（控制理论与控制工程专业论文）基于plc的采油联合站控制系统研究.pdf

基于p l c 的采油联合站控制系统研究 摘要 随着i ：业的发展，p l c 在工业自动化中起着举足轻重的作埘火幅度减轻了一线工人劳动 强度和现场管理难度，加强了安全系数，体现了以人为本的原则而且使油田工业自动化水平 达到了新的起点，使生产和管理更趋规范化，科学化总之，可编程控制器是一台计算机，它 是专为二r ：业环境应川而设计制造的计算机它具有丰富的输入缃出接口，并且具有较强的驱动 能力由。可编样控制器产品并不针对某具体i ：业应用，所以在实际应删时，硬件要根据实 际需要进行选j h j 配置，软件按照控制要求进行设计编制。 本论文基于人庆采油七厂葡一蛾联台站的自动化项目，研究了p l c 控制系统的设计要求和 采油联合站的工艺和控制流程，在此基础上分别采川了神经网络p i d 控制器和迭代p i d 控制器 确定采油联台站的p l c 控制系统设计方案，井研究了p l c 与w i n c c 之间以及多台p l c 之间的 通信实现。采油联台站的p l c 控制系统的设计分为硬件设计雨嗽中 ：设计。其中硬件设计包括确 定p l c 的i o 点数，选择合适型号的p l c 、绘制p l c 的硬中 ：接线圈等，软件设计主要是运用 s t e p 7 进行梯形图编程，并采腰w i n c c 进行监控界面的设计。编程中巧妙地运用s e t p 7 的模 块化，既能满足控制要求，义仅觯序简沾，然厉对程序中备功能块进行详细的分析。p l c 与 w i n c c 之间的通信主要介绷硬件参数的配置：多台p l c 之间的通信主要介绍如何根据通信要 求选择合适的通信协议。 荚键词：可编程控制器：p l c 控制系统；神经网络p i d 控制器；迭代p i d 控制器；采油联 台站：s t e p 7 ：w i n c c 1 1 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo fo i le x t r a c t i o nj o i n ts t a t i o nb a s e do i lp l c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ei n d u s t r y , t h ea p p l i c a t i o no fp l ci nt h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o ng e t sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t t h ep l cc o n t r o ls y s t e mc a l ll i g h t e nt h ew o r k i n gs t r e n g t ho ft h ew o r k e r s ，r e d u c e t h ed i f f i c u l t yo ft h es p o tm a n a g e m e n tg r e a t l ya n dc a l le n h a n c et h es a f e t yf a c t o r s oi tr e f l e c t st h e p r i n c i p l eo f t h ep e o p l eo r i e n t e da n du p g r a d e st h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nt oan e wl e v e l i no n ew o r d ，t h e p l ci sas p e c i a lc o m p u t e rf o ri n d u s t r ye n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n t h ep l cp r o v i d e sm a n yi 0i n t e r f a c e s a n dp o w e r f u ld r i v e b e c a u s et h ep i , cd o n ta i ma ts o m es p e c i a li n d u s t r ya p p l i c a t i o n , t h eh a r d w a r eo f p l cs h o u l db ec h o s e na n dt h es o f t w a r es h o u l db ed e s i g n e da n dp r o g r a m m e da d d i t i o n a l l ya c c o r d i n gt o t h er e q u i r e s t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g nr e q u i r e so ft h ep l cc o n t r o ls y s t e ma n dt h et e c h n i c sa n dt h e c o n t r o lf l o wo ft h eo i le x t r a c t i o nj o i n ts t a t i o n t h e nt h ed e s i g np r o j e e to ft h ep l cc o n t r o ls y s t e mi s 舀v e i