基于EthernetIP网络的温度和压力检测节点设计.docx
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基于EthernetIP网络的温度和压力检测节点设计
摘要
该课设是以ROCKWELL实验室的ControlLogix控制器为控制器和基于Ethernet/IP的网络设计。
讲述了从现场采集回来温度值和压力值经过Ethernet/IP工业控制网络的传送，再经过模拟量输入模块1794—ITB将温度值和压力值输入到控制器里，经过控制器的处理，将控制现场执行器的模拟量经过模拟量输出模块1794—IF2XOF21输出到Ethernet/IP网络里，再传给现场的各执行器，并将温度和压力控制在所要求的范围内的这些过程的实现。
本次课设还讲述了温度检测节点和压力检测硬件节点的设计。
在软件平台上进行硬件的组态。
在ControlLogix5000编程软件编写控制程序。
并实现温度值和压力值的显示。
关键词：
ControlLogix；节点设计；Ethernet/IP
目录
第1章绪论1
第2章系统方案的介绍4
2.1概述4
2.2系统组成总体结构4
第3章硬件的设计5
3.1Ethernet/IP通信适配器硬件设计5
3.1.1Ethernet/IP硬件系统总体架构5
3.1.2通信适配器电源的设计6
3.1.3适配器复位电路的设计6
3.2检测节点的设计7
3.3检测节点控制结构图7
3.4报警和按键的设计8
3.5硬件的组态8
3.5.1数字I/O模块的组态9
3.5.2模拟I/O模块的组态10
第4章软件的设计13
4.1程序的设计13
4.2部分PID参数的设定14
第5章系统显示画面16
第6章课程设计总结17
参考文献18
绪论
20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。
现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。
它的初衷是用数字通讯代替4--20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。
控制专家们纷纷预言：
FCS将成为21世纪控制系统的主流。
然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：
8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：
FFH1，ControlNet，ProfiBus，InterBus，P．Net，WorldFIP，SwiftNet，FF之高速EtherNet即HSE。
这8种现场总线互不兼容，这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。
此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。
又如广泛用于汽车行业的Can总线系统，其最高的传输速率为1Mbps／40米；这些现场总线受通讯距离制约较大。
由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。
以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。
但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA／CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。
研究表明：
商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。
因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业以太网。
由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。
从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在控制层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。
未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。
工业以太网技术作为后起之秀，迅速抢占着其它总线形式的市场，推动其发展的两大动力是：
光纤环网的应用、分布智能装置仪表。
光纤环网解决了两大问题：
第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达工业现场层，第一次成为真正的FieldBus；第二，通过环网的冗余提高以太交换的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。
而分布智能的装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性的诟病。
首先，光纤环网的千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内交换，对于大部分的工业生产信息，在100ms的时滞都是可以接受的。
而如果所有的控制均需要通过集中的方式进行，显然这个时滞又太大了。
可喜的是，工业控制装置和智能仪表正在向分布式发展。
这种发展趋势，导致大量的本地控制指令不需要通过冗长的总线来传输，而是由仪表或装置的本地计算完成，这就不需要通过数据交换的方式苛刻地要求工业以太网的确定时延。
工业以太网有着许多令人所信服的优点。
但是传统商业以太网技术应用到工业现场仍然有着或多或少的不足和缺陷，经过许多研究机构和工程技术人员的不懈努力和对关键技术的研究，使传统以太网技术不断改进来满足工业现场控制要求。
