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基于ControlNet現(xiàn)場總線的PLC環(huán)道控制和監(jiān)控系統(tǒng)設計

時間:2012-09-18 12:05:39來源:劉嘉 張琳 程鵬

導語:?以某石油環(huán)道控制系統(tǒng)設計為背景展開,詳細介紹了通過PLC控制下位機系統(tǒng)工作的情況

摘要

本文以某石油環(huán)道控制系統(tǒng)設計為背景展開的,詳細介紹了通過PLC控制下位機系統(tǒng)工作的情況,重點解析了ControlNet在各總線中的優(yōu)勢和其在環(huán)道控制系統(tǒng)中的應用,并且以ROCKWELL的RSLogix5000為基礎,編寫了自由組態(tài)的獨立控制部分軟件。實現(xiàn)了各類控制閥門的自由控制,使用周期性控制的方法解決大量運算帶來的滯后問題。本文基于LabVIEW虛擬儀器技術與PLC相結合,通過串口實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場PLC監(jiān)控網絡的通信及監(jiān)控系統(tǒng)。

關鍵詞:ControlNet現(xiàn)場總線;自由組態(tài);虛擬儀器;PLC監(jiān)控系統(tǒng)

Abstract

Basedonsomepetroleumring-roadcontrolsystem,thispaperlaunchesthedetailedintroducesbitaboutcontrolsystemworksbyPLC.EmphasizeandanalysetheadvantagesofControlNetineverybusinthering-roadcontrolsystemapplication.AndbasedontheROCKWELLRSLogix5000,designtheindependentcontrolsectionsoftware.Realizeallkindsoffreecontrol.Usetheperiodiccontrolmethodstosolvetheproblemofcomputinglagging.ThispaperbasedontheLabVIEWvirtualinstrumenttechniquecombinedwithPLC,throughaserialport,realizePCwithPLCofmonitoringnetworkcommunicationandmonitoringsystem.

Keywords:ControlNetfieldbus;Freeconfiguration;Virtualinstrument;PLCcontrolsystem

1引言

作為通用工業(yè)控制計算機40年來,可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC)實現(xiàn)了工業(yè)控制從接線邏輯到存儲邏輯的飛躍;其功能從弱到強,實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步;其應用領域實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務的跨越。本文采用先進的計算機控制系統(tǒng)組成上位機PLC控制系統(tǒng)作為下位機,結合ControlNet現(xiàn)場總線技術[1,2],具有網絡控制功能和遠程控制接口,同時為確保系統(tǒng)的安全可靠性,上、下位機均擬采用硬件冗余的方案,完成輸油管道試驗系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集。

①以現(xiàn)場設備為核心,建立下位PLC控制系統(tǒng),編制各控制閥門獨立控制程序,為操作管理人員提供靈活、準確的控制信息。實現(xiàn)對現(xiàn)場電動球閥、電動板閥、變頻器等設備的管理;

②下位機(PLC)為上位監(jiān)控系統(tǒng)提供控制途徑,具體地要提供程序的控制變量和入口程序等;

③配合流程控制,通過局域網可在客戶端實現(xiàn)遠程監(jiān)控,完成對現(xiàn)場設備的管理與控制,適用于低成本的小型的集散控制系統(tǒng)。

   表1 PLC配置清單表

圖2  ControlNet 邏輯網絡體系

 

圖3 主程序設計流程圖

 

圖4 報警、顯示子程序流程圖

2基于PLC的系統(tǒng)硬件設計

為了保證數(shù)據(jù)采集的準備性和安全性,系統(tǒng)采用雙機熱備,以避免由于特殊原因使數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)中所要控制的執(zhí)行機構包含:電動球閥16個、電動閘閥7個、變頻器1臺、攪拌器1臺。所需要采集的數(shù)據(jù)量為:壓力10點、差壓2點、溫度26點、地溫30點、液位1點、流量2點。

總體系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示:

其中:

1)PLC采用美國ROCKWELL公司先進的ControlLogix系列產品,可靠性高,具有雙機熱備功能,性能穩(wěn)定;同時采用了高速傳送、實時I/O的控制網絡(ControlNet)通信技術,實現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)采集、實時傳輸和過程控制,增強下位機的擴展性和數(shù)據(jù)采集的實時性。通過軟件編程實現(xiàn)對遠程儀表(設備)、傳感器及執(zhí)行機構的數(shù)據(jù)采集、

