基于组态软件的连续反应罐监测系统设计

中文摘要 I 摘要 伴随着计算机控制技术的发展,出现了组态软件,这种开放、灵活、通用的 控制方式,迅速显示出强劲的生命力,在各种控制系统中得到了广泛的应用,市 场份额日益增大。各种基于组态软件优势的控制和监测系统设计方案纷纷出现 和应用。本设计利用组态软件的优势，按照相关工艺流程，使用组态软件对连 续反应罐检测系统进行设计。 这次基于组态软件的连续反应罐监测系统，采用了北京亚控科技发展有限 公司研发的组态王 Kingview（6.53）来完成预期目标：反应过程中现场的各项 数据参数（流量、温度、液位、PH 值、密度值等）通过相关检测仪表进行采 集，并传送至可编程控制器 PLC，由 PLC 对部分数据进行处理，并发送相关控 制信号。同时经 PLC 将各项数据传送至计算机的组态软件。检测主界面能良好 的显示出系统的操作界面，并能方便的切换至数据实时显示、趋势曲线和报警 界面、报表等界面。本设计能够充分应用组态软件的显示屏操作方式，使操作 人员可方便的监视和操作硝酸一甲胺生产的运行过程。 关键词关键词：连续反应罐,监测系统,DCS,组态软件,组态王 Abstract II Abstract With the development of computer-controlled technology, the configuration software emerges. This open, flexible and common control mode quickly shows its strong vitality. It has been widely used in a variety of control systems. Also its market share is increasing quickly. All kinds of control and monitoring system designs based advantages of configuration software emerge. And many of them have been applied. This paper applies the advantages of the configuration software. The continuous reaction tank detection system is designed by the configuration software in accordance with the relevant process. The continuous reaction tank monitoring system design applies the software of Kingview(6.53) developed by Beijing Asia control Technology Development Co. Ltd. to accomplish the desired goals. During the reaction, the data parameters of the scene (flow rate, temperature, level, PH value, density, etc.) are collected by related instrumentations. And then the data parameters are transmitted to the programmable controller PLC. Part of the data is manipulated by the PLC, and PLC sends control signals. In the mean time，the data is transferred to configuration software in the computer by the PLC. The main detection interface shows the user interface of the operation system. It can easily switch to real-time data display, trend curves, alarm interfaces, reports, and other interfaces. The mode of operation by the display is