1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于网络控制的分布式液位监测系统设计与实现 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，布设电磁开关、液 体罐、浮标等硬件系统，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，并测试数字量读取和设置。利用 C#编程语言开发应用软件，进行远程分布式液位监测和流量控制，并根据采集到的液位情况进行相应的智能操作，如当检测到液位低于某个值时能自动打开开关自动进水。 文中主要分为 5 个部分进行阐述。 第一章
2、介绍了液位监测系统的现状及流量控制的实现，并明确本课题的研究内容；第二章介绍了系统的设计方案，包括液位监测原理，工业以太网技术， LabMap软总线；第三章介绍了系统的实现， Wago控制系统的搭建， C#编程语言界面的开发，实现液位监测的具体操作和实现，并介绍了主要功能实现的代码；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以及对本系统的总结及展望。 关键词： LabMap 软总线；分布式网络控制；液位监测； - 2 - Abstract This topic is based on ind
3、ustry Ethernet and LabMap software platform, adopting field-bus Control System to build control system to implement of network, build hardware systems and so on magnetic contactor, liquid pot, buoy and Internet connectivity remote control. Configure and running LabMap platform to read the switch dig
4、ital data, using C# programming language software applications to remote distributed fluid position monitor and flow control, and Gathers fluid position situation to operate related intelligence. When if examines the fluid position is lower than some value can turn on the switch to enter the water a
5、utomatically. This article shows as five parts. The first chapter describes the fluid position observation systems present situation and flow control realization, and clearly the research topic. The second chapter describes the system design, including the Fluid position monitor principle, industry
6、Ethernet and LabMap soft bus. The third chapter presents the systems realization. It includes industrial Ethernet technology, soft bus LabMap, Wago control system, the specific operation of realizing the light control and the use of this system. In addition, it uses C# programming language to explai
7、n the system. The fourth chapter mainly describes the systems settings. It contains the platforms construction, the LabMaps configuration and application testing. The fifth chapter enumerates some problems and solutions in the researching process. The last section summarizes the whole system and som
8、e prospects for it. Key words: LabMap; Network Control; Liquid Level Monitoring； - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 课题研究现状 .1 1.2 课题研究内容 .1 2 基于工业网络的液位监测系统 .3 2.1 物理硬件设备及其原理 .4 2.1.1 液位传感器 .4 2.1.2 液位传感器测量原理 .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 工业以太网技术 .5 2.2.3 现场总线技术 .6 2.3 基于工业控制软总线 LABMAP的分布式平台 .8 2
9、.3.1 LabMap 软总线技术 . 错误 !未定义书签。 2.3.2 分布式网络 . 错误 !未定义书签。 3 基于网络控制的液位监测系统的实现 .10 3.1 系统硬件的实现 .10 3.1.1 系统硬件实物图 .10 3.1.2 WAGO-I/O 现场总线 .10 3.2 上层操作与监控软件的设计与实现 . 11 3.2.1 分布式液位监测软件 . 11 3.2.2 程序流程图及主要功能实现代码 . 11 3.2.3 程序主界面 .14 4 系统功能测 试及结果 .15 4.1 软总线平台 LABMAP的配置 .16 4.2 功能测试及结果 .19 4.3 难点及其解决方法 .21 致
10、 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .23 附录 1 部分程序代码 .25 附录 2 毕业设计作品说明书 .28 - 1 - 1 引言 液位监测涉及到工业生产的各个领域，如在水利、石油、化工、冶金、电力等领域的自动检测和控制系统中具有广泛的应用。 在工业过程控制系统中液位是一种十分普遍的对象 ,液位的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。在过去 , 液位的监控装置多数是使用单片机实现点对点控制和显示 , 工作人员必须到工业现场操作这些仪器 , 且单片机功能十分有限 , 只能完成一些相对简单的操作。 随着网络通信 技术的发展 , 以太网及软总线平台在工业控制领域的应用日趋广泛 , 基于
11、以太网及软总线平台的远程监控系统实现远程监测、控制和管理的有效集成。使用远程监控系统通过网络对工业生产过程进行监测 , 及时了解现场信息 , 快速进行决策。 1.1 课题研究现状 目前国内的液位监测技术主要有采用单片机实现点对点的控制和显示，工作人员必须到工作现场操作这些仪器，且单片机功能十分有限，只能完成一些相对简单的操作。这种传统方式相对而言，比较麻烦。因而这里介绍一种网络控制的分布式液位监测系统，能够实现多点远程液位控制。 1.2 课题研究内 容 随着科学技术的发展，工业生产中液位监测系统有了更高的要求，传统意义上的液位监测系统已逐渐被新型的液位监测系统所替代。这里介绍一种基于网络控制的