lb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r ka n di t e r a t i v ep i dc o n t r o l l e r i nt h ee n dt h ec o m m u n i c a t i o nr e a l i t y b e t w e e np l ca n dw i n c ca n da m o n gm o r et h a no n ep l ci si n t r o d u c e d t h ed e s i g no fp l cc o n t r o l s y s t e mf o rt h eo i le x t r a c t i o nj o i n ts t a t i o ni n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sd e c i d i n gt h ei o p o i n t s ，c h o o s i n gt h es u i t a b l et y p e ，c h a r t i n gt h e c o n n e c t i o nm a po ft h eh a r d w a r e t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sp r o g r a m m i n gt h et r a p e z i f o r mf i g u r e u s i n gs t e p 7a n dd e s i g n i n gt h es u r v e i l l a n ti n t e r f a c eu s i n gw i n c c t h eb l o c ko fs t e p i su s e d s k i l l f u l l yw h e np r o g r a m m i n g i tc a l l to n l ys a t i s f yt h ec o n t r o lr e q u i r e sb u ta l s os i m p l i f yt h ep r o g r a m m e t h e nt h ef u n c t i o nb l o c k sa r ea n a l y s e dd e t a i l e d l yi nt h ep a p e r t h ep a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no ft h e h a r d w a r ei si n t r o d u c e dw h e ni n t r o d u c i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dw i n c e c h o o s i n gt h e s u i t a b l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li st h ep r i m a r yc o n t e n tw h e ni n t r o d u c i n gt h ec o m m u n i c a t i o na m o n g m o r et h eo n ep l c k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；p l cc o n t r o ls y s t e m ；n e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e r ；, i t e r a t i v ep i dc o n t r o l l e r ；o i le x t r a c t i o n j o i n ts t a t i o n ；s t e p ：w i n c e i i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外。本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意 作者馘：盟 学位论文使用授权声明 日期：坐墨产 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆放查阅有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行裣索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的 学位论文在解密后适用本规定。 学雠文作者麟：互煳导师斟：橐拯肢 日翔：砂，二| 钆 马翔盛b 7 g f 创新点摘要 本文基丁人庆采油七厂葡一联联台站的自动化项目，研究了如何构建p l c 控制系统并实现上位 机与下位机以及多台p l c 之间的通信。主要的i ：作帛i 创新点如下： 1 根据p l c 控制系统的设计婴求稿l 采油联合鲋j f 内i ：艺流张，确定该项目的p l c 选型和硬什组 r ：，例如选择c p u 为3 1 4 c - 2 d p ，模拟鼙输入模块为s m 3 3 | ，模拟量输出模块为s m 3 3 2 ，数字鬣输 j 模块为s m 3 2 1 数字跫输出模块为s m 3 2 2 ，通信处理器为c p 3 4 2 - 5 ，高速计数模块为f m 3 5 0 2 ， 电源模块为p s 3 0 75 a 接口模块工1 m 3 6 5 。 