控制网络系统中ControlNet的应用.docx
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控制网络系统中ControlNet的应用
本科毕业论文(设计)
题目控制网络系统中ControlNet的应用
学院计算机与信息科学学院
专业自动化
年级2002级
学号200220682043
姓名杨浩
指导教师赵亦欣
成绩
2006年4月24日
方坯连铸机二冷段自动配水控制系统
——控制网络系统中ControlNet的应用
杨浩
西南大学计算机与信息科学学院,重庆400715
摘要:
随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。
论文主要是利用ControlNet网络与ControlLogix可编程控制器以及远程输入/输出模块之间的通信实现对二冷段配水的自动控制,提高生产的自动化水平。
论文通过对ControlNet现场总线的介质访问方式、信息连接、通用数据帧等技术的分析,成功的组建了监控网络,实现了ControlNet网络与远程输入/输出模块之间的通信,从而达到对整个二冷段配水进行远程控制的目的。
因此本论文将现场总线技术应用于该自动控制系统中,实现了以PLC为核心的实时监控。
同时,在管理计算机上用组态软件RSView32控制界面,对整个系统状态进行监控,初步构建一个网络控制系统,实现信息的集成。
关键词:
现场总线;ControlNet;ControlLogix
AutomaticDistributingwaterControlonSecondaryCoolingWaterforContinuousBillet-BloomCasting
——IncontrolnetworksystemControlNetapplication
YANGHao
FacultyofComputerandInformationScienceSouthwestUniversity,Chongqing400715,China
Abstract:
Withthedevelopmentoftechniquessuchascontroltechnique,computingtechnique,communicationtechnology,networktechniqueandsoon,thefieldofinformationexchanging-communicatingiscoveringrapidlyfromthelocateequipmentinthefactorytoeachpartofcontrollingandmanaging.Inthisthesis,wemainlymakeuseofthecommunicationsbetweenControlNetnetwork,ControlLogixprogrammablecontrollerandlong-distanceI/OmoduletorealizetheautocontrolofSecondaryCoolingWater,asaresult,theprocreativeautomationlevelisimproved.Indetail,onthebaseofthecarefulanalyzeforthetechniquessuchascontrol’smediumaccessingfashion,informationconnectingandcurrencydataframesandsoon,webuildthesupervisorycontrolnetworksuccessfully,thenrealizethecommunicationsbetweenControlNetandlong-distanceI/Omodule,therefore,weachievethepurposethatthelong-distancesupervisorycontrolsystemofthewholeSecondaryCoolingWatercanrunnormally.Inaword,inthethesisweputControlNettechniqueintoautocontrolsystem,andrealizethereal-timesupervisorycontrolwhichisbasedonthePLCtechnique.Besides,utilizingtheconfigurationsoftwareRSView32inthehostcomputer,wecancontroltheinterface,superviseandcontrolthewholesystemstate,andthenwebuildanetworkcontrolsystemandrealizeinformationintegration.
