（控制理论与控制工程专业论文）基于ethernet的洒水除尘及污水处理控制系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 可编程序控制器( p l c ，p r o g r 舢a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 因其高可靠性和较 高的性价比，在工业控制中被广泛应用。监控组态软件也是自8 0 年代后期伴 随个人计算机的普及而迅猛发展起来的。它以其具备的实时多任务、接口开 放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点而具有很强的实用价值。工业以 太网技术具有数字化、全分散性、开放性和互操作性等特点，代表了今后工 业控制网络发展的方向，是当前自动控制领域中倍受关注的技术之一。 本论文结合南方某港务局码头的自动洒水除尘和污水处理项目，设计了 p l c 程序控制、网络通信和上位机监控这三个功能块。文中对三个功能块分 别介绍，着重于对前两个部分系统的阐述。 该项目采用的是法国施耐德公司的m o d i c o n 系列p l c 下的两个品种： q u a n t 啪p l c 和m o m e n t 啪p l c ，运用m o d i c o nt s xq u a n t l l i l l 和s y m a x 产 品的统一组态工具c o n c e p t2 6 进行编程，使用l a d 和f b d 两种语言编制下 位机程序，使整个矿石码头的系统功能更加齐全，可以按要求实现对矿石堆 场自动洒水、收集污水、净化污水再循环利用的全过程。 采用了北京杰控公司的f a m e e w 工控组态软件设计上位机监控软件，实 现对现场数据实时记录和监控，制作了记录查询、报警、用户登陆等具有 w i n d o w s 风格的动态操作画面。 p l c 主站与设置在中控室的工业p c 机和各i o 子站之间采用基于 m o d b u s _ t c p i p 协议工业以太网连接，p l c 主站和l o 个分布式i o 子站组成 一个环形光纤网络，发挥了上级工业p c 和下级p l c 各自的优势。 在文章的最后，本文对工业以太网技术在工控领域的应用前景作了展望。 关键词：工业以太网，组态软件，可编程序控制器，监控，污水处理 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l ci sw i d e l yu s e di n 眦u s t r yf o ri t sh i g hr e l i a b i l i t ya n dp e r f o m a n c e p f i c e r a t i o t h ec o n f i 鼾咖i o ns o f h v a r ea l s oe n j o y sf 如td e v e l o p m e n td u et ot h e p o p u l a r i z a t i o no fp e r s o n a lc o m p u t e r ，a f l di sr e c o g n i z e do ft h ev a l u e0 r i g i n a t e d 丘o mt h em e r i t ss u c ha sr e a l - t i m em u l t i t 嬲h n g o p e l l l l e s s ，f l e x i b i l i t y ，v e r s a t i l i t y ， a 1 1 dr e l i a b i l i t y i n d u s t r i a le t h e r n e tt e c l l l l o l o g yi sad i g i t a l ，d i s t 舶u t e d ，0 p e na n d i n t e r - o p e m t i o n a lt e c l l l l o l o g y ，w h i c hr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m ni so n eo f l et e c h n o l o g i e sw h a th a sa t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o ni n m ef i e l do fa u t o m a t i cc o n t r 0 1 b a s e do nt h ef a c t u a lc a s eo fz h a n j i a l l 2o r es 1 1 i p s i d ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m f o rs w a g et r e a 扛n e n tp r o j e c t ，t h ep a p e rp f e s e m sm ed e s i g no fp l cs y s t e m ，n e t w o r k c o m m 砌c a t i o na n dm es u p e i s i o ns y s t e m ，a n dp m st h es t r e s so nt h ef o r et w o f u n c t i o nm o d u l e w i t ht h es c h n e i d e rc o m p a n yp r o d u c t i o n m o d i c o nq u a n 岫1p l c ，m o d i c o n m o m 眦啪p l ca n dc o r r e s p o n d i n gp r o 酎a n l n l i n gs o 姗a r ec o n c e p t2 6 ，w h i c hi s t l l eu n i f i e db u i l d