毕业设计（论文）-热处理工艺流程计算机控制系统.doc

热处理工艺流程计算机控制系统1. 设计题目设计题目:热处理工艺流程计算机控制系统2. 设计任务主要内容 学习、掌握组态王组态软件的应用； 设计热处理工艺流程总画面； 设计热处理工艺流程总貌画面； 设计主要工艺参数报表、实时曲线、历史曲线； 设计主要工艺参数报警画面； 研究热处理工艺流程的控制策略； 采用matlab中的simulink工具箱进行系统仿真； 设计控制系统硬件结构，编写部分plc控制程序; 写毕业论文。热处理工艺流程计算机控制系摘 要本文研究课题为热处理工艺计算机控制系统。热处理是改良金属性能的工艺方法，它能使金属性能满足特定的工业要求。本文中介绍了一种用以控制热处理工艺流程的计算机控制系统。本文给出了系统的总体设计：整个设计采用了集散控制系统对整个系统进行控制，上位机采用组态软件组态王进行实时监控，下位机采用可编程控制器plc进行现场数据采集，并采用profibus现场总线实现上位机与下位机之间的数据交换。重点介绍了smith预估控制对整个系统的控制。详细论述了所用到的软、硬件及协议。关键字：热处理，smith控制算法，组态王，可编程控制器，集散控制系统，profibus总线。abstractthe essay is about heat treatment computer control system. heat treatment is used to improve metals function in order to satisfy the particular industrial request.the essay introduces a kind of computer control system which is used to control heat treatment. the structure of the system is described. the design adopts dcs which controls the whole system. the paper employs king view which monitors the whole system and plc which collects data. meanwhile, profibus exchanges data between king view and plc. the stress of essay is smith predict control which control the whole system. and the software and hardware configuration are detailed. key words: heat treatment smith predict control king view plc profibus dcs 目 录第一章 前 言1第二章 热处理工艺22.1钢的热处理原理22.2 钢的热处理工艺22.2.1高温热处理22.2.2 钢的回火32.2.3 低温冷却热处理3第三章 热处理工艺的控制思想设计4第四章 现场总线profibus的简单介绍64.1现场总线profibus的概念64.2 profibus的基本特点64.3现场总线的优点74.4现场总线实施方案7第五章 系统的集散控制95.集散控制系统的简介95.1.1集散控制系统的特点95.1.2 集散控制系统的基本构成95.1.3 dcs的集中监控105.2 组态王软件125.2.1组态王组态软件的应用现状及发展前景125.2.2组态王的优点135.2.3组态王的工作原理155.2.4组态王组态软件的具体设计155.3下位机plc可编程控制器的设计205.3.1 plc的简介205.3.2 plc控制系统设计的内容和步骤235.3.3应用程序的具体设计25第六章 系统仿真与施密斯预估控制336.1快速加热环节的系统仿真336.1.1系统数学模型的建立336.1.2控制算法的确立及初步整定346.1.3该环节的系统仿真及参数修正376.1.4本节小结396.2回火段的系统仿真396.2.1回火段中各个环节数学模型的建立396.2.2回火段控制算法的确定406.2.3施密斯补偿原理426.2.4施密斯预估补偿控制系统446.2.5回火段各环节控制及仿真466.3冷却段的系统仿真536.4 本章总结55后 记57附 录58参 考 文 献6062 第 页第一章 前 言金属材料是以金属元素为主而构成的并具有一般金属特性的材料，它广泛的应用于现代人类生活和生产中，是现代工业和科学技术等方面不可缺少的重要材料，金属材料之所以被广泛的应用，是由于它具有优良的使用性能和工艺性能，而金属性能取决于它的内部组织和结构，而组织和结构又取决于它的化学成分和处理条件。因此热处理这门古老而又年轻的学科，古往今来在人们的生活实践中产生，在人们的实践中发展，也对人们的生存产生了重要的影响，早在春秋战国时期，人们通过热处理使得宝剑更锋利，通过化学处理保持金属不锈，在2000多年前的汉代就有热处理方法的记载，在三百多年前的明代，人们能将淬火退火和渗碳技术等工艺方法熟练的被广泛地运用于实践中。