（电工理论与新技术专业论文）热电厂外循环水系统的数据采集和管理.pdf

塑垩查堂塑主兰焦堕苎 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p m e r t e c h n o l o g y ，t h ed a t ac o l l e c t i n ga n dh a n d l i n gl e v e li ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mh a v e b e e ng r e a t l yi m p r o v e d i nt h i sa r t i c l e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n d m a n a g e m e n ts y s t e mo f t h ec y c l i n gw a t e ri nh e a tp o w e r p l a n ti sd e t a i l e dd e s c r i b e d ，w h i c hi sb a s e do np i c c o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mi sc o n s t r u c t e db ys c a d a ( s n p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) a n dd a t am a n a g e m e n ts y s t e m ，p r o v i d i n gd a t ac o l l e c t i n g ，t r a n s f e r r i n g ， m o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n t t h ea r t i c l ei sm a d eu po f6c h a p t e r sa n d s e c t i o n sa n dab r i e f d e s c r i p t i o ni sg i v e n a sf o l l o w s ： c h a p t e r lp r e s e n t st h eb a c k g r o u n da n dg o a l so ft h i sa r t i c l ea n ds u m m a r i z e st h e d e v e l o p m e n to f t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dm a n a g e m e n ts y s t e mi nl a t ey e a r s c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h eh a r d w a r es e l e c t i o na n dt h el o g i cd e s i g na c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m c h a p t e r 3g i v e sa l li n t r o d u c t i o nt oi n d u s t r yc o n t r o ln e t w o n ，m a k e sc o m p a r i s o n b e t w e e nt w ok i n d so fn e t w o r k sa n dd e t e r m i n e sw h i c hn e t w o r ki su s e di nt e r m so f a c t u a ln e e d sf o rt h i sa p p l i c a t i o n c h a p t e r 4p r e s e n t sh o w t oc o n s t r u c tas c a d a s y s t e mi nt h eh e a tp o w e rp l a n t ， w h e r es e v e r a l t e c h n o l o g i e so f d a t ae x c h a n g i n ga r eu s e dt oi m p l e m e n t i n g s u p e r v i s i n g ， c o n t r o l l i n g , d a t as h a r i n ga n de x c h a n g i n g c h a p t e r 5f o c u s e s o nt h ei m p l e m e n t i n go f t h e s y s t e md a t a b a s e c h a p t e r 6g i v e sas u m m a r y o ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n d m a n a g e m e n ts y s t e mo f t h e c y c l i n g w a t e r s y s t e mi nh e a tp o w e rp l a n t k e y w o r d ：p l c ；i n d u s t r yn e t w o r k ；s c a d a ；d a t a b a s e ；o p c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 自动化领域主要涉及三个共性的、基础性支撑技术，概括起来就是：控制( 控 制策略及实现装簧) 、系统( 系统构建与网络通信) 和信息( 信息处理与人机交 互) 。