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天然气输配站自动控制系统方案设计 1 目录目录 1 绪论.3 1.1 天然气输配技术的发展.3 1.2 天然气输配技术现状.3 1.3 设计的目的及意义.4 2 方案选择5 2.1 方案比较.5 2.2 方案论证.5 3 方案设计与硬件选型7 3.1 方案设计7 3.1.1 某天然气输配站7 3.1.2 生产流程8 3.1.3 控制方案8 3.2 设备仪表选型9 3.2.1 流量变送器9 3.2.2 温度变送器10 3.2.3 压力变送器10 3.2.4 电动阀门10 3.2.5 控制器10 3.2.6 上位机11 3.2.7 离心式压缩机11 4 系统仿真设计12 4.1 仿真方案设计12 4.2 仿真硬件13 4.2.1 上位机13 4.2.2 controllogix 控制器13 4.2.3 1794 flex i/o 14 4.2.4 powerflex 40 变频器14 4.2.5 dj17 三相绕组式异步电动机. 15 4.3 软件设计与实现15 4.3.1 软件开发工具15 4.3.2 通信组态17 4.3.3 rslogix5000 控制器编程. 18 4.3.4 rsnetworx 网络规划.26 4.3.5 rsview32 画面组态.28 5 程序运行与结果分析34 5.1 程序运行.34 5.1.1 程序运行操作步骤34 5.1.2 运行程序34 5.1.3 查看监控画面35 5.2 pid 参数整定. 36 5.2.1 调节比例增益36 5.2.2 调节积分增益37 cccccc 2 5.3 仿真结果分析.38 6 结论39 谢辞40 参考文献41 附录42 天然气输配站自动控制系统方案设计 3 1 1 1 1 绪论绪论 1.11.11.11.1 天然气输配技术的发展天然气输配技术的发展 自国家提出西部大开发战略决策以来，西起塔里木东抵上海的“西气东输” 天然气管道系统， 以及西起四川川东北东抵上海的 “川气东送” 天然气管道工程， 引起了国内外广泛的关注。它们的相继建成极大的改善了我国的能源结构，有效 的治理大气污染，同时带来了更为显著的经济效益。我国有丰富的天然气资源， 全国新一轮资源评价结果认为：目前，我国有超过 47 万亿 m3 天然气资源量， 丰 富的天然气资源为我国大规模地利用天然气提供了可能。 随着我国天然气事业的 不断发展以及对环保事业的不断推进。天然气将成为我国未来的主导能源，与之 密切相关的天然气输配技术必将同时得到极大的发展。 天然气输配技术的发展一直是关系着国计民生的大事。随着我国经济的迅速 发展， 以及城市化进程的不断推进， 城市人口的增多带来了天然气用气量的猛增； 加之国家对于环境保护的日益重视，加大了天然气在能源结构中的比重。近年来 国家和政府都对天然气的发展加大了投资力度， 从国外引进并自己消化吸收创新 了一系列先进的设备和先进的工艺技术。 这些先进的工艺技术无疑对控制系统的 升级提出了更高的要求，但是由于历史和现实的种种原因，我国天然气控制系统 到目前为止的总体发展水平和国际上的先进水平还有不小的差距，发展也不均 衡。特别是一些旧的监控系统在目前的网络时代、计算机时代所暴露出来的问题 更多，濒临淘汰。所以在吸收国外先进经验和充分了解工艺过程的基础上研制和 开发性价比更高的天然气输配站计算机自动控制系统产品已是一个迫切的问题。 1.21.21.21.2 天然气输配技术现状天然气输配技术现状 目前天然气输配站的站控系统大多采用二次仪表系统，主要的功能如下：现 场的压力、 液位、 温度通过现场各种变送器将信号传至表盘上的无纸记录仪显示、 记录，报警信号由闪光报警仪发出声光报警。如有情况发生，可通过设在现场及 表盘上的紧急切断按钮手动对每个切断阀分别实现控制室和气化站现场的两地 快速切换控制；为了便于事故状态时能够同时切断所有的快速切断阀，还设计了 一个盘装总控制按钮和一个现场总控制按钮， 以分别实现在控制室和现场对所有 的切断阀的同步快速切断控制。 cccccc 4 技术更为先进的天然气输配站已经运用了 scada 系统。scada 系统，即数据 采集和监视控制系统。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统， 可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、 参 数调节以及各类信号报警等各项功能。 1.31.31.31.3 设计的目的及意义设计的目的及意义 针对以上提到的天然气输配站的现状，其现有技术已经开始显现其不足之 处。迫切需要更加先进的技术取而代之。 罗克韦尔自动化是一家工业自动化跨国公司， 其业务范围覆盖工业自动化的 许多领域。自二十世纪八十年代中期进入中国市场以来，罗克韦尔自动化一直致 力于帮助各种行业的客户实现生产现场与企业信息的集成。拥有 a-b （allen-bradley）等知名品牌。 罗克韦尔自动化可为多种多样的制造加工企业提供工业自动化解决方案， 包 括：交通、电力、水/废水处理、石油天然气、冶金、橡胶和塑料、汽车、制药、 纺织、食品及基础设施等。罗克韦尔已经针对全球的许多工业领域开发出一个巨 大的应用知识库。 