2 深入研究了神经网络p i d 控制器平迭代p i d 控制器的控制原理，并在给定的被控对象上对 迂两种控制器的控制效果进行了仿真 3 编程中巧妙地运用s e t p 7 的模块化，以采油厂脱水岗为例，将该项目的程序部分划分为数 据处理、流量累计、p i d 控制、报表制作、泵远行状态检测元人模块，实现了数据采集、报警，监 控及控制等功能 4 由于本项目中备岗p l c 间数据传输比较频繁。因此在详细分析各类通讯协议的优缺点的基 础上，选择了p r o f i b u s f d l ( 与s 5 兼容通信) 协议作为本项目中多台p l c 之间数据传输的通讯 协议。f d l 实现p r o f i b u s 土站和主站之间的通信传输速率快。 关键词：可编程控制器；p l c 控制系统：神经网络p i d 控制器；迭代p i d 控制器：采油联合站：s t e p 7 霄i n c c l v j 、j 人f ih 1 1 0 ：施“啦i l 圮1 中 t 咤卫 引言 可编程控制器是6 0 年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器 p l c ( p m g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计 时、计数等顺序控制功能。p l c 的基本设计思想是把计算机的功能完善、灵活、通用 等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器 的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用 户程序存储器内。控制器和控制对象连接方便。 s i m a n cw i n c c ( 视窗控制中心) 是i ! ! i 门子( s i e m e n s ) 在自动化领域中的先 进技术和m i c r o s o f t 的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程， 是用于个人计算机上的，按价格和性能分级的入机界面和s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面， 准确的满足实际要求。 随着采油联合站工艺的发展，单靠人工操作和监控的传统方法己显示出越来越多 的弊端。近年来p l c 机在工业自动控制领域应用愈来愈广。它在控制性能、组机周 期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是单靠人力难以比拟的。如果用p l c 控 制技术对这些系统实施改造，则具有普遍的技术及经济意义。 本文基于随着采油联合站工艺的发展，单靠人工操作和监控的传统方法已显示出 越来越多的弊端。近年来p l c 机在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、 组机周期和硬件成本等方面所表现 u 的综合优势，是单靠人力难以比拟的。如果用 p l c 控制技术对这些系统实施改造，则具有普遍的技术及经济意义。本论文基于大庆 采油七厂葡一联联合站的自动化项目，研究了采油联合站的p l c 控制系统的设计与 实现，从p l c 控制系统的设计要求和采油联合站的工艺和控制流程； ( 2 ) 分别采用了神经网络p i d 控制器和迭代p i d 控制器设计了采油联合站的 p l c 控制系统的控制方案，芳在给定的被控对象上对这两种控制器的控制效果进行了 仿真： ( 3 ) 设计了采油联合站的p l c 控制系统，并从硬件设计和软件设计两方面进行 了详细分析； ( 4 ) 介绍了w i n c c 与? l c 进行通信时的参数配置以及多台p l c 进行通信时通 信协议的选择和参数的配簧。 人庆扎汕牛院伸! l 州究生学似沦史 1 1 可编程控制器概述 第1 章绪论 叮编程控制器足6 0 年代末往美国酋先现的。当时叫可编秆逻辑控制器 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计 时、计数等顺序控制功能。p l c 的基本设计思想是把计算机的功能完善、灵活、通用 等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便：直等优点结合起来，控制器 的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用 户程序存储器内。控制器和控制对象连接方便。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 ( i ) 可靠性高。抗干扰能力强：可编程控制器是专为工业控制而设计的，在硬 件和软件两个方采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控 制器具有很强的抗干扰能力，使其平均无故障时间达到( 3 5 ) 万小时以上。 ( 2 ) 编程直观、简单：可编程控制器是而向用户、而向现场，考虑到大多数电 气技术人员熟悉电气控制线路的特点，它没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是 采用了一种而向控制过程的梯形图语言，梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直 观，易学易懂。计算机技术和传统的继电器控制技术之日j 的隔阂在可编程控制器上完 全不存在。 ( 3 ) 功能完善，接口功能强：目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入 输i 乜、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显 示等功能，使设备控制水平大大提高。接口功率极大地方便了用户，常用的数字量输 入输出接口，就电源而言有1 1 0 v 、2 2 0 v 交流和5v 、2 4 v 、4 8v 直流等多种；负载 能力可在( 0 5 s a ) 的范围内变化；模拟量的输入输出有( 5 0 + 5 0 ) m v 、( 1 0 + 1 0 ) m v 和 i o - 1 0 ) m a 、( 4 2 0 ) m a 等多种规格。可以很方便地将可编程控制器与各种小同的现场 控制设备顺利连接，组成应用系统。例如，输入接口可直接与各种丌关量和传感器进 ，亍连接，输出接口在多数情况下也可直接与各种传统的继电器、接触器及电磁阎等相 连接。 p l c 采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图1 1 所示。 镣1 帝绪论 图1 1p l c 扫描过程 这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输夕、处理、程序执行、程序输出j ， 个阶段。全过程扫描次所需的时问称为扫描周期。网部处理阶段，p l c 检查c p 一： 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，p l c 与一些智能j ； 块通信、喻应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当p l c 处于停( s t o ；9 状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在p l c 处于返行( r u n ) 状态时， 从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，直循环扫描工作。 输入处理：输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状 态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。 接着进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号 发生变化，其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶 段才能被读入信息。 程序执行：根据p l c 梯形图程序扫描原则。按先左后右先上后下的步序。逐句 扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转 地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，p l c 从输入映像寄存器中读出上一阶段采 入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，裉据用 户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映 像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 程序处理：程序执行完以后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的y 寄 存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电= 各， 侵输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 p l c 的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用产程序所指定的可变顺序进行。这 人庆f j 汕学院埘! j 埘究乍孕化论文 不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一些大系统中需要处 理的i o 点数多。通过安排不同的组织模块，采用分时分批 - i 描的执j j ：办法，可缩短 循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。 循环扫描的工作方式是p l c 的一大特点，也可以说p l c 是“串行”工作的，这 和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。p l c 的串行工作方式避免了继电 器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。 由于p l c 是扫描工作过程。在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映 像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段爿能改变。暂存在输出 映像寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，c p u 集中将这些输出信号全都 输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。