（电力电子与电力传动专业论文）网络化过程控制实验平台的远程控制研究与实现.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：丞超日期：至磁塑三丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑导师签名： 至鉴日期： 力f o 弓弓o 摘要 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，工业控制系统从简单、分散的控制 系统发展到了复杂、大规模、全自动化的网络控制系统。以现场总线和工业以太网为基 础的网络控制系统正在被越来越多的制造商所接受。然而，高等院校相关专业的学生却 很少有机会进入工业现场实际体验网络控制系统的优越性及其对工业生产带来的便利。 为了向学生展示工业控制系统发展的新成果和网络控制系统的灵活性和多样性，借助罗 克韦尔自动化实验室的软硬件设备和过程控制实验室的实验装置，设计了基于n 乱i 1 1 ) 【 架构的网络化过程控制实验平台，并在此基础上实现了校园网内的远程控制。 首先研究了罗克韦尔集成架构理念和罗克韦尔自动化实验室中的p l c 、变频器、通 信模块、远程i o 模块及相关软件的使用方法，构建了基于罗克韦尔三层网络的过程控 制实验平台，并详细描述了每层网络组态的方法和步骤。 接着利用o p c 技术和网络通信技术实现了基于客户端朋艮务器模式的实验装置的远 程控制。在该系统中，服务器通过o p c 方式与现场p l c 进行通信，用v b 编写的o p c 客户端与o p c 服务器通信并把所需数据通过网络通信模块发送给远程客户端；远程客 户端接收到数据后，一方面通过实时曲线模块显示，另一方面进行p i d 运算，并把运算 结果通过网络返回到服务器端，再以o p c 方式发送到p l c 中控制执行机构。实验表明， 校园网内的远程控制能够获得良好的控制效果。 最后作为远程控制的工程实例，简单介绍了远程控制系统在南极天文观测支撑平台 中的应用及所参与的部分工作。 关键词过程控制工业网络o p c 技术网络通信远程控制 a bs t r a c t w i n l 也ed e v e l o p m e n to fc 0 m p 咖t c c l l l l o l o 呈弧c o m m u n i c a t i o nt e c l l l l o l o 鼢，砒l dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，i n d u s _ t r i a lc o n t r o ls y 鼬e md c i v e l o p s 盘o ms i m p l e ，d e c e n ：t r a l i z e dc o 瓣o lt 0a c o r r l p l e x ，l a r g e - s c a l e ，如l l ya u t o m a t e dn e t w o f k e dc o m r o ls y g 洄n n e t w o r k e dc o n 蜘d ls y s t e m b a s e do nf i e l d b u s 锄di i l d u s t r i a le t l l e n i e tb e c o m e sm o r ep r e v a l e n to nm em 锄u f a c t u r i n gf l o o r i ti si n c r e 雒i n g l yb e i n gc o 嬲i d e r e d 嬲au l l i w i r s a l 鹏t 、v o r k i n gs o l u t i o n h o w e v e r ，s t u d e n t so f a u t o m a t i o ni nu i l i v e r s i t i e sl l a ：v el i m eo p p o n u i l i t ) rt 0e n t e rp l 锄1 tn o o rt oa p p r e c i a t ea d v 撇g e s o fr l e t 、o f k e dc o n 仃0 1s y s t e 瑚圆t bi i e m o n s t 阳【t en e wa c m e v e m 饥to fi i l d u s 仃i a lc o n t ls y 啦m n e x i b i l 蚵a n dd i v e r s i t yo f 撒帆吼l k e dc o m r o ls y s t e m ，谢t l ls o 小a r ea n dh a r