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1、上海交通大学硕士学位论文 I一种基于异构总线的控制系统设计与实现 摘 要 一种基于异构总线的控制系统设计与实现 摘 要 异构总线系统是一种多种总线协同工作的系统。它适应了现场总线测控设备多态性和用户需求多样性， 在工程中应用日趋广泛,成为当前自动化控制领域的一个热点。 本文以某燃料乙醇生产厂饲料车间控制系统改造为背景，设计了一套异构总线控制系统。主要在以下几个方面做了研究和开发工作： 一、针对车间生产中存在的 PROFIBUS-DP 和 MODBUS 总线之间无法数据交互的问题，完成了一种基于 SPC3 芯片的总线桥装置的硬件制作和软件开发，解决了两种总线互相通讯的问题。 二、根据车间的生产要
2、求，开发了一个用于包装系统的喂料螺旋控制器，使用了分段控制和落差补偿算法，有效地提高了包装工序的包装速度和控制精度。在此基础上，设计了一套基于 MODBUS 的饲料包装控制系统。 三、 依据工厂对控制系统的要求， 本系统采用 Siemens 公司的 STEP7平台，完成了 S7-300 PLC 的系统组态和控制程序开发，实现整个饲料车上海交通大学硕士学位论文 II间的系统控制。 四、 在Siemens公司提供的WINCC平台上进行人机交互界面的开发，实现了系统的监控界面、数据库存储、报警记录、报表打印等多项功能。 该系统成功实现了对车间各工作点运行状态的监视和各相关设备的控制，并借助总线桥达到
3、系统跨总线监控的目的。本文的工作对今后解决异构总线控制系统具有重要的参考价值。 关键词：异构总线，总线桥，智能控制器，控制系统组态，监控系统上海交通大学硕士学位论文 IIIThe Design and Implementation of a Control System Based on Heterogeneous Fieldbus ABSTRACT Heterogeneous Fieldbus system is a collaborative configuration based on multiple types of Filedbus. It accommodates to the
4、polymorphism of Fieldbus control equipment as well as the diversity of user needs, and is a hot research topic in the automation and control field nowadays. This thesis focused on the improvement of a feedstuff workshop, and presented a heterogeneous Fieldbus control system. The main work of the the
5、sis is listed as following: 1. Developed a new kind of Fieldbus Bridge based on SPC3, which solves the common communication problems between PROFIBUS-DP and MODBUS in the former feedstuff workshop. 2. Designed an intelligent controller using sectional control and error compensation to increase the p
6、ackaging efficiency and precision. After that, a feedstuff packaging system is developed based on this controller. 3. Implemented the PLC hardware configuration and control program for Siemens S7-300 PLC on the STEP7 platform. This system can efficiently control all the monitoring points, and collec
7、t the data in the packaging system via Fieldbus Bridge. 4. Developed the human-machine interaction interface on the WINCC platform, whose functions including real-time surveillance, data recording, alarming, report printing, 上海交通大学硕士学位论文 IVand so on. The major contribution of the thesis is that, it
8、developed a new feedstuff system that could successfully monitor the working points and efficiently control the production in the plant. In addition, it presented a new kind of Fieldbus Bridge that solves the traditional communication problems between different kinds of Fieldbus. Thus this thesis ha
