基于LabVIEW的网上家居控制平台的设计本科生毕业设计论文

1、毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目：基于 labview 的网上家 居控制平台的设计 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子信息工程 作者所在班级： b009212 作 者 姓 名 ： 岑鉴峰 作 者 学 号 ： 20094021211 指导教师姓名： 韦雪洁 完 成 时 间 ： 2013 年 6 月 20 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院北华航天工业学院 毕业设计（论文）任务书（理工类）毕业设计（论文）任务书（理工类） 学生姓名： 李晓云 专 业： 自动化 班 级： b04221 学 号：20044022115 指导教师： 孙东辉 职 称： 副教授 完成时间： 2

2、008.6 毕业设计（论文）题目： 环道控制系统下位软件设计方案二 纵向课题 （） 理论研究（） 教师科研 课 题横向课题（ ） 应用研究（） 教师自拟课题（）应用设计（） 题目来源 学生自拟课题（） 题目类型 其 他（） 注：请直 接在所属 项目括号 内打 “” 总体设计要求及技术要点： 根据试验环道工程实际情况和实验工艺要求、该环道工程的自动控制部分的设计 方案，实现对环道实验工艺的过程控制与数据采集，设计出完整的按控制阀、泵、搅 拌器单独控制的软件，以方便在上位机按工艺要求，自由构成流程。 1、所要控制的执行机构包含：电动球阀 20 个、电动闸阀 3 个、变频器 1 台、搅拌 器 1 台

3、； 2、所需要采集的数据量为：压力 10 点、差压 2 点、温度 26 点、地温 30 点、液位 1 点、流量 2 点； 3、环道压力：02.5mpa 环道流量：0500m3/h 热媒温度：080 储油罐液位： 07.8m 地温场温度：-2080； 4、实现执行机构的单独控制，设计流量、温度的 pid 控制，保证上位机能自由组 态。 工作环境及技术条件： 联网计算机一台，rslogix5000 软件，有关的技术手册。 工作内容及最终成果： 1、研究系统的工作需求； 2、分析所用控制阀的控制要求，画出总体流程图和不同种类阀门的分流程图 以及 pid 控制流程图； 3、进行下位系统的组态和单元整定

4、； 4、分配下位 plc 资源，确定控制、采集用标签； 5、完成控制程序的编制； 6、做出使用说明书。 时间进度安排： 1、第七学期第 6 周第 15 周，查阅资料，完成开题报告、文献综述、外文文献 翻译； 2、第七学期第 16 周第 17 周，开题报告审阅、答辩； 3、第八学期第 1 周第 4 周，分析所用控制阀的控制要求，画出总体流程图和 不同种类阀门的分流程图以及 pid 控制流程图； 4、第八学期第 5 周第 7 周，进行下位系统的组态和单元整定，分配下位 plc 资源，确定控制、采集用标签； 5、第八学期第 8 周第 14 周，完成控制程序的编制； 6、第八学期第 15 周第 17

5、周，做出使用说明书，完成毕业设计论文。 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字： 年 月 日 北华航天工业学院 本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 环道控制系统下位软件设计方案二 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本 设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕 业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。 本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院

6、有 关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同 意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的 的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。 特此声明 毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日 摘 要 论文的研究工作是以某石油环道控制系统设计为背景展开的，并且详细介绍了通过 plc 控制下位系统工作的情况，以自由组态的形式对系统进行控制，使得程序具有更灵 活的控制途径和更完备的控制方法。 本文在深入分析 controlne

7、t 总线技术的基础上，重点解析了 controlnet 在各总线中 的优势，同时阐述了其在环道控制系统中的应用，并且以 rockwell 出品的 rslogix5000 为基础，编写了自由组态的独立控制部分软件。论文的主要论述了各类控制阀门的自由 控制，尤其是使用周期性 pid 控制的方法解决大量运算带来的滞后问题。本文对系统的 硬件、选型、软件中流程控制的实现均有较为详细的阐述，对使用的编程软件也有描述， 对于本系统的下位控制特点也进行总结说明，比较详尽地叙述了整个系统的相关事宜。 关键词 controlnet 现场总线 rslogix5000 独立控制 自由组态 abstract the

8、design is based on the labview control platform design online home furnishingthrough the labview to achieve user login password and user authentication function, and thus achieve the household appliances analog acquisition and household appliances control simulation, serial communication is implemen

9、ted through software design, to complete the user management, database access and display. labview online home furnishing control platform based on the function is realized with good man-machine interface, real-time control, the observation results finally, through the internet network, the user to

10、complete the implementation of remote monitoring of home furnishing. design and implementation of labview online home furnishing control platform based on key words state acquisition serial communication online home furnishing control platform labview 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景及国内外研究概况.1 1.2 现场总线和工业控制

11、网络.1 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作.3 第 2 章 controlnet 总线技术 .4 2.1 现场总线的发展.4 2.2 controlnet 现场总线技术特点及其网络体系结构 .5 2.2.1 基于生产者/消费者的通讯模式 .5 2.2.2 controlnet 现场总线的仲裁方式 .6 2.2.3 controlnet 现场总线的网络体系结构 .9 2.3 小结.10 第 3 章 系统硬件概况 .11 3.1 系统概况.11 3.2 功能模块.12 3.2.1 cpu 模块 .12 3.2.2 srm 热备模块 .13 3.2.3 电源模块 .13 3.2.4 c-ne

12、t 模块 .13 3.2.5 模拟输入模块 .13 3.2.6 模拟输出模块 .14 3.2.7 rtd 模块 .14 3.2.8 开关量输入模块 .14 3.2.9 开关量输出模块 .14 3.3 冗余的实现.14 3.4 小结.15 第 4 章 下位系统软件概况 .16 4.1 下位软件概况.16 4.2 rslogix5000 软件简介 .16 4.2.1 软件概况 .16 4.2.2 程序界面 .17 4.3 程序标签设定.18 4.4 程序流程.18 4.5 程序简介.24 4.6 小结.24 第 5 章 课题特点 .25 5.1 controlnet 现场总线技术应用 .25 5.