d w a r eo f i b c l w e l la u l o m a t i o nl a b o 瑚衄l r y 锄de x p e r i m i e n t a li l e v i c e so fp r o c e s sc o i 巾0 ll a b o r a t o m p r o c e s sc o n t t o lp l a t f o 眦b a u s e do nn e n i n xa r c m t e 咖r eh 嬲b e e nd e s i g 皿e d ，a i l dr e m o t ec o n 臼o l b a s e d0 nt 1 1 i sp l a t f o mh a sb e e na c k e v e di i lc 锄p u sn i 蜘r k f i r s t ，i n t e g r a t e da r c l l i t e c t i l r ep r 0 协t y p eo fr o c k 、e l la u t o m a t i o n 趾du s a g eo fp l c ， f r e q u e n c ya cd r i v e ，c o i i 】曲u i l i c a t i o n 脚i o c 【u l e s ，r e m o t ei om o d u l e s 缸1 dr e l a t c ds o r w a r eh a v e b e e ns t l l d i e d ，p r o c e s sc o n 臼旧lp l a t l l o 衄b 嬲c do nr 1 0 c h 旧ut h r e e 1 a y e r 鹏铆o r kh 嬲b e 肌 c o n 鲫m c t e d ，a r l dm e t l l o d so fn l 黼r kc o n f i 羽】r a t i o no f e 觚hl a y e rh a sb e e nd e s c r i b e di i li i c t a i l s e c o r l d ，b yo p ca i l dn e 帆o r kc o m m u l l i c a t i o nt e c l l i l o l o g y ，i tr e 猷i z c sr e m o t ec o n t r o lo f e x p e r i m e n t a lp l a t f o 加b 嬲e do nc l i e n t s e e rm o d e h lt h i se x p e r i m e n t a lp l a t 内m ，t l l es e r v e r c o i i 姗u l l i c a t e s 、) i ，i t l lp l cb yo p ct c c l u l o l o 鼢o p cc l i e n t d e s i 龃e db y s u a lb 嬲i c c o m m 疵c a t e s 、) l ，i t l lo p cs e e ra n d n d sr e l e 啪td a t at 0r e m o t ec l i e n tb vn c 脚旧r k c o m i i 】u i l i c a t i o nm o i h d e ；w m l ei l a _ t a 抓v ea tr e m o t ec l i e n t ，t l l e yw i l lb ed i s p l a y e di na r e a l - t i r i l ec l l r v em o d l l l e ，a n da tm es a i n et i m e ，t h e y 、v i ub ec a l c l l l a t e di i lap i df 山1 c t i o l l a n d 也ec a l c u l a t i o nr e s u l t s 嘶ub e n db kt 0 吐l es e e rt b r 0 1 】曲n 咖o r k ；a 船rm es e r v e r r e c e i v e sm ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h e n i l d sm e mt 0p l cb yo p ct e c l l n o l o g yt oc o n t r 0 1 a c 蛐r e x p e r i m e n t ss h o w 也a tr e m o t ec o n t r o l 、访m i l lt h ec 锄p u s 枷蜘r kc a