毕业设计（论文）-基于以太网的水槽液位远程监控系统设计.doc

毕业设计（论文）说明书题目：基于以太网的水槽液位远程监控系统设计 系 名 信息工程系 专 业 自动化 学 号 6011xxxxxx 学生姓名 xxx 指导教师 xxx 2015年 6月 5日毕业设计（论文）任务书题目：基于以太网的水槽液位远程监控系统设计 系 名 信息工程系 专 业 自动化 学 号 6011xxxxxxxx 学生姓名 xxxxxxx 指导教师 xxxxxxx 职 称 副教授 2014年 12月 15日一、原始依据在工业过程控制系统中液位对象是一种十分普遍的对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。液位的高低直接影响着工业过程控制的安全性，如果超出范围，很可能会酿成危险的后果。对基于以太网对水槽液位的远程控制这一研究有着重要的意义。首先基于以太网的远程监控系统可以对设备的数据进行实时的采集分析和处理，为整个系统的调度协调提供了可靠的保证。其次基于以太网的远程监控可以节省大量的人力物力和财力，特别对于一些条件恶劣的现场工作环境。第三，由于系统对设备的远程监控，可以实现对设备的远程故障诊断，确定故障发生的种类和位置，实施高效率的维护，可以调高管理水平和生产率。二、参考文献1曹立学,令朝霞. 基于组态软件的计算机液位串级控制系统设计与研究j. 工业控制计算机,2008,06:16-17.2赵帅.液位控制系统的智能控制算法研究 d.北方工业大学,2012. 3赵科，王生铁，张计科.三容水箱的机理建模j .控制工程，2006,06:521-524+539. 4邱佰平.基于以太网及现场总线的过程控制系统实验装置研究d.中南大学，2005. 5李智，王君，张雅婕.基于模糊pid的三容水箱液位控制j.武汉工程职业技术学院学报， 2012,03:3-5+13. 6沙泉.matlab和组态王的数据通信j.上海应用技术学院学报(自然科学版)，2006,04:286-289.7林霞,陈增强,孙青林,袁著祉. 比例积分型预测函数控制a. 中国自动化学会控制理论专业委员会.第二十四届中国控制会议论文集（上册）c.中国自动化学会控制理论专业委员会:2005:4. 8段慧. 三容水箱的非线性pid控制d.内蒙古工业大学,2009年9王树青,金晓明,荣冈. 先进控制技术及应用 第一讲 工业生产过程的先进控制j. 化工自动化及仪表,1999,02:63-67. 10方一鸣,焦晓红,庄开宇,张克勤. 基于matlab(simulink)的模糊控制系统计算机仿真j. 自动化与仪器仪表,2000,02:21-23. 11 袁平, 丁锋. 水箱液位多变量系统辨识方法的比较j. 江南大学学报(自然科学版),2008,03:263-267. 12 rtif jean-marie. design and implementation of platform for embedded ethernet control systemj. 仪器仪表学报,2008,06:1121-1128.三、设计（研究）内容和要求根据课题的要求，将设计分为对三容水箱进行机理建模和基于研华公司adam6000系列模块的远程监控部分的设计两部分。1、研究三容水箱液位控制装置的结构和工作原理，对三容水箱进行数学建模。2、采用具有以太网功能的adam6000系列模块,构建以adam-6500模块作为系统的主控制器、以adam-6024模块实现现场数据输入输出的模块化以太网控制系统；设计以c8051f020单片机为核心、zne-100t为以太网模块的以太网监控模块。指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学仁爱学院本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称基于以太网的水槽液位远程监控系统设计系 名信息工程系专 业自动化专业学生姓名xxx指导教师xxx一、课题来源及意义在工业过程控制系统中液位对象是一种十分普遍的对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。液位的高低直接影响着工业过程控制的安全性，如果超出范围，很可能会酿成危险的后果。在过去，液位的监控装置多数是使用单片机实现点对点控制和显示，工作人员必须到工作现场去操作这些仪器，且单片机功能十分有限，只能完成一些相对简单的操作1。以太网是一种应用最广泛的局域网，它具有低成本，高速率，高可靠性，互操作性强，易维护等优点，千兆以太网万兆以太网的出现，使得以太网的各种优点愈发明显2。随着网络通讯技术的发展，以太网在产业控制领域的应用日趋广泛，基于以太网的远程监控系统实现远程监测、控制和治理的有效集成3。使用远程监控系统通过网络对产业生产过程进行监测，及时了解现场信息，快速进行决策4。计算机技术、通信技术、控制技术的迅速发展，正深刻地改变着人们的生活方式和工作方式，对企业信息化和自动化领域的发展也产生了巨大的影响5。随着以太网技术的广泛应用，建网所需的成本不断的降低，基于以太网的各种软硬件开发也日益成熟。另外，以太网的高可靠性和高速率将从根本上解决控制系统的实时性要求。因此，结合以太网实现过程控制系统的远程监控功能己经成为一个重要的研究课题，对基于以太网对水槽液位的远程控制这一研究有着重要的意义。首先基于以太网的远程监控系统可以对设备的数据进行实时的采集分析和处理，为整个系统的调度协调提供了可靠的保证。其次基于以太网的远程监控可以节省大量的人力物力和财力，特别对于一些条件恶劣的现场工作环境。第三，由于系统对设备的远程监控，可以实现对设备的远程故障诊断，确定故障发生的种类和位置，实施高效率的维护，可以调高管理水平和生产率6、17。