本设计题目根据天然气输配站的现状，本着安全可靠，简单实用的原则， 在 提出的方案设计中， 力求以发挥罗克韦尔自动化开放的现场总线网络 netlinx 体 系为基础，人机界面交互软件 rsview32 为核心，以数据库技术提供控制策略， 计算机和网络技术提供实现方法， 采用控制器、 驱动、 网络构架及工控软件产品。 为某天然气输配站提供一个多级的、开放的、模块化的、实时多任务集散型的控 制系统和具备数据采集监控分析功能的 scada 子系统， 满足天然气输配站局部生 产流程对自动控制系统的要求。 天然气输配站自动控制系统方案设计 5 2 2 2 2 方案选择方案选择 2.12.12.12.1 方案比较方案比较 自动控制的目标是通过自动检测仪表测得的参数， 经过控制计算机的分析处 理后，为满足生产的要求得出有效的控制方案，并发送控制信号，使现场控制器 调节各设备装置，达到控制要求。 对于传统的二次仪表系统有明显的缺点，二次仪表系统的控制线路复杂， 要实现简单的单回路控制，需要在各种二次仪表之间来回接线，达到信号的输入 输出来实现回路控制，这样仪表盘内的布线非常复杂，如果出现线路或者仪表故 障，查起来很麻烦。 对于现在的 scada 系统，虽然相对传统的二次仪表系统有了长足的改进。 但是相对于天然气输配技术发展的要求来说，还是有很大的提升空间。比如， 降 低对传输介质的依赖性，减少控制系统中各层网络之间访问的局限性等。 而基于 netlinx 的罗克韦尔自动控制方案具有设备层， 控制层， 以太层三层 网络结构。而设备网具有了二次仪表的功能，而控制网和以太网则是对整个控制 网络的优化与完善。 2.22.22.22.2 方案论证方案论证 netlinx 是罗克韦尔自动化推出的一种开放式网络体系， 它不是单一的网络 结构，而是一种不依赖于网络介质的网络体系。netlinx 将网络服务、通用协议 和开放式软件接口有机结合,它保证了控制数据高效传输，并实现了信息从底层 的设备网到上层信息网络的无缝流动。 netlinx 与其他工业控制网络相比， 具有突出的优点。 它采用由 net 和 linx （开放式接口）组成的结构，能更有效的实现系统组态、数据采集和控制。net 是基于生产者/消费者的通信模型，定义了一系列超级服务协议：它支持多播式、 事件触发、周期性触发等发送机制；它完全独立于网络介质，可在不同的网络介 质中组态。控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企业信 息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，方便了用户对系统 的组态、管理和维护。这种开放的现场总线网络集成了多种网络服务，采用通用 的网络协议和开放的软件接口，保证了无缝的信息和控制数据流传输，可以方便 cccccc 6 地与 intranet、internet 连接起来，使得本来就很强大的网络功能更加强大。 图 2.1 所示罗克韦尔的 netlinx 三层网络。 图 2.1 因此综上所述，本设计选取罗克韦尔的 netlinx 三层网络自动控制方案。 天然气输配站自动控制系统方案设计 7 3 3 3 3 方案设计与硬件选型方案设计与硬件选型 3.13.13.13.1 方案设计方案设计 3.1.13.1.13.1.13.1.1 某天然气输配站某天然气输配站 某天然气输配站基本情况如图 3.1 所示 图 3.1 某天然气输配站生产流程图 球形天然气储罐的压力在 0.8mpa1.6mpa， 温度在 10以下。 球罐体积 5000 m 3 左右。离心式压缩机前段管道压力在 1.2mpa 左右，离心式压缩机压缩比在 4 左右。管道温度在 30左右，流量在 2000 m 3/min，管径为 426mm，管壁厚 7mm。 cccccc 8 3.1.23.1.23.1.23.1.2 生产流程生产流程 天然气进口处设有手动阀门， 以防紧急情况下在电动阀门失去功能的时候手 动关停。关闭电磁阀，天然气进入离心式压缩机组，对天然气进行加压。当天 然气从上游管道进入压缩机组时，首先进入除尘器（图中未标出） ，去除天然气 在管道输送中混入的杂质，防止对离心式压缩机的叶轮造成损害。 电磁阀的作用在于当压缩机组故障时，可以使管道继续输送天然气，不至 于对生产造成重大损失。ft 流量变送器的作用在于检测天然气流量。并且当检 测出离心式压缩机的出口容积流量 q1 小于固定极限流量 q2 （即防喘振最小流量） 时，开启电磁阀增大回流量，防止喘振的发生。 当离心式压缩机正常工作以后，关闭电磁阀，从压缩机组出来的天然气经 过流量计计量。电磁阀的作用还包括当压缩机组故障检修时，保证天然气继续 输送的功能。其中储气罐的功能是为了保证天然气的供应平衡，起调峰的作用。 当下游天然气用量处于低峰时，可以往储气罐注入天然气；当下游用气高峰到来 时，上游管道的输气能力无法满足要求的时候，可以开启储气罐，以提高输配站 的天然气供气量。所有的电磁阀门都配备了手动阀门，以预防故障发生时能正常 生产及维修。 流量变送器，温度变送器，压力变送器检测的参数值以标准电信号的形式传 送给 i/o 模块，通过 i/o 模块传送至控制器，控制器根据设定的程序算法进行分 析计算， 并得出控制方案。 这些控制方案包括： 各电磁阀的相互协调开启与关闭， 变频器调节压缩机转速，故障时发生报警及采取紧急措施等。 