no b t a i n f a v o r a b l er e s u l t s l a s t ，硒趾e n g i n e e 咖gu t i l i 够o fr e m o t ec o n t r o l ，s i i n p l yi n n 0 d u c e d 印p l i c a t i o no f 崩n o t e c o f m 0 l i nf o 1 d a t i o np l a t f o 咖f o r 嬲t r o i l 0 i i l i c a lo b s e r v 砒i o n si i la n t 缸c t i c k b ”r d ：p r o c e s sc o n t r o l i n d u 嘶a ln 咖o r ko p c t e c l m o l o g y n e “r o r kc o m m u l l i c a t i o n r e m o t ec o n n o l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1课题背景l 1 2 网络控制系统发展概况1 1 3 远程控制实验平台研究现状3 1 4本文主要内容。4 第二章基于n e t l i l l ) 【架构的过程控制实验平台的设计5 2 1 n e t l i l l ) 【网络架构简介5 2 2 过程控制实验装置简介6 2 3实验平台的网络结构7 2 3 1c o 砷旧l l o g i x 系统简介。8 2 3 2 远程i o 模块的特点及接线9 2 3 3 变频器参数设置1 0 2 4 实验平台的网络设计1 2 2 4 1d e v i c e n e t 网络组态1 2 2 4 2c o i l 们l n e t 网络组态1 6 2 4 3e t l l e r n 州i p 网络组态2 0 2 4 4 基于客户端服务器模式的远程控制设计2 1 2 5 小结2 2 第三章 远程控制服务器端应用程序设计2 3 3 1 o p c 客户端程序设计2 3 3 1 1o p c 技术概述2 3 3 1 2 基于v b 的o p c 客户端设计。2 4 3 2图像采集程序设计2 6 3 2 1v f w m d e of o rw i n d o w s ) 简介2 6 3 2 2 图像捕捉设计流程2 7 3 3 服务器端通信程序设计2 9 3 4 ，j 、结3 0 第四章远程控制客户端应用程序的设计3l 4 1客户端通信程序设计3l 4 2 曲线显示模块的设计3 2 4 2 1a c t i v e x 控件简介3 2 4 2 2 实时曲线模块设计3 3 4 3 数据传输延迟测试3 4 4 3 1 数据传输延迟分析3 4 4 3 2 数据传输实验结果分析3 5 4 4 远程p i d 控制的实现3 6 4 5 j 、结3 8 第五章系统安装与调试3 9 5 1 基于n e t l i l l ) ( 网络平台的安装与调试3 9 5 2 滤波算法的设计4 4 l 5 2 1 一阶惯性滤波4 5 ，5 2 2 算术平均滤波4 6 5 2 3 递推平均滤波4 7 5 。2 4 复合滤波一模拟+ 递推平均滤波4 8 5 3远程控制实验分析4 9 5 4小结：5 1 第六章远程控制应用实例南极天文观测支撑平台的设计5 2 6 1背景概述5 2 6 2系统结构与功能5 2 6 3现场主控系统性能需求及设计5 4 6 3 1 系统需求分析及设备选型5 4 6 3 2 主控系统结构设计5 4 6 3 3 系统相关软件设计5 7 6 4 小结。5 9 第七章总结与展望6 0 7 1 总结6 0 7 2展望6 0 j l | 【谢6 ：! 参考文献6 3 在学期间发表的论文6 5 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，信息交换正在从工厂的现场设备层 覆盖到控制层和管理层，从工段、车间、工厂和企业到世界各地。信息技术的飞速发展， 引起了自动化系统结构的变革，逐渐形成了以网络集成自动化系统为基础的信息系统l l j 。 工业网络控制技术正是顺应这一形式发展起来的新技术。它的出现，标志着控制技术发 展到了一个新的时代，并对工业控制领域的发展产生重要影响。 网络控制系统因其接线少、扩展方便、诊断维护简单、灵活性高、可实现资源共享 和远程控制等特点，广泛应用于航空航天【2 】、船舶制造业【3 j 、电力行业【4 j 、金属冶炼p j 、 数控机床【6 】、城市轨道交通暇水处理行业【引、农产品加工【9 】等各个领域。然而，对于大 多数高等院校相关专业的学生而言，很少有机会进入工业现场实际体验工业网络控制系 统为工业生产带来的便利。 