基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 工业控制网络工业控制网络 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 基于基于NetLinxNetLinx网络的混矿流量控制系统设计网络的混矿流量控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化132132班班 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2017.1.032017.1.13 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级自动化132班 课程设计 （论文）题 目 基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能：课题完成的功能： 在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。采用罗克 韦尔公司的 NetLinx 三层网络完成混矿流量的控制系统设计，该控制系统的功 能包括： 1、实现皮带秤的启停功能； 2、实现联锁功能； 3、实现混矿流量的控制功能。 设计任务及要求：设计任务及要求： 1、控制系统采用罗克韦尔公司的 NetLinx 三层网络； 2、完成 Ethernet, ControlNet, DeviceNet 网络结构的配置和规划； 3、完成方案设计和 I/O 分配表； 4、完成硬件设计和软件编程； 5、离线运行分析；6、撰写课程设计论文。 技术参数：技术参数： 1、电动机的额定功率 22Kw，额定电压 380V，额定电流 7A，额定转速 1450rpm。 2、混矿的流量范围为 60-80t/h；流量信号变化范围，420mA。 进度计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2 天）； 2、设计系统的结构原理图（1 天）； 3、仪表、控制系统等设备的选型（1 天）； 4、程序开发（4 天）； 5、撰写课设论文（1 天）； 6、设计结果考核（1 天）； 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 摘 要 铝工业对科技、经济、国防和人民生活具有极其重要的意义，氧化铝是电解 铝的主要原料。目前国内配料的操作基本为手动或半自动化操作，依靠人工经验 设定物料配比，物料不能实现准确的计量，生产连续性差，设备运转率低，能耗 大，工人劳动强度大，现已成为企业发展的瓶颈。随着市场竞争的日益激烈，配 料过程自动化对提高企业生产率、提升企业的竞争力有着不可忽视的作用。 本文针对氧化铝生料浆的配料过程，对皮带秤的启停功能，联锁功能和混 矿流量的控制功能进行了探究和实现。在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿 原料输送到球磨机中。采用罗克韦尔公司的 NetLinx 三层网络完成混矿流量的控 制，完成了 Ethernet, ControlNet, DeviceNet 网络结构的配置和规划。根据现场试 验数据，建立了控制器的设计模型，设计了 PI 控制器，通过实现过程控制和过程 监控的信息集成和功能集成，从而实现配料过程控制与管理的自动化。 关键词：氧化铝； NetLinx 三层网络； PI 控制器； 罗克韦尔 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 混矿流量控制系统的方案 .3 2.1 概述.3 2.2 混矿流量控制系统的总体结构框图.3 2.3 流量控制系统的闭环反馈系统结构图.3 2.4 PID 控制算法 .4 第 3 章 NETLINX 网络介绍及配置.6 3.1 NETLINX网络 .6 3.2 NETLINX网络的配置 .7 3.3 RSLINX软件配置.10 3.4 DEVICENET网络的配置.13 第 4 章 系统的硬件设计 .17 4.1 PLC 的选型 .17 4.2 变频器的选型.18 4.3 I/O 模块的选型 .20 4.4 流量计的选型.21 4.5 电动机的选型.23 4.6 混矿流量控制系统的主电路和控制电路图.23 4.7 流量控制系统的 I/O 分配表.25 第 5 章 系统软件设计 .26 5.1 RSLOGIX5000 软件的使用.26 5.2 混矿皮带秤的控制程序.30 5.3 流量控制程序.32 第 6 章 课程设计总结 .34 参考文献 .35 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 在氧化铝的配料过程中，配制生料浆的原料主要有：铝土矿、石灰(或石渣)、 生料煤、碱粉(纯碱)、返回碱液以及生产过程中进入的污水等。其中铝 土矿包括 普矿和高铝矿、高铁矿、低铝矿三种调整矿；返回碱液是后续工艺返回 的碳分母 液和硅渣的混合浆液。它们的化学成分主要是氧化铝、氧化硅、氧化铁、 氧化钙、 氧化钠和固定碳等。 