Keyword:
ControlNet;ControlLogix;Fieldbus;
1前言
信息网络技术的迅猛发展正深刻地改变着人们的工作方式和生活方式,特别是对企业的信息化和自动化发展也产生着巨大的影响。
在企业信息化和自动化领域,计算机技术、控制技术、网络与信息技术的结合,孕育了控制网络技术的产生。
据此,罗克韦尔自动化提出了自动化三层网络体系,即设备层、控制层和信息层的体系。
在这个体系中,数据可以双向流通、层与层之间可以交换数据。
其中控制层现场总线ControlNet,因其独特的性能在三层网络中起到了十分重要的作用。
与其他现场总线网络(FF,PROFIBUS等)相比,ControlNet是一个高速的工业控制网络,在同一电缆上同时支持I/O信息和报文信息,其中包括程序、组态、诊断等信息,集中体现了控制网络对控制(Control)、组态(Configuration)、采集(Collect)等信息的完全支持,ControlNet是基于生产者/消费者这一先进的网络模型,该模型为网络提供更高有效性、一致性和柔韧性。
目前我国一些主要的炼钢厂连铸车间对于机械、电气和仪表等设备的维护、监控,一直停留在人工操作的水平上,对连铸过程中所有这些设备工作状态的监控和维护仅靠每月定期的人工设备点检,在二冷段配水过程中,对水阀的控制也是由人工操作完成,这就使得对钢水的冷却上存在或多或少的缺陷,而ControlNet控制网的出现和在生产过程中的应用则完全改变了这一现状,不仅提高工业自动化水平,还将我们的钢生产工业提升到一个新的水平。
通过对方坯连铸机二冷段自动配水控制系统中ControlNet的设计与应用这一实例,对现场工艺生产有了初步的了解,将ControlNet现场总线的理论知识应用于实际,加深了对ControlNet现场总线的认识;通过对ControlNet控制网络的组建,了解RSView32组态软件在系统中的监控作用以及PLC组态软件在过程控制中的应用;通过设计前后的比较,可以进一步了解ControlNet现场总线所具有的优势。
将ControlNet网络应用于二冷段配水控制系统中,它是整个配水系统运行的核心。
通过对ControlNet网络将RSView32软件和PLC有效的连接起来,从而组成了二冷段自动配水控制系统,实现了ControlNet网络与CPU以及远程输入/输出模块之间的通信,该控制网络采用工业控制数据双总线结构,任何一根通讯网线发生故障,将不会影响其他网线的正常通讯;同时采用适当的防护措施保证网络在复杂环境下可靠运行。
2方坯连铸机二冷段自动配水控制系统概述
2.1二冷配水系统构成
图1系统结构
Figure1theframeworkofsystem
2.1.1信号采集站
用于采集来自设备层的反映二冷配水运行状态的相关信号,并将采集到的原始样本信号及实时信号分别保存到本地机硬盘和数据服务器硬盘中。
本地机硬盘数据可以作为数据服务器硬盘数据的备份,以提高系统的可靠性。
2.1.2现场观察站
放在现场操作室内,并且正确安装了操作系统,RSView32组态软件,RSLogix系列软件等,操作人员可直接观看并检测二次冷却系统的工艺流程,实时参数,水量的变化趋势等,并可根据实际需要修改配水表的设定值。
2.1.3工程师站
主要进行故障分析、特征信号提取及运行趋势预测等,并将故障分析结果和特征信号保存到数据服务器硬盘中。
同时工程师站还可以供技术人员用于系统组态与维护。
2.1.4冗余网络
监控操作站与现场设备之间采用了ControlNet进行连接,ControlNet是一个高速的工业控制网络,在同一电缆上同时支持I/O信息和报文信息,包括程序组态诊断等信息,集中体现了控制网络对控制(Control)、组态(Configuration)、采集(Collect)等信息的完全支持,ControlNet是基于生产者/消费者这一先进的网络模型,该模型为网络提供更高有效性、一致性和柔韧性[1]。
2.2二冷配水控制系统的工艺及功能要求
工艺过程是大包钢水-中间包-结晶器(一次冷却)-二冷段(二次冷却)。
图2生产流程图
Figure2produceflowchart
在生产过程中,钢水包由转炉车间运至连铸车间后,由车间行车将钢水包置于大包回转台钢包臂上,旋转至浇注位后,钢水由钢包流入中间罐车,达到开浇液面后,浇铸开始。
钢水经中间罐车注入结晶器,钢水在结晶器内冷却后形成坯壳,并慢慢被拉出来,进入二次冷却段进行二次冷却,使液芯铸坯完全凝固,系统跟踪钢坯头到达矫直区时,拉矫机依次进行换压操作;跟踪到脱引锭位时,自动进行脱引锭操作。
