（机械电子工程专业论文）基于profibus现场总线控制的闸门监控系统的开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会生产规模的扩大、生产水平的提高，电气控制技术和液压技术 都在非常迅速的发展。电气控制从继电器控制系统发展到直接数字控制 ( d d c ) 系统、集散控制系统( d c s ) 到目前的现场总线控制系统( f c s ) 。现 代的液压传动及控制技术己发展成一门集传动、控制、检测、计算机一体化 的完整的自动化技术，并逐步趋向数字控制和全自动化。 文章从结合所研究的水电站的实际需要出发，将先进的现场总线技术、 以太网技术与传统的液压技术相结合，并应用到水电站闸门监控系统的实际 设计过程中。论文根据所研究水电站闸门控制的具体技术要求，设计了适合 该水电站的液压启闭机系统。文章对闸门启闭机及其控制系统的发展状况和 传统液压启闭机控制系统的局限性进行了详细分析，并结合当前控制技术， 特别是p r o f i b u s 现场总线控制技术的特点，针对所研究的水电站的实际情 况提出了“基于p r o f i b u s 现场总线控制和以太网技术的闸门监控系统”的 技术方案。并根据该方案完成了下位机( p l c 控制程序) 的编制和上位机( 监 控软件和人机界面的组态) 的组态。最后通过组建上位机与p l c 的通信以太 网络和远程i o 模块与p l c 之间的总线网络，实现了整个闸门监控系统的网 络化。通过该监控网络，可实现对该水电站分居于八个不同坝段的闸门的运 行及运行状态的控制与监视，从而使得该监控系统在满足水电站实际生产的 各项要求，同时还保证了该系统具有相当的先进性。 在文章的电气控制系统的设计过程中，采用了上位机加下位机的设计模 式，组建了远程集中控制与现地控制相结合的控制网络。上位机选用功能强 大的工控组态软件一一组态王和操作方便灵活的触摸屏。下位机则采用可靠 性高的可编程控制器和先进的p r o f i b u s 现场总线完成对现场设备的控制。作 者希望通过该课题的研究，能够对水电行业控制技术的发展，对液压技术与 当今先进技术更好的相结合，起到一定的促进作用，也衷心地希望我国的控 制技术取得飞速的发展。 关键词：现场总线技术，可编程控制器，监控软件，触摸屏，以太网，液压 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es c a l eo fs o c i a lp r o d u c t i o ne x t e n d sa n dt h ep r o d u c t i o nh o r i z o n t a l e x a l t s ，t h ee l e e t r i c i t yc o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h eh y d r a u l i ct e c h n i q u ea l ld e v e l o p v e r yq u i c k l y e l e c t r i c i t yc o n t r o lt e c h n i q u ed e v e l o p e df r o mt h er e l a ys y s t e mt o t h ed i r e c td i g i tc o n t r o l ( d d c ) s y s t e m 、t h e d i s p e r s ec o n t r o ls y s t e m ( d c s ) t o t h e f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) t h em o d e m h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n i q u eh a v e d e v e l o p e d t oac o m p l e t ea u t o m a t i o nw h i c hi n c l u d eo f t r a n s m i t 、c o n t r o l 、t e s t i n g c o m p u t e rt e c h n i q u e ，a n dg r a d u a l l yt u r nt ot h ed i g i tc o n t r o la n df u l l a u t o m a t i c c o n t r 0 1 a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l i t yo ft h es t u d i e dw a t e rp o w e rs t a t i o n ，t h et h e s i s c o m b i n et h ea d v a n c e df i e l d b u st e c h n i q u e ，e t h e r n e ta n dt h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i c t e c h n i q u et o g e t h e r ，a n du s et h e mt od e s i g nt h es u p e r v i s ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h ew a t e rp o w e rs t a t i o n b a s eo nt h eg a t e c o n t r o l l i n gr e q u e s to ft h ew a t e r p o w e r s t a t i o n ，d e s i g n e dt h eg a t e sh y d r a u l i ch o i s ts y s t e m 。