基于工业网络的生产流程控制研究【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于工业网络的生产流程控制研究 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 本 文描述如何利用 工业以太网和软总线平台 及 生产流程控制技术 来完成远程控制生产流程，本设计 采用数字开关组、 LED 指示灯 面板和现场总线系统构成硬件实验环境模拟实际工业生产中的流程控制，模拟同时对多个生产流程进行控制 ，并对采集的数据进行分析，得出设计对现代工业生产具有一定的意义。 本文主要分为五个部分进行阐述：第一章介绍了 工业生产流程控制系统及其应用 ，并明确本课题的研究内容；第二章介绍了系统的设计方案，包括硬件设备，

2、工业以太网技术， LabMap 软总线， Wago 现场总线技术；第三章介绍了系统的具体操作步骤和实现， Wago 控制系统的搭建， C#编程语言界面的开发，并解释了主要功能的代码；第四章重点描述系统的实现，包括平台搭建，软总线 平台 LabMap的配置及应用测试；第五章列举了在课题设计、研究过程中遇到的一系列问题及其解决方法；最后是对本系统的总结及展望。 关键词： 工业网络；工业控制；软总线；生产流程 - 2 - Abstract This paper studies how to make use of Industrial Ethernet and Soft bus platform,

3、discuss the technology of controlling production process, adopt digital switch group, LED Indicator panel and Field bus system which consist of Hardware experimental environment to simulate the flow control in the actual industrial production and the control of several production process in the mean

4、time. In addition, this paper clarifies this design having the vital significance for modern industrial production by means of Data collection. This paper is principal divided into five parts to state details: The first chapter introduces traditional control system of Industrial production process,

5、And clearly the research topic; The second chapter recommends the systems design scheme, including Hardware equipment, Industrial Ethernet technology, LabMap soft bus technology and Wago field bus technology; The third chapter presents specific operational steps of system and their realization, intr

6、oduces the structures of Wago control system and the development of the C programming languages interface, it also explains the code of the major performance of the system; The forth chapter stresses describing the realization of the system, including the form of plat, the configuration of LabMap so

7、ft bus plat and its applicative testing ; The fifth chapter lists a series of issues and their corresponding solutions appeared in curriculum design and research process; at last, the paper will give a summarize to the system and a prospect of it. Key words: Industrial Networks; Industrial Control;

8、Software bus; Production process - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 工业生产流程控制系统及其应用 .1 1.2 课题研究内容 .2 2 基于工业网络的生产流程控制的设计 .3 2.1 硬件设备及其原理 .4 2.1.1 数字开关和 LED 指示灯板面 .4 2.2 工业以太网及现场总线技术 .4 2.2.1 工业控制网络技术 .4 2.2.2 现场总线 .5 2.2.3 工业以太网技术 .6 2.3 基于工业控制网络软总线技术 .8 2.3.1LabMap 软总线技术 .8 3 基于工业网络的生产流程控制系统的实现 .9 3.1 系统软件的实现 .9

9、3.1.1 远程生产流程软件 .9 3.1.1 LabMap 软总线平台 .9 3.2系统硬件的实现 .9 3.2.1 数字开关组、 LED 指示灯 .9 3.2.2 WAGO-I/O 现场总线 .10 3.3 远程控制系统的设计与实现 . 11 3.3.1 工业网络远程控制系统设计界面 . 11 3.3.1 主要功能实现部分代码 .12 4 系统实际测试及结果 .14 4.1 搭建工业网络远程控制系统平台 .14 4.2设置 LABMAP软总线平台 .15 4.3实现功能 .16 5 难点及解决 .23 6 总结 .25 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 1 部分程序代码 .27 附录