整个生产流程图上显示 1 个储气罐温度检测点与 1 个压力检测点， 离心式压 缩机组段的1个流量检测点， 天然气管道上的2个温度检测点和2个压力检测点。 3.1.33.1.33.1.33.1.3 控制方案控制方案 此天然气输配站自动控制系统方案采用罗克韦尔 netlinx 三层网络架构。如 图 3.2 为图 3.1 天然气输配站生产流程的控制方案原理框图。 天然气输配站自动控制系统方案设计 9 图 3.2 3.23.23.23.2 设备仪表选型设备仪表选型 3.2.13.2.13.2.13.2.1 流量变送器流量变送器 生产流程图中流量变送器 ft 测量流量。流量测量中的速度式流量变送器主 要分节流式流量变送器和涡街式流量变送器。 天然气输配中大口径管道的流量测 量，节流式流量测量由于传输介质与节流件的摩擦导致的动量损失，以及压力的 频繁变动使测量不准确。北京凌云流量仪表有限公司生产的 lugb 涡街流量变送 器主要用于工业管道介质的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。特点是 压力损失小，量程范围大、精度高，维护量小。在测量工况体积时几乎不受流体 密度、压力、温度、粘度等参数影响。其主要参数如下： 口径范围 10500mm,气体测量范围 260000m3/h，测量精度 1.0 级，被测介质 温度-40450，工作压力 2.525mpa，输出电流 420ma,适用环境温度-25 55，电源 dc1224v。 cccccc 10 3.2.23.2.23.2.23.2.2 温度变送器温度变送器 生产流程图中采用 t1t、t2t、t3t 共 3 个温度变送器测量温度。天然气生产 输配过程中的温度测量主要采用接触式测量。 接触式温度测量有热电偶和热电阻 两种。但在天然气输送过程中主要采用低温高压的输送模式，而热电偶需要进行 冷端温度补偿，低温测量精度低，所以选用热电阻方式测量。北京赛亿凌科技有 限公司生产的 sty 系列一体化温度变送器测温探头采用高阻型 pt1000 铂电阻。 测量精度高、稳定性好、防震、防潮、集传感变送于一体，电流输出型适合长距 离传送，抗电磁干扰电路设计。主要参数如下： 温度测量范围：-200600，输出信号 420ma，负载电阻 0500 欧姆，供电 24dc10%，功耗1w。 3.2.33.2.33.2.33.2.3 压力变送器压力变送器 生产流程图中采用 p1t、p2t、p3t 共 3 个压力变送器测量压力。压力测量 有弹性式测量， 力矩式测量， 电容式测量。 在前两者都带有机械传动， 稳定性差。 珠海恒智电子科技有限公司生产的 hz3051 系列压力/差压变送器， 采用差动电容 作为检测原件， 无机械传动和调整装置， 因而具有结构简单、 精度高、 稳定性好、 可靠性与抗震性强等特点。可测量管道和储罐的压力。主要参数如下： 精度0.5 级， 静压 013.7mpa， 供电 1245vdc， 输出 420madc， 量程误差 0.25%/6.9mpa，本安防爆等级。 3.2.43.2.43.2.43.2.4 电动阀门电动阀门 生产流程图中的 8 个电磁阀门可以用球阀也可以用蝶阀， 但是在实际的工程 应用中，一般管道直径 300mm 以下的用闸阀或截止阀，而 300mm 以上的用蝶阀的 较多。而且在天然气的输配管道中对密闭性的要求非常高，在蝶阀中要考虑三偏 心蝶阀。上海高成阀门制造有限公司的电动三偏心蝶阀具有结构简单、体积小、 重量轻，只由少数几个零件组成。产品规格 dn50dn1000。 3.2.53.2.53.2.53.2.5 控制器控制器 在自动控制中，控制器的性能决定了控制质量的好坏。美国 ab 公司的 cotrollogix 控 制 器 具 有 易 于 和 现 有 plc 系 统 集 成 的 无 缝 连 接 特 点 ； 天然气输配站自动控制系统方案设计 11 controllogix 结构在背板上提供高速数据传输数据总线， logix 控制器提供高速 传输的控制平台； 提供模块化控制方法。 1756-l63 controllogix5555 controller 是罗克韦尔的主要控制器产品。controllogix 控制器适合上千个 i/o 点的控制 系统，具有极强的网络功能，通过强大的网关作用的背板可以连接 a-b 控制器的 所有网络。logix5555 处理器是安装于 1756 i/o 框架的高速单槽处理器。多任 务操作系统可支持 32 个可组态的连续性或周期性任务，这些任务根据具体应用 程序将按照优先来执行程序代码。用户可为每一个任务分配最多 32 个程序，每 一个程序都可以有自己的本地数据或梯形图逻辑。 3.2.63.2.63.2.63.2.6 上位机上位机 控制过程中要进行监控，需要工业控制计算机。工业控制计算机的最大要求 就是稳定。研华公司生产的 ipc-610 工控机，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰， 内 部可安装同 pc-bus 兼容的无源底板。 主要性能指标： 4u 高 14 槽机架安装机箱， 多种电源选项，带滤网的热插拔，86-cfm 冷却风扇，可选 atx 主板版本。研华 ipc-610 工控机配置有：研华 ipc-610 工控机/piv3.4/1gddr/80ghdd/52xcd/ 网卡/键盘/鼠标。 