an advantage of the configuration software. This design is to the full application of it. Therefore, the operators can easily monitor and operate methylamine nitrate salt production process. Keywords: continuous reaction tank, detection system, DCS, configuration software, Kingview 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACT (英文摘要).II 目 录.III 第一章 引言.1 1.1 课题相关背景及意义1 1.2 集散控制系统 DCS 2 1.3 组态软件.4 1.3.1 组态软件的发展 4 1.3.2 组态软件的特点 5 1.3.3 组态软件的功能 5 第二章 整体设计方案.8 2.1 组态软件的选择8 2.2 方案设计.9 2.2.1 工艺流程 .9 2.21.2 控制方案 10 第三章 硬件设备.12 3.1 工控机.12 3.2 可编程序控制器（ PLC） .13 3.3 RS-485 通信接口14 3.4 各参数检测仪表.15 第四章 系统组态设计.16 4.1 监测主界面设计17 4.1.1 主界面设计 17 4.1.2 定义 IO 设备.19 4.1.3 变量的定义与管理 .20 目 录 IV 4.1.4 动画连接 21 4.2 数据报表.23 4.3 实时趋势曲线.24 4.4 历史趋势曲线.25 4.5 实时报警窗口.26 结论.28 参考文献.29 致谢.30 第一章 引言 - 1 - 第一章第一章 引言引言 1.1 课题相关背景及意义 进入 20 世纪 90 年代，数字控制装置用于化工生产成绩斐然，各级企业决 策者对企业技术进步、科技兴化的认识逐步深化，纷纷购买使用单回路调节器、 集散控制系统 DCS、可编程控制器 PLC 等数字控制装置取代落后的模拟控制仪 表。国内研制的单回路调节器、DCS、PLC 也逐步应用于化工生产装置。硬件 功能增强，应用软件技术不断进步，高新技术强化了化工生产。DCS 应得迅速 发展，使我国的化工技术有了长足的进步，对企业安全稳定生产、提高产品质 量、节能降耗发挥了重要作用7。 随着计算机技术的飞速发展以及计算机在工业领域的广泛应用，各种软件 和硬件技术日益成熟，人们对工业自动化的要求越来越高。尤其是工业自动化 水平的迅速提高，要求各种软件的功能更加强大，可操作性强，易于用户学习 和使用。组态软件正是顺应形势出现的一种实用软件，它能够良好的解决传统 工业控制软件中存在而不能解决的许多问题。用户可以根据具体的控制对象和 控制目的进行合理的组态，以完成符合要求的自动化控制工程。 各种基于组态软件优势的控制和监测系统设计方案纷纷出现和应用。例如： 北京工业大学基于工控组态软件的供热控制系统，基于组态软件 MCGS对北京市某工厂小区供热实时监控的系统设计方案，该方案做到分支路、 分时间、分温度自动温度补偿控制，从而大大节省了能源。并通过软件对外围 设备自动控制，并利用曲线、报警显示和记录等功能从而提高了系统操作效率 和精确性。 河北理工大学的马翠红等所作基于组态软件的加热炉生产过程的实时监 控系统 ，给出了一个中小型轧钢厂的推钢式加热炉生产过程的实时监控系统 设计方案1。加热炉使用汽化冷却的冷却系统。为了保证生产出合格的产品, 加热炉提供的加热温度须在要求的温度范围内,过热或过烧现象要避免出现, 控 第一章 引言 - 2 - 制烧损率在最低限度; 坯料的加热温度从整个断面看要均匀一致; 钢坯在加热 过程中可能的氧化烧损应最小。基于组态软件的监控系统能够保证提高加热质 量,扩大产品产量,减少燃料消耗,自动控制加热炉的燃烧温度和炉膛的压力;实现 自动控制汽化冷却装置能够保证安全生产; 并对一些状态量进行实时显示和超 限报警。 