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基于控制网络技术的纸业生产过程监控系统.pdf

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独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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,不包含本人或其他用途使用过的成果。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。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。论文作者签字骷、榴扬炙指导教师签字鱼别易 纠年r月叼El/ /第一章绪论1.1.课题背景第一章 绪论随着计算机、通信、网络、控制等技术的发展,企业的信息集成系统正在迅速壮大,将覆盖从生产现场到企业计划、决策的各个层次以及从原材料采购、生产加工到成品销售的各个环节,以适应企业管理控制一体化的应用要求。企业信息系统的发展对工业数据的开放性、对底层控制网络的功能以及性能都提出了更高要求。顺应这种要求,计算机技术、控制技术、网络与信息技术相互结合,逐步形成了以网络集成自动化为基础的综合控制网络技术。并且在这些技术的共同推动下,控制网络技术也得到了飞速发展首先,以现场总线作为基础层的控制网络,在现场总线的体系结构与参考模型、设备的数字化与智能化、应用软件的开发平台与工具等各方面都取得了非常大的发展同时还在OSI体系结构、控制网络的组网技术、实时网络操作系统、可靠性技术等方面都进行了深入研究,特别是以太控制网络的研究,更是极大地推动了控制网络技术的应用层次和应用深度,实现了远程监控以及现场监控与管理的一体化。此外,控制网络与信息网络的集成技术已经成为控制网络技术领域的一个研究热点,各种控制网络与信息网络的集成技术越来越成熟,网络集成的产品化程度也越来越高,使得综合网络系统在现代化企业中的作用愈加重要。伴随着控制网络技术的发展,一些相关新技术也在不断的涌现,例如嵌入式技术中,嵌入式控制器不但可以即插即用,而且能与已有的控制网络一起协调工作,这一努力让嵌入式技术不断朝着控制网络开放性方向发展其他的一些耳熟能详的技术,像OPCOLE for Process Contr01技术、集成软件套件技术、WEB技术等等,都已经逐渐融合到控制网络技术之中,这些融合与发展都大大地促进了控制网络技术[2】。可以说,作为一系列技术综合产物的分布式控制网络技术,提供了一种全新的控制网络结构,不但有效地解决了基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集成问题,还为企业实施ERPEnterpfise Resource Planning管理提供了良好的必要条件。在企业生产的实际工作中,由于设备投入时间不尽相同,存在不同控制要求的现场控制设备,而这些设备大多一地域为中心,控制系统也相对独立,可以说是“各自为战”【3】。这种控制系统模式结构不但降低了信息的有效利用率增高了生产成本,而且阻碍了企业管理者对生产状况的及时了解,使得现代化企业管理模式如ERP管理的实现成为一句空谈。因此,研制开发基于控制网络的生产管理系统,对生产单元的关键状态和成品的生产状况进行及时跟踪监视,同时将基础自动化控制网络与过程和管理控制系统紧密结合起来,为企业资源规划层提供可靠的决策依据,具有很大的实际意义和明显的经济效益。广东工业大学工学硕士学位论文1.2.控制网络概述控制网络般是指以控制“事物对象”为特征的计算机网络系统,它主要面向企业或者某个系统的底层【4]。控制网络可以将多个分散在生产现场,具有数字通信能力的测量控制仪表和设备作为网络节点,采用公开、规范的通信协议,以网络作为通信的纽带,把现场控制设备联接成可以相互沟通信息,共同完成自控任务的网络系统与控制系统。控制网络从结构上一般可以分为面向设备的现场总线控制网络和面向自动化的主干控制网络。在主干网络中,现场总线可以看作是主干网络的一个接入节点。1.2.1.对控制网络的要求控制网络作为网络控制系统,首先要能够将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室,在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时.又可以将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中,起着现场级控制设备之间数据联系与沟通的作用。这就对控制网络的开放性、互操作性、通信的实时性、对环境的适应性等方面的问题提出了要求。控制网络的通信系统应是具有开放性的通信系统。