为开阔学生的视野，激发学生的学习与科研兴趣，借助罗克韦尔工业自动化实验室 中的p l c 、变频器及各种网络接口模块并结合过程控制实验装置，构建以n e t l i l l x 网络 架构为基础的过程控制实验平台，在此基础上实现校园网内的远程控制。 该实验平台集成自动化领域的测量、数据采集、控制、网络等相关技术，能更好地 向学生介绍工业网络发展的新成果和工业网络设计的灵活性与多样性，通过实验平台可 以让学生有更多的实践机会，提高学生实际动手操作的能力和运用知识技能解决实际问 题的能力。通过客户端应用程序，教师可以在课堂上讲课的同时演示与之相关的实验， 加深学生对所学理论知识的理解。 网络化过程控制实验平台远程控制的研究对实验室网络教学的发展有着深远的影 响。此外，该研究对基于网络的远程监控( 包括远程智能检测和控制、远程故障诊断和 维护等) 、远程教育、信息家电等系统的研究都具有深远的意义【l 例。计算机、通信、多 媒体等技术的迅猛发展，将引起实验室远程控制等领域的发展。 研究、设计网络化实验平台的远程控制实验有着积极的现实意义：实验装置实现无 人值守运行，使得实验装置可以全天候开放，极大地提高了实验装置的利用率；无空间 限制，灵活性高，只要有i n t e m e t 的地方就能连接到远程控制系统中。可以为实验设备 的共享提供新的方法。 1 2网络控制系统发展概况 网络控制系统( n c s ，n 咖o r k e dc o n 仃0 ls y s t e m ) 是指传感器、控制器和执行机构通过 通信网络形成的闭环控制系统。网络控制系统广泛应用于对生产过程的状态检测、监视 和控制，技术上要求具有高度的实时性、可靠性和安全性。工业控制技术自2 0 世纪5 0 年代发展以来，经历了从简单到复杂，从局部自动化到全局自动化的方向发展。自动控 制系统的发展大致经历了以下几个阶段【l l 】： 模拟仪表控制阶段 模拟仪表控制在二十世纪六、七十年代占主导地位，生产现场的信号通过统一的模 拟信号，如4 一- 2 0 m a 直流电流信号、1 - 5 v 直流电压信号、o 0 2 一一0 3 m p a 气压信号等， 东南大学硕士学位论文 送往集中控制室，操作人员在控制室里总揽生产流程各处的状况，还可以把各单元仪表 的信号按需组合，连接成不同类型的控制系统。然而，模拟信号传输时需要对一的物 理连接，信号变化慢，抗干扰能力也比较差，难以提高计算速度和精度。 直接数字控制阶段 鉴于模拟信号的缺陷，人们开始探索用数字信号取代模拟信号，在二十世纪七十年 代出现了直接数字控制( d d c ) 。直接数字控制主要是数字计算机代替模拟控制器，首先 通过模数转换器，实时采集生产现场被控参数的信号，接着计算机按照控制算法运算， 最后运算结果通过数模转换器以控制执行机构，形成一个闭环控制回路。由于当时数字 计算机技术落后且价格昂贵，可靠性差，一旦计算机出现故障，就会造成所有的控制回 路瘫痪，生产停产的严重局面。 分散控制阶段 到了2 0 世纪7 0 年代中期，随着计算机可靠性的提高及价格的大幅下降，出现了数 字调节器、可编程控制器( p l c ) ，及由多个计算机构成的集中与分散相结合的集散控制 系统。即第二代计算机控制系统分散控制系统，也称集散控制系统( d c s ) 。分散控 制系统的特点是“集中管理，分散控制”，充分吸收了分散仪表控制系统和计算机集中 控制系统的优点。分散控制使得系统由于局部不可靠而对整个系统造成的危害降到最 低，极大地提高了系统的可靠性。然而d c s 也存在一些缺陷。首先，其结构是多级主 从关系，底层设备间的信息通信必须通过主机转发，从而造成主机负荷重，效率低，并 且，一旦主机发生故障，整个系统就会瘫痪。其次，在d c s 系统中，现场测量仪表一 般为模拟仪表，仍然使用传统的4 _ 2 0 n 认电流信号，因此它是一种模拟和数字混合系 统，传输可靠性低，成本高。最后，各厂家的d c s 自成标准，通信协议封闭，不同厂 家的设备难以互连，极大地限制了系统的集成和应用。 现场总线控制系统 二十世纪八十年代中后期，为了克服d c s 系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需 要，现场总线技术应运而生，它综合了数字通信技术、计算机技术、控制技术、网络技 术及智能仪表等多种技术，采用开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂商而遵守同 一协议的自动化设备连接成控制系统，实现综合自动化的各种功能。