（控制理论与控制工程专业论文）海上油井输油管道温度远程监控系统的研究.pdf

7 i at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o r t e m p e r a t u r e o fo i lp i p e l i n eo fo f f s h o r e 、l l b yw a n gy u n s h e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gm i n g s h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 靴敝储獬：矽 e t 期：加5 、7 7 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：互幺声 签字日期：加g 7 7 导师繇荔，弓频 签字日期： 舢孑- 7 。j 7 r 一 耖舌 东北大学硕士学位论文摘要 海上油井输油管道温度远程监控系统的研究 摘要 随着计算机网络技术的普及，世界范围内的产业结构发生了根本性的变革，促进了 全球信息化的发展，在工业控制领域，控制网络技术已经成为自动化技术研究的热点。 以太网技术作为一种功能强大的通信技术已经广泛的应用于办公自动化和数字商务领 域，正在向工业自动化、仪表自动化和楼宇自动化等领域发展。 随着信息技术的迅猛发展，石油工业与其它工业领域同样在向智能化和信息化发 展。与发达国家相比我国石油开采技术水平还有一定差距，大多数数据采集依靠人工完 成，油井现场的数据还不能实现无缝上传，无法实现高效的采油调度管理。而对于油气 资源的海洋开发来说，由于海上自然条件的特殊性，采油平台设计空间有限，生产管理 方式要求平台管理人员越少越好，直至无人值守，为此必须实现对采油平台的远程监控。 因此迫切的需要一种低成本的以太网解决方案。本文正是基于这种考虑，提出了一种低 成本、高精简度的嵌入式以太网解决方案。 春秋季节海上气温一般是在8 c 1 0 c ，石油在这一温度下是比较黏稠的，这不利于 石油在输油管道中的传输。为此，本文设计了一种具有以太网接1 ：3 的智能温控仪表，实 现了对输油管道温度的控制和远程监视，使石油的温度保持在一定的温度范围之内( 一 般是在2 6 c 左右) ，达到便于石油输送的目的。这里对输油管道的温度控制采用的是模 糊自适应p i d 控制算法，取得了很好的控制效果。 关键词：远程监控；嵌入式以太网；温度控制；模糊自适应p i d 控制 一i i l a b s t r a c t e m o t e m o n i t o r i n gf o rt e m p e r a t u r e o f p i p e l i n eo f o f f s h o r ew e l l a b s t r a c t w i mt h ep o p u l a r i t yo fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ew o r l d si n d u s t r i a ls t r u c t u r e t r a n s f o r m sf u n d a m e n t a l l ya n dp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fg l o b a li n f o r m a t i o n i nt h ef i e l do f i n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h en e t w o r kt e c h n o l o g yo fc o n t r o lh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ho fa u t o m a t i o n t e c h n o l o g y a sp o w e r f u lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ee t h e m e tt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y u s e di no f f i c ea u t o m a t i o na n di nt h ef i e l do fd i g i t a lb u s i n e s s ，a n di sd e v e l o p i n gt oi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n ，i n s t r u m e n t a t i o na u t o m a t i o n ，b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，e t c f i e l d s w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , o i li n d u s t r i a la r e ai st h es a m e w i mo t h e ri n d u s t r i a la r e a sw h i c ha r ed e v e l o p i n gt oi n t e l l e c t u a l i z a t i o na n di n f o r m a t i o n i z a t i o n c o m p a r e dw i t