基于labview的网上家居控制平台的设计本科生_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于labview的网上家居控制平台的设计本科生_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 的地模型北华航天工业学院毕业论文 6 （ 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。 ControlNet 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 21 给出了 ControlNet现场总线技术和其他总线技术的主要性能比较。 北华航天工业学院毕业论文 7 表 21 几种现场总线技术的性能比较 性能指标 ControlNet DeviceNet Profibus ASI 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 ASi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,300 kb/s,500kb/s －12Mb/s, kb/s,1 Mb/s, Mb/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： 光纤： 100m ::500m 总线冗余 可 不能 可 不能 可 有关标准 IEC61158 子集 欧洲标准 EN50254 欧洲标准EN50252 IEC61158 子集 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 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 北华航天工业学院毕业论文 8 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/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）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（ Implicit Token Passing）。 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（ Implicit Token Register），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意时刻的值相同，这就避免了冲突的发生。 如果某个节点没有要发的数据，则只须发一个空的数据帧（ Null Frame）。 ControlNet 中传递隐性令牌的逻辑是通过特别设计的时间分片存取算法――并存时间域多路存取（ Concurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）来控制的。 根据实时数据的特性，一些带宽预先保留和预定用来支持实时数据的传送，余下的带宽则用于非实时和未预定数据的 传送。 因此，它在保证对时间有苛求的控制信息传输的同时，也能在同一物理介质链路上传送其它无时间苛求的信息。 在每一个网络刷新时间（ Network Update Time NUT）内自动调节网络上各节点拿到隐性令牌传送信息的机会。 ControlNet 的技术规范规定可组态的 NUT 时间为 ～ 100ms（ 目前市场上可提供的有关产品的最小可组态的 NUT 为 2ms）。 网络刷新时间（ NUT）分为三个部分：预定信息传送时间、非预定信息传 送时间和维护时间 ， 详细内容如表 22 所示。 表 22 网络刷新时间 网络刷新时间（ NUT） 功能 预定信息传送时间 传送预定节点（在一个循环的左右顺序次序的基础上）的有时间苛求的信息。 非预定信息传送时间 传送非预定节点（按顺序进行循环传送，一直到分配给非预定传送的时间用完为止）没有时间苛求的信息。 控制网保证至少有一个非预定节点有机会传送数据，提供给非预定节点的时间取决于预定节点的通信量。 维护时间 能够自动调整，以使 NUT 大小不变，并保证其他节点同步。 NUT（网络刷新时间）是由用户自己选择的，它将不停地扫描网络上的设备节点，北华航天工业学院毕业论文 9 并根据节点上设备类型的不同，按照 ControlNet 的 时间片算法在 NUT 内为它们分配时间段。 由此可知， ControlNet 网络具有预见数据何时能够可靠传输到目标的能力，并且数据的传输时间不受网络节点添加 /删除或网络繁忙等状况的影响而保持恒定 [3]。 ControlNet 现场总线的网络体系结构 现代控制系统中，不仅要求现场设备完成本地的控制、监视、诊断等任务，还要能通过网络与其他控制设备及 PLC 进行对等通信。 