事实h 这三方面互相融合、互为补充，数据采集和管理系统就是三者相互 结合的一个产物，在自动化系统中发挥了重要的作用，它一般由基于p c 和 w i n i n t e l 结构的h m i 软件及相关的控制软件、流程监控软件、软逻辑( s o , l o g i c ) 、 数据管理软件等组成，具有工业过程动态可视化、数据采集和实时管理、过程监 控和报警、过程质量控制和优化、报表生成和打印等功能及特征。数据采集和管 理系统己经成为构造企业综合自动化的、承上启下的重要组成部分。在未来企业 的信息化进程中，数据采集和管理系统将成为重要的一环，因为数据采集和管理 系统不仅涉及企业工艺、控制、生产制造问题，又能完成现场历史数据的记录、 存储并为e r p ( 企业资源管理系统) 提供接口。随着t c p f i p 网络、多媒体、客 户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 以及c o m d c o m 等影响深远的新技术出现，数据采 集和管理系统中也相应地采用了i t 界最新技术，如a c t i v e x 、视频监视、o p c 规范、工业以太网以及w e b 技术等，并以很快的速度发展。因此对数据采集 和管理系统的研究有很强的理论和实际意义。 本课题所研究的热电厂水泵房的循环水泵系统承担着对机组内循环冷却水 进行冷却的作用。系统的稳定性要求很高，一旦该系统不能难常工作将导致整个 热电厂机组的停工。采用可编程序控制器系统对循环水控制设备进行自动化改 造，可以提高系统对突发事件的响应能力，增加系统的可靠性和安全性；并且大 幅度降低维护工作量，从而能取得良好的经济效益；通过上位机人机界面程序对 设备进行设置和操作，可以有效的减轻运行人员的劳动强度；另外，从中心控制 室微机通过系统的网络可直接对现场p l c 进行远程控制，可以减少调度环节， 为循环水控制系统的无人值班提供了条件。而且改造后的系统应用了以太网络技 术和数据库技术，由此可以实现全系统的信患综合利用，资源共享，互相协调。 并可与企业信息系统集成，成为企业管理信息化重要的组成部分，为实现办公室 自动化和工厂自动化提供了可能。因此对该系统的改造具有重要的实际意义。 热电一水泵房现有8 台循环水泵，向厂内提供外冷却水。根据生产的需要以 及水泵 _ _ | 水口压力的大小，决定投切循环水泵台数。由j 二水泵在不同时期添灌， 浙江大学硕士学位论文 其功率等级、效率、出水口压力不尽相同；水泵出水口与母管的连接也不同。拌j 撑6 循环水泵是通过电动阀与母管相连，# 7 撑8 循环水泵则是通过液控蝶阀与母管相 连：所有水泵启动前必须先对水泵的进水管抽真空，有二台真空泵用来完成此项 工作。 进行自动化改造前，水泵的投运包括真空泵的开停及相应真空阀的开闭操作 均由人工在现场进行：一旦发生紧急情况如运行中的水泵突然故障跳闸，人工h 向 应往往不够迅速，未能及时投入连锁备用水泵，从而影响工厂的生产，因此需对 循环水系统进行自动化改造。# 7 、群8 循环水泵的出口液压蝶阀的电气控制系统 采用传统的继电接触控制，线路复杂，维护工作量大，亦纳入本次改造范围。 本论文主要完成以下一一些工作内容： a 据该系统的自动化改造要求完成系统硬件配置和网络组建 b 可编程序控制器控制程序的设计。用梯型图逻辑完成，程序包括初始化程序、 故障检测报警程序，真空系统工作程序，循环水泵启动停止程序，以及就地控 制单元间通信程序。 c 上位机人机界面设计。人机界面主要实现以下功能： 监测：准确反映系统中主要设备与辅助设备的工作情况，包括循环水泵主 开关位置、电流值、前池水位、循环水泵出口压力、真空系统压力、液压系统压 力及各阀门位置； 叶旨令控制：执行运行人员发出的循环水泵投切、排水泵开停、真空系统启 停以及液压系统控制指令； 自动控制：能根据运行情况自动投入连锁备用循环水泵，自动完成水泵启 动的所有相关过程，自动关闭因故障跳闸水泵的出口电动阀或液压阀； 报警：包括前池低水位报警，出水母管低压力报警，运行中的循环水泵因 故障退出运行报警。若出现后二种报警，则系统自动投入连锁备用循环水泵； 数据记录：定时记录运行数据、即时记录故障数据以及运行人员操作数据。 d s c a d a 系统的构建。主要完成以下任务： 数据采集与控制信息发送：提供基于进程间通讯的数据采集方法( 主要 表现为开发d d e 服务程序) ： 报警处理：具有多点同时报警处理功能，提供报警信息的显示，登录， 浙江大学硕士学位论文 部分提供用户应答功能； 历史趋势显示与记录： 提供基于专用实时数据库的监控点数据的记录、查询和图形瞎线显示； 配方管理功能：控制系统按一定的配方完成生产管理： 网络通讯功能：提供非透明网络通讯机制，构筑上位机的分布式监控处理 功能； 开放系统功能：提供基于d d e 、o p c 的数据交换机制与其它应用程序交 换数据，部分提供o d b c 与其它系统数据库系统连接。 