基于现场总线的闸门远程自动控制系统设计.doc

论文题目 基于现场总线的闸门远程自动控制系统设计专业学位类别 工 程 硕 士学 号 201291080227 作者姓名 周 兴指导教师 陈亮 副教授 分类号密级注 1UDC学位论文基于现场总线的闸门远程自动控制系统设计（题名和副题名）周 兴（作者姓名）指导教师 陈 亮 副教授电子科技大学 成 都费 宇 总 工 四川省机械研究设计院 成 都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士工程领域名称专业学位类别工程硕士软件工程提交论文日期 2014.3.20论文答辩日期2014.5.10学位授予单位和日期答辩委员会主席评阅人电子科技大学2014年 6月 25日注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 DESIGN OF FIELDBUS-BASED REMOTE GATEAUTOMATIC CONTROL SYSTEMA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor:Author:Advisor:School :Master of Engineering Zhou Xing Chen Liang School of Mechatronics Engineering of UESTC 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及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得电子科技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谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日 摘要摘要课题着重研究广域监控范围内河流大坝运行、安全状态的实时全方位信息集成监测和远程控制技术。利用远程终端单元、现场总线、数字视频、上位机监控软件等现代计算机网络通信技术实现流量控制，水位监测视频信息采集和信息存贮为一体的闸门远程控制系统，以达到提高水资源综合管理能力、实现闸门远程自动化控制的工程应用效果。对目前国内外水库大坝闸门自动化监测与控制系统的设计原则、功能定位、软硬件工作原理以及自动化系统框架结构进行探讨研究。遵循集散控制系统中的协调、优化分层集中控制思想以及管理级、过程控制级和现场控制级三层数据通信结构及其网络通信技术，给出了闸门远程控制系统的总体架构设计。详细分析了闸门远程自动化系统的功能要求，给出了相应的设计原则；从项目整体设计方案出发，着重阐述了控制系统的工作原理、架构以及组成单元，并给出了工业控制网络与传统网络之间的差异化对比分析，结合具体的工程案例，给出了基于 Smart Fusion嵌入式芯片的远程终端单元设计方案和工业以太网数据通讯协议的开发流程。给出了远程视频监控的数字化设计方案，建立视频监视系统，通过远程监视闸门现场闸前、闸后水面、流速等运行工况信息等，实现视频信息的识别、记录和回放功能。研究了远程信息集成监控系统的设计与技术实现。阐述了设计原则和功能模块，基于 VC+开发环境设计远程监控系统（上位机）软件模块化设计和开发流程。并结合实际工程项目，进行了相关的程序子模块设计与开发实践工作。关键词：灌区闸门，现场总线，数据采集与监控系统，分布式控制系统，远程终端单元I AbstractAbstractThe thesis focuses on the wide-area surveillance within the range of river damoperation, real-time integration of the full range of information technology securitymonitoring and remote control of the state. Using a remote terminal unit (RTU), fieldbus, digital video, PC monitoring software and other modern computer networkcommunication technology to achieve flow control, water level monitoring, videoinformation