3.2.73.2.73.2.73.2.7 离心式压缩机离心式压缩机 离心式压缩机的工作原理是，心机通过高速旋转的叶轮对气体做功，使气体 在离心力场中压力得到提高，同时动能也大为增加。随后在扩张流道中流动时这 部分动能又转化为静压能，而使气体压力进一步提高。其能量的转化过程是： 电 能动能压力能。 在天然气输配中得到广泛的应用。 德国西门子公司的 22mw 西门子电机驱动离心式压缩机，性能优良、稳定性好、可靠性高。采用罗克韦尔 变频器调节电机转速从而调节天然气管道中的流量和压力。 cccccc 12 4 4 系统仿真设计系统仿真设计 4.14.14.14.1 仿真方案设计仿真方案设计 天然气输配站自动控制系统方案涉及的检测点众多， 各个点的控制方案算法 各异，控制点之间的相互协调性要求很高。鉴于时间关系及学生的能力有限， 只 对天然气输配站中的小部分生产流程进行自动控制方案的设计与仿真。 按设计任 务书上的要求，需要利用罗克韦尔的三层网络结构进行仿真。实验室的现状是做 实验的学生多，但是设备少，因此只好利用控制网实现仿真的目的。由于实验室 缺少控制对象，如带离心式压缩机的管道模拟装置，所以在实际的仿真方案中就 用带模拟输出信号的三相绕组式异步电动机来代替离心式压缩机进行仿真实验。 这样就完成了设备层的仿真。 具体仿真实现框图如下图 4.1 所示 天然气输配站自动控制系统方案设计 13 图 4.1 系统仿真实现框图 实现思想：三相绕线式异步电动机带有的 dd03-3 转速仪，它可以输出 0 到 10v 的模拟量信号到 flex i/o 模块，通过 i/o 上传至 controllogix 控制器，通 过控制器计算后输出 4 到 20ma 的标准电流信号给 powerflex40 变频器，使其输 出对应于接收到的电流信号的频率值，从而使异步电机的转速得到控制。同时电 机转速信号反馈回 i/o 模块，从而构成一个简单的闭环控制回路。上位机的作用 主要是用来设置人机界面以监控整个仿真生产过程，并且可以把数据传送到 internet 上。 4.24.24.24.2 仿真硬件仿真硬件 4.2.14.2.14.2.14.2.1 上位机上位机 一般的 pc 机都可以作为此仿真实验的监控计算机。罗克韦尔实验室配备的 是带有 1784-pcic（s）板卡，安装有 rslogix5000、rslinx classic、rsview32 works、rsnetworx for controlnet 等罗克韦尔软件的方正 pc 机。 cccccc 14 4.2.24.2.24.2.24.2.2 controlcontrolcontrolcontrollogixlogixlogixlogix 控制器控制器 目前，logix 平台有 5 种类型的控制器，针对不同的用途和功能。本实验室 拥有其中的两种常用的控制器，controllogix 控制器和 compactlogix 控制器。 此次仿真实验采用的是前者，controllogix 控制器适合上千个 i/o 点的控制系 统，具有极强的网络功能，通过强大的网关作用的背板可以连接 a-b 控制器的所 有网络。它拥有四个控制模块，分别是 logix5550、logix5553、logix5555、 logix556x。我采用的是 logix5555 模块。 logix5555 处理器是安装于 1756 i/o 框架的高速单槽处理器。多任务操作 系统可支持 32 个可组态的连续性或周期性任务，这些任务根据具体应用程序将 按照优先来执行程序代码。用户可为每一个任务分配最多 32 个程序，每一个程 序都可以有自己的本地数据或梯形图逻辑。 在控制器的梯形图逻辑编程中，有 pid 指令，利用这个指令可以设置 pid 的 自动控制。在仿真系统中的电机转速控制，采用合适的 pid 参数，可以使电机转 速控制质量提高。变频器中也有相应的 pid 控制，在相关的参数组中可以对 pid 控制参数进行设置。在实际生产过程中，对于管道流量的控制，由于广义过程控 制通道时间常数较小，负荷变化不大，但工艺要求无静差时，一般选用 pi 控制。 4.2.34.2.34.2.34.2.3 1794179417941794 flexflexflexflex i/oi/oi/oi/o 由于实验室的 controllogix 控制器不具备接受模拟量的功能，所以要把采 集得到的转速模拟信号传给控制器，就需要对模拟信号进行转换，转换为控制器 能够接受的信号。1794 flex i/o 具有转换信号的功能。它由 1794-acnr 适配器、 1794-if2xof2i/a 模拟 i/o 模块和 1794-ib10x0b6/a 数字 i/o 模块组成。本设计 只采用了 1794-if2xof2i/a 模拟 i/o 模块。它由外接 24v 直流电源供电。 1794-if2xof2i/a 模拟 i/o 模块负责接收模拟的检测信号和输出控制信号， 它有 16 个端子 4 个通道。前两个通道为输入通道，后两个为输出通道。本设计 只有一路模拟信号输入，一路控制信号输出，所以只采用了一个输入通道，一个 输出通道。如图 4.2 所示。 