i n gt o o lo fm o d i c o nt s xq u a m 哪a n ds y ，m a xp r o d u c t i o n ，t h a t h e l p si nc o n t r 0 1s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，u s i n gt l l el a da n df b dp r o g r 眦m i n g m e t h o d s ，t h ew h 0 1 es y s t e mi si m l c hb e t t e ra 1 1 dm e e t s 也er e q l l i r c m e n t so fa u t o m a t i c w a t e r i n g ，c o l l e c t i l l gw a 或e rw a t e ra n dd i s p o s a lo fs e w a g e t h ed e s i g n 、v o r ku s e sf 锄e e wc o n f i g u r a t i o ns o f h v a r e ，t h a ti sa l s oa p r o d u c tf r o mb e i j i n gj i e k o n gc o m p a l l y t oc o n f i g u r et h es u p e r v i s o r ys o 厅w a r e ， r e “i z i n gt h er e “- t i m ed a t a b g g i n g ，跚p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n g ，a s 、 ，e ua sv a r i o u s v i s u a lh m lw i t h 、m n d o w sf e a t u r e ss u c ha sr c c o r dc h e c l ( i n g ，a l 锄i n g ，u s e rl o g i n p l c sa 1 1 dt l l ei p ci nt l l es c h e d u l e rr o o ma r el i 工l l 【e dt o 窖e t h e rv i a m o d b u st c p i pt of b m aa 1 1i n d u s t r yf i b e re t h e m e tn e t w o r k p l cm a s t e rs t a t i o n a i l dt e nd i s t r i b u t e di n p u t 0 u 1 = p u ts l a v es t a t i o nc o m p o s ea na i l i l u l a ro 口t i c a lf i b e r n e t 、v o r k i no r d e r t om a k ep r o f i to f 也eu n i q u em e r i t so fp l c sa n di p c l a s t l y t 1 1 i sp 印e rp r o s p e c t st 1 1 ea p p l y i n gf o r e g r o u n do fh d u s t r i a le 1 c l l e m e t t e c h n o l o g yi nt h ei 1 1 d u s 廿yc o n t r o lf i e l d k e y w o r d s ： i n d u s t r i a le t h e m e t ，c o n f i g u r a t i o ns o f h a r e ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t m l l e r ，s u p e r v i s i o na n dc o n t r o l ，w a s t e w a t e rt r e a 恤e n t i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 上个世纪九十年代以来，以工业p c 、i o 装置、监控装置、控制网络组 成的p c b a s e d 的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的 重要途径。目前，我国工业控制自动化技术有了很大的发展，工业计算机系 统行业已经形成，以工业控制计算机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o n m u t e r ，i p c ) 为 基础的低成本工业控制自动化已成为主流。 随着网络技术的发展，传统的工业控制系统开始向网络化和开放性发展。 当现场总线大战硝烟正浓时，以太网以其开放性、通信速率高、丰富的软硬 件资源、可持续发展潜力大等优点渗入到控制系统的控制层和设备层，工业 以太网技术成为未来控制网路发展的方向【2 l 。 工业控制软件作为一种应用软件，随着p c 机的兴起而不断发展。工业控 制软件主要包括人机界面软件( h m i ) ，基于p c 的控制软件以及生产管理软 件等。目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先 进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了很大 突破。通过在化工、石化、造纸、钢铁等行业的应用，促进了企业的技术改 造，提高了生产过程控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益i ”。 本课题的意义：利用先进的自动化技术，对南方某港口码头的矿石运输 系统进行全面技术升级改造，在原有系统上增加了新的功能，又设计出集洒 水除尘和污水处理再循环利用功能于一体的自动控制系统，能避免矿石资源 的流失和环境污染，可提升码头的自动化生产水平，同时可以提高设备生产 率，还可以带来良好的经济效益f 4 】。 