12、分布式液位监测系统。它是通过 基于工业以太网和软总线平台，实现多个液体库中的液位监测和流量控制 ，如液位到达一定程度时，电磁阀和水泵的开关自动打开或闭关。这种智能分布式液位监测系统是液位监测系统未来的发展方向。 本课题主要研究 工业网络控制技术和基于工业网络的应用系统开发，了解液位监测系统工作原理、使用方法。 采用现场总线系统组建现场控制网络， 布设电- 2 - 磁开关、液体罐、浮标等 硬件系统 ，实现现场网络与远程控制终端的网络互联。 配置和运行软总线平台，并进行开关量数据读取。开发应用软件，进行远程分布式液位监测，并根据采集的液位进行相关智能操作，如当检测到水位低于某值时自动打开相应的开关
13、进水。开发液位监测系统的多样功能，拓展其应用领域。 - 3 - 2 基于工业网络的液位监测系统 采用 LabMap 软总线 1搭建基于网络控制的液位监测系统，在双向通信中，管理者进行实时数据采集及系统参数设置，图 2-1 为其系统框架图。 图 2-1 基于网络控制 的分布式液位监测系统 在基于网路控制的分布式液位监测系统中，通过软硬件结合的方式，在 PC机上配置分布式液位监测软件，通过 LabMap 软总线平台在网络控制下，分别控制各个液位监测子系统。其中，液位监测子系统为其硬件系统，是由 WAGO I/O现场总线系统和液位监测硬件系统组成的，其通过 TCP/IP 对硬件 WAGO 现场总线及
14、设备液位进行监测控制，从而实现液位监测的结果。 每个液位监测设备连接一个 Wago 现场总线，多个现场总线通过互联网络或工业网络互联起来，所有组成单元上都运行软总线单元，这些软总线单元基于互联网络或 工业网络通信构成整个统一的软总线平台。通过液位传感器测试液体灌中液位，并将其传输给 WAGO I/O 现场总线。在网络的控制下，将该信号传送给软总线平台，软总线平台再将该数据传送给 PC 机，再通过液位监测软件进行相关操作，则液位监测软件发出控制命令给软总线平台，通过网络控制将信号传输给 WAGO I/O 现场总线系统，继而液位监测接收信号进行相应操作。由下面具体介绍各层的原理及其应用。 分布式液
15、位监测系统远程控制软件 LabMap 软总线 Wago现场总线 液位设备 Wago现场总线 液位设备 Wago现场总线 液位设备 - 4 - 2.1 物理硬件设备及其原理 2.1.1 液位传感器 液位传感器分为两类 2：一类是接触式，包括单法兰静压 /双法兰差压液位变送器，浮 球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，伺服液位变送器等。 适用于：水库大坝、城市地下水监测、供水系统、水文水利、石油化工、工业现场等液位测量与控制 。第二类是非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。这里选用的是第一类传感
16、器 2.1.2 液位传感器测量原理 用静压测量原理：当液位传感器被投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = .g.H + Po， 式中： P ： 传感器迎液面所受压力 ： 被测液体密度 g ： 当地重力加速度 Po ： 液面上大气压 H ： 传感器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po，使传感器测得压力为： .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。 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 工业控制系统的结构从最初的 CCS（计
17、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），并 进一步提出了基于工业以太网和直接面向 Internet 的智能工业控制系统的发展方向。 目前工业控制网络技术主要包括工业以太网技术 3和现场总线技术。 工业以- 5 - 太网 主要 针对高复杂性高质量的过程控制，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 与 Internet实现网络互联。 现场总线是应用在生产现场，实现微机化测量控制设备之间双向、串行多节点数字通信的系统，是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络 5 6。如液位监测
18、系统中，在不同车间安装多个液位设备，各个液 位设备连接现场总线，通过现场总线技术作为底层网络，再通过计算机网络控制来实现分布式智能控制7。 现场总线技术为访问现场设备提供了统一的接口，简化了对同类型现场设备的控制，对工业控制系统建设起到了革命性的作用。工业以太网提供了更好的开放性、一致性和易于使用性。这两种技术的融合必然成为自动化控制领域的发展趋势和热点。 2.2.2 工业以太网技术 工业以太网是基于 IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。 随着交换网络通信技术的快速更新和发展，工业以太网技术正在快速地进入工业应用场合。其目 前最主要的应用是作为系统级总线（例如控制
19、器与控制器之间 ,或与操作员站、工程师站之间的通信总线 8；数据通信量大，实时确定性要求不高），这由这一层的通信总线所需的特性所决定。 以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来 ,随着网络技术的发展 ,以太网进入了控制领域 ,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展 ,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优 势非常明显： （一） Ethernet 是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。 （二
20、）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。 （三） 低成本、易于组网是以太网的优势 ，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬- 6 - 件设备供用户选择。 （四） 以太网具有相当高的数据传输速率 ，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以 太网的通信速率为 10M、 100M 的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟， 10G 以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多 。且以太网资源共享能力强 。 （五）可
21、持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。 Modbus/TCP 以太网技术 图 2-2 Modbus/TCP Modbus/TCP 是由 Schneider 公司于 1999 年公布的一种以太网技 术。Modbus/TCP 基本上没有对 Modbus 协议本身进行修改，只是为了满足控制网络实时性的要求，改变了数据的传输方法和通信速率。 2.2.3 现场总线技术 现场总线技术（ FieldBus）， 是一种 工业数据总线 ， 按照国际电工委员会IEC SC65C 的定义，是指安装在 制造或过程区域的 现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线 ， 也被称为现场底层设备控制网络 8。 现场总线是应用在生产现场，实现微机化测量控制设备之间双向、串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底 层控制网络 9。如