钢坯达到定尺长度后,由火焰切割机实施切割,切割后由输出辊道运出,再由横向移钢机运至热送辊道,最后由热送辊道运到中型加热炉进行轧制。
在将钢水浇入大包前,由操作员通过上位机选择好钢种,下传到PLC中,由PLC选择相应的配水模型;PLC接受现场的拉速信号,经过配水模型计算,得出实际需要的配水量;同时与现场实际的配水量进行比较,经PID计算,得出控制阀位值,控制调节阀的开度,调节水量达到设定值;随着拉速的变化,反复循环该过程,实现自动配水控制。
3罗克韦尔工业网络体系
3.1现场总线综述
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的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、现场设备与控制装置之间实行双向、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。
广义上的现场总线,是置于整个控制系统中现场总线式、数字化、多节点通信的底层控制网络。
这样的现场总线不仅是通信标准,还是系统标准,用户使用总线标准提供的标准功能块构筑控制系统,实现系统功能[2]。
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。
现代工业控制思想的核心是“分散控制,集中监控”使得“控制分散,危险分散”。
但即使是现在流行的DCS控制与其工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的,这正是对分散控制,集中监控思想的违背。
而FCS真正做到了这一点,它把控制彻底地下放到现场,具有通信功能的现场智能设备,能完成诸如数据采集,数据处理,控制运算和数据输出等功能。
只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成,而且现场节点之间可以相互通信实现互操作,节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机,以便于设备管理[3]。
现场总线种类繁多,这里按照现场总线的应用层次,将它分成如下几种形式:
①传感器总线是最低层的总线,连接诸如通/断开关之类成本低廉的现场设备,总线只进行少量数据传输,现场设备只进行简单动作处理。
如ASI,Interbus-s等。
②设备总线是最常用的一种总线形式,为智能设备提供通信服务,在这一层次上,智能设备能够执行多种功能,提供通信和诊断信息服务。
这类总线包括:
CAN,DeviceNet,LonWorks,Profibus-DP等[4]。
③车间级总线是设备总线的上一层次,它支持大数据量的传输,但传输速度较慢,要求设备处理器有较高的性能,有的现场总线己经能在现场设备中直接支持分布式控制功能。
这类总线包括:
FF,Profibus-PA,WorldFIP,LonWork等。
④控制级总线主要定向于PLC,DCS控制器等高层次控制设备间的对等通信,ControlNet就属于这种现场总线。
⑤企业级总线骨干网络是为企业事务服务的,主要形式是在Ethernet基础上运行TCP/IP协议[5]。
3.2罗克韦尔工业网络体系
与传统的工厂控制体系相比,罗克韦尔自动化系统提供了高效的、开放的网络体系结构。
将以前从工厂到设备的五层结构简化为信息层(Ethernet以太网)、控制层(ControlNet控制网)、设备层(DeviceNet设备网)的三层结构。
在底层是连接传感器和设备级网络的设备网(DeviceNet),与其它层相比,设备网传递的数据比较简单,要求安装方便、经济。
最上层是信息网络,线路很长,目前己成为实际的标准网络。
在两层之间是控制层,该层常常需要传输大量的UO和对等通信信息,需要具有确定性和可重复性,紧密联系控制器和PO设备的网络。
控制网(ControlNet)以其高效的通信速度(5Mb/s)、先进的网络模型、高效率的网络协议以及灵活方便的安装方式等特点,提供了满足以上需要的解决方案[6]。
五层结构和三层结构的对比如图3所示:
五层结构三层结构
图3三层结构与五层结构的对比图
Figure3Threestructuresandfivestructurescontrastcharts
3.3罗克韦尔各种网络特性比较[7]
除了上面介绍的几种功能强大的网络外,罗克韦尔还提出了一些其它的网络形式,如:
通用远程I/0链路、DH-485网络、DH+网络。
其网络特性如下:
表1网络特性比较图
Table1networkcharacteristiccomparison
DeviceNet
网络
ControlNet
网络
EtherNet/IP
网络
通用远程
I/0链路
DH-485网络
DH+网络
功能
不通过I/O模块,直接把底层设备连接到工厂级的处理器上
支持PLC和I/O设备直接的实时数据传输
集成了工厂管理系统(物资管理);网络配置;数据采集;控制另一个独立的高速网络;和未预定的实
时应用
提供PLC和I/0适配器之间的连接
提供SLC处理器、人机界面和编程设备之间的连接
允许工厂级和车间级的数据共享和远程编程
典型
的网
络设
备
传感器、马启动器、变器、按钮、低端人机界面、条形码阅读器PLC、气动阀
PLC处理器、I/O机架,人机界面,个人计算机,变频器、机器人
大型计算机,PLC控制器,机器人,人机界面,I/O接口和
I/O适配器
PLC处理器,I/O机架、变频器、操作员介面。
远程开关、操作模块
SLC处理器,个人计算机,低端人机界面
PLC处理器,个人计算机,高端人机界面
数据
的再
现
小的数据报文;需要的时候才发送数据
中度大小的数据报文;数据的传递是确定的、可以重复的
大数据报文,周期发送
中度大小的数据报文周期传送
小的数据报文,通过周期传送或指定传送
中度大小的数据报文周期传送
最大
节点
数
64个逻辑结点(2048个设备)
99个
无限
1扫描器和
32适配器
32个
每条链路64个(网络可以有99个链路)
数据
传输
速率
500,250或者125kbit/s
5Mbit/s
10Mbit/s
100Mbit/s
230.4,115.2或者
57.6kbit/s
19.2kbit/s
57.6kbit/s
设备
供应
商
完全开放
罗克韦尔自动化公司及合作者
应用举例
控制、配置、
采集数据;传感器和执行机构联网到PLC控制器或个人计算机以减少导线并提供更多的故障诊断信息
控制、配置、采集数据;PLC处理器控制远程I/O机架;和其它处理器进行点对点通讯,并对实时数据采用冗余
介质连接
使用一台单独的个人计算机对多个PLC处理器控制、配置和采集数据,或者用一台单独的个人计算机在多个PLC控制器之间上载下载非
实时数据
一个PLC-5处理器I/O机架、PanelView操作员界面、1336拖动装置和第三方生产的焊接装置阀门
在一个小工厂使用一个编程用的个人计算机连接到一个或者多个SLC处理器上
使用一个个人计算机在网络的一端对全工厂的多个PLC处理器编程
4ControlNet现场总线技术
4.1ControlNet的历史及发展
ControlNet的技术基础是在RockwellAutomation企业长期自动化技术研究过程中发展起来的,最早于1995年10月面世。
1997年7月由Rockwell等22家企业联合发起成立了ControlNetInternational组织,Rockwell将该项技术转让给了该组织。
ControlNetInternational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设计和使用ControlNet的培训等工作。
同时ControlNetInternational组织还为供货商组织了一个特别兴趣小组(SIGs--SpecialInterestGroups)来统一和规范各厂商的产品,以实现各种产品的标准化。
随着国际系统网络技术的不断进步,ControlNetInternational组织也取得了很大发展,到目前成员公司己扩展到50多个,其中不乏世界知名大公司如ABBRobties、HoneywellInc、YokogawaElectricCorp、ToshibaInternational、Procter&Gamble、OmronElectronicsInc等。
ControlNetInternational组织的网址是http//www.controlnet.org。
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%,罗克韦尔ControlNet/DeviceNet占20%,以太网占8%,现场总线基金会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三大现场总线技术之一[8]。
4.2ControINet的技术特点
