基于LabVIEW的网上家居控制平台的设计本科生毕业设计论文.docx
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基于LabVIEW的网上家居控制平台的设计本科生毕业设计论文
毕业设计报告（论文）
报告（论文）题目：
基于LabVIEW的网上家
居控制平台的设计
作者所在系部：
电子工程系
作者所在专业：
电子信息工程
完成时间：
2013年6月20日
北华航天工业学院教务处制
北华航天工业学院
毕业设计（论文）任务书（理工类）
学生姓名：
专业：
自动化班级：
B04221学号：
20044022115
指导教师：
职称：
副教授完成时间：
毕业设计（论文）题目：
环道控制系统下位软件设计方案二
题目来源
教师科研课题
纵向课题（√）
题目类型
理论研究（ ）
注：
请直接在所属项目括号内打“√”
横向课题（ ）
应用研究（ ）
教师自拟课题（ ）
应用设计（√）
学生自拟课题（ ）
其他（ ）
总体设计要求及技术要点：
根据试验环道工程实际情况和实验工艺要求、该环道工程的自动控制部分的设计方案，实现对环道实验工艺的过程控制与数据采集，设计出完整的按控制阀、泵、搅拌器单独控制的软件，以方便在上位机按工艺要求，自由构成流程。
1、所要控制的执行机构包含：
电动球阀20个、电动闸阀3个、变频器1台、搅拌器1台；
2、所需要采集的数据量为：
压力10点、差压2点、温度26点、地温30点、液位1点、流量2点；
3、环道压力：
0～2.5MPa环道流量：
0～500m3/h热媒温度：
0～80℃储油罐液位：
0～7.8m地温场温度：
-20～80℃；
4、实现执行机构的单独控制，设计流量、温度的PID控制，保证上位机能自由组态。
工作环境及技术条件：
联网计算机一台，RSLogix5000软件，有关的技术手册。
工作内容及最终成果：
1、研究系统的工作需求；
2、分析所用控制阀的控制要求，画出总体流程图和不同种类阀门的分流程图以及PID控制流程图；
3、进行下位系统的组态和单元整定；
4、分配下位PLC资源，确定控制、采集用标签；
5、完成控制程序的编制；
6、做出使用说明书。
时间进度安排：
1、第七学期第6周～第15周，查阅资料，完成开题报告、文献综述、外文文献翻译；
2、第七学期第16周～第17周，开题报告审阅、答辩；
3、第八学期第1周～第4周，分析所用控制阀的控制要求，画出总体流程图和不同种类阀门的分流程图以及PID控制流程图；
4、第八学期第5周～第7周，进行下位系统的组态和单元整定，分配下位PLC资源，确定控制、采集用标签；
5、第八学期第8周～第14周，完成控制程序的编制；
6、第八学期第15周～第17周，做出使用说明书，完成毕业设计论文。
指导教师签字：
年月日
教研室主任意见：
教研室主任签字：
年月日
北华航天工业学院
本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）
环道控制系统下位软件设计方案二
是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。
本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。
本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。
特此声明
毕业设计（论文）作者：
指导教师：
年月日年月日
摘要
论文的研究工作是以某石油环道控制系统设计为背景展开的，并且详细介绍了通过PLC控制下位系统工作的情况，以自由组态的形式对系统进行控制，使得程序具有更灵活的控制途径和更完备的控制方法。
本文在深入分析ControlNet总线技术的基础上，重点解析了ControlNet在各总线中的优势，同时阐述了其在环道控制系统中的应用，并且以Rockwell出品的RSLogix5000为基础，编写了自由组态的独立控制部分软件。
论文的主要论述了各类控制阀门的自由控制，尤其是使用周期性PID控制的方法解决大量运算带来的滞后问题。
本文对系统的硬件、选型、软件中流程控制的实现均有较为详细的阐述，对使用的编程软件也有描述，对于本系统的下位控制特点也进行总结说明，比较详尽地叙述了整个系统的相关事宜。
关键词ControlNet现场总线RSLogix5000独立控制自由组态
Abstract