e 系统数据管理的实现。主要完成以下内容 数据库创建： 触发器的创建； 存储过程的创建： 客户端对数据库的访问。 浙江大学硕士学位论文 第二章热电厂外循环水系统的控制 2 1 系统的丁：作情况 热电厂水泵房现有8 台循环水泵，向热电厂提供外循环冷却水。根据生产的 需要以及水泵出水口压力的大小，决定投切循环水泵的台数。由于水泵在不同时 期添置，其功率等级、效率、出水口压力不尽相同；水泵出水口与母管的连接也 不同。群1 # 6 循环水泵是通过电动阀与母管相连，# 7 社8 循环水泵则是通过液控 蝶阀与母管相连；所有水泵启动前必须先对水泵的进水管抽真空，有二台真空泵 用来完成此项工作。前池作为泵房水源，供热后的废水排向前池，水循环使用。 前池的入水口与某水库供水渠相连，当前池水位过低时，打开进水闸以补充循环 过程中的水量损耗。循环过程如图一所示。 图2 1 循环水系统示意图 2 2 系统中的p l c 控制 2 2 1 可编程序控制器简介 世界上第一台可编程序控制器产生于1 9 6 9 年，由当时美国数字设备公司 ( d e c ) 为美国通用汽车公司( g m ) 研制开发并成功应用于汽车生产线上，被 人们称为可编程序逻辑控制器( 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 ) ，简称p l c 。在 二十世纪七十年代，随着电子及计算机技术的发展，出现了微处理器和微计算机， 并被应用于p l c 中，使其具备了逻辑控制、运算、数据分析、处理以及传输等 功能。美国电气制造商协会n e m a ( n a t i o n a l e l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 于1 9 8 0 年正式命名其为可编程序控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) ，简称p c 。 为与个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 相区别，同时也使用其早期名称p l c 。国 4 浙江大学硕士学位论文 际电工技术委员会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 分别于1 9 8 2 年1 1 月和1 9 8 5 年1 月颁布了p l c 的第一稿和第二稿标准。以后p l c 开始向小 型化、高速度、高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也 不断丰富，使其在二十世纪年代八十年代以来的工业控制领域中占据着主导地 位。 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为 一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来 的。 + p l c 组成：中央处理单元( c p u ) 、存储器、输入输出单元( i o 单元) 、 电源、编程器等； + p l c 分类：按照结构形成分为整体式和模块式；按照输入输出( i o ) 点 数分为小、中和大型； + p l c 特点：可靠性高，通用性强，编程简单( 常用编程语言有梯形图、语 句表、逻辑符号图、顺序功能图和高级语言等) ，体积小，安装维护简便等； t p l c 工作方式：采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描 周期。p l c 循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通 信、输入处理、执行程序、输出处理几部分； + p l c 发展趋势：向高速度、大容量、多种类发展；丰富编程语言，开发用 户友好界面；开发智能模块；加强联网通讯能力；可应用现场总线技术( 如：a - - bc o n t r o ll o g i x 、s i e m e n ss i m a t i c $ 7 - 4 0 0 、m i t s u b i s h ia n s 系列 p l c ) ；拥有智能诊断等功能：保护功能加强，有效保护用户信息，防止非法复 制、修改；对现场环境的适应能力更强。 2 2 2 p l c 控制系统的实现 在实际应用中，是以p l c 为控制核心组成电气控制系统，实现对生产、工 业过程的控制。 设计一个p l c 控制系统，首先要全面了解被控制对象的机构、运行过程等， 并明确动作逻辑关系；然后根据系统功能要求( 包括输入、输出信号数量的多少、 性质、参数；有无特殊功能要求；是否联网运行等) 选择p l c 型号及各种附加 浙江大学硕士学位论文 配置，并有规则、有目的地分配输入、输出点；再根据控制及流程要求，对应输 入、输出开发相应应用程序，同时连接p l c 与外部设备连线；最后，将编锘完 成的程序写入p l c 中，模拟工况运行，进行调试及修改。在模拟调试成功后， 接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止。 根据上述设计步骤来设计本系统。