（机械电子工程专业论文）基于现场总线和工业以太网的供暖控制系统设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 本文以某热电厂供暖改造项目为研究对象，根据原供暖系统主设备控制水平 先进，而外围设备的控制水平落后的特点，设计了基于工业以太网和现场总线技 术的供暖控制系统，根据系统的测控规模控制系统采用s c a d a 结构，使原来分散 就地控制的外围设备实现集控运行，大大提高供暖系统的自动化水平。 文中详细介绍了工业以太网、现场总线技术以及s c a d a 系统的结构、功能特 点。根据供暖系统的工艺流程，提出了合理的监控设计方案，并进行了系统控制 理论算法的研究。文中还介绍了供暖s c a d a 系统的监控、数据采集及通信三部分 的实现方法。通过自动化组态工具i f i x 来实现人机界面及远程监控，利用p l c 完 成现场数据采集和设备控制，监控中心和p l c 之间的通信通过工业以太网实现， 而p l c 通过现场总线实现和现场设备的信息互通。 应用s c a d a 系统对供暖过程的外围设备控制系统改造，可最大限度地利用现 有控制设备，减少硬件投入，缩短开发周期，并且改造后的外围控制系统能很好 的符合生产工艺要求。工业以太网和现场总线的应用，既保证了监控层通信的快 速性，又减少了现场布线的数量，其应用前景十分广泛。 论文中图3 1 幅，参考文献2 6 篇。 关键词：s c a d a 系统；现场总线；工业以太网；p l c ；i f i x 分类号：t p 2 7 7 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t n i sp a p e rt a k e st h er e c o n s t r u c tp r o j e c to fs o m ep o w e rp l a n ta sa l lo b j o c to ft h e r e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h ef a c t st h a tt h em a i nc o n t r o le x t u i p m e n t so f t h eh e a t i n gs y s t e m a r ea d v a n c c d ，w h i l et h ep e r i p h e r a l sa r em a d eu po f t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o li n s t r u m e n t s t h i sp a p e rd e s i g n st h eh e a c i i 培c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e m e t c o n s i d e r i n gt h es c a l eo ft h es y s t e m , t h es c a d ac o n s t r u c t i o ni sc h o s e ni ni t 1 1 1 e d i s t r i b u t e dp e r i p h e r a l sa r er e 圮o n s t m c t e ai n t oc e n t r a lc o n t r o lo p e r a t i o n ，w h i c hw o u l d i m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e lo f t h eh e a t i n gs y s t e m n l j sp a p e rp a r t i c u l a rd e s c r i b o st h es t r u c t u r e f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft i m i n d u s t r i a le t h e r n c t ，t h ef i e l d b u sa n ds c a d a a c c o r d i n gt ot h ec r a f t - f l o wo f t h eh e a t i n g s y s t e m ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h er a t i o n a ls u p e r v i s e c o n t r o ls c h o m ea n ds t u d i e st h e c o n t r o la l g o r i t h m s i nt h i sp a p e rt h ei m p l e r a e n tm e t h o do fs c a d af o rh e a t i n gs y s t e m t h a ti n c l u d e ss u p e r v i s i o n , d a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o ni sa l s oi n 自r o d u c e