1.2 集散控制系统 DCS 集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产 过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称 DCS 系 统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位 管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算 机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算 机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中， 又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS 系统在现代化生产过程控 制中起着重要的作用2。 DCS 具有一系列特点和优点9： 1、分散性和集中性 DCS 硬件积木化和软件模块化是分散性的具体表现。因此可以因地制宜分 散配置系统。DCS 横向分子系统结构，如直接控制层中一台过程控制站可看作 一个子系统，操作监控层中的一台操作员站也可看作一个子系统。 DCS 的集中性是指集中监视、集中操作和集中管理。DCS 通信网络和分布 式数据库是集中性的具体表现。用通信我网络把物理分散的设备构成统一的整 体，用分散式的数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。 2、自治性和协调性 DCS 自治性是指系统中的各台计算机可以独立的工作。DCS 的协调性是指 系统中的各台计算机通过通信网络联系在一起，相互传送信息，相互协调工作， 以实现系统的总体功能。DCS 的分散与集中、自治与协调不是相互对立，而是 第一章 引言 - 3 - 相互补充。DCS 的分散是指相互协调的分散各台分散的自主设备是在统一集中 管理和协调下，各自分散独立工作，构成统一的有机整体。 3、灵活性和扩展性 DCS 硬件采用积木式结构，可灵活地配置小、中、大各类系统。另外，还 可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统或升级。DCS 软件采用模块化结 构，提供各类功能模块，可灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统。另外， 还可以根据生产工艺流程的改变，随时更改控制方案。 4、先进性和继承性 DCS 综合了“4C”（计算机、控制、通信和屏幕显示）技术。随着 “4C”技术的发展，DCS 在硬件上采用了先进的计算机、通信网络和显示屏幕;软 件上采用了更先进的操作系统、数据库、网路管理和算法语言。当出现新型 DCS 时，新老 DCS 系统之间仍然能相互传递信息，这种继承性使得新老 DCS 可以相互兼容,减少用户不必要的损失。 5、可靠性和适应性 DCS 的分散性带来了系统的危险分散，提高了系统的可靠性。它采用了一 系列的冗余技术，如主控制站、IO 板、通信网络和电源等均可双重化，而且 采用来了热备份工作方式，自动检查故障，一旦出现故障自动切换。 DCS 采用了高兴能的电子元器件、先进的生产工艺和个项抗干扰技术，可 使 DCS 适应恶劣的环境。DCS 设备的安装位置可适应生产装置的地理位置， 尽可能满足生产的它的各项功能可适应现代化大生产的控制和管理需求。 6、友好性和新颖性 DCS 为操作人员提供了友好的人机界面（MMI）。操作员采用彩色 CRT 和交互式图形画面。采用图形窗口、专用键盘、鼠标等，使得操作简便。DCS 的新颖性表现在人机界面，采用动态画面、工业电视、合成语音等多媒体技术， 图文并茂、形象直观，使得操作人员易于操作。 第一章 引言 - 4 - 组态软件主要完成 DCS 系统的控制层的软件和监控软件的组态功能，安装 在集散控制系统的工程师站中，是为了将通用的、有普遍适应能力的 DCS 系统， 变成一个针对某一具体应用控制工程的专门 DCS 控制系统。为此，系统要针对 这一具体应用做出一系列定义，例如：硬件配置、数据库的定义、控制算法程 序的组态、监控软件的组态、报警报表的组态，等等。 1.3 组态软件 1.3.1组态软件的发展 “组态”的概念是广大的生产过程自动化技术人员伴随着集散型控制系统 （Distributed Control System 简称 DCS）的出现才开始有所认知的。相比以前的 专用系统，在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）具有 日趋明显的优势。这些优势主要体现在：各种相关技术已日益成熟，PC 技术仍 然以较快的速度发展；基于 PC 的控制系统易于被广大的生产过程自动化技术 人员学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持；由 PC 构建的工业控制系 统的拥有成本相对较低；PC 的软件资源和硬件资丰富，软件之间有很强的互操 作性。