分布式在线工业控制策略图形组态系统的研究与实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.47MB 55 页 15积分

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摘要

随着不断发展的各行业自动化进程，国内早期研制的多种具有自主产权的工

业控制系统及其软件已不能满足复杂系统的控制需求、安全及调试要求，相应的

海量实时数据传输和存取技术、控制系统在线组态技术、系统崩溃安全保护及“E

网到底”技术是当今控制系统的核心研究方向。

本文基于对当今分布式控制系统的理解，针对控制系统四层架构进行设计创

新。在系统监控层，设计基于环形工业以太网的全开放通讯架构，保证系统控制

的安全性和开放性；在系统的控制层及设备层，实现基于“E网到底”思想的通讯

技术，从软件角度实现工业以太网，提高实时数据传输率。在系统软件上，研究

开发了一种具有在线调试功能的图形组态软件，提供用户在线修改控制参数和控

制算法的组态工具，使控制策略时刻紧密跟踪控制对象。在异构系统数据共享方

面，应用微软 COM/DCOM 技术开发 OPC 接口，实现内、外部数据共享。

围绕上述对监控层、控制层及设备层的设计原型，本文对控制系统架构、实时

数据库结构、实时数据缓冲区存储策略、在线组态技术、“E网到底”通讯技术及

OPC 规范作了详细研究，并且通过实验验证了本系统的设计理论及现实可用性。

关键词：工业控制系统组态软件实时数据库系统 OPC 接口 EtherCAT

ABSTRACT

With the continuous development of automatic process in all industries, various

owning self-property industrial controlling system and software that developed earlier

domestic can no longer meet the satisfaction with controlling demand, safety and

debugging requirements in complicated system. Instead the core research direction of

controlling system nowadays is storage and IO technology of numerous real times,

configuration on line ，protection from break down of system and “Ethernet to

Terminal” as well .

Based on study of DCS nowadays, development on four levels of control system

is researched in the paper. At the level of supervision, framework based on full-open

structure of Ring Industry Ethernet ensures the safety and open ability of system. At the

level of control and equipment, based on the communicating technology of

“Ethernet to Terminal” realize the performance of Industry Ethernet in software and

enhance the transmission rate of real time data. Graphics Configuration Software

which provides test online and configuration tools that provide customer the way to

modify control data and control arithmetic has been developed in system software so

that they can make control strategy track closely to controlled subject all the time. In

the aspect of data sharing between systems with different framework, OPC using

Micro’s COM/DCOM technology realizes the internal and external data sharing.

Around prototype of supervision, controlling and equipment level, the paper

made detailed research on controlling system framework, real time database system, the

storage strategy of real time data in buffer, configuration online technology,

“Ethernet to Terminal” technology and OPC standard. At the same time, it tests and

verifies the design theory and effectiveness of the system.

Key Word: Industry Control System, Configuration Software, Real

Time Data Base System, OPC, EtherCAT

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 …………………………………………………………………………1