a i 扯 h m i ( h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) a n dl o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gi m p l e m e n tb yt h e i n d u s t r i a l c o n f i g u r a t i o ns o t t w a r ei f p l cf u l f i l l st h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h e e q u i p m e n tc o n t r o li nt h ef i e l d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o n i t o r i n gc e n t r a la n d p l ca r er e a l i z e db yi n d u s t r i a le t h c r n c t ，b u tp l cc o n n e c t st ot h ef i e l de q u i p m e n t t h r o u g hf i e l d b n s t h ea p p f i c a l i o no fs c a d as y s t e mt ot h er e c o n s t r u c t i o no ft h ep e r i p h e l a lc o n t r o l e q u i p m e n tf o rt h eh e a t i n gp r o c e s sc a l lm a k en s eo ft h ee x i s t e dc o n t r o le q u i p m e n t sa t m o 瓯d 。c r c a t h ei n v e s t m e n ti nh a r d w a g ea n ds h o r t e nt h ee x p l o i t a t i o np e r i o d 1 k r e c o n s t r u c t e dc o n t r o ls y s t e mc a l lm e e tt h er e q u e s to f p r o d u c t i o nc r a f t t h ea p p l i c a t i o no f i n d 删a le t h e m c ta n df i e l d b n sc a ne n s u r eh i g h - e c dc o m m u n i c a t i o na n dr e d u c et h e a n a o t m to f l a y i n gw i r e s ，s ot h es y s t e mw i l lb ea p p l i e dw i d e l yi nt h ef u t u r e t h e r ea l et o t a l l yt h i r t y - o n ei l l u s t r a t i o n sa n do n et a b l ei nt h i sp a p e ra n dt w e n t y - s i x a r t i c l e sa r er e f e r r e di nm y w r i t i n g k e y w o r d s ：s c a d as y s t e m ；f i e l d b n s ；i n d 蜥a le t h e m e t ；p l c ；i f c l s s n 0 ：t p 2 7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鼢 签字日期：卵7 年，咱刁日 导师签名：群夕j f 签字日期：弘m 1 年i k 月a t e 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 5 s 致谢 本论文的工作是在我的导师陈广华教授的悉心指导下完成的，陈广华教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陈广华教授对我的关心和指导。 陈广华教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向陈广华教授表示衷心的谢意。陈广华教授对于我 的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 同时也感谢我的原导师张家栋教授，在进修研究生课程期间，张家栋教授对 于我的课程学习给予了很大的帮助，并且帮助我确立了硕士论文阶段的研究方向， 在此向张家栋教授表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王静茹、李彦荣等同学对我论文中的p l c 程 序设计研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 进入二十世纪以来，随着各行业不断发展和人民生活水平不断提高，能源消 耗也日益增长，能源短缺问题己成为制约人类社会发展的重要问题之。