基于和利时DCS的电厂除氧系统控制

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1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目： 基于和利时 DCS 的 电厂除氧系统控制 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2012 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： 专 业： 自动化 班 级： B08222 学 号：20044022206 指导教师： 职 称： 教授 完成时间： 2012.6 毕业设计（论文）题目：基于和利时 DCS 的电厂除氧系统控制纵向课题（ ）理论研究

2、（）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： 应用 DCS 设计电厂除氧系统，要求如下 1.了解和利时 DCS 系统工作原理 2.建立电厂除氧系统模型 3.完成控制回路设计 4.实现过程参数 PID 调节 5.组态控制设计 6.参数调节 7.分析运行结果工作环境及技术条件： 联网计算机一台，DCS MACS 相关软件，有关的技术手册，以及电厂除氧相关资料。工作内容及最终成果： 以和利时 DCS 装置为基础，采用 PID 调节的过程控制系统工程设计的方法，进行系统方案论证

3、并进行仿真实验.完成的控制回路进行设计，完成 PID 的控制功能，构成电厂除氧控制系统，在 DCS 组态软件 HOLLiAS MACS 中实现控制逻辑和控制 HMI 组态，利用 DCS 软件提供的数学模型，进行电厂除氧控制系统调试，整定各环节参数，记录实验结果，分析实验结果。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

4、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 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）基于和利时 DCS 的电厂除氧系统控制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

5、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 日北华航天工业学院毕业论文I摘 要论文的研究工作是以某电厂除氧系统设计为背景展开的，并且详细介绍了通过 D

6、CS控制下系统工作的情况，以图形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 DCS 控制软件的基础上，通过分析介绍了除氧系统原理，采用 PID 调节的过程控制系统工程设计的方法，进行系统方案论证并进行仿真实验.完成的控制回路进行设计，完成 PID 的控制功能，构成电厂除氧控制系统，在 DCS 组态软件 HOLLiAS MACS 中实现控制逻辑和控制 HMI 组态，利用 DCS 软件提供的数学模型，进行电厂除氧控制系统调试，整定各环节参数，记录实验结果，分析实验结果。本文还解析了 DCS在电厂除氧中的设计过程，因为此过程在设计其他系统的设计中有同样的

7、步骤，同时阐述了其在除氧控制系统中的应用。关键词 DCS HOLLIAS MACS PID HMI 组态北华航天工业学院毕业论文IIAbstractAmong the research work on a oil-transport-system. Central Control System is designed to start the background and details of the PLC passed under the control of operation of the system, a free configuration of the system in th

8、e form of control, making the process of a more flexible way to control And better control methods. In this paper, in-depth analysis of ControlNet bus technology on the basis of analytical focus of the ControlNet in all of the advantages of bus, on its part, the control system of application, and to

9、 Rockwells RSLogix5000-based products, prepared by the Liberal Group State of independent control of the software. Among the main control valve on a variety of free control, particularly the use of cyclical PID control a large number of ways to solve the delay problem of computing. In this paper, th

10、e system hardware, selection, process control software in the realization are described in detail, the use of the software programming have described, the system under the control of features have also concluded that more detailed description of the entire system The related issues. Key words Contro

11、lNet Fieldbus RSLogix5000 Software Independent Control Free Configuration北华航天工业学院毕业论文III目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及国内外研究概况.11.2 DCS 控制系统介绍 .11.3 电厂除氧系统介绍.3第 2 章 和利时 DCS 控制软件介绍 .42.1 和利时 DCS 控制软件发展.42.2 MACS 各组成软件介绍 .52.2.1 工程师站软件 .52.2.2 操作员站软件 .62.2.3 其他软件 .92.3 小结.10第 3 章 系统硬件概况 .113.1 系统概况.113.2 功能模块

12、.123.2.1 CPU 模块 .123.2.2 SRM 热备模块 .133.2.3 电源模块 .133.2.4 C-NET 模块 .133.2.5 模拟输入模块 .133.2.6 模拟输出模块 .143.2.7 RTD 模块 .143.2.8 开关量输入模块 .143.2.9 开关量输出模块 .143.3 冗余的实现.143.4 小结.15第 4 章 除氧系统设计过程 .164.1 下位软件概况.16北华航天工业学院毕业论文IV4.2 RSLogix5000 软件简介 .164.2.1 软件概况 .164.2.2 程序界面 .174.3 程序标签设定.184.4 程序流程.184.5 程序简