我们在选择处理器时，应考虑以下三个方 面：( 1 ) i o 要求，即控制过程需要多少i o ；( 2 ) 内存要求，即控制过程需要多少 内存：( 3 ) 通信要求，即过程中需要何种通信口。 + 本系统需要采集的模拟量数据有： 8 台循环水泵电机电流、3 组母管水压以及3 组母管的流量、2 点前池水位、 2 + 8 个真空压力、2 个液压阀的油压； 本系统需要采集的开关量包括： 8 台循环水泵主开关状态+ 8 台循环水泵真空阀；2 台真空泵主开关状态+ 2 台真空泵阀门：2 台加氯泵主开关状态+ 8 阀门：2 台排水泵主开关状态；2 台油 泵开关状态+ 2 x 2 液压阀行程开关。 共计：输入开关量5 4 个、输入模拟量2 8 个；输出开关量9 2 个。内存需求 量的估算法：离散i o 点1 0 + 模拟量i o 点2 5 + 特殊i o 模块1 0 0 = 总的 指令字。根据这种方法可求出此系统得内存总需求估算值= ( 5 4 + 9 2 ) 1 0 十2 8 2 5 = 2 1 6 0 指令字。在根据上面几个条件下，再考虑到系统的通信情况( 详见 第三章) ，我们确定选用罗克韦尔自动化公司生产的s l c 5 0 4 可编程序控制器。 该1 6 位的处理器拥有足够多的本地i o 处理能力；指令丰富，除一般处理器指 令外，还有一些特殊指令包括p i d 、信息及可选定时中断指令使系统更具灵活性； 处理器对位处理时间少于0 5 邶以及增强的数学与比较指令使得处理器运行速度 更快；对浮点运算的支持使处理器本身具有很强的数据处理能力；处理器内置的 d h + ( d a t ah i g h w a yp l u s ) 通信口，具有5 7 6 、l 15 、2 3 0k b p s 三种通信速率，其信 息吞吐能力完全能满足数据采集与控制需要；内置的串行口可以进行d f l 、a s c i i 或d h 4 8 5 通信。模块式结构可根据需要很方便地进行配置。 系统采用p l c 可编程序控制器，代替了中间继电器、时间继电器、计时器、 电流表等电器件，控制柜元器件大量减少，系统简化，可靠性提高。本p l c 控 制系统主要实现了以下功能：实现了开关量、模拟量的采集处理，并根据e 位机 6 浙江大学硕士学位论文 命令控制各台泵的运行；实现l c u 和上位机之间的数据和命令信息交换。其中 现场# 1p l c 实现对7 、8 号水泵( 包括液压阀) 以及加氯泵的控制；现场社2p i 。c 实现对l 一6 号水泵、真空泵以及排水泵的控制。 l c u 允许两种控制方式：自动控制方式和手动控制方式。处于自动控制方 式时，l c u 自动执行上位机发布的命令；处于手动控制方式时，操作人员可以 在现场进行按钮操作。 可编程序控制器控制程序用梯型图逻辑完成，程序包括初始化程序、故障 检测报警程序，真空系统工作程序，循环水泵启动停止程序，以及就地控制单 元间通信程序。其中循环水泵开机程序以及系统故障检测、报警及处理程序框图 分别如图2 2 、图2 3 所示。 图2 2 循环水泵开机程序图2 3 l c u 故障检测程序 浙江大学硕士学位论文 第三章热电厂外循环水系统的网络 3 1 工业控制网络概述 一个集成控制系统，它的功能的体现取决于如何有效地组合该集成控制系统 内的各个元件，取决于如何使各个元件能够协调地工作。有效地组合各元件可以 通过构成个结构开放的网络来实现，而使各个元件协调工作则需要使各元件间 通信方便，使各元件间能有效地交换各种数据。因此，网络和通信便是一个自动 化系统能否发挥其功能的重要因素。 一个完整的自动化系统其控制可分为3 个层次： ( 1 ) 信息层。这是整个自动化网络的最高层，也是对现场采集到的数据和信 息进行处理和管理的一层。 ( 2 ) 控制层。这是操作所在的一层，它将处理器与处理器之间的信息交流、 将处理器与输入输出接口之间的信息交流集成在这一层。 ( 3 ) 设备层。这是面向现场设备的一层，也是整个自动化网络的最低层，它 可以将操作信息送到现场设备，也可以将现场设备的情况反馈到操作者。 相应地，罗克韦尔自动化推出了由以太网、控制网和设备网所组成的开放型 网络： $ 在信息层采用以太网，用于数据的采集和程序维修。 在自动化和控制层采用控制网( c o h 仃o l n e t ) ，在某些情况下可以替代罗克 韦尔原有的控制网络( 如d h + 、d h 4 8 5 ) ，实现实时i o 控制、控制器互锁和报 文传送。 在设备层采用设备( d e v i c e n e t ) ，用于底层设备的低成本、高效率信息集 成。 下面分别简要介绍这三种网络： 1 以太网 1 9 8 5 年i s o 组织给以太网制定了一个国际标准。如今对工作站和p c 机而 言，通过一块以太网卡以获得1 0 m 或1 0 0 m 波特率相兼容的以太网已司空见惯 了。 8 浙江大学硕士学位论文 今天使用以太网的最流行的方法是进行程序的维护、m i s ( 管理信息系统) 和m e s ( 制造执行系统) 发送或接受厂级数据、履行监控功能、提供操作员界 面的连通性及记录事件和报警。 以太网通常适用于大量数据的传输、开放的网络( 点对点) 、对时间要求 不苛刻的数据的交换。 2 控制网网络 控制网网络是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的 信息传输。