生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在 要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业 的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。 为了使生料浆的碱比控制趋于合理， 针对现有加碱系统的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机改为 皮带秤。改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳定一 次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。 由于生 料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生料浆的 钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式，更多 的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理以及 操作是否精心，所以目前的控制现状非常落后。为了满足工艺要求和实现控制目 标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的赤泥 浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量设定 值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。 在氧化铝的生产工艺中，生料浆的制备是烧结法生产中的一项最重要工序之 一，生料浆的各项指标：水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求， 将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化 铝的溶出率和沉降槽的操作。生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落 后：样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准 确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次 调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和 成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。 配料作为氧化铝生产的第一道工序， 配制生料浆指标的好坏直接关系到熟料 质量的高低，“配料是基础， 烧结是关键”的思想已是广大科技人员的共识。基 于规则的专家系统相对于传统手工计算配比方法，提高了计算速度和配比精度。 但专家系统的知识瓶颈问题使得系统扩展性差，不能适应生产工序变化。 本科生课程设计（论文） 2 生料浆的各项指标：水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求， 将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化 铝的溶出率和沉降槽的操作。生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落 后：样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准 确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次 调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和 成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。 因此，通过对生产中各原料成份的快速分析和保证入磨量的准确计量及配比， 从而实现优化控制达到一次出磨合格，为逐步取消出磨生料在小槽中反复倒槽的 传统工艺，最终实现出磨生料浆经混合槽直接入窑，确保烧结法系统稳产高产、 经济技术指标优化有着极其重要的意义。因此，开发、研制一套实用可靠的生料 浆配料自动控制系统，实现生料浆配料的自动控制势在必行。 生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在 要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业 的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。 为了使生料浆的碱比控制趋于合理，针对现有加碱系统2的状况，需要对目 前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机改为皮带秤。改为皮带秤的好处是加碱量 可按工艺要求严格控制，得以提高、稳定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同 时要对加碱仓及相关设备进行改造。 