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1、上海交通大学硕士研究生学位论文 - I - 基于现场总线的空气压缩机控制系统的设计与实现 摘 要 随着国民经济的发展， 空气压缩机在社会生产中已被广泛地应用于冶金、采矿、机械、制造、石油化工、国防、交通等部门，成为某些行业不可缺少的关键设备。特别是在半导体生产部门，压缩空气系统从属于动力设备与系统，在半导体生产过程中起着非常重要的作用。 本论文是以某芯片厂封装测试车间压缩空气站控制系统设计项目为背景，来研究基于现场总线的压缩机控制系统的设计与实现。本文主要完成以下几方面的工作： 1 针对半导体生产线所需压缩空气用量控制精度要求高、 同时现场操作环境恶劣的情况，在分析了各种控制方案的基础上，确定
2、采用基于现场总线的远程 PLC 控制的方式。 实践证明， 这种方式具有良好的控制效果，且设计简单，维护方便。 2 给出了系统软硬件的设计方法，硬件采用罗克韦尔自动化的SLC 控制器，并利用硬冗余的方式确保系统的可靠运行。现场操作员终端选用 PanelView Plus，基于 RSView SE 完成人机界面的组态。 3 研究了 ModBus 和 Remote I/O 两种总线协议的实现方法。 基于ModBus 总线实现了空气压缩机的远程控制；基于 Remote I/O总线实现了系统相关辅助的水泵、阀门、流量压力露点传感器的信息采集和监控。 4 针对生产线通讯、 管理的落后现状， 本文设计了一种
3、基于 OPC的 DH+网远程监控系统， 可将压缩空气站的相关运行状态反馈到监控中心。 上海交通大学硕士研究生学位论文 - II - 控制系统已投入日常生产，实际证明该控制系统设计合理，运行稳定可靠，很好的满足了空气压缩机控制的要求。 关键词：现场总线，DH+，Remote I/O，ModBus，SLC, 空气压缩机，OPC 上海交通大学硕士研究生学位论文 - III - THE DESIGN AND IMPLEMENT OF AIR COMPRESSORS CONTROL SYSTEM BASED ON FIELDBUS Abstract With the rapid economic dev
4、elopment of the society, the air compressors are widely used in various fields of industry, such as metallurgical industry, mining industry, mechanical Industry, manufacturing industry, petrochemical industry, defense industry, transportation industry and become the essential equipment for productio
5、n. Especially in the semiconductor industry, the compressed air system belongs to the power system and plays an important role in the semiconductor production process. This project is based on the design of air compressors control system for some chip manufacturing plant. Focus is laid on the follow
6、ing four aspects: 1. To control the amount of compressed air exhaustion accurately and improve the poor working conditions, we determine to adopt the remote SLC control system based on the fieldbus compared with several solutions. Practice shows that the control strategy with simple structure has a
7、sound effect. 2. The method of hardware and software design is introduced. SLC controller is used to build backup systems while HMI is designed for the PanelView Plus on spot by using RSView SE. 3. The implement of ModBus and Remote I/O protocol are analyzed. The seven compressors are integrated int
8、o the control system based on the ModBus while the auxiliary equipment is controlled 上海交通大学硕士研究生学位论文 - IV - by the controller through the Remote I/O network. 4. To improve the poor communication and administration of the whole network, we design a remote DH+ network supervisory control system based
9、on the opc technology. And the relevant status information of the air compressors is fed back to it. The air compressor control system has been launched in daily production. The operation results show that this system is designed reasonably and satisfied the requirement of the air compressors contro
10、l process. KEY WORDS: Fieldbus, DH+, Remote I/O, ModBus, SLC, Air Compressor，OPC 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：刘勇 日期： 2007 年 1 月 29 日 上海交通大学上海交通大学 学位
11、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。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 刘勇 指导教师签名：翁正新 日期： 2007 年 1 月 29 日 日期： 2007 年 1 月 29 日 上海交通大学硕士研究生学位论文 1第一章第一章 绪论绪
12、论 1.1 现场总线概述现场总线概述 现场总线是应用在生产现场、 在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景1。 现场总线技术将专用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讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络控制系统，并按公开、规范的通讯协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间， 实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测
13、量控制设备变成网络系统节点， 以现场总线为纽带把它们连结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。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用能够发生的变化。 现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力， 把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。 因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。 而现场总线控制系统 FCS 既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它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。它作为智能设备的连接纽带，把挂接在总
14、线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统并进一步构成自动化系统，实现基本控制补偿计算参数修改、报警、显示、监控、优化及控管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、 数字通讯、网络为主要内容的综合技术；现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可与因特网（Internet） 、企业内部网（Intranet）相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底层网络。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。 现场总线技术采用数字信号代替模拟信号， 因而可实现一对电线上传输多个上海交通大学硕士研究生学位论文 2信
15、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模拟/数字、数字/模拟转换部件，这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件2。 1.2 现场总线的特点现场总线的特点 现场总线控制系统采用数字仪表代替传统的模拟仪表， 实现现场仪表的互操作性和信息互用；另一方面把集散系统变成现场总线控制系统，在现场建立开放的通信网络，实现全数字通信网络。因而使现场总线具有以下特点和优点： ? 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或
16、系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间就可实现信息交换,从而可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统互连。 ? 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂底层网络的现场总线，是专为现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 ? 全分布式结构，危险分散 由于现场总线系统采用了智能现场设备，能把原先 DCS 中处于控制室的控制模块、输入输出模块置入现场设备，加上现场设备的通信能力，现场的测量变送仪表可以与执行机构直接传送信号，因而控制可以直接在现场实现，实现了彻底的分散控制。每台现场设备是网络上的一个节点，节点之间可采用各种通信方式。即具有多功能的现场设备可以相互交换数据、相互操作、相互取代，很多控制功能可直接在现场设备完成，构成分散 I/0、分散控制和分散运算的分布网络。其控制全部分散到现场，控制回路可在现场实现，彻底实现了危险分散。 ? 互操作性与互用性 互操作性，是指实