进入现代热处理对于近代工业的贡献-更为突出，热处理并不改变零件的外形，却能使其寿命成倍的增加，随着科学技术的进步，人类在宇航事业原子能以及现代兵器领域，对金属材料的制造的零件提出了更高的要求，如高强度高抗腐蚀耐高温抗疲劳等，要满足这些特殊性能的要求，通过热处理这种工艺方法改变金属内部的组织结构，从而得到预期的强化的目的是非常有效的。进入20世纪以来，热处理这门学科得到了突飞猛进的发展，随着检测手段的进步，人们应用定量技术，电子显微技术和x射线与俄歇谱仪等揭示出金属及金属更微观的结构，对金属学及热处理的一些基础理论的研究发挥了巨大的作用。为了适应现代技术的要求，热处理的研究同样也是方兴未艾，尤其值得一提的是热处理的工艺方法已经完全改变了古老热处理的面貌，在当今的热处理的实践的活动中涌现的新的技术是氮基气氛热处理、真空热处理、可控气氛热处理、离子热处理、形变热处理、流态化热处理、电子束热处理、各种化学热处理复合参数及强韧化技术它们均已进入了实用化阶段。计算机及电子技术的发展，也带动了热处理设备及监测仪器的智能化，使得热处理的工艺的参数的控制更精确更合理。现代热处理技术的广泛地运用有效的解决了变形开裂淬火及脆裂等三大难题，而且成倍的提高了机器零件及工模具的寿命。第二章 热处理工艺2.1钢的热处理原理热处理是改变金属材料的组织结构从而获得预期性能的重要手段，它可以几倍、几十倍的提高工件寿命。热处理讨论在各种不同冷却条件下的组织结构变化。主要研究钢在加热、冷却时的组织结构与性能的变化规律，以作为热处理工艺的理论基础。钢的热处理，是通过一定规范的加热、回火、保温、冷却方法，来改变钢的内部组织结构，从而获得预期性能的操作工艺。热处理工艺可以用温度时间曲线表示，称为热处理工艺曲线。具体的热处理工艺曲线，要在图中标出加热的温度、保温时间、加热冷却速度以及冷却介质等等。从热处理的变化和操作特点划分，钢的热处理包括普通热处理、表面热处理和特殊热处理。从热处理的目的及其在生产流程中的位置，又可分为预先热处理（或称中间热处理）是为了改善工艺性能以便随后的机械加工或者为进一步热处理做好组织准备的热处理，如铸、锻件在机加工前为了消除应力，调整硬度而进行的退火、正火等等。最终热处理是为了达到使用性能而进行的热处理，淬火回火多属于最终热处理。形变热处理是在金属材料上有效的综合利用形变强化和相变强化，将压力加工与热处理操作相结合，使成型工艺同获得最终性能统一起来的一种复合方法。这种方法不但能够得到一般加工处理所达不到的高强度与高塑性（韧性）的良好组合，而且还能大大简化金属材料或工件的生产流程，因而得到了冶金工业、机械制造及尖端技术部门的普遍重视。2.2 钢的热处理工艺2.2.1高温热处理高温形变热处理是将钢加热至ac3以上，在稳定的奥氏体温度范围内进行变形，然后立即淬火，使之发生马氏体转变并回火至需要的性能。从工艺过程看，形变温度较高，形变过程容易进行，但形变温度远高于再结晶温度，形变强化效果易于被再结晶过程所削弱，故应严格控制变形后至淬火前的停留时间，形变后立即淬火冷却。形变温度和形变量显著影响高温形变热处理的强化效果。形变温度高，加速了再结晶软化过程，故一般变形温度(终轧温度)以9000c左右为宜。形变量增加，强度增加，塑性下降。但当形变量超过40以后，反而强度降低，塑性增加。这是由于明显的变形热效应使钢温度升高，加快再结晶软化过程，故高温形变热处理的形变量控制在 2040之间。2.2.2 钢的回火回火是将淬火后的钢在c1温度以下加热保温，再以适当方式冷却至室温，使其转变为稳定组织并获得预期性能的热处理工艺。生产中实际采用的回火有以下几种：2.2.2.1低温回火回火温度为150250oc，回火后的组织为回火马氏体。其目的是保持工件的高硬度，高耐磨性，并适当降低马氏体的脆性和淬火应力，使之具有一定的韧性。低温回火主要用于高碳的碳钢及合金钢工模具、量具、滚动轴承和渗碳工件等。2.2.2.2中温回火回火温度为350500o，回火后的组织为回火屈氏体，中温回火的主要目的是获得高的弹性和足够的硬度，同时保持一定的韧性。中温回火主要用于各种弹簧，也应用于某些模具（如热锻模）的处理。2.2.2.3高温回火回火温度为5006500c，回火后的组织为回火索氏体习惯上将淬火和高温回火的双重处理称为调质，其目的是使零件获得较高的强度与韧性相配合的综合机械性能。高温回火用于各种连接和传动的结构钢零件，如曲轴、半轴、机床主轴、连杆螺栓等。此外，还有在6006800c的回火，称为高温软化回火，得到回火珠光体（粒状），用于高碳高合金钢的淬火返修品（代替球化退火）及其他场合。经淬火、回火后的力学性能常以硬度来衡量。回火后的硬度主要取决于回火温度。在各个回火温度下，硬度变化最剧烈的时间一般是最初半小时内，回火时间超过2h后，硬度变化很小。因此生产上一般工件的回火时间均为13h，按工件尺寸及装炉量进行调整。2.2.3 低温冷却热处理工件回火后的冷却一般采用空冷，一些重要的机器零件和工模具，为了防止重新产生内应力和变形开裂，通常采用缓慢冷却的方式。