collection and information storage as one gate remote control system toachieve improved water resources comprehensive management capabilities and theeffect of gate remote automation engineering control.The design principle, function definition, working principle and hardware andsoftware automation system frame structure of the dam gate automation monitoring andcontrol system have been studied. According with the principle of coordinate andoptimize hierarchical centralized control in distributed control system and the principleof management-level thinking, process control and field control level three datacommunication structure and network communication technology, the overallarchitecture design of the gate remote control system have been provided.Detailed analyses of the gate remote automation system functional requirementsand the corresponding design principles have been provided. With the overall projectdesign, the working principle of the control system, the basic architecture andcomponent units were focused, and the difference between the industrial controlnetwork and traditional computer network comparative analysis is given, combined witha specific project, remote terminal unit design scheme based on Smart Fusion embeddedchip and industrial Ethernet data communication protocol development process isdesigned.Remote video surveillance digital design programs and video surveillance systemsare provided, Through the remote the water surface before and behind the gate, and alsothe monitoring of the flow velocity and other operation information, video capture ,recording and playback functions are achieved.The design and technology implementation of the information integrationtechnology for remote monitoring system have been studied. The design principles andfunctional modules, based on VC + + development environment designed to explain theII Abstractremote monitoring system (PC) software modular design and development process havebeen described. Combined with practical projects, the relevant sub-module programdesign and development of practical work have been carried out.Key words: Irrigation gate, Field-bus, Supervisory Control and Data Acquisition(SCADA), Distributed control system, Remote Terminal Unit (RTU)III 目录目录第一章绪论 . 11.1课题背景与选题意义. 11.2水库安全信息管理与闸门监控系统概述. 21.2.1自动化监控系统的必要性 . 21.2.2水库大坝安全监测自动化系统概述 . 21.2.3闸门监控系统概述 . 51.3现场总线技术发展及其在闸门监控中的应用概述. 71.3.1现场总线技术简介 . 71.3.2现场总线发展简述 . 71.3.3现场总线技术在闸门监控中的应用 . 81.4本文的主要研究内容. 8第二章闸门远程自动控制系统总体架构设计 . 102.1系统功能分析与设计原则. 102.1.1系统功能分析 . 102.1.2系统设计原则 . 112.2闸门自动控制系统体系架构. 122.2.1控制系统体系结构 . 122.2.2控制系统构成组件描述 . 132.3通讯网络设计分析. 152.4本章小结. 15第三章基于以太网的现场测控单元设计 . 163.1现场测控子系统工作原理. 163.2 RTU装置硬件设计 . 163.2.1底板电路模块 . 173.2.2核心板电路模块 . 213.3基于以太网传输协议的 RTU通信机制分析 . 263.3.1以太网简介 . 263.3.2以太网的工业应用解决机制 . 273.4 RTU数据采集系统软件设计 . 283.4.1数字滤波控制 . 283.4.2 EEPROM存储控制. 303.4.3外部 ADC模块控制. 313.4.4以太网模块控制 . 323.5本章小结. 34第四章闸门视频远程监控系统设计 . 354.1视频监控系统设计原则. 35IV 目录4.2视频监控系统拓扑结构图. 364.3视频监控系统功能模块. 374.3.1用户管理 . 374.3.2服务器管理 . 374.3.3设备管理 . 374.3.4视频浏览 . 384.3.5录像服务 . 384.3.6报警管理 . 384.4本章小结. 39第五章闸门远程监控软件设计与开发 . 405.1监控软件需求分析及设计原则. 405.2数据通信传输子系统设计. 405.2.1数据通信接口 . 415.2.2数据库的层次性组织 . 425.3状态监测与报警子系统设计. 435.3.1监测界面 . 435.3.2报警模块设计 . 435.4控制面板子系统设计. 455.5信息管理子系统设计. 455.6本章小结. 47第六章结论和展望 . 486.1本论文研究总结. 486.2前景展望. 48致谢 . 50参考文献 . 51V 第一章绪论第一章绪论1.1课题背景与选题意义我国是一个农业大国，农田分布广泛，农田灌概是农业生产的一个重要的部分，直接影响我国农村人口的生产生活及农业发展。同时，由于全球的气候条件的变化，近年来我国很多地方都遭遇过不同程度的旱情。面对着越来越恶劣的气候条件和严重不足的水资源，我国大部分地区的农业用水的利用率却大大低于欧美等发达国家，仅为百分之四十左右。因此，对水资源和农业用水的合理利用，成为了目前国内水利领域的一个难题。近年来，我国大力兴修水利，先后兴建了许多不同规模的水库与水电站。闸门调节是灌区工程中经常使用的操作手段，被广泛应用于水利、水电站建设，水利灌溉、江河湖泊防汛等工程中。传统的闸门控制方式比较落后，一般需要人员到现地操作设备，不能适时进行灌溉与防洪控制，对闸门控制的可靠性和安全性低。取水口的闸门、闸室、廊桥、控制系统均为上世纪九十年代技术，与周围环境不相配套，影响该区经济发展。一不安全，二没有工作效率。取水口与各地管理所距离较远，管理难度很大，与现代化控制与管理的要求相差太远。当前，我国许多灌区虽也已实现闸门的自动控制，并具能上传数据，但是，其信号采集的完整性、实时性、可扩展性以及远程控制的自动化等功能方面与国外发达国家的技术相比还有较大的差距。