1 2 国内外研究现状 经济发展推进社会进步，促进工农业生产能力得到提高，使人们的生活 得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染。污水是造成环境污 武汉理工大学硕士学位论文 染的重要来源之一。在当今水资源日趋短缺的背景下，这个污染源的出现引 起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工 作日程。无论是发达国家还是发展中国家，尤其是水资源短缺地区，必须考 虑城市污水、工业废水回用问题，制定水资源可持续发展战略，寻求合理、 有效的水污染控制方法，研制发展新型、经济高效的水回用处理技术，提高 城市污水回用率和工业废水重复利用率，才能确保社会经济的可持续发展。 近些年来我国政府开始关注环境污染问题，特别是提出可持续发展战略 后，政府在经济快速发展的同时也注意环境的保护和治理。环境保护已成为 我国的基本国策之一。从近几年环境治理来看，我国的环保理论、工艺研究 和应用与国外差距不大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统。有 些污水处理厂所采用的检测仪表大部分是精确度和可靠性较差的离线仪表， 监测手段也是靠取样后测量，然后根据测量结果去调整设备运行状态。因此 很难进行快速和有效的在线实时控制，往往导致出水水质的不稳定吲【6 】。 而经济发达的国家如美国、日本和西欧等国家在研究新的理论和工艺的 同时，也重视污水处理自动控制系统的研究。这些国家先后纷纷投资研究开 发高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。如意大利开发 出一系列在线水质监测控制仪，美国艾姆科( e m i c o ) 工艺公司1 9 9 6 年成功 开发了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，美国米顿罗( m i d u n r o ) 公司也相继开发了一系列在线监测控制仪等，荷兰大学开发成功计算机控制 内循环式水解生化塔。由于这些水处理设备自动化程度、智能化程度相当高， 能连续稳定运行，所以达到令人满意的处理效果。 我国污水处理厂自控系统的现状是：手动与自动皆备，自制与引进并举。 近年来，许多高校和研究机构都在致力于污水处理工艺和污水处理自动控制 技术的研究，并取得了显著成果。 1 3 本论文主要研究内容 该论文主要介绍了污水处理及水资源循环利用( 洒水除尘) 自动控制系 统的设计与应用，采用先进的控制技术，借鉴别人的方法，并在实际应用中 总结了一些经验。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 问题的提出 南方某港口码头是一个年生产能力达8 5 0 万吨的大型深水专用铁矿石码 头。铁矿由船舶输入码头，经桥式抓斗卸船机、斗轮堆取料机、皮带传输机 等生产设备卸载并传输进入堆场或装火车运出。当地气候干燥，所运输的物 料多为散状物，极易产生粉尘，造成大气污染，必须洒水除尘。如果仅靠人 工进行洒水作业，工作量很大，同时产生的废水也带来污染问题，故需要设 计一个集堆场洒水除尘和污水处理于一体的自动控制系统，提高生产效率和 水资源的利用率，而且减少污染。该系统属于该港口码头的扩建项目。 1 3 2 主要内容 课题“基于工业以太网的洒水除尘及污水处理控制系统的设计与实现” 旨在通过对可编程控制器技术、工业以太网关键技术的学习和研究，设计出 基于p l c 和e t h e m e t 技术的满足实际需求的自动控制系统。基于本课题本人 所承担部分，本论文主要内容如下： ( 1 ) 学习和研究了可编程控制器技术及工业以太网技术： ( 2 ) 洒水和污水处理系统整体分析、方案设计； ( 3 ) 控制系统网络通信的实现、p l c 软件编程； ( 4 ) 上位监控软件的制作。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统概述及其总体设计 2 1 可编程控制器技术 可编程序控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o m r o l l e r ) 是由早期继电器 逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主 的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺 序控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性高、功能强大、控制灵活、操 作维护简单【2 j 。p l c 处在不断发展之中，对它下一个确切的定义是很困难的。 为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会( i n t e m a t i o n a l e l e c t r o t e c h i l i c a lc o r m i s s i o n ) 于1 9 5 2 年颁布了可编程序控制器标准草案，1 9 8 5 年提交了第二版，1 9 8 7 年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义：“可编 程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装 置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序 运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输 入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外 围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而 设计”【b | i ”。 