它的通信协议公开,不同厂商的设备可以相互连接构成系统,同时其相关标准也具有~致性和公开性,厂商能够也愿意接受它。作为开放系统的控制网络,还应该可以与世界上任何地方的遵守相同标准的其他设备或系统连接。只有这样,用户才可以真正按照自己的意愿,把来自不同供应商的产品组成所需系统。控制网络中的控制设备应具有互操作性和互用性。“互操作性”是指互联设备间的信息传送与沟通“互用性”是指不同生产厂家按照相同协议生产的类似产品或设备可以进行相互替换。控制网络作为一种现场控制系统一定要很好地完成现场的测量监控任务。而在控制中,有许多测控任务是有严格时序和实时性要求的,若达不到实时性要求或因为同步等问题影响了网络节点间的动作时序,则会造成灾难性的后果。这就要求控制网络具备较高的实时通信能力。它应该提供时间发布与时间管理功能,可以有效提高通信有效性。控制网络所处的工作环境就总体而言是多样的、恶劣的,所以控制网络还应该有很强的环境适应能力。它应该能够适应工业现场的各种环境,比如能抗热耐寒、抗振动、抗电磁干扰等,在极度危险的环境中可以保证本质安全等等。另外,由于现代企业对管控一体化系统的迫切需求,控制网络还应该可以跟随互联网技术的发展,很好的融入其中,为达到这一目的提供良好的必要条件1.2.2.几种主要的控制网络技术及筒析1、网络拓扑结构就控制网络的网络拓扑结构而言,常见的拓扑结构如图1.1所示,有环形、星形、总线形和树形几种。2第一章绪论一\ // \D环形 星形总线形 树形图l-1控制网络中常见的拓扑结构Fig 1-1 the familiar topology configuration in the control net环形拓扑结构中,通过网路节点的点对点链路连接,构成一个封闭环路。构成环形拓扑网络所需的连接设备简单,网络吞吐量大,节点的变更方便。但信号只能单向传输,而且一旦有节点无法工作将影响到整个网络。星形拓扑结构中,每个节点通过点对点连接到中央节点,任何两个节点之间通信都通过中央节点进行。星形拓扑便于实现数据通信量的综合处理。每个终端节点只承担较小的通信处理量,一条线路受损,不会对其他节点的状态产生影响。但中央节点必须建立和维持许多并行数据通信,其结构非常复杂。总线形拓扑结构中,由一条主干电缆作为传输介质,各网络节点通过分支与总线相连.这种拓扑结构易于实现,实现成本低,任何一个终端节点受损,不会影响其他节点的正常工作。但随着信号在网段上传输距离的增加,信号会逐渐变弱,而且总线上分支所引起的信号反射,也将降低信号的传输质量。树形拓扑结构可以看作是星形拓扑结构的扩展,是适应性很强的一种拓扑,但其结构也相对很复杂。实际应用中,往往会将几个不同拓扑结构的子网结合在一起使用,形成一种混合拓扑结构的综合网络,2、网络传输介质的访问形式在前面所述的网络拓扑结构中,有几种结构需要共享传输线路,例如总线和环形拓扑结构。因而可能出现几个节点同时要求通信,引起争用传输介质的现象。这就需要一种介质访问控制方式,来协调节点之间对介质的使用顺序。常见的几种传输介质访问控制方式为载波监听多路访问,冲突检测CSMA/CD、令牌方式和时分复用。采用载波监听多路访问/冲突检测的介质访问控制方式,网络上的任何节点都没有预定的通信时间,节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时,信号会在传输上相互混淆而遭破坏,此称为。冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突,每个工作站在发送信息之前,都要侦听传输线上是否有信息在发送,这就是所谓的“载波监听”。这种方式的控制方案遵从先昕后讲。一个节点要发送信息,首先要监听总线,以决定介质上是否存在正在发送信号的其他节点。如果介质处于空闲,则可以发送;如果介质忙,则要等待一段时间间隔后重试。由于传输线上不可避免的存在传输延时,所以可能有多个站同时监听到传输线空广东工业大学工学硕士学位论文闲,并开始发送,从而导致冲突,故每个节点在开始发送信息后,还要继续监听线路,判定是否有其他节点同时向传输介质发送信息,一旦发现,便终止当前发送,这就是“冲突监测”。这种方式,在一些对实时性要求不高的控制网络中得到了应用,而对实时性要求较高的系统,一般采用令牌方式和时分复用。如上所述,CSMA/CD方式不能很好满足实时性要求的原因主要是因为“冲突”,而“冲突”产生的原因是由于各节点发送信息的随机性。针对这个问题,人们提出了一些解决方案,其中令牌方式和时分复用方式具有代表性。令牌访问是指各站点按照一定顺序在网络上传递令牌环,得到令牌的节点才有发送信息的权利,从而避免了几个节点同时发起通信造成的冲突。由于令牌访问的原理,所以实现它的网络应该是“环形网’,这里的“环形网”包含物理环形网络和逻辑环形网络两个方面。前者一般被称为令牌环网络,后者一般被称为令牌总线网络。 