这些关键技术包括通信确定性和实时性技术、系统稳定性技术、系统互操作性技术、网络安全性技术、总线供电及本质安全与安全防爆技术等。
传统以太网采用总线式的拓扑结构和多路存取载波侦听／碰撞（CSMA／C通讯方式，即网络上的每个节点都通过竞争的方式来获取发送信息报文的权利，节点通过监听信道，当发现信道空闲时则把待发的信息报文发送出去，如果信道忙则处于等待状态。
在发送信息后检测是否发生了碰撞，如果出现则退出信道等待重发。
不难想象当网络负荷比较重的时候大量节点都在尝试重发进而导致网络堵塞，使一些节点的信息长时间得不到发送，这种特性称为以太网的不确定性。
研究表明：
传统以太网在工业控制中的传输延迟，对数据传送要求很高的场合是不能够应用的，这也影响了以太网技术在工业底层控制网络中的应用。
随着以太网技术的不断发展，工业以太网在确定性和实时性方面已经基本达到了工业现场实时控制的要求。
目前有Modbus-IDA工业以太网，Ethernet／lP工业以太网，FFHSE工业以太网，ProfitNet工业以太网等几种协议。
EtherNet／IP（EtherNetIndustryProtoco1）是适合工业环境应用的协议体系。
它是由两大工业组织ODVA（OpenDeviceNetVendorsAssociation）ControlNetInternational所推出的最新的成员。
和DeviceNet以及ControlNet一样，它们都是基于CIP（ControlandInformal／onProtoco1）协议的网络。
它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时I／0信息和显式信息（包括用于组态参数设置、诊断等）的有效传输。
EtherNet／IP采用和DevieNet以及ControlNet相同的应用层协CIP（ControlandInformationProtoco1），因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。
EtherNet／IP采用标准的EtherNet和TCP／IP技术来传送CIP通信包，这样，通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的EtherNet和TCP／IP协议，这就是构成EtherNet／IP协议的体系结构。
系统方案的介绍
概述
本次设计主要是综合应用所学知识，设计出温度和压力的检测节点，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。
能够较全面地巩固和应用“现场总线”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型现场总线系统设计的基本方法。
应用场合：
各种工业现场。
系统功能介绍：
温度和压力值通过传感器检测出来后经过与现场总线的连接，实现数据的实时传输，经过控制器一定处理在控制执行器实现温度和压力的控制。
并将把温度值和压力值显示出来。
系统组成总体结构
系统的总体结构图如图2.1所示。
它是由一个ENB以太网通信模块、一个远程AENT通信模块、CPU控制器、输入输出模块、上位机和Ethernet/IP工业以太网组成。
图2.1系统组成总体结构
将现场的模拟量输入和输出挂在输入输出模块上即可实现该节点的设计。
上位机是编程和组态用的。
硬件的设计
Ethernet/IP通信适配器硬件设计
Ethernet/IP硬件设备开发主要有2种方式：
一种是基于单板计算机系统；另外一种是开发嵌入式系统。
嵌入式系统应用广泛，有非常多资源可供设计者使用，同时嵌入式系统硬件制作成本低，硬件设备可以设计的更为紧凑，有利于系统的小型化。
下来介绍采用嵌入式系统设计Ethernet/IP通信适配器。
Ethernet/IP硬件系统总体架构
Ethernet/IP通信适配器作为工业控制中的网络设备，对数据处理能力、数据收发的实时性、可靠性上较商用以太网有着更严格的规范和要求，硬件必须能够满足这些功能及要求。
而微处理器是系统的控制核心，其性能的好坏直接决定了系统性能的优劣；因此，本通信适配器选用三星公司的ARM9S3C2410为CPU，其有丰富的外围接口功能，强大的处理能力。
本系统硬件设计以S3C2410为核心，外围扩展了64MbitsSRAM、64MbitsNANDFLASH、以太网控制其CS8900、RS232串口、I/O接口、JTAG程序实时仿真接口等。
其总体硬件如图3.1.
图3.1Ethernet／IP通信适配器系统硬件图
通信适配器电源的设计
3.3V及1.8V的能力。
本通信适配器可以接现场I/O模块（现场I/O模块分为数字I/O及模拟I/O），因此，设计电源时需充分考虑电源的驱动能力。
电源不仅要给通信适配器供电，而且，需要给I/O模块的数字电路部分供电。
本设计采用高效的开关电源设计，可满足8个扩展I/O模块的驱动能力。
通信适配器中，不同的芯片采用的所要求的供电电压是不一样的。
S3C2410需要的供电电压有：
3.3V的数字电压及模拟电压、1.8V的数字电压及模拟电压、1.8V的PLL源电压；SRAM、NANDFLASH、I/O采用3.3V电压；JTAG、以太网控制其采用5V电压供电。
工业以太网现场提供24VDC电源，因此，设计的电源模块必须提供把24VDC转换成5V、3.3V及1.8V的能力。
适配器复位电路的设计
由于ARM芯片的高速、低电压供电和低功耗导致其噪声容限较低，对电源的纹波、瞬时响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等诸多方面提出了更高的要求。
为了保证系统在上电启动及电压不稳定时能够正确工作，系统设计中采用了专门的微处理器电源监控芯片MAX708TESA。
电路如图3.2所示。
图3.2电源监控及复位电路