节能减 排势在必行，根据我国“十一五”规划纲要，单位国内生产总值能源消耗五年间 要降低2 0 ，建设节约型社会已迫在眉睫。 在各种能量消耗中，建筑耗能占很大比例，主要是建筑物使用过程中消耗的 能源，包括供暖、照明、空调通风，以及各种家用电器和办公设备产生的能耗口】。 而随着人民生活品质的提高，舒适的建筑环境日益成为人们的生活需要，供暖系 统的应用范围日益扩大，热能需求不断增加。如何高效利用有限的热能，使更多 的用户享受舒适的建筑环境，是各国广泛关注的问题。 在国外，特别是在冬季严寒的北欧国家，政府十分重视建筑供暖节能，制定 了与之相配套的技术措施，特别针对供暖系统安装自动控制装置，对用户利用自 由热，提高建筑环境舒适度提出了明确的要求1 1 】。发达国家的供暖系统般采用动 态的交流量系统，其调控技术先进，调控手段完善，设备质量优良。与国外发达 国家相比，我国目前的供暖系统相对落后，供热品质差，室温冷热不均，系统热 效率低，热能损失严重，同时调节和控制技术存在可靠性差、操作不灵活、人机 界面不友好等缺点1 2 j 。 要实现供暖系统的节能控制，保证供暖系统正常运行，提高系统效率，降低 能耗及热能损失，同时为了提高系统稳定性，保证用户室内舒适性，达到最大节 能效果，必须及时掌握分散在城市的水源、热源、水网、热网管线的运行状况和 生产参数。而我国一些传统的供暖系统，未采用自动化调节和控制，因此占用大 量人力、物力收集数据，实时性不强，准确性不够，制约了调度决策，影响供暖 的质量，浪费有限的能源。 近年来，随着计算机技术、电子技术、通讯技术、检测技术、自动化仪表技 术及传感器技术的迅猛发展，为供暖系统实现自动化控制提供了有利的条件：同 时，随着我国现代化进程的加快，提高城市供暖系统管理水平，改善供暖效果， 合理利用水热资源，减轻人工劳动强度已刻不容缓。因此，急需建立一套高效节 能的自动化供暖系统。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 。2 国内外研究现状 回顾近四十多年来国内外大中小型城市水工业领域的广域网络监控系统和厂 站级监控系统的设计及运行工况，主要经历了以下几次重大的技术变革纠： ( 1 ) 上世纪8 0 年代初的监控系统，以分立元件、集成电路为主，系统功能比较 简单。 ( 2 ) 上世纪9 0 年代初，出现了以工业p c 计算机、w i n d o w s 操作系统、p l c 可编程控制器、手持编程器等构成的监控系统。 随着水工艺流程由简单过程向大型化、连续化、复杂性方向发展，控制系统 由简单控制系统( 如p i d 、串级、比值、前反馈、后反馈等) 发展至先进控制系统 ( 如多变量来水预测、神经元、模糊、鲁棒等) 和综合自动化系统生产流程控制、 管理决策一体化。以计算机为主的控制系统也经历了d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l 直接数字控s j j ) 、d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 集散控制系统) 、f c s ( f i e l db u s c o n t r o ls y s t e m 现场总线控制系统) 和c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c 懿gs y s t e m 计 算机集成过程控制系统) 、s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 数据 采集与监控) 的五个发展阶段。 近十年来，f c s 现场总线控制系统大量应用于水工业各领域。f c s 系统具有 数字化、分散控制等特点，采用一对n 的连接方式，可省去大量的a f a o 、d f d o ， 用数字信号代替模拟信号，在一根双绞线或条电缆上可挂接多个现场设备，节 省了硬件投资和安装费用，系统成本降低，曾一度被认为是未来控制系统的主要 潮流。但是f c s 现场总线普遍采用的主从式层次的控制网络结构，从所有现场设 备到主控器的数据传输，必需经过不同c p u 和驱动软件，结果是传输速度慢，缺 乏透明度，软件和维修费用高，控制器之间的垂直和水平通信非常困难，所有控 制器是“孤岛”独立于i n t e r n e t 之外，无法集成。因此，f c s 总线存在瓶颈问 题。 f c s 现场总线技术对d c s 控制系统无疑是一种重大挑战。但是，f c s 的功能 模块比d c s 少；d c s 灵活方便和丰富的组态功能，也比f c s 强；在开关量与模拟 量控制并存，相互关系十分密切的控制系统中，采用f c s 就不方便了。 过去2 5 年来，除北京、深圳、广州、上海、长春、成都外，还有许多大中小 型城市的自来水公司、源水公司或排污水公司都先后用贷款和项目融资等方式建 立了先进的s c a d a 系统。 ， s c a d a 是英文“s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ”的缩写，即“监视 控制和数据采集”。s c a d a 系统是建立在计算机基础之上的自动化监控系统，它 的主要任务是采集和管理各个生产环节的实时生产数据，对生产过程进行监视和 2 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 控制，并保存历史数据和故障事件，提供报表输出和计算、分析1 4 】。 