基于工业网络的多点控制系统研究【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于工业网络的多点控制系统研究 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着计算机、控制、通信技术的飞速发展，传统的集中控制和点对点的控制系统已经无法满足当今工业网络对网络化、智能化以及 分散化的需求。融合了工业以太网技术、现场总线技术和软总线技术的分布式多点控制系统符合现今工业网络发展的时代步伐。 本课题采用现场总线系统组建现场控制网络，将多个现场系统与远程控制终端通过网络实现互联，配置和运行软总线平台， 运用分布式多点控制软件，通过网络实现对多个现场设备的远程控制。具体的，基于工业以太网和 LabM

2、ap 软总线平台，采用 Wago 现场总线系统搭建现场控制网络，实现 各硬件测量控制子系统与远程控制终端的互联 。配置 LabMap 软总线， 使用 C#编程语言开发的多点控制应用软件，在远端同时对温度检测、液位控 制、灯光控制等多个现场系统进行松耦合分布式控制。 本文主要分为六个部分进行阐述：第一章介绍了控制系统的发展，描述了本课题的研究意义以及研究内容；第二章分析研究了目前主流的工业网络控制技术，展现了本设计的研究基础；第三章剖析了远程多点控制系统方案的具体内容，从硬件环境和软件系统两方面进行分析，以及对系统方案的改进；第四章重点介绍了实现多点控制的具体步骤和措施；第五章则是对课题设计过程

3、中遇到的问题的感悟与解决；最后是对整个系统的总结与展望。 关键词： 现场总线；软总线；多点控制 - 2 - Abstract With the rapid development of computer, control, communication technologies, traditional centralized control system and the point control system have been unable to meet todays industrial networks network, intelligence and decentralized

4、demand. Integration of industrial Ethernet, fieldbus technology and distributed soft-bus multi-point control system conforms to the era of modern industry and the pace of network development. The field bus system organized by subject field control network, multiple-site system with the remote contro

5、l terminal through the network interconnection. Configure and run the software bus platform, the use of distributed multi-point control software, remote network control of multiple field devices. Specific, based on Industrial Ethernet and LabMap software bus platform, built on-site system Wago field

6、bus control network, to achieve the measurement and control hardware subsystem and the remote control terminal of the interconnection. Configuration LabMap software bus, use the C # programming language developed by multi-point control applications, while in the remote temperature sensing, level con

7、trol, lighting control, and other loosely coupled distributed control system for the scene. This paper is divided into six parts. The first chapter describes the control system development, and the significance of the research projects and research content. The second chapter analyzes the current ma

8、instream of the industrial network control technology, demonstrated the basis for the design of the study.The third chapter presents The specific content of multi-point control system,From the hardware environment and software systems analysis, and improvement of system solutions.The fourth chapter

9、mainly describes the multi-point control for concrete steps and measures. The fifth chapter is the subject of the problems encountered in the design process insights and solutions. Finally, a summary of the whole system and Outlook is showed. Key words: Field Bus; Software Bus; Multi-Point Control -

10、 3 - 目 录 1 绪论 .1 1.1 控制系统的发展 .1 1.2 本课题的研究意义 .1 1.3 课题研究内容 .1 2 控制系统的研究 .3 2.1 基于现场总线的控制系统 .3 2.2 基于工业以太网的控制系统 .5 2.3 基于软总线平台的控制系统 .6 3 基于工业网络的多点控制系统设计与实现 .8 3.1 控制系统的组建 .8 3.2 系统软件部分 .9 3.2.1 分布式多点控制软件 .9 3.2.2 LabMap 软总线 .10 3.3 系统硬件环境 . 11 3.4 系统的改进 .13 4 主要功能测试 .14 4.1 测试前的必要配置 .14 4.2 功能测试 .15

11、5 设计中的难点 .19 6 总结与展望 .21 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .22 附录 1 部分程序代码 .23 附录 2 毕业设计作品说明书 .25 - 1 - 1 绪论 1.1 控制系统的发展 从过去的计算机集中监督控制系统（ CCS），集散控制系统（ DCS）到如今的现场总线控制系统（ FCS），工业网络控制系统经历了多个发展阶段。随着计算机网络和通信技术以及控制技术等高新技术的迅猛发展，当前工业控制自动化技术正面向开放性、标准化的体系结构，朝着智能化、网络化、信息化和集成化方向发展，进入了基于信息技术的自动化时代 1。 特别是进入 90 年代以后 , 计算机技术、网络