对于有高温回火脆性的钢种，回火保温后应进行油冷或水冷，以防止回火脆性出现。第三章 热处理工艺的控制思想设计此次毕业设计是针对一根粗铁丝通过几道高温（如：1100摄氏度，800摄氏度，650摄氏度，500摄氏度等）加热而变成细铁丝。通过对各道高温的温度控制，而实现对铁丝的热加工处理，从而满足加热后，铁丝的性能要求：铁丝的韧性、强度、硬度。控制思想：采用cs控制系统，上位机使用组态王，实现实时监控。下位机采用智能模块plc，采集现场数据。而连接上位机组态王与下位机可编程控制器plc的总线系统用现场总线profibus来实现，实现上位机与下位机之间的数据交换。从而实现了上位机对现场的实时监控。系统结构框架为：plcplcplcplcplc上位机热电偶热电偶热电偶热电偶热电偶 profibus下位机图3-1集散控制系统已发展成为工业过程自动控制的主流。随着大规模、超大规模集成电路技术、计算机数字技术、通行技术、网络技术、控制技术、显示技术、软件技术、安装布线技术等系统技术的应用，集散控制系统也不断发展和更新，各制造厂商相继推出和更新各自的集散控制系统商品，在系统的开放性、功能的综合性和先进性、操作的方便性和可靠性等方面都有不同程度的改进和提高。产品的应用范围已不仅仅是工业控制领域的各个行业，而是向制造过程自动化和过程自动化的综合管理方向发展。并且集散控制系统的功能分层是集散控制系统的体系特征，它充分反映了集散控制系统的分散控制、集中管理的特点。集散控制系统的好处：一、 减少等装置由于可以将在现场相邻的一些仪表用一条现场总线相连再通往控制室，这样就可以将隔离器、端子柜、终端及卡件的数量减少，因而还可减少装置及装置室的空间。二、 免去了数字与模拟的转换由于现场总线是实现了全数字化，所以可免去了像那样需要进行的（数字模拟）与（模拟数字）转换，是精度可以从提高到。三、 减少了电缆由于电缆的大幅减少，费用（还包括安装几调试在内）可以节约或更多。四、 可以产生智能化的现场仪表一台多变量的变送器可以同时测出管道内流体的压力、温度及流量，因此一台多变量的变送器能顶上台变送器之用；如此等等。五、 改善调节的性能集散控制系统中由于将调节功能下放到现场仪表去以后是控制周期大为缩短，从而改善了调解的功能。又由于主机的负荷得以减轻，集散控制系统可以从事与系统更复杂、更先进的工作，如过程的优化等任务。六、 降低了工程费用采用了集散控制系统以后，不但减少了工程设计的工作量与图纸，而且也减少了安装与调试的工作量，这些都意味着费用的降低。因此，在本次设计中我们选用了集散控制系统的思想进行设计的。本设计为了实现实时监控及修改或初始化该热处理系统，可用组态王软件来模拟现场热处理工艺流程，同时，设置实时曲线，历史曲线，报表及报警系统，实时监测现场的变化情况。而现场中的变化情况需要通过智能模块可编程控制器plc上传到上位机组态王来实现，通过profibus协议进行数据交换。为了满足系统的性能要求，需要对系统进行控制，所以对控制算法有一定的要求，这就用到系统仿真simulink来判断系统是否达到性能要求。综上，本设计所涉及到的软件有：组态王，系统仿真simulink,可编程控制器plc,profibus总线等。而这些软件和硬件的设计在下面的章节中进行详细介绍，在这里就不再赘述了。第四章 现场总线profibus的简单介绍进入世纪年代，工业生产的规模越来越大，生产的过程也日益强化；并且人们对环境保护和生产安全的意识也更加提高，国家也制订了与之有关的规程或法令。此外，随着经济的国际化，企业之间的竞争不可避免，这就迫使企业的生产向着稳产、高效、优质、节能、环保与安全的方向发展。因此对生产过程进行监测与控制的点数与质量要求也越来越高。因此，寻求现场仪表的数字化、智能化，使大量的一般控制功能下放到现场去解决，以减少主机的负担：同是通向控制室的电缆数量也要求减少。因此，现场总线就充当了这种角色，而解决了此问题。现场总线控制系统是采用现场总线作为通信系统的控制系统。现场总线控制系统将使控制得到最终的分散，从而使d系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行对整个系统的优化、信息管理和调度等工作。现场总线控制系统把控制功能移到现场，减少了系统所需的空间，减少了输入输出的接口，减少了机柜的空间和附属设备，例如安全隔离栅、接线端子等。4.1现场总线profibus的概念profibus现场总线是上位机与现场进行数据交换的协议，是用于现场仪表与控制室系统的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。它是一种在制造业自动化和过程自动化领域有着广泛应用的、与设备制造商无关的、开放的现场总线标准。profibus协议通常用于实现与分布式i/o（远程i/o）的高速通讯。可以使用不同厂家的profibus设备。这些设备包括普通的输入/输出模块、电机控制器和plc。4.2 profibus的基本特点profibus定义串行现场总线系统的技术特征。串行现场总线可以从现场级到单元级，使分散的数字可编程的控制器形成网络。