程龙论文文献阅读综述

1、合肥工业大学攻读工程硕士专业学位研究生文献阅读综述报告研究生姓名 程工程领域 控制工程入学时间2010年8月指导教师王华强所在学院电气与自动化工程学院工程硕士文献阅读综述报告说明：1、依照本人的培养计划，取得规定的学分和成绩后，开始文献阅读。2、 在导师指导下，结合本人工程领域和研究方向，阅读3040篇国内外相 关的学术文献，撰写文献阅读综述报告，3、报告不少于8000字，应详细阐述本工程领域（方向） 最新技术研究成果、 学术动态和发展方向以及本人阅读后的体会和收获（不少于4000字）。4、导师根据综述报告写出300字左右的评语，姓名程龙工程领域控制工程入学时间2008。8文献阅读综述在研究生

2、的学习过程中，根据学校的培养计划已学完了全部的基础理论和专业课 程.结合所选课题阅读了大量的参考文献，极大的丰富了自己的理论基础，也使我更清楚 地认识到大量的科技工作者在这方面所作的探索和它将来的发展方向，也为本人在以后的工作中作进一步的研究和应用打下坚实的基础 一、PLC系统国际电工委员会（IEC） 1985年1月对可编程序控制器作过如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存 储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制 器及

3、其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设 计。” PLC具有抗干扰能力强，可靠性极高；编程方便，容易掌握 ；使用方便；维护方 便；设计、施工、调试周期短；易于实现机电一体化等诸多优点。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用。PLC勺硬件系统主要由机架、CP模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理 模块、电源模块和编程设备组成（如图），各种模块安装在机架上。通过CPU模块或通信 模块上的通信接口，PLC连接到通信网络上，可以与计算机、其他 PLC或其他设备通信。编程器编程器接口通讯 接口3系统总 线输入I/O输出扩展接口接口如图所示：PLC硬件系统C

4、PI模块主要有微处理器（CPUS片）和存储器组成。在PLC空制系统中，CPl相目当于人 的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存 储程序和数据，它包括只读存储器（ROM和随机存储器（RAM o从硬件结构图可以看出PLCt丰富的输入、输出模块（I/O接口模块），PLC十对工 业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电 等）都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接相连。当用户需要的输入输出点 数或类型超过主机I/O单元能力是可通过I/O扩展来解决,I /O扩展与主机的接口类型分 为简单性和智能型两种。简单性I/O扩展模块

5、本身不带CPU其I/O能力的实现依赖于主 机的程序扫描过程，多用并口与主机通信。智能型I/O扩展模块自身带有CPU能够独完 成现场信号的输入输出处理。PLC勺基本功能包括：逻辑控制功能、定时控制功能、计数控制功能、步进控制功 能、数据处理功能、回路控制功能、通讯联网功能、监控功能、排序查表功能、停电记 忆功能、故障诊断功能及特殊功能函数运算等功能。（1）PLC的工作方式PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图所示。PLC经过五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过

6、 程，扫描周而复始地进行。当PLC方式开关置于RUN运行）时，执行所有阶段；当方式 开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理,如对PLC联机或离 线编程。如图所示:PLC工作过程每次扫描用户程序之前，都会先执行故障自诊断程序。自诊断内容包括I /0部分、存储器、CP等，如果发现异常及时停机并显示出错若自诊断正常，继续向下扫描。第 二阶段PLC佥查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接收 由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给 编程器进行显示。与计算机等的通信请求，也是在这段时间完成数据的接受和发送任务 的。第三

7、阶段PLC勺中央处理器对各个输入端进行扫描，将所有输入端的状态送到输入 映象寄存器.然后中央处理器CPU!逐条执行用户指令程序，即按程序要求对数据进行逻 辑、算术运算，再将正确的结果送到输出映像寄存器中。 最后当所有的指令执行完毕时， 集中把输出映象寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信 号，以驱动被控设备。PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新 执行上述过程，扫描周而复始地进行。在不考虑另外因素（通讯处理 ）时，扫描周期T 的大小为：T=（读入一点时间x输入点数）+（运算速度X程序步数）+（输出一点时间X输出点数）+故障诊断时间扫描

8、周期T主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设 备通常没有什么影响但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该精确的 计算响应时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应 延时等不良影响。（2）PLC的应用根据PLC勺特点，可以将其应用归纳为以下几种类型。1. 逻辑量控制PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是 PLC最基本的应用领域,以前用传统继电器控制的系统都可用 PLC取代，实现逻辑控制.在单机控制、多机群控制和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例，如机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、