总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制 造的计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可 编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据 实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制f l o h u 】。 分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简写为d c s ) ，又 称集散控制系统，它融计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于 一体，采用控制分散和管理集中相结合的原则，可对大规模的生产过程( 涉 及几百上千个参数的数据采集和控制) 进行高可行性的控制和有效的管理。 它以多样化的产品、丰富的软件和硬件配置及机动而完整的功能组合，成为 崛起的一代工业自动化设备，集散控制系统研究开发与应用已基本成熟【j 2 1 ”。 随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发 4 武汉理工大学硕士学位论文 展，p l c 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了模 拟量和p i d 调节等功能模块，形成了数值运算、闭环调节。尤其是p l c 把专 用的数据高速公路( h i g h w a y ) 改成通用的网络，并逐步对各p l c 生产厂 家之间的通信规约规范化，使得p l c 有条件和其它各种计算机系统和设备实 现集成，以组成大型的控制系统，也使p l c 系统具备了d c s 的形态，使得 p l c 的应用拓展到连续过程控制领域，基于p l c 的d c s 系统目前在国内外都 得到了广泛的应用。 2 1 1 可编程序控制器的工作原理和分类 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户 程序执行和输出刷新三个阶段。 ( 1 ) 输入采样检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为 下一阶段使用； ( 2 ) 执行程序然后p l c 按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行 结果暂时存储起来； ( 3 ) 刷新输出按第一阶段的输入状态，在第二阶段执行程序，在本 阶段将确定的结果输出予以刷新。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以 一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处理和 控制信号的输出分别在一个扫描周期的不同时间进行的方式有助于排除系统 受到的干扰【8 】【9 】。 可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足 用户的需要，p l c 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的 与外部物理世界的接口( 即i ，o 点) 外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这 些逻辑功能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬 件逻辑所能达到的功能，从而为p l c 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基 础。 根据p l c 的功能可分类如下： ( 1 ) 逻辑控制： ( 2 ) 定时控制； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 计数控制； ( 4 ) 步进( 顺序) 控制； ( 5 ) p i d 控制； ( 6 ) 数据控制：p l c 具有数据处理能力； ( 7 ) 通信和联网； ( 8 ) 其它：p l c 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求， 如：定位控制模块，c r t 模块。 2 1 2 可编程序控制器的特点 p l c 的主要特点可概括如下【1 4 】： 1 、高可靠性 ( 1 ) 所有的“o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与p l c 内部电路之间电气上隔离； ( 2 ) 各输入端均采用r _ 一c 滤波器，其滤波时间常数一般为1 0 2 0 m s ； ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰； ( 4 ) 采用性能优良的开关电源； ( 5 ) 对采用的器件进行严格的筛选； ( 6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，c p u 立即采取有效措旌，以防止故障造成的损失扩大： ( 7 ) 大型p l c 还可以采用由双c p u 构成冗余系统或者三个c p u 构成表 决系统，使可靠性更进一步提高。 2 、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i o 等均采用模块化 设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需 要自行组合。 