t h et h e s i sa n a l y z e dt h e d e v e l o p m e n t o ft h eg a t e sh o i s ta n di t sc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h el o c a l i z a t i o no ft h e g a t e so p e r a t i n gm a c h i n e st r a d i t i o n a lh y d r a u l i cs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot o d a y s c o n t r o lt e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o f i b u sf i e l d b u s ，t h e t h e s i sp u tf o r w a r dt h ep r o j e c tt h a t “t h eg a t es u p e r v i s ec o n t r o l l i n gs y s t e mb a s eo n t h ep r o f i b u sc o n t r o la n de t h e r n e t t e c h n i q u e ”，a c c o r d i n g t ot h a t p r o j e c t ， c o m p l e t e d p l cc o n t r o l p r o c e d u r e a n dt h e p r o c e d u r e o ft h e s u p e r v i s e a n d c o n t r o l ( s u p e r v i s ea n d c o n t r o ls o f t w a r ea n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) 。a tl a s tt h e t h e s i ss e tu pae t h e r n e tn e t w o r kf o rt h em o n i t o ra n dt h ep l c c o r r e s p o n d e n c eo f a p l a c eo fh o n o rm a c h i n ea n dp l c a n daf i e l d b u sn e t w o r kf o rt h ef a ri om o l d a n dt h ep l c ，m a d et h eg a t es u p e r v i s ea n dc o n t r o lb yn e t w o r k 。t h en e t w o r kc a n c o n t r o lt h e o p e n i n g 、s h u t t i n g a n ds u r v e i l l a n c et h ec i r c u l a t eo ft h e e i g h t g a t e s ，w h i c hs t a n di nd i f f e r e n tp o s i t i o n s ，a n dm a k et h es y s t e ms a t i s f i e dt h e v a r i o u sr e q u e s t so ft h a tw a t e rp o w e rs t a t i o n sp r o d u c t i o n ，a n ds t i l lg u a r a n t e e d t h es y s t e mh a d v e r ya d v a n c e d a tt h es a m et i m e 1 i 斌汉瑷工大学硕士学位论文 d u r i n gt h ed e s i g n i n go f t h ee l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e m ，t h et h e s i su s e dt h e m o d et h a tm a d e u po f m o n i t o rs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m ，f o r m a t t e dan e t w o r k t h a ti sc o m b i n e d b y f a rc o n c e n t r a t e sc o n t r o l s y s t e m a n d n e a r l y c o n t r o l s y s t e m t h em o n i t o rs y s t e mc h o o s e st h ef u n c t i o n a lm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h e k i n gm o