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和i o 设 备之间的一条高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。 控制网是基于开放网络技术的一种新发明的解决方案生产者客户者 ( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模式。生产者客户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。这种模式最主要的特点是提供了下述功能：更强 的系统功能：提高了效率，因为数据的发送与客户的数量无关；精确的同步化， 因为数据同时到达每个节点。 各种设备可以与控制网网络连接，包括个人计算机、控制器、操作员界面、 拖动装置以及其它与控制网相连接的设备。 控制网链路上的信息交换是控制网链路的最重要的功能，是在传送对时间有 苛刻要求的控制信息( 如i 0 状态和互锁的控制信号等) 的同时，其它的信息( 即 无时间苛求的信息，例如程序的装载和下载等) 也能传送。因为控制网的独特的 时间限制算法，它们不会影响对时间苛求信息的传送。 3 设备网网络 设备网网络通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连， 而无需通过硬线将它们与i ，o 模块连接。设备网网络是一种柔性的、开放性的网 络，可以运行多种销售商所生产的设备。 设备网网络同样基于生产者客户模式( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 网络模式，这 是最现代化的网络技术。生产者客户模式使控制数据同时到达操作的每一单元， 可以更有效地利用网络的频带宽度，同时可以显著地减少网络通信量，周期性的 报文发送，提供了更好的确定性：对等通信允许数据和状态信息在设备间进行交 9 浙江大学硕士学位论文 换。这些优点，如更快的响应、更好的确定性、增强的灵活性以及最优化，所有 这些都可以产生更高的生产率。 3 2c o n t r o l n e t 原理和应用 3 2 1c o n t r o l n e t 概述 c o n t r o l n e t 是由美国罗克韦尔自动化公司( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 于1 9 9 7 年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理介质链路上提 供对时间苛求的i o 数据和显形的报文数据，是具有高度确定性、可重复的高速 控制和数据采集网络，i o 性能和端到端通讯性能都较传统网络有较大提高。 c o n t r o l n e t 是基于生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模式的网络，允许在 同一链路上有多个主控制器共存，支持输入数据或点对点信息的多路发送，大大 减少了网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能。 c o n t r o l n e t 是高度确定性、可重复的网络。所谓确定性就是预见数据何时能 够可靠传输到目标的能力，而可重复性则是指数据的传输时间不受网络节点添加 删除情况或网络繁忙状况影响而保持恒定的能力。在实际应用中，通过网络组 态时选择性设定有计划i 0 分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步的保证。 因此，c o n t r o l n e t 非常适用于一些控制关系有复杂关联，要求控制信息同步、协 调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合，如协同工作的驱动系统、焊接 控制、运动控制、视觉系统、复杂的批次控制、有大量数据传送要求的过程控制 系统、有多个控制器和人机界面共存的系统等。对于有多个基于p c 的控制器之 间、不同p l c 之间或p l c 和d c s 之间存在通讯要求的场合，c o n t r o l n c t 非常适 用。c o n t r o l n e t 允许多个各自拥有自己独立或共享的f o 的控制器之间相互通讯 或以灵活的互锁方式组织。由于其突出的实时性、确定性、可选的本征安全等特 性，c o n t r o l n c t 被越来越多地应用于过程控制等要求较高的应用场合。 3 2 2c o n t r o l n e t 的优点及发展现状 c o n t r 0 1 n e t 的优点： + 同一链路上满足i o 数据、实时互锁、端到端报文传输和编程，组态信息 等应用的多样的通讯要求； 浙江大学硕士学位论文 + 是确定性的、可重复的控制网络，适合离散控制和过程控制； + 同一链路上允许多个控制器同时共存： + 输入数据和端到端信息的多路发送支持； + 可选的介质冗余和本征安全； + 安装和维护的简单性； ；网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取； 灵活的拓扑结构( 总线形、树形、星型等) 和介质选择( 同轴电缆、光纤 和其它) 。 