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基于ControlNet现场总线的氢氧化镁生产控制系统的设计与研究.pdf

基于ControlNet现场总线的氢氧化镁生产控制系统的设计与…

上传者: 信控科技 2012-01-15 评分1 评论0 下载637 收藏10 阅读量1342 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于ControlNet现场总线的氢氧化镁生产控制系统的设计与研究pdf》,可适用于IT书籍领域,主题内容包含分类号密级UDC学位论文基于ControlNet现场总线的氢氧化镁生产控制系统的设计与研究作者姓名:安翠娟指导教师:汪晋宽教授东北大学信息科学与工程符等。

分类号 密 级 U D C 学 位 论 文 基于 ControlNet 现场总线的 氢氧化镁生产控制系统的设计与研究 作 者 姓 名 : 安翠娟 指 导 教 师 : 汪晋宽 教授 东北大学信息科学与工程学院 申请学位级别: 硕 士 学 科 类 别 :工 学 学科专业名称: 控制理论与控制工程 论文提交日期: 2006 年 12 月 20 日 论文答辩日期:2007 年 01 月 15 日 学位授予日期: 答辩委员会主席: 评 阅 人 : 东 北 大 学 2007 年 01 月 www.plcworld.cn A Thesis for the Degree of Master in Control Theory and Engineering The Design and Research of Mg(OH)2 Producting Control system Based on ControlNet Fieldbus by An Cuijuan Supervisor : Professor Wang Jinkuan Northeastern University January 2007 www.plcworld.cn -I- 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名 : 签 字 日 期 : 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定:即学校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。本人同意东北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、交流。 (如作者和导师同意网上交流,请在下方签名:否则视为不同意) 学位论文作者签名 : 导 师 签 名 : 签 字 日 期 : 签 字 日 期 : www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 摘 要 -II- 基于 ControlNet 现场总线的氢氧化镁生产控制系统的设计与研究 摘 要 随着现场总线技术的出现与成熟,控制系统逐渐从传统控制系统(基于 PC、PLC、 DCS 的分布式控制系统)向现场总线控制系统(FCS)过渡,现在 FCS 已开始被广泛地应用 于化工、冶金等工业领域。本文以青海盐湖某公司氢氧化镁生产过程控制系统作为研究 对象,按照工艺对控制系统的要求,设计了一套基于 ControlNet 现场总线的控制系统。 本文主要工作是:对现场总线以及现场总线控制系统进行了系统的分析,着重对 ControlNet 现场总线发展及其技术特点进行了研究;针对工艺对控制系统要求,结合 ControlNet 的优点,设计了基于 ControlNet 现场总线的控制系统,并详细介绍了系统的 软、硬件配置,系统供电设计及防爆设计,并对设计的控制系统进行了可行性和可靠性 分析;利用 RSView32 组态软件设计和编制了上位机监控系统,实现了对整个生产工艺 的远程监控;设计了下位机控制程序,重点对电机和模拟量控制程序进行了设计,且在 模拟量控制策略中,针对常规 PID 控制器在参数整定中“非自适应性”的缺欠,设计了 模糊自适应 PID 控制器,并通过实例在 Matlab 中对所设计的模糊自适应 PID 控制器系 统进行了仿真,对仿真结果进行了分析;最后结合项目实际情况总结了系统的调试步骤 并对控制系统进行了性能评价。 运行证明,系统能够完成对现场的监控和报警,并提供了实时趋势分析,具有可靠 性高、稳定性好、控制精确、升级能力强、本安防爆、人机界面友好、开放性好、可扩 展性强等特点,满足了生产现场的要求,在化工生产的自动控制领域具有一定的推广价 值,是现场总线控制系统成功应用于过程控制领域的一典型案例。 关键词:现场总线控制系统;ControlNet;控制系统设计;监控界面;PID 控制 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 Abstract -III- The Research and Design of Mg(OH)2 Producting Control system Based on ControlNet Fieldbus Abstract With the emergence and maturity of fieldbus technology, the control system has been transformed from a traditional control system (Distributed Control System based on PC, PLC, DCS) to fieldbus control system (FCS). FCS has begun to be widely applied to the chemical industry, metallurgy and other industrial fields. Based on the background of the Qinghai Salt Lake Magnesium craftwork, and according to the requirement of the control system, this thesis design a suit of control system based on ControlNet Fieldbus. Firstly carried on the recapitulative introduction to the fieldbus as well as the fieldbus control system, and emphatically carried on the analysis to the ControlNet fieldbus development and the technical characteristic. According to the requirement of craft to the control system, combining the strongpoints of the ControlNet, the second chapter designed the control system based on the ControlNet fieldbus, and introduced the software and hardware scheme of the system, power supply designs of the system and guards against explosions in detail, and carried on feasible and dependability analysis to the control system. Simultaneously in order to realize the long-distance monitoring of the entire production craft, The third chapter using the RSView32 configuration software designed and drawn up the supervisory system, and designed the control procedure in the fourth chapter, emphatically carried on the design to the motor and the analog control procedure, and in the strategy of the analog, in view of the parameters of the conventional PID controller has the “non-auto-adapted” shortcoming, so this thesis designed the fuzzy auto-adapted PID controller, and through the example carried on simulation in Matlab to the fuzzy auto-adapted PID controller system designed, and had analysis on the simulation result. Finally combining