n i t o r a n dt h em a l l - m a c h i n ei n t e r f a c e ，w h i c ho p e r a t e dc o n v e n i e n t l y a n d t h ec o n t r o l s y s t e mc h o o s e sd e p e n d a b l yp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ra n d a d v a n c ep r o f i b u sf i e l d b u st oc o m p l e t e l yc o n t r o lt h es p o te q u i p m e n t s a u t h o r h o p e st h et h e s i s sr e s e a r c h e sc a l ld oal i t t l ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ew a t e r p o w e r c o n t r o lt e c h n i q u e ，a n dt h ec o m b i n a t i o no f t h e h y d r a u l i ct e c h n i q u e a n dt h e a d v a n c e d t e c h n i q u e ，a u t h o r a l s oh o p i n g h e a r t i l yt h ec o n t r o lt e c h n i q u eo f t h eo u r c o t m t r yd e v e l o pq u i c k l y 。 k e yw o r d s ：f i e t d b u st e c h n i q u e p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , m o n i t o r s o f t w a r e ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，e t h e r n e t ，h y d r a u l i c l i t 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 闸门监控系统的概况 1 1 1 闸门启闭机及其控制系统的发展“5 1 在水工建筑物的固定式和移动式机械中占有重要地位的闸门启闭机械， 早期以绳毂式、链条式、多节拉杆式为主，但由于其操作的不是自由悬挂的 重物，而是沿导向门槽作上下移动或者是绕着支绞作旋转运动的闸门。而闸 门作用于启闭机上的载荷，不仅取决于闸门活动部分的重量，还很大程度上 取决于运行阻力的大小。同时这些阻力又是相当不稳定的，因为它与封水和 支承行走结构摩擦表面的状态密切相关，泥砂淤积，建筑垃圾和各种飘浮物 落入门槽等因素都会使运行阻力大大增加，从而使得启闭机的负荷成倍或成 几倍增加，而当闸门下落时，作用在启闭机牵引机构上的载荷将大大降低， 甚至为零，从而会引起柔性牵引构件一一钢丝绳、链条、多节拉杆的松弛。 如果闸门“悬空”之后发生脱钩，则将因闸门跌落而产生猛烈的拉力，甚至 发生意外。 而液压技术的发展是与流体力学的理论研究相关的。1 6 5 0 年帕斯卡提 出了静止液体中的压力传播规律一帕斯卡原理，1 6 8 6 年牛顿揭示了粘性液 体的内摩擦定律，1 8 世纪流体力学的两个熏要原理一连续性方程和伯努利 能量方程相继建立，上述理论就为液压技术的发展奠定了基础。自1 7 9 5 年 英国制成世界上第一台水压机起，液压传动开始进入工程领域，然而在工业 上真正推广使用和有较大幅度的发展却是2 0 世纪中叶的事，z o 世纪5 0 年 代，液压技术由军事工业转入民用工业，在机床、工程机械、压力机械、船 舶机械、农业机械等行业得到了广泛的应用和发展。6 0 年代以后，随着原 子能技术、空间技术、电子技术等的迅速发展，再次将液压技术向前推进， 使其发展成为包括传动、控制、检测在内的一门对现代机械装备的技术进步 有重要影响的基础技术。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、低噪 声、高可靠性、高度集成化等各项要求方面都取得了重大发展，在完善发展 比例控制、伺服控制、开发数字控制技术也有许多新成就，并朝着机电一体 武汉理工大学硕士学位论文 化方向发展。因而随着经济和液压技术的不断发展，传动稳定的液压启闭机 逐步取代了那些比较落后的绳毂式、链条式、多节拉杆式的启闭机。作为一 种比较完善而又经济的先进的传动装置，其动力机构为油缸，由于油缸能够 产生很大的下压力，所以，当采用液压启闭机操作深孔闸门时，闸门就无需 加重，因此也就可以减少驱动装置的额定启升容量。 水工机械的一个比较大的特点，就是广泛应用遥控操作，但早期的液压 启闭机的控制系统基本上还是沿用七十年代的继电器回路控制方式，控制起 来不仅效率低而且成功率也低。随着自动化技术和计算机控制技术的发展， 液压启闭机的控制系统也得到了极大的改善，自动控制领域较前沿的技术一 一现场总线技术和先进的设计模式正逐步被应用到了液压启闭机的控制系 统中来了。在液压启闭机控制系统的设计中采用上位机+ 下位机的设计模式， 选用可靠性强的可编程逻辑控制器作下位机，通过现场总线及时、精确的向 现场设备传送控制命令和实时的读取现场数据，并选用功能强大的工控软件 或采用高级语言编制上位机，通过上位机的动画显示、报警处理、流程控制 和报表输出等多种方式来实现良好的人机交互，这种控制模式已逐步发展成 为液压启闭机控制系统的主流。 