profibus是一个多主站系统，他允许若干个带各自从站的分散外设的自动化系统、工程系统或可视化系统在一条总线上联合运行。profibus分为主站设备和从站设备两类。（） 主站设备（master device）决定总线上的数据通信。当主站持有总线存取权（令牌，token）时，它可以发送报文而不需要有外部请求。主站也称为主动站。（） 从站设备（slave device）时外围设备，如设备、阀门、驱动器和测量变送器等。它们没有总线存取权，他们只能应答所接收到的报文或当主站请求时向主站回发报文。从站称为被动站。由于它们只需要实现总线协议的一部分功能，因此其实现特别经济。4.3现场总线的优点用户对产品的选择权增至最大。采用现场总线标准的智能仪表不仅具有强大的各种功能，而且，由于具有可互操作性，使得用户不必为所选仪表是否能与原有的仪表、接口互配而烦恼。消除了ma模拟以表通信的瓶颈现象。降低现场安装费用和减少相应的设备。为用户提供更多的功能。由于采用双向通信，因此，用户可以在控制室通过现场总线对位于现场的智能仪表进行标定、校验和进行故障的诊断等，用户可以得到仪表的更多信息，例如仪表位号、最近一次标定的时间等。此外，由于控制功能下移到变送器或执行器，是采样周期缩短，控制质量提高。增加了系统的自治性。采用现场总线标准的智能仪表后，操作人员可以在控制室方便地对生产过程进行监视、操作和控制。原分散过程控制装置的功能在现场仪表中实现，从而增加了系统的自治性。提高了系统的监测精度和鲁棒性。系统组态简单，安装、运行和维修方便。现场总线仪表的组态可以在控制室进行，它的调试也比模拟仪表方便和快捷。自诊断的功能是维修变得十分方便。4.4现场总线实施方案profibus现场总线是当今国际上比较流行的一种现场总线 ，具有很好的灵活性和可靠性，在性能价格比上也占有很大的优势。profibus-dp具有快速、即插即用、效率高、成本低等特性。siemens-s7系列可编程控制器s7-200完成现场采集，通过冗余的双环光缆profibus现场总线与中央管理控制系统的冗余通信、数据服务器相连接，并使用组态王软件进行所有可编程控制器的集中管理、组态和维护、利用法国arc公司pcvue32人机界面图形控制软件进行人机交互，实现整个隧道机电系统的控制、协调和管理，由此提高了系统的可靠性、可用性、灵活性，优化了系统结构和性能。控制系统划分为三个技术层次，即现场控制层（包括中央控制器）、数据库服务层、中央管理层。（1）低层（现场控制层）：现场控制层按功能可分为交通检测与诱导控制子系统、通风检测与控制子系统、照明检测与控制子系统以及中央控制子系统等几部分。其中每个子系统区域由区域控制器（siemens s7系列可编程控制器）实现各部分相关信号的检测与控制。（2）中间层（数据库服务层）：作为现场控制层与中央管理层之间的数据接口。一方面，数据库服务器通过profibus总线实现现场控制的数据记录与管理，另一方面，服务器中的数据库又是上层即中央管理系统的数据来源。（3）最高层（中央管理层）：负责实时监视系统状态，并根据需要控制现场设备动作、统计系统运行信息、调整系统功能等。profibus是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线。各个控制点相对集中处分别设置区域控制器，进行分散控制。某一控制点或控制器的故障或失效，不会影响整个系统的安全运行。中央管理系统和现场控制系统之间，配置了冗余的、可靠性高的通信、数据、数据库服务器，使系统的可靠性大大提高。冗余的环形光缆profibus总线系统，保证在灾难情况下系统的有效性；贯穿整个控制区域的profibus现场总线技术，是当前应用最广泛的现场总线技术，对于来自任何厂家的设备都是开放的。整个控制系统采用德国西门子公司的全集成自动化技术，由于硬件、软件之间的充分协调，以及在整个系统内完全一体化，使得系统的整体性非常高。各个区域控制器通过冗余的环形光缆profibus总线而成为一个整体，任何控制器都可以透明、快捷的访问系统中任一个输入/输出点和进行信息交换如同人体血液流动一样自然通畅。使用em277将s7-200cpu作为dp从站连接到网络通过em277profibus-dp扩展从站模块，可将s7-200cpu连接到profibus-dp网络。em277经过串行i/o总线连接到s7-200cpu。profibus网络经过其dp通信端口，连接到em277profibus模块。作为dp从站，em277模块接受从主站来的多种不同的i/o配置，向主站发送和接受不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多dp站不同的是，em277模块不仅仅是传输i/o数据。em277能读写s7-200cpu中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到s7-200cpu中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其他计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在s7-200cpu中的变量存储器内，并可移到其他数据区。