在 PC 技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重 要的地位。 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 构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支 持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功 能。对应于原有的 HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组 态软件应该是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件工具，或开发环境。 在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI 应 用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭 的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和 功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可 以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展， 第一章 引言 - 5 - 实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对 I/O 设备的 广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被 赋予新的内容。 1.3.2组态软件的特点 组态控制技术是计算机技术发展的结果，硬件和软件的开发都有组态性是 采用组态控制技术的计算机控制系统最大的特点，所以提高了系统可靠性和开 发的速率，开发难度却有所降低。组态软件又具有图形化管理与可视性功能， 为系统维护和生产管理提供了诸多方便，同时组态软件具有以下特点： 1、延续性和扩展性 通过通用组态软件开发的应用程序，当现场的硬件设备系统结构或者用户 需求发生改变时，不需做出过多修改就可完成软件更新和升级。 2、封装性 用一种使用户容易使用的方法把通用组态软件所能实现的功能都包装起来。 对于用户，不需掌握太多的编程语言技术，就能很好的完成一个复杂工程所要 的所有功能。 3、通用性 每个用户的工程实际情况不同，利用组态软件中提供的底层设备（例如 PLC、智能仪表等）的 IO 驱动器、开放式数据库和界面制作工具，就能完成 一个具有动画效果、趋势曲线、实时数据与历史数据处理并存，具有多媒体和 网络功能的工程，而不受任何行业限制。 4、实时多任务 就是多个任务可以在同一台计算机上同时运行，例如：采集与输出数据、 处理数据与算法的实现、图形显示以及、实时通信、人机对话、存储实时数据、 检索管理等可在同一计算机上同时运行。 1.3.3组态软件的功能 组态软件中预设置了各种软件模块，可以非常容易的实现和完成监控层的 各项功能，并能同时支持绝大多数硬件厂家生产的计算机和 IO 产品，与高可 靠性的工控计算机、流畅的网络系统相结合，软硬件的各种接口可由在控制层 第一章 引言 - 6 - 和管理层提供，进行系统的集成。 组态软件有以下几方面功能： 1、良好的界面显示和组态功能 工控组态软件大多运行在 Windows 系统环境下，充分应用了 Windows 系 统的界面美观且图形功能完善的优点。Windows 系统具有丰富的工具栏、可视 化的风格界面。操作人员可方便的进入开发界面，不需太多时间。组态软件有 丰富的工况图库和图形控件，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供丰 富的动画连接方式，如闪烁、移动等模式，使界面更加生动、直观。提供多样 的作图工具，用户可制作符合设计标准的各种工业界面，如需修改，可进行各 种编辑操作。从而开发人员不需进行繁重的界面设计。 2、开放性良好 当今控制系统的主要特点之一是“异构”。 众多系统构成的全部软硬件可能 出自多家公司的产品，是因为当今社会化的大生产。开放性是指组态软件能与 多种通信协议互联，支持多种硬件设备。组态软件应能够实现上位机与下位机 的双向通信，即向下可以与低层的数据采集设备通信，向上可以与高层的管理 层通信。