hd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，c h i n e s eo i le x p l o i t a t i o ns t i l le x i s t sac e r t a i ng a pb e t w e e n t h et e c h n i c a ll e v e l s ，s i n c em o s td a t ai sc o l l e c t e db yh a n d i w o r k ，a n dd a t ao ft h eo i lw e l l ss c e n e c a n n o tb es e a m l e s s l yu p l o a d e d ，s ot h ee f f i c i e n tm a n a g e m e n to fo i lp r o d u c t i o na n dd i s p a t c h c a n n o tb ea c h i e v e d b u ta sf o rt h eo c e a nd e v e l o p m e n to fo i la n dg a sr e s o u r c e s ，b e c a u s eo ft h e m a r i n en a t u r a lc o n d i t i o n sp a r t i c u l a r i t ya n dt h el i m i t a t i o no ft h ed e s i g ns p a c eo fo i l p r o d u c t i o np l a t f o r m ，t h el e s st h ep l a t f o r ma d m i n i s t r a t i v ep e r s o n n e lr e q u i r e db yt h ep r o d u c t i o n m a n a g e m e n tm e t h o di s ，t h eb e t t e r t h ec o n d i t i o ni s ，u n t i l u n a t t e n d e d f o rt h i sr e a s o n ，t h e p l a t f o r mn e e d st ob em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e dr e m o t e l y , a n da l o w - c o s te t h e r n e ts o l u t i o ni s u r g e n t l yn e e d e d t h e r e f o r , al o w - c o s te m b e d d e de t h e m e t s o l u t i o ni sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h em a r i t i m et e m p e r a t u r ei ns p r i n ga n da u t u m ns e a s o ni sg e n e r a l l yb e t w e e n8a n d10 d e g r e ec e n t i g r a d e ，a n do i li np i p e l i n ei sr e l a t i v e l ys t i c k yi nt h i st e m p e r a t u r e ，w h i c hi s n o t c o n d u c i v et ot h ed e l i v e r yo fo i l f o rt h i sr e a s o n ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sa ni n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r o li n s t r u m e n t a t i o nw i t ht h e i n t e r f a c eo fe t h e m e t ，s ot h er e m o t em o n i t o r i n go f t e m p e r a t u r eo fo i lp i p e l i n e i s r e a l i z e d ，w h i c hm a i n t a i n so i lt e m p e r a t u r e a tac e r t a i n t e m p e r a t u r er a n g e ( g e n e r a l l ya r o u n d2 6d e g r e ec e n t i g r a d e ) ，t o a c h i e v et h ea i mo fo i l t r a n s m i s s i o n a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sa p p l i e dt oo i lp i p e l i n et e m p e r a t u r e c o n t r o l ，a n daf i n ec o n t r o l l i n ge f f e c ti sr e a c h e d k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ；e m b e d d e de t h e m e t ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；a d a p t i v ef u z z y p i dc o n t r o l - i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a bs t r a c t 第1 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 课题的背景和意义1 1 3 远程监控技术的研究现状2 1 4 本文的内容编排 第2 章以太网控制系统。 