二、国内外发展现状随着科学技术的发展,工业过程控制系统也不断改变着。尤其是新技术的出现，采用新科技的工业过程控制系统能够极大提高生产率，并产生巨大的社会效益。过程控制系统的发展是一个不断进步的全方位技术升级过程，除了技术的提升以外还有理论的进步和观念的更新。从上世纪50年代以来，过程控制的发展并大致经过了以下几个阶段：直接数字控制(ddc)、分散集中控制(dcs)和基于现场总线的过程控制系统(fcs)。过程控制系统呈现出向网络化、集成化、节点智能化和分布化的方向发展。现场总线是近年来迅速发展起来的一种数据总线。通讯协议采用现场总线技术构成的现场总线控制系统，功能更加分散，系统构成更加灵活，系统可靠性大大提高。现场总线具有的这些技术特点简化了控制系统的结构，提高了系统的准确性和可靠性。但是现场总线技术在其发展过程中又表现出以下的不足：(1)现有的总线标准过多，仅国际标准工ec61158就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来。(2)不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成。(3)现场总线专有通信网络的特点注定了它的高成本。(4)现场总线的速度较低，支持的应用有限。出现上述的问题，根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的9-12。正当传统的现场总线的发展遭遇到瓶颈时，以太网以其数字式、可互操作、开放性等特点受到越来越多的关注和重视，很多专家学者预测以太网是网络控制系统的发展方向。和传统的现场总线相比，以太网具有以下优势：（1）开放性好。（2）成本低廉。（3）数据传输率高。（4）有利于资源共享。（5）可持续发展潜力大。随着国内外的学者不懈努力，在过去几年中以太网技术取得巨大进步：（1）交换技术的发展与应用，提高了以太网的确定性，使以太网应用于控制系统成为可能。交换式以太网克服了传统以太网的特点，大大提高了网络性能，并解决了网络带宽的问题。（2）各制造商正在研制适应于工业环境的以太网产品以提高以太网硬件的稳定性问题。目前，己有一些厂家推出抗污染、抗震动、防止误接、防水、带导轨、带冗余电源的工业以太网设备。（3）由于受到各大公司的支持,工业以太网应用标准及相关协议得到良好的改进。（4）以太网的传输速度得到了很大的提高，从最初的10mb/s发展到现在的千兆以太网，甚至万兆以太网。在通信量不变的前提下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，实际上也就意味着确定性的提高。因此，随着以太网传输速度的不断提高，以太网的实时性、确定性会有进一步的提高。综上所述，随着以太网速度的不断加快及在确定性、实时性、可靠性方面性能的不断改善，工业以太网毫无疑问将在控制网络中扮演越来越重要的角色，以太网将是过程控制发展的新方向5、13-16。由于技术发展的历史原因，高精度的液位测量一直与自动化关系最为密切，液位检测包括对液位界面和料面的检测。按照习惯，“液面”主要指“液气”界面，“界面”主要指“液液”界面，“料面”主要指“固气”界面。液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域，尤其在工业生产领域，不但要求精度高，还需很好的适应工业现场的特殊环境。随着科学技术与生产的迅速发展，液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段，并且其功能越来越完善，各项性能指标越来越易于适用工业生产的要求，其自动化、智能化水平越来越高7。目前，远程控制理论已冲破工程技术领域延伸到生物神经网络领域、信息网络领域、经济领域、社会领域等，显示出该项技术的强大生命力和发展前景。计算机网络远程控制论趋于成熟，并已经应用于各种网络系统：空间飞行器和地面相应设施构成的空间信息网络系统，汽车、火车、轮船和飞机组成的交通网络系统，为电力供应形成的供电网络系统，天气预报的天地一体化网络系统等等。计算机网络远程控制刺激了soho一族的人数增加，同时包括高级行政管理人员和高级技术人员，他们可以通过“远程控制”的方法来实现在家里办公。远程教学和远程医疗也通过计算机网络远程控制实现教学之间互动与交流，实现医生和病人之间的诊断和治疗。这是目前教育系统和医疗系统发展的一个重要方向。计算机远程控制技术的进步，为计算机网络研究和设计工作开辟了很多新的可能途径。它将是继续推进新技术革命的核心力量，不断扩大控制理论的应用范围，将其创新运用到信息网络领域，这将会是21世纪的社会需求和不可避免的发展趋势8。三、研究目标以三容水箱作为被控对象，以液位值作为监控目标，设计了基于以太网的远程监控系统，熟悉三容水箱的机理建模。采用具有以太网功能的adam6000系列模块,构建了以adam-6500模块作为系统的主控制器、以adam-6024模块实现现场数据输入输出的模块化以太网控制系统；设计了以c8051f020单片机为核心、zne-100t为以太网模块的以太网监控模块。四、研究内容 根据课题的要求，将设计分为对三容水箱进行机理建模和基于51单片机软件部分的设计两部分。 1、研究三容水箱液位控制装置的结构和工作原理，对三容水箱进行数学建模。 2、采用具有以太网功能的adam6000系列模块,构建系统的主控制器、实现现场数据输入输出的模块化以太网控制系统；设计以c8051f020单片机为核心、zne-100t为以太网模块的以太网监控模块。五、研究方法与手段1、查阅相关资料，熟悉掌握三容水箱的结构以及工作原理，adam6000系列模块的相关信息。