组态软件的好坏，开放性是一个所要衡量的重要指标。 3、功能模块丰富 为了满足用户的现场需求与测控要求，组态软件提供了多样的控制功能模 块。利用各种功能模块，完成实时数据显示，产生历史趋势曲线、实时趋势曲 线、数据报表、实时报警等功能。这使开发出的系统具有人机界面良好，操作 简便等优势。 4、数据库强大 组态软件配有的实时数据库功能强大，可存储或实时打印各种类型的数据， 如离散型变量、实数型变量、整数型变量等。实现系统与外部设备之间的数据 相互交换。 5、可编程的高级命令语言 第一章 引言 - 7 - 组态软件有类似 C 语言的可编程的高级命令语言。根据开发软件的需要， 用户可编撰所需程序，命令语言的运行增强了图形界面的人性化。 6、系统安全防范周密 开发人员可以根据操作者的不同，编写不同的操作权限。这样可以保证整 个系统不同子系统由不同的操作者监控，防止他人进行误操作，有利于安全可 靠地运行。 7、仿真功能 为用户提供了强大的仿真功能，系统设计与仿真并行。用户在完成部分功 能时，可及时运行系统仿真，以便修改调试，从而使开发周期缩短。 第二章 设计方案 - 8 - 第二章第二章 整体设计方案整体设计方案 2.1 组态软件的选择 组态王（Kingview）软件是中国目前规模最大的工业自动化软件，它的应 用涉及电力、化工、冶金、环保、水处理、国属粮库、邮电通讯和食品等各行 业，同时作为首家国产监控组态软件应用于军工、国防、航天航空等关键领域， 是国内工业应用最广泛的组态软件 组态王软件是一种通用的工业监控软件，具有丰富功能的 HMISCADA 软 件，它集过程控制、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业的各种生 产的应用系统以及交流的信息汇集在一起，通过组态控制以实现系统和信息的 最优化管理。组态王软件基于 Windows 操作系统，在企业网络的所有层次，各 个位置的操作人员都可以及时获得监控系统所发送的实时信息。组态王软件为 系统开发提供了集成、灵活、易用、高效的开发环境和广泛的功能，能够快速 建立、测试、部署自动化应用，连接、传递和记录实时信息，使用户可以实时 查看和控制工业生产过程。采用组态王软件进行开发工业监控系统工程，可以 极大地增强用户生产控制能力，提高工厂的生产力和效率，产品质量，减少投 入成本以及原料的消耗8。 组态王6.536.53的主要有以下几方面的功能特性： 1、操作界面可视化，图形用真彩显示、图库丰富、支持直线、多边形、 椭圆、渐进色、动画连接等绘画功能。拥有丰富的脚本控件、多样的图形动画 连接功能，显示优越的仿真能力和操作灵活性。 2、可保存或打印报表、报警等画面中的数据，便于以后进行数据统计分 析。 3、可对变量进行导入导出系统操作，选择的变量可以从系统导出到选定 文件夹下的Excel表格中，对变量名称、数据类型等属性的进行修改更加便，然 后再导入新建的工程中，缩短开发时间 。 第二章 设计方案 - 9 - 4、采用了强有力的报警、事件处理系统，可以保存或打印实时数据报表、 历史数据报表。 5、支持多种外界设备，例如常见的可编程控制器PLC、智能仪表、板卡等。 6、网络服务架构更新，支持将系统画面、实时数据或历史数据和数据库 中的数据发布到网页上。 7、实现了复杂逻辑操作和决策处理功能，体现强大的脚本语言处理功能。 8、配方处理更加方便。且提供了硬加密和软授权两种授权方式。 鉴于组态王软件具有以上优势，基于组态软件的连续反应罐的检测系统 方案选用该软件进行设计。 2.2 方案设计方案设计 2.2.1 工艺流程 本设计方案基本工艺流程是：将一甲胺水溶液和稀硝酸从储罐中卸料至中 和反应罐。反应完毕后，将产生的硝酸一甲胺，从中和罐放料至浓缩罐，进行 浓缩反应。浓缩反应完毕后，将硝酸一甲胺放料至储罐。工艺流程如图 2-1 所 示。 第二章 设计方案 - 10 - 图 2-1 工艺流程 2.2.2 控制方案 根据基本工艺流程设计如下控制方案： 1、硝酸、一甲胺的放料和中和控制 在开始放料前，首先启动冷却水循环泵，开启硝酸、一甲胺放料调节阀进 行放料。硝酸、一甲胺的放料速度采用调节阀进行控制。开始放料时，调节阀 的开启度为最大开启度的二分之一。当中和罐的液位达到设定液位的十分之久 时，放料完毕，此时调节阀的开启度为调节为最大开启度的六分之一，延时一 分钟后，根据在线 PH 计所采集到的中和罐内硝酸甲胺盐的 PH 值，自动对硝酸 的放料调节阀的开启度进行调节。当液位达到设定液位时，硝酸、一甲胺放料 调节阀关闭，中和完成。