相比之下，由于采用了先进的工业控制系统，国外如美国的 SRP灌区自动化灌溉系统，可以同时采集多点咱们水位、流量等数据，并通过远程实时控制多座闸门系统的自动运行，一些小型灌区的闸门监控已完全实现无人化值守，极好地实现了对水资源的优化调度的目标。信息化技术的迅猛发展正深刻地影响着工业技术的发展水平，随着计算机数字控制技术、网络通讯技术的发展，工业自动控制系统己进入一个全新的工业控制网络化时代，以往封闭的孤立的控制系统逐渐被越来越标准化的通信协议及其软硬件系统所取代，甚至可以开放式的形式与互联网等公用网络相联。工业信息化技术的快速发展对于水利灌溉行业提升管理的信息化、自动化、智能化水平无疑会产生重要而深刻的影响。本课题旨在调研跟踪当前工控系统的发展现状的基础上，将先进的现场总线技术引入到灌区闸门自动控制系统的设计中，以期实现对灌区水资源的优化调配管理和远程自动化控制目标。1 电子科技大学硕士学位论文1.2水库安全信息管理与闸门监控系统概述1.2.1自动化监控系统的必要性我国已建成 8.5万多座水库，绝大多数处于运行状态。由于长期长役等原因，水库的安全问题存在着大量隐患。运行过程中溃坝、倒闸、决口等重大安全事故及渗漏、裂缝等程度不等的缺陷问题时有发生。先进的自动控制技术和信息管理手段加强大坝的安全监测与科学管理问题具有十分重要的意义1。其必要性主要体现如下：（1）坝区安全监测的项目和测量数量众多，测点布置分散且通常地理位置偏僻、周围环境恶劣。采用传统的人工巡检方式不仅需花费大量人力物力，且无法做到实时监测。自动化系统的引入减少了人为的重复性劳动，可实现“少人值守”甚至是“无人值守”目标。（2）自动监控系统能够准确的进行水库数据的测量和传输，并对数据进行程序化整编和归档管理，大大减少了人工归档操作带来的不确定性影响。（3）自动化监控系统能够实时地监控全区域范围的运行状态，尽早地发现事故的安全隐患，提升水库及坝区的综合管理水平。1.2.2水库大坝安全监测自动化系统概述国标 DL/T5211-2005大坝安全监测自动化技术规范中明确指出2，监测自动化系统设计应以工程安全监测为目的，遵循“实用、可靠、先进、经济”原则，自动化监测系统历经了集中式和分布式采集方式两个主要阶段。1.2.2.1集中式数据采集方式集中式数据采集系统只有一台测控及处理单元，和监测主机一起安放于远离测点现场的监控室内。传感器测点现场安装，由电缆将传感器信号接入到测控单元中4。集中式采集系统具有远程自动测量功能。它能对接入系统的传感器（通常与420mA的仪表模拟量接口相连）进行测量，也可采用其他方式进行远距离数据传输。集中式数据采集系统如图 1-1所示6。2 第一章绪论图 1-1集中式数据采集系统集中式方式具有系统布局简洁、直观明了、便于维护的特点，目前在一些中小型工程项目中依然广泛采用。但当系统监测点众多，且存在经常变更的情况下，采用集中式系统结构会存在以下问题：（1）系统布线成本高昂。每增加一路监测信号，均需要有相应的信号电缆敷设到集中测控单元；尤其当监控中心距离实际现场距离较远时，布线工程量和电缆成本费用均带来极大的不便利。（2）扩展不方便。监测变量需要新添加和变更时，需要进行电缆二次施工、以及相应的软件程序重新编制工作，开放性较差。1.2.2.2分布式数据采集方式分布式数据采集方式是在集中式数据采集方式的基础上发展起来的，并比集中式数据采集方式更加成熟的一种开放式采集方式，其最主要的特点是满足了系统具有较好的扩展能力和兼容性支持要求。采集系统整体框架如图 1-2所示。主要包括监测仪表、测量控制装置、通讯装置、中央控制装置（包括处理计算机硬件以及相应的信息采集、远程控制、信息管理等软件系统）。其中测量控制装置由集中式方式下的监测中心移到了工业现场处，当工业监测对象具有广域分散性和监测点数众多时，采用这一方式的优势是十分明显的。首先，布线工作主要集中在现场范围，无论从电缆成本还是布线工程量来讲都得到极大地简化。其次，输入 /输出扩展更为方便。只需将待扩展单元直接联接到公用通讯总线上即可。分布式采集系统的基本单元构成及功能描述简述如下。监测仪器是安装或埋设在工程现场基于各种原理的传感器，传感器型式包括振弦式、差阻式、电容式、电感式、压阻式、电位器式、步进马达式、 CCD、光纤传感器等，大坝安全监测指标主要通过各种自动监测仪表来具体体验。包括应力、渗压、水位、视频等多项监测量；测量控制装置主要负责上传采集仪表参数和下达中央处理单元发送的执行指3 电子科技大学硕士学位论文令功能。