處理與控制,實現(xiàn)總體設計功能和系統(tǒng)熱備功能。

2)下位機擴展采用采用美國ROCKWELL公司的模擬輸入、輸出模塊、數(shù)字輸入、輸出模塊以及專用的Pt電阻(測溫RTD)輸入模塊,對現(xiàn)場儀表、傳感器、Pt電阻(測溫)及執(zhí)行機構的數(shù)據(jù)進行采集與控制。

系統(tǒng)硬件設計的功能模塊如表1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖

圖5 調節(jié)筏子程序流程圖

 

圖6 LabVIEW串口通信程序

 

3ControlNet現(xiàn)場總線的網絡結構

ControlNet是一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網絡,在同一物理介質鏈路上提供對時間有苛求的控制信息和I/O數(shù)據(jù)以及無時間苛求的信息發(fā)送,包括程序的上/下載,組態(tài)數(shù)據(jù)和點對點的報文傳送等通訊支持,以其高速(5Mb/s)的通信速度、先進的網絡模型、高效率的網絡協(xié)議以及靈活方便的安裝方式等特點,提供了滿足以上需要的解決方案。對于有多個基于PC的控制器之間不同PLC之間PLC與DCS之間存在通訊要求的場合,ControlNet也非常適用。ControlNet允許多個各自擁有獨立或共享I/O的控制器之間相互通訊或以靈活的方式組織互鎖。

ControlNet總線不僅可以與多種設備或子網直接相連,還能夠通過掃描器連接下層的DeviceNet[3]設備網和FF現(xiàn)場總線等產品;同時通過通信接口模塊連通上層的以太網,實現(xiàn)控制網絡與信息網絡的集成,共享信息資源。

4PLC下位機系統(tǒng)軟件設計

PLC[4]的控制包括ControlNet網絡的控制管理和流程控制兩部分。其中網絡控制管理通過ROCKWELLControlNet網絡專用的RSLinx作為網絡配置軟件,RSNetWorx作為網絡的管理軟件。使用這兩個軟件進行相關的配置和管理,就能正確的使用掛在ControlNet網絡上的PLC單元。

4.1基于RSLogix5000的環(huán)道控制設計

通過本系統(tǒng)的獨立控制部分,管理者可輕松實現(xiàn)對于任何流程的控制,通過對每一個閥門的控制,即可實現(xiàn)任意的控制流程,如進油流程、自循環(huán)流程、旁接流程、清管流程、倒罐流程、高壓泄放流程等。流程的控制通過PLC程序實現(xiàn),編程軟件為ROCKWELL的RSLogix5000企業(yè)版。其中,主程序流程如圖3所示:

報警、顯示子程序流程如圖4所示。

調節(jié)閥控制子程序流程如圖5所示。

環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件方案二目的在于單獨控制每一個閥門,實現(xiàn)靈活控制。在RSLogix5000編程環(huán)境中,根據(jù)現(xiàn)場的硬件基礎編寫完成下位PLC獨立控制部分的程序,其中有一個主程序和28個子程序,分別用來調用或控制相應的功能模塊。程序主要控制的閥門有V101、V103、V104、V201、V301、V302、V403、V404、V405、V407、V408、V501、V503、V511、V513、V601、V602、V611、V612、V621、V622、V623、V624。其中V101、V302、V405三個閥門是可調節(jié)閥門,配合變頻器工作,分別控制著液位、溫度和流量三個參數(shù),它們的編程主要考慮應用PID運算進行控制,從而獲得更好的控制效果。其中,V101的處理方法與開關閥相同,原因是便于在以后控制進油的速度,為以后的使用提供了保障。

4.2基于PLC的虛擬儀器測控系統(tǒng)