9、电梯的控制、家电自动装配线的控制、化工、车L 钢自动生产线的控制等。2. 模拟量控制PLC配置有A/ D和D/ A转换模块。其中A/ D模块能将现场的温度、压力、流量、速 度、位移等这些模拟量经过A/ D转换变为数字量。再经PLC中的微处理器进行处理去进 行控制或经D/A模块转换后,变成模拟量去控制被控对象大、中型的PLC都具有PID闭环 控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控 制。随着PLC1用规模的扩大，控制的回路也从几个增加到几十个甚至上百个，可以组 成较复杂的闭环控制系统。目前PLC勺模拟量控制功能已广泛应用于工业生产各个行业 ， 例如锅炉运

10、行控制、压力罐液位控制、液体管道流量控制等都是典型的闭环过程控制的 应用场合。3. 运动控制运动控制是指PLC寸直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制，早期PLC1过开 关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能 .PLC一般都配备了 PID控 制模块，可进行闭环过程控制。当控制过程中某一个变量出现偏差时，PL®按照PID 算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量保持在整定值上目前，PLC勺运动控制 功能广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上。4. 数据处理现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算（函数运算、矩阵运 算、逻辑运算）、数据

11、的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操作，对数据进行采 集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人的 控制系统等。PLC不仅能进行算术运算、数据传送、排序、查表等，而且还能进行数据 比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等，具有很强的数据处理能力。5. 通信联网通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信，利用 RS-232或RS-422接口可以实现PLC和计算机的通讯，PLC有专用通信模块，用双绞线和 同轴电缆或光缆将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成多级分布式控制系统， 建立区域的自动化网络。现代PLC一般都有通信功能

12、，它可以对远程I /0进行控制，又 能实现PLC与 PLQ PLC与与计算机之间的通信，这样用PLC可以方便地进行分布式控制。6. 定时和计数控制PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个、上千个定时器和计数器，计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时和计数的控制。如果需要对频率较高 的信号进行计数，如光栅尺和光电编码器等，则可以选择高速计数模块。7顺序控制所谓顺序控制是指生产设备及生产过程，根据工艺要求按照逻辑运算、顺序操作、 定时和计算数等规则通过预先编制的程序，在现场输入信号 （包括开关量、模拟量）的

13、 作用下,执行机构按预定程序动作，实现以开关量为主的自动控制.PLC的设计安装就是根据这一原则来实现的。其输入主要是靠按钮、行程开关、限位开关、动断触点、电机 的启停等开关量为主的控制信号。输出为继电器、电磁阀等驱动元件。PLC内部控制部分有定时器、计数器、中间继电器等元器件以及许多的常开、常闭触点而传统的顺序控制是由继电器控制屏来实现的，由于设备体积大、功耗高、动作速度缓慢、接线复 杂、通用性、灵活性差、维护工作量大、故障频发率高而导致可靠性差，没有计算和储 存功能,而PLC空制系统克服了继电器控制的弱点，把计算机技术与继电器控制有机地结 合起来，为工业自动化提供了十分完美的现代化控制装置。

14、二、工业以太网技术（1 ）工业以太网通信技术工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。 该技术基于工业 标准,利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大限度地满 足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、高实效、高扩展性及高智 能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商。工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要，采用标准导轨安装,安装方便,适用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。工业现场对工业以太网产品的要求包括：1、工业生产现场环 境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业

15、级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水；2、工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的 存在，需要采取防爆措施保证安全生产；工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制 网络必须具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMCElectro Magnetic Compatibility ）等；工业网络器件的供电，通常是采用柜 内低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。其关键性技术主要有：1、通信实时性问题：以太网采用的CSMA/C的介质访问控制方式,其本质上是非实 时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时

16、性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用 需要有针对这一问题的切实的解决2、对环境的适应性与可靠性的问题：以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境,其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。 在产品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、 干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。 还要考虑到在工业环境下的安装要求， 例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45 类的连接器，在工业上应用太易损坏，应该采 用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力3、总线供电：在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线

17、有提供工 作电源的要求.现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对 空闲线对供电 一般在工业应用环境下，要求采用直流1036V低压供电。（2）工业以太网网络部件工业以太网链路模块 OLM ELM依照IEEE 802.3标准，利用电缆和光纤技术， SIMATICNET连接模块使得工业以太网的连接变得更为方便和灵活。1、OLM（光链路模块）有3个ITP接口和两个BFOC接 口。ITP接口可以连接3个终端设备或网段，BFO 接口可以连接两个光路设备（如OLM等），速度为10Mbit/s.如图10-1所示。