由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法 对生料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作 方式，更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是 否合理以及操作是否精心。为了满足工艺要求和实现控制目标，不仅需要操作员 对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的赤泥浆流量设定值、碱粉 流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量设定值和碱赤泥浆流量设 定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 混矿流量控制系统的方案 2.1 概述 在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。本系统采用 罗克韦尔公司的 ControlLogix 为控制器，采用罗克韦尔公司的 NetLinx 三层网络， 将流量计检测到的混矿流量反馈给 PLC，通过 PID 调节输出给变频器控制电动机 转速。采用 PowerFlex40 变频器控制电动机。其中，电动机的额定功率 22Kw， 额定电压 380V，额定电流 7A，额定转速 1450rpm；同时，混矿的流量范围为 60- 80t/h。运用工业控制网络及 PLC 等相关知识，设计混矿流量控制系统。同时实现 了皮带秤的启停功能及联锁功能，通过 RsLogix5000 完成梯形图编写。最后通过 离线运行检验系统设计。 2.2 混矿流量控制系统的总体结构框图 采用 ControlLogix 为控制器,通过 PowerFlex40 变频器控制电动机的转速，从 而控制皮带秤的传送速度，来控制混矿浆的流量。系统的总体结构框图如图 2.1 所示： 图 2.1 混矿流量控制系统的总体结构框 2.3 流量控制系统的闭环反馈系统结构图 本系统对流量的控制采用闭环控制，闭环系统的给定值由控制器给定，用流 量计检测流量反馈给控制器 ControlLogix，通过 PI 算法由变频器 PowerFlex40 控 制电动机的转速，从而控制混矿浆的流量。流量控制系统的总体结构图如图 2.2 所示： 控制器 PLC 流量计 变频器电动机 皮带秤 本科生课程设计（论文） 4 图 2.2 流量控制系统的闭环反馈系统结构图 2.4 PID 控制算法 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整 方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结 构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。实 际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微 分计算出控制量进行控制的。 1、比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2、积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差 的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控 制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加， 积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推 动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3、微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成 正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其 原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的 PI D 电机 n* uu* 流量计 变频器 n 本科生课程设计（论文） 5 作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制 器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目 前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分 的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了 被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制 器能改善系统在调节过程中的动态特性。 