9、s significant reference value to the similar work. Keyword: heterogeneous Fieldbus, Fieldbus Bridge, intelligent controller, control system configuration, monitoring and control system 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成
10、果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：林伟欣 日期：2008 年 1 月 29 日上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上
11、方框内打“” ） 学位论文作者签名：林伟欣 指导教师签名：田作华 日期：2008 年 1 月 29 日 日期：2008 年 1 月 29 日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 绪论 本章首先介绍了该项目的工程背景和整体架构， 然后介绍了现场总线的一些概念和特点，分析了当前总线控制系统的一个现状：异构总线系统。同时，也介绍了本课题所涉及到的 PROFIBUS-DP 协议和 MODBUS 协议。 最后对论文内容的安排做了介绍。 1.1 整体系统介绍 1.1.1 工程背景 石油是不可再生的能源，随着石油消费量的迅速增长，世界石油资源逐渐枯竭。能源生物技术是指用生物技术生产的生物能源如燃料乙醇、生物
12、柴油1等。乙醇作为是比较理想的石油替代品。国外用生物质燃料乙醇替代石油已有成功经验。 某燃料乙醇有限责任公司是国家批准建立的大型燃料乙醇生产基地。2001 年，项目第一条生产线正式启动，2003 年建成投产。目前年生产燃料乙醇 40 万吨/年。从 2006 年开始，总投资 11 亿元的二期扩建改造工程正式启动。该工程完成后，燃料乙醇的年产能力将提高 30 万吨/年。 该公司燃料乙醇的生产分为粉碎、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水等工序。副产品有玉米油、 酒糟蛋白饲料等。 其中， 酒糟蛋白饲料 DDGS （Distillers Dried Grains with Soluble）2， 是将滤清液干燥
13、浓缩后再与滤渣混合干燥而获得的饲料。由于 DDGS的蛋白质含量在 26%上，其他营养成分如蛋白质、脂肪、纤维等均留在酒糟中。同时由于微生物的作用，酒糟中蛋白质、B 族维生素及氨基酸含量均比玉米有所增加，上海交通大学硕士学位论文 2并含有发酵中产生的促生长因子，已成为国内外饲料生产企业广泛应用的一种新型蛋白饲料原料。 公司饲料车间使用自动化生产线对酒糟进行处理。蒸馏后留下的酒糟，经过干燥后，用管道输送到饲料加工单元。首先进入搅拌罐进行搅拌，后经下关风控制流量进入缓冲斗等待粉碎。缓冲斗下方为喂料器，将酒糟料按照一定的流量喂入锤片式粉碎机粉碎。粉碎后的饲料粉经绞龙、刮板、斗提、传送带输送到高处的缓冲
14、罐。而后从缓冲罐进入包装工序，在喂料螺旋和称重仪的配合下包装成一定重量的酒糟蛋白饲料产品。 1.1.2 系统的整体架构 该公司饲料生产单元是生产过程的最后一个环节， 负责酒糟蛋白饲料和玉米胚饲料的加工和包装。整个车间设备包括搅拌罐、喂料器、粉碎机、鼓风机、绞龙、刮板、斗提、缓冲罐、称重仪等。需要控制的包括各个设备的起停信号，搅拌罐的下关风开度以及喂料器的频率等控制量；需要监视的有各个设备的状态信号、报警信号、缓冲罐的料位信号、粉碎机的电流值、轴承的温度值等。车间设有一个中控室，负责监控该工段的各个设备。 在一期工程建成后， 饲料车间使用 Siemens S7-300 PLC 作为控制器， 有三
15、条粉碎生产线和两条包装生产线，输入输出点有 100 多个，人机交互界面采用模拟屏。包装生产线采用带 MODBUS 接口的包装机，生产数据无法与 PLC 交互，只能靠人工定时抄送。 二期改造工程中，饲料车间将增加两条粉碎生产线和一条包装生产线，输入输出点增加到 200 多个。原有的模拟控制屏将被替换成电脑监控屏，同时能实时获取包装生产线的生产数据。 改造后，控制系统的要求： （一）增加两条粉碎生产线；使用基于 MODBUS 总线的智能喂料控制器和数字称重仪增加一条新的包装线。 上海交通大学硕士学位论文 3（二）通过扩展 PLC 输入输出模块，将新生产线的控制点加入控制系统中。 （三）各监控量上传
16、至监控电脑，电脑的监控界面能实时显示所有监控点的工作情况，并进行操作，取代原来的模拟屏控制。 （四）所有包装线的生产数据能通过 PROFIBUS-DP 总线上传到 PLC 上，并到达监控电脑。 （五）系统出现异常点或者报警信息时，监控系统能发出报警信号并自动记录下来，以备打印；对生产信息建立历史数据库，供统计、分析用。 系统的整体架构如图 1-1 所示： 图 1-1 控制系统的整体架构 Fig.1-1 Entirety structure of control system 监控电脑通过 MPI 通讯线与 PLC 连接，能实时与 PLC 进行数据交互，实现监控功能。包装生产线采用 MODBUS 总线控制体系，并通过总线桥与 PROFIBUS-DP 总线连接，确保生产数据能及时上传。PLC 通过输入输出模块，对其它设备进行监控。 控制系统采用 Siemens 公司 S7-300 系列的 PLC。该系列 PLC 具有模块化设计、紧凑的结构，适合于密集安装，在工艺过程工程、包装工业、饲料加工、汽车工业等控制领域得到了广泛