在過程控制中,由于工業(yè)現(xiàn)場非常分散,I/O點數(shù)眾多,各種儀表的工作環(huán)境非常惡劣,采用數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW開發(fā)平臺來完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制顯然不可取??紤]到過程控制中的過程參數(shù)變化不是很快,而PLC恰恰可以克服數(shù)據(jù)采集卡在過程控制中的不足,并且具有較高的性價比,因而采取以PLC為下位機,以裝有LabVIEW軟件[5]的工控機為上位機開發(fā)平臺。通過RS-232和RS-485串口與PLC通信,實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析。

下位機CPU上的通信口是與RS-485兼容的9針D型連接器。PLC還提供了實現(xiàn)RS-485與PC機上RS-232相連接的PC/PPI電纜,可以方便地實現(xiàn)S7系列PLC與PC之間的硬件連接。系統(tǒng)中如果應用多個PLC模塊或其他具有RS485串行通信能力的設備,亦可方便地聯(lián)網或構成網絡測控系統(tǒng)。

LabVIEW進行串口通信的基本步驟為:

1)LabVIEW中的串口通信函數(shù)

①ISA配置串口。該函數(shù)主要用于串口的初始化。主要參數(shù)如圖2所示。

②ISA讀取函數(shù)。該函數(shù)為串口讀取子程序,從串行設備讀取數(shù)據(jù),為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供條件。主要參數(shù)如圖3。

③ISA寫入函數(shù)。該函數(shù)為串口寫子程序,用于對串口設備進行寫操作。

④閉端口。當對串口操作完成后,需要關閉串口,以釋放硬件資源。

2)LabVIEW與PLC串口通信實現(xiàn)

按照上述過程,設計了監(jiān)控系統(tǒng)程序,程序框圖與前面板分別如圖6所示。

PC機與PLC串口通信程序結構分為3個部分:

(1)串口初始化。根據(jù)通信協(xié)議設定,通信端口:COM1,波特率:9600bps,1位起始位,8位數(shù)據(jù)

位,1位停止位,無奇偶校驗,無軟件握手協(xié)議。

(2)發(fā)送命令和讀取響應將命令通過串口COM1發(fā)給PLC,并接收來自PLC的響應信息,如果響應正常(狀態(tài)信息為01或02),就將所得數(shù)據(jù)做顯示、計算分析、存儲等后續(xù)處理,以便用于設備實時控制和在線狀態(tài)監(jiān)測;如果響應不正常則退出程序(03或04),用戶重新輸入命令開始工作。

(3)關閉串口。調用LabVIEW提供的VISA關閉串口函數(shù)實現(xiàn)串口資源的釋放。當程序運行時,LabVIEW首先向PLC發(fā)出一個讀請求,然后檢測輸入緩存中的字節(jié)數(shù);當達到預定字節(jié)數(shù)時,LabVIEW利用讀串口函數(shù)將輸入緩存中的字節(jié)一次性讀出,然后繼續(xù)發(fā)出一個讀請求到PLC。如此循環(huán),直至結束。

5結論

本系統(tǒng)中通過在現(xiàn)場總線控制領域,ControlNet憑借更強的遠程控制能力,實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程集中處理的便捷;憑借5Mb/s的速率保證了實時傳輸;而且在安全性和穩(wěn)定性上,自身獨有的解決方法保證了在使用過程中數(shù)據(jù)的完備和安全。結合成功例子,使得ControlNet應用于環(huán)道控制系統(tǒng)有了強大的保障。伴隨更多人的關注,ControlNet會有更大的發(fā)展。本系統(tǒng)采用的ControlNet總線結構

是現(xiàn)如今最有發(fā)展的總線之一,這就注定了在今后的使用當中,有這更多的拓展的空間和進行進一步提高性能的基礎。PLC自由口通信方式具有與外圍設備通信方便、自由,易于微機控制等特點,這一通信方式被越來越多的監(jiān)控系統(tǒng)所采用。利用PC機或工控機的串口,按照自由通信協(xié)議,結合地址映射技術在LabVIEW平臺上開發(fā)出串行通信模塊,可以很方便地實現(xiàn)主機與PLC的串行通信,對PLC的內存單元進行讀寫操作,從而實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。本文所提出的設計能夠方便地應用于基于PLC的工業(yè)監(jiān)控,具有開發(fā)方便、擴展靈活的優(yōu)點。

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