1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于工业网络的远程热水时控系统 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 摘 要 随着高科技和信息技术的广泛应用，智能家居系统已经能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境。 本课题以工业以太 网和 LabMap 软总线为运行平台，采用现场总线系统组建现场控制网络，布设模拟热水器硬件系统，实现现场网络与远程控制终端的网络互联。配置和运行 LabMap 平台，并进行开关量数据读取。利用 C#编程语言开发应用软件，进行远程液位调控，并根据设置的液位高度进行相关智能操作，如水位达到设置的液位时，停止加水 ,按照设定的时间，开
2、始对水进行加热。 本文主要分为五个部分进行阐述，第一章介绍了智能家居现状和远程时控的实现方法；第二章介绍了工业网络，工业以太网及现场总线；第三章具体介绍了该系统的实现方式， WAGO 系统的搭建，应 用 C#对系统软件进行开发，实现模拟热水器的液位控制；第四章描述了软件运行的结果，以及对结果的分析和对系统的改进意见；最后一章列举了在课题设计、研究过程中遇到的困难以及解决困难的方法。 关键词 ：智能家居；远程热水；网络控制 Abstract With the high-tech and information technology widely used, smart home system h
3、as been able to provide people more relaxed, orderly, and efficient environment for modern life. This topic is mainly depending on industry Ethernet and LabMap software platform, adopting field-bus control system to build control system to implement of network, lay out water heater hardware to achie
4、ve end-site network and Internet connectivity remote control. Configure and run LabMap platform to read the switch digital data. Using C# programming language software applications to control remote liquid level, and do some intelligence operations based the set liquid level. If the water level reac
5、hes to the set level, stop adding water, in accordance with the set time, start heating the water. This article shows as five parts. The first chapter introduces the smart home system and the method of remote control. The second chapter introduces the industrial network, industrial Ethernet and fiel
6、d bus. The third chapter presents how to realize the system, set up the WAGO system, develop software by using C#, and control the liquid level. The fourth chapter describes the consequence of running the system and analyzes the consequence and how to improve the system. The last chapter summarizes
7、the whole system and some prospects for it. Key words: Smart Home; Remote Water Heating; Network Control 目 录 1 引言 . 2 1.1 课题研究背景及意义 . 2 1.2 课题研究内容 . 2 2 工业网络控制技术 . 3 2.1 工业网络的概念及特点 . 3 2.2 工业以太网 . 3 2.3 现场总线技术 . 4 3 基于工业网络的远程热水时控系统的设计与实现 . 6 3.1 系统硬件的实现 . 7 3.2 系统软件的实现 . 8 3.2.1 LabMap 软总线 . 8 3.2.2
8、 远程热水系统程序的实现 . 8 3.2.3 远程热水控制界面 . 9 3.2.4 主要功能实现代码 . 9 4 系统测试 . 11 4.1 搭建 LabMap 软总线平台 . 11 4.2 LabMap 软 总线的配置 . 12 4.3 功能测试 . 13 4.3.1 单个热水系统测试 . 13 4.3.2 多个热水系统测试 . 14 5 难点及解决 . 17 6 总结 . 18 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 19 附录 1 源程序代码 . 20 附录 2 毕业设计作品说明书 . 23 1 引言 1.1 课题研究背景及意义 随着科学技术和国民经济水平的提高，特别是计算机技术、通
9、信技术、网络技术、控制技 术的迅猛发展与提高，促进了家庭实现现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，智能家居业正是在这种形式下应运而生的。 智能家居系统是指以现代住宅为平台，采用先进的电子传感技术和信息传输技术的开放性、智能化集成家居系统，它利用网络通讯技术将与家居生活有关的各种子系统有机会地结合在一起，通过统筹规划，实现对住宅情况远程监控和实时管理，为用户提供全方位的多功能服务 1。 本课题研究的是如何利用工业上的网络控制系统，采用 LabMap 软总线技术搭建基于工业网络的远程热水控制系统，采用双向通信的方式，对系
10、统参数进行配置以及对数据进行实时采集，实现对远程热水系统的控制 。 1.2 课题研究内容 在科技突飞猛进的现代，人们对于生活质量也有了更高的追求。传统意义上的热水供应系统已经跟不上科技发展的脚步。本课题主要研究一种全新的远程热水时控系统。该系统是通过工业网络，实现对家庭供水设施的远程控制。 主要操作有以下几点 ： 1. 通过 Visual Studio软件编写 C#汇编语言； 2. 配置 LabMap软总线和 Wago现场总线系统； 3. 探究如何利用软总线平 台和基于工业以太网，实现远程热水时控。 本次课题主要研究的内容是基于 工业网络的远程热水系统的 设计和开发 。 最终的设计目标是通过
