基于netlinx网络的混矿流量控制系统设计大学论文.docx
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基于netlinx网络的混矿流量控制系统设计大学论文
辽宁工业大学
工业控制网络课程设计（论文）
题目：
基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化132班
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
2017.1.03~2017.1.13
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
学号
学生姓名
专业班级
自动化132班
课程设计（论文）题目
基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能：
在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。
采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络完成混矿流量的控制系统设计，该控制系统的功能包括：
1、实现皮带秤的启停功能；2、实现联锁功能；
3、实现混矿流量的控制功能。
设计任务及要求：
1、控制系统采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络；
2、完成Ethernet,ControlNet,DeviceNet网络结构的配置和规划；
3、完成方案设计和I/O分配表；4、完成硬件设计和软件编程；
5、离线运行分析；6、撰写课程设计论文。
技术参数：
1、电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。
2、混矿的流量范围为60-80t/h；流量信号变化范围，4~20mA。
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；
2、设计系统的结构原理图（1天）；
3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；
4、程序开发（4天）；
5、撰写课设论文（1天）；
6、设计结果考核（1天）；
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
铝工业对科技、经济、国防和人民生活具有极其重要的意义，氧化铝是电解铝的主要原料。
目前国内配料的操作基本为手动或半自动化操作，依靠人工经验设定物料配比，物料不能实现准确的计量，生产连续性差，设备运转率低，能耗大，工人劳动强度大，现已成为企业发展的瓶颈。
随着市场竞争的日益激烈，配料过程自动化对提高企业生产率、提升企业的竞争力有着不可忽视的作用。
本文针对氧化铝生料浆的配料过程，对皮带秤的启停功能，联锁功能和混矿流量的控制功能进行了探究和实现。
在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。
采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络完成混矿流量的控制，完成了Ethernet,ControlNet,DeviceNet网络结构的配置和规划。
根据现场试验数据，建立了控制器的设计模型，设计了PI控制器，通过实现过程控制和过程监控的信息集成和功能集成，从而实现配料过程控制与管理的自动化。
关键词：
氧化铝；NetLinx三层网络；PI控制器；罗克韦尔
第1章绪论
在氧化铝的配料过程中，配制生料浆的原料主要有：
铝土矿、石灰（或石渣）、生料煤、碱粉（纯碱）、返回碱液以及生产过程中进入的污水等。
其中铝 土矿包括普矿和高铝矿、高铁矿、低铝矿三种调整矿；返回碱液是后续工艺返回 的碳分母液和硅渣的混合浆液。
它们的化学成分主要是氧化铝、氧化硅、氧化铁、 氧化钙、氧化钠和固定碳等。
生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。
为了使生料浆的碱比控制趋于合理，针对现有加碱系统的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机改为皮带秤。
改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。
由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式，更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理以及操作是否精心，所以目前的控制现状非常落后。
为了满足工艺要求和实现控制目标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的赤泥浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量设定值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。
在氧化铝的生产工艺中，生料浆的制备是烧结法生产中的一项最重要工序之一，生料浆的各项指标：
水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求，将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化铝的溶出率和沉降槽的操作。
生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落后：