换 言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。 扫描周期是p l c 一个很重要的指标，小型p l c 的扫描周期一般为十几毫秒到几 十毫秒。p l c 的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的扫描时问对于一 般工业设备通常是可以接受的，p l c 的响应滞后是允许的。但是对某些i o 快速响应 的设备，则应采取相应的播施。如选用高速c p u ，提高扫描速度，采用快速响应模 块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响i o 滞后的主要原 因有：输入滤波器的惯性；输出继电器接点的惯性；程序执行的时f b j ：程序设计不当 的附加影响等。 1 。2 上位组态软件w i n c c 概述 1 2 1w i n c c 特点 s l m a t l cw i n c c ( 视窗控制中心) 是西门子( s i e m e n s ) 在自动化领域中的先 进技术和m i c r o s o f t 的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程， 是用于个人计算机上的，按价格和性能分级的人机界面和s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面， ；奎确的满足实际要求。与其他监控系统相比，w i n c c 具有以下系统特性： ( 1 ) s i m a t i cw 沁c c 是一个通用的系统。w i n c c 在自动化领域中可用于所有 ：操作员控制和监控任务。w i n c c 可将过程和生产中发生的事件清楚的显示出来。 三显示当前状态并按顺序记录。所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示，可 连续或按要求编辑，并可输出。w i n c c 提供各种功能块用于以上这些功能，以及图 形显示，结合各用户程序、信息处理、测量值处理、配方参数和报表。 ( 2 ) s i m a t i cw i n c c 功能可随任务增加。软件的特殊功能做成可选软件包，客户 可以单独选购，适用于数据和功能的扩展。例如，通过服务器可选软件包，可以将已 有的单用户组态系统扩展成一个多用户系统。 3 钯1 聒缔论 ( 3 ) s i m a t i cw i n c c 人机界面和s c a d a 是为全球月户开发的自动化领域中先进 技术的产品。从许多年以前到现在，s i m a t i c 人机界面产品已经有在线语吉切换功 能。这种功能在过程操作中不但对图表信息和测量值，而且对于配置软件都有效的。 w i n c c 有五种语言可供选择，允许用户在系统安装中选择合适的语言。 ( 4 ) s i m a t i cw i n c c 提供安全保障。w i n c c 能够在生产过程中危机情况的初发阶 段进行报告，这些信号即可以在屏幕上显示出来。也可以通过声卡用声音表现出来。 w i n c c 支持用帮助功能和操作指南来消除故障。某一w i n c c 工作站可专门用于过程 控制以使那些重要的过程信息不被屏蔽。软件辅助操作策略保护过程不会非法访问， 并提供用于工业环境中的无错操作。世界范围的售后支持更提供了安全保障。 ( 5 ) s i m a t i cw i n c c 保证数据的完整性。通过两个冗余的工作站，w i n c c 提供连 续的文档数据选择和系统操作的安全保证。在一个服务器受干扰后系统切换客户机孤 其它服务器上，以确保连续操作。当故障的客户机重新启动，两台服务器的文档自黟 匹配，以保证文档数据不中断。 ( 6 ) s i m a t i cw i n c c 是全面，1 ：放的软件。w i n c c 是在m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 9 8 或 w i n d o w sn t4 0 5 0 操作系统下，在p c 机上运行的面向对象的一流的3 2 位应用。 w i n c c 可通过o l e 和o d b c 视窗标准机制，作为理想的通讯伙伴进入w i n d o w s 世： 界。因此可容易的结合到全公司的数据处理系统中。w i n c c 不仅仅是数据开放，系 统功能也是丌放的。这就意味着系统丌发人员可用w i n c c 做为基础丌发有关的应用 软件，或编写扩展功能。 ( 7 ) s i m a t i cw i n c c 易于使用。w i n c c 的组态环境与m i c r o s o f tw i n d o w s n t 的肛i 格一致，并采取人机工程学的研究成果。即使操作人员的知识水平不等，也能在很短 的时间罩掌握该系统。系统有多媒体自学软件。详细的在线絮助，独特的组态向导等 等以帮助你学习。 w i n c c 发展趋势 很多新技术将不断被应用到组态软件当中，促使组态软件向更高层次和更广范围 发展。其发展方向如下： ( 1 ) 与自动化系统的无缝集成。经历了从早期致力于提高运行速度，到增强系 统通信和联网能力，再到融合了运动控制技术等诸多技术的t 系列产品以及放障安 全型的f 系统的发展阶段。在这样的背景下，w i n c c 与相应的硬件系统紧密结合， 通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通讯，极大地降低了用户软硬件纶 态的工程量，实现了整个产品范围内的高度集成。 c 2 ) 与自动化网络系统的集成。