11、编写 C #在 Visual Studio 中 生成一个 模拟热水器控制 界面。当用户 正确连接各个硬件设备 后，按下 “开始” 按键后， 向模拟热水器加水到设定液位，开始对水进行加热。然后联系数据库中的有关数据，做出相关的动作。 2 工业网络控制技术 2.1 工业网络的概念及特点 工业网络 是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。具体有以下三种类型： (1)专用、封闭型工业网络：该 网络规范是由各公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向： 走向封闭系统，以保证市场
12、占有率。 走向开放型，使它成为标准。 设计专用的 Gateway 与开放型网络连接。 (2)开放型工业网络：除了一些较简单的标准是无条件开放外，大部分是有条件开放，或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员，产品需经过该组织的测试、认证，方可在该工业网络系统中使用。 (3)标准工业网络：符合国际标准 IEC61158、 IEC62026、 ISO11519 或欧洲标准 EN50170 的工业网络，它们都会遵循 ISO/OSI7 层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面，或是自己设计通信 IC，然后再依据应用领域设定数据传输格式。例如， D
13、eviceNet 的物理层与数据链路层是以 CANbus 为基础，再增加适用于一般 I/O 点应用的应用层规范。 网络技术的产生对工业控制来说有以下优点： (1)安装布线方便； (2)模块化； (3)易于诊断； (4)自我建构； (5)企业化管理。虽然工业控制网络有这些优点 ，但实际上工业控制网络的进展却远不及商业网络，主要原因有二： (1)工业网络标准太多。各厂商从自身利益考虑会极力推行自己的网络标准。不同的网络协议针对特定的应用领域，因而具有各自的特点，各有其存在的环境和价值。而且新的协议还在不断产生，这样用户往往无所适从，担心一旦选用了一种协议后，会被某些厂商钳制。 (2)网络化 所必须
14、增加的成本对用户来讲往往是一项沉重的负担。所以直到现在，具有网络接口的元件还很少，运动控制器也是如此 2。 2.2 工业以太网 工业以太网（ Ethernet）基于 TCP/IP 的以太网是一种标准 的开放式通信网络 ，以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展，高档的微处理器作为 I/O 处理器和控制器核心的条件逐渐成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现 TCP/IP 协议，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。过
15、程控制工业和自动化工业 ,从嵌入式系统到现场总线控制系统 ,都认识到了以太网和 TCP/IP 的重要性 ,以太网和 TCP/ IP 作为世界上最为广泛应用的网络协议 ,它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带 TCP/ IP 协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和 I/ O 模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接 ,而无需任何专用设备 3。因此可以说 ,工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台 ,从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。 2.3 现场总线技术 现场总线（ field-bus）技术是 80
16、年代末， 90 年代初国际上兴起的一种先进的工业控制技术，它将当 今网络通信与管理的观念引入到工业控制领域，形成了先进的控制网络技术，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信网络 4。 现场总线的技术特点： (1) 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。 (2) 互可操作性与互用性 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信，而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 (3) 现场设备的智能化与功能自治性 现场总线技术将传感测量、补偿计算、工程
17、 量处理与控制等功能分散到现场智能化设备中完成，紧靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态 5。 (4) 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性 6。 (5)对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电力线 等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足防爆等要
18、求。 3 基于工业网络的远程热水时控系统的设计与实现 如图 3-1，我们采用 LabMap 的软总线搭建基于远程网络的热水时控系统，其中管理者运用软件中介来监控生产现场。首先我们在 PC 机上搭建 LabMap 软总线平台，再通过网线连接到各个 WAGO-I/O 子设备，然后通过 WAGO 现场总线对热水器模拟器进行控制。 图 3-1 远程热水控制系统 远程热水控制系统 LabMap 软总线平台 热水器模拟系统 1 热水器模拟系统 2 热水器模拟系统 4 热水器模拟系统 3 Wago-I/O 设备 1 Wago-I/O 设备 2 Wago-I/O 设备 3 Wago-I/O 设备 4 3.1
19、系统硬件的实现 图 3-2 为热 水器模拟器测试系统 本系统应用的是 WAGO-I/O 现场总线，该总线是 WAGO 公司研制的，其属于WAGO-I/O-SYSTEM750 系列。在此基础上， WAGO 公司又相继推出了WAGO-I/O-SYSTEM750 可编程现场总线配置器、紧凑型现场总线输入 /输出控制系统 WAGO-I/O-SYSTEM752 系列。 WAGO-I/O-SYSTEM 750 已成功应用于众多工业、生产及过程控制自动化领域中，成为重要的模块化现场总线系统。 其特点有： (1)安装简单： WAGO-I/O-SYSTEM 系列产品采用模块化结构，使用标准 导轨进行安装，即插即用，而且模块的体积小，节省空间。 (2)使用灵活：可根据需要任意将各种功能模块组合到一起，并可根据需要随时更换总线适配器和其它功能模块，为将来实现现场总线统一提供方便。 (3)功能齐全：能适应多种现场总线通讯方式及串行口通讯；功能模块品种多，功能齐全，包含有适用于各种电压等级信号的开关量输入 /输出模块和模拟量输入 /输出模块，继电器模块，计数器模块，电源模块，接口模块等 8。 热水器 模拟器 Wago I/O 现场总线系统