ThedesignisbasedontheLabVIEWcontrolplatformdesignonlinehomefurnishingThroughtheLabVIEWtoachieveuserloginpasswordanduserauthenticationfunction,andthusachievethehouseholdappliancesanalogacquisitionandhouseholdappliancescontrolsimulation,serialcommunicationisimplementedthroughsoftwaredesign,tocompletetheusermanagement,databaseaccessanddisplay.LabVIEWonlinehomefurnishingcontrolplatformbasedonthefunctionisrealizedwithgoodman-machineinterface,real-timecontrol,theobservationresults
Finally,throughtheInternetnetwork,theusertocompletetheimplementationofremotemonitoringofhomefurnishing.DesignandimplementationofLabVIEWonlinehomefurnishingcontrolplatformbasedon
KeywordsStateacquisitionSerialcommunicationOnlinehomefurnishingcontrolplatformLabVIEW
环道控制系统下位软件设计方案二
第1章绪论
1.1课题背景及国内外研究概况
一直以来，世界各国对能源的需求量还在不断地扩大，能源作为一个国家发展的基本保障越来越受到重视。
与此同时，因为能源特别是石油而引发的冲突接连不断。
为了保证能源的供应，我国一直在积极寻找国内油田，而且在国际上也积极寻找供应，因此目前我国的石油供应呈现多样化趋势。
石油的运输主要通过输油管道进行，而输油本身就是一项耗能巨大的工业过程。
如何在油品多样化的现状下寻找出不同油品运输的最低成本方案，这成为一项重要的研究课题。
建设大口径、多功能、自动化水平高的石油试验环道，可以得到不同环境下石油储运的各种数据，为各储运站提供可靠、准确的试验数据，使石油储运最大化、科学化，减少储运过程中的维护工作。
但是，我国目前还没有这样一个完善的、能够对不同油品运输工况进行试验的场所，为此建立一个大型的、国际一流的输油管道试验基地显得十分必要。
本课题就是抓住了这一契机，采用先进的计算机控制系统组成上位机、PLC控制系统作为下位机，系统具有网络控制功能和远程控制接口，同时为了确保系统的安全可靠性，上、下位机均拟采用硬件冗余的方案，完成输油管道试验系统的控制与数据采集。
通过本课题的研究提出适合一般工业领域基于现场总线技术的过程控制系统方案并推广。
为了更好的满足试验需求，工艺流程控制过程能够实现停输再启动试验，在此基础上，尽可能增加流程切换的灵活性，可在多种工况下进行各项试验，于是产生了本部分的各控制阀等的独立控制。
试验环道的数据全部实现自动化采集，检测设备采用高精度仪表。
为适应环道将来进行其他油品测试的需要，预留原油卸车接口。
1.2现场总线和工业控制网络
在企业信息化和自动化领域内，计算机技术、控制技术、网络与通信技术的结合孕育了现场总线技术和网络控制技术。
作为近年来在国际上迅速发展起来的、备受关注的网络控制新技术，现场总线是一种应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。
被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络控制得到迅速发展。
工厂底层控制除需完成现场自动化设备之间的多点数字通信外，还必须实现底层现场设备与外界的信息交换。
现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。
现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力。
在此基础上，即可采用简单连接的双绞线、同轴电缆等作为总线，把多个测量控制仪表连接成为网络系统，并按照公开规范的通信协议，使位于现场的多个微机化测量控制设备以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，从而实现控制网络与信息网络的网络集成。
自动化技术与网络技术的有机结合形成了网络控制技术。
控制网络一般指以控制对象为特征的计算机网络，简称为计算机亚网络Infranet（InfrastructureNetwork），它主要面向某个企业或某个系统的底层，与一般的计算机网络既有很多共同点，又有不同和独特之处，主要表现在以下几个方面：
1．控制网络中数据传输和系统响应的实时性是对控制网络的基本要求；