主站通过将其输出区来的信息发送给从站的输出缓冲区（称为“接受信箱”），与每个从站交换数据。从站将其输入缓冲区（称为发送信箱）的数据返回给主站的输入区，以响应从主站来的信息。em277可用dp主站组态，以接受从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。输出和输入数据缓冲区驻留在s7-200cpu的变量存储器（v存储器）内。当用0户组态dp主站时，应定义v存储器内的字节位置。从这个位置开始为输出数据缓冲区，它应作为em277的参数赋值信息的一个部分。用户也要定义i/o配置，它是写入到s7-200cpu的输出数据总量和从s7-200cpu返回的输入数据总量。em277从i/o配置确定输入和输出缓冲区的大小。dp主站将参数赋值和i/o配置信息写入到em277 profibus-dp模块，然后，em277将v存储器地址和输入及输出数据长度传送给s7-200cpu。第五章 系统的集散控制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。它融合自动控制技术、计算机技术与通信技术为一体的，具有技术先进、功能完备、应用灵活、运行可靠等优点。它凝结着高科技成果，是实现全工厂自动化集中综合管理、功能及位置分散的最新过程控制系统。自70年代以来，世界各大仪表公司、控制系统公司都各自相继开发出具有各自特色的集散控制系统。我国也早已注视并引进了这一技术及系统，开始有成效地应用到一些重点工程及大型石油、化工、电力、冶金、轻工等企业中。5.集散控制系统的简介5.1.1集散控制系统的特点集散控制系统的主要特点是它的集中管理和分散控制。而且，随着计算机技术的发展，网络技术已经是集散控制系统不仅只要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，系统的开放不仅是不同制造商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放也是第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。集散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性与模拟电动仪表比较，它具有连接方便，采用软连接的方法连接容易更改，显示方式灵活，显示内容多样，数据存储量大等优点；与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便，危险分散，功能分散等优点。因此，在各行各业各个领域得到了应用。5.1.2 集散控制系统的基本构成集散控制系统大致是由五大部分组成的。第一部分，现场控制单元现场控制单元包括基本控制器、多功能控制器及可编程控制器等。他的功能主要是将输入到端子板的过程输入信号各自连接到基本控制器或其它控制器上，由控制文件和用户自选的公式或算法或者一个选择算法的有关代码分别加以处理计算。模拟输出信号输出到端子板分别控制各自的控制元件，并把结果输出信号以数字的形式存储于控制器文件区。可编程控制器的主要功能是实现离散数字量的逻辑控制。第二部分，人机接口它应包括操作员接口和工程师接口两个部分。其主要功能是过程的模拟量和数字量控制或检测变量的组态，包括预置点、方式、输出和两位或多位开关和选择器的控制回路的运算，信息的趋势记录，报警点的记录，经过高速公路自动诊断和保证系统的运行，检测高速公路的状态，用户图形的构造，报告和历史趋势的记录，系统的诊断和报告等。总之人机接口是实现对整个工艺过程、整个工厂的系统组态和运行状态的监视及操作等人机交互功能。第三部分，通信网络通信网络部分各自系统将以不同的网络拓扑结构，实现各自系统设备间的信息通信。第四部分，通信计算机的接口通用计算机接口的功能就是通过硬件接口和软件接口实现通用计算机与现场控制单元，人机接口的信息交换，完成更高层次的管理和控制。第五部分，通用计算机系统通用计算机的功能主要是实现高层次的优化管理，使大型工业生产具有柔性生产线的灵活能力。5.1.3 dcs的集中监控dcs的集中操作监控级（组态王）主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报警等功能。它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站的数据进行采集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能。显示操作站的另一功能是系统组态，因此可进行控制系统的生成、组态。显示操作站主要是由监控计算机、键盘、crt显示器、打印机等几部分构成。（1） 监控计算机当今的dcs的显示操作站功能强、速度快、记录数据大，因此对显示操作站的监控计算机提出了很高的要求。一般dcs的显示操作站的监控计算机都采用16位或32位的微机，内存一般在416mb。