从现场总线p r o f i b u s 到工业以太网，再至： p r o f i n e t 技术和基于组件的自动化技术c b a ( c o m p o n e n t b a s e da u t o m a t i o n ) , 以及 无线通讯解决方案，由于w i n c c 内露了基于$ 5 $ 7 协义的通讯系统，并提供了大重 面向这些系统和技术的组件，从而为w i n c c 和这些系统的最优化通讯和良好的互笤 作性提供了保证。至于在w i n c c 平台上实现基于p r o f i b u s 的诊断功能，以及基彳 人庆札油学院倾i 研究生中化沦之 以太网的网络管理功能等，更是锦上添花之笔。 ( 3 ) 与m e s 系统的集成。制造执行系统m e s ( m a n u f a e t u d n ge x e c u t i o ns y s t e m s ) ， 作为连接企业生产系统和管理系统的桥梁，包含了生产订单管理、原材料管理、生产 运营记录、设备管理、工厂信息管理、生产规范管理系统和实验室信息管理等系统， 代表着现代化智能工厂发展的最新潮流。来自西门子公司的m e s 系统s i m a t i ci t 正是代表这一潮流的优秀系统。通过适当的适配系统，w i n c c 可以轻松地集成在该 系统下。换言之。实施了基于w i n c c 的h m f s c a d a 系统，就为实施m e s 系统打 下了坚实的基础。 ( 4 ) 与相应的软硬件系统一起，实现系统级的诊断功能。诊断功能包括产品和 系统的层次，贯穿于工程实施阶段、调试阶段和运行阶段。配合适当的软硬件系统。 如p r 。a g e n t 等，w i n c c 可以方便地实现基于不同通讯协议、从软件到硬件、从自 动化站到操作站乃至整个s c a d a 网络的诊断。 ( 5 ) w i n c c 不仅是可以独专使用的h m i s c a d a 系统，而只| 足两门予公司众多 软件系统的重要组件。比如，w i n c c 是西门子公司d c s 系统p c s 7 的人机界面核心 组件，也是电力系统监控软件p 。w e r c c 和能源自动化系统s i c a m 的重要组成部分。 这也许i f 是w i n c c 在不到10 年的时f 日j ，发展成为h m i s c a d a 软件领域全球领导 品牌的原因之一。二、坚持开放性和先进性高于一切的理念丌放性和标准化是软件系 统的生命线。当w i n c c 作为与技术和行业无关的通用自动化系统信息软件平台时， 这一点就显得更为突出了。而w l n c c ，正是从以下三个方面体现出了其开放的特性： ( 1 ) 整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的丌放性。借助c 脚本， w i n c c 几乎可以通过w i n 3 2a p i 无限制地访问到w i n d o w s 操作系统及该平台上各种 应用的功能，这正是现代s c a d a 系统的魅力所在；而v b 脚本则从易用性和开发的 快速性上相得益彰。反过来，通过o d k ，w i n c c 的整个组态和运行系统又完全呈现 给任何用户自行丌发的系统，为希望以w i n c c 作为平台软件进行工厂管理级软件和 信息系统丌发的用户提供了绝佳的平台。 ( 2 ) 数据库系统全面开放。数据库是s c a d a 系统的灵魂。从最基本的单用户 系统+ 丌始，w i n c c 就内簧了高效的数据库系统。它既可与操作站部署在同台p c 上， 又可以紧耦合( 中央归档服务器) 或松耦合( 长期归档服务器) 的方式独立于操作站配 置。通过a d o ，o l 。e d b ，s q l 等，w i n c e 的数据库系统完全开放，这就为构成灵 活而高效的i t 和商务系统做好了充分的准备。 ( 3 ) 广泛采用最新的开放性软件技术和标准，面向多种操作系统平台。w i n c c 是第一个完全基于3 2 位内核的h m i ，s c a d a 软件，因而，各种开放和最新的软件技 术就成为w i n c c 的代名词。西门子公司作为o p c 规范的五个发起公司之一，在各类 产品中广泛支持o p c ，w i c c 更是囊括了o p c d a ，o p c h d a ，o p c a s l e 和o p c x m l 等多种规范。与此同时，w i n c c 支持包括w i n d o w s c 正在内的多种w i n d 。w s 平台， 满足用户从移动式设备( 如p d a ) 到远程瘦客户机等各种应用需求。 5 第1 节绪论 1 3p r o f i b u s 现场总线简介 p r o f i b u s 是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标准。 p r o f i b u s 提供一个从传感器直至管理层的透明网络。正因为如此，p r o f i b u s 可 以在许多方面从汽车工业、机器制造业、食品工业、运输业直到环保工程等，获 得应用。近年来，p r o f i b u s 在众多的现场总线中占挢首位，并以其约占4 0 的市 场份额居欧洲之冠。作为开放式通信系统工业标准，p r o f i b u s 现场总线公布了网络 各层协议的所有规范。按照这些规范设计设备网络接口不同的设备可以实现网络互 联。这给控制设备的生产厂家、系统设计安装调试单位和用户带来了极大的方便。用 户可根据需要选择不同的设备，构成相应的系统，以减少设备的冗余度，降低成本， 也为以后系统的扩充提供了方便。