天然气输配站自动控制系统方案设计 15 图 4.2 flex i/o 1794-if2xof2i 接线端子图 4.2.44.2.44.2.44.2.4 powerflexpowerflexpowerflexpowerflex 40404040 变频器变频器 罗克韦尔自动化公司推出的 powerflex 4 系列交流变频器是 powerflex 变频 器家族中尺寸最小且效率最高的成员，它设计紧凑、节省空间、给用户提供了强 大的电机转速控制能力。powerflex4 系列变频器包括三种产品 powerflex4 、 powerflex40 和 powerflex400。本设计采用的是 powerflex40 变频器。 powerflex40 的设计结合了应用灵活和控制功能强的优点， 以无速度传感器 矢量控制和外置 i/o 能力为特征。本实验采用它的外置 i/o 口功能进行控制。 powerflex 40 变频器采用 380v 交流供电，经过变频器的交流直流交流的变 换，可以输出 0460v 的交流电。变频器还具有 pid 控制功能。 powerflex40 具有电机保护功能， 只要把电机铭牌上的参数输入变频器的相 关参数设置，变频器可以根据输入的电机参数进行自学习，从而得出相应的控制 保护，不至于因为误操作等原因损坏电机或造成安全事故。 主要参数设置如下表 4-1 所示： 表 4-1 变频器常用参数设置表 序号参数最小值/最大值显示/选择默认值 p031电机铭牌额 定电压值 20v/驱动额定电 压 1vac p032电机铭牌额 定频率值 15hz/400hz1hz60hz p033电机允许最 大电流值 0.0/2 倍额定电 流 0.1amps p034变频器输出0.0hz/400.0hz0.1hz0.0hz cccccc 16 最小频率 p035变频器输出 最大频率 0hz/400hz1hz60hz p036启动源0/60=“keypad”0 p038速度基准0/73=“4-20ma input” 0 4.2.54.2.54.2.54.2.5 dj17dj17dj17dj17 三相绕组式异步电动机三相绕组式异步电动机 dj17 三相绕组式异步电动机额定电压 220v、额定电流 0.6a、容量 120w、 额 定转速 1380r/min、频率 50hz、y 型接法。本设计采用的是带 dd03-3 转速仪的 实验装置。dd03-3 转速仪有转速模拟信号电压的输出。 4.34.34.34.3 软件设计与实现软件设计与实现 4.3.14.3.14.3.14.3.1 软件开发工具软件开发工具 本设计采用罗克韦尔控制网对远程电机转速进行控制， 要用到rslogix5000、 rslinx classic、rsview32 works、rsnetworx for controlnet 四个软件来完 成系统仿真设计。 （1）rslinx rslinx 通信组态软件是控制网络中各个模块之间以及其他软件之间通信的 桥梁，通过该软件可以查看网络中模块的通信状态（是否在线）及模块的属性。 rslinx 软件满足微软的 windowsxp 操作系统的全兼容的数据连接方式。利用 rslinx 软件可以把实时采集的数据在 windows 的支持软件中进行分析、存储、 显示等。 rslinx 提供了最快速的opc、 dde接口。 rslinx为 rsview32、 rslogix5000 软件提供了通信连接。rslinx 充分利用了 windows 操作系统所具有的多线程、 多任务、 多处理器等性能。 可以通过各种通信接口与很多通信应用软件组合运行。 （2）rslogix5000 rslogix5000 软件是适用于控制器的梯形图逻辑编程软件， 提供了控制程序 的编写环境。rslogix5000 软件的主要功能包括： 1 自由格式的梯形图编辑器， 使用户在书写程序时专心于应用程序的逻辑 天然气输配站自动控制系统方案设计 17 而不用注意语法的对错。 2 强有力的工程校验器，用户可用其创建错误清单，从而可以在方便的时 候进行修改。 3 查询和替换功能，能够快速改变特定地址或符号的值。 4 用户数据监控功能，可同时显示独立的数据元素以观察它们之间的作 用。 （3）rsnetworx for controlnet rsnetworx for controlnet 为网络刷新和网络配置软件，负责激活网络上 的硬件模块。其基本功能有三项：把设备的 eds 文件读入配置软件的数据库中； 对 eds 文件的内容进行解释；将每个参数可能的值提供给用户，然后将用户选定 的参数值写入设备。rsnetworx for controlnet 提供图形用户界面，可用于在 线配置，也可用于离线配置。且其运行依赖于 rslinx，rslinx 为 controlnet 网 卡提供驱动，并且为 rsnetworx for controlnet 软件和网卡交换数据提供接口。 （4）rsview 32 rsview 32 是基于 windows 环境的工业监控软件，是一种可集成的，基于组 件的人机界面系统。利用 rsview 32 可以广泛的和不同的 plc 包括第三方的 plc 建立通信连接，为监视和控制系统提供了极大的灵活性。rsview 32 主要具有以 下的特点：图形和动画、报警监视、趋势图、事件检测、扩展和升级系统和项目、 互操作性和与 microsoft 共享信息。 4.3.24.3.24.3.24.3.2 通信组态通信组态 rslinx 软件设置主要为控制网配置驱动。