在图3.2中，信号RESET连接到以太网控制器CS8900的复位引脚，因为CS8900的复位信号为高有效；信号nRESET连接到S3C2410的复位引脚
以及芯片内部JTAG接口电路的复位脚TRST。
当复位按键Sl按下时，MAX708T立即输出复位信号，其引脚RESET输出高电平复位信号，引脚RESET输出低电平复位信号；此时S3C2410及以太网控制器CS8900都将复位。
ARM微处理器必须保证在稳定的复位状态下启动，当微处理器在未知状态时，必须使它保持复位状态。
MAX708TESA保证低电压的时候处理器处于复位状态，避免系统在上电、掉电及电源状态不稳定的时候代码执行出错。
当上电的时候，如果电源达到1V，／RESET引脚输出逻辑低电平，RESET引脚输出逻辑高电平。
当电源超出了复位的门栏电压，MAX708TESA的内部定时器保证
和RESET引脚保持200ms的复位信号，这就保证了系统在电源不稳定或者电源过低的情况下始终维持在复位状态，降低系统运行出错的可能性。
检测节点的设计
在Ethernet/IP的基础上，压力检测节点和温度检测节点的设计就变得很容易，只需将温度传感器和压力传感器的模拟量经过相应的变送器变送后挂在Ethernet/IP工业以太网上即可。
其余的就只剩下通行和控制器的处理了。
基于在Rockwell实验室的温度和压力的检测节点设计如图3.3所示。
图3.3检测节点的设计图
检测节点控制结构图
就本次设计而言，温度和压力的控制采用的方式为偏差单闭环控制回路。
该控制方法简单有效，设计方便。
其结构框图如图3.4所示
图3.4节点单闭环控制结构框图
报警和按键的设计
根据所要求，本次设计有显示和报警的设计。
但显示将放在上位机的组态上，这将大大简化硬件电路带来的麻烦。
本次的报警为灯光报警，压力的为一个灯，温度的为另一个灯。
两个设计的按键为系统运行的按键和系统停止运行的按键，设计电路图如图3.4所示。
图3.4报警和按键电路
硬件的组态
本次设计是在RSLogix5000软件上完成的。
打开程序菜单/Rocwellsoftware/RSLogix5000Enterprise/RSLogix5000。
之后新建项目Yang_1，其余如图3.5所示。
图3.5新建项目
1、点击OK后在右键点击I/OConfiguration，选择NewModel。
出现如图3.6所示的对话框
图3.6选择添加模块
2、打开Communications的下拉符号，选择通讯模块1756—ENBT/A，点击一次OK后出现如图3.7所示的对话框。
设置参数如图3.7.
图3.7控制器部分的通信模块设置
参数设置完成后点击两次OK，即完成了控制器部分的通信模块的组态。
数字I/O模块的组态
因为选择的数字量I/O模块的地址即为控制器部分的IP地址，所以不需再加额外的通信模块。
该I/O的组态按3.5节的步骤1后选择Digital的下拉符号，选择的输入模块为1756—IB16D。
点击两次OK后出现图3.8所示画面。
图3.8数字输入模块的组态
其它的参数设计如图3.8所示。
点击两次OK后即完成数字量输入模块的组态。
按照这个方法，选择输出的模块为1756—OW16I，设置的槽数为6，禁用电子锁。
其它参数不变，点击OK后即完成了该模块的添加。
模拟I/O模块的组态
因为模拟的I/O模块是远程的模块，所以要加入该模块的通信模块。
本次设计的模拟I/O的IP地址为192.168.1.29。
1、右键点击I/OConfiguration下的Ethernet新建模块，经过RSNetworxForEtherNet/IP软件找到远程的模拟I/O模块地址（192.168.1.29），该部分的通信模块为1794—AENT。
找到Communications下的1794—AENT/A。
点击OK后出现如图3.9所示的对话框。
图3.9远程通信模块的添加
设置完IP地址后点击OK后即完成远程通信模块的添加。
具体参数如图3.9所示。
2、在Ethernet上点击右键，添加模块，选择模拟部分的I/O口，该部分的模拟量输入模块为1794—IT8/A。
具体设置如图3.10所示。
图3.101794—IT8/A的设置
完成模拟量输入I/O的设置后（其余参数不变），点击OK即完成该模块的添加任务。
按照上面添加模拟输入模块的方法，找到模拟量输出模块1794-IF2XOF2I/A，设置的槽数为1槽（slot）。
其余参数和图3.10一致。
点击OK后即完成了本次可设的硬件部分的组态，如图3.11所示。
3.11系统总体硬件组态
以上IP地址的信息都是在RSNetWorxForEthernet/IP这个软件上找到的，除了控制器的地址外。
软件的设计
程序的设计
在硬件的组态完成后就可在原来的基础上完成本次设计的程序设计。
找到Tasks下的MainRoutine，点击打开编程界面。
本次设计的程序如图4.1。
图4.1系统程序图
部分PID参数的设定
（1）温度控制PID参数部分设定如图4.2
图4.2温度部分PID参数
（2）压力部分PID参数设计如图4.3。
图4.3压力部分PID设定
系统显示画面
系统的画面组态使用FactoryTalkViewStudio软件设计的。
系统的组成画面如图5.1所示。
图5.1系统显示画面
课程设计总结
经过本次的课程设计，对所学的知识有深一步的体会和了解。
在这个过程中，增强了对Rockwell实验室的一些设备的了解，学会了在Ethernet/IP网络上的节点的设计和对ControlLogix控制器的编程，学会了基于Ethernet/IP网络上使用RSLogix5000软件对于硬件的组态，还有如何更好的使用RSLogix5000软件。
经过几天的奋战我的课程设计终于完成了。
在做课程设计的时候觉得课程设计只是对这几年来所学知识的简单总结，课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。
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