【正文】 20xx4021211 指導(dǎo)教師姓名： 韋雪潔 完 成 時 間 ： 20xx 年 6 月 20 日 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 北華航天工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書（理工類） 學(xué)生姓名： 李曉云 專 業(yè)： 自動化 班 級： B04221 學(xué) 號： 20xx4022115 指導(dǎo)教師： 孫東輝 職 稱： 副教授 完成時間： 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件設(shè)計方案二 題目來源 教師科研課 題 縱向課題（√） 題目類型 理論研究（ ） 注：請直接在所屬項目括號內(nèi)打“ √” 橫向課題（ ） 應(yīng)用研究（ ） 教師自擬課題（ ） 應(yīng)用設(shè)計（√） 學(xué)生自擬課題（ ） 其 他（ ） 總體設(shè)計要求及技術(shù)要點： 根據(jù)試驗環(huán)道工程實際情況和實驗工藝要求 、 該環(huán)道工程的自動控制部分的設(shè)計方案，實現(xiàn)對環(huán)道實驗工藝的過程控制與數(shù)據(jù)采集，設(shè)計出完整的按控制閥、泵、攪拌器單獨控制的軟件，以方便在上位機按工藝要求，自由構(gòu)成流程。 所要控制的執(zhí)行機構(gòu)包含：電動球閥 20 個、電動閘閥 3 個、變頻器 1 臺、攪拌器 1 臺 ； 所需要采集的數(shù)據(jù)量為：壓力 10 點、差壓 2 點、溫度 26 點、地溫 30 點、液位 1點、流量 2 點 ； 環(huán)道壓力： 0～ 環(huán)道流量： 0～ 500m3/h 熱媒溫度： 0～ 80℃ 儲油罐液位：0～ 地溫場溫度： 20～ 80℃ ； 實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的單獨控制，設(shè)計流量、溫度的 PID 控制，保證上位機能自由組態(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（論文）原創(chuàng)性及知識產(chǎn)權(quán)聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件設(shè)計方案二 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作取得的成果。對本設(shè)計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本畢業(yè)設(shè)計 （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（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；在不以營利為目的的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設(shè)計（論文）的部分或全部內(nèi)容。 本文在深入分析 ControlNet 總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點解析了 ControlNet 在各總線中的優(yōu)勢，同時闡述了其在環(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)的獨立控制部分軟件。本文對系統(tǒng)的硬件、選型、軟件中流程控制的實現(xiàn)均有較為詳細的闡述，對使用的編程軟件也有描述，對于本系統(tǒng)的下位控制特點也進行總結(jié)說明，比較詳盡地敘述了整個系統(tǒng)的相關(guān)事宜。與此同時，因為能源特別是石油而引發(fā)的沖突接連不斷。 石油的運輸主要通過輸油管道進行，而輸油本身就是 一項耗能巨大的工業(yè)過程。建設(shè)大口徑、多功能、自動化水平高的石油試驗環(huán)道，可以得到不同環(huán)境下石油儲運的各種數(shù)據(jù)，為各儲運站提供可靠、準確的試驗數(shù)據(jù)，使石油儲運最大化、科學(xué)化，減少儲運過程中的維護工作。 本課題就是抓住了這一契機，采用先進的計算機控制系統(tǒng)組成上位機、 PLC 控制系統(tǒng)作為下位機，系統(tǒng)具 有網(wǎng)絡(luò)控制功能和遠程控制接口，同時為了確保系統(tǒng)的安全可靠性，上、下位機均擬采用硬件冗余的方案，完成輸油管道試驗系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集。 為了更好的滿足試驗需求，工藝流程控制過程能夠?qū)崿F(xiàn)停輸再啟動試驗，在此基礎(chǔ)上，盡可能增加流程切換的靈活性，可在多種工況下進行各項試驗，于是產(chǎn)生了本部分的各控制閥等的獨立控制。為適應(yīng)環(huán)道將來進行其他油品測試的需要，預(yù)留原油卸車接口。作為近年來在國際上迅速發(fā)展起來的、備受關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)控制新技術(shù)，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)控制得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)場總線就 是在這種實際需求的驅(qū)動下應(yīng)運而生的。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 在此基礎(chǔ)上，即可采用簡單連接的雙絞線、同軸電纜等作為總線，把多個測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)場的多個微機化測量控制設(shè)備以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，從而實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)集成?？刂凭W(wǎng)絡(luò)一般指以控制對象為特征的計算機網(wǎng)絡(luò)，簡稱為計算機亞網(wǎng)絡(luò) Infra（ Infrastructure Network），它主要面向某個企業(yè)或某個系統(tǒng)的底層，與一般的計算機網(wǎng)絡(luò)既有很多共同點，又有不同和獨特之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1．控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)響應(yīng)的實時性是對控制網(wǎng)絡(luò)的基本要求； 2．控制網(wǎng)絡(luò)強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃裕? 3．對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)場設(shè)備為核心，建立下位 PLC 控制系統(tǒng)，編制各控制閥門獨立控制程序，為操作管理人員提供靈活、準確的控制信息。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)場總線的發(fā)展 隨著自動化技術(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)場總線控制系統(tǒng)。 根據(jù)電工委員會 （ ICE） 和美國儀表協(xié)會 （ ISA） 定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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)場總線的特點使其在自動化控制領(lǐng)域顯示諸多優(yōu)勢： 1．構(gòu)筑系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)硬件減少，節(jié)省工程費用 ； 2．互操作性好?，F(xiàn)場總線其有診斷數(shù)據(jù)、操作統(tǒng)計和自動故障通知，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，從而減少了維護費用 ； 6．系統(tǒng)擴充和修改容易，不必或很少增加新的硬件 ； 7．故障定位準確，安全性進一步提高。 