§1.1 项目背景……………………………………………………………………1

§1.2 国内外研究的现状及发展…………………………………………………2

§1.3 工程任务和本文主要研究内容……………………………………………4

§1.3.1 工程任务………………………………………………………………4

§1.3.2 本文主要研究内容……………………………………………………4

第二章在线工业控制组态系统架构 ………………………………………………5

§2.1 工业控制自动化系统的架构发展…………………………………………5

§2.2 基于四层架构的系统设计…………………………………………………6

第三章监控层设计 …………………………………………………………………8

§3.1 基于环形工业以太网的监控层通讯架构…………………………………8

§3.2 监控层软件体系结构………………………………………………………8

§3.3 核心实时数据库设计 ……………………………………………………10

§3.3.1 实时数据库技术简介 ………………………………………………10

§3.3.2 基于工业以太网的全开放分布式实时数据库模型 ………………11

§3.3.2.1 功能分析和事务调度 …………………………………………11

§3.3.2.2 实时数据库数据组织 …………………………………………12

§3.3.2.3 全开放的网络交互接口模块 …………………………………16

§3.3.2.4 实时数据库的实现 ……………………………………………17

§3.3.3 植入反馈控制页面置换算法的分布式实时数据库模型 …………18

§3.3.3.1 相关研究工作 …………………………………………………18

§3.3.3.2 算法结构 ………………………………………………………19

§3.3.3.3 缓冲区页面结构 ………………………………………………20

§3.3.3.4 缓冲区的置换 …………………………………………………21

§3.3.3.5 缓冲区反馈控制 ………………………………………………21

§3.3.4 数据库模型测试 ……………………………………………………23

§3.4 在线图形组态软件设计 …………………………………………………23

§3.4.1 在线图形组态的优势 ………………………………………………23

§3.4.2 在线图形组态软件的实现 …………………………………………25

§3.4.2.1 图形库结构及开发…………………………………………… 25

§3.4.2.2 在线调试机制设计……………………………………………… 28

§3.5 异构系统互联接口 OPC 分析及实现……………………………………… 29

§3.5.1 OPC 简介及通讯方案……………………………………………………29

§3.5.2 OPC 接口结构……………………………………………………………30

§3.5.2.1 现场工作站……………………………………………………… 31

§3.5.2.2 远程服务中心…………………………………………………… 31

§3.5.3 数据存储区的实现…………………………………………………… 32

第四章控制层设计 ………………………………………………………………… 33

§4.1 基于“E 网到底”思想的控制层通讯架构 ……………………………… 33

§4.2 嵌入式控制器 DPU 设计…………………………………………………… 34

§4.2.1 DPU 硬件平台……………………………………………………………35

§4.2.2 DPU 软件平台……………………………………………………………36

§4.2.3 DPU 核心控制软件………………………………………………………38

§4.2.3.1 软件总体架构…………………………………………………… 38

§4.2.3.2 控制算法实现举例……………………………………………… 40

§4.3 “E 网到底”机制实现 …………………………………………………… 42

§4.3.1 EtherCAT 工作原理 ……………………………………………………42

§4.3.2 通讯模型……………………………………………………………… 42

§4.3.3 软件设计……………………………………………………………… 44

§4.4 控制性能测试……………………………………………………………… 47

第五章结束语 ……………………………………………………………………… 49

参考文献……………………………………………………………………………… 50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得的成果………………………… 52