在现场总线控制系 统中，4 _ _ 2 0 i i a 模拟信号仪表被符合现场总线标准的数字智能仪表所代替，实现了传输 信号的数字化，使模拟和数字混合控制系统转变为全数字控制系统，从根本上突破了传 统的“点对点 式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字 化、智能、双向、互连、多变量和多节点的通信与控制系统。现场总线控制系统把集散 控制系统中的集中和分散相结合的概念变成了新型的全分布式测控系统。 工业以太网发展现状 为了加快现场总线技术的发展，人们不断寻找新的出路。近几年，高速发展的以太 网成为探索统一标准的途径之一。以太网布线灵活、互操作性强，并且具有相同的通信 协议，所以易于实现办公自动化网络和工业控制网络的无缝连接；随着实时嵌入式操作 系统和嵌入式平台的发展，嵌入式控制器、智能现场测控仪表将方便的接入以太网控制 网络，直接与h l t e m e t 相连；容易与信息网络集成，组建统一的企业网络。网络中的用 户无论处于什么地方，无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络共享数据、设备及其 他服务，极大地解除了地理位置上的束缚。这种强大的资源共享能力得益于以太网巨大 的用户群，是其它任何一种现场总线都无法比拟的。同时，w 曲技术和以太网技术的结 合，将实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和设备诊断。 工业无线通信网络的发展 自二十世纪九十年代开始，无线通信技术开始进入工业控制领域，其主要特征是低 2 第一章绪论 功耗、中小范围、实时、高安全和高可靠等，是降低自动化成本、提高自动化系统应用 范围的最具潜力的网络技术。 基于无线技术的通信网络按照通信距离和速率可分为无线广域网( w 二w a n ) 技术、无 线局域网( w 二l a n ) 技术和无线个域网( w p a n ) 技术。而能够在工业环境下使用的是以 i e e e8 0 2 1 5 1 b t 标准和i e e e8 0 2 1 5 4 标准为代表的无线个域网技术及以i e e e8 0 2 1 l 标准为代表的无线局域网技术【1 2 l 。 然而，工业控制领域的严格要求使得无线技术在工业应用中面临通信和组网的两大 挑战。通信方面面临的挑战是如何在工厂复杂的l 江环境下提供可靠的点对点通信；组 网方面面临的挑战是满足应用需求的( 安全、可靠、实时) 的无线接入及其与现场总线的 互操作问题。 1 3 远程控制实验平台研究现状 远程控制是指通过互联网( 局域网或广域网) 传输控制信息，在任意时间内对异地的 机器设备( 如变频器、观测仪器等) 进行控制l l 引。按控制方式远程控制可分为手动远程控 制和自动远程控制两类；按系统架构可分为客户端服务器和浏览器服务器两种模式。 目前，国内外有不少基于网络的远程控制实验的研究和应用，被控对象主要包括机 器人系统、过程控制实验装置和其它控制系统等。 国内基于机器人的远程控制实验的研究包括：能够对机器人的运动及产品加工过程 的进行控制的基于c s 模式的机器人远程控制系统【l 伽；基于c s 模式的能把现场视频传 输到客户端的机器人远程控制系统【l5 1 ，为了提高系统的控制精度，该系统采用了远程控 制和本地自主控制相结合的模式；基于w 曲的移动机器人远程控制【1 6 1 ，应用j a v a 技术 实现了以w m r - l 型移动机器人为控制对象的自主移动机器人远程控制系统。 国内基于过程控制实验装置的远程控制实验的研究包括：基于b s 和c s 混合架构 的三容水箱远程控制系统l l ，在该系统中，数据传输采用c s 模式，b s 模式用于发布 c s 模式中的客户端程序及实现系统管理功能；基于b s 模式的远程过程控制实验系统， 有的实现了p i d 算法，智能模糊控制、自适应p i d 控制的液位控制【1 8 】；有的对过程控 制实验装置的液位进行控制，并提供视频服务【1 9 】；有的人机接口界面采用组态王软件设 计，并在网页上进行发布【z 0 1 ；有的高校开发了三阶水槽液位远程控制系统【2 l l ，并对特定 网络的q o s 性能补偿进行了研究，得到了满意的结果；有的高校设计了基于c s 模式 的过程控制远程实验系统田】，客户端和服务器间的数据通过s o c k e t 传输，传输的数据 包括传感器信号和音频视频数据，服务器通过串口与现场p l c 通信。 其他远程控制系统包括：基于w 曲的远程控制实验系统【2 3 1 ，通过网络可以进行过 程控制相关实验、运动控制相关实验、交通灯控制实验和电梯控制实验等；基于c s 模 式的远程控制实验室系统1 2 4 j ，将一些实验设备接入互联网组成远程控制实验室，实现了 远程实验和设备共享的目的：基于互联网的扫描探针显微镜远程控制系统【2 5 1 ，该实验系 统在京沪两地试用，获得了良好的实验效果。