测量控制装置一般具；通讯装置起着联系就地测量控制装置和远程中央控制装置的中间纽带作用，主要采用各种通讯协议标准如 RS232/485、总线标准、GPRS等进行实时数据包的远程传输；中央控制装置是远程监控的核心处理单元，主要通过实时监控软件进行水库大坝的远程自动化监控操作，并由信息管理软件来实现数据查询、汇总管理以及优化调度等高级管理功能，并可通过专用 VPN通道或以太网向上级管理部门进行对外信息发布。图 1-2大坝安全自动化采集系统基本结构水库大坝监测自动化与管理信息化的发展可追溯到上世纪 80年代初。上世纪80年代，意大利最早使用了大坝安全信息管理软件 MIDAS；法国电力公司建立了自动化灌溉系统并投入运行；我国学者吴中如院士在本世纪初提出了应用现代测控技术和建立大坝安全综合评价专家系统的概念；以中国水利水电科学研究院自动化研究所、南京自动化研究所为代表的各大科研院所相继开发出相应的大型水库调度监测系统和实用化产品，如 SD2800，WDS9002水调自动化系统，在三峡水库等大型大坝监测项目中取得了较好的工程应用效果。大坝安全自动化采集系统基本结构图 1-3所示。4 第一章绪论图 1-3大坝安全自动化采集系统基本结构水库大坝安全信息管理系统以信息采集采集与控制系统为其硬件支撑，侧重于对信息流的服务共享与功能应用层的软件功能实现。其基础构成单元按信息流的利用情况可大致划分为信息基础设施层、资源共享层以及应用系统层三层。信息基础层主要负责与被监测对象进行数据交换，是后续信息处理的来源所在；资源共享层主要以数据库构建为中心；提供数据交换平台和应用支撑平台；应用系统层则在远程监控中心或调度中心处对可调用的监测数据进行分析，从中寻找差异数据，并对其进行分析，具体包括安全性分析、远程调度、洪水预报、供水管理、水质情况等信息服务功能。1.2.3闸门监控系统概述闸门监控技术的发展经历了一个由传统的手动方式到远程遥控和自动方式的自动化进程。现代闸门监控系统通过传感器技术、自动化控制技术、通讯及计算机技术，实现信息的自动采集、传输和控制功能，其发展水平与当前工控领域通讯的发展密切相关。闸门监控系统基本结构如图 1-4所示：5 电子科技大学硕士学位论文图 1-4闸门监控系统基本结构监控系统的基本构成包括现场测控单元和远程监控单元两部分。现场测控单元（下位机）位于监测对象闸门所在现场，一般保留现场手动操作箱，以防备远程计算机监控系统发生崩溃时，能够继续采用原有的手动控制方式维持系统正常运行。现场测控单元通过通讯连接与远端监控计算机（上位机）相联，形成上、下位机的垂直远程控制。为了更为准确地对闸门状态进行远程监控，当前闸门监控系统中越来越多地引入了实时视频监视系统，通过动态图像界面，辅助操作人员更直观地了解现场闸门的工况状态信息。实时视频监视系统通常由摄像机、控制器、显示器、视频服务器等组成8，系统构成如图 1-5所示。现场闸门功能控制远程监视左前摄像头视频线光端机Tx1光端机Rx1右前摄像头后部摄像头视频线视频线光纤光端机Tx2光端机Tx3光端机Rx2光端机Rx3硬盘录像机显示器图 1-5闸门视频监控系统基本结构6 第一章绪论1.3现场总线技术发展及其在闸门监控中的应用概述1.3.1现场总线技术简介现场总线技术产生于 80年代末。随后在过程自动化，制造自动化，互联通信网络的智能设备等领域得到了快速发展。它以数字网络为基础，并结合控制和计算机等技术，形成了开放的，全新的现场总线控制系统，已经受到了全世界的关注并得到广泛的运用。技术的运用导致自动化系统和设备发生了巨大的变化。许多国际大企业都不同程度地采用了现场总线技术。现场总线技术是一个协议简单，容错性，安全性，成本低、高实时性的工业技术，而且能够满足稳定网络负载，短帧传输，频繁的信息交换等特点，因此，现场总线系统可看作是一种应用于工业领域的高速数据通信网络2。通常控制系统发展经历了如下过程：把气动信号控制系统称为第一代；把模拟信号的电控系统称为第二代；把计算机集中控制系统称为第三代；把分布式控制系统称为第四代控制系统3；把现场总线控制系统作为新一代控制系统。一方面，现场总线控制系统基于标准的开放通信协议，突破了 DCS系统采用专用的通信网络的局限性，另一方面，FCS为分布式体系结构，完全根据控制功能集成到现场，开放性，数字化和分布式是总线系统中最突出的特点4。1.3.2现场总线发展简述现场总线技术为了适应不同工业应用行业的需求，正朝着并行化和通用化的方向发展。各个国家首先试图建立自己的国家总线标准。如德国的 PROFIBUS和CAN总线，丹麦的 P-NET总线，美国的 FF总线。这期间，不同的总线支持商都坚持认为自己的总线是最优越的，很难形成统一的总线标准。