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1、输油控制系统下位软件设计固定流程第1章 绪论1.1 课题研究背景及概况伴随科技发展，能源作为一个国家发展的基础越来越受到各国的重视。为保证能源（尤其石油）的供应，我国除实行节约能源，开发新能源以外，积极寻找新油田以及国外供应。而石油的运输主要通过输油管道进行，输油控制系统的建立就成为一项重中之重的工程。为了得到不同环境下原油储运的各种数据，为各储运站提供可靠、准确的试验数据，使原油储运最大化、科学化，减少储运过程中的维护工作，目前，国内外已经建立了多个室内小型原油试验环道，对各种性质原油传输工艺积累了大量的试验数据和丰富的经验，但在长输管线的应用中仍体现出了其差异性，不能将试验数据充分地运用到
2、实际中去，仅起到一个模糊的指导意义。另外，在实际管线上不能可靠地进行停输再启动，不能有效地监测地温场的建立以及埋地管线界面上油温的分布情况。原油试验环道，主要为了实现原油储运过程中的各种数据的采集，得到各种环境下原油储运的各种数据，为各储运站提供可靠、准确的试验数据，使原油储运最大化、科学化，减少储运过程中的维护工作。目前，我国还没有一条完善的、能够对不同油品运输工况进行试验的场所，更多是停留在理论或实验室内试验的阶段，而国外在石油运输方面也没有形成一个清晰的研究体系，为此建立建一个先进的、大型的、面向全国和世界开放的输油管道试验基地是非常必要的。本课题就是抓住了这一契机，采用先进的计算机控制
3、系统组成上位机、ControLogix系列PLC控制系统作为下位机，系统具有网络控制功能和远程控制接口，同时为了确保系统的安全可靠性，上、下位机均拟采用硬件冗余的方案，完成输油管道试验系统的控制与数据采集。系统下位软件是该环道工程的自动控制部分的固定流程方案，实现对环道实验工艺的过程控制与数据采集，设计出完整的按控制阀、泵、搅拌器单独控制的软件，以方便在上位机按工艺要求，自由构成流程。1.2 现场总线和工业控制网络随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（Field Bus）技术也得到了飞速发展，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控
4、制系统逐步从集散控制系统（Distributed Control System，DCS）走向以现场总线为基础的分布式现场总线控制系统（Field bus Control System， FCS），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工业控制技术。通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。连接智能现场设备和自动化系
5、统的全数字、双向、多站的通信系统的现场总线，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征：1现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；2网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为1Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；3废弃了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；4分散的功能模块，便于系统维护、管
6、理与扩展，提高可靠性；5开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；6互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。自动化技术与网络技术的有机结合形成了网络控制技术。控制网络一般指以控制对象为特征的计算机网络，简称为计算机亚网络 Infranet（Infrastructure Network），它主要面向某个企业或某个系统的底层，与一般的计算机网络既有很多共同点，又有不同和独特之处，主要表现在以下几个方面：1控制网络中数据传输和系统响应的实时性是对控制网络的基本要求；2控制网络强调在恶劣环境下的数据传输
7、的完整性和可靠性；3对信道容量要求不是太高；4通信方式多采用广播或组播方式；5控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中兼容即互操作问题。目前，现场总线和网络控制技术研究与应用的发展趋势具有以下几个特点：1以现场总线作为底层的控制网络，在体系结构、仪表的数字化与智能化、监控组态软件及其开发平台与工具、以及现场总线的实际应用等各方面都取得了很大发展；2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，推动了生产过程向更高层次的自动化水平发展，实现了优化控制，协调控制与远程监控；3控制网络与信息网络的集成已成为网络控制技术发展的
8、一个热点，各种控制网络与信息网络的集成技术研究日趋激烈，网络集成的产品化程度不断提高，统一的企业网络构想将为企业计算机综合自动化打下坚实的基础；4在信息技术大潮的推动下，各种新技术不断涌现。嵌入式技术推动了嵌入式控制器的发展，嵌入式控制器不但能即插即用，而且能与已有的控制网络一同协调工作。嵌入式技术正朝着控制网络开放性发展方向迈进；5在网络控制的软件集成技术方面，计算机领域的DDE（Dynamic Data Exchange）技术、OPC（OLE for Process Control）技术、集成软件套件技术、Web技术、国际公认的网络协议TCP/IP以及网络管理技术已经逐渐融合到网络控制技术