p r o f i b u s 为多主多从结构，可方便地构成集中式、 集散式和分布式控制系统。网络协议以i s o o s i 参考模型为基础，对第三层到第六 层进行了简化。 p r o f i b u s 协议的第一部分是物理层和链路层协议。物理层采用r s - 4 8 5 标准通 信规范，传输介质为双绞线，其技术指标如下： 技术标准：e n 5 0 1 7 0 接口标准：e i a r s - - 4 8 5 网络插口：s u b - - d 9 芯插头 波特率：9 6 k ，1 9 2 k ，9 3 7 5 k ，1 8 7 5 k ，5 0 0 k 响应时间： o 2 2 m m ，阻抗1 2 0w p r o h b u s 链路层又称f d l ，它采用混合介质存取方式，即主站间接令牌方式， 主站和从站间按主从方式工作。令牌是一条特殊的电文，它在主站之间按照地址的升 序传递总线控制权( 即令牌) ，得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作。 这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个主站在一个特定的 时间片内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。链路层保证损坏或掉电的站 点从环中排除，新上电的主站加入令牌环。链路层的另一个主要任务是保证数据的无 差错传输，这是通过海明间距为4 、按照国际标准i e c 8 7 0 一5 一l 制定的特殊的起始 和结束界定符、每个字节的奇偶校验和每条电文的c r c 循环校验保证的。p r o f i b u s 链路层提供的服务有： 人庆_ | 油学院坝i 研究生学位沦史 s d a ( 发送数掘并要求回答) s d n ( 发送数据，不要求回答) s r d ( 发送数据并要求回送数据) c s r d ( 循环发送数据并要求回送数据) p r o f i b u s 的最大电文长度为2 5 5 个字节。电文由标识符、源及目的地址、数据 长度、数掘、命令字和循环校验码等构成，有效数据最长2 4 6 字节。 p r o f i b u s 协议的第二部分是应用层协议( f m s ) ，第三部分为d p 协议，它们都 使用相啊的底层协议，用于不同的应用领域。 f m s 定义了成j j 层( 第七2 - ) 的内容山j ：p r o f i b u s 没有第三联到第人层， 所以这几层的必要功能在个称为“底层接口”( l l i ) 的模块中完成，由l l i 将这 些功能映射到f m s 中f m s 提供了多种强有力的通信服务，这些服务是著名的m ：a p 协议中m m s 服务的一个予集。为使这些功能适应不同应用领域当中真丁f 的实际需要， f m s 包括称为“行规”( p r o f i l e ) 的特殊定义。行规规定不同制造商制造的、遵从 同一行规的p r i f i b u s 设备应具有姐同的通信功能。行规中除通信参数的选择外，还 包括队状态和错误的解释及针对应用的定义等许多信息。目前已经完成的有大楼自动； 化、驱动器、传感器和执行器、可编程控制器、纺织机器和低压开关设备等行规，这 些行规的制定为用户使用提供了极大的方便，也是p r o f i b u s 得到广泛应用的一个 重要原因。 p r o f i b u s 协议的第三部分是p r o f i b u s 的d p 协议，用于传感器和执行器级的 高速数据传输。它以p r o f i b u s f d l 为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能 加以扩充。d p 的传输速率司达1 2 m b i t s ，一般构成单主站系统，末站，从站间采用 循环数据传送方式( c s r d ) 工作。p r o f i b u s d p 广泛地皮甩在德网蕊q 予公司生 产的控制设备当中。d p 和f m s 可混合工作。 p r o f i b u s 协议的第四郁分是p r o f i b u s 的p a 协议，适用于对安全性要求较高 的场合，这由p r o f i b u s 的第四部分插述p a 实现了i e c l l 5 8 2 规定的通信规程， 设备行规定义了设备各自的功能，设备描述语言( d d l ) 及功能块允许对没备进行完 全的内部操作。 综上所述，p r o f i b u s 严格的定义和完善的功能使其成为开放式系统的典范。特 别需要指出的是，除了使用专门的a s i c 芯片之外，p r o f i b u s 也可以用通用电子器 件实现( 如8 0 5 0 ，8 0 8 6 ，v 2 5 等) 。价格低廉，容易推广。这些特点使得它在短短几 年内在化工、冶金、机械加工以及其它自动控制领域得到了迅速普及和应用。 p r o f i b u s 现场总线的应用 掘1 9 9 7 年统计，世界上已有约1 0 0 多力 台p r o f i b u s 仪表在自动化设备中应用， 而且每年增长2 0 3 0 。目前，世界上约有6 5 0 家厂商加入了p r o f i b u s 用户协会并 提供上千种p r o f i b u s 产品以著名的西门子公司为例，它可提供一百多种 p r o f i b u s 产品并已经把它们应用在中国的许多自动控制系统中。 第j 帝绪论 为在中国推广应用p r o f i b u s 工业现场总线标准，p r o f i b u s 中国用户协会于1 9 9 7 年7 月成立。