2 1 以太网概述 5 5 2 2 工业以太网。6 2 3 嵌入式以太网分布式控制系统8 第3 章输油管道温度控制算法研究与设计1 1 3 1 温度控制策略研究l1 3 1 1 数字p i d 控制算法1 2 3 1 2 模糊自适应p i d 控制算法。1 3 3 2 模糊自适应p i d 控制器设计1 4 3 2 1 确定系统的输入输出变量1 4 3 2 2p i d 参数模糊调整规则1 6 3 2 3 模糊推理及解模糊化。17 3 3 基于s i m u l i n k 的模糊p i d 控制器仿真分析2 0 3 3 1 创建模糊p i d 控制器 2 0 3 3 2 仿真比较与分析21 3 3 3 结论 一i v 东北大学硕士学位论文目录 第4 章嵌入式以太网远程监控系统设计2 3 4 1 嵌入式以太网远程监控系统总体设计2 3 4 2 智能节点控制级设计2 4 4 2 1 智能节点的硬件设计2 4 4 2 2 智能节点的软件设计 2 8 4 3 监控及网络管理级设计3 6 4 3 1 上位机监控设计 4 3 2 网络管理设计3 8 第5 章嵌入式w e b 服务器设计4 1 5 1 嵌入式w e b 服务器介绍4 1 5 2c g i 技术 5 2 1c g i 工作原理。4 2 5 2 2c g i 与h t t p 的关系。4 3 5 3 嵌入式w e b 服务器的实现4 3 5 3 1 开发w e b 浏览器接口4 3 5 3 2 设计w e b 服务器内容4 5 第6 章海上油井输油管道温度远程监控实现4 9 6 1 智能温控仪表的硬件设计4 9 6 。1 1 温度检测电路设计 4 9 6 1 2 控制量输出电路设计5 0 6 1 3 加热装置的选择5 2 6 2 智能温控仪表的软件设计5 2 6 2 1 控制系统软件设计思想5 2 6 6 2 2 软件设计流程图5 3 6 2 3 上位监控设计5 5 第7 章总结与展望 参考文献5 9 致词j 。6 3 一v 一 一v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着国民经济的快速发展，我国对石油的需求持续增长，从1 9 9 3 年开始，中国成 为石油净进1 2 1 国，进口量逐年增加，2 0 0 4 年我国石油进口量为1 2 亿吨。据预测，2 0 1 0 年我国进口石油预计将达到2 亿吨左右，中国已经成为全球第二大石油消费国。随着经 济的发展，中国石油的进口仍将逐年加大。然而，我国陆上油气资源勘探开发的形势严 峻，石油产量增长缓慢，大多数东部主力油田陆续进入产量递减阶段，而且开发难度大、 成本高，能源短缺已在很大程度上成为阻碍我国经济发展的重要因素。然而，在中国约 3 0 0 万平方公里的管辖海域中，2 0 0 米水深范围以内的近海大陆架面积约1 3 0 万平方公 里，其中蕴藏着丰富的石油和天然气资源，据地质学专家预测，我国海洋石油资源约为 2 3 7 亿吨，天然气资源量1 5 8 万亿立方米。我国油气资源勘探开发转向海洋已刻不容缓。 1 2 课题的背景和意义 随着计算机网络技术的普及，世界范围内的产业结构发生了根本性的变革，促进了 全球信息化的发展，在工业控制领域，控制网络技术已经成为自动化技术研究的热点 【1 4 】。以太网技术作为一种功能强大的通信技术已经广泛的应用于办公自动化和数字商 务领域，正在向工业自动化、仪表自动化和楼宇自动化等领域发展【5 7 j 。 随着信息技术的迅猛发展，石油工业与其它工业领域同样在向智能化和信息化发 展。与发达国家相比我国石油开采技术水平还有一定差距，大多数数据采集依靠人工完 成，油井现场的数据还不能实现无缝上传，无法实现高效的采油调度管理。而对于油气 资源的海洋开发来说，由于海上自然条件的特殊性，采油平台设计空间有限，生产管理 方式要求平台管理人员越少越好，直至无人值守，为此必须实现对采油平台的远程监控。 因此迫切的需要一种低成本的以太网解决方案【8 川】。本文正是基于这种考虑，提出了一 种低成本、高精简度的嵌入式以太网解决方案。通过建立基于嵌入式以太网的海上油井 远程监控系统，实现海上油井数据的实时传送和信息网络的无缝链接，形成石油生产管 理与监控一体化的信息网络【1 2 13 1 。海上油井信息传输原理如图1 1 所示。 春秋季节海上气温一般是在8 。c i o 。c ，石油在这一温度下是比较黏稠的，这不利于 输油管道中石油的传输。为此，本文设计了种具有以太网接口的智能温控仪表，实现 了对输油管道温度的控制和远程监视，使石油的温度保持在一定的温度范围之内( 一般 是在2 6 。c 左右) ，达到便于石油输送的目的。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生产平台二级控制室 生产平台二级控制室 生产平台二级控制室 人工岛中央控制室 图1 1 海上油井信息传输原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no fo f f s h o r ew e l l s 目前工业以太网和工业网络互连己经成为国内外争相研究的重点，但绝大多数都是 以1 6 位或3 2 位微处理器为开发对象，而针对8 位微处理器的t c p i p 协议栈的研发极 少，仅有的类似研发也主要是以学术研究为主要目的【1 4 1 6 1 。