主要步骤介绍如下： 通过 configure driver （驱动组态 ）窗口设置控制网通信卡（ 1784-pcic（ s） for controlnet device）的驱动 ab-pcic-1，完成控制网的驱动组态，如图 4.3、 图 4.4、图 4.5 所示。 cccccc 18 图 4.3 桌面上打开 rslinx 软件画面 图 4.4 点击菜单栏 communication 选中 configure drivers 画面 图 4.5 选中控制网通信卡画面 然后点击图 4.4 中的第一项“rswho” ，查看所有的设备是否已经连接在网络 上 （如图 4.6 所示， 包括控制器 1756-l55、 适配器 1794-acnr15、 板卡 1784-pcic 等） 。 天然气输配站自动控制系统方案设计 19 图 4.6 通过 rswho 查看网络上的设备 通过以上步骤，就可以完成控制网所有设备的通信组态，即给每个设备一个 通信地址，使上位机能够通过控制网就可以完成对设备的远程控制。 4.3.34.3.34.3.34.3.3 rslogix5000rslogix5000rslogix5000rslogix5000 控制器编程控制器编程 rslogx5000 控制器编程之前需要做一些准备工作。如图 4.7 所示步骤。 图 4.7 rslogix5000 的操作步骤 rslogix5000 编程软件为控制程序的编写提供了良好的环境，按照图 4.7 的 步骤进行操作，完成控制器程序的组态编程。 （1）创建新的工程文件 cccccc 20 创建新的工程文件是给控制器指定一个名字，并且保存在设定的目标文件 下 ，以便打开、修改、调用。具体的实施步骤如下： 打开桌面上的 rslogix5000，创建“xwp”工程文件，在“new controller” 对话框中设置控制器的相关参数信息，如图 4.8 所示。 图 4.8 新建控制器对话框 （2）i/o 组态 新工程文件建立以后，需要建立 i/o 模块，其作用是用来充当现场设备与控 制器之间通信的物理桥梁。 在 rslogix5000 中它相当于被控对象和程序之间的桥 梁，在程序中负责输入信号的接收及转换和控制信号的输出。实施步骤如下： 在“i/o configuration”下创建网络中的模块，如图 4.9、图 4.10、图 4.11 所示。本设计中采用的模拟量的通信模块。所以选择“communication”中的控 制网网桥 1756-cnb/d。 图 4.9 天然气输配站自动控制系统方案设计 21 图 4.10 图 4.11 然后对 1756-cnb/d 的相关参数进行设置，如图 4.12、图 4.13 所示。 图 4.12 cccccc 22 图 4-13 完成网桥的配置，接着在“communication”中选择“1756-acnr15/c” ，完 成适配器的创建组态，如图 4.14、图 4.15 所示。 图 4.14 图 4.15 适配器创建以后，在下面会出现“flexbus”图标，在其下面要继续设置具 体的模拟量输入输出模块 1794-if2xof2i/a 作为程序中的控制标签 （变量及中间 量） 。在“analog”中选择 1794-if2xof2i/a 模拟输入输出模块完成 i/o 的配置， 天然气输配站自动控制系统方案设计 23 配置结束后在“i/o configuration”中将会出现很多模块。如图 4.16 所示。 图 4.16 i/o configuration 组态后画面 （3）配置 i/o 属性 建立的 i/o 模块要对它的属性进行设置，如采样的时间，接收电压的范围等 主要的参数。采样时间要尽量的小，接收电压范围要尽量与实际的输入模拟电压 信号范围相匹配。这样才能尽可能让控制器及时、准确地控制被控对象。右键点 击 1794-if2xof2i/a 模拟输入输出模块， 选择 properties （属性） 。 在弹出的 module properties 对话框中点击 input configuration，因为本设计中的三相异步电机的转 速模拟输出信号在 10v 以内，而且不考虑电机反转输出的负电压信号，所以选 择 0 到 10v 的信号接收范围。real time sample（采样时间）设置为 25ms 就能 满足要求。 （4）建立标签数据库 可编程控制器中所有对数据的操作都是通过 tag（标签）来实现的，标签就 相当于变量，标签按作用区域分为控制器标签和程序标签。控制器标签相当于全 局变量，程序标签相当于局部变量。它们都可以用在程序当中，当控制器标签和 程序标签重复定义时，程序中只运行程序标签。标签按类型可分为基本型、别名 型、 生产者型和消费者型。 其中基本型用得最多。 按存放数据类型可分为布尔型、 整型、双整型、实型。 当 i/o 组态完成并经刷网后，控制器标签里将自动生成与 i/o 相关的标签。 程序标签的建立是在程序编写过程中完成的，在需要建立程序标签的梯形 图模块中点击鼠标右键创建新的程序标签，标签名任意配置。本设计中程序标签 负责暂时存放程序中的计算量，如转速 rate 等。如图 4.17 所示。 cccccc 24 图 4.17 建立的标签数据库 （5）输入输出模拟量的检测及换算 为了便于控制器对信号的辩识以及更利于编程与运行， 需要把程序中检测到 的输入信号换算成电机的转速， 以及把控制器输出的控制信号转换为变频器接收 的电流信号。