截止1 9 9 9 年底在全世界范围内已经拥有近包括r o c k w e l l a u t o m a t i o n 、a b b 、 h o n e y w e l l 等7 0 家著名厂商组成的成员单位，由独立国际组织控制网国际 组织( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 负责管理。该组织旨在维护和发行c o n t r o l n e t 技 术规范，管理成员单位的共同的市场推广工作，同时提供各个厂商产品之间的一 致性和互操作性测试服务，保证c o n 怕l n e t 的开放性。 3 2 3c o n t r o l n e t 主要技术特点 a 协议 参照i s o o s i 七层网络划分，c o n t r o l n e t 网络划分如下： 1 ) 、物理层与介质 物理层和介质部分的规范规定了同轴电缆和光缆介质标准和设计的一些参 考信息。物理层包括两个子层：物理介质附属子层( p h y s i c a l m e d i u m a t t a c h m e n t ， p m a ) 和物理层信号子层( p h y s i c a ll a y e r s i g n a l i n g ，p l s ) 。p m a 子层包含了发 送和接受总线信号必须的电路，而p l s 子层执行位表示和计时器功能，以及与 m a c ( 向上) 和p m a 子层的信息交换。 2 ) 、数据链路层( d a t a l i n k l a y e r ) 数据链路层的首要任务是管理介质的存取权。d l l 协议是建立在一个固定 长度的、不断重复的网络刷新时间( n e t w o r ku p d a t et i m e ，n u t ) 基础上的e n u t 以同步方式管理链路上的不同的节点，如果网络上的节点的n u t 时间与当 前链路上的n u t 时间不一致，它就不能获得在链路上的数据传输权。网络的存 取控制通过一种称为同时恻域多路存取( c t d m a ) 的时问片算法实现。网络传输 浙江大学硕士学位论文 时问被分割成不断重复的网络传输时间段，通过调节在一个时间段内不同节点传 输数据的机会控制整个网络的通讯。对于不同的网络节点，通过指定不同的网络 刷新时间n u t 来选择网络传输的节拍，实时性要求较高的信息被安排在网络刷 新时间间隔中的预定部分传输，而实时性要求不太高的数据在网络刷新时间的非 预定时间段传送。 3 ) 网络与传输层 c o n t r o l n e t 是基于连接( c o n n e c t i o n ) 的网络，网络与传输层的角色就是建 立和维护连接。每个连接都被赋予一个连接标识( c o n n e c t i o ni d ) ，代表与之相 关联的通讯资源。这样，在通讯过程中，只需指出连接的标识符即可，而不必指 明其它连接参数，大大提高了信息传递的效率。 此外，在通讯协议中还包括了： 1 ) 、数据管理 定义了数据类型规范的文法，数据类型取值范围，以及不同数据类型适用的 操作。 2 ) 、对象模型 对象的建模代表了网络设备的一些可见行为，这部分协议的内容包括：对象 建模和术语、对象编址、对象模型、对象规范格式和规则、对象规范扩展方法、 新对象创建规范等内容。 3 1 、设备描述 通过定义每一类型设备的核心标准，可以实现不同厂商相似设备问的互操作 性和互换性。一般来说，相似的设各具有大致相同的行为，产生消费相同的数 据集，包含相似的可组态参数集。相似设备问这些信息的正式定义就称之为设备 描述。c o n t r o l n e t 协议中已经定义的设备描述包括条形码扫描器、p l c 、位置控 制器、秤、信息显示器、交直流驱动、伺服驱动、接触器、马达启动器、软启动 器、人机接口、启动阀等， b 网络模型 c o n t r o l n e t 采用数据生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 的网络模型。工业 控制的通讯要求在网络上保证实时信息( 如控制i o 状态等) 的传送，同时也能 传送非实时信息( 如程序的上载和下载) 。在控制网上，由信息生产者发送的每 1 2 浙江大学硕士学位论文 一个报文包含一个连接标识符( c i d ) ，已经组态的节点在收听广播时，可以识别 其应该接收的c l d ，于是成为一个消费数据的客户。对于网络的介质存取，通过 时间限制存取算法，即同时间域多路存取来控制每个节点在网络刷新时间( n u t ) 内传送信息。 n u t 分为三个部分：预定信息传送时间( s c h e d u l e d ) 、非预定信息传送时间 ( u n s c h e d u l e d ) 和网络维护时间。图3 1 给出了控制网的带宽分配方法。在预定 信息传送时间内，每个预定的节点( 在一个循环的次序基础上) 保证有机会传送 重要的实时信息，预定传送的节点是连续的，而预定传送与程序扫描是异步的。 在非预定信息传送的时问内，传送没有实时要求，控制网保证至少有一个节点传 送数据。提供非预定信患传送的服务取决于预定信息的通讯量，非预定的 通讯按节点顺序进行循环。网络维护时间是固定的，在维护时间里传送网络维护 数据包。 图3 1 控制网通讯时的带宽分配 c 冲突检测 c o n 打o l n e t 采用了一个特殊的令牌传递机制，叫做隐性令牌传递( i m p l i c i t t o k e np a s s i n g ) 。