摘要

本文以某石油環(huán)道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為背景展開的，詳細(xì)介紹了通過PLC控制下位機(jī)系統(tǒng)工作的情況，重點(diǎn)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(yīng)用，并且以ROCKWELL的RSLogix5000為基礎(chǔ)，編寫了自由組態(tài)的獨(dú)立控制部分軟件。實(shí)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(yùn)算帶來的滯后問題。本文基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與PLC相結(jié)合，通過串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場PLC監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信及監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)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(jì)算機(jī)40年來，可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC)實(shí)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(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了單體設(shè)備簡單控制到勝任運(yùn)動控制、過程控制、及集散控制等各種任務(wù)的跨越。本文采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成上位機(jī)PLC控制系統(tǒng)作為下位機(jī)，結(jié)合ControlNet現(xiàn)場總線技術(shù)[1,2]，具有網(wǎng)絡(luò)控制功能和遠(yuǎn)程控制接口，同時為確保系統(tǒng)的安全可靠性，上、下位機(jī)均擬采用硬件冗余的方案，完成輸油管道試驗(yàn)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集。

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

②下位機(jī)（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(wǎng)可在客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成對現(xiàn)場設(shè)備的管理與控制，適用于低成本的小型的集散控制系統(tǒng)。

2基于PLC的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)備性和安全性，系統(tǒng)采用雙機(jī)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(jī)構(gòu)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(diǎn)、差壓2點(diǎn)、溫度26點(diǎn)、地溫30點(diǎn)、液位1點(diǎn)、流量2點(diǎn)。

總體系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

其中：

1)PLC采用美國ROCKWELL公司先進(jìn)的ControlLogix系列產(chǎn)品，可靠性高，具有雙機(jī)熱備功能，性能穩(wěn)定；同時采用了高速傳送、實(shí)時I/O的控制網(wǎng)絡(luò)（ControlNet）通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時傳輸和過程控制，增強(qiáng)下位機(jī)的擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程儀表（設(shè)備）、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集、

處理與控制，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)功能和系統(tǒng)熱備功能。

2)下位機(jī)擴(kuò)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(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的功能模塊如表1所示。

3ControlNet現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ControlNet是一種新的面向控制層的實(shí)時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，在同一物理介質(zhì)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(diǎn)對點(diǎn)的報文傳送等通訊支持，以其高速（5Mb/s）的通信速度、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模型、高效率的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及靈活方便的安裝方式等特點(diǎn)，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(dú)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(shè)備或子網(wǎng)直接相連，還能夠通過掃描器連接下層的DeviceNet[3]設(shè)備網(wǎng)和FF現(xiàn)場總線等產(chǎn)品；同時通過通信接口模塊連通上層的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，共享信息資源。

4PLC下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC[4]的控制包括ControlNet網(wǎng)絡(luò)的控制管理和流程控制兩部分。其中網(wǎng)絡(luò)控制管理通過ROCKWELLControlNet網(wǎng)絡(luò)專用的RSLinx作為網(wǎng)絡(luò)配置軟件，RSNetWorx作為網(wǎng)絡(luò)的管理軟件。使用這兩個軟件進(jìn)行相關(guān)的配置和管理，就能正確的使用掛在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的PLC單元。

4.1基于RSLogix5000的環(huán)道控制設(shè)計(jì)

通過本系統(tǒng)的獨(dú)立控制部分，管理者可輕松實(shí)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(shí)現(xiàn)任意的控制流程，如進(jìn)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?qū)崿F(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(diào)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(dú)控制每一個閥門，實(shí)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(chǔ)編寫完成下位PLC獨(dú)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(diào)用或控制相應(yīng)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(diào)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(yīng)用PID運(yùn)算進(jìn)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(guān)閥相同，原因是便于在以后控制進(jìn)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(diǎn)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。考慮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(jī)，以裝有LabVIEW軟件[5]的工控機(jī)為上位機(jī)開發(fā)平臺。通過RS-232和RS-485串口與PLC通信，實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)RS-485與PC機(jī)上RS-232相連接的PC/PPI電纜，可以方便地實(shí)現(xiàn)S7系列PLC與PC之間的硬件連接。系統(tǒng)中如果應(yīng)用多個PLC模塊或其他具有RS485串行通信能力的設(shè)備，亦可方便地聯(lián)網(wǎng)或構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。

LabVIEW進(jìn)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(shè)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(shè)備進(jìn)行寫操作。

④閉端口。當(dāng)對串口操作完成后，需要關(guān)閉串口，以釋放硬件資源。

2）LabVIEW與PLC串口通信實(shí)現(xiàn)

按照上述過程，設(shè)計(jì)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(jī)與PLC串口通信程序結(jié)構(gòu)分為3個部分：

(1)串口初始化。根據(jù)通信協(xié)議設(shè)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(yàn)，無軟件握手協(xié)議。

(2)發(fā)送命令和讀取響應(yīng)將命令通過串口COM1發(fā)給PLC，并接收來自PLC的響應(yīng)信息，如果響應(yīng)正常(狀態(tài)信息為01或02)，就將所得數(shù)據(jù)做顯示、計(jì)算分析、存儲等后續(xù)處理，以便用于設(shè)備實(shí)時控制和在線狀態(tài)監(jiān)測；如果響應(yīng)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(guān)閉串口。調(diào)用LabVIEW提供的VISA關(guān)閉串口函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口資源的釋放。當(dāng)程序運(yùn)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(dāng)達(dá)到預(yù)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(jié)束。

5結(jié)論

本系統(tǒng)中通過在現(xiàn)場總線控制領(lǐng)域，ControlNet憑借更強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程集中處理的便捷；憑借5Mb/s的速率保證了實(shí)時傳輸；而且在安全性和穩(wěn)定性上，自身獨(dú)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(jié)合成功例子，使得ControlNet應(yīng)用于環(huán)道控制系統(tǒng)有了強(qiáng)大的保障。伴隨更多人的關(guān)注，ControlNet會有更大的發(fā)展。本系統(tǒng)采用的ControlNet總線結(jié)構(gòu)

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(dāng)中，有這更多的拓展的空間和進(jìn)行進(jìn)一步提高性能的基礎(chǔ)。PLC自由口通信方式具有與外圍設(shè)備通信方便、自由，易于微機(jī)控制等特點(diǎn)，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(jī)或工控機(jī)的串口，按照自由通信協(xié)議，結(jié)合地址映射技術(shù)在LabVIEW平臺上開發(fā)出串行通信模塊，可以很方便地實(shí)現(xiàn)主機(jī)與PLC的串行通信，對PLC的內(nèi)存單元進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。本文所提出的設(shè)計(jì)能夠方便地應(yīng)用于基于PLC的工業(yè)監(jiān)控，具有開發(fā)方便、擴(kuò)展靈活的優(yōu)點(diǎn)。