基于Ethernet╱IP的液位检测系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 工业控制网络工业控制网络 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：基于基于Ethernet/IPEthernet/IP的液位检测系统设计的液位检测系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2010.12.29-2011.1.72010.12.29-2011.1.7 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计（论 文）题目 基于Ethernet/IP的液位检测系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 以 Ethernet/IP 网络控制平台为基础，设计液位检测系统，选择液位传感器，完成液位 的检测，同时对超限进行报警显示。网络选择 Ethernet/IP，通过输入输出模块，实现基于 Ethernet/IP 的液位远程检测。 设计任务及要求设计任务及要求 1、选择液位传感器，确定设计方案； 2、绘制系统整体框图； 3、硬件设计，包括传感器电路、主控制器、输入输出模块等的组态，并进行相应的参 数设置； 4、软件设计（编写主程序、接收、发送程序及相应的流程图） 5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。 6、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 1、Ethernet/IP 传输速率 10Mbps； 2、液位高度范围：1050cm；设定值：30cm; 3、控制精度5% 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（1 天） 2、对系统功能进行分析，构建 Ethernet/IP 远程 FlexI/O 网络（1 天） 3、系统硬件组态及模块选择（3 天） 4、系统软件组态及编写功能程序及调试（3 天） 5、撰写、打印设计说明书（1天） 6、验收及答辩。 （1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 摘 要 在工业生产中，水位是一个很重要的控制参数，例如在某些生产过程中，若 供水因压力不足或短时断水，就可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损 坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重 大经济损失和人员伤亡。再如，河流发生洪涝灾害，需要检测河水水位，以防发 生决堤危害百姓生命财产安全。所以，确保水位的正确检测，意义重大。 本系统以 Ethernet/IP 网络控制平台为基础，设计液位检测系统，选择压力传 感器完成液位的检测，同时对超限进行报警显示。网络选择 Ethernet/IP，通过基 于 Controllogix 的输入输出模块，实现基于 Ethernet/IP 的液位远程检测。 关键词：水位；传感器；Ethernet/IP；Controllogix 本科生课程设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 课程设计的方案 .2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 2.3 系统的 I/O 分配 .2 第 3 章 硬件设计 .3 3.1 系统的硬件模块结构 .3 3.2 CPU .3 3.3 传感器 .4 3.4 ETHERNET/IP .5 3.5 网络配置 .5 第 4 章 软件设计 .11 4.1 主程序流程图 .11 4.2 程序编写 .11 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 .13 第 6 章 课程设计总结 .14 参考文献 .15 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 在工业生产中，水位是一个很重要的控制参数，例如在某些生产过程中，若 供水因压力不足或短时断水，就可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损 坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重 大经济损失和人员伤亡。再如，河流发生洪涝灾害，需要检测河水水位，以防发 生决堤危害百姓生命财产安全。所以，确保水位的正确检测，意义重大。 先进控制策略的发展主要向预先控制、自适应控制、智能控制、模拟控制等 方面发展。目前，国内外水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及 PID 自校准 与自调整的比较多，特别是前 2 种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展，表 现在模糊控制与智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。它避免了只凭 经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性，有效地提高了模糊控制器 的控制品质，FNN 的结构考虑了模糊推理及模糊规则，主要解决的问题是：规则 的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性；PID 自调整、自校正主要采用不同 的优化方法对参数进行自调整；预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考 自适应控制等基于模型的控制方法发展的比较少，具体在实际应用过程中应用的 则更少。 