通过直流稳压电源模拟电机输出的电压信号，利用 mov 指令上显 示的数字，测出的数据如下表 4.1 所示。 表 4.1 输入电压与数字显示 输入电压 u数字显示 x输入电压 u数字显示 x 0v206v6055 1v10007v7038 2v20448v8060 3v30489v9028 4v404610v10058 5v5107 由表 4.1 可以看出，输入电压 u 与数字显示 x 有：x=1000u 的对应关系。 在相应的输出端口上用万用表进行测量。可以得出 i/o 输出端口上的电流值 与输入电压的对应关系，如表 4.2 所示。 表 4.2 输入电压与输出电流 输入电压 u输出电流 i输入电压 u输出电流 i 0v4.12ma6v13.60ma 天然气输配站自动控制系统方案设计 25 1v5.76ma7v15.13ma 2v7.46ma8v16.81ma 3v9.00ma9v18.34ma 4v10.52ma10v19.91ma 5v12.14ma （6）梯形图程序编写 上面的步骤都是为控制器梯形图程序的编写做的准备工作， 接着就是编写梯 形图控制程序。以下是程序编写需要进行的基本操作步骤，梯形图控制程序的具 体内容见附录。 1）展开控制器文件目录树中的 tasks 文件夹，如图 4.18 所示。 图 4.18 2） 双击 tasks 文件夹中的 mainroutine 图标，显示主例程编程窗口如图 4.19 所示。 图 4.19 cccccc 26 3)开始编辑程序，首先添加编程语句。观察编程窗口上方的梯形图指令工具 栏，如图 4.20 所示。 图 4.20 由 4.20 所示，梯形图的指令丰富，包括逻辑运算、算术运算、定时器、计 数器等多种类型。点击工具栏上的 bit 分页按钮，显示所有的位指令，如图 4.21 所示。 图 4.21 将鼠标悬浮在工具栏上各按钮的上方， 稍等几秒钟， 即会出现该指令的名称， 以帮助用户理解该指令的作用。如图 4.22 所示。 图 4.22 天然气输配站自动控制系统方案设计 27 根据设计的控制方案的要求编写梯形图程序， 梯形图程序的扫描顺序是从上 到下，由坐到右。选择程序需要的指令块，如图 4.23 所示。具体程序见附录。 图 4.23 4.3.44.3.44.3.44.3.4 rsnetworrsnetworrsnetworrsnetworx x x x 网络规划网络规划 如图 4.24 所示为网络规划界面。 图 4.24 网络规划界面 cccccc 28 进行网络规划的目的是激活控制网络中的模块， 模块被激活后才能够正常地 运行梯形图控制程序，进行网络规划的具体步骤如下： 1）选择通信路径 双击打开桌面上的 “rsnetworx for controlnet”软件使其运行。鼠标点击 图 4.24 界面中的“”图标，在出现的“选择通信途径”对话框中进行设置。 因 为 上 位 机 通 过 1784-pcic 通 信 卡 与 网 络 通 信 ， 所 以 选 择 “ab_pcic-1,controlnet”方式，如图 4.25 所示。 图 4.25 当确定选择正确的网络和路径后，对话框中的“ok”由不可操作的灰色变 成黑色后点击它， “rsnetworx for controlnet”软件窗口将更新为图 4.26 所示界 面，上面显示了网络中的各个模块，如控制器背板 1756-a7/a、输入输出模块适 配器、1784-pc 通信卡。 图 4.26 天然气输配站自动控制系统方案设计 29 然后点击“edits enable” （编辑使能）激活网络模块。因为在线网络刷新时 控制器应工作在程序模式，而一般情况下模式选择按钮设定在远程模式下，故需 要软件进行切换工作模式，选择“change mode”便可实现切换。点击“change mode”并经过一定时间的网络节点扫描， “rsnetworx for controlnet”软件窗口 进一步更新。 接着保存网络配置，点击保存按钮，弹出保存组态的对话框。点击“ok” 后经一定时间“rsnetworx for controlnet”软件窗口将更新界面。网络刷新也完 成了，此时模块上和 rslogix5000 软件里的 i/o 指示灯停止闪烁保持绿色状态。 网络再次刷新后的画面与图 4.26 的不同点在于它的“保存”快捷菜单变为 不可操作的状态了， “编辑使能”的黑色对号也消失了，并且它们的主菜单也有 很大的区别。保存后的界面菜单可查询网络模块的信息，也可双击界面中网络上 模块的图标来查看模块信息。 只有网络正常工作后编程软件的程序才能下载到控 制器中执行。配置完毕后回到 rslogix5000 软件界面，保存文件。 4.3.54.3.54.3.54.3.5 rsview32rsview32rsview32rsview32 画面组态画面组态 图 4.27 组态画面的步骤 rsview32 是画面组态软件，可以实现转速变化的实时显示和监控、趋势显 示等功能。要实现以上功能就必须使画面组态中的变量与实际变量一致，这就需 要 rsview32 与 rslogix5000 进行连接，来共享 rslogix5000 中的标签数据库， 它们之间连接的桥梁是 rslinx 软件。