2．控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性和可靠性；
3．对信道容量要求不是太高；
4．通信方式多采用广播或组播方式；
5．控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中兼容――即互操作问题。
目前，现场总线和网络控制技术研究与应用的发展趋势具有以下几个特点：
1．以现场总线作为底层的控制网络，在体系结构、仪表的数字化与智能化、监控组态软件及其开发平台与工具、以及现场总线的实际应用等各方面都取得了很大发展；
2．在OSI体系结构、控制网络的组网技术、实时网络操作系统、可靠性技术等方面都进行了深入研究，特别是以太控制网络的研究，推动了生产过程向更高层次的自动化水平发展，实现了优化控制，协调控制与远程监控；
3．控制网络与信息网络的集成已成为网络控制技术发展的一个热点，各种控制网络与信息网络的集成技术研究日趋激烈，网络集成的产品化程度不断提高，统一的企业网络构想将为企业计算机综合自动化打下坚实的基础；
4．在信息技术大潮的推动下，各种新技术不断涌现。
嵌入式技术推动了嵌入式控制器的发展，嵌入式控制器不但能即插即用，而且能与已有的控制网络一同协调工作。
嵌入式技术正朝着控制网络开放性发展方向迈进；
5．在网络控制的软件集成技术方面，计算机领域的DDE（DynamicDataExchange）技术、OPC（OLEforProcessControl）技术、集成软件套件技术、Web技术、国际公认的网络协议TCP/IP以及网络管理技术已经逐渐融合到网络控制技术中，大大推动了网络控制技术的发展；
6．分布式网络控制技术提出了一个全新的控制网络结构，不但实现了控制系统、控制设备的协调工作，而且也为实现控制网络与信息网络的无缝集成，组建统一的企业网络提供强了有力的技术支持，为实施企业资源计划（EnterpriseResourcePlanningERP）系统创造了良好的条件[2]。
1.3课题的建立以及本文完成的主要工作
本文主要包括以下内容：
1．以现场设备为核心，建立下位PLC控制系统，编制各控制阀门独立控制程序，为操作管理人员提供灵活、准确的控制信息。
实现对现场电动球阀、电动板阀、变频器等设备的管理；
2．下位机（PLC）为上位监控系统提供控制途径，具体地，要提供出程序的控制变量和入口程序等；
3．配合流程控制，完成对现场设备的管理与控制。
第2章ControlNet总线技术
2.1现场总线的发展
随着自动化技术的不断发展，网络技术的日益推广，在工业控制领域，控制规模的扩大，控制信息、管理信息的增加以及控制系统的柔性、设备间互操作性的要求，八十年代中后期出现了现场总线控制系统。
它贯彻全开放协议，使不同生产商产品之间具有可操作性，系统结构大大简化，实现以全数字为主的通信方式，可靠性进一步提高，代表了工控自动化发展的方向。
根据电工委员会（ICE）和美国仪表协会（ISA）定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络，支持双向、多分支、总线式、全数字通信。
采用OSI七层模型中的物理层、数据链路层和应用层，增加了自己特有的用户层作为现场总线通信模型。
现场总线的特点使其在自动化控制领域显示诸多优势：
1．构筑系统成本低，系统硬件减少，节省工程费用；
2．互操作性好。
采用同一的技术规范，使任何生产商的现场总线设备相互间能连接在一起；
3．现场总线能综合信息，现场仪表、控制设备都采用全数字实现双向通信、多变量访问；
4．提高生产率。
现场总线其有诊断数据、操作统计和自动故障通知，使人更有效地分析、诊断系统；
5．具有可靠的诊断和预估，从而减少了维护费用；
6．系统扩充和修改容易，不必或很少增加新的硬件；
7．故障定位准确，安全性进一步提高。
现场总线有多种方案，目前世界较流行的有FF现场总线、HART、ControlNet、CAN、DEVICNET和PROFIBUS现场总线等。
1994年，现场总线基金会FF（FILEDBUSFOUNDATION）集中了世界著名仪表、DCS和自动化设备制造商、科研机构和用户，成为唯一世界公认不隶属于某个企业的国际化标准组织，推动了现场总线标准的制定和产品开发，其制定的现场总线物理层〔低速总线H1、高速总线H2）标准已获得IEC批准。
但由于利益的驱使，欧美有些实力雄厚的公司不支持国际标准，仍大力推销自己的现场总线产品，如德国Bosch公司推出CAN，美国Echelon公司推出的LonWorks等，导致IEC最终否决了FF现场总线数据链路层和应用层的4个标准，使其未能成为国际标准，预计在今后一段时期里，会出现几种总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互联通信的局面。