目前许多新推出的dcs采用工业pc机（通常为486、586计算机）来做显示操作站的监控计算机。（2） 键盘在显示操作站中，有两种类型的键盘，一种为操作员键盘；另一种为工程师键盘。工程师键盘通常利用标准ascii代码101键盘；操作员键盘则是面向操作工操作键盘，力求操作简单、直观、易掌握。显示操作站为用户提供仪表化的操作环境，通过crt操作来实现整个分散型控制系统的高效率运转。它是信息集中分配中心，也是显示操作的中心。具有控制系统的生成、组态、集中监视操作、报警、显示、报表、通信等功能；显示操作站主要是和操作员以及工程师有关的系统的功能；操作员在运转整个系统时作必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时作必要的工程师功能。（3） 操作员功能操作员功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由画面指示构成。 ddc标准三画面总貌画面：用来监视分散型控制系统的运行状态，可指示出仪表的位号，测量的光柱图形。在本画面中可指示出一些运行状态发生异常时，相应的仪表位号指示变成红色，在闪光的同时，发出报警声音。组貌画面：将ddc控制回路分成小组，通常每组8个回路，在操作时操作对应的键，就可选择出相应的组貌画面。ddc组貌画面每幅显示8个ddc回路。回路画面：也称调整画面。回路画面显示单个ddc回路的各参数，利用此画面可进行控制参数的修改、设定，完成单个回路的控制作用。在回路处于串级状态下，在回路画面上可同时显示出相关回路的状态及参数。 图形显示功能可进行工艺流程图的显示，一幅工艺流程图由二部分组成：一个是不随工作状况变化的基本图形，称之为静态图；另一个是随工作状况的变化而变化的数据、曲线、图形等，称之为动态图，并且定时刷新其变化部分。工艺流程图可利用彩色crt显示器的多种颜色予以组合，从而做到显示美观，醒目。 趋势曲线画面趋势曲线可被存储起来，以便具有历史趋势曲线的显示功能，一般可达到一天或一个月，必要时还可以将趋势曲线存储起来在软盘中加以保存。操作员可通过趋势曲线的变化及时掌握过程变化情况。也可以通过历史趋势曲线分析控制系统运行状态，分析事故原因，产品质量好坏的原因，有助于分析和管理。 操作指导画面为了指导操作员准确及时地操作，帮助操作员记忆众多的操作项目，而设计了操作指导画面。如果按画面要求操作正确，则能正常进展；否则，非但不接受错误操作，而且工序无法前进，从而保证了安全生产。 报警画面报警画面按时间顺序记录过程数据发生上、下限报警和设备异常等，并且用颜色变化、闪光文字和声响来区分报警级别，以引起操作员注意，立即采取相应措施。在实时报警窗口中，为报警窗口规定报警窗口变量名、报警窗口的外观等信息。为按钮建立命令语言连接程序来更新报警窗口。（4） 工程师功能工程师功能主要包括系统的组态功能、系统的控制功能、系统的维护功能、系统的管理功能等。 系统的组态功能：构成一个应用系统，需进行系统的组态工作，系统工程师可依照给定的运算功能模块进行选择、连接、组态和设定参数，用户无须编制程序。 系统的控制功能：执行由系统组态功能所生成的系统控制。包括：反馈控制功能，完成预定的开关量输入输出顺序控制功能。 系统的维护功能：用于定期检验各个作业，且在系统的建立、修改时，把内容保存在盘中。 系统的管理功能：对系统进行管理，包括监视功能和控制功能的管理、制表、事故报警、打印等管理。5.2 组态王软件组态王软件是用来模拟现场实现远程实时监控，实时观看现场的运行情况，及时发现异常，找到问题，及时解决。今天，随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，“监控和数据采集系统”越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用。组态王是运行在windows98/nt/2000上的一种组态软件。使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。 5.2.1组态王组态软件的应用现状及发展前景如今，随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，“监控和数据采集系统”越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用甚至不可或缺。使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。由于组态王的网络功能、多样灵活和直观的特性，它将在今后的工业领域起到越来越重要的作用，其间伴随着工业自动化要求的不断提高，它的简便直观也会愈加受到用户的青睐，监控和数据采集的作用将会得到更大程度的发挥。组态王的opc服务器简介及功能组态王在原有的opc客户端的基础上添加了opc服务器的功能，实现了组态王对opc的服务器和客户端的统一。通过组态王opc服务器功能，用户可以更方便的实现其他支持opc客户的应用程序与组态王之间的数据通讯和调用。