2、用matlab对三容水箱的数学建模进行仿真。3、对数据采集模块、控制输出模块、数据通讯模块的设计。4、进行检验并根据实验结果、针对实验过程中出现的问题提出相应的解决方案，写出毕业设计论文。 液位传感器远程pcethernet监控模块电动调节阀tcp/ip网络 设计结构图六、进度安排2014.12.07-2015.03.31 查找资料，完成开题报告；2015.04.01-2015.04.15 熟悉并掌握matlab的仿真使用，对三容水箱进行数学建模；2015.04.16-2015.04.30 构建系统的远程监控模块；2015.05.01-2015.05.15 整个控制模块的通讯系统的设计并进行调试2015.05.16-2015.05.31 撰写论文，准备答辩2015.05.01-2015.06.05 撰写论文，准备答辩。七、可行性分析基于以太网的水槽液位远程监控系统的设计本课题已具备实验室中整套三容水箱实验装置，51系列单片机，以及pc机上matlab仿真工具、protel原理图设计工具，已掌握知识有过程控制技术，单片机技术，微型计算机原理及接口技术等。八、主要参考文献1李静.基于无线通信的液位远程监控系统设计d.黑龙江工程学院，2012.2李炳宇,萧蕴诗.以太网在网络系统控制中的应用与发展趋势j.微信机与应用,2002, 11:35-37+56. 3蔡金清.基于以太网的工业网络控制系统研究d .天津工业大学，2005.4张敬东.远程监控技术与监控系统j.赤峰学院学报(自然科学版),2007,02:25+27.5周晓斌,费敏锐.以太网在工业自动化领域中的应用现状与发展前景j.自动化仪表， 2001,10:3-6+18.6陈建群.基于以太网的远程监控系统的研究与应用d.燕山大学,2007.7李丽宏,谢克明.液位自动检测的现状与发展j.太原理工大学学报,2001,04:417-420.8马强.计算机网络远程控制系统的研究与应用d.中国地质大学(北京),2007.9郑文波.以太控制网络技术与系统j.工业控制计算机,2001,09:14-20.10黄玉娟.基于internet的远程维护系统的研究d.武汉理工大学,2003.11吴炜.基于以太网的过程控制系统远程监控技术研究d.武汉理工大学,2005.12孙钦龙.基于工业以太网的过程控制系统设计d.上海交通大学,2006.13段方红.基于工业以太网的轮胎硫化过程控制研究d.中南大学,2007.14赵燕.基于高速以太网现场总线的陶瓷辊道窑控制系统d.武汉理工大学,2007.15徐皑冬,王宏,杨志家.基于以太网的工业控制网络j.信息与控制,2000,02:182-186.16陈凌凌,陈以.工业以太网在工业控制网络中的应用与发展综述j.中国科技信息,2007,18:147-148+115.17zhu lingbo, dai guanzhong, lin-shi xuefang, zhang huixiang and retif jean-marie.design and implementation of platform for embedded ethernet control systemj. international journal of systems signal control and engineering applications, 2008,06(6):1121-1128.选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字）年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能 审题小组组长（签字）年 月 日摘 要以太网具有数据传输率高、可靠性好、易维护、可远程传输、互操作性好等优点，受到了广泛拥护和软硬件的支持，基于以太网的远程监控系统成为工业过程控制系统的发展趋势之一。在工业过程控制系统中液位对象是一种十分普遍的对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。液位的高低直接影响着工业过程控制的安全性，如果超出范围，很可能会酿成危险的后果。对基于以太网对水槽液位的远程控制这一研究有着重要的意义。首先基于以太网的远程监控系统可以对设备的数据进行实时的采集分析和处理，为整个系统的调度协调提供了可靠的保证。其次基于以太网的远程监控可以节省大量的人力物力和财力，特别对于一些条件恶劣的现场工作环境。第三，由于系统对设备的远程监控，可以实现对设备的远程故障诊断，确定故障发生的种类和位置，实施高效率的维护，可以调高管理水平和生产率。本课题以三容水箱作为监控对象，以液位值作为监控目标，设计了基于以太网的远程监控系统。论文介绍了三容水箱实验装置的结构和工作原理，对三容水箱进行了机理建模获得三容水箱的数学模型。采用具有以太网功能的adam6000系列模块,构建了以adam-6500模块作为系统的主控制器、以adam-6024模块实现现场数据输入输出的模块化以太网控制系统；设计了以c8051f020单片机为核心、zne-100t为以太网模块的以太网监控模块。