1 1 2 传统液压启闭机控制系统的局限性”町 传统液压启闭机控制系统主要存在着以下缺点和局限性： 首先在硬件上，传统的液压启闭机控制系统通常是采用继电接触器线路 来控制闸门的运行。这种系统的最大缺点就是线路复杂，维护工作繁重，操 作麻烦，可靠性低，故障率高。当众多继电器中的一个出现故障时，就使整 个系统不能正常运行甚至瘫痪，这时维修人员就要对很多继电器逐个检查， 直到发现故障的继电器，这往往需要花费很长的时间并影响水电站的正常生 产，且若遇到多年罕见的洪水还会给水电站周围的生命、财产带来威胁。另 外，当控制系统需要改进时，就必须改变整个控制线路，实现起来十分麻烦。 其次在控制规模上，传统的液压启闭机控制系统通常只能对水电站的单 个闸门的运行进行控制，而不能对整个水电站进行自动控制。 最后在远程通讯上，传统的液压启闭机控制系统的通讯功能基本没有， 只能传送执行闸门的开、关、停等几个开关量信号，而根本不能传送整个水 电站所有电气自动化设备的状态信号，更不说远程控制这些电气自动化设 2 武汉理工大学硕士学位论文 各，和根据电机组的生产需要自动调整闸门开度。 1 1 3 在液压启闭机控制系统中采用自动控制及监控的重要性m 】 鉴于液压启闭机控制系统控制的对象和工作的实际环境，在液压启闭机 控制系统中采用自动控制及监控是十分必要的： 首先，液压启闭机的控制系统不仅关系闸门的正常运行，而且还维系到 当地的生命、财产安全。而早期的继电回路控制模式的液压启闭机控制系统 采用人工手动控制，自动化程度低，操作一台闸门要多人协同完成，因而操 作耗时较长，生产效率极其低下，而且一旦遭遇多年罕见的洪水，可能延误 泄洪，对大坝安全是一个潜在的隐患，因而提高液压启闭机控制系统的自动 化程度是极其重要的任务。 其次，通过在液压启闭机控制系统采用上位机监控，使得操作人员可通 过上位机极其容易的控制各个闸门的开、闭及开度的大小，而且通过上位机 中与实际现场同步的实时动画监控，操作人员无需到现场观察即可准确掌握 到各个闸门所处的状态和其它设备的运行情况，使得水电站得以推行无人值 班、少人值守的生产管理模式，提高了生产效率。 1 1 4 基于p r o f i b u s 现场总线控制的闸门监控系统的提出让1 本课题所研究的水电站位于汉水最大支流一一堵河下游，电站于1 9 6 9 年动工兴建，1 9 7 6 年完工，装机容量为2 7 5 m w ( 现已增至1 7 0 m w ) 。大坝为 混凝土重力坝，坝顶海拔高2 5 2 米，最大坝高l o 7 米，全长3 7 1 米，共分 2 2 个坝段，其中7 到1 4 坝段共装有8 孔溢洪闸门。若采用传统的液压启闭 机控制系统来分别控制这8 孔溢洪闸门，由于传统的液压启闭机控制系统存 在控制线路复杂，维护工作繁重，可靠性低，不能对整个水电站进行自动控 制，远程通讯能力欠缺等缺点和局限性，所以越来越不能满足水电站的生产 发展。随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展，建立基于现场总线和 以太网的液压启闭机控制系统成为解决这一问题的有效途径。 基于p r o f i b u s 现场总线和以太网技术的液压启闭机控制系统由于其控 制方式的优越性，使它非常有效地解决了传统液压启闭机控制系统存在的缺 点和局限性： 首先在硬件上，由于基于p r o f i b u s 现场总线和以太网技术的液压启 武汉理工大学硕士学位论文 闭机控制系统采用可编程逻辑控制器与上位机组成的控制网络作为主要控 制设备，所以控制线路相对传统液压启闭机控制系统要简单的多，而且可靠 性高，只需要修改控制程序就可达到改善控制的要求。 其次在控制规模上，基于p r o f i b u s 现场总线和以太网技术的液压启闭 机控制系统由上位机通过p r o f i b u s 现场总线将整个水电站的8 个闸门组建 成一个闭环控制网络，通过该网络可实现对整个电站的自动控制。 最后在远程通信上，基于p r o f i b u s 现场总线和以太网技术的液压启闭 机控制系统可由p r o f i b u s 现场总线和以太网将整个电站现场的各种信息 ( 闸门运行情况、闸门开度等参数和各种电气自动化设备的状态) 传送给下 位机处理，并同步将下位机发出的各种控制指令传送到现场设备控制整个电 站设备的正确运行，同时下位机还通过以太网把这些信息传送给远程主控室 的监控机( 上位机) ，实现实时监控。由于以太网的频宽是以兆为单位，所 以无论是传送数据或是实时性方面，都是传统控制系统无法比拟的。 1 2 本课题研究的意义 用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、 双向、多变量、多点和多站的通信系统的现场总线，是2 0 世纪8 0 年代末， 9 0 年代初发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、家庭 自动化等领域的现场智能设备互联通信网络。作为工厂数字通信的基础，现 场总线沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间 的联系，这项以智能传感、控制、计算机和数据通信为主要内容的综合技术 已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统 结构与设备的深刻变革。 本课题的意义就在于将先进的现场总线技术和以太网技术应用到传统 的水电行业的控制领域中来，使液压启闭机控制系统具有很强的实用性和相 当长时间内的先进性。 