13、2 双机热备冗余结构.25 5.3 pid 周期运算 .25 第 6 章 结论 .26 致谢 .27 参考文献 .28 附录 .29 环道控制系统下位软件设计方案二 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及国内外研究概况 一直以来，世界各国对能源的需求量还在不断地扩大，能源作为一个国家发展的基 本保障越来越受到重视。与此同时，因为能源特别是石油而引发的冲突接连不断。为了 保证能源的供应，我国一直在积极寻找国内油田，而且在国际上也积极寻找供应，因此 目前我国的石油供应呈现多样化趋势。 石油的运输主要通过输油管道进行，而输油本身就是一项耗能巨大的工业过程。如 何在油品多样化的现状下寻找出不同油品运输的

14、最低成本方案，这成为一项重要的研究 课题。建设大口径、多功能、自动化水平高的石油试验环道，可以得到不同环境下石油 储运的各种数据，为各储运站提供可靠、准确的试验数据，使石油储运最大化、科学化， 减少储运过程中的维护工作。但是，我国目前还没有这样一个完善的、能够对不同油品 运输工况进行试验的场所，为此建立一个大型的、国际一流的输油管道试验基地显得十 分必要。 本课题就是抓住了这一契机，采用先进的计算机控制系统组成上位机、plc 控制系 统作为下位机，系统具有网络控制功能和远程控制接口，同时为了确保系统的安全可靠 性，上、下位机均拟采用硬件冗余的方案，完成输油管道试验系统的控制与数据采集。 通过本

15、课题的研究提出适合一般工业领域基于现场总线技术的过程控制系统方案并推广。 为了更好的满足试验需求，工艺流程控制过程能够实现停输再启动试验，在此基础 上，尽可能增加流程切换的灵活性，可在多种工况下进行各项试验，于是产生了本部分 的各控制阀等的独立控制。试验环道的数据全部实现自动化采集，检测设备采用高精度 仪表。为适应环道将来进行其他油品测试的需要，预留原油卸车接口。 1.2 现场总线和工业控制网络 在企业信息化和自动化领域内，计算机技术、控制技术、网络与通信技术的结合孕 育了现场总线技术和网络控制技术。作为近年来在国际上迅速发展起来的、备受关注的 网络控制新技术，现场总线是一种应用在生产现场、在

16、微机化测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的系统。被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。随 着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络控制得到 迅速发展。工厂底层控制除需完成现场自动化设备之间的多点数字通信外，还必须实现 底层现场设备与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算 和数字通信能力。在此基础上，即可采用简单连接的双绞线、同轴电缆等作为总线，把 多个测量控制仪表连接成为网络系统，并按照公开规范的通信协议，使位于现场的多个 微机化测量控制设备以及现

17、场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换， 从而实现控制网络与信息网络的网络集成。 自动化技术与网络技术的有机结合形成了网络控制技术。控制网络一般指以控制对 象为特征的计算机网络，简称为计算机亚网络 infranet（infrastructure network） ，它主要 面向某个企业或某个系统的底层，与一般的计算机网络既有很多共同点，又有不同和独 特之处，主要表现在以下几个方面： 1控制网络中数据传输和系统响应的实时性是对控制网络的基本要求； 2控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性和可靠性； 3对信道容量要求不是太高； 4通信方式多采用广播或组播方式； 5控制网络必须解决多家

18、公司产品和系统在同一网络中兼容即互操作问题。 目前，现场总线和网络控制技术研究与应用的发展趋势具有以下几个特点： 1以现场总线作为底层的控制网络，在体系结构、仪表的数字化与智能化、监控组 态软件及其开发平台与工具、以及现场总线的实际应用等各方面都取得了很大发展； 2在 osi 体系结构、控制网络的组网技术、实时网络操作系统、可靠性技术等方 面都进行了深入研究，特别是以太控制网络的研究，推动了生产过程向更高层次的自动 化水平发展，实现了优化控制，协调控制与远程监控； 3控制网络与信息网络的集成已成为网络控制技术发展的一个热点，各种控制网络 与信息网络的集成技术研究日趋激烈，网络集成的产品化程度不

19、断提高，统一的企业网 络构想将为企业计算机综合自动化打下坚实的基础； 4在信息技术大潮的推动下，各种新技术不断涌现。嵌入式技术推动了嵌入式控制 器的发展，嵌入式控制器不但能即插即用，而且能与已有的控制网络一同协调工作。嵌 入式技术正朝着控制网络开放性发展方向迈进； 5在网络控制的软件集成技术方面，计算机领域的 dde（dynamic data exchange）技术、opc（ole for process control）技术、集成软件套件技术、web 技术、 国际公认的网络协议 tcp/ip 以及网络管理技术已经逐渐融合到网络控制技术中，大大推 动了网络控制技术的发展； 6分布式网络控制技术