网络上每个节点分配一个唯一的m a c 地址( 从l 到9 9 ) ，像普 通令牌传递总线一样，持有令牌的节点可以发送数据。但是，网络上并没有真正 的令牌在传输，相反，每个节点，监视收到的每个数据帧的源节点地址，在该数 据帧结束之后，每个节点设鬣一个隐性令牌寄存器( i m p l i c i tt o k e nr e g i s t e r ) ，其 值为收到的源m a c 地址加1 。如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点自己的 m a c 地址，然后该节点就可以立刻发送数据。因为所有节点的隐性令牌寄存器 在任意时刻的值相同，这就避免了冲突的发生。如果某个节点没有要发的数据， 则只须发一个空的数据帧( n u l lf l a m e ) 。 c o n t r o l n c t 中传递隐性令牌的逻辑是通过特别设计的时间分片存取算法来 控制，即用同时间域多路存取( c o n c u r r e n tt i m ed o m a i nm u l t i p l ea c c e s s 一一 浙江大学硕士学位论文 c t d m a ) 算法。在每一个网络刷新时间( n e t w o r ku p d a t et i m e 一- n u t )自动调节 网络上的每个节点拿到隐性令牌传送信息的机会。c o n t r o t n e t 的技术规范规定可 组态的n u t 时问为0 5 m s - - 1 0 0 m s ( 嗣前市场上可提供的有关产品的最小可组态 的n u t 为2 m s ) 。 d c o n t r o l n e t 主要技术规范 网络节点数9 9 个可编址节点，单段最多4 8 个节点 网络拓扑 主干分支形，星形，树型，混合型 面向对象设计，包括设备对象模型，类，实例属性，设 应用层设计 备描述 最大通讯速率 5 m b p s ( 单段最大长度条件下) 主从式、多主、点对点、i o 数据触发方式轮询、周 通讯方式 期性发送、逢变则报 网络届4 新时间可组态2 1 0 0 毫秒 i o 数据点数无限多个 数据分组大小可变长o - 5 1 0 字节 网络最大拓扑 6 k m ( 同轴电缆) ，超过3 0 k m 公里( 光缆) ，中继器数量 ( 带中继器) 5 个中继器( 6 个网段) 串接，最多4 8 个网段并联 电源外部供电 连接器标准同轴电缆b n c 网络模型生产者消费者 物理层介质 r g 6 同轴电缆、光纤 带电插拔、确定性和可重复性、可选本征安全、网络 网络和系统特性 重复节点检测、报文分组传送( 块传送) 表3 1c o n t r o l n e t 的主要技术规范 3 2 4 用c o n t r o l n e t 构建系统 控制网( c o n ”o l n e t ) 是支持高度分布式的控制系统，特别是具有高速数字量 i 0 和大量模拟量i 0 的系统。控制网上可以挂接各类逻辑控制设备、计算机、 人机界面、控制执行装置等。控制网支持多主、控制器热备和网络介质热备，大 浙江大学硕士学位论文 大提高可靠性。如果采用控制网，则 系统构建图如下所示： 图3 2 基于c o n t r o l n e t 的系统构建图 1 7 4 7 - - k f c l 5 模块为s l c 5 0 4 处理器提供了非预约( u n s c h e d u l e d ) 的控制 网连接，如程序的上传、下载。 如果系统还带有远程机架1 7 4 7 a c n ，则需要在处理器框架内再添加1 7 4 7 一s c n 模块，此模块为s l c 5 0 4 处理器提供了有预约( s c h e d u l e d ) 的控制网连 接，如“0 状态和控制互锁。 3 2 5 网络配置 仅仅连接好网络硬件还是不够的，还需要对网络通讯进行组态。这是通过罗 克韦尔的控制网组态软件r s n e t w o r xf o rc o n t r o l n e t 来实现。 图3 3r s n e t w o r xf o rc o n 订o l n e t 的主控界面 浙江大学硕士学位论文 使用r s n e t w o r xf o rc o n t r o l n e t 软件，用户可以非常直观地配置c o m r o l n e t 进行合适的组态。 图3 4 网络信息的配置 对于c o n t r o l n e t 的各种参数，如网络刷新时间、最大预定节点地址，都可 以通过r s n e t w o r x 来配置。然后将配置文件下载到网络节点地址最低的节点中 去，并由它作为c o n t r o l n e t 的k e e p e r ，管理网络。r s n e t w o r xf o rc o n t r o l n e t 让用户能仅仅通过设备的一个简单的界面来配置和获得c o n t r o l n e t 网络和网络 上各元件的信息，从而用一个更加通用的网络纵观方式代替了控制器中心方式。 r s n e t w o r x 也为所有的网络元件执行预设功能。控制网上的每个扫描器包含它们 想实现的预定通信以及通信如何映象到扫描器的内存区的信息。r s n e t w o r x 通过 这些预设协调和整合来确保整个网络设置能和需求相符合。