控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如 DDC，SPC 等） 已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（DCS）与可编 程逻辑控制器（Programmable Logic Controllers，PLC）计算机控制系统13。其 控制对象方面：受约束的 MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件 的最优化。其控制方法的发展趋势为：结合最优化技术、计算机网络与数据信息 处理技术的现代集成制造系统（CIMS） 。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 在工业生产中，水位是一个很重要的控制参数，例如在某些生产过程中，若 供水因压力不足或短时断水，就可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损 坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重 大经济损失和人员伤亡。再如，河流发生洪涝灾害，需要检测河水水位，以防发 生决堤危害百姓生命财产安全。所以，确保水位的正确检测，意义重大。 本系统以 Ethernet/IP 网络控制平台为基础，设计液位检测系统，选择压力 传感器完成液位的检测，同时对超限进行报警显示。网络选择 Ethernet/IP，通 过基于 Controllogix 的输入输出模块，实现基于 Ethernet/IP 的液位远程检测。 2.2 系统组成总体结构 系统的总体组成结构见图 2.1。 图2.1 系统的总体组成结构 2.3 系统的 I/O 分配 系统 I/O 分配见表 2.1。 表 2.1 系统 I/O 分配 功能功能I/O 分配分配类型类型 启动按钮I1.0数字量输入 停止按钮I1.1数字量输入 电动机O1.0数字量输出 压力检测I.Ch0Data模拟量输入 传感器测量变送PLC电动机 本科生课程设计（论文） 3 压力输出O.Ch0Data模拟量输出 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 系统的硬件模块结构 本系统采用 Controllogix 作为控制器，采用以太网模块，使用模拟量输入 模块和模拟量输出模块各 1 个。 其系统硬件图如图3.1。 图3.1 系统硬件结构图 3.2 CPU CPU采用Controllogix作为PLC，无论是高速离散控制、复杂过程控制、伺服 控制，还是高速传动控制等各种应用，借助单一的ControlLogix平台，用户只需 掌握一种编程软件，就能根据应用要求的不同，选择标准模块，选择标准工业网 络/总线得到所需的控制系统，如顺控/安全连锁系统、伺服控制系统、分布式控 制系统（DCS） 、高速传动控制系统以及数据采集监控系统（SCADA）等。 ControlLogix平台不仅技术领先，而且在烟草、消费品制造、冶金、电力、 石化、油气输送、造纸、水处理、地铁、矿山以及汽车等各个行业中都有许多成 功的应用。 ControlLogix平台主要特点如下： 本科生课程设计（论文） 5 所有模块均可带电插拔； 用户通过软件刷新即可实现包括处理器在内的各种模块的升级； 功能强大的Logix处理器 处理器具有高速程序及数据处理能力，1K指令仅需0.06毫秒； 单个处理器最多支持：128000开关量或4000模拟量。 用户无需换处理器，通过替换更大容量的内存即可扩充系统处理能力； 本身提供电池后备，从机架取出处理器后仍可保持数据不丢失； IEC1131-3全面支持 实时多任务系统内核：多达32个任务，包括1个连续任务以及31个周期 任务； 3.3 传感器 传感器选择压力传感器。压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒 石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是 在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过 这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点” ） 。由于随着 应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低） ，所以石英逐渐被其他的压 电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在 室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高 温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 图3.2是压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。 本科生课程设计（论文） 6 图3.2 压力传感器液位检测电路 由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。 图中VR1为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，VR3为没有加压时输出电压调整， C1、C2用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化， 所以必须给电路提供一个稳定的电源。 3.4 EtherNet/IP EtherNet/IP(EtherNet Industry Protoco1)是适合工业环境应用的协议体 系。它是由两大工业组织ODVA(OpenDeviceNet Vendors Association) ControlNet International所推出的最新的成员。和DeviceNet以及ControlNet 一样，它们都是基于CIP(Control and Informal/on Protoco1)协议的网络。它 是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时I/0信息和显式信息(包括 用于组态参数设置、诊断等)的有效传输。 