协会的会员由生产厂商( 包括国际p r o f i b u s 用户协会成员在中国开 办的合资或独资企业) 、科研单位、学校、厂矿企业及其他用户组成。协会的宗旨是 竭城为广大用户服务，通过举办技术讲座及发行不定期内部刊物等手段介绍国际国内 p r o f i b u s 发展及应用的最新动态。宣传和介绍有关生产厂家的最新产品及应用实 例，促进用户之间的信息交流。 1 4 本论文的研究意义和研究内容 随着采油联合站工艺的发展，单靠人工操作和监控灼传统方法已显示出越来越多 的弊端。近年来p l c 机在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机后 期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是单靠人力难以比拟的。如果用p l c 控 制技术对这些系统实施改造，则具有普遍的技术及经济意义。 本论文基于大庆采油七厂葡一联联合站的自动化项目，主要研究了以下几方面座 容： ( i ) p l c 控制系统的设计要求和采油联合站的工艺和控制流程； ( 2 ) 分别采用了神经网络p i d 控制器和迭代p i d 控制器设计了采油联合站臼t p l c 控制系统的控制方案，并在给定的被控对象上对这； 种控制器的控制效果进行了 仿真； ( 3 ) 设计了采油联合站的p l c 控制系统，并从硬件设计和软件设计两方面进行 了详细分析： ( 4 ) 介绍了w i n c c 与p l c 进行通信时的参数配置以及多台p l c 进行通信时通 信协议的选择和参数的配嚣。 8 大庆石油学院颂一j 二研究生学位论文 第2 章p l c 控制系统设计要求 2 1 系统设计的主要内容 对一个系统进行设计的主要包括以下内容： 1 根据工艺流程，分析被控对象和控制要求，确定控制系统所需要实现的功能 和控制指标； 2 被控对象确定后，需要进一步确定哪些需要用p l c 控制，哪些只能手动控制， 据此确定i ，o 点数； 3 根据被控要求和被控对象的特点，选择合适的p l c ； 4 分配p l c 的i o 点，编制p l c 的i o 分配表或者i o 端子接线图； 5 编写程序，同时进行：p l c 控制柜等硬件的设计和现场施工： 6 程序完成后，可在实验室进行离线模拟调试； 7 离线模拟调试和现场施工完成后，进行现场联机调试； 8 联机调试通过后，编写设计说明节和使用说明书。 2 2 系统设计的基本步骤 p l c 控制系统设计的基本步骤如图2 1 所示。 1 分析工艺流程和控制要求 ( 1 ) 分析工艺流程及工作特点，确定被控对象，包括需要p l c 控制的机械设备、 电气设备、生产线等。 ( 2 ) 确定被控对象后，根据被控对象机、电之间的配合，确定p l c 控制系统的 控制要求。包括控制的基本方式、所需要完成的功能、必要的保护和报警等。 2 确定输入输出设备 根据控制要求，确定p l c 控制系统所需要的用户输入设备( 包括按扭、转换歼 关、行程开关、限位开关和传感器等) 和输出设备( 接触器、继电器、电磁阀、报警 指示灯等) 。并且根据这些输入输出设备确定系统的i o 点数。 3 选择合适的p l c p l c 类型的选择主要从下面几个方面考虑： ( 1 ) p l c 机型和容量的选择； ( 2 ) 开关输入量的点数以及输入电压； ( 3 ) 开关输出量的点数以及输出功率； 第2 审p l ( 拧制乐统设计垫求 ( 4 ) 模拟量输入输出的点数； ( 5 ) 系统的特殊要求，如远程f o 、通信网络等。 4 i o 点分配 分配p l c 的输入瀚出点，画出p l c 的l d o 端子与输入，输出设备的连接图或分配 表。在连接图或分配表中，必须指定每个i o 对应的模块编号、端子编号、i o 地址、 对应的输入输出设备等。 1 0 图2 1p l c 控制系统设计的基本步骤 大庆石油学院硕士研究生学位论文 5 设计软件及硬件 此步骤是进行p l c 程序设计和p l c 控制柜等硬件的设计及现场施工。程序与硬 件设计施工可同时进行。 p l c 程序设计的一般步骤包括以下部分： 根据工艺流程和控制要求，画出系统的功能图或流程图； 根据i o 分配表或i o 端子接线图，将功能图和流程图转化成梯形图，即p l c 编程。 硬件设计及现场施工的一般步骤如下： 设计控制柜布置图、操作面板布置图和接线端子图等； 设计控制系统各部分的电气图： 根据图纸进行现场接线。 6 离线模拟调试 ( 1 ) 程序编写完成后，将程序输入p l c 。如果用编程器输入，需要先将梯形图 转换为助记符，然后输入。 ( 2 ) 程序输入p l c 后，用按扭和开关模拟数字量，电压源电流源代替模拟量， 进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。 7 现场调试 离线模拟调试和控制柜等硬件施工完成后，就可以进行整个系统的现场联机调 试。现场调试是指将模拟调试通过的程序结合现场设备进行联机调试。通过现场调试， 可以发在模拟调试中无法发现的实际问题，然后逐一排除这些问题，直至调试成功。 8 整理技术文件 技术文件主要包括技术说明书，使用说明书，电气原理图、接线端子图、p l c 梯形图和电器布置图。 2 3 本章小结 本章主要讲述了p l c 控制系统设计的要求和基本步骤，对下一章研究采油联合 站的p l c 控制系统做了很好的铺挚。其中，最基础也是最必不可少的是分析工艺流 程和控制要求并且确定i o 分配，而最重要的是根据控制要求进行硬件和软件的设计。 第3 审采油联台站：艺和 卒制婺求 第3 章采油联合站工艺和控制要求 随着工业控制技术的发展，计算机自动控制监控系统已广泛应