连接成功后建立监视标签数据库，即把 rslogix5000 中的部分标签作为实时监控的对象（本设计中是电机转速 rate）， 要使监视画面栩栩如生还要进行动画设置。 使被监控变量的变化以直观的数字和 醒目颜色表现出来。要进一步完善功能还可以设置转速报警、趋势图、数据汇总 等，画面组态步骤如图 4.27 所示，具体实施步骤如下： cccccc 30 （1）rsview32 与 rslogix5000 的连接 rsview32 与 rslogix5000 的通信连接方式为 opc 连接，通过 opc 方式 rsview32 能够实现对 rslogix5000 中的变量进行实时监控。在 rslinx 软件中 右键点击控制器 1756-l55/alogix5555，选择通信连接方式“configure new dde/opc topic” ，完成 rsview32 与 rslogix5000 的连接。如图 4.28 所示。 图 4.28 （2）建立监视标签数据库 1）建立通道：打开 rsview32 软件，新建一个文件，对系统“system”中 的通道“channel”进行设置，由于使用控制网的通信网卡 1784-pcic，组网方 式应选择控制网“controlnet” ，驱动方式应选择“ab_pcic-1” 。 2）设置节点：输入服务器名（server name）rslinx opc serve（前面已经 提到的 opc 通信方式） ，如图 4.29 所示。 图 4.29 天然气输配站自动控制系统方案设计 31 3）建立标签数据库：在标签数据库“tag database” 里面添加要监测的转 速变量 rate,选择模拟量“analog”类型。如图 4.30 所示。 图 4.30 在数据源“data source” 路径中选择标签“rate” （共享 rslogix5000 标 签数据库） ，如图 4.31 所示。 图 4.31 标签选定后，地址栏里面会出现标签的路径，数据栏中将出现所选变量的具 体信息，如图 4.32 所示。 cccccc 32 图 4.32 4）监视标签：在标签监视“tag monitor”选项中添加要进行监视的标签， 被选中的变量将会显示在数据栏中，如图 4.33 所示，如果在控制程序中运行过 程中打开标签监视“tag monitor” ，数据栏将会实时显示变量的值。 图 4.33 （3）动画设置 1）选择模块图形：图形库“library”选项中有很多图形类型，本设计要用 到的图形类型有：电机、plc、上位机等，如图 4.34。 天然气输配站自动控制系统方案设计 33 图 4.34 按照以上的提示添加需要的图形，根据本设计连接成的控制系统如图 4.35 所示。 图 4.35 cccccc 34 2）动画设置：目的是让画面随着变量的变化跟着变化，比如电机的转速显 示等。 3）设置趋势图：为了对组态画面的相关数据有一个比较直观形象的认识， 可以在组态画面的旁边设置一个趋势图， 对模拟生产过程中的部分重要参数进行 显示。其设置的具体步骤与组态画面的设置基本相同。在“labrary”中点击 “trend” ，把它拖动到组态画面页面，并且对参数进行设置，和 rslogix5000 控 制器中的标签共享，这样就可以在程序运行的时候同步显示了。为了对转速有一 个更加直观、清醒的认识，在组态画面的“速度测量”旁边可以设置一个数字显 示器，这样图表与数字结合，可以使组态画面更加美观。 天然气输配站自动控制系统方案设计 35 5 5 程序运行与结果分析程序运行与结果分析 5. 5. 5. 5.1 1 1 1 程序运行程序运行 5. 5. 5. 5.1 1 1 1.1 .1 .1 .1 程序运行操作步骤程序运行操作步骤 点击“rslogix5000”控制器菜单栏的“communication”在下拉菜单中点击 “whoactive” ，在弹出的界面中，点击“13 ，1756-cnb/d”前面的+号，在 弹出的下拉菜单中点击“backplane 1756-a7/a”前面的+号，在弹出的下拉菜单 中 选 中 控 制 器 “ 00 ， 1756-l55/alogix5555,1756-l55/a 1756-m12/a logix5555”,然后点击右边命令按钮的“download”下载程序到选中的控制器 中。如图 5.5 所示。 图 5.5 5. 5. 5. 5.1 1 1 1.2 .2 .2 .2 运行程序运行程序 程序下载后，点击“communication”下拉菜单中的“run mode”运行程序。 如图 5.6 所示。 图 5.6 cccccc 36 程序运行后，运行中的程序两边的竖线都变成加粗的绿线，表明程序正常运 行。 电机测试阶段，通过稳压电源输入 0 到 10v 电压，测量得到转速、转速输 出电压信号、变频器输出频率有如表 5.1 所示对应关系。 表 5.1 电机转速（r/min）转速输出电压信号（v）变频器输出频率（hz） 3301.610 4212.014.5 5332.518.3 6533.122.3 7783.826.5 8944.330.4 10034.934.0 11185.538.0 12356.141.8 13576.745.8 13856.846.8 14086.947.5 5. 5. 5. 5.1 1 1 1.3 .3 .3 .3 查看监控画面查看监控画面 点击“rsview 32”快捷菜单中的