关键词： 三容水箱；以太网；远程监控abstratethernet has many advantages, such as high transmission rate, good reliability, easy maintain, remote transmission, mutual operation and so on. so the ethernet technique has been widely supported, especially in the support of hardware and software. the remote monitoring and controlling system based on ethernet is one of the development tendencies of industrial process control system. liquid level in the industrial process control system is a very common object, subject to the level of monitoring and control system to achieve its function is an essential part. directly affect the level of industrial process control security, if out of range, it might lead to dangerous consequences. based on this level of ethernet for remote control tank has an important significance.first ethernet-based remote monitoring system of machine data acquisition and analysis in real-time and process for scheduling system-wide coordination to provide a reliable guarantee. second ethernet-based remote monitoring can save a lot of manpower and material resources and financial resources, especially for the poor condition of some of the field work environment. third, the system for remote monitoring device, you can remotely troubleshoot device to determine the type and location of the failure, the implementation of efficient maintenance, you can increase the level of management and productivity.in this paper, a three-tank water system as control object, level control as target value, we designed a ethernet-based remote monitoring and controlling system. this paper introduced the structure and working principle of three-tank water system, built mechanism model for three-tank water system and get the three-tank mathematical model. used the adam-6000 series modules with ethernet function, adam-6500 module as the main system controller, adam-6024 realize the input and output of the data, construct modular ethernet control system; c8051f020 mcu as the core component, zne100t as the ethernet module, designed the ethernet monitoring module.key words: three-tank water level system; ethernet; remote monitoring and eontrolling目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.1.1 三容水箱实验系统发展概况11.1.2 液位控制系统研究的意义11.1.3 过程控制的发展21.1.4 工业以太网的发展21.1.5 pid控制器的应用与发展41.2 课题提出的目的和意义51.3 本文主要研究内容6第二章 三容水箱数学建模72.1 三容水箱实验装置的硬件结构72.1.1 三容水箱实验装置的结构及工作原理72.1.2 液位传感器82.1.3 电动调节阀82.1.4 电源控制箱92.2 三容水箱实验系统的建模92.2.1 siso一阶系统建模92.2.2 siso二阶系统建模112.2.3 siso三阶系统建模122.2.4 双输入双输出系统建模13第三章 基于以太网的液位控制系统设计153.1 基于adam模块的以太网液位控制系统设计153.1.1 基于adam模块的控制系统的硬件设计153.1.2 基于evc的应用程序设计193.2 基于c8051f020单片机的以太网现场控制模块设计253.2.1 控制模块的硬件设计253.2.2 控制模块的软件设计29第四章 总结与展望32参考文献33外文资料1中文译文致谢2天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 三容水箱实验系统发展概况三容水箱液位控制系统一直是自动控制、化工过程等领域中非常典型的教学实验设备，在出现之初系统构成相对单一化，三个水箱或者呈连通结构，亦或三个水箱上下级联构成；功能相对单一，仅能完成系统特性测试、液位的定值控制、耦合控制和串级控制等基本项目；通路也较少，仅有一个控制通路。