10、 2 毕业设计作品说明书 .30 - - 1 - 1 引言 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，工业控制系统的结构由最初的 CCS（计算机集中控制系统），到第二代的 DCS（分散控制系统），发展到现在流行的 FCS（现场总线控制系统） 1。基于工业网络的生产流程控制系统是对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策 , 达到增加产量、提高质量、 降低消耗、确保安全等目的的一个综合性的系统， 相 对于 传统 的工业生产流程模式能更好的适应当前激烈的市场竞争 。 也正因为有这些优点，基于工业网络的生产流程控制系统正在逐渐被人们所接受，因此，它对未来工业的发展有着重要意义，对于某些大型

11、的工业基地而言，此系统能大大提高其的收入。 1.1 工业生产流程控制系统及其应用 传统的工业生产流程控制系统流行于上个世纪 30 年代，是当时先进的一种控制体系，但随着现场总线，以太网和数字控制技术的出现，这种传统的工业生产流程控制系统曝露了它许多的缺陷： 1. 传统的工业生产流程控制系统要 实现显示切换、报警上传、中心与现场对讲等功能，必须外加硬件功能模块，而且不同的硬件模块其接口都不尽相同，所以制约了硬件选型和拓展。 2. 传统的工业生产流程控制系统中需要每一个车间必须都要有专门的线缆铺设至中心，包括音频线、视屏线、报警控制线等多种控制线。如果只有一个车间还好，如果有 10个以上的车间，那

12、需要接入的线只能用大量来形容，这样对不论是施工还是维护都是很大问题。 3. 传统的工业生产流程控制系统中的设备使用大量的硬件设备，如硬盘录像机，报警盒等。 4. 传统的工业生产流程控制系统线材数量庞大，施工时需要大 量排线管和中继设备，需要投入大量技术人员，且施工时间长，工程量庞大。 5. 传统的工业生产流程控制系统中使用的大多都是大功率设备，故障率高，工程本身使用的线材都而复杂，增加了故障的发生率 1。 - - 2 - 1.2 课题研究内容 在科技迅速发展的今天，传统的工业生产流程控制系统已经不能满足人们的需求了，人们需要研究出新一代的 生产流程控制 系统来适应现在的生产节奏，故基于工业网络

13、的生产流程控制系统来控制生产流程必然成为人们的焦点。 本课题 研究的是如何利用 工业以太网和软总线平台， 研究 生产流程控制技术 ， 采用数字开关组、 LED 指示灯 面板和现场总线系统构成硬件实验环境，编写程序 来 模拟生产流程控制过程模拟实际工业生产中的流程控制，模拟同时对多个生产流程进行控制 。 - - 3 - 2 基于工业网络的生产流程控制的设计 采用 Labmap 的软总线搭建基于工业网络的生产流程控制系统，在双向通信中网络管理员进行实时数据采集及系统参数配置，图 1 为基于工业网络的生产流程控制的结构框架总图。 图 2-1 基于工业网络的生产流程控制 的结构框架总图 在基 于工业网

14、络的生产流程控制系统中，采用软件与硬件相结合的方式，在 PC 机上编辑程序，开发工业网络控制系统，通信 LabMap 软总线平台，通过互联网或者工业网络控制不同的 Wago 现场总线，从而控制各个生产线流程系统。Pc 机即工业远程控制系统为开发控制软件，生产线流程系统及 Wago I/O 现场总线组成了这个系统的硬件部分， PC 机和硬件系统通过 TCP/IP 进行通信，但由于硬件系统支持的协议为 Modbus 协议，但 PC 机不支持此协议，故需要通过 LabMap软总线平台来维持两边的通信（ LabMap 软总线平台支持多种协议包括 Modbus 协议）。 工业网络远程控制系统 /pc L

15、apMap 软总线平台 Wago现 场 总 线 Wago现 场 总 线 Wago现 场 总 线 Wago现 场 总 线 生产线一流程 生产线二流程 生产线四流程 生产线三流程 互联网或工业网络 - - 4 - 当系统运行时，远程控制系统即 PC 机选择启动硬件系统中的一个生产线，例如生产线 1，则此系统将此命令传输给 LabMap 软总线平台，再由 LabMap 软总线平台通过互联网或者工业网络传输给 Wago I/O 现场总线，再由 Wago I/O 现场总线传输的生产线 1 流程系统，这样生产线 1 流程系统就开始工作了。同样的，当生产线 1 流程需要传输数据时也能通过 Wago I/O