s c a d a 系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统 之一，它有两层含义：一是分布式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就 是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，人机界面) 系统，下位机通常是指硬件层上的，即各种数据采 集设备，如r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端测控单元) 、p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ，可编程逻辑控制器) 及各种智能控制设备等等。这些智能采集设 备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，实时感知设备中各种参数的状态， 并将这些状态信号转换成数字信号，通过特定的数字通信网络传递到h m i 系统中； 必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机h m i 系统在接受 这些信息后，以适当的形式( 如声音、图形、图像等方式) 显示给用户，以达到 监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态( 报警、正常 或报警恢复) 。这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统 传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统( 如m i s 、g i s ) 结合形成功能更加 强大的系统，h m i 还可以接受操作人员的指令，将相应的控制信号发送到下位机 中，以达到控制的目的【”。 一个完善的s c a d a 系统的建立，依托于高精度、智能化的一次仪表获取信息， 准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。s c a d a 系统所涉及 到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等。 s c a d a 系统一般由企业生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。 它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功 能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控 功能，网络功能等。 1 3 本课题研究意义和内容 1 3 1 本课题研究意义 随着国民经济的飞速发展，对供暖系统的自动化提出了更高的要求。必须对 现有系统的控制和管理进行改造和完善，从落后的人工抄表、手工记录方式向自 动化检测和控制方向发展。采用现代化技术和手段，对系统运行参数( 如循环水 水温、管网水压和水流量、水箱水位以及水泵的运行状态等) 实施自动化监测和 控制管理，从而降低系统的运行成本，提高效率，保证设备安全，带来可观的经 3 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 济效益和潜在的社会效益。这对提高供暖系统的运行可靠性、提高产品质量、保 证安全生产、提高管理水平和减员增效具有重要意义。 以往的供暖系统，由于热源传送距离较远，需监测和控制的点较多，且这些 点在空问上布置分散，从而造成了人工劳动强度大，控制不及时等问题。而集中 了p l c 系统的现场测控功能和d c s 系统的信息共享和组网通信能力两大优点的 s c a d a 系统( s u p e r v i s i o n c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) ，即分布式数据采集和监 控系统是自动化领域的重要系统之一【3 1 ，s c a d a 系统可实现多点测量，且测控精 度高，测控速度快，采用此种系统对整个供暖过程进行监控既可以保证生产过程 运行的安全可靠，节约能源，又可大大减轻人工的劳动强度。同时在软件设计上 可采用通用的工业控制组态软件，根据系统的实际情况进行灵活的优化配置1 4 j 。 1 3 2 本课题研究内容 针对某热电厂的供暖系统进行改造，根据电厂的实际情况对水进行合理的应 用，达到充分利用有效节约水资源的目的，对其厂区、生活区的供暖系统进行设 计改造。 本课题研究的基本思想是，采用先进的计算机技术、可编程序控制器p l c 、 工业自动化组态软件技术，结合我国热电站供暖系统的特点，研究并设计出具有 运行状态和参数能够自动监测、自动控制，具有自动故障应急处理能力，高可靠 性的供暖自动化监测控制系统。 4 北京交通大学硕士学位论文2 供暖系统控制方案的制定 2 供暖系统控制方案的制定 2 1 供暖系统工艺流程 该热力电厂供暖系统主要由四部分组成，分别是：补水系统、循环水系统， 加热系统和疏水系统。其工艺流程如图2 - 1 所示。 