20、提出了一个全新的控制网络结构，不但实现了控制系统、控 制设备的协调工作，而且也为实现控制网络与信息网络的无缝集成，组建统一的企业网 络提供强了有力的技术支持，为实施企业资源计划（enterprise resource planning erp） 系统创造了良好的条件2。 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下内容： 1以现场设备为核心，建立下位 plc 控制系统，编制各控制阀门独立控制程序， 为操作管理人员提供灵活、准确的控制信息。实现对现场电动球阀、电动板阀、变频器 等设备的管理； 2下位机（plc）为上位监控系统提供控制途径，具体地，要提供出程序的控制变 量和入口程序等

21、； 3配合流程控制，完成对现场设备的管理与控制。 第 2 章 controlnet 总线技术 2.1 现场总线的发展 随着自动化技术的不断发展，网络技术的日益推广，在工业控制领域，控制规模的 扩大，控制信息、管理信息的增加以及控制系统的柔性、设备间互操作性的要求，八十 年代中后期出现了现场总线控制系统。它贯彻全开放协议，使不同生产商产品之间具有 可操作性，系统结构大大简化，实现以全数字为主的通信方式，可靠性进一步提高，代 表了工控自动化发展的方向。 根据电工委员会（ice）和美国仪表协会（isa）定义，现场总线是连接智能现场设 备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络，支持双向、多

22、分支、总线 式、全数字通信。采用 osi 七层模型中的物理层、数据链路层和应用层，增加了自己特 有的用户层作为现场总线通信模型。现场总线的特点使其在自动化控制领域显示诸多优 势： 1构筑系统成本低，系统硬件减少，节省工程费用； 2互操作性好。采用同一的技术规范，使任何生产商的现场总线设备相互间能连接 在一起； 3现场总线能综合信息，现场仪表、控制设备都采用全数字实现双向通信、多变量 访问； 4提高生产率。现场总线其有诊断数据、操作统计和自动故障通知，使人更有效地 分析、诊断系统； 5具有可靠的诊断和预估，从而减少了维护费用； 6系统扩充和修改容易，不必或很少增加新的硬件； 7故障定位准确，安全

23、性进一步提高。 现场总线有多种方案，目前世界较流行的有 ff 现场总线、 hart、controlnet、can、devicnet 和 profibus 现场总线等。1994 年，现场总线 基金会 ff（filed bus foundation）集中了世界著名仪表、dcs 和自动化设备制造 商、科研机构和用户，成为唯一世界公认不隶属于某个企业的国际化标准组织，推动了 现场总线标准的制定和产品开发，其制定的现场总线物理层低速总线 h1、高速总线 h2）标准已获得 iec 批准。但由于利益的驱使，欧美有些实力雄厚的公司不支持国际标 准，仍大力推销自己的现场总线产品，如德国 bosch 公司推出 c

24、an，美国 echelon 公司 推出的 lon works 等，导致 iec 最终否决了 ff 现场总线数据链路层和应用层的 4 个标 准，使其未能成为国际标准，预计在今后一段时期里，会出现几种总线标准共存、同一 生产现场有几种异构网络互联通信的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形 成开放互联系统，是大势所趋。 与传统的工业控制体系相比，rockwell 自动化系统提供了高效的、开放式的网络结 构。在信息层和设备层常常需要传递大量的 i/o 和对等通讯信息，需要具有确定性和可 重复性的，紧密联系控制器和 i/o 设备的网络。控制网（controlnet）以其高速 （5mb/s）的通信

25、速度、先进的网络模型、高效率的网络协议以及灵活方便的安装方式 等特点，提供了满足以上需要的解决方案。本系统中的设计与实现主要采用了 controlnet 现场总线网络技术。 2.2 controlnet 现场总线技术特点及其网络体系结构 controlnet/devicenet 控制网网络是一种用于对信息传送有苛刻要求的、高速确定性 网络。它允许传送无时间苛求的报文数据，但不会对有时间要求数据传送造成冲击。它 为对等通信提供实时控制和报文传送服务。作为 plc 与 i/o 设备之间的一条高速通信链 路，它综合了远程 i/o 和 dh+链路的功能。美国 a-b 公司的 controlnet 网是

26、一个实时的 控制层网络，为在专一物理链路上的实时 i/o 数据和 message 数据（包括程序的上载/下 载、组态数据及点对点信息）提供高速传输。它最重要的功能就是传输从一个 node（站点）到另一个 node（站点）的实时控制信息。在 plc 编程软件中为本地框 架来组态 controlnet 网通讯，模块 1756-cnb 负责处理控制器主框架与本地框架和远程 框架之间的通讯。通讯模块组态完成之后必须运行 controlnet 网络组态软件 rsnetworx。要想实现从工作站到控制器的通讯，用户必须对链接工作站和控制器的网 络组态适当的通讯程序。通讯驱动程序使得控制器可以通过网络进行通

27、讯。在 rslinx 软件中组态适当的通讯驱动程序，选择 ab-pcic driver，设置 node 站点。 传统的工厂级控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层 组成。而 rockwell 自动化系统简化为三层结构模式：信息层（ethernet 以太网） ，控制层 （controlnet 控制网） ，设备层（devicenet 设备网） 。controlnet 层常传输大量的 i/o 和 对等通讯信息，具有确定性、可重复性以及紧密联系控制器和 i/o 设备的特点。同时， 它还具备如下特点：controlnet 在单根电缆上支持两种类型的信息传输，即有实时性的 控制信息和