12、通信技术和控制技术不断的发展和交叉渗透 ， 社会生产 力 不断提高 以及科技的不断创新，整个工业生产系统变得越来越庞大，在空间上分布越来越分散，越来越广阔，其组成也越来越复杂多样化。这导致了工业控制系统也越来越复杂，要求越来越高，传统的点对点式的控制系统无疑已经无法满足其 网络化、智能化 、 分散化 的需求。同时全球市场竞争日益激烈，各大企业面临着巨大的挑战，一种更智能更高效的工业控制系统的产生迫在眉睫 。 而 集成了计算机、控制和 通信 等技术 ， 基于网络的多点控制系统能够满足这些需求。 1.2 本课题的研究意义 传统的工业网络控制系统通常是一对一单独传送信号，信号不稳定且易受干扰， 交互

13、扩展性差，一般不能轻易的加入新的现场设备。而工业网络多点控制系统采用信息集成和系统集成的概念，将整个企业的决策和计划、工厂的生产与监控、市场销售与售后服务通过网络连通为一体，实现了企业的信息集成和综合自动化。同时又将工业现场环境的管理设备，监控设备以及现场生产设备连成通信控制网络，实现生产的远程管理与监控。实现信息一对多的双向传输，能够以“即插即用”的方式来交互替换使用现场设备或者加入新的现场设备。能够应用于 冶金、电力、化工、石油、造纸、 大型机器设备的制造和电气化运输 等工业领域 。 1.3 课题研究内容 采 用现场总线系统组建现场控制网络，将多个现场系统与远程控制终端通过- 2 - 网络

14、实现互联。配置和运行软总线平台进行简单的控制，采用 C#编程语言开发控制软件，在远端同时对温度检测、液位控制、灯光控制等多个现场系统进行松耦合分布式控制。 本课题旨在通过对 基于工业网络的多点控制系统进行研究 ，深入了解整个控制系统的体系结构，指出多点控制系统对工业自动化及家居智能化有着极大推动作用。 - 3 - 2 控制系统的研究 传统的工业网络多点控制系统中，通讯是通过封闭的专用网络系统来实现的，这就存在着不同厂家的产品不能互换、互联的缺陷。由于系统缺乏 开放性，控制无法做到彻底的分散，危险仍然相对集中。而目前应用于工业网络控制的主流技术是现场总线技术和工业以太网技术 2。 2.1 基于现

15、场总线的控制系统 现场总线技术是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多节点的数字通信技术。现场总线控制系统已经存在了将近 20 年 ,并被广泛地应用于许多工业自动化领域中。工厂的不同设备终端以及现场测量控制设备与现场总线直接连接形成一个通信网络，远离现场的控制室可以通过现场总线连接的通信网络接收现场设备运行的各种信号以及运行参数、状态和故障信 息等，同时又能把各种控制、维护命令发送到现场设备上去，更甚至能够将一个现场设备上的信息送到与其相关联的现场设备上去，从而实现了对生产过程现场控制设备之间和它们的更高一级控制管理层之间的沟通互联，也实现了对多个不同地点

16、位置的现场设备的控制。现场总线控制系统不同于传统的点对点，一对一设备连线模式的模拟控制系统，而是将通信网络与控制系统相结合，集管理和网络通信为一体，采用总线来进行通信 3。 图 2-1 基于现场总线的控制系统 如图 2-1， 现场总线引入了通信网络，将现场设备和控制系统结合在一起，- 4 - 使现场控制和 上层管理的联系更紧密了，实现了控制的分布化和网络化。不同于传统的点对点连接，解决了控制系统空间和位置上的局限性问题，将控制功能延伸到现场的节点，扩展了整个控制活动的场所 4。简化了整个控制系统的连接，除去了不必要的连线设备。具有灵活性好、可靠性高、接线少、信息互通共享、方便系统的维护和拓展等

17、许多优点。 现场总线的特点 56： （ 1）系统开放性。相关的标准统一并对外公开，企业工厂可以将标准相同的设备和系统接入使用而不存在地域差别的问题。这使得企业工厂可以按照自身的实际情况来选择所需的设备或者系统进行 搭配组合，无需考虑空间及兼容问题，从而达到自己企业生产的最优化。 （ 2）设备互联性。将传感器、控制器和执行器等现场设备连入整个控制通信网络，采用 1 对 N 的多点结构，实现分布式多点控制。可以实现现场设备之间点对点、点对多点及广播式信息传递。 （ 3）互可操作性与互用性。实现了相互连接的设备之间的信息传递和沟通，不同厂家的性能类似的现场设备通过“即插即用”的方式互相替换，互相使用

