自来水厂的异构网络实时控制系统的设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 673.62KB 58 页 15积分

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摘要

伴随着计算机网络技术、通信技术及电子仪器仪表技术的进步，工业自动化

控制系统也得到了迅速的发展。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室

设备之间构成网络互联系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信。以现场总

线为基础的控制系统(FCS)以其诸多优点在工业监控领域引起了重大变革，并逐步

取代现行主流的集散控制系统(DCS)。以太网(Ethernet)技术是应用非常广泛的网络

技术，它在工业自动化控制局域网中得到了很好的应用。随着以太网技术在工业

控制领域的应用，现场总线技术和以太网技术相互结合，未来网络化控制系统将

有更大的发展前景。

本文基于PLC工业控制网络水处理实时监控系统的工程项目，结合网络化控制

系统的相关理论和工程实际需求，解决多种现场总线的集成、上下位机监控系统

的设计和实时数据库的构建等问题，最终完成对小昆山自来水厂网络控制系统的

设计与实现。

论文首先在信息层、控制层和现场层三层网络结构的基础上，介绍了工业以

太网和Profibus控制网络，阐述了Profibus-DP现场总线控制网络的硬件组成和软件

开发过程。

其次，根据系统互联网络通信的实际要求，分析了中控站和现场控制站的系

统功能，并且结合自来水处理工艺的特点，完成各个现场控制站控制工艺的设计。

最后，根据实时数据库的设计目标和需求，设计了用于实时控制、数据查询、

企业信息化集成等功能的实时数据库。

关键词：水处理网络化控制系统现场总线实时数据库

ABSTRACT

With the advance of computer network，communication，electronic apparatus

and instruments technology，

industrial automatic control systerns are rapidly improved．

Fieldbus can link field instruments，field instruments and equipments in control room

into a network system and implement total digital，bi—direction and more variables

communication．

On the base of the fieldbus，

fieldbus control system(FCS) causes great

reform in the field of industrial inspection and control because of its many of virtues

and gradually replace distributed control system(DCS)which is normally used now．

Ethernet technology is a widly used network technology, especially in industrial

automation and control LAN．As the applications of Ethernet technology in the field of

industrial control, field bus technology and Ethernet technology combined with each

other，the networked control systems will have greater development prospects in the

future．

Based on the PLC industrial control network water processing real-time monitoring

system project，combined with network control system theory and actual engineering

needs，this paper solves a variety of field bus intergration、upper and lower monitoring

control system design and construction issues such as real-time database，and eventually

completes network control system’s design and implementation of water plant in

XiaoKunshan．

Firstly ，in the information layer 、control layer and field layer based on the

three-layers network architecture，the paper introduces industrial Ethernet and Profibus

control network and describes hardware and software development process of

Profibus-DP field bus control network．

Secondly，according to the actual requirement of Internet communication system，

the paper analyzes the function of center control station and control station on

site．Combined with the charater of water plant treatment process ，it completes the

design and implementation of controller．

Finally, based on real-time database design goals and needs，we designs real-time

database for real-time control 、data query and enterprise information integration

features．

Key Word: Water Treatment, Networked Control System, Field Bus,

RTDB

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题背景 ...........................................................................................................1

§1.2 网络化控制系统概述 .......................................................................................1

§1.3 网络化控制系统发展与现状 ...........................................................................2

§1.3.1 网络化控制系统的发展状况 .................................................................2

§1.3.2 自来水处理自动化的现状 .....................................................................4

§1.4 本文的主要工作及主要关键技术 ...................................................................4

第二章网络系统的详细设计 .........................................................................................6

§2.1 网络化系统的总体设计 ....................................................................................6

§2.2 以太网已成为工业网络的发展方向 ................................................................7

§2.2.1 以太网发展及其优点 ..............................................................................7

§2.2.2 以太网与 TCP/IP .....................................................................................9

§2.2.3 以太网在工业控制中的可行性研究 ....................................................13

§2.3 EtherNet/IP 概述 ............................................................................................. 13

§2.3.1 EtherNet/IP 简介 ................................................................................... 13

§2.3.2 网络主要设备选型 ...............................................................................14

§2.3.3 具体实现 ...............................................................................................15

§2.4 Profibus-DP 网络设计 .....................................................................................16

§2.4.1 Profibus 总线简介 ................................................................................. 16

§2.4.2 网络主要设备选型 ................................................................................17

§2.4.3 网络构建 ................................................................................................17

§2.5 本章小结 .........................................................................................................18

第三章控制系统设计 ...................................................................................................19

§3.1 控制系统总体设计 .........................................................................................20

§3.1.1 系统功能设计 ........................................................................................20

§3.1.2 现场控制站的系统功能 ........................................................................21

§3.1.3 中控站的系统功能 ................................................................................22

§3.2 沉淀池排泥水控制工艺的设计与实现 .........................................................22

§3.2.1 沉淀池工艺简介 ....................................................................................22