1 3 本课题的主要研究内容 该课题研究的目的是摒弃水电站闸门的传统继电器控制和卷扬机驱动 武汉理工大学硕士学位论文 的模式，采用现场总线控制技术和液压驱动的先进的模式对该水电站闸门控 制系统和驱动装置进行改造。将控制系统分为集控单元级( 上位机) 、远程 控制级( 触摸屏) 和现地控制级( 下位机) 三级。通过该系统，操作员可在 远控室及时了解现场闸门的各种运行状态，分析故障原因，并及时根据现场 情况作出相应的调整和控制。现场控制设备p l c 将收集到的各种信息通过以 太网源源不断的送到远控室上位机；同时，上位机也可把操作人员发出的命 令通过以太网和现场总线准确无误地传给现场控制设备，控制液压启闭机动 作，从而控制水电站闸门的开、闭。为了实现该目的，本课题主要需要研究 如下内容： 基于p r o f i b u s 现场总线控制的液压启闭机控制系统的硬件方案的 研究 液压启闭机p l c 控制程序的编制 监控软件的特点与上位机的组态实现 触摸屏功能组态的实现 p r o f i b u s 现场总线网络的实现 以太网技术应用及上、下位机通信的实现 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章液压启闭机的控制技术要求 2 1 该水电站液压启闭机系统简介m 1 1 该水电站采用的是双作用双缸液压启闭机，闸门的开、闭均是通过液压 油的压力来实现的。水电站上的8 孔溢流闸门中的每个闸门分别有直立安装 在启闭机大梁上的两只同步液压缸驱动，通过液压缸的伸出和回缩来控制闸 1 过滤嚣2 二位二通电磋换由阀3 定量泵4 手动泵5 先导溢汽阀6 单向闽7 三位四通电 磁挟向闲8 三位四通手动换向阀9 单向调速阉l o 藏压镶1 1 三位四通电磺换向阀i2 节流 阀13 截止阀14 藏压缸15 安全闱 图2 1 液压启闭机工作原理图 门的开度，其中每个液压启闭机的工作原理图如图2 1 所示，闸门最大开启 力为2 x 1 6 0 吨，该液压启闭机工作压力为8 7 m p 。液压启闭机由四大部分组 成，即液压泵站、液压缸、液压控制阀、辅助装置( 如：油箱，管道) 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 液压启闭机的控制技术要求川1 3 1 4 7 1 2 2 1 液压启闭机的主要功能 基于p r o f i b u s 现场总线技术的控制网络通过控制如图2 1 所示的液压 启闭机系统中的电磁阀的得、失电而实现对整个闸门的操作。在闸门开启过 程中，液压泵首先启动，二位二通电磁阀2 1 的电磁铁5 d t 得电，通过先导 溢流阀5 1 将系统压力调高至系统的工作压力。三位四通电磁换向阀7 的电 磁铁1 d t 得电，液压油通过该阀的平行油路经过调速阀9 和液压锁1 0 进入 油缸有杆腔，而无杆腔的油经过换向阀7 回到油箱，有缸活塞杆缩回，闸门 开启。在闸门下降过程中，三位四通电磁换向阀7 的电磁铁2 d t 得电，液压 油通过该阀的交叉油路经过液压锁1 0 进入油缸无杆腔，而有杆腔的油经过 液压锁1 0 、调速阀9 和换向阀7 回到油箱，油缸活塞杆伸出，闸门关闭。 另外，在通过基于p r o f i b u s 现场总线技术的控制网络控制该液压启闭机实 现上述闸门开、闭功能的同时，还必须完成如下功能： 启闭机空载卸荷和过载保护液压启闭机短时停止工作时，一般都 让液压系统中的液压泵卸荷运转，即让泵以很小的输出功率运转 ( n 。= p ，q “0 ) ，或以很低的压力( p ，“0 ) 运转，或输出很小流量( q 。“0 ) 的 压力油，而不是频繁地启动电机。这样做可以节省功率消耗，减少液压系统 的发热，延长液压泵和电机的使用寿命。 而水电站各个闸门分居不同坝段，闸门的启、闭是根据水坝上下游水位 的综合情况和电厂生产的实际需要分级分次均匀动作的；另外各个闸门开启 后还有时会根据实际情况调整闸门开度，这就需要泵站持续运行或频繁启动 以实现闸门开度的调整。当闸门开度控制失灵时，或闸门到达极限位置液压 泵组仍在执行启、闭闸门动作时，因而会引起液压系统中的压力急剧上升从 而损坏液压系统，甚至会酿成事故。鉴于以上情况，本系统设计中采用了二 位二通电磁阀与先导溢流阀的组合，当液压泵启动或液压启闭机停止工作时 5 d t 失电，液压系统卸荷。当液压启闭机工作开启闸门时，5 d t 得电，液压 系统在溢流阀5 1 的调定压力下正常工作，当闸门由于意外造成系统压力急 剧上升超过系统安全压力( 即p 1 2 p * ) 时，溢流阀5 1 开始溢流，实现系统 过载保护。 闸门锁定及同步为了提高闸门开度的控制精度，在液压启闭机系 武汉理工大学硕士学位论文 统中设置了液压锁与相匹配的三位四通( y 型机能) 电磁阀。当闸门运行到 指定开度后，通过控制系统使电磁线圈1 d t 、2 d t 均失电，三位四通电磁阀 回到中位，液压锁迅速锁紧，闸门可靠地锁定在预定开度，即使在外力作用 下闸门也不能下滑。本系统中还在油路上设置了调速阀9 ，通过调速阀可以 调节两只油缸的运动速度，使两只油缸在运动中保持同步。 手动关闸及快速关闸水电站闸门控制系统不仅关系电站的运行生 产，而且还维系到当地的生命、财产安全，因而闸门启、闭的可靠性是液压 启闭机设计的关键，特别是遇到百年罕见的洪灾时，就显得更为重要了。因 而在该液压启闭机系统中设置了由手动泵和手动换向阀组成应急系统，当遇 到主控液压动力站系统出现故障时可通过该应急系统保证启闭机正常工作。 