16、现场总线传输到 LabMap 软总线平台，再由 LabMap 软总线平台反馈到远程控制系统上，使网络管理员能及时的了解生产线上的实时数据和系统参数配 置。下面具体介绍下各个层的原理及运用。 2.1 硬件设备及其原理 2.1.1 数字开关和 LED 指示 灯板面 此设计采用的是 数字开关组、 LED 指示灯面板 来模拟生产线的流程系统，一个数字开关和一个 LED 指示灯代表一个生产线流程系统。 2.2 工业以太网及现场总线技术 2.2.1 工业控制网络技术 随着以互联网为代表的信息技术的广泛应用，不同国家的厂商可同时得到买卖的信息，地域不再是影响企业竞争的重要因素，一个企业不再仅仅是一个地区的企

17、业，一个国家的企业，而是一个全球的企业。这样就产生如下的需求：一个企业中的设备可 能和异地企业的设备组成制造系统，或者由异地企业来控制管理，故研究设备的远程监控是实现全球化制造的重要课题 2。因此，工业现场控制网络已经是现代制造业自动化系统中十分重要和关键的内容。 目前工业控制网络技术主要包括现场总线技术和工业以太网技术。 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 /仪表与控制室的自动控制装置 /系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线 4。在工业生产中。它一方面将现场设备运行的各种信息传到远程的控制室，另一方面又将控制室的各种控制命令、维护、组态命令送往各相关的现场设备。 工业以太网 是

18、 针对高质量高复杂性的过程- - 5 - 控制，提供强有力的单层网络，它是专门为工业过程控制的要求而开发的通信技术，可以通过 TCP/IP 协议直接和 Internet 实现网络互联。 网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以 现场总线 和工业以太网技术为代表的控制网络技术是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，也是信息化带动工业化的重点方向 5。目前 网络控制技术 正从传统的控制网络技术 现场总线向现代控制网络技术 工业以太网技术的方向发展。 2.2.2 现场总线 现场总线（ Fieldbus）是 80 年代末、

19、90 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系 7。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术 ,已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，改革了自动化系统和设备。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后， 尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有 :FoudationFieldbus （ FF）、

20、 LonWorks、 Profibus、 HART、 CAN、 DeviceNet等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。 现场总线的优点 8： (1)减少硬件数量与投资。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，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要 DCS 系统的信号调理、转换、隔离技术等 功能单元及其复杂接线， 还可以用工控 PC 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 (2)节省安装费用。现场总线系统的接线需要使用到电缆、端子、槽盒、桥架等器件，但由于

21、其接线非常简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而使器件的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当- - 6 - 需要增加新的现场控制设备时，无需再增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用 60%以上 。 (3)节约维护开销和时间。由于现场控制设备具有自检与简单故障处理的能力，并能将这些维护信息通过数字通讯送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。减少工作量，节约了用户的

22、时间。 (4)用户具有高度的系统集成主动权和自主权。由于现场总线与各种系统协议都是兼容的，故用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用 户手中。 (5)提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强 :减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 2.2.3 工业以太网技术 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网 (即 IEEE 802.3 标准 )兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操 作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。以太网进入工业自动化领域的直接原因是现场总线在其发展过程中，沿用各大公司专有技术，导致相互不兼容，同时它强调了工业控制网络的特殊性却忽视了其作为一种通信技术的一般性和共性，在这样的技术背景下，以太网逐步应用于工业控制领域，并且快速发展。 工业以太网代表的 COTS 信息网络通信技术却以其协议简单、完全开放、稳点性和可靠性好而获得了全球的技术支持。