18、。 （ 4）环境的适应性。具有较强的抗干扰能力，能够适应不同的现场环境，支持多种通信介质，采用两线制实现供电与通信 7。 由于现场总线所具 备的诸多特点，以及简单灵活的系统结构，使其在实际工业生产控制中发挥巨大作用。从系统方案的设计，到系统网络的组建，再到系统运行的维护，每个环节都无处不在地体现了现场总线的优越性： （ 1）控制设备组件大大减少。 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，这就使得系统的连线大量减少，各种繁杂的控制器也可以全部省去，在硬件上的资金投入大大减少。由于控制设备的减少，占地空间也自然大量减少，增加了空间利用率。 （ 2）投入费

19、用大大减少。 连线简单的现场总线系统，在一对双绞线或一 条电缆上就可以挂接多个现场设备，使得电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。不用添加新的电缆就可以在就近连接的原有电缆上轻易的加入- 5 - 新的现场设备而无需重新进行设计和安装，工作量大大减少，安装费用也可以节约 60%以上。而且现场控制设备拥有判断自身故障和简单处理的能力，会把诊断维护的信息通过数字通信发送给控制室。操控者根据收到的信息可以方便地进行查询，以便快速地分析并找到故障的原因，从而及早解决。简单的控制系统结构和连线使维护的工作量大大减少，费用大大减少。 （ 3）选择自由性 大大提高。 用户

20、可以自主选择不同厂家所生产的不同设备来组建控制系统网络。解决了协议和接口不兼容的问题，用户可以自由地选择适合自己实际需求的产品而没有后顾之忧。 （ 4）准确度和可靠性大大提升。 传统控制系统中采用模拟的信号，信号不稳定且易受干扰，而现场总线通过数字设备的智能化、数字化，避免了传送误差，大大提升了测量与控制的准确度。同时，由于系统结构设计简单，省去了不必要的设备与连线，减少了信号的往返传输，大大提升了系统的可靠性。 2.2 基于工业以太网的控制系统 随着工业控制系统的越加复杂化，分散化，其内部的连 接越来越多了，各个独立控制部分对驱动和设备接口的要求愈来愈高，以太网网络接口逐步普及。以太网控制系

21、统采用分布式体系结构，实质上是一种开放的，具有互操作性的，分散的分布式控制系统 8。 图 2-2 基于工业以太网的控制系统 - 6 - 如图 2-2 是基于工业以太网的控制系统。 集成以太网接口的嵌入式控制模块和控制设备可以很方便地将传统的控制设备集成到基于工业以太网的控制网络中。这使得整个工业控制系统增加了弹性，不论是原有的现场设备或是以后引进的新的现场控制基础设施都能够方便的接入整个控制系统。 工业以太网提供了针对工业 控制网络数据传输的以太网标准。其具有很高的实效性、可操作性和网络安全性，能够满足工厂生产的各种需求。工业以太网具有扩展性能强、效率高、高度智能化和成本低廉的特点： （ 1）

22、 基于 TCP/IP 的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂家生产的不同设备可以简单的实现互联。这避免了工业控制系统中出现的不同厂商设备的兼容和互操作等问题 9。 （ 2） 以太网具有很大的带宽，数据的传输速率很快 10。采用以太网作为现场总线可以很容易地把 I/O 数据连接到信息系统中，以实时方式和信息系统上的数据库、应用软件实现资源共享。 （ 3） 以太网能够方便连接到 Internet。通过 Internet，企业可以对生产现场进行远程监视和控制。以太网将办公自动化网络和工业控制网络紧密地结合在一起，实现了工业生产控制的高度自动化。 （ 4） 低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网

23、卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口连接十分方便。 （ 5） 可持续发展潜力大 。 以太网为控制系统 提供了一个深入发展的方向 ，在技术升级 这 方面 开发者不用 独自研究投 入 ，对于这一点，任何现有的现场总线技术都 是 无法比拟的。 2.3 基于软总线平台的控制系统 随着现场总线技术的发展 ,分布式 多点控制系统正在逐步替代传统的控制系统结构 ,为了解决异构系统交互的问题出现了软总线技术 11 。软总线技术融合了计算机硬件总线技术和软件模块化技术 ,采用硬件即插即用的理念 ,使软件可以像硬件设备一样使用 , 是基于工业自动化控制而开发出的一种软件中间件技术12。 软总线 (Software Bus)是一个面向对象的管理分布式对象动态集合的通信系统。应用程序通过软总线在网络上与运行在其他不同系统上的进程实现数据和