针对数控加工机床设计了基于c s 模式的 远程控制快速成型加工系统【2 6 j ，通过客户端与服务器应用程序的通信，完成了控制与加 工数据的发送和接收，实现了在i n t e n l e t 上快速成型机的远程控制和制造。 国外远程控制实验的研究包括：日本原子能研究开发机构( j a e 舢成功地实施了从远 隔l 万多公里的德国马克斯普朗克等离子体物理研究所对日本那珂核聚变研究所的 j t - 6 0 托卡马克聚变装置进行远程控制的实验，该实验的成功为未来实施国际热核聚变 实验堆( i t e r ) 的远程控制实验打下牢固的核心技术基础1 27 1 。有的高校开发了在自动化和 3 查堕奎兰堡主堂垡丝壅 机器人工程领域的远程实验室【2 引，通过网络，工学专业的学生可以在实验室的机械臂教 学平台上进行仿真试验，通过试验台机器人的路径跟踪证明他们的理论结果；还有高校 开发了一套基于网页的双容水箱控制系统【2 9 】，通过网络可以在该系统上进行p i d 控制， 模糊控制等实验；还有高校设计了网上工程实验室【3 0 j ，通过该平台可进行水位、压力、 温度和速度等的远程控制实验：也有高校针对倒立摆设计了一个远程控制实验系统1 3 1 1 ， 主要为校内学生提供远程实验。 1 4本文主要内容 本文设计并实现了基于罗克韦尔集成架构的过程控制实验平台的远程控制，主要包 括：网络化过程控制实验平台的设计及相关的数据处理；o p c 客户端程序的设计；服务 器中视频采集处理程序的设计；客户端应用程序的设计等。本文共七章，每章具体内容 安排如下： 第一章主要介绍网络化实验平台和远程控制的研究背景、工业网络控制系统发展概 况和国内外远程控制的研究现状，最后介绍了本文的主要工作和研究内容。 第二章在介绍罗克韦尔n e t l i l l ) 【集成架构的网络体系的基础上详细阐述基于 n e t l i l l ) 【架构的过程控制实验平台的设计及实现方法，其中包括对过程控制实验装置的 简单介绍和每层网络组态的方法。 第三章论述服务器端应用程序的设计过程和实现方法，首先介绍o p c 客户端程序 的设计方法及在v b 环境下o p c 客户端的实现方法；接着描述视频采集及处理程序的 设计方法；最后阐述服务器端通过w i n s o c k 控件进行网络通信程序的设计。 第四章介绍客户端应用程序的实现方法，首先描述客户端基于w i n s o c k 控件进行的 网络通信程序的设计方法；接着阐述基于a c t i v e x 技术的实时数据显示模块的设计方法 和实现过程；并对数据传输延时进行理论分析和实验结果分析；最后介绍远程p i d 程序 的设计方法。 第五章说明系统安装与调试过程，首先详细描述e t h e r n e t i p 网络通信模块的i p 地 址的设置方法及对控制器进行固件刷新的步骤；接着针对模拟量输入模块的缺陷，设计 几种简单的滤波算法，对滤波结果进行比较并确定合适的滤波算法为应用程序所用；最 后调试远程p i d 控制的参数并对控制结果分析。 第六章阐述远程控制系统在南极天文观测支撑平台中的工程应用，首先简单介绍了 整个系统的应用背景及结构功能；接着介绍了主控系统基于c o n t r o l l o g i x 和 c o n n l o l n e t 的冗余控制系统的设备选型和结构设计；最后描述了作者参与的部分软件方 面的工作。 第七章对本文研究工作进行总结，并提出了网络化实验平台远程控制系统的不足和 改进方法。 4 第二章基于n e t l i n x 架构的过程控制实验平台的设计 第二章基于n e t l i l l x 架构的过程控制实验平台的设计 网络控制系统种类繁多，但网络结构以三层模式为主。本章将以罗克韦尔的三层网 络模型为基础，结合过程控制实验装置，构建基于n e t l i i l 】【架构的网络化过程控制实验 平台。 2 1 n e t l _ n x 网络架构简介 n e t l i i l 】【开放式网络架构是罗克韦尔自动化解决方案，它使用开放式互联技术实现 了信息从底层到顶层的无缝集成。n e t l i i l 】【网络架构不但可以在单一的网络上完成控制、 组态和数据采集，而且提供了更加高效的方式结合到其他网络而不降低网络性能【3 8 】。图 2 - l 所示为n e t l i l l ) 【架构的三层网络模式【3 9 1 ，n e t l i l l 】( 这种从底层到顶层全部开放的、扁 平的网络体系结构使控制功能高度分散，网络设备诊断和纠错功能极其强大，接线、安 装、系统调试时间大大减少，可实现数据( 包括大容量数据) 共享以及主从、多主、广播 和对等的通信结构l 4 0 j 。 