28、 i/o 数据传输，无时间苛求的信息发送和程序上/下载；另外，controlnet 技 术采取了一种新的通信模式，以生产者/消费者模式取代了传统的源旧的模式它不仅支持 传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/客户模式使用时间片算 法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率；同时，controlnet 使用同轴电缆可达 6000m 长，节点数 99 个，两个节点间距离最长达 1000m。48 个节点距离可长达 250m， 采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。controlnet 应用于过程控制、自动化制造 等领域。 2.2.1 基于生产者/消费者的通讯模式 目前工业自动化控

29、制网络采用的网络模型主要有两种：源/目的地模型 （source/destination）和生产者/消费者（producer/consumer）模型，绝大多数网络通讯 都是采用源/目的地的通讯模式如 ff、lonworks、profibus 等。源/目的地网络模型采用 应/答式通讯，如果网络要向多个设备传送数据，则需要对这些设备分别进行“呼” “应” 通信，即使是同一个数据，也需要制造多个数据包，消耗过多的带宽，并且数据到达每 个设备的时间还是不同的，这样，不仅增大了网络的通信量，网络响应速度受到限制， 容易发生信息瓶颈问题，而且当系统对时间有苛求的实时控制信息要求传送时，还需要 采用其它不同的

30、网络。 controlnet 则采用了一种基于开放网络技术的新型通讯模式生产者/消费者模式。 此模式允许在同一链路上有多个主控制器共存，对输入数据和对等通信数据采用多信道 广播方式，将传统网络的针对不同站点多次发送改为一次多点共享，以使链路上所有控 制器之间实现预定的对等通信互锁，共享输入数据，从而大大减少了网络发送的次数和 网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能；同时允许网络上的所有节点同时从单个 数据源存取相同的数据，报文通过标识符来识别，如果一个节点要接收一个数据，仅仅 需识别与此信息相连的特定的标识符，每个数据包不再需要源地址和目标地址位。因为 数据是按内容进行标识的，数据源只需将数

31、据发送一次。许多需用此数据的节点通过在 网上同时识别这个标识行，可同时从同一生产者取用此同一数据消费。从而可以实现网 络节点的精确同步，提高带宽的有效使用率；其他的设备加入网络后并不增加网络负载， 因为它们同样可以消费这些相同的信息，并且所有数据可以同时到达。此时采用该模式 既可以支持系统的主从、多主或对等通信结构，也可以支持其任意组合的混合系统结构， 还可在同一链路上传送任意信息类型相混合的数据。 显然，与典型的源/目的地模式相比，生产者/消费者模型是一种更为灵活高效的处 理机制。可以说，基于此模式的 controlnet 是当今世界市场上各种工业控制底层现场总 线网络中性能较为可靠的网络。

32、 2.2.2 controlnet 现场总线的仲裁方式 controlnet 是一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理介质链路上 提供对时间有苛求的控制信息和 i/o 数据以及无时间苛求的信息发送，包括程序的上/下 载，组态数据和点对点的报文传送等通讯支持，是具有高度确定性、可重复的高速控制 和数据采集网络，i/o 性能和端到端通讯性能都较传统网络有较大提高。表 2-1 给出了 controlnet 现场总线技术和其他总线技术的主要性能比较。 表 2-1 几种现场总线技术的性能比较 性能 指标 controlnetdevicenetprofibusas-iff 级别 现场级、设 备

33、级 传感器级、 设备级 现场级、设备级传感器级现场级 发起 组织 罗克韦尔 ab 罗克韦尔ab西门子as-i 国际ff 基金会 投入 日期 1997 年1994 年 dp:1994, pa:1995 1993 年1995 年 拓扑 结构 星形、树形、 总线形 线形、总线供 电 总线、环形、 星形 总线、环 形 星形、树 形 多降、 总线供电 通信 速率 5mb/s 125kb/s,300 kb/s,500kb/s 9.6kb/s12mb/s, 31.25kb/s 167 kb/s 31.25 kb/s,1 mb/s,2.5 mb/s 最多 节点 996412731 个从站 每段 240 个最多

34、 65000 个 最大 无中 继距 离 同轴：5km 光纤：30km 500m 电缆：2.4km 光纤：23.8km 100m31.25kb:1900m2.5m:500m 总线 冗余 可不能可不能可 有关 标准 iec61158 子 集 2、欧洲 标准 en50254 欧洲标准 en50252 iec61158 子集 3、 欧洲标准 en50170 欧洲标准 en50295 iec61158 基本子集 最大 帧长 510 字节8 字节244 字节 31 从站： 4 入/4 出 16.6 信息 对象/设备 仲裁 时间片多路 音频载波多路令牌传送主/从，周 调度/周期，非调度/非周 方法存取 ct

35、dma，生产 者/消费者 存取，生产者 /消费者 期查询期，生产者/消费者 通信 方法 主/从，多主， 对等 主/从，多主主/从，对等 主/从，周 期查询 服务器/客户机 网络 效率 高高不高不高高 相比可知，controlnet 网络具有吞吐量高、体系结构灵活、组态和编程简单、信息 交换可靠等特点，是一种适合工业控制信息传输与控制的实时控制系统。 众所周知，以太网采用“冲突检测载波侦听多路访问” （csma/cd carrier sense multiple access with collision detection）仲裁机制，这一般不具有工业控制所要求的可 靠性、确定性。因此，为适应工