2 1 1 补水系统 图2 - 1 供暖系统工艺流程 f i g 2 - 1c r a f t - f l o wo f h e a t i n gs y s t e m 补水系统主要由补水箱和补水泵两大部分组成。补水箱中的水主要用来补充 生活区热网系统中的水，也用来充分处理由厂内来的各种水。补水箱中的水主要 来自三个方面：厂内工业来水、厂内除盐来水、锅炉房采暖凝结水来水。孙水泵 分为三组，分别是新生活区补水泵、老生活区补水泵和厂前区补水泵，每组由a 、 b 两水泵组成，a 水泵为主水泵，b 水泵为辅助水泵。在供暖用水量大时a 、b 水 泵才会一起开启，当用水量少时，只有a 水泵运行，由补水泵流出的水通过管道 流至循环水泵。a 、b 泵的运行主要由三方面决定：启动指令，a 、b 是否出现事 故，补水点压力是否过低。 北京交通大学硕士学位论文2 供暖系统控制方案的制定 2 1 2 循环水系统 循环水系统主要由循环水泵组成。循环水泵中的水来自两个方面：补水泵中 的水和生活区采暖回水总管中的回水。前者由补水泵直接流至循环水泵，而生活 区回水由于其中有时有大量的杂物，需要经过除污器进行除污才能进入水泵，但 如果水质好的话也可以不经过除污器直接进入循环水泵。循环水泵也分为三组， 分别是新生活区循环水泵、老生活区循环水泵和厂前区循环水泵，新老生活区循 环水泵由a ，b 两水泵组成，a 水泵为主泵，b 水泵为辅助水泵。厂前区循环水泵 则由a 、b 、c 泵组成。泵的运行主要由三方面来决定：启动指令，泵是否出现事 故，循环水泵出水母管的水压。 2 1 3 加热系统 加热系统是整个供暖系统的核心部分。换热器中的水来自循环水泵。来自循 环水泵中的水和高压厂的加热蒸汽在换热器中进行热量交换，加热蒸汽流量由调 节阀根据实际供水温度进行流量的调节。从换热器流出的水主要有两个流向：流 向生活区热网交换器和疏水罐进行下一步水循环。 2 1 4 疏水系统 疏水系统的主要作用是形成整个供暖系统的循环，将生活区以及其他路径来 的水处理后再次进入电厂锅炉用水系统，进行水的再次循环。疏水系统主要由两 大部分组成，分别是疏水罐系统和疏水泵系统。疏水罐主要用来储存水，缓解水 压，根据需要向疏水泵进行供水。其中罐中的液位、压强、流量是该系统实现自 动控制的关键。疏水罐的液位设定一个安全水位范围，并对罐中水的液位进行监 测，当超过或低于安全值时，系统会发出报警。疏水泵系统有a b ，c 三个水泵 组成，a 水泵为主疏水泵，b ，c 水泵为辅助水泵。三个水泵对水流量的调节，均 采用自动调节的方式。 在此系统中，水泵主要起着调节水压的作用。水泵的起停都能自动或手动控 制，自动控制的信号来源主要是出水母管的压力、水温及各种泵的运行情况。此 外各水泵的进、出水管道两端都有电磁阀，在启动某台水泵电机时，应先打开相 应的电磁阀，再启动电机，以免水的压力将电磁阀、泵或管道胀爆。相反，在停 止某台水泵电机时，应先停止电机，再关闭相应的电磁阀，以免由于电机的惯性 造成的水压力将电磁阀、泵或管道胀爆。 学 北京交通大学硕士学位论文2 供暖系统控制方案的制定 2 2 控制系统的组成结构 现行主要的测控系统有d c s 系统、p l c 系统和s c a d a 系统。d c s 系统即集 散式控制系统，适用于测控点数多，测控精度高，测控速度快的工业现场。其特 点是分散控制和集中监视，组网通讯能力和测控能力强，运行可靠，易于扩展， 组态方便，操作维护简便，但系统的价格较昂贵。p l c 系统适用于工业现场的测 量控制，现场测控功能强，性能稳定，可靠性高，技术成熟，使用广泛，价格合 理。s c a d a 系统即分布式数据采集和监控系统，是中小规模的测控系统，集中了 p l c 系统现场测控能力强和d c s 系统组网通信能力强的两大优点，性能价格比高。 从系统组网的测控规模，组网通讯和性价比这几方面着眼，考虑该供暖改造 项目对现场的测控要求较高，测控规模中等的情况，根据s c a d a 系统的功能特点， 选用s c a d a 系统对原供暖系统进行改造【5 】。 2 2 1 系统的整体结构 |i 监控葺算机fi 编程 作站j 工业以太网! l 业以a 网 西门予s 7 - 3 0 0 系列可编程控制器 lf 。 f 电气控制回路 电气控制回路( 含 电气控制回路 有变频器) ( 含有变频器) ( 含有变频器) 传感器与菱送器 循环泵i 。 i l 补水泵i 疏水泵 i 加热系统及供热管网系 监 控 中 心 远 程 终 端 图2 - 2 供暖s c a d a 系统结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f s c a d a f o rh e a t i n gs y s t e m 如图2 - 2 所示，整个供暖s c a d a 系统由三大部分组成：监控中心、远程数据 7 北京交通大学硕士学位论文2 供暖系统控制方案的制定 通信网络和布置在供暖工业现场的远程终端单元r t u 在本系统中r t u 采用p l c 模式，即由p l c 、传感检测机构( 传感器和变送器) 和执行机构( 热网中的调节 阀、变频器) 组成，主要是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统 的一个独立的工作站，进行数据采集时作为一个远程数据通信单元。工业以太网 主要用于监控中心和r t u 之间的通信；现场总线用于p l c 和变频器之问的通讯连 接。 