3 、丰富的i o 接口模块 p l c 针对不同的工业现场信号，如开关量或模拟量、交流或直流、电压 或电流、脉冲或电位、强电或弱电等，都有相应的i o 模块与工业现场的器件 或设备等直接连接，如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁 武汉理工大学硕士学位论文 线圈、控制阀等。 另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了 组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 4 、编程简单易学 p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来 说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解 和掌握。 5 、安装简单，维修方便 p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需 将现场的各种设备与p l c 相应的i o 端相连接即可。各种模块上均有运行和 故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用了模块化结构， 一旦系统中某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢 复运行。 2 1 3 可编程序控制器与其他逻辑控制系统的比较 1 、p l c 与继电器顺序逻辑控制系统的比较 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装 置，但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行 的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点( 包括 其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的那个位置上都会立即同时动作。p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻 辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立 即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式 不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在1 0 0 m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于1 0 0 m s ，因此，p l c 采用了一 种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样，在对于i o 响应要 求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了h 2 j 【1 ”。 继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要其中任一部 件或触点故障，将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较大，维修的工 作量也较大。除“o 点接口外，p l c 的其它逻辑功能均在其内部实现，即简 武汉理工大学硕士学位论文 化为内部的软件逻辑，不仅可以取代硬件逻辑所能达到的功能，而且性能更 为优越。由于减少了大量的元件和接线，故障率和维修时间都大大降低 【8 j 【9 】【1 4 1 。 2 、p l c 与计算机控制系统的比较 计算机控制系统是指用单片处理器或工控机组成的计算机控制系统。在 可编程序控制器发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻 辑控制系统的发展发挥了较大的作用。可编程序控制器对此进行了改造，变 通用为专用，降低了成本，缩小了体积。 集散控制系统( d i s t 曲m e dc o n t r o ls y s t e m ) 是专门为工业过程控制设计 的过程控制装置】。它主要应用场合是连续量的模拟控制；可编程序控制器 的主要应用场合是开关量的逻辑控制。集散控制系统是按用户的程序指令工 作的；可编程序控制器是按扫描方式工作的，有利于顺序逻辑控制的实施。 在集散控制系统中，可有多级优先级中断的设置；而可编程序控制器通常不 采用中断方式。在存储器容量方面，由于集散控制系统需进行大量的数字运 算，所需容量较大；而可编程序控制器所处理的运算多是逻辑运算，所需的 容量较小。在可靠性方面，两者都是有较高要求。 为了扩大应用的范围，可编程序控制器正在向分散控制系统靠拢，扩展 模拟量的控制功能。同样，集散控制系统也正在扩展逻辑控制功能，出现综 合集成趋势。 由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，各种自 动化手段在发展的同时相互影响，在今后相当长的一段时间内，d c s 、p l c 将会相互补充、相互促进、彼此共存于一个系统之中，有人将这种系统称之 为混合控制系统【9 】。结合控制对象的特点该项目采用的是控制系统为：分散控 制系统、集中监控系统、集中管理系统【4 】。 2 2 工业以太网简介 以太网起源于一个实验网，设计用来支持x e r o xp a l oa l t o 研究中心的 “a l t o ”个人计算机间以3 m b p s 速率互联。1 9 8 0 年，d e c ( d i g i t a le q u i p m e n t c o r p o r a t i o n ) ，i n t e l 和x e r o x 三大公司发布了d i x 版以太网1 o 规范，其 传输速度为1 0 m b p s ，所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1 9 8 2 年，发布 8 武汉理工大学硕士学位论文 了d i x 2 0 版，这就是通常所说的e t h e m e ti i 。