但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互联系统，是大势所趋。
与传统的工业控制体系相比，Rockwell自动化系统提供了高效的、开放式的网络结构。
在信息层和设备层常常需要传递大量的I/O和对等通讯信息，需要具有确定性和可重复性的，紧密联系控制器和I/O设备的网络。
控制网（ControlNet）以其高速（5Mb/s）的通信速度、先进的网络模型、高效率的网络协议以及灵活方便的安装方式等特点，提供了满足以上需要的解决方案。
本系统中的设计与实现主要采用了ControlNet现场总线网络技术。
2.2ControlNet现场总线技术特点及其网络体系结构
ControlNet/DeviceNet控制网网络是一种用于对信息传送有苛刻要求的、高速确定性网络。
它允许传送无时间苛求的报文数据，但不会对有时间要求数据传送造成冲击。
它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。
作为PLC与I/O设备之间的一条高速通信链路，它综合了远程I/O和DH+链路的功能。
美国A-B公司的ControlNet网是一个实时的控制层网络，为在专一物理链路上的实时I/O数据和message数据（包括程序的上载/下载、组态数据及点对点信息）提供高速传输。
它最重要的功能就是传输从一个NODE（站点）到另一个NODE（站点）的实时控制信息。
在PLC编程软件中为本地框架来组态ControlNet网通讯，模块1756-CNB负责处理控制器主框架与本地框架和远程框架之间的通讯。
通讯模块组态完成之后必须运行ControlNet网络组态软件RsNetWorx。
要想实现从工作站到控制器的通讯，用户必须对链接工作站和控制器的网络组态适当的通讯程序。
通讯驱动程序使得控制器可以通过网络进行通讯。
在RSLinx软件中组态适当的通讯驱动程序，选择AB-PCICdriver，设置NODE站点。
传统的工厂级控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。
而Rockwell自动化系统简化为三层结构模式：
信息层（Ethernet以太网），控制层（ControlNet控制网），设备层（DeviceNet设备网）。
ControlNet层常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性、可重复性以及紧密联系控制器和I/O设备的特点。
同时，它还具备如下特点：
ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输，即有实时性的控制信息和I/O数据传输，无时间苛求的信息发送和程序上/下载；另外，ControlNet技术采取了一种新的通信模式，以生产者/消费者模式取代了传统的源旧的模式它不仅支持传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。
生产者/客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率；同时，ControlNet使用同轴电缆可达6000m长，节点数99个，两个节点间距离最长达1000m。
48个节点距离可长达250m，采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。
ControlNet应用于过程控制、自动化制造等领域。
2.2.1基于生产者/消费者的通讯模式
目前工业自动化控制网络采用的网络模型主要有两种：
源/目的地模型（Source/Destination）和生产者/消费者（Producer/Consumer）模型，绝大多数网络通讯都是采用源/目的地的通讯模式如FF、Lonworks、Profibus等。
源/目的地网络模型采用应/答式通讯，如果网络要向多个设备传送数据，则需要对这些设备分别进行“呼”“应”通信，即使是同一个数据，也需要制造多个数据包，消耗过多的带宽，并且数据到达每个设备的时间还是不同的，这样，不仅增大了网络的通信量，网络响应速度受到限制，容易发生信息瓶颈问题，而且当系统对时间有苛求的实时控制信息要求传送时，还需要采用其它不同的网络。
ControlNet则采用了一种基于开放网络技术的新型通讯模式――生产者/消费者模式。