另外在该液压系统中的进、回路还设置了截止阀1 3 1 、1 3 2 和二位二通电磁 阀2 2 、2 _ 3 ，当遇到紧急情况要求闸门迅速关闭时，可通过控制系统使电磁 阀2 2 、2 3 得电或手动打开截止阀1 3 1 、1 3 2 ，此时闸门下降速度由 v ：粤( 1 )v = j -( ) x d 2 、 增加到 f 4 9 ( 丢一+ 丽耐 2 ) 式中：r 一闸门的运动速度 q 一一系统流量 d 一一油缸无杆腔活塞直径 d 一一油缸活塞杆直径 形成差动回路，从而实现闸门快速关闭。 闸门防卡死由于闸门启闭时会出现以下情况：双缸受负载不同， 闸门各次运行时闸门两侧所受到的摩擦等阻力都是随机变化的，因此双缸承 受的负载大小也是不同的，承载大的液压缸较承载小的缸运行的慢：双缸 运动副摩擦力不同，由于双缸的制造精度不同，安装运动副的配合间隙不同， 使得运动摩擦力也不相等摩擦力大的液压缸运动自然要慢些；油管长度 和弯头数目的不同造成双缸沿程阻力的不相等；长时间运行使液压缸的工 作特性发生变化，双缸的工作特性变化是不可能相同的。旦闸门在运行过 程中出现上面任何一种情况而导致闸门卡死就会给整个水电站带来严重后 武汉理工大学硕士学位论文 果。为防止闸门卡死现象出现，该液压启闭机系统中不仅在有杆腔进油路上 设置了调速阀，而且还在该系统中设置了由电磁阀1 l 和节流阀1 2 1 、1 2 2 共同组成的纠偏系统。在闸门开启过程中，当控制系统使3 d t 得电时左缸 快进，使4 d t 得电时右缸快进，而在闸门关闭过程中则反之。通过该纠偏 系统消除闸门运行过程中的左右液压缸的累积偏差，保证同步缸的同步性， 可有效的防止了闸门卡死。 2 2 2 本水电站基于p r o f l b u s - d p 现场总线技术的控制网络的主 要功能 基于p r o f i b u s d p 现场总线技术的控制网络在对液压启闭机实施控制 的过程中分为现地控制和远程集中控制，应具有以下功能： ( 1 )显示功能，以数字、文本、棒图、曲线、表格等形式，实时监控 闸门运行状态，监视内容应包括： 闸门开度； 闸门状态，如手动自动状态、运行停止状态、远方现地状态、上 升、下降、停止等状态； 设备状态，如启闭机状态、行程开关状态： 报警信息，如报警类型、报警时刻； 闸门慨览、全景模拟； 操作过程中文提示。 ( 2 ) 报表管理功能，自动生成各类报表，可定时打印或召唤打印。 ( 3 )故障记录与语音报警，故障发生时，语音报警：同时详细记录故 障信息可供查询。 ( 4 ) 远方自动与远方手动操作功能，对于掌握密码锁的操作员，在上 位机能对各闸门进行远方操作，远方操作分为远方手动操作和远方给定值操 作( 自动) 。 ( 5 ) 成组操作，输入给定泄流量，自动计算出闸门开度，按照预先设 置闸门的优先级别，自动依次打开相应闸门到一定的开度以满足泄流的要 求。 ( 6 ) 历史数据记录与查询，能根据“时间”、“门号”等关键词查询历 史操作记录，查询泄流量、累积泄流量，查询闸门的历史开度等。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 监测功能，通过液晶显示触摸屏、面板指示灯等方式对闸门进行 监视。通过液晶触摸屏可进行闸门开度指示、状态指示、故障信息指示，操 作信息显示、设定参数显示等。 ( 8 ) 控制功能，通过该网络可实现现地自动控制、现地手动控制以及 远程自动控制共三种控制模式。当“手动自动”切换到自动位置，“远程 现地”切换到“现地”位置时，通过触摸屏可以手动操作闸门或输入给定开 度值以定开度方式操作闸门。当“手动自动”切换到手动位置，通过控制 面板上的开、关、停按钮手动操作闸门，只要操作电源正常，即使自动控制 部分故障，仍然可以操作闸门。当“手动自动”切换到自动位置，“远程 现地”切换到“远程”位置时，通过上位机给定闸门开度、泄流量、开关停 指令等多种方式操作闸门。 ( 9 ) 通信联网功能，通过p r o f i b u s d p 组成下层总线网，传感器和电 磁阀可以直接挂在该网络上，通过光纤与上层集控单元组成通过以太网与上 位机交换数据，上层集控单元还可通过串口与水情测报系统、计算机监控系 统等通讯。 ( 1 0 ) 自诊断功能，p l c 故障诊断，可检测到模块，故障信息在屏上 显示出来。传感器故障自诊断，如传感器测量值与实际可能开度比较、传 感器测量速度与闸门实际可能速度比较、左右传感器测量值的差值与闸门实 际可能偏差值比较、闸门状态与传感器测量值关系是否合理的判断等。 ( 1 1 ) 自动复位功能，当闸门提起后，若下滑到一定位置后，系统能自 动将闸门提至全开或指定开度。 2 3 本章小结 本章结合该水电站闸门控制的需要，给出了液压启闭机的系统原理图， 并着重研究了该液压启闭机系统的空载卸荷和过载保护、闸门锁定及平衡、 手动关闸及快速关闸、闸门防卡死等多种主要功能。同时还介绍了为控制该 液压启闭机而组建的“基于p r o f i b u s 现场总线技术的控制网络”的各项功 能。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于p r o f i b u s 现场总线控制的系统方案的 确定 3 1 控制系统的网络化发展 2 0 世纪9 0 年代后，由于计算机网络技术的迅猛发展，同时也因为生产 过程和控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网络技术应用到了控制系统 的前置机之间以及前置机和上位机的数据传输中。前置机仍然完成自己的控 制功能，但它与上位机之间的数据( 上位机的控制指令和控制结果信息) 传 输采用计算机网络实现。上位机在网络中的物理地位和逻辑地位与普通站点 一样，只是完成的逻辑功能不同。