36、业控制需求，controlnet 采用了一个特殊的令牌传递机 制，叫做隐性令牌传递（implicit token passing） 。网络上每个节点分配一个唯一的 mac 地址（从 1 到 99） ，像普通令牌传递总线一样，持有令牌的节点可以发送数据。但是， 网络上并没有真正的令牌在传输。相反，每个节点监视收到的每个数据帧的源节点地址， 在该数据帧结束之后，每个节点设置一个隐性令牌寄存器（implicit token register） ，其 值为收到的源 mac 地址加 1。如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点自己的 mac 地址， 然后该节点就可以立刻发送数据。因为所有节点的隐性令牌寄存器在

37、任意时刻的值相同， 这就避免了冲突的发生。如果某个节点没有要发的数据，则只须发一个空的数据帧 （null frame） 。 controlnet 中传递隐性令牌的逻辑是通过特别设计的时间分片存取算法并存时 间域多路存取（concurrent time domain multiple access ctdma）来控制的。根据实时 数据的特性，一些带宽预先保留和预定用来支持实时数据的传送，余下的带宽则用于非 实时和未预定数据的传送。因此，它在保证对时间有苛求的控制信息传输的同时，也能 在同一物理介质链路上传送其它无时间苛求的信息。在每一个网络刷新时间（network update time nut

38、）内自动调节网络上各节点拿到隐性令牌传送信息的机会。controlnet 的技术规范规定可组态的 nut 时间为 0.5ms100ms（目前市场上可提供的有关产品的 最小可组态的 nut 为 2ms） 。网络刷新时间（nut）分为三个部分：预定信息传送时间、 非预定信息传送时间和维护时间，详细内容如表 2-2 所示。 表 2-2 网络刷新时间 网络刷新时间（nut）功能 预定信息传送时间 传送预定节点（在一个循环的左右顺序次 序的基础上）的有时间苛求的信息。 非预定信息传送时间 传送非预定节点（按顺序进行循环传送， 一直到分配给非预定传送的时间用完为止） 没有时间苛求的信息。控制网保证至少有

39、一个非预定节点有机会传送数据，提供给 非预定节点的时间取决于预定节点的通信 量。 维护时间 能够自动调整，以使 nut 大小不变，并保 证其他节点同步。 nut（网络刷新时间）是由用户自己选择的，它将不停地扫描网络上的设备节点， 并根据节点上设备类型的不同，按照 controlnet 的时间片算法在 nut 内为它们分配时 间段。由此可知，controlnet 网络具有预见数据何时能够可靠传输到目标的能力，并且 数据的传输时间不受网络节点添加/删除或网络繁忙等状况的影响而保持恒定3。 2.2.3 controlnet 现场总线的网络体系结构 现代控制系统中，不仅要求现场设备完成本地的控制、监视

40、、诊断等任务，还要能 通过网络与其他控制设备及 plc 进行对等通信。工业现场控制网络的许多应用也不只要 求在控制器和工业器件之间的紧耦合，还应有确定性和可重复性。 controlnet 是高度确定性、可重复的网络。在实际应用中，通过网络组态时选择性 设定有计划的 i/o 分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步的保证。因此，controlnet 非常适用于一些控制关系关联复杂，要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度 较高的应用场合。如协同工作的驱动系统，焊接控制，运动控制，视觉系统，复杂的批 次控制， 有大量数据传送要求的过程控制系统，有多个控制器和人机界面共存的系统等。 对于有多个基于

41、 pc 的控制器之间不同 plc 之间 plc 与 dcs 之间存在通讯要求的场合， controlnet 也非常适用。controlnet 允许多个各自拥有独立或共享 i/o 的控制器之间相互 通讯或以灵活的方式组织互锁。 在罗克韦尔推出的工业网络平台方案“netlinx”体系中，controlnet 处于核心 地位，网络结构如图 2-1 所示。 图 2-1 controlnet 逻辑网络体系 controlnet 总线不仅可以与多种设备或子网直接相连，还能够通过扫描器连接下层 的 devicenet 设备网和 ff 现场总线等产品；同时，通过通信接口模块连通上层的信息以 太网，实现控制网络

42、与信息网络的集成，共享信息资源。 组态软件是现场总线控制系统普遍应用的人机接口（hmi）监控软件，是控制网络 底层总线与现场设备直接进行数据交换的软件接口和控制网络与信息网络集成的桥梁。 rsview32、rsview se 是基于 windows 环境（windows 98，windows nt）的工业监控 软件，使用方便、直观、可靠，同时允许用户进行图形观察和组态整个网络。它全面支 持 activex 技术，同时支持 opc 的服务器和客户端模式，既可以通过 opc 和硬件通讯， 又可以向其它软件提供 opc 的服务。同时 windows 为 rsview 和基于 windows 的应用

43、软件提供接口，利用 dde（dynamic data exchange）技术，与 windows 的应用程序间进 行数据交换，实现本地控制网络与上层信息网络之间的信息共享，从而为用户提供更为 集中的数据操作环境，实现系统集成。 综上所述，controlnet 控制网是一种高速确定性网络，用于对时间有较高要求的应 用场合的信息传输，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和 i/o 设备之间的一条高速通信链路，综合了现有的 ri/o 和 dh 链路的能力。因为它的高速率， 使其可以支持高度分布式的自动化系统，特别是那些具有高速数字量 i/o 和大量模拟量 i/o 的系统。 控制网结合