当元件的映象有变化 时，r s n e t w o r x 自动地计算出每个元件的网络带宽和定时。这些功能使r s n e t w o r x 成为网络控制和信息传输的一个控制中心。这样一个界面使用户能很简单地设置 高级网络特性，比如：同一电缆上的多个处理器、点对点的联锁、共享的控制器 输入等。 3 3d h + 网络原理及应用 3 3 1d h + 二k 业局域网的通信原理 d h + ( d a t ah i g h w a yp l u s ) 网络是一种工业局域网，用于支持i f - 应用工程的 远程编程，也可以通过d h + 在可编程序控制器、计算机、人机界面产品等之间 1 6 浙江大学硕士学位论文 进行数据传送。d h + 是一种令牌总线型工业局域网，在物理结构上它是一条物理 总线，而在逻辑上构成一个逻辑环。每个d h + 网上的站都有一个站号，它们在 物理总线上组成逻辑环，令牌在逻辑环上按莱个方向依次传递。d h + 网在令牌传 送协议下工作，规定只有获得令牌的站才有权发送信息，由于逻辑环上只有一块 令牌，因此任何时刻最多只有一个站发送信息，这样自然而然解决了对总线使用 权竞争引发的冲突，即只有持有令牌的站才能发送数据。工作时，令牌沿着物理 链路单向地依次逐站传送，传递顺序与节点在链路上的物理分布顺序有关。因此 在这种工作方式下，有许多因素会影响到d h + 链的功能，它们包括站数、信息 的大小和数量、信息的目标、内部处理时间。 1 站数 站数对传输时间的影响有两种形式：首先在一个完整的令牌传递循环中， d h + 链上的每一个站都要接收令牌，而不管它是否有东西要发送；其次假定没有 重试，每个站持有令牌的时间为1 5 m s ( 如果它没有信息要发送) 至3 8 m s ( 规定 的最长时间) 。 图3 5d h + 网的数据传输 2 信息的大小和数量 处理器将信息编成包来在d h + 链上进行传输。一个信息包中数据字的最大 数目取决于发送站和命令的类型。这个限制来源于网络的协议，协议限制每次令 牌传递一个站可以传送最多2 7 1 个字节。在一次令牌传递中，一个站可以发送多 于一个的信息，但命令和数据字节两者的总数不能超过2 7 1 。 但是，如果一个信息超过了规定的信息包的最大尺寸，那么发送站将需要多 于一次的令牌传递来完成该信息的传送。例如，如果一个p l c 一5 处理器要发送 一个1 5 0 个字的信息( p l c 5 处理器发送一个有类型的写的最大信息包尺寸为 9 0 个字) ，它不得不将其分成两个信息来发送，并可能需要许多次令牌循环才能 浙江大学硕士学位论文 完成。 一个站要发送的信息的数量也会影响处理的时间。例如，如果一个站有三个 信息在排队，并且第四个信息又启动了，这时，第四个信息就必须要等到处理完 前面三个信息之后才能处理。 3 信息的目标 传输时间差异很大，它取决于接收站是否可以对信息进行处理，并在该站接 到令牌之前产生一个回答信号。图3 5 假定站1 要发送报文1 发送给站4 ，站1 持有令牌。只有持有令牌的站才能发送信息。站1 将信息发送给站4 。现在，站 1 必须将令牌传递给下一个更高站号的站，也就是站2 ，站2 就持有了令牌。假 定站2 有信息要发送并握住令牌3 0 r e s 。在这段时间中，站4 已经处理完了从站 l 送来的信息并已将回答信号排队。当站2 完成以后，它将令牌传递给站3 。如 此下去，当令牌传到站4 时，已有足够的时间间隔对接收到的报文1 进行处理， 然后生成应答报文，排入队列。当令牌传到站4 ，假设应答报文排得比较靠前， 被发送出去，那么报文1 的整个通信过程结束。这样就完成了该信息的处理。 下面继续看报文2 的传送过程。站1 持有令牌。站l 把信息发送给了站2 ， 然后将令牌传送给站2 。现在站2 持有了令牌，但没有时间来产生一个回答信号 给站l ，所以站2 就将它已经排好队的其它信息发送出去然后将令牌传递给站3 。 站3 、4 、5 和1 都依次接到令牌并将它们已经排好队的信息发送了出去。然后令 牌又回到了站2 ，这时才将它的回答信号发送给站1 。在这个例子中，即使信息 与图3 所示的信息是样的，但却要多花一次环行网络的令牌传递来完成信息的 处理。 4 内部处理时间 内部处理时间取决于发送或接收信息时，网络上一个指定的处理器有多忙。 例如，处理器a 刚刚收到了从网络上的处理器b 发来的一个读请求。如果 处理器a 自己已经有三个信息要发送，那么就要等到该站处理完了在它之前排 队的信息之后，才对来自处理器b 的读请求进行回答。 罗克韦尔a b 公司的所有的增强型p l c 一5 及s l c 5 0 4 可编程序控制器都有 内置的d h + 通信口。d h + 网络的每个链路最多可以连接6 4 个设备，用户可以组 态一个具有9 9 个链路的网络。一个多链路网络可以具有更多的节点。借助于将 浙江大学硕士学位论文 节点布置在一个适当的含几个节点并与其它节点隔离的链路，可以提高信息的传 输效率。 以d h + 网为核心，加入工作站组成工作站系统是很受用户欢迎的系统。它 可以实现多种功能，如现场数据采集、过程监控、动态画面显示、集中报警、多 窗口显示、触摸键盘、历史与实时趋势显示、报表制作等。 3 3 2 用d h + 网构建系统 根据控制需要，系统配置为分层分布式二级监控系统结构，有两台以p l c 为核心的就地控制单元( l c u ) ，其中# l 就地控制单元( l c u l ) 控