随着研究的需要和技术的进步，三容水箱实验系统也在不断进行革新，积木式结构、系统开放化、功能完善的三容水箱实验系统成为过程控制实验装置的主流。目前三容水箱实验系统大多平行连通，或以上下级联的水箱主体结构为基础，增设了扰动通路，添加了延迟环节和热容对象，加装了智能仪表，涵盖了液位、流量、压力、温度四个典型过程参数的测量，可以模拟不同阶次、线性或非线性、单容或多容、耦合与非耦合、大滞后等过程特性，甚至通过插入具有水力学特性的堰形隙缝式阻力板或加装不同流量特性的阀门改变水箱的流量特性。三容水箱的控制手段也多种多样，plc、pc 机控制，亦或构成集散控制系统或现场总线控制系统，实验平台更加开放，方便地实现各种常规或先进控制策略1-3。1.1.2 液位控制系统研究的意义随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。因而，在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天，开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性耦合系统，是过程控制中的一种典型的控制对象，在实际生产中有着非常广泛的应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时，常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联而使系统构成十分复杂，会明显地降低控制系统的调节品质，在耦合严重的情况时会使各个系统均无法投入运行。液位控制系统液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出、大迟延、非线性、耦合系统，它的液位控制算法的研究对实际的工程应用有着非常重要的意义4。工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出，或者系统的某一个输出受到多个系统输入的影响。有时对该多变量系统进行解耦能够获得满意的控制效果。液位控制系统实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统，用常规的控制手段往往很难实现理想的控制效果，因此对其控制算法进行研究具有非常重要的实际意义。1.1.3 过程控制的发展随着科学技术的发展，工业过程控制系统也不断改变着。尤其是新技术的出现，采用新科技的工业过程控制系统能够极大提高生产率，并产生巨大的社会效益。过程控制系统的发展是一个不断进步的全方位技术升级过程，除了技术的提升以外还有理论的进步和观念的更新。从上世纪50年代以来，过程控制的发展并大致经过了以下几个阶段：直接数字控制（ddc）、分散集中控制(dcs)和基于现场总线的过程控制系统(fcs)。过程控制系统呈现出向网络化、集成化、节点智能化和分布化的方向发展。现场总线是近年来迅速发展起来的一种数据总线。通讯协议采用现场总线技术构成的现场总线控制系统，功能更加分散，系统构成更加灵活，系统可靠性大大提高。现场总线具有的这些技术特点简化了控制系统的结构，提高了系统的准确性和可靠性。但是现场总线技术在其发展过程中又表现出以下的不足：(1)现有的总线标准过多，仅国际标准iec61158就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来。(2)不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成。(3)现场总线专有通信网络的特点注定了它的高成本。(4)现场总线的速度较低，支持的应用有限。出现上述的问题，根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的5-8。1.1.4 工业以太网的发展正当传统的现场总线的发展遭遇到瓶颈时，以太网以其数字式、可互操作、开放性等特点受到越来越多的关注和重视，很多专家学者预测以太网是网络控制系统的发展方向。以太网技术是目前最为成熟，应用最为广泛的一种局域网技术。它是一种总线型局域网，采用带冲突检测的载波侦听多路访问方式(cdma/cd)进行数据传输。这种传输方式原理简单，即一个站点要传送数据时，它首先进行载波侦听，即监听信道，如果这时信道有数据传输，则等待到信道空闲再传送数据。当同时有多个站点侦听到信道空闲并发出数据(多路访问)时，就会发生冲突。为此，每个站点在发送数据的同时进行冲突检测，一旦发生冲突便立即停止数据传输，然后按照二进制数退避算法(beb)退避一段时间来等待冲突平息，接着再侦听信道准备发送数据9、10。和传统的现场总线相比，以太网具有以下优势：(1)开放性好。基于tcp/ip协议的以太网是标准的开放式网络，不同厂商的设备容易互联，非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。以太网是应用最广泛的局域网技术，受到最普遍的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具和平台供选择。(2)成本低廉。