样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。
配料作为氧化铝生产的第一道工序， 配制生料浆指标的好坏直接关系到熟料质量的高低，“配料是基础， 烧结是关键”的思想已是广大科技人员的共识。
基于规则的专家系统相对于传统手工计算配比方法，提高了计算速度和配比精度。
但专家系统的知识瓶颈问题使得系统扩展性差，不能适应生产工序变化。
生料浆的各项指标：
水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求，将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化铝的溶出率和沉降槽的操作。
生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落后：
样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。
因此，通过对生产中各原料成份的快速分析和保证入磨量的准确计量及配比，从而实现优化控制达到一次出磨合格，为逐步取消出磨生料在小槽中反复倒槽的传统工艺，最终实现出磨生料浆经混合槽直接入窑，确保烧结法系统稳产高产、经济技术指标优化有着极其重要的意义。
因此，开发、研制一套实用可靠的生料浆配料自动控制系统，实现生料浆配料的自动控制势在必行。
生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。
为了使生料浆的碱比控制趋于合理，针对现有加碱系统[2]的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机改为皮带秤。
改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。
由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式，更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理以及操作是否精心。
为了满足工艺要求和实现控制目标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的赤泥浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量设定值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。
第2章
混矿流量控制系统的方案
概述
在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。
本系统采用罗克韦尔公司的ControlLogix为控制器，采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络，将流量计检测到的混矿流量反馈给PLC，通过PID调节输出给变频器控制电动机转速。
采用PowerFlex40变频器控制电动机。
其中，电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm；同时，混矿的流量范围为60-80t/h。
运用工业控制网络及PLC等相关知识，设计混矿流量控制系统。
同时实现了皮带秤的启停功能及联锁功能，通过RsLogix5000完成梯形图编写。
最后通过离线运行检验系统设计。
混矿流量控制系统的总体结构框图
采用ControlLogix为控制器,通过PowerFlex40变频器控制电动机的转速，从而控制皮带秤的传送速度，来控制混矿浆的流量。
系统的总体结构框图如图2.1所示：
控制器PLC
流量计
图2.1混矿流量控制系统的总体结构框
流量控制系统的闭环反馈系统结构图
本系统对流量的控制采用闭环控制，闭环系统的给定值由控制器给定，用流量计检测流量反馈给控制器ControlLogix，通过PI算法由变频器PowerFlex40控制电动机的转速，从而控制混矿浆的流量。
流量控制系统的总体结构图如图2.2所示：
n
u*
u
n*
PID
电机
变频器
流量计
图2.2流量控制系统的闭环反馈系统结构图
PID控制算法
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1、比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
2、积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3、微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
综上所述，皮带秤电机的转速控制采用工程上常用的PI控制，PI控制的输入输出关系为：
（2-1）
相应的传递函数为：
（2-2）
（2-3）
PI控制原理图如图2.3所示：
图2.3PI控制原理图
第3章Netlinx网络介绍及配置
Netlinx网络
NetLinx是罗克韦尔自动化利用开放式网络技术制定的从顶层到车间层的无缝集成策略，其主要思想是将网络系统与设备有机地结合在一起，用以监控生产，将信息流扩展至整个生产过程，以及利用企业的其他信息，将工厂各个车间连接成网络，实现过程控制数据与信息方便可靠地在PLC（可编程控制器）、HMI（人机界面）、变频器、FCS（现场总线控制系统）、DCS（分布式控制系统）之间进行交换传递，从而建成一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。
NetLinx基于三级网络层：
信息层、控制层以及设备层。
其系统结构如图3.1所示，各层网络的功能非常明晰。