1、 opc通讯技术上的实现：opc实现的是系统中进程间的通讯，其采用vc中的com和dcom技术实现了接口，调用非常方便。2、 opc数据的通讯与opc之间的通讯是以变量为单位的，在opc服务器上定义相关的变量和需要采集的硬件进行连接，并生成唯一表示此变量的id标识。此变量中保存着变量的数值，变量相关的信息，外部的程序能够访问的就是此变量的所有信息，即opc服务器与外部的数据的传输是通过变量进行对应的。组态王作为服务器其所有变量都可以被外部的客户端进行访问，访问的对象是变量或变量的域。而且对于可读写变量的可修改的域，用户可以通过对组态王opc服务器的访问得到相应的数值并能够修改相应的数值。另外，为了方便用户的对组态王opc功能的使用，组态王提供了一个动态连接库-kingvewcliend.dll。该接口支持vb、vc等编程语言，用户可以很方便的使用该动态库访问组态王的实时数据。组态软件的数据流组态软件通过驱动程序从现场设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。对已经组态历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给与响应。当发生报警时将报警以声音、图像的方式通知给操作人员，并记录报警的历史信息，已被检索。图形界面系统报警通知画面显示第三方程序接口通信程序组态实时数据库系统数据库冗余控制计算与控制实时数据库内核报警检查与处理数据连接第三方程序接口设备驱动i/o serveri/o设备现场设备历史数据处理图5.直观地表示出了组态软件的数据处理流程。图5.组态软件的数据处理流程5.2.2组态王的优点组态王可用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。无论任何应用场合都可以使用组态王构造有效的监控和数据采集系统。使用组态王可以：使用清晰准确的画面描述工业控制现场；使用图形话的控制按钮实现单任务和多任务；设计复杂的动画线时线长的操作状态和数据；显示生产过程的文字信息和图形信息；为任何现场画面指定键盘命令；监控和记录所有报警信息；显示实时趋势曲线和历史趋势曲线；使用多样而灵活的方式查询历史数据；时间驱动和事件驱动的报表的打印；设计多级安全控制和访问权限。组态王采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。另外，组态王6.0开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。支持无限色和过渡色 组态王6.0调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果， 组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面，使用图库具有很多好处：降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，一次构造，随处使用，节省了工程人员投资。6.0图库全新改版，提供具有属性定义向导的图库精灵，用户只需稍做调整即能制作具有个性化的图形。 按钮和图形 组态王6.0支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮，用户可以构造无限漂亮的按钮。另外，组态王6.0支持多种图形格式，如gif 、jpg、bmp等，用户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。 可视化动画连接向导 通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。组态王6.0报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗。组态王6.0提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态。组态王易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，既可以节省大量时间，又能提高系统性能。5.2.3组态王的工作原理组态王与现场的i/o设备直接进行通讯。图5.2i/o设备的输入提供现场的信息，例如产品的位置、机器的转速、炉温等等。i/o设备的输出通常用于对现场的控制，例如启动电动机、改变转速、控制阀门和指示灯等等。有些i/o设备(例如plc)，其本身的程序完成对现场的控制，程序根据输入决定各输出的值。输入输出的数值存放在i/o设备的寄存器中，寄存器通过其地址进行引用。大多数i/o设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端口或数据通道，组态王通过这些通讯通道读写i/o设备的寄存器，采集到的数据可用于进一步的监控。不需要读写i/o设备的寄存器，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了i/o变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。