图2 1n e t l i i l 】【三层网络示意图 n e t l i l l ) 【定义了3 种最基本功能m ： ( 1 ) 实时控制：基于控制器或智能设备内储存的组态信息，可提供操作或过程中的实 时车间级数据交换；通过网络通信中的状态变化来实现实时控制；一旦状态发生了变化， 这些变化既可以根据网络预定的通信周期进行更新，也可以在操作中新的扫描周期初期 进行更新。 ( 2 ) 网络组态：通过总线既可实现对同层网络的组态，也可实现上层网络对下层网络 s 东南大学硕士学位论文 的组态。网络组态可以在网络启动时进行，而设备参数或控制器逻辑可通过网络在线修 改。 ( 3 ) 数据采集：可基于既定节拍或应用需要来方便地实现数据采集。所需要的数据通 过人机接口显示，包括趋势和分析、配方管理、系统维护和故障诊断等。 n e t i ，i 似将d e v i ce _ n e t 网络、c o 腑o l n e t 网络与e t h e r n “i p 网络进行了整合，在各 个网络的应用层中都采用了统一的通用工业协议( c o 咖o n1 1 1 d u s t r i a lp r o t o c o l ， c i p ) ， 从而实现了信息在网络间的无缝路由和集成，构造了一个从车间到企业、从设备底层到 管理信息层的开放与集成的网络平台。 d e v i ce _ n e t 是一种经济型现场总线，它能够在控制器和现场设备间直接连接，从 而减少了i o 设备的硬接线，降低了接线成本。d e v i c e n e t 作为n e t l i l l ) ( 的一部 分，其数据能够在整个n e t l 砥网络系统中进行无缝路由。例如，以太网上的 计算机无需其他编程就可以经由以太网络访问d e v i c e n e t ，对d e v i c e n e t 网络上 的设备进行组态和监控。这极大地方便了上位机对现场设备的数据采集。 c o n 们l n e t 是一种开放的、高速高吞吐量的、具有确定性和可重复性的实时工 业网络，主要应用于对时间有严格要求的控制现场和现场控制所面临的一些关 键问题，如恶劣的现场环境、电缆的噪声屏蔽、通信协议的可靠性和满足一系 列应用场合的灵活性等。c o n 们l n e t 在进行组态和数据采集时不会对预定控制 和狄) 通信产生影响。c o n 舡d l n e t 不但适用于高速离散量应用场合，而且适用 于需要高确定性和大量模拟量数据的过程控制应用场合。c o n n 0 l n e t 提供传输 介质冗余，每个节点可以从两套通信电缆中选择信号质量较好的链路。基于 c o 砷l n e t 的冗余控制系统能够进一步提高控制系统的可靠性。 e t h e r n 咖p 网络采用的是t c p 肘d p 佃协议，可以完成各种自动化任务，包括 设备配置、信息传输、i o 控制、时间同步、安全及运动控制。但是，以太网 也有自身的缺陷，不能直接用于传输对时间有苛刻要求的数据，由于计算机接 入以太网只需要廉价的网卡即可，因而在n e t 】二i l l 】【架构中，计算机通过以太网 对其他网络进行访问的接入成本是最低的。 n e t l i l l ) 【网络架构中，三层网络特点对比如表2 1 所示【4 1 1 。 表2 1n e t l i 畎三层网络特点对比表 对照e m e f n e t i pc o n 仃o l n c t d e v i c e n e t i o 控制 较好 最好最好 设备组态最好最好良好 数据采集最好 较好良好 对等互锁 较好最好最好 设备 较好较好最好 拓扑结构星形需交换机主干星形需中继器主干 最大站数许多9 9“ 性能最好最好良好 在线添加模块支持支持支持 2 2过程控制实验装置简介 过程控制实验装置由有机玻璃水箱、1 5 k w 电加热不锈钢锅炉、冷热水交换盘管、 p p r 水管及手动阀门、水泵和变频器、水池、温度传感器及变送器、压力传感器、流量 6 蔓三兰苎王型些! 竺鳖塑箜整矍丝型窒堕! 鱼箜望盐 计、电动阀和加热器控制器等构成。可以检测水箱液位、进水流量、管道压力和锅炉温 度等4 个物理量，不同的传感器将4 _ _ 2 0 m a 电流信号输入至模拟量输入模块，并通过 模拟量输出模块输出标准的4 - 五0 m a 作为控制执行机构( 电动阀、电加热器) 的控制 信号。该实验装置的示意图如图2 2 所示。 图2 2 过程控制实验装置示意图 该实验装置不但可以对单个执行机构( 电动阀、电加热器和变频器) 进行控制，而 且可以同时对多个执行机构( 电动阀和电加热器、电加热器和变频器) 进行控制而实现 复杂的过程控制。通过该实验装置可以完成以下多种实验：温度、液位的开环闭环飞升 曲线测试；温度、压力、液位和流量等的特性测试、单回路调节系统设计与调试、串级 调节系统的设计与调试、大滞后过程控制实验等。 