2 2 2 监控中心 由两台计算机和打印机构成。一台完成对供暖流程的集中监控，另一台用作 编程工作站。打印机完成各种报表的打印功能。监控中心的主要功能： ( 1 ) 通过以太网与远程终端单元r t u 进行数据通讯，通过简洁、直观的人 机界面监视现场主要设备的运行状态( 包括现场所有循环水泵、补水泵和电动调 节阀等) 、主要设备参数和工艺参数( 供水和回水温度、压力、流量、液位) 等； ( 2 ) 动态显示被监控量的实时数据和实时趋势与历史趋势曲线，有助于操作 人员及时掌握供暖工艺参数的变化情况； t ( 3 ) 具备较好的控制能力，可控制现场泵的起停，阀门的开度等； ( 4 ) 提供过程报警和系统报警，记录事件过程； ( 5 ) 打印各种历史，实时报表； ( 6 ) 提供必要的人工干预手段，操作员可在权限范围内修改其中的参数和状 态； ( 7 ) 编成工作站实现远程对p l c 编程、p l c 运行状况监测及程序修改等。 2 2 3 远程终端( r t u ) 本系统中r t u 采用p l c 模式，通过p l c 完成现场数据的采集和设备控制。 r t u 的主要功能： ( 1 数据采集功能，主要完成现场水温、压力、流量、液位等模拟量的采集， 将采集到的现场数据处理后送监控中心； ( 2 ) 控制功能，通过p l c 和变频器的组合完成各个泵站的控制，根据从现场 采集的供水温度对蒸汽调节阀进行p i d 控制，同时当现场设备发生故障时依据一 定的控制逻辑进行逻辑控制； ( 3 ) 通信功能，r t u 可直接接收监控中心的控制命令，由p l c 、现场总线通 过自身的执行机构( 如电机、电磁阀等) 、传感器检测机构( 如光电开关、接近 北京交通大学硕士学位论文2 。供暖系统控制方案的制定 开关等) 、智能单元( 温度变送器，变频器等) 来按控制程序完成供暖过程，同 时又可作为系统的一个独立的工作站通过现场总线、智能设备、电气设备以及执 行机构，根据一定的控制方案控制供暖过程中的控制变量，以达到供暖工艺要求， 提高生产效率，节约能源的目的。 2 3 系统的网络结构 监控中心和r t u 之间通过工业以太网进行信息传输，p r o f i b u s 现场总线将 p l c 和变频器连接，通过各种硬件设备的连接及相应软件来完成通讯。 2 3 1 工业以太网 以太网是一种成功的信息网络技术，以其成本低、数据传输速率高、易于组 网、稳定可靠等诸多优点，而成为最受欢迎的通信网络之一，其典型通信特点是 随机接入、载波侦听、碰撞检测和竞争冲突。然而以太网是为面向办公自动化等 实时性要求不高的领域而设计的，传输报文具有排队延迟不确定的缺陷，无法保 证数据传输的实时性要求【6 】。 以太网产生延迟的主要原因是冲突，导致数据传输的实时性和可靠性降低。 随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太网能够克服了自己本 身的缺陷。提高以太网的通信速度，可以有效降低网络的负荷，减少冲突。有资 料显示当一个网络的负荷低于3 6 时，基本上不会发生冲突，在负荷为1 0 以下 时，1 0 m 以太网冲突机率为每五年一次，l o o m 以太网冲突机率为每1 5 年一次。 显然以太网进入工业领域成为工业以太网，完全可以满足工业上对数据传递的实 时性、可靠性要求”。 在支持以太网的众多协议中，t c p i p 协议是公认的网路互联开放标准，具有 良好的开放性。把以太网和t c p i p 结合起来，才能满足工业以太网数据通信的需 要。在实现中，利用t c p i p 来传送显式的报文数据，u d p ，p 来传送隐式的f o 数 据。t c p 是一个面向连接的并能够为一台设备同另一台设备提供可靠通信的协议， 它只能工作在单播( 点对点) 模式。u d p 是一个无连接的协议，它只提供了设备 问发送数据的能力，可以工作在单播和多播方式 8 1 1 9 1 。对于对实时性要求较高的实 时f o 数据，采用u d p i p 协议来传送，而对实时性要求不太高的显式信息( 如组 态、参数设置和诊断等) 则采用t c p i p 来传送。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 供暖系统控制方案的制定 2 3 2p r o f i b u s ( p r o c e s sf i 0 i db u s ) 过程现场总线 在现代工业控制系统中，p l c 和变频器的综合应用最为普遍。但在传统的应 用中多是使用p l c 的输出点驱动中间继电器控制变频器的启动、停止或是多段速 调节；若连续控制变频器的运行或是多台变频器之间的同步运行，一般采用p l c 加d a 模块的方式。但是当变频器的数目较多，电机分布的距离也不一致的情况 下，采用d a 模块控制容易受到模拟量信号的波动和因电机分布距离不一致而造 成的模拟量信号衰减不一致的影响，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低。p l c 和变频器使用p r o f i b u s 现场总线进行通讯控制，仅通过一条通讯电缆的连接， 就可以完成变频器的启动、停止、频率设定，并且很容易实现多个电机之间的同 步运行。这种结构现场布线简单，成本低，现场信号传输距离远，抗干扰性强。 