44、了输入/输出网络和点对点信息网络的功能，既可以满足对时间苛求的控 制数据传输（如 i/o 刷新、控制器到控制器的互锁）的需要，又可以满足对时间非苛求 的数据传输（如程序上传、下载、信息传送）的需要4。 2.3 小结 本章对现场总线控制技术，尤其是 controlnet 总线技术的技术特点和应用范围进行 了深入分析，着重阐述了它的通讯模式、仲裁方式以及其网络体系结构，并与其它常见 总线技术进行了对比。 第 3 章 系统硬件概况 3.1 系统概况 为了保证数据采集的准备性和安全性，系统采用双机热备，以避免由于特殊原因使 数据丢失。系统中所要控制的执行机构包含：电动球阀 16 个、电动闸阀 7 个、

45、变频器 1 台、搅拌器 1 台。所需要采集的数据量为：压力 10 点、差压 2 点、温度 26 点、地温 30 点、液位 1 点、流量 2 点。 总体设计方案见如图 3-1 所示。 图 3-1 系统设计方案图 其中： 1plc 采用美国 rockwell 公司先进的 controllogix 系列产品，可靠性高，具 有双机热备功能，性能稳定；同时采用了高速传送、实时 i/o 的控制网络（controlnet） 通信技术，实现了过程数据采集、实时传输和过程控制，增强下位机的扩展性和数据采 集的实时性。通过软件编程实现对远程仪表（设备） 、传感器及执行机构的数据采集、处 理与控制，实现总体设计功能

46、和系统热备功能。 2下位机扩展采用采用美国 rockwell 公司的模拟输入、输出模块、数字输入、 输出模块以及专用的 pt 电阻（测温 rtd）输入模块，对现场仪表、传感器、pt 电阻 （测温）及执行机构的数据进行采集与控制。 3.2 功能模块 程序选择的模块如表 3-1 所示。 表 3-1 plc 配置清单表 序号部件名称型号数量（套） 1cpu 处理器1756-l55m24 2 2 热备通讯模块1757-srm2 3电源1756-pa754 44 槽热备框架1756-a42 5cnet 通讯模块1756-cnbr4 6 17 槽框架1756-a172 7 空槽盖板1756-n29 8 1

47、6 路模拟量输入模块,36 针1756-if164 916 路开关量输入模块,20 针1756-ib169 1016 路继电器输出模块,36 针1756-ow16i5 11 6 路热电阻输入模块,20 针1756-ir6i6 128 路模拟量输出模块,20 针1756-of81 3.2.1 cpu 模块 controllogix 控制器可提供系统规模可变化的控制器解决方案，可以访问大量的 i/o 点（数字量 i/o 最多为 128，000 个，模拟量 i/o 最多为 4000 个） 。controllogix 控制器 能够通过 controllogix i/o 框架的任一槽内，而且多个控制器可

48、安装在同一框架内，它 们之间通过背板进行通讯，而运行是相互独立的。 本方案中的 cpu 模块采用 rockwell 的 1756-l55m24（内存数据和逻辑 3.5m，i/o 为 208k 字节，有非易失内存；最大功率损耗 5.7w，最大热耗散 19.4btu/hr，5v 时的背板电流 1.25a） ，共两块，分别插入两个 a4 框架的第 0 槽，不需 接线。 为实现控制器冗余，要满足到如下要求： 1冗余控制器系统需要一个 logix5555 控制器； 2由于在副控制器内数据需要缓存，所以控制器内需要两倍的数据存储空间； 3冗余控制器必须在 controlnet 网络上。 3.2.2 srm

49、 热备模块 srm 热备模块采用 rockwell 的 1757-srm/b（最大电压 30v，最大电流 100ma） ，共两块，分别插入两个 a4 框架的第 2、3 槽，srm 热备模块间采用专用光纤 相互连接。 1757-srm 冗余模块是提供主框架和副框架之间的高速数据传输。每个框架需要一 个 1757-srm 模块。该模块支持最多每个框架内有五个 1756-cnb 模块。 3.2.3 电源模块 1756 机架上的 controllogix 电源模块直接给机架背板提供 1.2v，3.3v，5v 和 24v 直流电源。可使用非冗余（1756-pa72，-pb72，-pa75，-pb75）和

50、冗余（1756- pa75r，-pb75r）电源模块，本方案中电源模块采用 rockwell 的 1756-pa75（额定 输入电压 120v ac 或 220v ac，最大有功输入功率 95w，最大视在输入功率 240va，最 大变压器负载 238va，频率 47-63hz，最大背板输出电流 1.5a1.2v dc、4a3.3v dc、10a5v dc、2.8a24vdc，共 75w） ，共四块，分别外挂在四个框架上。该模块需 接三根线：l1 接 220v 交流电源，l2n 接零线，剩余一根接地线。其功率如图 3-2 所 示。 图 3-2 电源模块功率示意图 3.2.4 c-net 模块 c

51、-net 模块采用 rockwell 的 1756-cnbr 模块，共四块，分别插在两个 a4 框 架的第 1 槽、a7 框架的第 0 槽。每个模块上有 a、b 两个 controlnet 接口，互为冗余， 使用时将四个 a 口用专用通信支线电缆和通信电缆连成一个网络，四个 b 口连成另一个 网络，两个网络互为冗余。 3.2.5 模拟输入模块 模拟输入模块采用 rockwell 的 1756-if16 模块（输入电压 00.125v、010.25v、10.2510.25v，输入电源 420ma） ，共四块，插在 1 站的 a17 框架的第 1、2、3、4 槽中。 3.2.6 模拟输出模块 模拟