综上所述，皮带秤电机的转速控制采用工程上常用的 PI 控制，PI 控制的输 入输出关系为： (2-1) 相应的传递函数为： (2-2) (2-3) PI 控制原理图如图 2.3 所示： 图 2.3 PI 控制原理图 )()()( 0 tteItpdKeKtu t S W S K S K K E U sG I I P s s )1( )( 1 )( )( P I I K K W )(SU)(SE )(SC ) 1 1 ( ST K i P 1 0 STS K 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章 Netlinx 网络介绍及配置 3.1 Netlinx 网络 NetLinx 是罗克韦尔自动化利用开放式网络技术制定的从顶层到车间层的无 缝集成策略，其主要思想是将网络系统与设备有机地结合在一起，用以监控生产， 将信息流扩展至整个生产过程，以及利用企业的其他信息，将工厂各个车间连接 成网络，实现过程控制数据与信息方便可靠地在 PLC(可编程控制器)、HMI（人 机界面）、变频器、FCS（现场总线控制系统）、DCS（分布式控制系统）之间 进行交换传递，从而建成一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。 NetLinx 基于三级网络层：信息层、控制层以及设备层。其系统结构如图 3.1 所示，各层网络的功能非常明晰。 (1) 信息层。这一层采用符合标准 TCP/IP 协议的以太网结构，它提供上层计 算机系统通过以太网访问车间级的数据，主要为全厂范围控制系统的数据采集、 监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务，同时可以 使计算机访问使用结构化查询语言（SQL）的开放性数据库。系统管理员可在这 层网络上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产 现场的数据达到实时监控的目标，并对 PLC 提供支持。由于采用了 TCP/IP 协议， 可以方便地将工业控制网络接入企业局域网（Intranet），实现控制系统和 ERP 系统的集成。 (2) 控制层。它在各个 PLC 之间及其与各种智能化控制设备之间进行控制数 据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态，编程和故障处 理，也可以连接各种人机界面产品进行监控。这一层上的网络称作控制网，采用 CIP(Control and Information Protocol)协议和生产者/客户（Producer/Consumer）模 式，这种模式允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据，并共 享数据和信息。控制网主要完成智能化的高速实时控制和 I/O 数据网络以及准确 的数据传输功能,它满足连接 PLC 处理器、HMI 以及其它智能化设备所需的实时、 高信息吞吐量应用的要求。 (3) 设备层。在设备层上采用的设备网，主要把底层的工业设备直接连接到 车间控制器上，并对其进行配置和监视。这种连接无需通过 I/O 模块，即可用方 便而快速的实现与工业现场的大量设备的高速数据的采集，极大地减少了接线。 设备网是一种柔性地、开放性的网络，可与世界上 150 家以上的厂商提供的产品 本科生课程设计（论文） 7 兼容。 NetLinx 与其它工业控制网络相比，具有突出的优点。它采用由 Net (网络) 和 Linx (开放式接口)组成的结构，能更有效地实现系统组态、数据采集和控制。 其中 Net 是基于生产者/消费者的通信模型，定义了一系列超级服务协议；它支持 多播式、事件触发、周期性触发等发送机制；它完全独立于网络介质，可在不同 网络介质中组态。控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企 业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，方便了用户对 系统的组态、管理和维护。这种开放的现场总线网络，集成了多种网络服务，采 用通用的网络协议和开放的软件接口，保证了无缝的信息和控制数据流传输。 图 3.1 NetLinx 架构的三层网络模式 3.2 NetLinx 网络的配置 在 EtherNet/IP、ControlNet 和 DeviceNet 各层网络采用统一的 CIP 协议，该 协议实现了对实时控制数据和非实时监视/组态数据的区别对待，保证了工业控制 的实时性和确定性；同时，也保证了系统中各层设备对象定义的统一和网络服务 的统一，实现了不同网络间数据的完全透明，也保证了用户只需一次培训就可建 立起对于 EtherNet/IP、ControlNet 和 DeviceNet 不同网络上设备通信功能的完整 认识。 1、Ethernet 网络： 本科生课程设计（论文） 8 Ethernet 网络即以太网，它是工厂自动化领域用于信息管理层上的网络，它 的通信速率高，可达 100M bps，以太网模块使 PLC 可以作为工厂局域网的一个 节点，网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制。在罗克韦尔的 PLC 中， 中型机以上的 PLC 才能上以太网，通常有三种机型，CS1 系列、CV 系列、和 C200H 系列。