the project actual situation summarized the system debugging step and gave out the performance evaluation to the control system. Proved by system running, the control system has finished the supervisory and alarm to the field,and provided the real-time trend analysis,and have the characteristics of high reliability, good stability, control accurately,strong upgrade, Ex i Explosion-against, friendly man-machine interface, good openness, the strong extendibility and so on.satisfied the requirement of the production, and have certain value in the chemical production automatic www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 Abstract -IV- control domain,and it is a typical example that the field bus control system applied in the process control domain. Keywords:Fieldbus control system;ControlNet;the design of the control system;RSView32; PID control www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 目 录 -V- 目 录 独创性声明 .................................................................................................................................I 摘 要 ....................................................................................................................................... II ABSTRACT............................................................................................................................. III 第一章 绪 论 ............................................................................................................................ 1 1.1 概述 ..................................................................................................................................... 1 1.2 ControlNet 现场总线 ........................................................................................................... 2 1.2.1 ControlNet 发展 ........................................................................................................ 2 1.2.2 ControlNet 技术特点 ................................................................................................ 2 1.3 几种常见现场总线比较 ..................................................................................................... 4 1.4 现场总线控制系统 ............................................................................................................. 5 1.5 课题背景及意义 ................................................................................................................. 5 1.6 论文的主要工作 ................................................................................................................. 7 第二章 CONTROLNET 现场总线控制系统设计 .................................................................. 9 2.1 工艺流程及控制要求 ......................................................................................................... 9 2.1.1 工艺流程 .................................................................................................................. 9 2.1.2 工艺对控制系统要求 .............................................................................................. 9 2.2 控制系统设计步骤 ........................................................................................................... 11 2.3 控制系统总体结构 ........................................................................................................... 12 2.3.1 网络结构 ................................................................................................................ 13 2.3.2 监控系统配置 ........................................................................................................ 15 2.3.3 ControlLogix 控制平台配置 .................................................................................. 17 2.3.4 MCC 控制中心配置 ............................................................................................... 18 2.4 供电设计 ........................................................................................................................... 20 2.5 防爆设计 ........................................................................................................................... 21 2.5.1 现场总线本安防爆结构 ........................................................................................ 