工业现场控制网络的许多应用也不只要求在控制器和工业器件之间的紧耦合，还应有确定性和可重复性。 ControlNet 是高度确定性、可重复的网络。 在 实际应用中，通过网络组态时选择性设定有计划的 I/O 分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步的保证。 因此， ControlNet 非常适用于一些控制关系关联复杂，要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度较高的应用场合。 如协同工作的驱动系统，焊接控制，运动控制，视觉系统，复杂的批次控制， 有大量数据传送要求的过程控制系统，有多个控制器和人机界面共存的系统等。 对于有多个基于 PC 的控制器之间不同 PLC 之间 PLC 与 DCS 之间存在通讯要求的场合， ControlNet也非常适用。 ControlNet 允许多个各自拥有独立或共 享 I/O 的控制器之间相互通讯或以灵活的方式组织互锁。 在罗克韦尔推出的工业网络平台方案 —— “ NetLinx”体系中， ControlNet 处于核心地位，网络结构如图 21 所示。 图 21 ControlNet 逻辑网络体系 ControlNet 总线不仅可以与多种设备或子网直接相连，还能够通过扫描器连接下层的DeviceNet 设备网和 FF 现场总线等产品；同时，通过通信接口模块连通上层的信息以太网，实现控制网络与信息网络的集成，共享信息资源。 组态软件是现场总线控制系统普遍应用的人机接口（ HMI）监控软件， 是控制网络底北华航天工业学院毕业论文 10 层总线与现场设备直接进行数据交换的软件接口和控制网络与信息网络集成的桥梁。 RSView3 RSView SE 是基于 Windows 环境（ Windows 98， Windows NT）的工业监控软件，使用方便、直观、可靠，同时允许用户进行图形观察和组态整个网络。 它全面支持ActiveX 技术，同时支持 OPC 的服务器和客户端模式，既可以通过 OPC 和硬件通讯，又可以向其它软件提供 OPC 的服务。 同时 Windows 为 RSView 和基于 Windows 的应用软件提供接口，利用 DDE（ dynamic data exchange）技术，与 Windows 的应用程序间进行数据交换，实现本地控制网络与上层信息网络之间的信息共享，从而为用户提供更为集中的数据操作环境，实现系统集成。 综上所述， ControlNet 控制网是一种高速确定性网络，用于对时间有较高要求的应用场合的信息传输，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。 它作为控制器和 I/O 设备之间的一条高速通信链路，综合了现有的 RI/O 和 DH 链路的能力。 因为它的高速率，使其可以支持高度分布式的自动化系统，特别是那些具有高速数字量 I/O 和大量模拟量 I/O的系统。 控制网结合了输 入 /输出网络和点对点信息网络的功能，既可以满足对时间苛求的控制数据传输（如 I/O 刷新、控制器到控制器的互锁）的需要，又可以满足对时间非苛求的数据传输（如程序上传、下载、信息传送）的需要 [4]。 小结 本章对现场总线控制技术，尤其是 ControlNet 总线技术的技术特点和应用范围进行了深入分析，着重阐述了它的通讯模式、仲裁方式以及其网络体系结构，并与其它常见总线技术进行了对比。 北华航天工业学院毕业论文 11 第 3 章 系统硬件概况 系统概况 为了保证数据采集的准备性和安全性，系统采用双机热备，以避免由于特殊原因使数据丢失。 系统中所要控制的执行机构包含：电动球阀 16 个、电动闸阀 7 个、变频器 1 台、搅拌器 1 台。 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。 总体设计方案见 如 图 31 所示。 图 31 系统设计方案图 其中： 1． PLC 采用美国 ROCKWELL 公司先进的 ControlLogix 系列产品，可靠性高，具有双机热备功能，性能稳定；同时采用了高速传送、实时 I/O 的控制网络（ ControlNet）通信技术，实现了过程数据采集、实时传输和过程控制，增强下位机的扩展性和数据采集的实时 性。 通过软件编程实现对远程仪表（设备）、传感器及执行机构的数据采集、处理与控制，实现总体设计功能和系统热备功能。 2．下位机扩展采用采用美国 ROCKWELL 公司的模拟输入、输出模块、数字输入、北华航天工业学院毕业论文 12 输出模块以及专用的 Pt 电阻（测温 RTD）输入模块，对现场仪表、传感器、 Pt 电阻（测温）及执行机构的数据进行采集与控制。 功能模块 程序选择的模块 如表 31 所示。 表 31 PLC 配置清单表 序号 部件名称 型号 数量（套） 1 CPU 处理器 1756L55M24 2 2 热备通讯模块 1757SRM 2 3 电源 1756。