在 CS1 系列和 CV 系列上分别直接装 Ethernet 单元 CS1W- ETN01/11、CV500-ETN01，而在 C200H 上除了必须安装 PC 卡单元 （C200HW-PCS01）外，还必须配置通信板（C200HW-COM01/04）,并用总线单 元将 PC 卡单元与通信板连接起来。OMRON PLC 的 Ethernet 网具有以下功能： 远程编程和监控：在连接到 Ethernet 网络的计算机上运行 CX-Programmer 可以对 所有连接的 Ethernet 网络上的 PLC 进行编程和监控。FINS 信息服务：在 PLC 之 间和 PLC 与计算机之间发送 FINS 信息，使用 Ethernet Fins Gateway 能够不必编 写 FINS 指令程序而直接管理信息。Socket 服务：由 Windows 提供一组函数，允 许用户程序直接调用及使用 TCP 和 UDP 协议，在 Ethernet 网上进行数据传输。 FTP 服务：使用 FTP 在 CPU 单元的存储卡和计算机存储器之间传送文件。Email 服务：当在出错或在预定的时间内，一个标志变为 ON，此时从 PLC 向上位机发 送电子邮件。网络间通信：处在网络上的不同节点可以通过网关通信，通过 FINS 指令可实现跨网络的连接。PLC 通过使 SEND、RECV、CMND 指令跨网并与其 它 PLC 进行通信，网间通信限制在三级网络内进行。 2、ControlNet 网络： 打开 RSLogix5000 编程软件，点击 File （新建），打开 New Controller （新 建控制器）画面。选择控制器类型、版 本和所在槽位（起始槽号从 0 开始） ， 指定框架类型、工程保存目录等相关信息，然后 按 OK。 现在已经创建了一个 ControlLogix 项目。此时我们还没有与项目相关的任何 I/O 模 块，项目中也没有可执行的代码，你正在离线工作。所作的任何改变都只 限于 软件中，并存储在计算机的硬盘驱动中。在进入到在线操作以前，这些变化 并不能反映到控制器中。 接下来是要辨认我们想用在这个项目中的、插在本地 背板上和远程框架上的 I/O 模块。 在本地 4 槽的框架中，有如下设备： 0 号槽： 1756- L61 ControlLogix 处理器模块 1 号槽：1756- ENET 以太网通讯模块，IP 地址为 08 2 号槽： 1756- CNB ControlNet 网络通讯模块，站点地址为 4 。 在远程的 7 槽框架中，有如下设备： 0 号槽：1756- CNB ControlNet 网络通讯模块，站点地址为 5 号槽：1756- IB32/A 32 点 DI 模块 。 2 号槽： 1756-OB16D/A 16 点诊断型 DO 模块 、 本科生课程设计（论文） 9 添加本机架 CNB 通讯模块。鼠标右键点击 I/O Configuration（I/O 组态，位 于左边窗口 的底部） ，并选择 New Module(新模块)。在模块列表中选择 1756- CNB/D。选中之后，按 OK。 本机架 CNB 通讯模块位于 2 号槽，并且在 ControlNet 上的节点是 4（观察自 己的网络 节点，通过模块上的拨码来设置） 。按下图所示填写模块组态信息， 其他接收默认设置，选 择 Finish。 Electronic Keying（电子锁）允许你在 online（在线）之前确定一个物理模块 与软件组态 之间达到何种匹配程度。这种特性可以避免在不经意中将错误的模块 插入错误的槽中。它有 如下三种选择： Compatible Module 物理模块的模块类型(Module Types)、 目录号 (Catalog Number) 以及主要版本号(Major Revision)必须与软件组态匹配， 次要版 本号(Minor Revision)必须 大于等于软件指定的数值，否则 RSLogix 5000 将不接 受所插模块。 Disable Keying RSLogix 5000 不会检查模块版本的匹配情况。 添加远程机架上的 CNB 模块。鼠标右键点击本机架 CNB 模块，选择 New Module。在模块列表中选择 1756-CNB/D。选中之后，按 OK。远程机架 CNB 通讯模块位于 0 号槽，并且在 ControlNet 上的节点是 5；机架类型为 7 槽。 如下图所示填写模块组态信息。 填好之后，按 Next，设置 RPI 时间，在这里我 们接受默认设置 20ms。其他的接受默认设置，选择 Finish。 添加远程 IO 模块。鼠标右键单击远程 CNB 模块，选择 New Module。 在模 块列表中选择 1756-IB32/A，选中之后，按 OK。如下图所示填写模块组态信息。 其他的接受默认设置，选择 Finish。再添加一个远程 DO 模块 OB16D, 如下图所 示填写模块组态信息，然后选择 Finish。 将工程下载运行一下，看看有没有问题。点击主菜单上的 Communication， 选择 Who Active，在路径中选中本地框架中的处理器模块，然后选择 Download。利用菜单将控制器切换到 Remote Run 模式，这样你就可以验证你的 工程了。 双击 RSNetWorx For ControlNet 快捷图标，进入 ControlNet 组态界面。 