另外，上位机增加了系统组态功能，即网 络的配置功能。这样的控制系统称为d c s ( 集散控制) 系统。d c s 系统是计 算机网络技术在控制系统中的应用成果，提高了系统的可靠性和可维护性， 在今天的工业控制领域仍然占据着主导地位。然而，不可忽视的是：d c s 系 统采用的是普通商业网络通信协议和网络结构，在解决工业控制系统自身可 靠性方面没有作出实质性的改进，为加强抗干扰和可靠性采用了冗余结构， 从而提高了控制系统成本：另外，d c s 不具备开放性，布线复杂，费用高。 2 0 世纪8 0 年代后期，人们在i ) c s 的基础上开始开发一种适用于工业环 境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总 线。由于从根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技术逐 渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨 国公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。 计算机控制系统在经历了d d c 控制、分层递阶控制以后，d c s 控制体现 了控制系统的网络化发展趋势，现场总线的产生使这种趋势变得更加明显和 具体，真正实现了控制结构网络化、集成化；控制功能分布化、智能化的开 放式系统一一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。在今后 很长一段时间里将是d c s 与f c s 共存的局面，但由于现场总线的先天优势将 使它最终取代d c s 而占据控制领域的主导地位。此外，随着计算机网络技术 向控制领域的渗透以及多学科多技术的交叉融合，企业管理与现场控制，信 武汉理工大学硕士学位论文 息系统与控制系统越来越趋向于一体化，这种发展趋势将对企业组织和管理 提出新挑战。 3 2 现场总线技术2 3 3 3 h 9 1 3 2 1 现场总线技术的产生与发展 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数 字化、智能、双向、多变量、多点和多站的通信系统。可靠性高、稳定性好、 抗干扰能力强、通信速率快、系统安全符合环境保护要求、造价低廉和维护 成本低是现场总线的特点。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代初发展形成的，用于过程自动 化、制造自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场智能设备互联通信 网络。作为工厂数字通信网络的基础，现场总线沟通了生产过程现场级控制 设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系，这项以智能传感、控制、计 算机和数据通信为主要内容的综合技术已受到世界范围的关注而成为自动 化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革，现场总线 与企业网相结合，有可能将构成一个企业的控制和信息系统的骨架。 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形。由于大规模集成电路 的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置c p u 控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此， 对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口是非常方便的。有了这样的接 口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式而不是i o 方式完成对 现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具 有统一的通信协议，控制器只需要一根通信电缆就可把分散的现场设备连接 起来，完成对所有现场设备的监控。 在过去的几十年中，工业过程控制仪表一直采用4 2 0 m a 标准的模拟信 号。随着微电子技术和大规模集成电路以及超大规模集成电路的迅猛发展， 微处理器在过程控制装置、变送器、调节阀等仪表装置中的应用不断增加， 出现了智能变送器、智能调节阀等系列高新技术仪表产品，现代化的工业过 程控制对仪表装置在速率、精度、成本等诸多方面都有了更高的要求，导致 武汉理工大学硕士学位论文 了用数字信号传输技术代替现行的模拟信号传输技术的需要这种现场传输 技术就被称作为现场总线。也就是说现场总线是由过程控制技术、仪表技术 和计算机网络技术三个不同领域结合的产物，当过程控制技术由分立设备发 展到共享设备，仪表技术由简单仪表发展到智能仪表，计算机网络技术m a p 网络技术发展到现场级网络技术时，就必然会走向现场总线。 现场总线控制系统继气动信号控制系统p c s 、4 2 0 m a 等点动模拟信号 控制系统、数字计算机集中控制系统和集散式分布控制系统d c s 之后，被誉 为第五代控制系统。它采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现 了真正的全分布式结构，将控制功能下放到现场，使控制系统更加趋于分布 化、扁平化、网络化、集成化和智能化。 