令牌环网络中,网上每一个站点都知道信息的来源去向,保证了通信的确定性,同时由于可以控制令牌持有时间,所以很适合实时系统,但是单环环路出现故障将使整个环路通信瘫痪,因而可靠性较差。令牌总线网络中,网上各节点按预定顺序形成一个逻辑环,总线上各节点的物理位置与逻辑位置无关,因而可以避免令牌环网络的可靠性问题。同肘,它又可以像令牌环方式那样在各逻辑环内节点中顺序的传递令牌,以控制各站点对总线的访问控制权。令牌总线网络的正常运行很简单,但网络必须由初始化功能要生成一个访问次序,当网上令牌丢失,或出现多个令牌时,必须有故障恢复功能。除此之外,还应该有取消站点和加入站点的功能,这些要求使令牌总线控制的复杂性大大增加。与令牌访问不同,时分复用是指对网络中每个节点预先分配好特定的一段时间,让每个节点在这段时间内占有总线。时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用。同步时分复用是指为每个节点分配相等的时间片,而不管每个设备要通信的数据量大小。异步时分复用也叫统计复用,是指根据给定时间内可能进行发送的节点数目的统计结果决定时间片的分配。由于对时间片进行动态分配,所以可以大大减少信道资源的浪费。t.3.本文主要工作根据课题的相关背景和技术发展状况,结合工程实践,本文作者和智能信息处理与故障诊断实验室的有关人员一起针对东莞九龙纸业公司四期完成车间的生产要求以及九龙公司的管理要求开发了一套基于控制网络的监控系统。系统采用现场总线技术与工业以太网相结合的控制结构,实现了对生产数据的实时采集监控、对生产过程的监控和管理。并在车间级范围内有效地解决了基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集成问题;并且还为实现ERP管理提供了良好的必要条件。整个系统人机对话方便简洁,系统构成灵活易于扩展,可靠性高。具有很强的通用性和工4程推广性,经过一段时间的运行,效果良好。综合上述实际工作,本文主要作了以下工作l、首先从控制网络技术现今的发展状况,工业企业对控制网络的一般性要求以及它的基本技术要点等方面简要介绍了控制网络技术。2、针对监控系统对设备层提出的开放性、互操作性、可靠性以及全数字化等方面的要求,提出了PROFIBUS现场总线方案,并从FCS相对于DCS的优点以及PROFIBUS相对于其他类型现场总线的技术优势两个方面,概括性的说明了这种选择的合理性。在此基础之上,就两个最主要的PROFIBUS总线优势进行了论证。对于配置灵活的优势,列举了PROFIBUS~DP网络体系的构建过程及其通信软件设计的方便性,进行例证;对于总线存取协议,则将其支持多主.从结构的特点,与软件设计中的结构化设计概念联系在一起,提出PROFIBUS系统结构化设计的概念,并用实例验证了这个概念,以此证实PROFIBUS总线存取协议的优异。3、针对监控系统要求将整个车间所有子系统或设备都纳入其内,形成一个统一有机系统的要求,提出了将以太网技术引入控制网络的方案。为使以太网很好的应用于工业领域,针对以太网实时性问题,介绍了高速全双工以太网交换技术及其在系统中的具体实现,并根据本系统的特点提出了如何采用合理软硬件结构,减小网络负担的方式针对以太网可用性问题,介绍了冗余技术及其具体运用,同样根据系统特点提出了采用异构数据库增强网络系统可恢复性的方式;针对网络安全性问题,结合工厂实际给出了具体的解决方式。随后,介绍了工业以太网技术的具体应用方式,向人们展现了引入它所带来的巨大好处。4、以东莞九龙纸业公司四期完成车间传送和生产监控系统为例阐述了以控制网络技术为基础的监控系统的具体构建,分析了系统软件设计中的一些重要问题。』查三兰奎兰三兰堡圭兰堡篁三第二章 基于PROFIBUS的控制系统2.1 PROFIBU媸,线结构及其特点PROnBUS现场总线是一个底层设备的联系纽带,可将多个分散在生产现场,具有数字通信能力的测量控制仅表和设备作为网络节点,采用公开、规范的通信协议,把它们联接成可以相互沟通信息,共同完成自控任务的网络系统。之所以在底层采用PROFIBUS现场总线,主要是从两个方面进行考虑的一是现场总线技术纵向相对于其他设备层控制技术的优势二是PROFIBUS横向相对于其他现场总线的优势。2.1.1现场总线技术的概念及优势现场总线是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术。根据国际电工委员会IEC61158标准的定义。现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络,是开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络.由现场总线的定义可知它不仅是一种通信标准,还是一种系统标准,是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线控制系统FcS是继集散式控制系统DcS后的新一代控制系统。