18、2、EL（电 气链路模块）有3个ITP接口和1个AUI接口。通过AUI接口，可以将网络设备连接至 LAN 上，速度为 10Mbit/s.常用的工业以太网通信处理器 （CCommunicatonProcesser，通信处理单元），包括用在S7 PLC站上的处理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等.CP243-1是为S7200系列PLC设计的工业以太网通信处理器，通过 CP243-1模 块,用户可以很方便地将S7200系列PLC通过工业以太网进行连接，并且支持使用 STEPMicro/WIN 32 软件，通过以太网对 S7-200进行远程组态、编程和诊断 .同 时,S7

19、200也可以同S7-300、S7 400系列PLC进行以太网的连接。S7-300系列PLC的以太网通信处理器是 CP343-1系列，按照所支持协议的不同，可以分为 CP343-1、CP343-1 ISO、CP343-1 TCP、CP343-1 IT 和 CP343-1 PN三、Modbus协议Modbus可编程控制器之间可相互通讯，也可与不同网络上的其他设备进行通讯， 支撑网络有Modicon的Modbus和Modbus工业网络。网络信息存取可由控制器内置的 端口，网络适配器以及Modicon提供的模块选件和网关等设备实现，对 OEM机械设备 制造商）来说，Modicon可为合作伙伴提供现有的

20、程序,可使Modbus网络紧密地集成到 他们的产品设计中去。Modicon的各种控制器使用的公共语言被称为 Modbus协议，该协议定义了控制器 能识别和使用的信息结构。当在Modbus网络上进行通讯时，协议能使每一台控制器知道 它本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定应起作用的类型 ，取出包含在信息中 的数据和资料等，控制器也可组织回答信息，并使用 Modbus协议将此信息传送出去。在其他网络上使用时，数据包和数据帧中也包含着 Modbus协议.如, Modbus或MAP 网络控制器中有相应的应用程序库和驱动程序，实现嵌入式Modbus协议信息与此网络中用子节点设备间通讯的特殊信息帧的数

21、据转换。该转换也可扩展，处理节点地址，路由，和每一个特殊网络的错误检查方法。如包 含在Modbus协议中的设备地址，在信息发送前就转换成节点地址，错误检查区也用于 数据包，与每个网络的协议一致，最后一点是需用Modbus协议，写入嵌入的信息，定义应处理的动作。（1）Modbus上的数据传输Modicon控制器上的标准Modbus端口是使用一个RS-232兼容的串行接口，定义了 连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验，控制器可直接或通过调制解调 器（以后简称Modems接入总线（网络）。控制器通讯使用主从技术，即主机能起动数据 传输，称查询。而其它设备（从机）应返回对查询作出的响应，

22、或处理查询所要求的动 作。典应的主机设备应包括主处理器和编程器。典应的从机包括可编程控制器。主机可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应。 从机对于 主机的广播查询，无响应返回 Modbus协议报据设备地址，请求功能代码，发送数据，错 误校验码,建立了主机查询格式，从机的响应信息也用 Modbus协议组织，它包括确认动 作的代码,返回数据和错误校验码。若在接收信息时出现一个错误或从机不能执行要求 的动作时，从机会组织一个错误信息。并向主机发送作为响应。除标准的Modbus功能外，有些Modcon控制器内置端口或总线适配器，在 Modbus+ 总线上实现通讯或使用网络适配器,在

23、MAP网络上通讯。在这些总线上，控制器间采用对等的技术进行通讯，即任意一个控制器可向其它控 制器启动数据传送。因此,一台控制器既可作为从机，也可作为主机，常提供多重的内部 通道，允许并列处理主机和从机传输数据在信息级，尽管网络通讯方法是对等的，但Modbus协议仍采用主从方式，若一台控 制器作为主机设备发送一个信息， 则可从一台从机设备返回一个响应， 类似，当一台控 制器接受信息时，它就组织一个从机设备的响应信息，并返回至原发送信息的控制器。（2）查询及响应查询中的功能代码为被寻址的从机设备应执行的动作类型。数据字节中包含从机须 执行功能的各附加信息。并用寄存器的内容作响应。该数据区必须含有告

24、之从机读取寄 存器的起始地址及数量，错误校验区的一些信息，为从机提供一种校验方法，以保证信息 内容的完整性。从机正常响应时，响应功能码是查询功能码的应答，数据字节包含从机采集的数据， 如寄存器值或状态。如出现错误，则修改功能码，指明为错误响应并在数据字节中含有 一个代码,来说明错误，错误检查区允许主机确认有效的信息内容（3）两种串行传输模式控制器可使用ASCII或RTU通讯模式，在标准 Modbus上通讯。在配置每台控制器 时，用户须选择通讯模式以及串行口的通讯参数。（波特率，奇偶校验等），在Modbus总线上的所有设备应具有相同的通讯模式和串行通讯参数。ASCII模式：当控制器以ASCII模