此时 PH 计所采集到的中和罐内硝酸甲胺盐的 PH 值如 果在工艺范围之内，中和罐放料阀打开进行放料，当液位下降到设定液位的三 分之一时，放料电磁阀关闭，准备进行下一次中和。 2、浓缩控制 当首次中和完毕，真空泵将自行开启，进行真空吸料。同时，浓缩罐加热 器蒸汽电磁阀开启，进行浓缩。在浓缩期间，通过对蒸汽电磁阀的控制，温度 将自动控制在 50 至 55 度之间。当连续三次中和放料之后，浓缩罐内的物料量 已达到了设定值，此时在浓缩罐进行放料之前，中和罐放料阀，无法开启，限 制中和罐进行放料。在中和罐第三次放料五分钟之后，通过安装在自动取样检 测装置上的 PH 计和密度计，进行自动取样。采集到的 PH 值和密度值此时如果 在工艺范围之内，如果此时硝酸甲胺盐储罐的液位没有达到设定液位，浓缩罐 的放料电磁阀开启进行放料。 完成控制方案后，确定工艺流程各阶段需要检测的物理参数。需要远传的 相关工艺参数和数据有：硝酸流量、一甲胺流量、中和温度、中和后 PH 值 、 第二章 设计方案 - 11 - 中和罐液位、中和罐冷却水的开关量、中和罐液位、浓缩罐的真空度、浓缩罐 的温度、浓缩罐的液位、浓缩的 PH 值、浓缩后密度、储罐的液位、储罐的温 度、一甲胺储罐的液位、硝酸罐的液位等。 方案设计完成后，按照相关要求，利用组态王进行画面组态和控制组态。 基于组态软件的连续反应罐监测系统主要由系统开发环境和运行环境两个部分 组成。整个系统基于面向对象的思想进行分析，以高度模块化的方式设计3。 系统开发环境是组态开发人员用于工作的环境。系统开发环境由若干个组 态程序组成，例如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。在组态环境下， 设计并生成系统文件，供开发的系统运行时调用。 系统运行环境是指系统运行时，数据目标应用程序装入计算机内存后投入 实时运行时系统所提供的运行环境。它由图形界面运行程序、实时数据库运行 程序等若干程序组成。系统运行环境主要完成数据的采集、数据传输、实时数 据查询、定时数据存储、故障报警等一系列功能3。 第三章 硬件设备 - 12 - 第三章第三章 硬件设备硬件设备 硝酸甲胺盐制备工序自动化控制采用现场总线技术，设立中央控制室进行 远程操作和监控。中央控制室内安装工控机一台、可编程控制器一台，通过现 场总线对工艺现场的各个工艺参数和指标进行采集和分析，实现远程控制。 3.1 工控机 工控机（Industrial Personal ComputerIPC）即基于 PC 总线的工业电脑。 如图 3-1 所示。据 2000 年 IDC 统计，目前 PC 机已占到通用计算机的 95%以上， 因其价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的工程技术人员所 熟悉和认可，因此工业电脑得以广泛普及。工控机主要组成部分包括工业机箱、 无源底板以及各种匹配的各种板卡等，如 CPU 卡、I/O 卡等。工控机大都在存 在电磁干扰、灰尘、震动、高/低温等问题的工业现场运行。为了克服这些恶劣 的条件，工控机大多采取设计有全钢机壳、双正压风扇、机卡压条过滤网等配 件及利用 EMC（electromagnetic compatibility）技术。 图 3-1 研华工控机 IPC 有以下特点： 可靠性 工控机可以在震动、粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、电磁干扰等恶 劣环境下持续运行，并能快速诊断和可维护性，其平均修复时间（Mean Time to Repair）一般仅为 5 分钟;平均运行时间（MTTF）在 10 万小时以上，而普通 PC 的平均运行时间仅为 1 万1.5 万小时。 第三章 硬件设备 - 13 - 实时性 在工业生产过程中，工控机可以进行实时监控，快速响应工作状 况发生的变化。能及时进行信息采集和输出调节信号（“看门狗”功能） ，在 遇险时自动复位，使系统能够及时恢复正常运行。 扩充性 工控机采用了底板与 CPU 卡整合的结构，可扩充到 20 个板卡，因 此具有完善的信息输入输出通道。工控机能连接工业现场的各种外部设备、板 卡，以完成多种任务。 兼容性 工控机能同时利用 ISA 总线与 PCI 总线及 PICMG 所传输的资源， 可以在多种操作系统环境下运行。支持多任务操作系统，多种语言汇编。 3.2 可编程序控制器（ PLC） 图 3-2 可编程逻辑控制器 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制 器。