1994 年，現(xiàn)場總線基金會 FF（ FILED BUS FOUNDATION） 集中了世界著名儀表 、 DCS 和自動化設(shè)備制造商、科研機構(gòu)和用戶，成為唯一世界公認不隸屬于某個企業(yè)的國際化標準組織，推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產(chǎn)品開發(fā)，其制定的現(xiàn)場總線物理層〔低速總線 H高速總線 H2） 標準已獲得 IEC 批準。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放互聯(lián)系統(tǒng)，是大勢所趨。在信息層和設(shè)備層常常需要傳遞大量的 I/O 和對等通訊信息，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)計與實現(xiàn)主要采用了 ControlNet 現(xiàn)場 總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它允許傳送無時間苛求的報文數(shù)據(jù)，但不會對有時間要求數(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，它綜合了遠程 I/O 和 DH+鏈路的功能。它最重要的功能就是傳輸從一個 NODE（ 站點 ）到另一個 NODE（ 站點 ） 的實時控制信息。通訊模塊組態(tài)完成之后必須運行 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件 RsNetWorx。通訊驅(qū)動程序使得控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)進行通訊。 傳統(tǒng)的工廠級控制體系結(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。生產(chǎn)者 /客戶模式使用時間片算法保證各節(jié)點實現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率；同時， ControlNet 使用同軸電纜可達 6000m長，節(jié)點數(shù) 99 個，兩個節(jié)點間距離最長達 1000m。 ControlNet 應(yīng)用于過程控制、自動化制造等領(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)要向多個設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，則需要對這些設(shè)備分別進行“呼”“應(yīng)”通信，即使是同一個數(shù)據(jù)，也需要制造多個數(shù)據(jù)包，消耗過多的帶寬，并且數(shù)據(jù)到達每個設(shè)備的時間還是不同的，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，而且當系統(tǒng)對時間有苛求的實時控制信息要求傳送時，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主控制器共存，對輸入數(shù)據(jù)和對等通信數(shù)據(jù)采用多信道廣播方式，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的針對不同站點多次發(fā)送改為一次多點共享，以使鏈路上所有控制器之間實現(xiàn)預(yù)定的對等通信互鎖，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；同時允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點同時從單個數(shù)據(jù)源 存取相同的數(shù)據(jù)，報文通過標識符來識別，如果一個節(jié)點要接收一個數(shù)據(jù)，僅僅需識別與此信息相連的特定的標識符，每個數(shù)據(jù)包不再需要源地址和目標地址位。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點通過在網(wǎng)上同時識別這個標識行，可同時從同一生產(chǎn)者取用此同一數(shù)據(jù)消費。此時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 是當今世界市場上各種工業(yè)控制底層現(xiàn)場總線網(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 檢測載波偵聽多路訪問”（ CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）仲裁機制，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)上每個節(jié)點分配一個唯一的 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)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)。相反，每個節(jié)點監(jiān)視收到的每個數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點地址，在該數(shù)據(jù)幀結(jié)束之后，每個節(jié)點設(shè)置一個隱性令牌寄存器（ Implicit Token Register），其值為收到的源 MAC 地址加 1。因為所有節(jié)點的隱性令牌寄存器在任意時刻的值相同，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)計的時間分片存取算法――并存時間域多路存?。?Concurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）來控制的。因此，它在保證對時間有苛求的控制信息傳輸?shù)耐瑫r，也能在同一物理介質(zhì)鏈路上傳送其它無時間苛求的信息。 ControlNet 的技術(shù)規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的 NUT 時間為 ～ 100ms（ 目前市場上可提供的有關(guān)產(chǎn)品的最小可組態(tài)的 NUT 為 2ms） 。 表 22 網(wǎng)絡(luò)刷新時間 網(wǎng)絡(luò)刷新時間（ NUT） 功能 預(yù)定信息傳送時間 傳送預(yù)定節(jié)點（在一個循環(huán)的左右順序次序的基礎(chǔ)上）的有時間苛求的信息?？刂凭W(wǎng)保證至少有一個非預(yù)定節(jié)點有機會傳送數(shù)據(jù)，提供給非預(yù)定節(jié)點的時間取決于預(yù)定節(jié)點的通信量。 NUT（網(wǎng)絡(luò)刷新時間）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，北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 并根據(jù)節(jié)點上設(shè)備類型的不同，按照 ControlNet 的 時間片算法在 NUT 內(nèi)為它們分配時間段。 ControlNet 現(xiàn)場總線的網(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 進行對等通信。 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)實時控制、數(shù)據(jù)傳輸速度較高的應(yīng)用場合。對于有多個基于 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合， ControlNet也非常適用。 在羅克韋爾推出的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺方案 —— “ 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)場總線控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用的人機接口（ HMI）監(jiān)控軟件， 是控制網(wǎng)絡(luò)底北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 層總線與現(xiàn)場設(shè)備直接進行數(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)，同時支持 OPC 的服務(wù)器和客戶端模