21 2.5.2 防爆原理 ................................................................................................................ 21 2.5.3 系统的本安防爆设计 ............................................................................................ 22 2.6 控制系统可行性与可靠性分析 ....................................................................................... 24 2.6.1 系统可行性分析 .................................................................................................... 24 2.6.2 系统可靠性分析 .................................................................................................... 24 第三章 监控系统的设计 ........................................................................................................ 26 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 目 录 -VI- 3.1 监控系统的功能 ............................................................................................................... 26 3.2 监控系统通讯结构 ........................................................................................................... 27 3.3 RSView32 监控系统设计步骤.......................................................................................... 28 3.3.1 RSView32 节点组态............................................................................................... 28 3.3.2 标签数据库的组态 ................................................................................................ 29 3.4 监控界面的设计 ............................................................................................................... 30 3.4.1 工艺对监控画面的要求 ........................................................................................ 30 3.4.2 主监控界面 ............................................................................................................ 31 3.4.3 电机监控界面 ........................................................................................................ 33 3.4.4 趋势显示界面 ........................................................................................................ 34 3.4.5 报警管理界面 ........................................................................................................ 35 3.5 监控系统应用效果 ........................................................................................................... 35 第四章 系统软件设计 ............................................................................................................ 37 4.1 软件设计流程 ................................................................................................................... 37 4.2 硬件组态 ........................................................................................................................... 37 4.2.1 控制器组态 ............................................................................................................ 38 4.2.2 控制器的配置组态 ................................................................................................ 38 4.2.3 控制程序编写 ........................................................................................................ 39 4.3 电机控制程序设计 ........................................................................................................... 40 4.3.1 电机控制程序实现目标 ........................................................................................ 40 4.3.2 控制逻辑分析 ........................................................................................................ 41 4.3.3 电机控制程序 ........................................................................................................ 41 4.4 模拟量控制程序设计 ....................................................................................................... 41 4.4.1 模拟量控制要求 .................................................................................................... 42 4.4.2 PID 闭环控制 ......................................................................................................... 42 4.4.3 模糊自适应 PID 控制 ........................................................................................... 47 第五章 控制系统调试 ............................................................................................................ 53 5.1 设计与调试中注意的问题 ............................................................................................... 