自動(dòng)化制造等領(lǐng)域。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)。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)文通過標(biāo)識(shí)符來識(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。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過在網(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)。此時(shí)采用該模式既可以支持系統(tǒng)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型相混合的數(shù)據(jù)?？梢哉f，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)。表 21 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。眾所周知，以太網(wǎng)采用“沖突檢測(cè)載波偵聽多路訪問” （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。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)。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)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。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。ControlNet 中傳遞隱性令牌的邏輯是通過特別設(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）來控制的。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)鏈路上傳送其它無時(shí)間苛求的信息。ControlNet的技術(shù)規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的 NUT 時(shí)間為 ～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） 。表 22 網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間（NUT） 功能預(yù)定信息傳送時(shí)間 傳送預(yù)定節(jié)點(diǎn)（在一個(gè)循環(huán)的左右順序次序的基礎(chǔ)上）的有時(shí)間苛求的信息?？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。NUT（網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間）是由用戶自己選擇的，它將不停地掃描網(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。 ControlNet 現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及 PLC 進(jìn)行對(duì)等通信。ControlNet 是高度確定性、可重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)。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。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。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 21 所示。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。它全面支持 ActiveX 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 OPC 和硬件通訊，又可以向其它軟件提供 OPC 的服務(wù)。綜上所述，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)。因?yàn)樗母咚俾剩蛊淇梢灾С指叨确植际降淖詣?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)。 小結(jié)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)，并與其它常見北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文11總線技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。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)?？傮w設(shè)計(jì)方案見如圖 31 所示。通過軟件編程實(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。 功能模塊程序選擇的模塊如表 31 所示。ControlLogix 控制器能夠通過 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)，它們之間通過背板進(jìn)行通訊，而運(yùn)行是相互獨(dú)立的。為實(shí)現(xiàn)控制器冗余，要滿足到如下要求：1．冗余控制器系統(tǒng)需要一個(gè) Logix5555 控制器；2．由于在副控制器內(nèi)數(shù)據(jù)需要緩存，所以控制器內(nèi)需要兩倍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；3．冗余控制器必須在 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)上。1757SRM 冗余模塊是提供主框架和副框架之