致谢…………………………………………………………………………………… 53

第一章绪论

§1.1 项目背景

工业自诞生之时，就离不开对于各种能影响或体现工业生产数据的监测和控

制。按照工业生产变量时间和幅度的连续性，工业生产的典型过程可以分为：连

续过程（Continuous Process）、离散过程（Discrete Process）和批量过程（Batch

Process）。其中批量过程往往是由离散过程和连续过程组合而成。

监测是控制的先决条件，否则控制无从谈起。依据工业生产中离散过程和连续

过程的划分，工业控制大体沿着以下两条主线发展：

第一条主线是对离散控制系统的控制，也可以说是逻辑控制或者程序控制，从

早期的机械电磁原理的继电器控制，发展为以电子逻辑电路为主的控制，进而产

生了以数字技术和微处理器为核心的 PLC（Programmable Logic Controller），其发

展趋势可视为更快、更小、更可靠、更灵活、成本更低；

第二条主线是对连续过程的控制，和离散控制相比，连续控制所使用的产品种

类更多，技术上也更为复杂。从初期的机械控制器到基地式仪表，进而发展为气

动或者电动单元式组合仪表，一直到分布式控制系统 DCS（Distributed Control

System）的产生。DCS 本身也是仪表控制系统和计算机控制系统的结合体，其发

展趋势是控制范围更广、可靠性更高，精度和实时性更高，综合成本更低。

随着科技的快速发展，现今，最新型的 PLC 也开始融入对模拟量的采集和控

制，不局限在单独的离散控制之上，而第四代的 DCS 系统控制范围也更为广泛，

两者之间的界限也日渐模糊。大型的 PLC 结合上层监控软件某种程度上也可以构

成DCS，而 DCS 系统中 PLC 也得到了广泛的使用，在网络环境下，形成了复杂

的系统[1 , 2]。

现代工业工控依然是遵循着采集、处理、控制的模式，其发展深受计算机技术

的影响，从 1958 年9月，美国投入使用第一台用于现场监控的计算机以来，计算

机已经深深的融入到工业控制领域。随着个人电脑的快速普及和性能的快速提升，

基于个人电脑的监控系统（PC Based）的应用也日益广泛，其典型代表是组态软件

（SCADA Supervisory Control And Data Acquisition）的出现。

二十世纪八十年代，伴随着计算机的发展，出现了最早的组态软件，至今已经

涌现了相当数量的组态软件产品：iFix，InTouch，Wincc 等，国内也出现了性价比

较高的软件：组态王、紫金桥等。从最初的 Dos 环境，到 Windows，从简单的监

控到各种复杂的控制，组态软件功能日益强大。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监

控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工

分布式在线工业控制策略图形组态系统的研究及实现

业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。相对于 PLC 控制和 DCS 系统，

组态软件的这种架构决定其具有的天然优势：

高度开放的接口。相对于各个硬件厂家所推的监控软件而言，第三方的组态软

件则开放得多。无论是怎样的现场总线，还是 OPC，或者是自定义的通讯格式，

只要能确定通讯协议，都可以通过增加相应的驱动，关联该设备，进而监测控制。

这样，用户就拥有了最大的选择余地，几乎可以任意的选择各家硬件产品来组合

成自己所需的控制系统；这样就构成了以组态软件为控制核心的监控系统。

快速的界面设定。通过组态软件可以轻松的绘制各种人机界面，简单的几个

操作和设定就可以实现最常用的历史曲线、报表、报警、各种动画等。

自由的组网方式。围绕着组态软件，可以根据工程需要，轻松构建所需的网

络，实现真正的分布式结构，网络间的传输介质也多种多样，比较常用的是双绞

线、光纤，由于近年来无线技术的发展和相关协议的制定，无线网络也正步入工

业自动化领域。

成本较低。组态软件通常可以运行在 Windows 环境下，一台 PC 机，或者工

控机都可以运行组态软件，无论是组态软件本身，还是整体控制系统，其成本都

相对较低。

开发效率较高。由于组态软件本身是个半成品，很多底层的通讯控制等操作

都已被封装起来，所以用户在此平台上做进一步开发就轻松很多，可以节省大量

时间，进一步降低了成本。

应用范围广泛。无论是用于工厂的整体监控，还是配套现场设备，组态软件

的使用环境可大可小，多套组态软件可以形成低成本分布式的监控系统，而单套

软件也可以单独配套现场设备，起到上位机的作用，可以记录历史数据，提供美

观的人机界面，提升了产品的科技含量，形成软硬一体的解决方案。

多样的数据接口。组态软件可以将采集的历史数据保存到本地或者远程服务

器上的实时数据库中，也可以将原始数据或者统计值等数据保存到各种关系数据

库中，比如 Oracle、Sqlsever 等。通过组态软件的数据平台，现场数据可以轻松

传到更高一层的软件系统中，比如 ERP 系统等，方便了用户的操作和管理。

§1.2 国内外研究的现状及发展

当前国内外一般的小型控制系统一般采用上、下位机结构。上位机负责数据的

采集及监视，下位机按照事先下载的控制策略执行控制算法，控制被控设备，所

以上位机称为控制器件，而下位机称为执行器件，上位机一般采用工业计算机，

下位机可以用PLC或控制柜，上下位机之间按照协议进行通讯。上、下位机的控制

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摘要随着不断发展的各行业自动化进程，国内早期研制的多种具有自主产权的工业控制系统及其软件已不能满足复杂系统的控制需求、安全及调试要求，相应的海量实时数据传输和存取技术、控制系统在线组态技术、系统崩溃安全保护及“E网到底”技术是当今控制系统的核心研究方向。本文基于对当今分布式控制系统的理解，针对控制系统四层架构进行设计创新。在系统监控层，设计基于环形工业以太网的全开放通讯架构，保证系统控制的安全性和开放性；在系统的控制层及设备层，实现基于“E网到底”思想的通讯技术，从软件角度实现工业以太网，提高实时数据传输率。在系统软件上，研究开发了一种具有在线调试功能的图形组态软件，提供用户在线修改控制参数和...

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