1) 在工具栏上点击 Online 按钮，选择网络路径后，读取 ControlNet 网络上 所有设备 信息。 选中 ControlNet 网络后，点击 OK。 2) 点击 OK 后，软件会自动读取在 ControlNet 网络上的设备，读取完毕后， 点击 Edits Enabled 进入编辑模式。 3)单击菜单 Network 的 Properties 项进行网络参数设定。改变 Max Unscheduled Address 为 10，然 后点击 “OK”。 4) 单击菜单栏的保存按钮， 本科生课程设计（论文） 10 命名组态文件后选择 Save。 在随后出现的画面中单击 OK 继续，网络组态信息被 写入 CNB 模块。 完成 ControlNet 网络的组态后，我们回到 RSLogix5000 编程界面，在线观察， 发现远 程机架 CNB 模块和 IO 模块上的黄色三角标记已经消失，并且处理器的 I/O 显示 OK。 3、DeviceNet 网络： DeviceNet 作为一种高性能的协议，目前在美国和亚洲的市场上处于领导地 位，其系统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩增长。 DeviceNet 用户组织负责 发布 DeviceNet 规范以及对 DeviceNet 标准进行维护。现在，最新版本的 DeviceNet 2.0 标准提供了更多的功能并修正了旧版本中的一些错误。 DeviceNet 协议设计简单，实现成本较为低廉，但对于采用最底层的现场总 线的系统性能极高。DeviceNet 设备涉及的范围从简单的光电开关一直到复杂的 半导体制造业中的用到的真空泵。就像其他的协议一样。因此，这种通信是基于 面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样，DeviceNet 既可以工 作在主从模式，也可以工作在多主模式。 DeviceNet 的报文主要分为高优先级的进程报文（I/O 报文）和低优先级的管 理报文(直接报文)。两种类型的报文都可以通过分段模式来传输不限长度的数据。 所谓的预定义主/从连接集适用于简单的 DeviceNet 从站设备。作为 DeviceNet 协议的子集，它支持从主站到从站传送的直接报文，轮询 I/O 报文，位选通 I/O 报文以及由从站向主站传送的状态变化/循环 I/O 报文。设备启动报文和设备关闭 报文是特别为安全相关系统设计的离线连接设置则简化了对非常规组件的配置 工作。 DeviceNet 的通信和应用都是基于对象模型的。预先定义好的对象简化了不 同厂商的不同设备间的数据交换。通过建立不同设备的子集，用户可以从进一步 的规范化中获益。除第 7 层（应用层）外，DeviceNet 规范还对一部分第 1 层 （收发器）以及第 0 层（传输介质）进行了规定，这就为 DeviceNet 节点的物理 连接提供了标准。协议对连接器、电缆类型、电缆长度以及基于通信的显示、操 作元素及其相应的封装形式等等都进行了规定。 3.3 RSLinx 软件配置 用于 Rockwell Automation 网络和设备的 RSLinx Classic 是针对使用以下操 作系统的全面工厂通信解决方案： 入 Microsoft Windows XP、XP SP1 或 XP SP2 本科生课程设计（论文） 11 入 Microsoft Windows Server 2003 SP1 或 R2 入 Microsoft Windows 2000 或 SP4 它使 Allen-Bradley 可编程控制器可访问各种 Rockwell Software 和 Allen- Bradley 应用程序。程序范围包括设备编程和配置应用程序（如 RSLogix 和 RSNetWorx）、HMI（人机接口）应用程序（如 RSView32）和使用 Microsoft Office、网页或 Visual Basic 的数据采集应用程序。RSLinx Classic 还加入了先进 的数据优化技术，并包含一套诊断机制。其应用程序编程接口 (API) 支持用 RSLinx Classic SDK 开发的自定义应用程序。RSLinx Classic 既是 OPC 数据访 问兼容服务器，也是 DDE 服务器。 在进行编程之前先要配置一条 RSlinx 网络，以便进行硬件的组态。配置网络 的过程如下： 第一步：选择软件 RSLinx Classic 进行网络配置。选择“开始程序 Rockwell SoftwareRSlinxRSlinx Classic”打开软件。路径如图 3.2，界面如 图 3.3 所示： 图 3.2 RSlinx Classic 软件路径图 本科生课程设计（论文） 12 图 3.3 RSlinx Classic 软件界面 第二步：软件打开后左键单击第三个图标 。显示下图界面，在选择框中 选择 EtherNet/IP Driver 网络类型，如图 3.4 所示，并为配置的网络命名，然后点 击添加网络。这样网络便配置好了。如图 3.5 所示： 图 3.4 Configure Drivers 对话框 图 3.5 网络命名对话框 第三步：查看配置好的网络。在主界面中左键单击图标 ，会显示出刚 刚配置好的网络中的一切设备，及设备的相关信息如图 3.6 所示。