与d i x 同步的是i e e e 成立 的至今闻名的8 0 2 3 委员会。1 9 8 5 年，i e e e8 0 2 3 委员会发布了c s m 刖c d ( 带碰撞检测的载波侦听多路访问) 访问方法和物理层规范，尽管其帧的 定义与d i x 2 0 不尽相同，但是现在更多的人认为它就是以太网。这两种结 构的帧可以在同一介质共存，但不能互操作。1 9 9 6 年出现了快速以太网标 准，传输速度为1 0 0 m b p s 。1 9 9 8 年9 月公布了8 0 2 3 a b 于兆以太网标准n 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等优点，且由于 它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。在与传 统现场总线的对比测试中，以太网显示出的明显优势，使其能够完全胜任 控制工程中对实时性、可靠性、抗干扰性的高要求，以太网已被证明是未 来控制网络的最佳解决方案【1 8 1 。 信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网 络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这种形势发展 起来的新技术。其初衷是用数字双向通信技术代替4 2 0 m a 模拟传输技术。 但随着1 9 9 9 年现场总线技术标准i e c 6 1 1 5 8 的出台，八种现场总线都成为国 际电工委员会( i e c ) 的现场总线技术标准，但实际上并没形成真正统一的通 信标准。不同厂商的仪表设备在不同的f c s ( 现场总线控制系统) 中兼容性 问题并没有得到完全解决。因此，本控制系统选用工业以太网作为通信网络【l 。 2 2 1 工业以太网的特点及工作原理 工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、 可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。 以太网有以下特点m 】： ( 1 ) 具有相当高的数据传输速率( 目前已达l o o m b ，s ) ，能提供足够 的带宽； ( 2 ) 由于具有相同的通信协议，e 也e r n e t 和t c p i p 很容易集成到i t ( 信息技术) 世界； ( 3 ) 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 络平台或基础构架； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术； ( 5 ) 沿用多年、为众多技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、 维护和诊断工具，成为事实上的统一标准； ( 6 ) 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 以太网的工作原理：在基于广播的以太网中，所有的工作站都可以收 到发送到网上的信息帧，每个工作站都要确认该信息帧是不是发给自己的， 一旦确认是发给自己的就将它发送到高一层的协议层。在采用c s m a c d 传输介质访问的以太网中，任一c s m a ，c d 工作站在任何时刻都可以访问 网络。发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有检测到网络空闲时， 工作站才能发送数据。在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一工作 图2 1工作站数据发送流程图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 站均可发送数据。在有两个工作站发现网络空闲而同时发送数据时，就会 发生冲突。这时，两个传送操作都遭到破坏，工作站必须在一定时间后重 发，何时重发由延时算法决定。其工作流程图如图2 - 1 和图2 - 2 所示。其中 图2 1 为工作站数据发送流程图，图2 2 为工作站数据接收流程图。 2 2 2 工业以太网的发展 从国际、国内工控发展现状来看，目前工业以太网已在工业企业综合 自动化系统中的资源管理层、 执行制造层得到广泛应用，成 为事实上的标准，并呈现向下 延伸直接应用于工业控制现 场的趋势。目前工业以太网技 术的发展体现在以下几个方 面：( 1 ) 通信确定性与实时 性；( 2 ) 稳定性与可靠性； ( 3 ) 工业以太网协议。在此， 从以下三方面对以太网技术 在控制领域的应用现状进行 讨论，尝试分析以太网作为控 制网络的地位和前景【”】【“1 。 1 、以太网与其它现场控 制网络结合 这是信息网络和控制网 络的一种典型集成方式。工业 自动化的理想目标就是削减 通向自动化各层次路径上复 杂程度各异的连接，以跨越不 同的总线技术，并借助某种网 络直接建立统一的通信。以太 图2 2 工作站数据接收流程图 网作为可靠的网络标准，侧熏于数据处理和通讯，是一个较好的选择。 武汉理工大学硕士学位论文 就一个企业来说，企业中央部门和各级管理部门所采用的是基于标准 以太网结构的局域网络，各部门之间广泛的数据交换，是以太网的典型任 务，如果把该局域网作为控制网络的上层数据通路扩展，使包括p l c 、d c s 独立的嵌入式控制设备乃至现场总线等各个自动化岛屿之间能在企业网层 次进行数据交换，则有如下重要意义： ( 1 ) 现场控制信息、生产信息与企业网络及时交换，便于了解企业生 产情况； ( 2 ) 建立综合的实时信息库，有利于管理层的决策； ( 3 ) 建立分布式数据库管理系统，为企业优化控制、生产调度、计划 决策提供依据； ( 4 ) 对控制网络进行远程监控、诊断与维护。 