击工厂较l | | 干网 i 篓直鬻审嚣南年机车同镀监控1lil 四四榭i o 趔号t 匹 卿 4 - 2 0 m a 或2 4 v d c 控制器 卜1 瑰葫 智能化现场设备 一 场颦 口智能化现场设备 总是 口 卜 巍甜 1 口 i 图3 1 现场级与车间级自动化监控系统 现场总线技术的发展，促使工厂底层自动化系统及信息集成技术产生变 革，新一代、基于现场总线的自动化监控系统已初露端倪，图3 - i 所示为基 于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控系统模式，该模式的系统具有 以下优点： ( i ) 基于现场总线的自动化监控系统增强了现场级信息集成能力。现 场总线可从现场设备获取大量信息，能更好地满足工厂自动化及c i m s 系统 武汉理工大学硕士学位论文 的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4 2 0 m a 信号， 还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成 远程参数化工作。 ( 2 ) 基于现场总线的自动化监控系统是开放式的，具有良好的互操作 性、互换性、可集成性。不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操 作性、互换性，因此设备具有良好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂 商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统 中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。 ( 3 ) 基于现场总线的自动化监控系统的可靠性高、可维护性好。基于 现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对于 大规模i o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时。系统具有 现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数 设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 ( 4 ) 基于现场总线的自动化监控系统可节省成本。对大范围、大规模 i o 的分布式系统来说，省去了大量的电缆、i o 模块及电缆敷设工程费用， 降低了系统及工程成本。 3 2 2 现场总线的通信协议 现场总线是用于支持现场装置，实现传感、变送、调节、控制、监督以 及各装_ 黉! 之间透明通信等功能的通信网络，保证网内设备间相互透明有序地 传递信息和正确理解信息是它的主要集成任务。此外，随着技术发展和应用 需求的提高，将现场总线与上层信息网络有效地集成到一起也是必然的，于 是，对现场总线的实质内容一一通信协议便提出了如下要求： 通信介质的多样性：支持多种通信介质，以满足不同现场环境的要求； ( 1 ) 实时性：信息的传送不允许有较大延时或延时的不确定性； ( 2 ) 信息的完整性、精确性：要确保通信质量； ( 3 ) 可靠性：具备抗各种干扰的能力和完善的检错、纠错能力； ( 4 )可互操作性：不同厂商制造的现场仪表可在同一总线上互相通信 和操作： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 开放性：基本符合o s i 参考模型，形成一个开放型系统。 i s o o s i 模型现场总线协议f f 模型p r o f i b u s 一p p r o f i b u s f m s 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 应用层 l 用户层 功能块 设备描述 传送块 总线接口子层 l 通信栈 数据链路层 物理层物理层 应用层接口 应用层 用户层 信息规范 低层接口 隐去第3隐去第3 至第7 层至第6 层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 图3 - 2 现场总线协议 现场总线的一般通信协议如上图3 2 所示。 现场总线通信协议是参照国际标准化组织i s o 制订的i s o o s i 开放系统 互联参考模型并经简化建立的，目前尚无最终完整的国际标准，i e c i s a 现 场总线通信协议模型综合了多种现场总线标准，规定了现场应用进程之间的 相互可互操作性、通信方式、层次化的通信服务功能划分、信息的流向及传 递规则。o s i 参考模型共分七层，现场总线通信协议则根据自身特点加以简 化，采用了物理层、数据链路层和应用层，同时考虑到现场装置的控制功能 和具体运用又增加了用户层。 第一层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义了网络信道上的信号与连接方 式、传输介质、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距离、电源 等。当处于数据发送状态时，该层接受数据链路层( d l l ) 下发的数据，并 将以某种电气信号进行编码并发送；当处于数据接受状态时，将相应的电气 信号编码为二进制数，并送到链路层。 第二层：数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 定义了一系列服务于应用层 的功能和向下与物理层的接口，使用物理层的服务，提供了介质存取控制功 能、信息传输的差错检验。d