在图 3.7 中 3 的 IP 地址下面的 L61 控制器，即为本次选用的控制器所在网络中的 位置。在控制器下面的 00 槽为控制器，04 槽为 1756-OW16 型号的 16 点数字量 输出模块，07 槽为 1756-IB16 型号的 16 点数字量输入模块，用于连接传感器信 本科生课程设计（论文） 13 号，03 槽为 1769-DNB 模块，用于连接变频器以驱动电动机。 图 3.6 总体网络图 图 3.7 控制器位置图 通过以上三个步骤即可配置完成一条网络，网络配置完成之后即可使用编程 软件对生产线进行编程，并且通过配置好的网络进行程序的下载，模拟运行。值 得注意的是，建立网络会占用网络资源，所以仅建立需要用到的网络即可，不要 多建其他不必要的网络。 本科生课程设计（论文） 14 3.4 DeviceNet 网络的配置 1.启动 RSNetWorx For DeviceNet 软件 在开始菜单栏的程序栏中依次选择 Rockwell SoftwareRSNetWorx启动 RSNetWorx For DeviceNet 软件。启动界面如图 3.8 所示： 网络 图 3.8 RSNetWorx For DeviceNet 启动界面 2.与 DeviceNet 网络通信 启动 RSNetWorx For DeviceNet 后，在图 3.8 所示的软件界面中打开 Network 菜单，点击 Online 或直接点击常用工具栏中的 图标。在随即弹出的 Browse for network 对话框中选择 AB-ETHIP-2，Ethernet 驱动程序，如图 3.9 所示。然后 依次点击 3 和 Backplane,1756A10 前面的加号，并在 Backplane 下拉列 表中打开 03,1756-DNB，1756-DNB DeviceNet 扫描器模块前的+号，选中 A，DeviceNet,然后点击 OK 按钮。浏览结束后即可看到如图 3.10 所示的 DeviceNet 网络上的设备。 本科生课程设计（论文） 15 图 3.9 Browse for network 界面 图 3.10 DeviceNet 网络上的设备 3.配置 1756-DNB/A 设备网络扫描器模块 用鼠标双击图 3.10 中的 1756-DNB 设备网络扫描器图标，将出现 1756- DNB/A 扫描器模块属性对话框。将 Module 选项卡中的 Slot 设置为 3，如图 3.11 所示，然后点击“应用”和“确定”按钮完成模块节点和槽号的配置。 图 3.11 1756-DNB 模块属性设置界面 4.配置 DeviceNet 节点上的 I/O 参数 在图 3.11 中点击 Scanlist 按钮，选择 Available Devices 中的 63 号节点的 本科生课程设计（论文） 16 PowerFlex40 变频器，再点击按钮完成变频器的选择，如图 3.12 所示： 图 3.12 1756-DNB 扫描器 I/O 列表对话框 5.设置完以上 4 个步骤后，点击存盘，如图 3.13 所示： 图 3.13 存盘属性对话框 经过以上 5 步 DeviceNet 网络基本配置完毕。 本科生课程设计（论文） 17 本科生课程设计（论文） 18 第 4 章 系统的硬件设计 4.1 PLC 的选型 ControlLogix 是罗克韦尔自动化 Logix 控制引擎系列中最具代表性的产品。 从外表看起来似乎是像一个可编程控制器系统，但是实际上它却远远超越了传统 意义上的 PLC 系统。ControlLogix 体系结构是最新科技的多控制律集成控制平台， 是先进的混成控制，可以完成顺序控制、运动控制、传动控制和过程控制。 ControlLogix 系统的模块化的 I/O、内存及通信接口为用户提供可一种即可组 态又便于扩展的系统。用户可以根据需要灵活多变配置所需要的 I/O 数量，内存 容量以及通信网络。以后当用户需要进一步扩展系统时，可以随时添加 I/O，内 存及通信接口。ControlLogix 允许用户带电插拔系统中的任何模块，而不会对模 块造成损坏。 ControlLogix 系统主要用于大型系统的应用。ControlLogix 在简单易于使用的 环境下，实现了卓越的性能，堪称业内典范。ControlLogix 控制器最大存储容量 可达 8 兆，支持过程密集型的应用和快速运动控制应用。可以根据应用要求，选 用不同存储容量的控制器。CompactFlash 卡可做程序的移动存储。多种处理器、 多种通讯模块和 I/O 可以混合使用，不受限制。不需要处理器执行 I/O 的桥接和 路由，随着系统的增大，可用网络把控制分布到另外的机架。ControlLogix 适合 顺序、过程、传动和运动控制的模块化、高性能控制平台：每个 ControlLogix 处 理器可以执行多个控制任务，减少所需要的控制器个数，这样，排错更快。可以 分别触发多个周期任务以便达到更高的性能水平。 不加限制地混合多个处理器、网络和 I/O：ControlLogix 平台的高性能，一部 分源于作为快速 NetLinx 网络操作的 ControlLogix 背板。ControlLogix 处理器， I/O 和通讯模块就象网络上的智能节点。 通用的编程环境和 Logix 控制引擎：无 论选用的平台和网络，通过使用通用的控制模型，都可以降低系统成本，简化集 成。