以太网最典型的应用形式是e t l l e r n e t + t c p ，i p ，即灵活的e t h e r n e t 底层 加上几乎已成为通用标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能够非常容 易地集成到以i n t e r n e t 和w e b 技术为代表的信息网络中。以e t h e r n e 什t c p i p 技术为基础的信息网络与控制网络的互联，可以通过网关或路由器进行。 由于工业控制网络的特殊性，其互联的网关、路由器与一般商用网络不同， 它要求容易实现i p 地址的编址、异构网的数据格式和协议转换，这对具有 自己的协议和体系结构的现场总线控制网络尤其重要。现在流行的现场总 线网络如f f 、m o d b u s 、l o n w o r k s 、w o r l d f i p 、p r o f i b u s 等都已有相应的支 持t c p i p 协议的网间互联产品。 以太网正逐步向现场级深入发展，并尽可能和其他网络形式走向融合， 这也是工业以太网所面临的重要课题。但基于t c p i p 协议的e t l l e m e t 先天 就不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、 适用环境等诸多方面和成熟的自动化解决方案( 如p l c 、d c s 、f c s ) 相比 有很大差异，要想做到完全意义上的融合是很困难的。因此，其他控制形 式与以太网保留各自优点、互为补充的方案，乃是最经济地解决自动化与 通信任务的方案，也是目前以太网进入控制领域的最常见的应用方案。 2 、专用的工业以太控制网络 完全确定的通信网络在得到信息请求后能提供一个有限的响应时间。 而传统以太网采用总线式拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞检测 ( c s m c d ) 通讯方式，在实时性要求较高的场合下，因为信道竞争和碰 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 撞，数据的传输可能会产生延滞。一般认为以太网的这种“不确定性”导 致它不能满足控制系统的实时性要求。虽然以太网本质上不是一种确定型 的网络，但各方面对以太网的研究进展使得这个问题基本得到解决，主要 的措施有以下一些： ( 1 ) 采用快速以太网以加大网络带宽，限制总线上站点数目，控制网 络流量等措施，使总线型网络保持在轻负载工作条件下，可以减少因竞争 信道而引起的碰撞，相应地提高了实时性； ( 2 ) 采用交换式以太网，用交换技术替代原有的总线型c s m a c d 技 术，避免由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少信道带宽的 浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。 以上两种措施能有效改进确定性，但还不能完全解决问题，因为网络 带宽不是无限的，交换式以太网中仍存在着端口竞争、碰撞和等待现象。 针对这个问题，一些厂商开发出一些独到的技术手段运用到以太网上，改 造出自己的专用网络。这些技术包括： ( 1 ) 采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器，除 控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条 信息都包含传输优先级等实时参数，这种智能化的集线器还可以动态检测 需要通讯的现场设备所在的以太网“o 接口，通过分配地址空间把内部通讯 从外部通讯中分离开来，保持现场控制信息的独立性； ( 2 ) 实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线 路传输数据，保证实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞； ( 3 ) 在以太网的协议中加入实时功能，通过底层协议的集成，确保了 以太网的确定性和兼容性。 3 、基于通用以太网的监控平台 嵌入式因特网是最近网络应用的热点，就是通过i n t e m e t 使所有连接网 络的设备彼此互通互联，从计算机、p d a 、通讯设备到仪器仪表、家用电 器等。i n t e m e t 网络是基于t c p ，i p 协议的，所以连接局域网的设备最好直 接使用支持t c p i p 的网络控制器，包括硬件和相应的软件。 随着信息技术的发展，楼宇、工厂乃至家庭都开始大量安装以太网以 共享信息，这些通用以太网灵活方便、费用低廉，与i n t e r n e t 自然结合。如 果能在对实时性和环境没有特殊要求的场合，直接用这些网络连接现场设 武汉理工大学硕士学位论文 备以实现控制方面的信息共享，则可以轻松实现远程监控并大大降低成本。 最简便的方法就是采用独立的以太网控制器，连接具有t c p i p 界面的控制 主机及具有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口的现场装置。独立的以太网络控制器扮 演通用计算机网络和现场各类设备之间的一个整合桥梁，执行资料的处理 和交换工作。 这样的以太网在应用层上不满足实时通信，复杂的工程模型组态以及 设备间的高可互操作性，也不满足工业现场某些方面的特殊要求，如本质 安全、恶劣环境、可靠性等。它主要是使以太网能接纳带串行通讯口的现 场设备，达到数据采集和监控目的。可运用在远端数据采集、过程监视、 安全系统、实验自动化、楼字自控等方面，而不适合工业现场的大规模实 时过程控制。 2 3 组态软件简介 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。