此模式允许在同一链路上有多个主控制器共存，对输入数据和对等通信数据采用多信道广播方式，将传统网络的针对不同站点多次发送改为一次多点共享，以使链路上所有控制器之间实现预定的对等通信互锁，共享输入数据，从而大大减少了网络发送的次数和网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能；同时允许网络上的所有节点同时从单个数据源存取相同的数据，报文通过标识符来识别，如果一个节点要接收一个数据，仅仅需识别与此信息相连的特定的标识符，每个数据包不再需要源地址和目标地址位。
因为数据是按内容进行标识的，数据源只需将数据发送一次。
许多需用此数据的节点通过在网上同时识别这个标识行，可同时从同一生产者取用此同一数据消费。
从而可以实现网络节点的精确同步，提高带宽的有效使用率；其他的设备加入网络后并不增加网络负载，因为它们同样可以消费这些相同的信息，并且所有数据可以同时到达。
此时采用该模式既可以支持系统的主从、多主或对等通信结构，也可以支持其任意组合的混合系统结构，还可在同一链路上传送任意信息类型相混合的数据。
显然，与典型的源/目的地模式相比，生产者/消费者模型是一种更为灵活高效的处理机制。
可以说，基于此模式的ControlNet是当今世界市场上各种工业控制底层现场总线网络中性能较为可靠的网络。
2.2.2ControlNet现场总线的仲裁方式
ControlNet是一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理介质链路上提供对时间有苛求的控制信息和I/O数据以及无时间苛求的信息发送，包括程序的上/下载，组态数据和点对点的报文传送等通讯支持，是具有高度确定性、可重复的高速控制和数据采集网络，I/O性能和端到端通讯性能都较传统网络有较大提高。
表2-1给出了ControlNet现场总线技术和其他总线技术的主要性能比较。
表2-1几种现场总线技术的性能比较
性能指标
ControlNet
DeviceNet
Profibus
AS-I
FF
级别
现场级、设备级
传感器级、
设备级
现场级、设备级
传感器级
现场级
发起组织
罗克韦尔－AB
罗克韦尔－AB
西门子
AS-i国际
FF基金会
投入日期
1997年
1994年
DP:
1994,
PA:
1995
1993年
1995年
拓扑结构
星形、树形、
总线形
线形、总线供电
总线、环形、
星形
总线、环形
星形、树形
多降、
总线供电
通信速率
5Mb/s
125kb/s,300kb/s,500kb/s
9.6kb/s－12Mb/s,31.25kb/s
167kb/s
31.25kb/s,1Mb/s,2.5Mb/s
最多节点
99
64
127
31个从站
每段240个最多65000个
最大无中继距离
同轴：
5km
光纤：
30km
500m
电缆：
2.4km
光纤：
23.8km
100m
31.25kb:
1900m2.5M:
500m
总线冗余
可
不能
可
不能
可
有关标准
IEC61158子集2、欧洲标准EN50254
欧洲标准EN50252
IEC61158子集3、欧洲标准EN50170
欧洲标准EN50295
IEC61158
基本子集
最大帧长
510字节
8字节
244字节
31从站：
4入/4出
16.6信息
对象/设备
仲裁方法
时间片多路存取CTDMA，生产者/消费者
音频载波多路存取，生产者/消费者
令牌传送
主/从，周期查询
调度/周期，非调度/非周期，生产者/消费者
通信方法
主/从，多主，
对等
主/从，多主
主/从，对等
主/从，周期查询
服务器/客户机
网络效率
高
高
不高
不高
高
相比可知，ControlNet网络具有吞吐量高、体系结构灵活、组态和编程简单、信息交换可靠等特点，是一种适合工业控制信息传输与控制的实时控制系统。
众所周知，以太网采用“冲突检测载波侦听多路访问”（CSMA/CDCarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）仲裁机制，这一般不具有工业控制所要求的可靠性、确定性。
因此，为适应工业控制需求，ControlNet采用了一个特殊的令牌传递机制，叫做隐性令牌传递（ImplicitTokenPassing）。
网络上每个节点分配一个唯一的MAC地址（从1到99），像普通令牌传递总线一样，持有令牌的节点可以发送数据。
但是，网络上并没有真正的令牌在传输。
相反，每个节点监视收到的每个数据帧的源节点地址，在该数据帧结束之后，每个节点设置一个隐性令牌寄存器（ImplicitTokenRegister），其值为收到的源MAC地址加1。
如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点自己的MAC地址，然后该节点就可以立刻发送数据。
因为所有节点的隐性令牌寄存器在任
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