13、介.244.6 小结.24第 5 章 参数调节与结果分析 .255.1 ControlNet 现场总线技术应用 .255.2 双机热备冗余结构.255.3 PID 周期运算 .25第 6 章 结论 .26致谢 .27参考文献 .28附录 .29北华航天工业学院毕业论文5 基于和利时 DCS 的电厂除氧系统控制第 1 章 绪论1.1 课题背景及国内外研究概况 DCS 是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System） ，在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是

14、在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（computer） ，通信（communication） 、显示（CTR）和控制（control）等4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS 自 1975 年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。DCS 系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着 4C 技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金

15、、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。 分散控制系统（DCS）在国内外都有很多应用，1975 年美国最大的仪表控制公司Honeywell 首次向世界推出了它的综合分散控制系统 TDC2000 ( Toal Distributed Control -2000),这一系统的发表,立即引起美国工业控制界高度评价，称之为“最鼓舞人心的事件” 。世界各国的各大公司也纷纷仿效，推出了一个又一个集散系统，从此过程控制进入了集散系统的新时期。在此期间有日本横河公司推出的 CEN TUM,美国泰勒仪表公司的 MO SË,费雪尔公司的 DCÉ400,贝利公司的 N90

16、,福克斯波罗公司的Cpectrum 和德国西门子公司的 Telepermm。随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展，加上各制造商的激烈竞争，使 DCS 很快从 70 年代的第一代发展到 90 年代初的第三代 DCS。尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高，但其中存在着一个最主要的弊病是：各大公司推出的几十种型号的系统，几乎都是该公司的专利产品，每个公司为了保护自身的利益，采用的都是专利网络，这就为全厂、全企业的管理带来问题。随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术，80 年代末许多公司推出新一代的集散系统，其主要特征是新系统的局部网络采用 MA P 协议；引用

17、智能变送器与现场总线结构； 在控制软件上引入 PLC 的顺序控制与批量控制，使 DCS 也具有 PLC 的功能。至 90 年代初各国知名的 DCS 有：3000，Bailey 的 INFI90，Rosemount 的 RS3，WestHoose 的 WDPF，Leeds &Non thrup 的 MAX1000，日本横河的 CENTUM。这里所提到的均为大型的 DCS，为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的 DCS 系统如 S9000，MAX2，LXL，A 2 PACS 等等。 北华航天工业学院毕业论文61.2 DCS 控制系统的介绍DCS 控制系统（DIstributed Contro

18、l System，分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备，具有广阔的应用前景。下面通过一个简单的例子说明 DCS 的结构（如图 1-1）：DCS 在实际生产中包括：被控对象（过程）：工艺生产设备，一般在传感器到执行器之间。被控量：表征被控对象工作状态的物理量，此例为液位，也可能压力，温度等。 测量变送：对被控对象进行测量的装置，此装置为液位信号采集。调节器：把测定值和设定值进行比较的装置，

19、此装置为 PID。执行器：把调节器的指令成比例的转换成直线或者角位移的装置。 图 1-1 通过上面的简要结构我们可以将 DCS 控制过程延伸如下（图 1-2）：北华航天工业学院毕业论文7 图 1-21.3 电厂除氧系统的介绍 随着工业过程规模的不断扩大,需要测量处理的参数和控制回路成倍的增加,为了降低运行监控人员的劳动强度和减少故障率,降低工业过程运行成本,提高效率,电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业都使用了 DCS(集散控制系统)。本设计参照电厂中给水除氧系统的实际运行情况,进行测点统计,设定控制方案,应用和利时公司的第四代DCS 系统MACS 系统的组态软件进行组态,并配置相应的

20、 FM 系列模块,建立工程,实现电厂中给水除氧系统中除氧器压力、除氧器水位、给水泵、给水泵电动门的自动控制。将该工程应用在实际的电厂除氧设备的控制上,可以降低现场运行人员的劳动强度,提高系统的安全性,提高除氧效果。目前我国的工业锅炉（含热水锅炉）中只有 5060%有除氧措施，除氧方式主要为热力除氧，其次为化学除氧，还有少部分采用真空除氧、解吸除氧及树脂除氧；因此很大一部分锅炉，特别是中小型低压锅炉没有除氧设备，能正常运行的除氧设备更是少数，这是因为炉外除氧设备不仅购置费用高、能耗高，而且不好操作，特别是对于用汽不均衡的单位，这些装置很难使用，从而造成除氧效果不佳，有的成了摆设，长期闲置，使锅炉