1 p r o f i b u s 总线技术特点【1 0 1 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n , o s i ) 作为参考模型的。p r o f i b u s 提供三种通信协议类型： d p 、f m s 和p a 。其中p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速通信连接，专为自 动控制系统和分散i o 设备之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输， 传输速率最高可达1 2 m b p s ；p r o f i b u s f m s 主要解决车间级通用性通信任务，提 供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务；p r o f i b u s p a 专为 过程自动化设计，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的需要 总线供电的场合 本系统中p l c 和变频器之间采用p r o f i b u s d p 来实现通讯连接。 2 p r o f i b u s d p 数据交换原理】【1 2 】 p r ( ) f m u s d p 定义了三种设备类型： d p 从设备：指直接连接i o 信号的外围设备，典型的设备如输入、输出、驱 动器、阀、操作面板等。 。 d p 1 类主设备( d p m i ) ：指中央控制器，它与分散的i o 设备( d p 一从设备) 交换数据。系统中允许存在若干个d p m l ，典型设备如：p l c ，p c 等。 d p - 2 类主设备( d p m 2 ) ：指组态、监视或工程工具，用于设定网络或参数， 及监视d p 从设备。p r o f i b u s - d p 单主系统由1 个d p - d p m l 设备和1 - 1 2 5 个d p - 从设备组成，而多主系统由多个d p d p m l 设备或d p d p m 2 设备及最多1 2 4 个 d p 从设备组成，即同一总线上最多1 2 6 个设备。 p r o f m u s d p 通信是一个主站依次轮询从站的通信方式，即m s ( m a s t e r - s l a v e ) 方式。d p - 主设备与d p 从设备交换数据时，遵循如图2 3 所示应 答机制。 l o 北京交通大学硕士学位论文2 供暖系统控制方案的制定 请求帧 三 翌至工卫 图2 - 3d p 主从设备应答机制 f i g 2 - 3a c k n o w l e d g e m e n tm e c h a n i s mo f p r i n c i p a l - s u b o r d i n a t ee q u i p m e n tf o rd p 数据帧结构如图2 4 所示：其中， 长度，l e t = 重复长度，d a = 目的地址， f c s = 帧检查顺序，e d = 结束分界符。 s y n = 同步时间，s d 2 = 开始分界符2 ，l e = s a ；源地址，f c = 功能码，d u = 数据单元， 请求帧 图2 _ 4d p 主从设备应答数据帧 f i g 2 - 4a c k n o w l e d g e m e n td a t af r a m e so f p r i n c i p a l - s u b o r d i n a t ee q u i p m e n tf o rd p 北京交通大学硕士学位论文 3 系统的硬件设计 3 1 监控中心的配置 3 系统的硬件设计 监控计算机和编程工作站均选用配置为p 42 0 g h z 以上主频，5 1 2m 内存， 8 0 g 硬盘的d e l l 商用电脑，p h i l i p s1 9 寸液晶显示器；打印机选用h pl j 5 0 0 0 激 光打印机，配置不问断电源( u p s ) 。系统还配置有西门子c p l 6 1 3 通讯网卡，用 于将监控中心连接到工业以太网实现与可编程控制器的通信。 。 3 2 远程终端系统的硬件选型和配置 结合供暖系统的实际特点和要求，对单片机和p l c 等计算机控制装置进行了 仔细的比较，确定远程终端采用p l c 作为现场控制设备。 p l c 的种类很多，不同类型p i , c 的性能、适用领域是有差异的，它们在设计 内容和设计方法上也会有所不同，通常还与设计人员习惯的设计规范及实践经验 有关。但是，所有设计方法要解决的基本问题是相同的。在本设计中考虑系统的 控制功能、网络和组态功能、扩展功能和通信能力以及系统操作的可靠性、稳定 性和抗干扰性，p l c 选用西门子中小型的s 7 3 0 0 系列【1 4 1 d s 。 3 2 1 西门子$ 7 - 3 0 0 系列p k 0 简介 p l cs 7 3 0 0 有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力。标准型的环境温度为 o 6 0 。环境条件扩展型的温度是2 5 + 6 0 ，有更强的耐振动和耐污染性能。 p i , cs 7 3 0 0 有3 5 0 多条指令，其编程软件s t e p7 功能强大，可以使用多种编程语 言，有的编程语言可以相互转换。