53 5.2 调试步骤 ........................................................................................................................... 54 5.2.1 网络调试 ................................................................................................................ 54 5.2.2 现场 I/O 点接线调试............................................................................................. 56 5.2.3 单台设备离线调试 ................................................................................................ 57 5.2.4 单台设备的联机调试 ............................................................................................ 57 5.2.5 全线无负荷联动调试 ............................................................................................ 57 5.2.6 全线带负荷联动调试 ............................................................................................ 57 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 目 录 -VII- 5.3 调试中出现的问题 ........................................................................................................... 58 第六章 结论与展望 ................................................................................................................ 59 6.1 控制系统评价 ................................................................................................................... 59 6.2 结论 ................................................................................................................................... 60 6.3 展望 ................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 63 附录 1....................................................................................................................................... 65 附录 2....................................................................................................................................... 67 致 谢 ...................................................................................................................................... 71 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 -1- 第一章 绪 论 1.1 概述 现场总线是用于过程控制现场设备仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向 的多站数字通信系统[1]。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展,以全数字 式现场总线为代表的互联规范,正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制系统 结构简单,系统安装费用减少并且易于维护;用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的 现场设备达到最佳的系统集成等一系列优点,现场总线发展的种类很多,约有 40 余种: 如德国西门子公司 Siemens 的 Profibus,法国的 FIP,英国的 ERA,挪威的 FINT,Echelon 公司的 Lonworks,RoberBosch 公司的 CAN,Rosemounr 公司的 HART,丹麦 ProcessData 公司的 P-net,以及 ASI,MODBus,SDS,Arcnet,国际标准组织-基金会现场总线 FF: FieldBusFoundation,WorldFIP,BitBus,美国的 DeviceNet 与 ControlNet 等。 现场总线技术将专业微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自都具有了数字 计算和数字通信能力,成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点[2]。它们分别通 过普通双绞线等多种途径进行信息传输联络,把多个测量控制仪表、计算机等作为节点 连接成的网络系统,把公开、规范的通信协议,在位于生产控制现场的多个微机化自控 设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间,实现数据传输与信息共 享,形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线的应用有如下特点: (1) 一对多结构:一对传输线,N台仪表,双向传输多个信号。这种一对N结构使得 接线简单,工程周期短,安装费用低,维护容易。 (2) 可靠性高:数字信号传输抗干扰强,精度高,无须采用抗干扰和提高精度的措施, 从而降低了成本。 (3) 可控状态:操作员在控制室可以了解现场设备仪表工作状况,也能对其进行参数 调整,还可以预测或寻找故障。提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 (4) 互换性:用户可以选择不同制造商提供现场设备或仪表,将不同品牌的仪表互 联。如果某台仪表出故障,可以用其它品牌的同类仪表工作,实现了“即接即用”。 (5) 互操作性:用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起,统一组态,构成其 所需要的控制回路,节省了投资。 (6) 综合功能:现场仪表既有检测、变换和补偿功能,又有控制和运算功能,实现了 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 -2- 一表多用,不仅方便了用户,而且降低了成本。 (7) 分散控制:控制站的功能分散在现场仪表中,通过现场仪表就可构成控制回路, 实现了彻底的分散控制,提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 (8) 开放式系统:现场总线为开放式互联网络,所有技术和标准全式公开的,所有 制造商都必须遵循。这样,用户可以自由集成不同制造商的通信网络,既可与同层网络 互联,也可与不同网络互联,还可极其方便地共享网络数据库。 现场总线导致了传统控制系统结构的变革,形成了新型的网络集成式全分布控制系 统――现场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System)[3]。这是继基地式气动仪表控制 系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统 DCS 后的新一代控制系统。 1.2 ControlNet 现场总线 1.2.1 ControlNet 发展 ControlNet 技术是由美国 Rockwell Automation 公司自动化技术研究发展起来的[4]。 