作为DCS的替代者,Fcs对DCS,做了如下变革【6】第一,FCS的信号传输实现了全数字化,从最底层的传感器和执行器,逐渐向上至最高层均采用通信网络互连。第二,FCS的系统结构是全分散式的。FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,由现场设备和现场仪表取而代之,即把DCS控制站的功能化整为零,分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站,实现彻底的分散控制。第三,FCS的现场设备具有互操作性,不同厂商的现场设备既可以互联也可以互换,并可以同一组态,彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。第四,FCS的通信网络为开放式互联,既可以与同层网络互联,也可以与不同网络互联,用户可以极其方便地共享网络数据库。第五,FCS的技术和标准实现了全开放,无专利许可要求,可供任何人使用,从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的,面向全世界的用户。由于上述五项变革,使得FCS比DCS更加符合现代工业控制的核心思想“控制分散,信息集中”。自20世纪80年代中期,提出现场总线概念以来,现场总线已经得到了很大的发展和广泛的应用。但由于技术原因和商业利益,现场总线国际标准的制定至今还没有完成,因而形成了目前多种现场总线共存的局面。当今,比较流行的现场总线主要有CAN,FF,Cn0仃0lNct,LonWorks,PROFIBUS,HART等『71。6第二章基于PROFIBUS的控制网络2.1.2采用PROFIBUS现场总线技术的原因1987年德国工业界开始启动了PROFIBUSProeess Field Bus联合开发项目,1989年它被立项为德国工业标准,即DINE 19245121PROFIBUS标准,从1991.1995年先后批准实施partl-4,1996年3月,德国的国家现场总线标准成为国际性标准,即欧洲标准EN 5017018]。2000年3月,PROFIBUS标准被批准为国际现场总线标准1EC61158的组成部分TYPEIII。与其它得到广泛应用的现场总线技术一样,能够覆盖大多数工业领域,既可以用于有严格时间要求、高速数据传输的场合,也可以用于大范围复杂通信场合。多年以来PROFIBUS一直在世界现场总线技术市场上占居领先地位。它在化工、冶金,机械加工以及其他自动控制领域得到了迅速普及和应用,从众多现场总线技术中脱颖而出。这其中固然有商家经营策略的因素,但根本还是其自身的技术优势决定的。具体而言,PRoFIBUS有如下优势1、PROFIBUS的三种版本灵活配置PROFIBUS包含三种兼容版本【9】PROFIBUS.-DP、PROFIBUS.PA和FRonBUFMS。它们的特点如下所述,在工厂中的大致应用范围如图2.1所示。PROFIBUS-DP经过优化的高速、廉价的通信连接,专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计,使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0.20mA并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输。图2.1 PROFIBUS应用范围Fig 2-1 PROFIBUS’application rangePROFIBUSPA专为过程自动化设计,标准的本质安全的传输技术,实现了IECll58-2中规定的通信规程,用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。PROFIBUS-FMS解决车间级通用性通信任务,提供大量的通信服务,完成中等传输速度的循环和非循环通信任务,经常应用于纺织工业、楼宇自动化和电气传动7广东工业大学工学硕士学位论文系统,可以实现传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关等设备一般自动化控制。根据不同的应用范围和领域,可灵活地选取不同版本PROFIBUS进行应用,同时由于这些版本的良好兼容性,它们之间还可以互相衔接,实现跨领域,跨范围的控制系统.而这些版本本身的应用方式也十分灵活,可以针对不同的应用对象选取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送,可选用PROFIBUS.DP单主站系统稍微复杂一些的设各级高速数据传送,可选用PRonBUS-DP多主站系统比较复杂一些的系统可将PROFIBUS-DP与PROFIBUS-FMS混合选用,两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作,而无须附加任何转换装置00]。