52、输入模块采用 rockwell 的 1756-of8（模块输入电压 00.125v、010.25v、-10.2510.25v，输入电源 420ma） ，共 1 块，插在 1 站的 a17 框架的第 11 槽中。 3.2.7 rtd 模块 rtd 模块采用 rockwell 的 1756-ir6i 模块，共 6 块，插在 1 站的 a17 框架的第 5、6、7、8、9、10 槽中。 3.2.8 开关量输入模块 开关量输入模块采用 rockwell 的 1756-ib16 模块（输入点数 16，电压类型 12/24v 直流，工作电压 1031.2v，输入延迟 2ms，最小导通输入电流 2.0ma，

53、最大导 通状态电流 10v，最大状态 1.5ma，负载电流 100ma） ，共 9 块，插在 2 站的 a17 框架 的第 1、2、3、4、5、6、7、8、9 槽中。 3.2.9 开关量输出模块 开关量输入模块采用 rockwell 的 1756-ow16i 模块（最大输出延迟时间 10ms， 工作电压 10265v 交流或 5150v 直流，输出电流 0.25a2a） ，共 5 块，插在 2 站的 a17 框架的第 10、11、12、13、14 槽中。 3.3 冗余的实现 冗余电源的实现如图 3-3 所示。 图 3-3 冗余电源示意图 冗余控制器实现如图 3-4 所示。 图 3-4 冗余控制

54、器示意图 3.4 小结 系统硬件是设计的基础，在设计软件程序之前，要对系统的结构有个深入的了解， 本章详细介绍了整个系统的硬件结构和各模块的选型，介绍了系统的概况，使读者对总 体的设计有个大致了解。 第 4 章 下位系统软件概况 4.1 下位软件概况 plc 的控制包括 controlnet 网络的控制管理和流程控制两部分。其中网络控制管理 通过 rockwell controlnet 网络专用的 rslinx 作为网络配置软件，rsnetworx 作为 网络的管理软件。使用这两个软件进行相关的配置和管理，就能正确的使用挂在 controlnet 网络上的 plc 单元。 通过本系统的独立控制

55、部分，管理者可轻松实现对于任何流程的控制，只要形成清 晰的控制思路，通过对每一个阀门的控制，即可实现任意的控制流程，如进油流程、自 循环流程、旁接流程、清管流程、倒罐流程、高压泄放流程等。 流程的控制通过 plc 程序实现，编程软件为 rockwell 的 rslogix5000 企业版。 4.2 rslogix5000 软件简介 4.2.1 软件概况 与第一代可编程控制软件相比，rslogix5000 功能更加强大，更加方便实用。 rslogix5000 编程软件除了为顺序控制提供梯形图编程外，还可以为运动控制提供完整 的编程及调试支持。rslogix5000 可同时完成顺序控制与运动控制。

56、使用 rslogix5000 软件可以完全实现对模块的设置和监视通过 i/o 实现 controllogix 背板连接，所有模块 相关数据都包含在一个处理器数据对象中，这便于配置，监视和连接模块参数。 高度集成的 rslogix5000 编程软件基于 iec1131-3 标准，logix5550 控制器的指令 集保持了已有的 allen-bradley 产品共同的看则有悟的特点，这使我们能充分利用已有的 编程技能。只需要安装一个 rslogix5000 编程软件包即可完成可编程序控制器、伺服控 制器和伺服驱动器的编程和设置，而不像有些系统那样需要 2 个甚至是 3 个单独的软件 包。 cont

57、rollogix 是一种框架式控制系统，它将顺序控制、过程控制、运动控制和传动 控制功能集成在一起，同时还提供通讯和 i/o 功能。一个最简单的 controllogix 系统由 一个独立的控制器和位于同一个框架上的 i/o 模块组成。 controllogix 控制器是 logix5000 系列控制器的一种。典型的 controllogix 系统包 括： 1controllogix 控制器； 2rslogix5000 编程软件； 3安装在 1756 框架上的 1756 controllogix i/o 模块； 4不同的通讯模块，用于连接 ethernet/ip、controlnet、devi

58、cenet、dh+以及通用 远程 i/o 网络； 5通过第三方设备连接的其他网络。例如：ff 基金会现场总线和 hart 总线； 6每个 controllogix 控制器内置的串口。 4.2.2 程序界面 系统欢迎界面及如图 4-1 所示。 图 4-1 rslogix5000 欢迎界面 软件界面如图 4-2 所示。 图 4-2 rslogix5000（企业版）软件界面 4.3 程序标签设定 本设计使用了较多的标签，命名皆以控制的对象或是作用为名，目的是增加程序的 可读性。详细标签内容见附录。 4.4 程序流程 根据课题要实现的功能及要求，plc 软件的独立控制部分设计方案如图 4-3 所示。

59、图 4-3 程序总流程图 各个程序的流程图如下： 1主程序流程如图 4-4 所示。 图 4-4 主程序流程图 2初始化子程序流程如图 4-5 所示。 图 4-5 初始化子程序流程图 3复位子程序流程如图 4-6 所示。 图 4-6 复位子程序流程图 4报警、显示子程序流程如图 4-7 所示。 图 4-7 报警、显示子程序流程图 5开关阀控制子程序流程如图 4-8 所示。 图 4-8 开关阀子程序流程图 6调节阀控制子程序流程如图 4-9 所示。 图 4-9 调节阀子程序流程图 7变频器 pid 控制流程如图 4-10 所示。 图 4-10 变频器 pid 控制控制流程图 8pid 运算流程如图