本文以8 位微处理器 c 8 0 5 1 f 1 2 0 为开发对象，同时在8 位单片机上实现了w e b 服务器的功能，实现了当今 十分流行的b r o w s e r s e r v e r 的通信模型1 7 2 0 1 。而且在以太网控制芯片选择上，没有选择 常用的工业以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 ，而选择了c p 2 2 0 0 ，因为c p 2 2 0 0 比r t l 8 0 1 9 更 适合工业应用。 1 3 远程监控技术的研究现状 随着经济的全球化和信息技术的广泛应用，计算机网络得到飞速的发展，网络技术 也得到广泛的应用，建立远程监控系统已是一个必然趋势。远程监控技术是计算机网络 技术和监控技术的结合。目前，远程监控技术在医疗诊断中的应用、发展较为完善，但 在工业控制、设计行业的发展和应用则较为缓慢。 监控技术经历了三个发展阶段：单机监控系统，即用单台计算机进行设备的监控； 集中式监控系统，由多台计算机组成，由其中一台计算机对其他多台计算机进行监控； 集散型监控系统发展到网络范围内的远程监控。现在，远程监控技术正处于积极研究、 发展、应用的探索中，并且已有相应的应用系统使用【2 1 啦】 对于远程监控技术，国内外都展开了积极的研究。国外对远程监控技术的研究起步 较早，1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 工学院联合主办，这次会议得到了制造业、计算机厂商、网络行业和仪表行业等许多大 公司的热情支持，如s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等【2 9 1 。随后，由这些公司合作共同 推出了一个实验性的系统t e s t b e d ，该系统可以初步在i n t e r n e t 网络中实现信息监控和 故障会诊，但该系统实验结果与设计目标相去甚远，只是起到了一种研究的作用。许多 著名的国际组织如s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、 m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 等，也展开了对远程 监控技术的研究，并提出、建立了一定的数据交换和信息处理的标准f 3 0 】。n a t i o n a l i n s t r u m e n t 公司在它的产品l a b v i e w 中加入了网络通信处理模块，可以在网络范 围内实现监控数据的传送【3 。在国外，对远程监控技术的研究已从理论研究阶段过渡到 开发应用阶段，如已成功地应用在输油管线的远程监控、工业过程远程监控以及楼宇的 智能化监控等系统中。 目前，我国正处于i n t e r n e t 发展的初级阶段，对于远程监控技术也展开了积极的研 究，主要集中于各大学。如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及 故障诊断系统( r m m d ) ”，华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统( k b g m d ) ”， 哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统( m m m d e s ) ，合肥 工业大学的“全球范围的智能网络数控系统( i n e t - c n c ) 等【3 2 出】。 当前远程监控技术的发展有如下特点： ( 1 ) 硬件、软件采用模块式、分布式结构性能良好的操作系统、数据库管理系统以 及成套的软件开发包为用户的开发和使用带来了极大的便利，并逐渐走向开放化、标准 化。 ( 2 ) 通信网络化和通信网络技术的应用使得设备之间及设备与监控计算机之间的信 息交换更方便。 ( 3 ) 通信质量的提高对远程监控系统有重大影响，目前许多单位都在对如何提高通 信质量问题进行研究。 ( 4 ) 工作站采用高性能的微机，高性能微机处理能力强、速度快、容量大而且有支 持多网络的特点，为提高系统运行和联网性能奠定了基础。远程监控能够实现信息的快 速采集、综合处理，利用及时的信息提高管理决策水平。随着社会生活的自动化，特别 是一大批智能设备的出现，远程监控的应用领域将越来越广。 1 4 本文的内容编排 本文章节的总体安排如下： 第一章为绪论，提出课题的背景和意义。 第二章对以太网技术进行了介绍，并给出了嵌入式以太网分布式控制系统的结构。 一气一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第三章对海上油井输油管道温度控制算法进行了研究，并对控制算法进行了设计和 仿真验证，仿真结果表明本文设计的温度控制算法是可行的。 第四章设计了一种嵌入式以太网远程监控系统，该监控系统由智能节点控制级，监 控及网络管理级和远程监控级三级组成。对智能节点控制级和监控及网络管理级进行了 设计，其中对智能节点控制级的设计是本文的主要工作。 第五章针对智能节点控制器所具有的w e b 服务器功能，对嵌入式w e b 服务器进行 了研究和设计。 第六章设计了一种具有以太网接口的智能温控仪表，实现了对海上油井输油管道温 度的远程监控。该智能温控仪表是智能节点控制器的一个具体应用，本章对该智能温控 仪表的硬件和软件进行了较详细的设计。 第七章对课题所作的工作进行了总结，并提出了目前工作的不足和进一步要进行的 研究工作。 