s t e p7 用软件工具来为所有的模块和网络设置 参数。c p u 用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊 系统事件“o j 。 s 7 3 0 0 在硬件结构上采用紧凑的，无槽位限制的模块结构。中央处理单元 ( c p u ) 模块、信号模块( s m ) 、通信处理模块( c p ) 、功能模块( f m ) 、电 源( p s ) 模块、接口模块( 幢) 都安装在导轨上，用背板总线将除电源模块之外 的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，模块通过u 型总线连接器相连， 每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后，安装时先将总线连接器 插在c p u 模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块【1 6 j 。 1 2 北京交通大学硕士学位论文3 系统的硬件设计 信号模块、功能模块和通信处理器模块可以不受限制地插入任何一个槽上， 系统可以自动分配模块的地址。每个机架最多只能安装8 个信号模块，功能模块 或通信处理器模块。如果系统任务需要的这些模块超过8 块，则可以增加扩展机 架。除了带c p u 的中央机架，最多可以增加3 个扩展机架，每个机架可以插8 个 模块。机架的最左边是1 号槽，最右边是l1 号槽，电源模块总是在一号槽的位置。 中央机架的2 号槽位是c p u 模块，3 号槽上是接口模块。这3 个槽被固定占用， 信号模块，功能模块和通信处理器使用4 1 1 号槽。 中央处理单元( c p u ) 模块用来存储并处理用户程序，为其他各模块分配参 数，通过m p i 总线与其它中央处理器或编程装置通信。除完成执行用户程序的主 要任务外，还为s 7 3 0 0 背板总线提供5 v 直流电源。$ 7 - - 3 0 0c p u 的存储器有3 个基本区域： ( 1 ) t 作存储器，它是集成的高速存取的r a m 存储器，用于存储c p u 运行 时的用户程序和数据，为了保证程序执行的快速性和不过多地占用工作存储器， 只与程序执行有关的块被装入工作寄存器。 ( 2 ) 系统存储器，系统存储器是c p u 为用户程序提供的存储器组件，被划 分为若干个地址区域。使用指令可以在相应的地址区内对数据进行直接寻址。系 统存储器为不能扩展的r a m ，用于存放用户程序的操作数据。系统存储器还提供 临时存储器，用来存储程序块被调用时的l 临时数据。访问数据比访问数据块中的 数据更快。用户生成块时，可以声明临时变量，它们只在执行该块时有效，执行 完后就被覆盖了。 ( 3 ) 装载存储器，装载存储器是r a m 和f e p r o m ，用于保存不包含符号地 址和注释的用户程序和系统数据。有的c p u 有集成的装载存储器，有的可以用微 存储器卡m m c 来扩展，系统断电时，数据保存在m m c 存储器中，因此数据块的 内容基本上被永远保留。下载程序时，用户程序被下载到c p u 的装载存储器，c p u 把可执行部分复制到工作存储器，符号表和注释保存在编程设备中。 p l c 通过输入模块接受外来的输入信号，通过输出模块驱动外部执行机构， 而各种信号之间的逻辑关系则通过用户程序来实现它按照分时工作的原理进行 工作。s 7 系列p l cc p u 的工作过程如图3 1 所示。 ， ， 1 启动( s t a r t u p ) c p u 从s t o p 状态转入r u n 状态时执行一次完全重启动( c o m p l e t e r e s t a r t ) ， 包括清除没有保持功能的位存储器状态、定时器和计数器状态，清除中断堆栈和 块堆栈的内容等；调用启动组织块o b l 0 0 ，然后进入扫描循环。 2 扫描循环( s c a nc y c l e ) 在扫描循环的开始，首先刷新循环监控时间( w a t c hd o gt i m e r ) ，然后按顺 北京交通大学硕士学位论文3 系统的硬件设计 序进行输入处理、程序处理和输出处理，然后再回去刷新程序，如此反复。 ( 1 ) 输入处理是以批处理的方式，读入输入模块中各个输入点的通断状态， 以i o 的方式写在输入过程映象表p h ( p r o c e s si m a g ei n p u tt a b l e ) 。在程序执行 过程中，即使输入点的状态改变，输入过程映像表的内容也不会变化，直到下一 个扫描周期再一次做输入处理的时候，新的变化才得以写入。 ( 2 ) 程序处理是以扫描方式逐一处理o b l 中程序。逻辑运算的结果涉及输出 的，把结果写到输出过程映像表p i o ( p r o c e s si m a g eo u t p u tt a b l e ) 。 ( 3 ) 输出处理是以批处理的方式，把输出过程映像表p i o 的内容抄写到输出 模块的输出锁存缓冲区，真正影响输出点的通断。 完成一个循环的时间称为扫描周期( s c a n c y c l e t i m e ) 。在一个扫描周期中， 除了上述三项处理外，还要留一段时间给操作系统完成其它任务( 如通讯) 。 启动组织块( o b l 0 0 ) ( 从s t o p 到r u n 时执行一次) 循环监视时间的开始 刷新( w d t ) 从输入模块读信号