这个概 念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件各种 资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置、自动执行特定任务， 满足使用者要求的目的。 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制 系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不 是编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各 种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持 各种硬件厂家的计算机和i 0 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结 合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。 监控组态软件是面向监控与数据采集( s c a d a ，s u p e r v i s o r yc o n t r o la i l d d a t a a c q u i s i t i o n ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方法灵活， 功能强大。监控组态软件最早出现的时候，h m i ( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 或m m i ( m a n m a c h i n ei m e r f a c e ) 是其主要内涵，即主要解决人机图形界面 问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、 开放数据接口、对i o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 组态软件作为计算机监控系统的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统 具有更为广阔的阵营。这是因为：第一，很多d c s 和p l c 厂家主动公开通 信协议，加入“p c 监控”的阵营，目前，几乎所有的p l c 和一半以上的 d c s 都使用p c 作为操作站；第二，由于采用p c 监控极大的降低了系统成 本，使市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视( 如防盗报警、江河汛 情监视、环境监视、电信线路监控、交通管制和监控、矿井报警等) 、数 据采集与计量( 如居民水电气表的自动超表、铁道信号采集与记录等) 、 数据分析( 如汽车和机车自动测试等) 到过程控制，几乎无处不在；第三， 各类智能仪表、调节器和p c b a s e d 设备可与组态软件构筑完按的低成本 的自动化系统，具有广阔的市场空间；第四，各类嵌入式系统和现场总线 的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来 越成为工业自动化系统中的灵魂l ”1 【2 0 1 1 2 ”。 2 4 系统分析 南方某港矿石码头生产控制系统的特点是：生产量大，大型设备多，电 气设备分布点比较散，控制及监测点较多，而且现场的工作环境比较恶劣。 因此将堆场划分为五个大的区域，将控制设备分别散布在五个堆场区中，但 控制信号输送距离较远，而控制管理要求高，为满足生产和管理需要，提高 自动化生产能力，本工程通过工业控制计算机、可编程序控制器( p r o g r a 瑚n b l e l o g i c a lc o n t r o l l e r ，p l c ) 及工业控制网络( 工业以太网技术) 对整个洒水除 尘和污水处理过程进行控制与管理，配置计算机监控与管理系统，并能通过 计算机监控系统进行流程选择。按功能划分，该工程分为两个部分：( 1 ) 污 水处理系统；( 2 ) 洒水系统。 整个系统运行自动化程度要求较高，要求洒水和污水处理自动控制系统 能与办公室的信息网相连。主要生产工艺设备有空压机、压力加气式浮选器、 加压装置、立式污泥浓缩器、污泥增压器、板框压滤机及各水池泵组等。 2 4 1 系统的生产工艺过程 污水处理的工艺流程：污水处理设备主要集中在集水池处，由主站 武汉理工大学硕士学位论文 q u 8 n t i l mp l c 进行控制。堆场喷洒后产生的污水及下雨后堆场内的污水通过 地沟汇集到集水池，集水池的液位达到一定值时，启动集水池液下泵，污水 进入穿孔旋流反应池，同时在其中加入药物将污水中的有毒有害物质降解去 除，经反应后进入斜管沉淀池，在此进行沉淀后，处理后的水输入中间水池， 池底污泥通过提升泵排至污泥池中，中间水池的水经过压力加气式浮选器经 过再次药物处理后，便可直接输入清水池以供荐次喷洒使用。 整个洒水系统设备分散在堆场的各区域，由m o m e n t u mp l c 子站发送指 令控制喷水阀来实现洒水的启停，整个堆场分为五个大区，总共有十台 m o m c n a 姗p l c 来控制喷水阀，它们分布在堆场的不同位置。洒水的工艺流 程比较简单，根据堆场有无堆料和是否有斗轮机悬臂信号判断是否洒水及选 择那种洒水循环方式，符合洒水条件时可以在现场手动控制堆场洒水，也可 以在中控室发送洒水信号控制洒水设备的启停。图2 3 即洒水及污水处理工艺 流程示意图。 图2 3 洒水及污水处理工艺流程图 2 4 2 系统的控制要求 用户对整个系统自动化程度、精确度等方面要求较高，设计时主要从以 武汉理工大学硕士学位论文 下几个方面考虑： ( 1 ) 控制功能上，要求实现的主要功能包括有控制功能、显示功能、操 作功能、数据通信功能和综合信息管理功能； ( 2 ) 控制方式上，要求对被控系统设备可以实现手动控制、软件控制、 自动控制三种控制方式，整个自动控制系统应有手动和自动两种工作方式， 系统正常工作为自动工作方式； ( 3 ) 网络通信方面，要求