由于以太网的广泛应用，以太网的协议和标准受到硬件开发商与生产商的高度重视和广泛支持。目前，已经有了很多价格相对低廉的以太网硬件产品，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。(3)数据传输率高。以太网支持10mbps，100mbps和1gbps的数据传输速率，比目前任何一种现场总线都快：以太网发展到结构化的交换模式后，任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。(4)有利于资源共享。作为主流局域网技术，以太网己经渗透到世界各个角落，其巨大的用户数量所造就的强大的网络资源共享能力，是目前任何现场总线都无法比拟的。以太网能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台和基础构架。(5)可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使得它的发展一直受到广泛的关注和大量的技术投入。以太网支持多种传输介质，用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型等拓扑结构，可扩展性大。信息技术与通信技术的发展和不断成熟，也保证了以太网技术不断地持续向前发展。所谓“工业以太网”是指应用于工业监控领域的以太网，它在技术上与商业以太网兼容。尽管商业以太网具备诸多优点，将以太网应用于工业控制领域存在实时性和可靠性差、有不确定性等问题，这些问题也是阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。但是随着国内外的学者不懈努力，在过去几年中以太网技术取得巨大进步：(l)交换技术的发展与应用，提高了以太网的确定性，使以太网应用于控制系统成为可能。交换式以太网是在源端和交换设备的目标端之问提供一个直接快速的点到点连接。从交换机流入的数据包直接从和它相连的目的端接口流出。这样，在体系结构上和简单的点到点连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。交换式以太网克服了传统以太网的特点，大大提高了网络性能，并解决了网络带宽的问题。(2)各制造商正在研制适应于工业环境的以太网产品以提高以太网硬件的稳定性问题。目前，己有一些厂家推出抗污染、抗震动、防止误接、防水、带导轨、带冗余电源的工业以太网设备。(3)由于受到各大公司的支持，工业以太网应用标准及相关协议得到良好的改进。(4)以太网的传输速度得到了很大的提高，从最初的10mb/s发展到现在的千兆以太网，甚至万兆以太网。在通信量不变的前提下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，实际上也就意味着确定性的提高。因此，随着以太网传输速度的不断提高，以太网的实时性、确定性会有进一步的提高。综上所述，随着以太网速度的不断加快及在确定性、实时性、可靠性方面性能的不断改善，工业以太网毫无疑问将在控制网络中扮演越来越重要的角色，以太网将是过程控制发展的新方向9-13。1.1.5 pid控制器的应用与发展在过去的几十年里，pid控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有pid结构，并且许多高级控制都是以pid控制为基础的14。我们今天所熟知的pid控制器产生并发展于19151940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但pid控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中15。pid控制器作为最早实用化的控制器己有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，pid控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的pid参数工程整定方法是在1942年由ziegler和nichols提出的简称为z-n的整定公式16，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。1953年cohen和coon继承和发展了z-n公式，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的cohen-coon整定公式17。自ziegler和nichols提出pid参数整定方法起，有许多技术己经被用于pid控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规pid参数整定方法及智能pid参数整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量pid参数整定方法及多变量pid参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；按控制量的组合形式来划分，可分为线性pid参数整定方法及非线性pid参数整定方法，前者用于经典pid调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性pid控制器。从目前pid参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：(1)对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的pid参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。