21、设备和热力系统的氧腐蚀严重，影响了锅炉的使用寿命和安全运行。因此，锅炉水的除氧势在必行，应引起高度的重视。第 2 章 和利时 DCS 控制软件的介绍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，控制规模的过程对象数据转换、控制运算、传送数据和诊断结果到上层网络控制指令输出单元输入信号采集单元人机界面监视/控制操作DCS系统现场过程对象主控单元IO输出模块IO输入模块操作员站以太网连接DCS系统现场现场总线连接仪表/变送器阀门/执行机构阀门/执行机构仪表/变送器北华航天工业学院毕业论文8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，

22、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

23、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

24、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 CAN，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。

25、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北华航天工业学院毕业论文9ControlNet 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

26、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-C

27、NB 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（Dev

28、iceNet 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 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，

29、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”北华航天工业学院毕

30、业论文10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

31、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

32、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。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

33、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北华航天工业学院毕业论文11级别现场级、设备级传感器级、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:19951993 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/s125kb/s,300 kb/s,500kb/s9.6kb/s12Mb/s

34、,31.25kb/s167 kb/s31.25 kb/s,1 Mb/s,2.5 Mb/s最多节点996412731 个从站 每段 240 个最多 65000 个最大无中继距离同轴：5km光纤：30km500m电缆：2.4km光纤：23.8km100m31.25kb: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EN50252IEC61158 子集 3、欧洲标准 EN50170欧洲标准EN50295IEC61158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/设备仲裁方法时间片多

35、路存取CTDMA，生产者/消费者音频载波多路存取，生产者/消费者令牌传送主/从，周期查询调度/周期，非调度/非周期，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/客户机网络高高不高不高高北华航天工业学院毕业论文12效率相比可知，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

36、般不具有工业控制所要求的可靠性、确定性。因此，为适应工业控制需求，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

37、刻发送数据。因为所有节点的隐性令牌寄存器在任意时刻的值相同，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 U

38、pdate Time NUT）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

39、有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，并保北华航天工业学院毕业论文13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

40、制、监视、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 PC

41、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北华航天工业学院毕业论文14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

42、网络与信息网络的集成，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 的应用软件提供接

43、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。控制网结合了输入/输出网络和点对点信

44、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。北华航天工业学院毕业论文15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、变频器 1台、搅拌

45、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，实现总体设计功能和系统热备功能。2下位机扩展采用采用美

46、国 ROCKWELL 公司的模拟输入、输出模块、数字输入、北华航天工业学院毕业论文16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-L55M2422热备通讯模块1757-SRM23电源1756-PA75444 槽热备框架1756-A425CNET 通讯模块1756-CNBR4617 槽框架1756-A1727空槽盖板1756-N29816 路模拟量输入模块,36 针1756-IF164

47、916 路开关量输入模块,20 针1756-IB1691016 路继电器输出模块,36 针1756-OW16I5116 路热电阻输入模块,20 针1756-IR6I6128 路模拟量输出模块,20 针1756-OF813.2.1 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

48、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。北华航天工业学院毕业论文173.2.2 SRM 热备模块SRM 热备模块采用 ROCKWELL 的 175

49、7-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）和冗余（1756-PA75R，-PB75R）电源模块，本方案中电源模块采用 R

50、OCKWELL 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-NET 模块采用 ROCKWELL 的 1756-CNBR 模块，共四块，分别插在两个 A

51、4 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。北华航天工业学院毕业论文183.2.5 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 模拟输出模块模拟输入模块采用 ROCKWELL 的 1756-OF8（模块输入电压00.125V、

52、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，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

53、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。北华航天工业学院毕业论文19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，

54、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。北华航天工业学院毕业论文20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

55、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。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 ControlLog

56、ix 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。ControlLogix 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

57、/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；北华航天工业学院毕业论文213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、DeviceNet、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

58、 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。北华航天工业学院毕业论文22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。图 4-3 程序总流程图北华航天工业学院毕业论文23各个程序的流程图如下：1主程序流程如图 4-4 所示。

59、图 4-4 主程序流程图2初始化子程序流程如图 4-5 所示。北华航天工业学院毕业论文24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。北华航天工业学院毕业论文25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。北华航天工业学院毕业论文26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。北华航天工业学院毕业论文27图 4-10 变频器 PID 控制控制流程图8PID 运算流程如

60、图 4-11 所示。图 4-11 PID 运算流程图北华航天工业学院毕业论文284.5 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、V3

61、02、V405 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，尽量增北华航天工业学院毕业论文29加程序的可读性，方便在需

62、要时进一步改进。北华航天工业学院毕业论文30第 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

63、。5.2 双机热备冗余结构为了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

64、暂时存储于一个变量标签中。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。北华航天工业学院毕业论文31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

65、道控制系统下位软件也表现出了强大的优势：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

66、件在建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。北华航天工业学院毕业论文32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