9、中，大大推动了网络控制技术的发展；6分布式网络控制技术提出了一个全新的控制网络结构，不但实现了控制系统、控制设备的协调工作，而且也为实现控制网络与信息网络的无缝集成，组建统一的企业网络提供强了有力的技术支持，为实施企业资源计划（Enterprise Resource Planning ERP）系统创造了良好的条件8。1.3 课题的建立以及本文主要内容本文主要包括以下内容：1在充分研究系统的工作需求后，分析所用控制阀的控制要求，画出总体流程图和不同种类阀门的分流程图以及PID控制流程图，实现对现场电动球阀、电动板阀、变频器等设备的管理；2进行下位系统的组态和单元整定；3分配下位PLC资源，确定控
10、制、采集用标签；4完成控制程序的编制，做出使用说明书。31第2章 ControlNet总线技术2.1 现场总线的发展概述随着自动化技术的不断发展，网络技术的日益推广，在工业控制领域，控制规模的扩大，控制信息、管理信息的增加以及控制系统的柔性、设备间互操作性的要求，八十年代中后期出现了现场总线控制系统。它贯彻全开放协议，使不同生产商产品之间具有可操作性，系统结构大大简化，实现以全数字为主的通信方式，可靠性进一步提高，代表了工控自动化发展的方向。根据电工委员会（ICE）和美国仪表协会（ISA）定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络，支持双向、多分支、总线
11、式、全数字通信。采用OSI七层模型中的物理层、数据链路层和应用层，增加了自己特有的用户层作为现场总线通信模型。现场总线是用于过程控制现场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。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（FIELDBUS）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的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：如德国西门子公司S
12、iemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（Actratur Sensor Interface），MODBUS，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBus Foundation，World FIP，BitBus，美国的DeviceNet与Con
13、trolNet等等。现场总线的种类主要有：基金会现场总线FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN等。但从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准；二是Industrial Ethernet走向工业控制网络。与传统的工业控制体系相比，Rockwell自动化系统提供了高效的、开放式的网络结构。传统的工厂级的控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。而Rockwell自动化系统简化为三层结构模式：信息层（Ethernet以太网），控制层（ControlNet控制网），设备层（DeviceN
14、et设备网）。ControlNet控制网层常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性的，紧密联系控制器和I/O设备的要求。本系统中的设计与实现主要采用了ControlNet现场总线网络技术。2.2 ControlNet现场总线技术特点与传统的工业控制体系相比，Rockwell自动化系统提供了高效的、开放式的网络结构。传统的工厂级的控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。而Rockwell自动化系统简化为三层结构模式：信息层（Ethernet以太网），控制层（ControlNet控制网），设备层（DeviceNet设备网）。ControlNet控制网层常传输
15、大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性的，紧密联系控制器和I/O设备的要求。它具备如下优点：1ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输：有实时性的控制信息和I/O数据传输，无时间苛求的信息发送和程序上/下载；2ControlNet技术采取了一种新的通信模式，以生产者/客户模式取代了传统的源/目的模式它不仅支持传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率；3ControlNet使用同轴电缆可达6km，节点数99个，两个节点间距离最长达1000m，48个节点距离可长达250m，采用光纤和中继器后通讯
16、距离可达几十公里。ControlNet应用于过程控制，自动化制造等领域。ControlNet/DeviceNet控制网网络是一种用于对信息传送有苛刻要求的、高速确定性网络。它允许传送无时间苛求的报文数据，但不会对有时间要求数据传送造成冲击。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。作为PLC与I/O设备之间的一条高速通信链路，它综合了远程I/O和DH+链路的功能。美国A-B公司的ControlNet网是一个实时的控制层网络，为在专一物理链路上的实时I/O数据和message数据（包括程序的上载/下载、组态数据及点对点信息）提供高速传输。它最重要的功能就是传输从一个NODE（站点）到另一个NODE（站点）的实时控制信息。在PLC编程软件中为本地框架来组态ControlNet网通讯，模块1756-CNB负责处理控制器主框架与