EtherNet/IP采用和DevieNet以及ControlNet相同的应用层协CIP(Control and Information Protoco1)，因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范， 具有较好的一致性。EtherNet/IP采用标准的EtherNet和TCP/IP技术来传送CIP通 信包，这样，通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的EtherNet和 TCP/IP协议，就构成EtherNet/IP协议的体系结构。 EtherNet/IP在物理层和数据链路层采用以太网。其主要由以太网控制器芯 片来实现。EtherNet/IP在网络层和传输层采用标准的TCP/IP技术。对于面向控 制的实时I/0数据，采用UDP/IP协议来传送，而对于显式信息(如组态、参数设置 和诊断等)则采用TCP/IP来传送过程监控层流通的数据基本是显式信息，采用 TCP/IP来传送，其优先级较低。而将来采用工业以太网EtherNet/IP协议的现场 设备层，流通的数据基本是实时I/O数据，采用UDP/IP胁议来传送，其优先级较 高。 控制及信息协议(CIP)是一种为工业应用开发的应用层协议，被 DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP等3种网络所采用，因此这3种网络相应地 统称为CIP网络。 3.5 网络配置 1、创建一个新项目 本科生课程设计（论文） 7 （1）启动RSLogix5000。 （2）创建一个新项目，如图3.3所示。 图3.3 创建新项目 2、添加远程1794 FLEX I/O 以太网适配器及I/O模块 （1）组态1756-ENET/B以太网适配器模块。右键单击I/0 Configuration, 在弹 出的菜单中选择New Module, 然后在弹出的菜单中选择1756-ENET/B以太网适 配器模块，如图3.4示。 图3.4 添加远程1794 FLEX I/O 以太网适配器及I/O模块 （2）在弹出的菜单中设置1756-ENET/B以太网适配器模块的IP地址，注意槽 本科生课程设计（论文） 8 号和IP地址一定要设置正确，Electronic选择Disable Keying如图3.5，选择完毕后 点击Finish，完成对1756-ENET/B以太网适配器模块的组态。 图3.5 （3）组态1794-FLEX I/O EtherNet/IP适配器模块。右键单击I/0 Configuration中的1756-ENET-B ENET,在弹出的菜单中选择New Module，然后 在弹出的菜单中选择1794-AENT/A以太网适配器模块，如图3.6所示。 图3.6 （4）在弹出的菜单中设置1794-FLEX I/O EtherNet/IP适配器的IP地址，每个 本科生课程设计（论文） 9 PLC实验平台的1794-FLEX I/O EtherNet/IP适配器均有一个独立的IP地址，本例 中的适配器所对应的IP地址已经预先分配为192.168.1.29，如需另外分配IP地址， 可参见图3.7。具体设置IP地址如图3.8所示，Electronic选择Disable Keying，完成 对1794-FLEX I/O EtherNet/IP适配器的组态。 图3.7 图3.8 （5）组态1794-FLEX I/O输入输出模块，右键单击步骤4中组态好的1794- AENT/A Subenet，在弹出的菜单中选择New Module，然后在弹出的菜单中选 择1794-FLEX I/O输入输出模块1794-IB16/A和1794OB16/A，如图3.9所示。 本科生课程设计（论文） 10 图3.9 （6）在弹出的菜单中分别设置1794-IB16/A和1794OB16/A的属性，注意在 FLEX I/O框架中，1794-FLEX I/O EtherNet/IP适配器不占槽号，因此输入输出模 块的槽号从0开始计数，Electronic选择Disable Keying，完成对1794-FLEX I/O输 入输出模块的组态。 （7）完成上述模块组态后，项目树如图3.10所示。 图3.10 （8）观察RSLogix5000自动创建的结构体数据标签。在控制器资源管理器中， 双击Controller Tags，如图3.11所示。 本科生课程设计（论文） 11 图3.11 3、添加逻辑程序，下载项目并测试 （1）从资源管理器中，双击MainRoutine，启动梯形图编辑器。 （2）添加以下梯形逻辑。 （3）下载程序。点击控制栏中的图标，找到对应的1756-L1/A LOGIX5550处理器，点击Download。 （4）离线演示。 本科生课程设计（论文） 12 第 4 章 软件设计 4.1 主程序流程图 主程序流程图见图4.1。 图4.1 主程序流程 4.2 程序编写 梯形图如图4.2。 开始 检测液位 10-50cm 否？ 报警 是否 30cm？ PID 调节 返回 Y Y N N 本科生课程设计（论文） 13 图4.2 系统程序 本科生课程设计（论文） 14 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 在 Rslogix 5000 里创建一个监控标签，对系统进行检测，如图 5.1。 图5.1 系统检测 本科生课程设计（论文） 15 第 6 章 课程设计总结 本次课程设计我做的是基于 Ethernet/IP 的液位检测系统设计 。 在工业生产中，水位是一个很重要的控制参数，例如在某些生产过程中，若 供水因压力不足或短时断水，就可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损 坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重 大经济损失和人员伤亡。再如，河流发生洪涝灾害，需要检测河水水位，以防发 生决堤危害百姓生命财产安全。所以，确保水位的正确检测，意义重大。 本系统以 Ethernet/IP 网络控制平台为基础，设计液位检测系统，选择压力传 感器完成液位的检测，同时对超限进行报警显示。网络选