5.2.4组态王组态软件的具体设计组态软件的设计思想：根据系统的控制思想画出系统的总貌画面，用总貌画面模拟现场。为了更好的监控现场的运行状况和安全性能，而设置了历史曲线、实时曲线、报表及报警。根据工艺要求设置变量而进行的动画连接。但由于缺少外部设备，变量只能设置成为内存变量而进行的现场运行的模拟。对于该内存变量用c语言进行编程来模拟现场的变化。 5.3.4.1热处理工艺流程总画面的设计：设计出热处理工艺流程总画面用于模拟热处理的工业现场和工控设备。组态王画面开发系统是应用程序的集成开发环境。软件开发者在这个环境中完成界面的设计、动画连接的定义等。画面开发系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，利用图库功能可以大大减少设计界面的时间，从整体上提高工控软件的质量。此次设计所要完成的任务是，对一根粗铁丝在几个不同的温度段进行温度处理。本设计的温度控制是：通过用热电偶检测到的温度作为过程值，该过程值与给定值相比而得到偏差，用该偏差去控制电阻丝两端的电压，通过该电压控制流过电阻丝的电流，从而实现温度的控制。其中所要用到的硬件设备有：加热炉、调压器、环形分配器、压频变换器、热电偶、电阻丝、风机等。以下为我们设计的热处理总画面。图5.3热处理总画面趋势分析是控制软件必不可少的功能，组态王对该功能提供了强有力的支持和简单的控制方法趋势是用曲线形式反映过程变量在一段时间范围内数值变化情况的重要手段。趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种5.3.4.2热处理工艺实时曲线的设计：实时趋势用于实时显示数据的变化情况。在画面运行时显示趋势曲线对象由系统自动更新。实时趋势是变量或表达式的值随时间变化所绘出的二维曲线。一个实时趋势所关联的所有过程变量的趋势数据不被保存在磁盘上，因而不能按照时间翻页浏览。属性包括数据采样周期、时间长度、时间刻度数、量程刻度数、刻度的颜色、时间标签、量度标签的数量、颜色、背景色、位置、宽度、高度等。数据将从趋势的右边进入，同时趋势将从右向左移动。由于控制任务是对温度进行控制，所以绘制温度实时曲线，用以观察温度的变化情况。从而使我们能够对温度进行及时的监测、及时的控制。以下为温度实时曲线。图5.4热处理的温度实时曲线5.3.4.3热处理工艺历史曲线的设计：历史趋势曲线用于历史数据的查看工作。从其中可以得到过去的时间和数据。历史趋势是变量值在过去一段期间随时间变化所绘出的二维曲线。一个历史趋势所关联的所有过程变量的趋势数据均被保存在磁盘上，因而可以按照时间翻页浏览。属性包括数据源的指定、数据采样周期、时间长度、时间刻度数、量程刻度数、刻度的颜色、时间标签、量度标签的数量、颜色、背景色、位置、宽度、高度等。软件运行时，历史趋势曲线并不自动卷动，它一般与功能按钮一起工作，利用历史趋势曲线变量的域或使用与历史趋势曲线有关的函数可以完成对历史趋势曲线的控制，这些按钮可以完成翻页、设定时间参数、启动/停止记录、打印曲线图等复杂的功能。趋势曲线画面具有趋势曲线显示功能。对过程参数的变化趋势进行记录、显示、存储，同时，在一幅画面显示多条曲线，以不同的颜色加以区分。当一贯系统趋势曲线数目多时，也同样进行分组登记、分组显示。可以用脚本程序控制历史趋势对象的时间长度及起始时间，达到随意查看任意时间段历史趋势的目的。趋势曲线可被存储起来，以便具有历史趋势曲线的显示功能，一般可达到一天或一个月，必要时还可以将趋势曲线存储起来在软盘中加以保存。操作员可通过趋势曲线的变化及时掌握过程变化情况。也可以通过历史趋势曲线分析控制系统运行状态，分析事故原因，产品质量好坏的原因，有助于分析和管理。以下为温度历史曲线。图5.5热处理的温度历史曲线5.3.4.4工艺参数报表的设计：数据报表既能反映生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。是生产过程必不可少的一个部分。它 既能反应系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。 组态王提供内嵌式报表系统，工程人员可以任意设置报表格式，对报表进行组态。组态王为工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。另外，工程人员还可以制作各种报表模板，实现多次使用，以免重复工作。图5.6热处理的实时数据报表5.3.4.5工艺参数报警画面的概述及设计：运行报警和事件记录是控制软件必不可少的功能，当变量的数值或数值的变化异常时，将产生报警，以便操作者采取必要的措施。实时报警是指当前时刻实时数据库中产生的最新的若干条报警，实时报警信息包括时间、位号、报警状态、报警优先级等，可以组态设置。组态王中的报警和事件主要包括变量报警事件、操作事件、用户登录事件和工作站事件。通过这些报警和事件，用户可以方便地监视和查看系统的报警、操作和各个工作站的运行情况。当报警和事件发生时，组态王把这些事件存于内存中的缓冲