ControlNet网络特别适用于对时间有苛刻要求的复杂应用场合的信息传输。
它对于同一链路上的I/0、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作,均具有相同的带宽;对于离散和连续过程控制,均具有高度确定性和可重复性;网络支持主-从、多主和对等系统结构,对输入数据和对等通信数据实行多信道广播。
ControlNet网络具有高吞吐量、资源共享、组态和编程简单、传输介质为同轴电缆和光纤、支持冗余介质、体系结构灵活和安装费用低等特点。
当通信速率为5Mbps时,网络刷新时间最小可达2ms,可寻址节点数可达99个,同轴电缆传输距离最长可达6km(光纤介质使用中继器可达30km)。
它通过ControlLogixGateway能实现ControlNet、EntherNet、DeviceNet、RIO、DH+之间的数据交换,而对于FF现场总线不同情况:
1Mbps时0.75km,2.5Mbps时0.5km;IEC/ISASP50现场总线,5Mbps时0.5km,对比可知,ControlNet是一种先进的高速、实时控制网络和控制系统平台。
ControlNet网络支持主从通信、多主通信、对等通信或这些通信的任意混合形式,对输入数据和对等通信数据实行多信道广播。
通信形式可以组态选择,应用更灵活。
对等通信或多主通信的采用,可以提高网络的可靠性,改进网络的性能。
ControlNet网络的一个重要功能是,在传送对时间有苛刻要求的控制信息(如I/O状态和互锁的控制信号等)的同时,其它无时间苛求的信息(如程序的上传下载等)也能传送。
而对时间有苛求的信息(预定信息),在每个网络刷新时间内必须传输,这就保障了控制的实时性和可靠性。
ControlNet的技术特点可总结如下:
1)在单根电缆线上支持两种信息传输,一种是对时间有严格苛求的信息,另一种是对时间无苛求的信息和程序上/下载。
2)采取新的通信技术模式,以生产者/消费者通信模式取代了传统的源/目的通信模式。
它支持点对点(PeertoPeer)通信,而且允许同一时间向多个设备通信。
3)可使用同轴电缆,长度可达6Km,可寻址节点最多达99个,两节点间最长距离达1Km。
4)安装简单,扩展方便。
4.3ControlNet技术剖析
ControlNet现场总线之所以能保障对时间有苛求的信息的有效及时发送、组建高速确定性网络,与它采用独特的通信技术密切相关,下面就ControlNet采用的通信模式、介质访问方式、信息连接方式等方面详细阐述这一技术的特点。
4.3.1ControlNet现场总线的通信模式
ControlNet技术采取了一种新的通信模式,以生产者/消费者(Producer/Consumer)模式取代了传统的源/目的模式,下面从几个方面来描述了这一通信模式的特点。
a)显性报文和I/O报文
工厂控制层网络要传送一般的计算机通信网络中需传送的报文,同时需要传送实时的输入/输出(I/O)控制信息及整个控制系统中各控制器互锁信息等。
我们用显性报文和I/O报文来分别表示。
显性报文用来实现上传和下载程序,修改设备状态,记载数据日志,作趋势分析和诊断等功能,例如我们可以用显性报文对控制器中的五个定时器重写预设值或执行自测试操作。
它们的结构十分灵活,数据域中带有通信网络所采用的协议信息和要求操作服务的指令。
每个节点(设备)必须解释每个显性报文操作所请求的任务,并生成回应。
为按通信协议解释这种显性报文,在真正要用到的数据上必须有较大一块的附加量。
这种类型的报文在数据量的大小和使用频率上都是非常不确定的。
I/O报文在本质上是隐性的(Implicit),因而有时也称为隐性报文,它在数据域中常不包括协议信息,仅仅是实时的I/O控制数据,这些数据的含义是预定的。
因而在节点中对处理这些数据所需的时间大大减小,I/O报文的一个例子是控制器将输出数据发送给一个I/O块设备(I/OBlock),然后I/O块按照它的输入数据回应给控制器。
为了解释这种类型的报文而必须引入的附加量(Overhead)小,数据短,使用频率一致,并且需要高的性能:
对I/O报文传送的可靠性,送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。
过去用于I/O控制的网络在发送显性报文时不能处理发送数据的时间及报文尺寸上的不确定性因素。
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