国际电工委员会 IEC曾试图协调总线不统一的矛盾，在 2008年先后发布了新的 IEC 61158和 61174标准。4基于 TCP/IP和 UDP协议的以太网已经在家用和办公信息化领域获得绝对性的标准地位，但在工业控制网络领域的应用正处于曲折进行时。基于以太协议的改进总线在高速数据采集方面已取得成功的应用5。基于以太网的现场总线协议目前主要有 Ethernet Power Link、Ether CAT、TCNet6-9。总体而言，总线技术的标准化问题目前仍无法得以解决，百花齐放的局面在总线技术的应用领域很长时间内仍然存在。用户可以根据自己的需要来选定合适的开放的总线协议和总线类型。7 电子科技大学硕士学位论文1.3.3现场总线技术在闸门监控中的应用目前现场总线数字量通讯方式在闸门监控中已取得了广泛的应用，日渐代替了传统的 420mA模拟量信号传递的通讯方式10-32。较为实用的一种监控系统结构如图 1-6所示。位于工业现场的传感器和现场测控单元均挂在现场总线上，与监测主机相联进行数据通信。远程的服务器计算机监控系统网络可选择光纤以太网进行通信联接。图 1-6带有现场总线的闸门监控系统基本结构这种结构中，控制层的数据采集为总线通信，具有扩展性好、布线容易的特点。各个设备不仅可以通过总线向远程监控中心传递信息，也可以通过总线进行相互间的信息交换，因此，总线通讯将各个仪表和现场设备变成了智能电子终端（Intelligent electric Terminer），不再是传统的被动发送和被动接收的主、从关系，而变成了可随意互联的智能节点（ Agent），便于用户根据实际需要进行扩展。采用现场总线的闸门监控系统主要优势集中体现在：（1）节约了硬件成本。现场总线系统中的前端设备能完成数据采集及处理，降低了大量硬件开销。（2）节约了装配费用。现场总线安装简单，一条总线上一般可接很多设备，因而减少了大梁的安装费用。与传统的 420mA模拟信号连接安装方式相比，可节约安装费用 50%以上。（3）提高了系统可靠性，由于系统的结构简单，减少了信号间的中继环节，提高了系统的可靠性。1.4本文的主要研究内容目前，基于现场总线的工业信息化技术在闸门自动控制系统等水利工程项目中得到越来越广泛的应用。然而在实用化阶段，各个总线标准并未获得统一，竞争8 第一章绪论与冲突依然存在，工业总线技术有待进一步地发展和验证。随着工业以太网的热潮兴起，也有人预言未来数年现场总线方式会消失，工业以太网将作为最终的统一形式。这一百花齐放的现状在给用户选择性自由的同时也给用户带来诸多困惑。本课题结合正在进行的工程实践“绵阳市游仙区惠泽堰水资源监控项目”，对当前工业控制系统的一系列组成要素进行深入调研，研究设计较为完整的闸门自动控制系统解决方案和原型系统。具体研究内容主要有以下几点：（1）水库安全信息管理及闸门监控系统概述（第一章）；对课题背景和选题意义进行了阐述；分析了水库自动化监控系统的必要性；分别对大坝案例监测自动化系统和闸门监控系统进行了概述。（2）闸门远程自动控制系统总体架构（第二章）；分析了闸门远程自动化系统的功能要求，给出了相应的设计原则；从项目整体设计方案出发，阐述了控制系统的工作原理、基本体系架构以及组成单元，并对控制系统各个层次子系统之间的通讯连接关系和设计方法进行了深入解析。（3）基于现场总线的设备级监控子系统设计（第三章）；基于 Smart Fusion嵌入式芯片，阐述了 RTU装置的硬件电路及其各个模块电路，并设计了相应的软件开发流程。着重分析了基于轻型 TCP/IP协议栈LWIP协议栈的工业以太网通信机制，解决了 RTU的工业以太网通信调试问题。（4）闸门视频远程监控系统设计（第四章）；为了解决闸门自动化控制系统的“遥视”实现功能，分析了视频监控系统的设计原则、系统结构、组成单元，设计组建了闸门视频信息的智能网络化视频监控平台。（5）远程监控软件系统设计（第五章）；采用 VC+编程开发工具，阐述了闸门远程监控软件的设计与实践工作。分析了监控软件的主要功能和设计原则；基于模块化设计思想，设计了数据通信传输子系统、状态监测与报警子系统、信息管理子系统等功能模块，实现了上位机的远程监控人机界面开发工作。（6）研究工作总结及技术展望（第六章）总结全文，通过以上内容的设计分析工作，旨在得出安全、高效、稳定、可靠的闸门远程监控自动化系统解决方案，为相关的工程实践提供参考理论和技术依据。9 电子科技大学硕士学位论文第二章闸门远程自动控制系统总体架构设计闸门远程自动控制系统主要是应用传感器技术、自动控制技术、通讯网络及计算机技术，实现闸门实时信息自动