2 3 实验平台的网络结构 网络化实验平台由6 套过程控制实验装置组成，其传感器和执行机构分别连接到 d e v i c e n e t 、c o n ：t r o l n e t 和e 也e r n e 饥p 网络上的远程的模块1 7 9 4 i e 8 和1 7 9 4 o e 4 中， 每层网络的远程i o 模块通过总线接口连接到相应的通信模块上，不同的通信模块通过 不同的总线与相应的网桥( 或主站) 连接，变频器通过不同的网络适配器连接到三层网络 上，网络结构如图2 3 所示。该实验平台以1 7 5 6 a 4 机架中的控制器模块c o n n o l l o g i x 5 5 6 1 为主控制器，实现对六台实验装置的数据采集和实时控制。服务器则为远程监控提 供了接口。每层网络上的网桥( 或主站) 、变频器和远程i o 从站通信模块的组成如表2 2 所示。 表2 2 网络化实验平台中使用的通信模块 网络名称 网桥( 或主站) 通信模块 d e v i c e n e tl7 5 6 d n b 2 0 c o m m d 、l7 9 4 a d n c o n t m l n e t l7 5 6 c n b 2 0 一c o m m c 、l7 9 4 一a c n e t h e r n e t i p l7 5 6 一e n b t 2 0 c o m m e 、1 7 9 4 a e n t 7 l - 一一jl - 一一j 错过程控舒装置6过程控硝装置 图2 3 基于n e t l i l l ) 【架构的过程控制实验室网络结构 2 3 1c o n 舡o l l 0 9 i x 系统简介 c o n 们l l o g i x 系统是罗克韦尔自动化公司推出的第三代工业控制产品，它是高度模 块化结构的、可灵活地进行任意组合和扩充的高性能控制平台：通过背板总线强大的网 关功能完成d e v i c e n e t 层、c o n 仃0 l n e t 层和e m e r n 咖p 层三个开放式通信平台间的自由 转换。该系统功能强大广泛地适用于顺序控制、过程控制、驱动控制、运动控制等工业 控制中各种不同的应用场合。 c o n t r o l l o g i x 控制器是控制系统的核心模块，负责控制系统的控制工作，它收集来 自i ，o 模块i 通信模块和其它控制器模块的数据，运行事先编制好的控制器功能程序， 实现控制的全过程。c o i l t r o l l o g i x 控制器结构如图2 - 4 所示，其硬件主要包括c p u 和内 存两大部件。控制器有两个c p u ，分别称为逻辑c p u 和背板c p u ，它们同时运行，担 负着不同的工作，独立运行却又紧密关联。逻辑c p u 负责用户程序的逻辑扫描和系统 高层管理，c p u 交替执行这两部分工作，但在时间开销上各有不同，默认情况下，连续 任务扫描时间占c p u 运行时间的8 0 ，系统高层管理占用剩下的2 0 ；背板c p u 负责 外部数据交换的操作，主要指控制器通过背板发送到外部设备的数据或通过背板接收的 外部设备的数据，既包括预定性数据i o 模块的交换数据、i o 强制数据表、控制器的 生产者消费者数据交换，也包括非预定性数据缓冲区。控制器主要有两种内存：基本内 8 第二章基于n e l l i l l ) ( 架构的过程控制实验平台的设计 存和扩展内存，基本内存是固定的内存，存放来自背板的、控制器与外部设备通信的交 换数据，包括：i o 模块交换数据、i o 强制数据表、p r o d u c e d c o n s l l m e d 标签交换数据 和信息数据缓冲区。扩展内存是根据需求选择的容量不同的内存，用以存放用户程序和 内部数据、人机界面或r s l i n x 直接访问的数据。 图“c 们i b 出控制器结构图 2 3 2 远程i o 模块的特点及接线 1 7 9 4 i e 88 通道模拟量输入模块和1 7 9 4 o e 44 通道模拟量输出模块是罗克韦尔自 动化1 7 9 4f l e xi o 系列中的一种，这一系列的i o 模块结构简单、具有大型基于机架 的i o 模块的所有功能、经济适用、安装灵活，能够满足各种分布式控制系统的需求而 不占用太多的空间。这一系列的i o 模块需要和同一系列的通信适配器模块( 1 7 9 4 6 山i n 、 1 7 9 4 a c n a c n r 、1 7 9 4 删、接线端子基座和d i n 导轨配合使用，每个适配器模块 最多可连接8 个i o 模块。 模拟量输入输出模块有三种信号类型选择，分别为4 _ _ 2 0 m a 、0 一1 0 vd c ，