一4 一 l 第2 章以太网控制系统 第2 章以太网控制系统 计算机控制技术、通信技术被引入到工业控制领域，引发了传统工业控制领域的变 革，向网络化信息化方向发展。控制系统的结构从计算机集中控制，到第二代集散控制 系统，发展到现在的现场总线。通信技术的进入和现在管理系统的普及催生了以太网和 控制网络的结合。基于以太技术的控制网络符合控制网络的这一发展趋势，是未来控制 网络的发展方向。本文设计的远程监控系统就采用了以太网技术。 2 1 以太网概述 以太网技术最早是由x e r o x 开发，后经数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、i n t e r 公司联合扩展，并于1 9 8 2 年公布了基于以太网规范的e i e e 8 0 2 3 。按i s o 开放系统互联 参考模型的分层结构，考虑到一些因素，以太网规范只取了通信模型中的物理层和数据 链路层。而现在人们所指的以太网技术，不仅包含了物理层和数据链路层的以太网规范， 还包括了t c p i p 协议组，即包含了网络层的网际互连协议i p 、传输层的传输控制协议 t c p 、用户数据报协议u d p 等，有时甚至把应用层的简单邮件传输协议s m t p 、域名服 务d n s 、文件传输协议t f p 、超文本链接h t t p 、动态网页技术等都与以太网技术捆绑 在一起。以太网与o s i 参考模型的对照关系如图2 1 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用协议 t c p i j i ) p i p 以太阿m a c 以太阿物理层 图2 1 以太网与o s l i s o 参考模型的对照 f i g 2 1t h ec o n t r a s to fe t h e m e ta n do s i i s or e f e r e n c em o d e l 从图中可以看到，以太网的物理层与数据链路层采用了i e e e 8 0 2 3 规范，网络层与 传输层采用了t c p i p 协议组。以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点， 不但基本垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域( 以前主要集中在企业管理 层) 也得到了大规模的应用。“以太网作为开放式的、非专有的、企业标准局域的发明， 也许比以太网技术本身的发明更重要。 目前，以太网技术有着以下的优势【3 5 】： ( 1 ) 应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语 一5 一 东北大学硕士学位论文第2 章以太网控制系统 言都支持以太网的应用开发，如j a v a 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等等。因此，使用以太 网可以保证有多种开发工具、开发环境可供选择。此外，以太网作为一种标准的开放式 网络，不同厂商的设备很容易互联，这种特性正好解决了现场总线控制系统中设备间互 操作性的问题。 ( 2 ) 成本低廉。以太网应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与 广泛支持，已有多种硬件产品可供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。 ( 3 ) 通讯速率高。目前1 0 0 m b p s 的快速以太网己开始广泛应用，1 0 0 0 m b p s 以太网 技术也逐渐成熟，1 0 g b p s 以太网也正在研究中，通讯速率比现场总线快很多。 ( 4 ) 软硬件资源丰富。由于以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用有着 很多的开发经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著的降低系 统的开发和培训费用，从而显著的减少系统的整体费用，并大大加快系统的开发和推广 速度。 ( 5 ) 资源共享能力强。随着i n t e m e t i n t r a n e t 的发展，以太网已经渗透到各个角落， 网络上的用户，无论处于什么地方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的 程序、设备和数据，也就是说，用户使用千里之外的数据就像使用本地数据一样，它解 除了资源“地理位置上的束缚”。 ( 6 ) 可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视 和大量的技术投入；并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上 依赖一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加 成熟，由此保证了以太网不断地持续向前发展。 由上可见，如果采用以太网作为工业控制网络，可以避免现场总线技术游离于计算 机网络技术之外，从而实现现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证 技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入，这一点是任何现有现场总 线技术所无法比拟的。 2 2 工业以太网 以太网技术自身只提供了一系列的物理介质定义和一个共享的框架，框架包括物理 介质，简单的帧格式和局域网内设备数据包传输的寻址方式。依据i s o o s i 开放系统互 联7 层参考模型，以太网仅提供了物理层和数据链路层协议。