§3.2.2 沉淀池排泥控制 ....................................................................................23

§3.3 滤池控制工艺的设计与实现 .........................................................................24

§3.3.1 液位控制 ................................................................................................24

§3.3.2 反冲洗控制 ............................................................................................25

§3.3.3 程序设计 ................................................................................................26

§3.4 二级泵房控制工艺的设计与实现 .................................................................27

§3.5 加药间控制工艺的设计与实现 .....................................................................28

§3.5.1 溶液池配药过程 ....................................................................................29

§3.5.2 溶液池调度过程 ....................................................................................30

§3.5.3 溶液池自动投药过程 ............................................................................30

§3.6 加氯间控制工艺的设计与实现 .....................................................................31

§3.7 加氨间控制工艺的设计与实现 .....................................................................33

§3.8 污泥脱水控制工艺的设计与实现 .................................................................34

§3.8.1 自排泥水调节池控制 ............................................................................35

§3.8.2 浓缩池污泥控制 ....................................................................................36

§3.8.3 平衡池污泥液位控制 ............................................................................37

§3.8.4 离心脱水系统自动加药量控制 ............................................................37

§3.9 本章小结 .........................................................................................................38

第四章实时数据库的设计 ...........................................................................................39

§4.1 实时数据库概述 .............................................................................................39

§4.2 实时数据库的设计思想 .................................................................................40

§4.3 实时数据库的系统结构 .................................................................................40

§4.4 OPC 接口 .........................................................................................................42

§4.4.1 OPC 概述 ...............................................................................................42

§4.4.2 OPC Server 的配置 ............................................................................... 43

§4.4.3 OPC Client 的实现 ................................................................................ 43

§4.5 DDE 接口 ........................................................................................................ 46

§4.6 本章小结 .........................................................................................................48

第五章总结与展望 .......................................................................................................49

§5.1 总结 .................................................................................................................49

§5.2 展望 .................................................................................................................49

参考文献 .........................................................................................................................51

第一章绪论

网络化控制系统(Networked Control Systems，NCS)是一种全分布式、网络化

实时反馈控制系统，它不仅是控制技术、通信技术与计算机技术相结合的产物，

也是综合自动化技术发展的必然趋势。网络化控制系统自 20 世纪 90 年代被提出

后，立刻引起了人们的关注，同时对传统的控制系统理论和应用提出了新的挑战，

因此，对网络化控制系统的研究具有理论和现实的意义。

§1.1 课题背景

生活用水是城镇居民的生命线[1]，为了满足上海市松江区人口不断增多所造成

的自来水供应和使用问题，松江区自来水公司决定建设小昆山水厂(一期)工程。本

课题在此工程的基础上，阐述了中央控制系统、沉淀池控制站、加药间控制站、

滤池控制站、二级泵房控制站、加氯加氨间控制站、臭氧车间控制站和脱水机房

控制站等控制方法，同时也完成了实时数据库的设计，最终实现了现场设备信息

的远程控制和管理。

§1.2 网络化控制系统概述

网络化控制系统(NCS)是随着电子、通信和计算机技术的不断发展而发展起来

的，它充分体现了控制系统的网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势[2]。

现场设备(例如智能化仪表、传感器等)的不断更新以及高速以太网、工业以太网和

现场总线技术的快速发展成功解决了 NCS 的不可靠性和局限性，使其在交通控制、

自动化控制、航空航天、外贸金融等领域广泛使用。相对于早期的控制系统而言，

NCS 是一种全分布的实时反馈闭环控制系统，它最主要的特点就是通过现场控制

器、传感器与执行机构的网络连接，采集现场数据，实现设备的远程控制。同时

NCS 的成功搭建，使系统更加层次化、集成化及模块化，不仅方便于资源的共享，

而且在设备的维修和维护上更有针对性，提高工作效率。

然而，在现场网络控制系统中，由于数据采集点过多、系统规模大、网络带

宽有限等多种因素的影响，往往出现数据多路径传输、多包传输、数据碰撞、网

络拥塞、网络连接中断等现象，造成数据传输时延、数据包时序错乱、数据包丢

失等问题，数据实时传输得不到保证，影响控制过程，这必将导致传统的控制理

论与控制方法不适用于网络控制系统，因此有必要采取例如增加网络冗余等相应

的改进措施来进行控制系统的分析与设计。

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摘要伴随着计算机网络技术、通信技术及电子仪器仪表技术的进步，工业自动化控制系统也得到了迅速的发展。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互联系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信。以现场总线为基础的控制系统(FCS)以其诸多优点在工业监控领域引起了重大变革，并逐步取代现行主流的集散控制系统(DCS)。以太网(Ethernet)技术是应用非常广泛的网络技术，它在工业自动化控制局域网中得到了很好的应用。随着以太网技术在工业控制领域的应用，现场总线技术和以太网技术相互结合，未来网络化控制系统将有更大的发展前景。本文基于PLC工业控制网络水处理实时监控系统的工程项目，结合网络化控...

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