（1）信息层。
这一层采用符合标准TCP/IP协议的以太网结构，它提供上层计算机系统通过以太网访问车间级的数据，主要为全厂范围控制系统的数据采集、监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务，同时可以使计算机访问使用结构化查询语言（SQL）的开放性数据库。
系统管理员可在这层网络上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目标，并对PLC提供支持。
由于采用了TCP/IP协议，可以方便地将工业控制网络接入企业局域网（Intranet），实现控制系统和ERP系统的集成。
（2）控制层。
它在各个PLC之间及其与各种智能化控制设备之间进行控制数据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态，编程和故障处理，也可以连接各种人机界面产品进行监控。
这一层上的网络称作控制网，采用CIP（ControlandInformationProtocol）协议和生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据，并共享数据和信息。
控制网主要完成智能化的高速实时控制和I/O数据网络以及准确的数据传输功能,它满足连接PLC处理器、HMI以及其它智能化设备所需的实时、高信息吞吐量应用的要求。
（3）设备层。
在设备层上采用的设备网，主要把底层的工业设备直接连接到车间控制器上，并对其进行配置和监视。
这种连接无需通过I/O模块，即可用方便而快速的实现与工业现场的大量设备的高速数据的采集，极大地减少了接线。
设备网是一种柔性地、开放性的网络，可与世界上150家以上的厂商提供的产品兼容。
NetLinx与其它工业控制网络相比，具有突出的优点。
它采用由Net（网络）和Linx（开放式接口）组成的结构，能更有效地实现系统组态、数据采集和控制。
其中Net是基于生产者/消费者的通信模型，定义了一系列超级服务协议；它支持多播式、事件触发、周期性触发等发送机制；它完全独立于网络介质，可在不同网络介质中组态。
控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，方便了用户对系统的组态、管理和维护。
这种开放的现场总线网络，集成了多种网络服务，采用通用的网络协议和开放的软件接口，保证了无缝的信息和控制数据流传输。
图3.1NetLinx架构的三层网络模式
NetLinx网络的配置
在EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet各层网络采用统一的CIP协议，该协议实现了对实时控制数据和非实时监视/组态数据的区别对待，保证了工业控制的实时性和确定性；同时，也保证了系统中各层设备对象定义的统一和网络服务的统一，实现了不同网络间数据的完全透明，也保证了用户只需一次培训就可建立起对于EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet不同网络上设备通信功能的完整认识。
1、Ethernet网络：
Ethernet网络即以太网，它是工厂自动化领域用于信息管理层上的网络，它的通信速率高，可达100Mbps，以太网模块使PLC可以作为工厂局域网的一个节点，网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制。
在罗克韦尔的PLC中，中型机以上的PLC才能上以太网，通常有三种机型，CS1系列、CV系列、和C200H系列。
在CS1系列和CV系列上分别直接装Ethernet单元CS1W-ETN01/11、CV500-ETN01，而在C200Hα上除了必须安装PC卡单元（C200HW-PCS01）外，还必须配置通信板（C200HW-COM01/04）,并用总线单元将PC卡单元与通信板连接起来。
OMRONPLC的Ethernet网具有以下功能：
远程编程和监控：
在连接到Ethernet网络的计算机上运行CX-Programmer可以对所有连接的Ethernet网络上的PLC进行编程和监控。
FINS信息服务：
在PLC之间和PLC与计算机之间发送FINS信息，使用EthernetFinsGateway能够不必编写FINS指令程序而直接管理信息。
Socket服务：
由Windows提供一组函数，允许用户程序直接调用及使用TCP和UDP协议，在Ethernet网上进行数据传输。
FTP服务：
使用FTP在CPU单元的存储卡和计算机存储器之间传送文件。
Email服务：
当在出错或在预定的时间内，一个标志变为ON，此时从PLC向上位机发送电子邮件。
网络间通信：
处在网络上的不同节点可以通过网关通信，通过FINS指令可实现跨网络的连接。
PLC通过使SEND、RECV、CMND指令跨网并与其它PLC进行通信，网间通信限制在三级网络内进行。
2、ControlNet网络：
打开 RSLogix5000 编程软件，点击 File （新建），打开 New Controller （新建控制器）画面。
选择控制器类型、版 本和所在槽位（起始槽号从 0 开始） ，指定框架类型、工程保存目录等相关信息，然后 按 OK。
现在已经创建了一个 ControlLogix 项目。
此时我们还没有与项目相关的任何 I/O模 块，项目中也没有可执行的代码，你正在离线工作。
所作的任何改变都只限于 软件中，并存储在计算机的硬盘驱动中。
在进入到在线操作以前，这些变化并不能反映到控制器中。
接下来是要辨认我们想用在这个项目中的、插在本地背板上和远程框架上的 I/O模块。
在本地 4 槽的框架中，有如下设备：
0 号槽：
1756- L61 ControlLogix 处理器模块