(2)对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量pid参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所t需先验信息量，使其易于在线整定。(3)智能pid控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有pid控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和pid控制相结合18，进一步提高控制系统性能。这些都是智能pid控制发展的极有前途的方向。1.2 课题提出的目的及意义计算机技术、通信技术、控制技术的迅速发展，正深刻地改变着人们的生活方式和工作方式，对企业信息化和自动化领域的发展也产生了巨大的影响。随着以太网技术的广泛应用，建网所需的成本不断的降低，基于以太网的各种软硬件开发也日益成熟。另外，以太网的高可靠性和高速率将从根本上解决控制系统的实时性要求。因此，结合以太网实现过程控制系统的远程监控功能己经成为一个重要的研究课题，对基于以太网的远程监控系统这一课题的研究有着重要的现实意义。首先，基于以太网的远程监控系统可以实现现场设备运行数据的实时采集，快速集中数据并进行分析和处理，为整个系统的调度、协调提供可靠的保证。其次，采用基于以太网远程监控，可以实现无人值守，从而节省大量的人力、物力和财力，特别是对于一些条件恶劣、不适宜人工操作的现场环境有着重要的意义。第三，借助于远程监控技术，可以实现设备远程故障诊断。建立实时远程监控系统对设备和生产进行实时监控，对出现的突发事件进行实时响应，确定故障发生的种类和部位，是维护质量、提高管理水平以及提高劳动生产率的真正体现。因此，对于基于以太网的远程监控的研究具有很高的实际应用价值19。液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，就是对某一容器内的液体的进入量或流出量进行控制，从而使液体的高度保持在所希望的数值上。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，尤其在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及。因此，对于液位控制系统进行研究有着很高的实用价值。三容水箱作为典型的液位控制实验对象，通过模拟现代工业生产过程，对箱体的液位进行测量和控制，是一台具有多变量、强耦合、不确定、非线性和大滞后的被控物理模型。工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型,三容水箱系统的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义。对于系统的控制算法，目前工业现场绝大多数仍然是采用pid控制算法及其改进算法，对于简单的线性、时不变系统，数学模型容易建立,采用pid控制能够取得满意的控制效果。1.3 本文主要研究内容三容水箱实验装置模拟了工业现场多种典型的非线性时变多耦合系统，液位是三容水箱控制系统中的重要参数之一，本文就是针对液位参数的控制展开研究。课题设计采用具有以太网功能的adam6000系列模块，构建了以adam-6500模块作为系统的主控制器、以adam-6024模块实现现场数据输入输出的模块化以太网控制系统。设计了以c8051f02o单片机为核心、zne-100t为以太网模块的以太网现场控制模块。论文介绍了三容水箱液位控制实验装置的结构和工作原理，采用机理建模的方法建立三容水箱液位控制装置的数学模型。第二章 三容水箱数学建模随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的意义。三容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，涉及到控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。通过水箱液位的控制系统实验，不仅可以掌握控制理论、计算机、仪器仪表知识和现代控制技术，还可以熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态工作特性。2.1 三容水箱实验装置的硬件结构2.1.1 三容水箱实验装置的结构及工作原理整个三容水箱实验装置由水箱主体、水泵、检测传感装置、执行装置以及电源控制箱组成。水箱主体由3个圆柱型玻璃容器、储水箱及相应管路(包括管路上手动阀)组成，其示意图如图2.1所示。 cv4储水箱水泵121312t1t3t2水泵2 液位传感器 cv3 电动 调节阀 cv1 cv2 lv1 lv2 lv3图2.1 三容水箱实验装置结构图三个玻璃容器tank1(t1)、tank2(t2)、 tank3(t3)通过两个连接阀门cv1和cv2依次连接。三个容器分别通过泄水阀门lv1、lv2和lv3排出容器里的水，排出的水流进下面的回收水槽中，用来供水泵使用，水泵抽出的水通过两个进水阀门进入容器t1和t3，这样就构成一个封闭的回路。系统采用德国威乐和丹麦格兰富两套循环水泵供水，他们都具有噪音低，寿命长等优点，可以减少使用中出现意外。三个水箱各有一个液位传感器，用来测取各自水箱的液位值。由于水箱系统具有滞后的特性，因此可以通过连接阀门和泄水阀门的组合，来模拟具有一阶、二阶、三阶的滞后过程对象。此外，该装置还可以实现另外一个典型的工作状态：双输入双输出耦合对象。管路上的任意一个手动阀门都可作为