组态和编程是一致的，这样，不论开始的程序开发还是长远的系统维护，都 可以少花力气。 连接到 NetLinx 开放式网络结构: 在全厂范围内，从车间到管理 层，从互连网到电子化制造应用，信息全部无缝通讯。 I/O 模块种类繁多：模拟 量、数字量和专用 I/O 模块满足应用要求。ControlLogix 处理器提供模块化用户 内存（750K 到 8M 字节）能解决大量 I/O 问题（4000 点模拟量和 128000 点数字 量）。可以控制本地和远程 I/O。处理器可以通过 EtherNet/IP、 ControlNet、 DeviceNet 和 Universal Remote I/O 监控 I/O。 当在 ControlLogix I/O 机架内有多 本科生课程设计（论文） 19 个处理器模块，甚至在 ControlNet 网内有多个处理器模块时，所有的处理器都可 以从所有的输入模块读到输入值。任何一个处理器都可以控制任何特定的输出模 块。通过系统组态指定每个输出模块由哪个处理器控制。ControlLogix 平台是机 架式模块化安装。ControlLogix I/O 是背板安装的。电源直接安装在 ControlLogix I/O 机架的左端。ControlLogix I/O 机架有 4、7、10、13 或 17 槽之分。模块的安 装完全和槽号无关；任何模块都可以安装在 ControlLogix I/O 机架的任意槽。 ControlLogix I/O 模块的最大通道数是 32 通道。每个模块的可卸端子块的机械键 控防止向模块施加错误的电压。不需要断开连线就可以更换 I/O 模块。 综上所述，本系统的控制器选择 L61 型号控制器，如图 4.1 所示： 图 4.1 ControlLogix L61 型控制器 4.2 变频器的选型 根据控制要求和生产成本的限制，本系统选用 PowerFlex40交流变频器， PowerFlex40 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列本系列有多种型号额 定功率范围从120W 到200kW 恒定转矩CT 控制方式或者可达250kW 可变转矩 VT控制方式供用户选用本变频器由微处理器控制 并采用具有现代先进技术水平 的绝缘栅双极型晶体管IGBT 作为功率输出器件因此它们具有很高的运行可靠性 和功能的多样性其脉冲宽度调制的开关频率是可选的因而降低了电动机运行的噪 声全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护，如图4.2所示： 本科生课程设计（论文） 20 图 4.2 PowerFlex40 变频器 PowerFlex40 具有缺省的工厂设置参数它是给数量众多的简单的电动机控制 系统供电的理想变频驱动装置由于PowerFlex40 具有全面而完善的控制功能在设 置相关参数以后它也可用于更高级的电动机控制系统。 PowerFlex40既可用于单机驱动系统也可集成到自动化系统中PowerFlex40一 贯地共同遵守相同的设计原则。在所有功率范围中的装置(变频器、逆变器)和系 统元件(整流单元、制动单元)都有一个统一的设计和相同的接线原则。它们能以 任何方式组合并能并联安装以 满足传动系统各种要求。PowerFlex40矢量控制的 变频器是采用IGBT元件、全数字技术 的电压源型变频器。甚至可带有具有不同 控制方式的单元，并且在设计上也是统一的。它同西门子三相交流电动机一起为 所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解决方案。由于把所有的部 件都集成到数字环境中， 从而使得配置和服务变得更加简单，而且工程费用也 大大减少。 对于 PowerFlex40矢量控制而言，最新的模块化以及具有分布式智能 化的部件都使使用更具灵活性。 PowerFlex40经过设计，已进行彻底的统一：它们拥有统一的操作员控制方式， 可根据需要进行组合，甚至可带有具有不同控制方式的单元，并且在设计上也是 统一的。不管是单个驱动器还是多电机驱动器，它们始终会以系统模块的形式提 供最佳解决方案。 1、PowerFlex40功能特点： 本科生课程设计（论文） 21 1)可进行模块化扩展，使用操作员控制面板、终端扩展模块、制动模块、输 入和输出滤波器，转速和转矩精度较高。 2)具有优异的动态性能，在低转速下具有极平稳的运行特性。具有较高过载 能力，具有最佳性价比。 3)工业型变频器，比通用型产品更适合于环境恶劣的工业生产现场。 4)标准化及模块化。整个变频器的结构非常紧凑，主板及扩展板都是通过总 线插槽连接，各组件接近，便于维修。由于集成度的提高，使装置具有很高的可 靠性。 5)抗干扰性好，运行可靠。不受元件老化和温度漂移的影响，能长期保持稳 定的控制精度。 6)适应电源电压波动范围广，能自动适应电网频率变化25-60HZ。 7)具有很强的自诊断处理功能，提供有关故障原因的补充信息，使故障排除 更为简单，维修方便。 8)灵活多变的通讯能力。可采用USS， PEER TO PEER、PROFIBUS- DP，CAN，等多种方式通讯及联网。 9) 32位CPU全数字控制，组态功能丰富。可针对具体交流电机进行优化，以 达到优良的控制性能。 10) 易于安装参数设置和调试，易于调试，牢固的EMC 设