1995 年 10 月开始面世,1997 年 7 月由 Rockwell 等 22 家企业发起成立 ControlNet 国际 化组织(CI),ControlNet International 组织是一个为广大用户和供货厂商服务的非盈利性 独立组织,主要负责在全世界范围内推广并发展 ControlNet 技术,提供测试软件及独立 的合格性测试,出版发行 ControlNet 技术说明和产品目录以及组织 ControlNet 培训等工 作。同时 ControlNet International 组织还为供货商组织了一个特别兴趣小组 SIGs(Special Interest Groups),来统一和规范各厂商的产品,以实现各种产品的标准化。随着系统网 络技术的不断进步,ControlNet International 组织也取得了很大的发展,到目前成员公司 己扩展到 50 多个,其中不乏世界知名的大公司,如 ABB、Honeywell、Yokogawa、Toshiba、 Omron 等。根据美国 VDC 公司所作的分析,1998 年世界现场总线技术的市场占有率为: 西门子 Profibus 和 ASI 占 22%,Rockwell ControlNet/DeviceNet 占 20%,以太网占 8%, 基金会现场总线 FF 占 2%,其他占 48%。可见,ControlNet/DeviceNet 现场总线技术将 成为未来发展应用最广的现场总线技术之一。 1.2.2 ControlNet 技术特点 1.2.2.1 通讯模式 目前,工业自动化控制网络采用的网络模型主要有两种:源 /目的地模型 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 -3- (Source/Destination)和生产者/消费者(Producer/Consumer)模型。源/目的地网络模型采用 应/答式通讯,如果网络要向多个设备传送数据,则需要对这些设备分别进行“呼”“应” 通信,即使是同一个数据,也需要制造多个数据包,消耗过多的带宽,并且数据到达每 个设备的时间还是不同的。这样,不仅增大了网络的通信量,网络响应速度受到限制, 容易发生信息瓶颈问题,而且当系统对时间有苛求的实时控制信息要求传送时,还需要 采用其它不同的网络。 而 ControlNet 则采用了一种基于开放网络技术的新型通讯模式――生产者/消费者 模式[5]。此模式允许在同一链路上有多个主控制器共存,对输入数据和对等通信数据采 用多信道广播方式,将传统网络的针对不同站点多次发送改为一次多点共享,以使链路 上所有控制器之间实现预定的对等通信互锁,共享输入数据,从而大大减少了网络发送 的次数和网络上的交通量,提高了网络效率和网络性能;同时允许网络上的所有节点同 时从单个数据源存取相同的数据,报文通过标识符来识别:如果一个节点要接收一个数 据,仅仅需识别与此信息相连的特定的标识符,每个数据包不再需要源地址和目标地址 位。因为数据是按内容进行标识的,数据源只需将数据发送一次。许多需用此数据的节 点通过在网上同时识别这个标识行,可同时从同一生产者取用此同一数据消费,从而实 现网络节点的精确同步,提高带宽的有效使用率;其他的设备加入网络后并不增加网络 负载,因为它们同样可以消费这些相同的信息,并且所有数据可以同时到达。该模式既 可以支持系统的主从、多主或对等通信结构,也可以支持其任意组合的混合系统结构, 还可在同一链路上传送任意信息类型相混合的数据。显然,与典型的源/目的地模式相比, 生产者/消费者模型是一种更为灵活高效的处理机制。可以说,基于此模式的 ControlNet 是当今世界市场上各种工业控制底层现场总线网络中性能较为可靠的网络。 1.2.2.2 仲裁方式 众所周知,以太网采用“碰撞检测载波侦听多路访问”(CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)仲裁机制[6],这一般不具有工业控制所要求的可 靠性、确定性。因此为适应工业控制需求,ControlNet 采用了一个特殊的令牌传递机制 -隐性令牌传递(Implicit Token Passing)[7]。网络上每个节点分配一个唯一的 MAC 地址 (从 1 到 99),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,每个节点设置一个隐性令牌寄存器(Implicit Token Register),其值为收 到的源 MAC 地址加 1。如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点自己的 MAC 地址, www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 -4- 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 (Null Frame)。 ControlNet 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――并存 时间域多路存取(Concurrent Time Domain Multiple Access,CTDMA)来控制的[8]。根据实 时数据的特性,一些带宽预先保留和预定用来支持实时数据的传送,余下的带宽则用于 非实时和未预定数据的传送。因此,它在保证对时间有苛求的控制信息传输的同时,也 能在同一物理介质链路上传送其它无时间苛求的信息。在每一个网络刷新时间(Network Update Time,NUT)内自动调节网络上各节点拿到隐性令牌传送信息的机会。ControlNet 的技术规范规定可组态的 NUT 时间为 0.5ms-100ms(目前市场上可提供的有关产品的 最小可组态的 NUT 为 2ms)。网络刷新时间(NUT)分为三个部分:预定信息传送时间、 非预定信息传送时间和维护时间。 1.3 几种常见现场总线比较 表 1.1 给出了 ControlNet 现场总线技术和其他总线技术的主要性能比较[9]。 表 1.1几种总线技术的性能比较 Table 1.1 Performance compare between several Bus technology 性能指标 ControlNet CAN Profibus FF 研制公司 罗克韦尔-AB Bosch 西门子 FF 基金会 拓扑结构 星型、树型、总线型 总线型、树型 总线型、树型 总线型、树型 最大通信速率 5Mb/s 1.0 Mb/s 12 Mb/s 2.5 Mb/s 最多节点 99 个 110 个 127 个 156 个 最大无中 继距离 同轴:5Km 光纤:30Km 10Km 电缆:2.4Km 光纤:23.8Km 19Km 最大帧长 510Kb 244Kb 仲裁方法 时间片多路存取(CTDMA) 生产者\消费者 非破坏性总线仲裁 令牌传送 调度\周期 非调度\非周期 生产者\消费者 通信方式 主\从、多主、对等 多主 主\从、对等 服务器\客户机 网络效率 高 高 不高 高 相比可知 ControlNet 网络具有吞吐量较高、体系结构灵活、组态和编程简单、信息 交换可靠等特点,是一种适合各种工业、企业和建筑智能化网络信息传输与控制的先进 实时控制网络和控制系统。 www.plcworld.cn 东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 -5- 1.4 现场总线控制系统 现场总线控制系统是利用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络,将现场各控 制器及仪表设备互连,构成控制系统,同时控制功能彻底下放到现场,降低安装成本和 费用[10]。因此现场总线控制系统实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分 布式控制技术,已成为 21 世纪现代控制技术发展的主流。 现场总线控制系统既是工业设备自动化控制的一种开放的计算机局域通信网络,又 是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带,将挂接在总线上,作为网络节点 的智能设备而连接成为网络系统,并进一步构成自动化系统。它依靠检测、控制的功能, 使具有通信能力的数字化智能设备在现场实现彻底分散控制。现场总线控制系统属于最 底层的网络系统,是网络集成式全分布控制系统,它将原来集散性的 DCS 系统现场的 功能全部分散到各个网络节点处,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、 监控、优化及管理、控制一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计 算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 现场总线控制系统将原来的封闭、专用的系统变成了开放、标准的系统,使不同的 制造商的产品可以互连,大大简化系统的结构,降低了成本,更好地满足了实时性要求, 提高了系统运行的可靠性。 现场总线控制系统(FCS)由于采用数字信号代替模拟信号,因此 FCS 可实现一对电 缆上传输多个信号,包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息、同时又为多个设 备提供电源。现场设备以外不再需要 A/D、D/A 转换部件,这样就为简化系统结构,为 节约硬件设备,节约连接电缆与各种安

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