因此，所有以太网都可以 支持开发在其之上的一种或多种上层协议，实现数据传输和网络管理功能。从而产生一 种基于控制和信息协议( c i p ) 的新型以太网一一工业以太网，使用上层协议连接网络上的 多种设备。 t c p i p 协议集是为两个在以太网上的设备提供相互通信的服务，但不保证两个设备 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章以太网控制系统 间的有效通信，只能确保应用层信息能在两个设备间传输。在商业领域，它的互操作性 由i n t e m e t 应用层的文件传输( f t p ) 、终端仿真( t e l n e t ) 、电子邮件( s m t p ) 、超文本传输 ( h t t p ) 和其它公共协议保证。但在工业控制领域情况却不然，由于目前尚无统一标准的 应用层，采用以太网t c p f i p 的自动化产品厂商都有自己专有的应用层，这就使连接在 同一控制系统的以太网的不同厂商设备可以物理共存，但不能互操作，所以目前多个组 织正在为工业控制领域的t c p i p 规定公共的应用层协议。 其中之一是为传输控制协议用户数据协议网际协议( t c p u d p i p ) 定义的，是基于 主机客户机的控制和信息协议c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) p6 | 。这种以太网的 c i p 是专为工业控制设计的。这种方法是一种基于对象的方法，包括体系结构、数据类 型、服务器等。它是独立于特定网络的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的 服务集，其对象类型如图2 2 所示。 图2 2 控制和信息协议结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fc i p c i p 提供给以太网用户显式( 信息) 和隐式( 控制) 的报文服务，有一个健壮的、不断增 加的对象库，为控制提供了完整的服务。对象的定义是严格的，它支持同一网络的实时 i o 通信、组态和诊断，用户不需要专用软件就可以连接复杂设备。 i p 的主要优点是它向终端用户提供了每一项不可缺少的自动化服务。前己述及，网 络控制系统必须向用户提供3 项服务：控制、组态和数据采集。控制服务是最主要的， 它涉及控制设备( 如p l c ) 和i 0 设备( 如变频器) 之间的关键数据交换。担任控制数据传输 任务的网络，必须提供优先级设定和中断功能。数据采集用于分析对象运行特性、预测 趋势、诊断故障和维护。采用用户数据报网际协议( u d p i p ) 和传输控制网际协议( t c p i p ) 作为以太网上的控制和信息协议，可以允许发送显式( 信息) 和隐式( 控制) 报文，其中， 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章以太网控制系统 隐式报文是对时间有苛刻要求的i o 信息( 如事件触发、数据通信、控制器互锁等) 。通 过u d p i p 完成隐式报文中包含实时i o 数据的传输( c i p 的控制部分) ，由于建立连接时， 数据位的意义已经预先定义，故运行时节点的处理时间可以大大缩短。这样报文较短， 占用资源较少，可以满足实时性强的控制。显式报文是无时间苛求的点对点组态信息( 如 编程、下载程序等) ，可由t c p i p 协议完成。对显式报文，节点必须解析每个报文，执 行相应的任务并做回应。报文的数据段载有协议信息及其服务的性能说n ) ( c r p 的信息部 分) ，图2 3 所示为同时使用t c p i p 和u d p i p 的实时以太网模式。因此，以太网应用层 使用c i p 后，可以实现工业控制设备和各类信息设备的互操作和互换性。 c i p 应用对象、设备行规 c i p 网络和传输 i 0 隐式报文 i o 显式报文 封装协议 u d pt c p i p 多信道广播 i p 以太冈 图2 3 实时以太网 f i g 2 3r e a l - t i m ee t h e m e t 2 3 嵌入式以太网分布式控制系统 在现场仪表与工业设备层应用以太网技术是工业控制网络的一个发展趋势。它与现 场总线相比，这些技术不仅为开发者提供了大量的工具和函数库，而且没有传统的客户 端，减少了二次开发的工作量；完全实现了分布式的系统结构，系统可靠性大大提高。 同时，基于t c p i p 协议的以太网使得整个网络只有一种底层通信协议，可以满足控制 系统各个层次的要求，可以便捷地访问远程系统或i n t e m e t 联接，从而能够实现办公自 动化网络与工业控制网络的无缝联接。因此，将工业以太网与嵌入式系统相结合的模块 化测控系统成为现在研究的热点。 对于工业自动化领域，大量的嵌入式智能设备可通过各种途径连到i n t e m e t 上，通 过网络相互传递信息和数据，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散 性以及管控一体化。e t h e m e t 就是适应这一需要而迅速发展起来的控制技术。 嵌入式以太网分布式控制系统结构如2 4 图所示【3 n 。 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章以太网控制系统 嵌入式 控制器 嵌入式 控制器 嵌入式 控制器 图2 4 嵌入式以太网分布式控制系统结构图 f i g 2 4s t r u c t u r eo ft h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb ye m b e d d e de t h e m e t 控制系统中的嵌入式控制器是分布在现场级的基本智能单元，也叫做智能节点，主 要用于接收和处理来自传感器的输入数据，执行通信和控制任务以及控制执行操作等。 