60、 4-11 所示。 图 4-11 pid 运算流程图 4.5 程序简介 环道控制系统下位软件方案二目的在于单独控制每一个阀门，实现灵活控制。在 rslogix5000 编程环境中，根据现场的硬件基础编写完成下位 plc 独立控制部分的程序， 其中有一个主程序和 28 个子程序，分别用来调用或控制相应的功能模块。程序主要控制 的阀门有 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、v40

61、5 三个阀门是可调节阀门，配合变频器工作，分别控制着液位、温度 和流量三个参数，它们的编程主要考虑应用 pid 运算进行控制，从而获得更好的控制效 果。其中，v101 的处理方法与开关阀相同，原因是便于在以后控制进油的速度，为以后 的使用提供了保障。程序设计示例如图 4-12 所示。 图 4-12 程序样图 4.6 小结 独立控制的程序部分设计目的在于增加各节点的灵活控制性，方便管理者在使用流 程控制的过程当中，单独控制某一个阀，从而使软件有了更友好的使用方法。本章从软 件的概况、各控制程序的流程等方面详细做了介绍，在保证了功能实现的同时，尽量增 加程序的可读性，方便在需要时进一步改进。 第

62、5 章 课题特点 5.1 controlnet 现场总线技术应用 在现场总线控制领域，controlnet 凭借更强的远程控制能力，实现数据远程集中处 理的便捷；凭借 5mb/s 的速率保证了实时传输；而且在安全性和稳定性上，自身独有的 解决方法保证了在使用过程中数据的完备和安全。结合成功例子，使得 controlnet 应用 于环道控制系统有了强大的保障。伴随更多人的关注，controlnet 会有更大的发展。本 系统采用的 controlnet 总线结构是现如今最有发展的总线之一，这就注定了在今后的使 用当中，有这更多的拓展的空间和进行进一步提高性能的基础。 5.2 双机热备冗余结构 为了

63、解决在实际科研过程中会遇到的数据安全威胁，或者是因为设备的老化而停止 运转给系统带来的巨大损失。系统在始建之初就充分考虑到这一点，从 cpu 到电源，全 部的设备都使用的热备的冗余结构，最大程度上保证了系统的安全性。 5.3 pid 周期运算 众所周知，在 plc 控制过程当中，cpu 对进程中的 pid 运算总是显得很难处理， 这是由于 pid 运算会带来很大的运算量，使得在运算过程中，可能会有很多的控制量处 于不确定状态。这对于确定性控制是致命的威胁。为此，本课题中，pid 运算全部采用 了周期性的运算，而非在主程序中实时调用，而是处于周期性运算当中，在运算完毕后， 将运算值暂时存储于一个

64、变量标签中。这样做的目的就是为了解决在工控中大量进行 pid 运算带来的高负荷。 第 6 章 结论 现场总线作为工业控制网络的基础，实现从底层现场设备到顶层生产管理之间正确 的数据传输和数据转换，确保数据流的实时性和可靠性。从长远来看，现场总线技术未 来将向着工业以太控制网的方向发展和融合。controlnet 作为现场总线中的优秀代表， 也会在不断的发展过程中占领市场份额，以它高效的传输速率、安全的性能等诸多方面 的出色表现，定会捍卫自己主流的地位。论文在分析 controlnet 总线技术的基础上，详 细阐述了其在环道控制系统下位软件中的应用。同时，采用该总线的环道控制系统下位 软件也表现

65、出了强大的优势： 1对现场总线控制技术，尤其是 controlnet 总线技术的技术特点和应用范围进行了 深入分析，着重阐述了它的通讯模式、仲裁方式及其网络体系结构，并与其它常见总线 技术进行了对比，从而肯定了 controlnet 现场总线技术在具有多个 plc 控制器和较高数 据传输率控制系统的应用； 2在了解了本系统的控制要求基础上，详细分析了各硬件模块的选用，同时，出于 保护特殊数据的安全考虑，对整个系统均采用冗余设计； 3对环道控制系统下位软件 plc 控制进行了软件设计，详细列出了独立控制的流 程图，本部分也是作者本人所做设计的核心部分； 4介绍了 rslogix5000 软件在建

66、立自由组态的独立控制系统时的使用方法； 5最后对整个控制系统的特点及优势进行了总结。 环道控制系统作为试验性、科研性的课题，在实施现场要求有高质量的信号采集系 统，而本设计中的独立控制配合着流程控制，使得对现场的高要求等到保证。更灵活的 控制方式，更方便的操作方式也在下位机 plc 控制中突显了其高效、高质的优点。也决 定了独立控制在下位软件中不可或缺的地位。 致 谢 本文研究工作是在我的导师孙东辉副教授的精心指导和悉心关怀下完成的，从开题 伊始到论文结束，我所取得的每一个进步、编写的每一段程序都无不倾注着导师辛勤的 汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的各科知识、无私的奉献精神使我深受启迪， 从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今 后的学习工作中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。 在此我要向我的导师孙东辉副教授致以最衷心的感谢和深深的敬意！ 在四年的大学学习期间，自动化教研室的每位老师对我的学习、生活和工作都给予 了热情的关心和帮助，使我的水平得到了很大的提高，取得了长足的进步。 在此，向所有关心和帮助过我的老师、同