1号槽：
1756- ENET 以太网通讯模块，IP地址为 192.168.1.108 2 号槽：
1756- CNB ControlNet 网络通讯模块，站点地址为 4 。
在远程的 7槽框架中，有如下设备：
0 号槽：
1756- CNB ControlNet 网络通讯模块，站点地址为5号槽：
1756- IB32/A 32 点 DI 模块 。
2 号槽：
1756-OB16D/A 16 点诊断型 DO模块 、
添加本机架 CNB 通讯模块。
鼠标右键点击 I/O Configuration（I/O组态，位于左边窗口 的底部） ，并选择 New Module（新模块）。
在模块列表中选择 1756-CNB/D。
选中之后，按 OK。
本机架 CNB 通讯模块位于 2 号槽，并且在 ControlNet 上的节点是 4（观察自己的网络 节点，通过模块上的拨码来设置） 。
按下图所示填写模块组态信息，其他接收默认设置，选 择 Finish。
Electronic Keying（电子锁）允许你在 online（在线）之前确定一个物理模块与软件组态 之间达到何种匹配程度。
这种特性可以避免在不经意中将错误的模块插入错误的槽中。
它有 如下三种选择：
Compatible Module —— 物理模块的模块类型（Module Types）、 目录号（Catalog Number） 以及主要版本号（Major Revision）必须与软件组态匹配， 次要版本号（Minor Revision）必须 大于等于软件指定的数值，否则 RSLogix 5000将不接受所插模块。
Disable Keying —— RSLogix 5000不会检查模块版本的匹配情况。
添加远程机架上的 CNB模块。
鼠标右键点击本机架 CNB 模块，选择 New Module。
在模块列表中选择 1756-CNB/D。
选中之后，按 OK。
远程机架 CNB 通讯模块位于 0 号槽，并且在 ControlNet 上的节点是5；机架类型为 7 槽。
如下图所示填写模块组态信息。
填好之后，按 Next，设置 RPI 时间，在这里我们接受默认设置 20ms。
其他的接受默认设置，选择 Finish。
添加远程 IO模块。
鼠标右键单击远程 CNB 模块，选择 New Module。
在模块列表中选择 1756-IB32/A，选中之后，按 OK。
如下图所示填写模块组态信息。
其他的接受默认设置，选择 Finish。
再添加一个远程 DO模块 OB16D, 如下图所示填写模块组态信息，然后选择 Finish。
将工程下载运行一下，看看有没有问题。
点击主菜单上的 Communication，选择 Who Active，在路径中选中本地框架中的处理器模块，然后选择 Download。
利用菜单将控制器切换到 Remote Run 模式，这样你就可以验证你的工程了。
双击 RSNetWorx For ControlNet 快捷图标，进入 ControlNet 组态界面。
1） 在工具栏上点击 Online 按钮，选择网络路径后，读取 ControlNet 网络上所有设备 信息。
选中 ControlNet 网络后，点击 OK。
2） 点击 OK后，软件会自动读取在 ControlNet 网络上的设备，读取完毕后，点击 Edits Enabled 进入编辑模式。
3）单击菜单 Network 的 Properties项进行网络参数设定。
改变Max Unscheduled Address为 10，然 后点击 “OK”。
4） 单击菜单栏的保存按钮，命名组态文件后选择 Save。
在随后出现的画面中单击 OK继续，网络组态信息被写入 CNB 模块。
完成 ControlNet 网络的组态后，我们回到 RSLogix5000 编程界面，在线观察，发现远 程机架 CNB模块和 IO模块上的黄色三角标记已经消失，并且处理器的 I/O 显示 OK。
3、DeviceNet网络：
DeviceNet作为一种高性能的协议，目前在美国和亚洲的市场上处于领导地位，其系统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩增长。
DeviceNet用户组织负责发布DeviceNet规范以及对DeviceNet标准进行维护。
现在，最新版本的DeviceNet 2.0标准提供了更多的功能并修正了旧版本中的一些错误。
DeviceNet协议设计简单，实现成本较为低廉，但对于采用最底层的现场总线的系统性能极高。
DeviceNet设备涉及的范围从简单的光电开关一直到复杂的半导体制造业中的用到的真空泵。
就像其他的协议一样。
因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。
这样，DeviceNet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。
DeviceNet的报文主要分为高优先级的进程报文（I/O报文）和低优先级的管理报文（直接报文）。
两种类型的报文都可以通过分段模式来传输不限长度的数据。
所谓的"预定义主/从连接集"适用于简单的DeviceNet从站设备。
作为DeviceNet协议的子集，它支持从主站到从站传送的直接报文，轮询I/O报文，位选通I/O报文以及由从站向主站传送的状态变化/循环I/O报文。
设备启动报文和设备关闭报文是特别为安全相关系统设计的"离线连接设置"则简化了对非常规组件的配置工作。
DeviceNet的通信和应用都是基于对象模型的。
预先定义好的对象简化了不同厂商的不同设备间的数据交换。
通过建立不同设备的子集，用户可以从进一步的规范化中获益。
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