工业以太网体系结构中，以太网作为连接智能节点的系统总线，内部和外部的数据通信 在此没有区别。目前在传输层和网络层的协议基本上已经统一。t c p i p 已成为标准网 络协议。这是以太网正常运行的“中枢 。工业以太网技术中的关键一环是：在现场级 的节点控制模块中实现t c p i p 网络通信协议，即建立协议栈。随着电子和信息技术的 高速发展，通过软件方式或硬件方式将t c p i p 协议嵌入到节点式模块中已成为可能。 一9 一 ! 东北大学硕士学位论文 第2 章以太网控制系统 一1 0 一 第3 章输油管道温度控制算法研究与设计 第3 章输油管道温度控制算法研究与设计 春秋季节海上气温一般是在8 。c - 1 0 。c ，石油在这一温度下是比较黏稠的，这不利于 石油在输油管道中的传输。为此本文设计了一种具有以太网接口的智能温控仪表，实现 了对输油管道中石油温度的远程监控，使石油的温度保持在一定温度范围之内f 一般是 在2 6 。c 左右) ，达到便于石油输送的目的1 3 引。温度控制算法的选择对控制效果会有很大 的影响，本章对温度控制算法进行了研究，选择了模糊自适应p i d 控制算法，并对模糊 自适应p i d 控制器进行了设计，最后进行了仿真验证。， 3 1 温度控制策略研究 温度控制技术是一种比较重要的工业技术，不仅应用在化工、医疗、航空、航天等 高科技领域，还应用在人们的日常生活中。输油管道的温度控制是一个典型的大时滞、 非线性复杂控制问题，温度变化的精确数学模型很难建立，应用基于模型的现代控制理 论来对这类复杂控制系统进行分析和综合非常困难。以往在该领域比较成熟的控制算法 是p i d 算法，但由于过程控制系统执行机构的复杂性，变量间的关联性和非线性等原因， 找到一组适合整个系统大范围控制的合适的p i d 参数相当困难，这对要求控制范围宽、 响应速度快且连续可调系统就显得力不从心了。 模糊控制的特点是不需要考虑控制对象的数学模型和复杂情况，而仅依据由操作人 员经验所制订的控制规则就可构成。凡是可用手动方式控制的系统，一般都可通过模糊 控制方法设计出由计算机执行的模糊控制器。模糊控制所依据的控制规律不是精确定量 的。其模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属度函数，以及从输出量模糊集到实际的控 制量的转换方法等，都带有相当大的任意性。模糊控制的突出特点在于： ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人 员的经验知识及操作数据。 ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大滞后 等问题。 ( 3 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的知识。 ( 4 ) 控制推理采用“不精确推理”。推理过程模仿人的思维过程。由于引入了人类的 经验，因而能够处理更复杂甚至“病态系统。 因此模糊控制是解决不确定性系统控制的一种有效途径，将模糊控制与传统的p i d 控制相结合则显示了巨大的优越性。 东北大学硕士学位论文 第3 章输油管道温度控制算法研究与设计 3 1 1 数字p i d 控制算法 3 1 1 1 位置式p i d 控制算法 模拟p i d 公式如式( 3 1 ) 砸) = k p 【p ( 卅古船) d r + 掣】 ( 3 1 ) 计算机控制是种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此 式( 3 1 ) 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟p i d 控制算法的 算式，以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分， 即 r k t ( j j = 0 ，1 ，2 ) 西嘻酊归r 丢k 酊) ( 3 2 ) a e ( t ) ，e ( k t ) 一p 【( 七一1 ) t 】e ( k ) - e ( k - 1 ) 一；等一=：-一 d lrt 将式( 3 2 ) 代入式( 3 1 ) 可得位置式p i d 表达式 个女巾 “( 七) = 砗 p ( 七) + 争e ( ) + 等 p ( 七) 一p ( 后一1 ) 】) ( 3 3 ) 1 ，j = 0 或“( 七) = 群p ( 七) + 巧p ( ) + 【p ( 尼) 一e ( 后一1 ) 】 ( 3 4 ) j = 0 式中k 采样序列 u ( k ) 第k 次采样时刻的计算机输出值 e ( k ) 第k 次采样时刻输入的偏差值 e ( k - 1 ) 第( k - 1 ) 次采样时刻输入的偏差值 墨积分系数，k i ：砟 微分系数，如：砟 这种算法的缺点是，由于采用了全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计 算时要对e ( k ) 量进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的控制量u ( k ) 对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u ( k ) 可能会出现大幅度的变化，会 引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合， 还可能造成重大的生