2、总线存取协议PROFIBUS协议的结构参照ISO/OSI参考模型,只包含第1,2和7层。它们的体系结构比较如图2-2所示。‘层次一7.;I应用层.知l毒呖谩;。.知l会话层.p I传辕犀。,知L~曼塑星..t i熬餐链珞羼一.1一l钧理届.ISO-O掰参考横毯 PR∞mus硼哪.图2.2 PROFIBUS协议结构Fig 2-2 PROFIBUS’agreement configuration图2-2所示的PROFmUS总线存取协议是通过OSI参考模型的第2层即现场总线数据链路层FDL实现的。它保证可靠地完成数据传输、传输协议和报文处理。具体控制数据传输的是其中的介质存取控制MAC,MAC必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。由于PROFIBUS协议的设计旨在满足介质存取控制的基本要求,也即在复杂的自动化系统主站间通信,必须保证在确定的时间间隔中,任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务;在复杂的程序控制器和简单的I/o设备从站间通信,应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。所以PROFIBUS-DP总线存取协议采取了一种混合协议,包括主站之间的令牌传递协议和主站与从站之间的主从协议。1主站与从站之间的通信主站通过获取令牌取得总线访问权。令牌是一种特殊的报文,它在主站间传递总线访问权,令牌在所有主站间循环一周的最长时间是事先决定的。3第二章基于PROFIBUS的控制网络在建立总线系统时,主站MAC检查总线上活动的主站并建立令牌逻辑环在总线运行期间,得到令牌的主站可以在令牌持有时间内进行操作,按照主站与主站和主站与从站通信关系表与其它主站和它的从站通信,从逻辑环中删除断电或损坏的主站。接受新激活的主站进入逻辑环,监测传输介质和收发器故障、站点地址出错和令牌出错出现多个令牌或令牌丢失等。2主站与从站之间的周期性数据传输主站与从站之间的周期性数据传输采用主从方式。主站在得到总线访问令牌对除了与其它主站通信外,还将与它的从站通信,向从站发送或索取信息。用户对总线系统组态时,规定主站与从站的关系,确定哪些从站被纳入信息交换周期。只有当实际数据与组态数据相匹配时,从站才进入用户数据传输阶段。因此设备类型、数据格式、长度和输入输出数量必须与实际组态一致。不管哪种模式,站的加入和退出可在任何时刻发生,主站的加入和退出采用令牌总线协议的处理方式。这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据,并且任何一个主站在一个特定的时间片内都可以得到总线控制权。这样完全避免了冲突,其好处在于传输速度较快。而其他一些总线则采用的是冲突碰撞检测法。在这种情况下,某些信息组需要等待,然后再发送,从而使系统传输速度降低,同时,它对多种系统构建模式予以支持,这也在技术上保证了它应用的灵活性。3、本质安全性本质安全一直是工控网络在过程控制领域应用时首先需要考虑的问题,否则,即使网络功能设计的再完善,也无法在化工、石油等工业现场使用。目前各种现场总线技术中考虑本质安全特性的只有PROFIBUS与FF,而FF的部分协议及成套硬件支撑尚未完善,因此可以说,目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案只有PRoFIBus.PA。它只需一条双绞线就既可以传送信息,又可以向现场设备供电。由于总线的操作电源来自单一供电装置,它就不再需要绝缘装置和隔离装置,设备在操作过程中进行的维修、接通或断开,即使在潜在的爆炸区也不会影响到其他站点。使用分段式耦合器,PROFIBUS-PA还可以很方便地集成到PROFIBUS-DP网络上。4、功能强大的FMSFMS提供上下文环境管理、变量访问、定义或管理、程序调用管理、事件管理、对VFDV mllal Field Device的支持以及对象字典管理等服务功能。5、硬件支撑由于PROFIBUS协议芯片具有众多的系列,故PROmuS协议的具体实现既简单又经济。原则上,PROFIBUS协议在任何微处理器上都可以实现,同时在微处理器内部或外部装上异步串行口即可,但当传输速度超过500Kps或需要连接使用IECIl58,2传输技术时,最好使用ASIC协议芯片。可提供PRonBuS协议芯片的厂商有IAH、MOTOROLA、SIEMNS、Delta、Smar等等.由于SIEMENS自动化设备级通信解决方PROFIBUS总线的上述种种优势,它已被广泛采用。这也使得企业的管理人员和技术人员对该总线的调试以及维护有一9
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