25、式在Modbus总线上进行通讯时，一个信息中的 每8位字节作为2个ASCII字符传输的，这种模式的主要优点是允许字符之间的时间间 隔长达IS，也不会出现错误.RTU模式：控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分 成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下其传输的字符的密度 高于ASCII模式，每个信息必须连续传输。四、分布式控制系统DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Con trol System ），在国内自控 行业又称之为集散控制系统，是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要 求的日益复杂应运而生的综合控制系统，

26、它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能.是完成 过程控制、过程管理的现代化设备。其结构如图所示。DCSS统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站、 工程师站）、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接 口。硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。底层汉化的 软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发 专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使用.支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。DCS就是通过对生产设备或装

27、置的运行状态进行直接的自动控制，以 优化这些设备或装置的生产效率，达到运行安全、增加产量、提高质量、降低能源消耗 和环境污染的目的以太网工作站现场信号采集 控制S7 317 PLC状态量输入差压变频器温度FM355C331 AI321DI如图所示:DCS吉构示意图Windows XP组态王运 行软件DCS具有以下特点：(1) 系统可靠性高。由于DCS各系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会影响系统其他功能的丧失此外,系统各单元具有较强的自诊断、自检查、故障报警功能，并对测量信号和控制信号均经 过隔离处理，从而使系统的可靠性得到提高(2) 性能价

28、格比高。DCS采用开放式,标准化、模块化和系列化设计，系统中各 台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输、资源共享 系统规模越大，平均每个回 路的投资费用越低，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机直接连入系统通信 网络或从网络中卸下，而不影响系统其他计算机的工作。本DCS系统由上位机监控系统和下位机 PLC控制系统两部分构成。整个网络采用工 业以太网，用于上工控机之间以及上位机和下位机 PLC之间的通讯.DCS控制功能的视 线包括两部分组态：一部分是控制功能的实现，包括硬件设备的组态，点表的建立和控制 图的绘制等已完成控制功能的组态；另一部分是人机界面的组态，包括静态工艺流程图 的绘制，

29、动态点的连接等以完成人机界面的组态，使各种控制功能最终为工艺生产服务。五、国内外水电站发展概况安全经济运行是水电站最根本的任务。 随着国民经济的持续发展，电力需求迅猛增 长,兴建的水电厂越来越多，其容量也越来越大。为了实现安全发、供电，需要经常监 测的运行参数越来越多，需要实现的控制功能也越来越复杂，尤其是抽水蓄能电站，机组工况不仅要有发电、调相，而且还有抽水，各种工况之间相互转换，使控制功能进一步复杂化计算机技术日新月异，发展迅猛，其性能日趋完善，而价格日益下降，这为 在水电站自动化系统取代常规的布线逻辑型自动装置提供了良好的物质基础。发达国家在小水电站自动化控制方面研究开发起步比较早，技术

30、也比较成熟，自20世纪80年代开始，国外在水电站监控系统上普遍采用计算机监控技术 ，大大提高了水电 站自动控制水平和自动控制功能，发电性能和设备运行的可靠性得到很大的提高，许多水电站实现了无人职守或者少人职守， 降低了水电站的运行费用。水电站计算机监控系 统的集成程度高，减少了控制系统面积和电缆数量，降低了水电站的造价。国外小水电站自动控制系统主要采用两种模式。一是集成型，基于可编程控制器（PLC的功能分布，通用开放型模式；二是专用型的功能集中模式。集成型小水电站 自动控制系统在发达国家已经普及采用，技术比较成熟，但是相比于专用型模式，价格 比较高.从技术角度看，专用型模式主要针对经济欠发达地

31、区，还处于起步价段，技术 不够成熟。国内4万座早期建成的小水电站大部分还是以常规设备为主。在新建的水电站，较多的采用了水电站计算机监控系统，而许多老小水电站则在常规自动控制的基础上加上 计算机控制单元，或者利用计算机功能控制单元改造常规自动控制系统，或者在常规自动控制系统的基础上加上计算机检测系统.从上个世纪80年代开始，我国即开始引进、消化、吸收国外小水电站自动控制先 进技术.通过一些电站的推广应用，在如何降低小水电站自动化设备造价、进一步提高 性能上做出了有益的摸索和时间我国小水电站主要采用集成型模式，水电站二次设备 包括可编程控制器（PLC为核心的现地控制单元、同期装置、励磁装置、调速器以及 保护等设备等微机型产品，再加上油、气、水等辅助设备的自动控制，实现多钟设备的接 口和通讯。本论文在该次改造中的主要工作