如图 3-2 所示，其定义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运 算操作电子系统。PLC 采用一种可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻 辑运算、算术运算、顺序控制、定时和计数等操作的指令，并通过数字式或模 拟式的信息输入输出方式，来控制各种类型的机械设备或生产过程。由于传统 继电器存在明显的缺点，可编程控制器作为传统继电器的替换产品而出现。随 着计算机技术和自动化控制技术的发展，使得两者相结合而开发出一种适用工 业环境的新型通用自动控制装置，即为可编程控制器。近年来，计算机技术和 微电子技术实现了快速的发展，计算机的众多功能赋予了可编程控制器。可编 程控制器不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、网络通信等功能。由于它 第三章 硬件设备 - 14 - 可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可 靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进 了机电一体化的进程。 3.3 RS-485通信接口 本节介绍组态软件的通信实现。整个站内监控系统基于 RS-485 总线型结 构，在总线上外挂各智能仪表设备及监控主机，由主机监控程序统一管理，是 一种典型的主从式、总线型监控系统。该系统包括监控层、通信层以及现场设 备层。监控层监控系统运行环境通信层通信端口用户协议现场设备层各智能仪 表。 工业环境下为减少通信用的信号线，通常使用 EIA 标准。该标准的特点是 采用平衡驱动差分电路，接收器输入电压是输入导线上电压之差。其中一根导 线上的电压与令一根导线上的电压值取反。因此，两根导线上传送的电流大小 相同，方向相反。当噪声引入时，噪声电压在两根导线上以共模方式出现，被 相互抵消。因此，极大地消除了噪声的影响，提高了信噪比。此外，与削弱噪 声的原理相似，采用了差分电路也削弱了节点之间点位的影响。 RS-485 采用一对平衡驱动差分电路，是半双工通信方式。当 RS-485 互联 时，由于某一时刻只能有一个站点发送数据，其他站点只能接收数据。因此， 发送电路用使能信号控制。两个使能端互为反相，才能保证只有一个站点发送 数据。 RS-485 适用于多占点互联，最多可挂接 32 个站点，经中继器扩展，最多 可挂接 128 个站点。对于工业控制应用，是非常理想的互联方式，因此被工业 控制界广泛应用。由于 RS-485 可高速（1Mbps）远距离（可达 1200 米）传送 数据，因此在许多智能仪表中被用作现场总线接口，并可经联网后组成集散控 制系统的现场控制总线。 RS-485 的电气特性有所改进。它采用查分电路输入信号电压，两线间的电 压差为+（0.26）V 表示逻辑“1” ；两线间的电压差为 -（0.26）V 表 示逻辑“0” 。RS-485 的终端电阻为 120，两个终端电阻并联后的阻抗为 60 第三章 硬件设备 - 15 - 。如果终端阻抗等于通信电缆特征阻抗，可使线路的信号反射减弱或消除。 3.4 各参数检测仪表 相关工艺参数选用的检测仪表及所在位置 如表 3-1。 表 3-1 检测仪表 序号序号检测项目检测项目检测仪表检测仪表位置位置 1硝酸储罐罐的液位静压式液位计硝酸储罐罐 2一甲胺储罐的液位静压式液位计一甲胺储罐 3硝酸流量转子流量计硝酸放料管道 4一甲胺流量转子流量计一甲胺放料管道 5中和温度热电偶温度计（康铜）中和罐 6中和后 PH 值BPH-200A 型 PH 计中和罐 7中和罐液位静压式液位计中和罐 8中和罐冷却水的开关量电磁阀中和罐 9中和罐液位静压式液位计中和罐 10浓缩罐的真空度弹簧管压力表浓缩罐 11浓缩罐的温度热电偶温度计（康铜）浓缩罐 12浓缩罐的液位静压式液位计浓缩罐 13浓缩后的 PH 值BPH-200A 型 PH 计浓缩罐 14浓缩罐密度静压式密度计浓缩罐 15储罐的液位静压式液位计硝酸甲胺盐储罐 16储罐的温度热电偶温度计硝酸甲胺盐储罐 第四章 系统组态设计 - 16 - 第四章第四章 系统组态设计系统组态设计 连续反应罐监测系统设计方案完成后，接下来要用组态王软件进行组态。 组态王软件结构包括工程管理器、工程浏览器和运行系统三个部分。 工程管理器主要用于创建新的工程和管理已有的工程，对已创建的工程进 行搜索、恢复、查看、添加，以及对数据词典实现数据的导入导出等功能。 工程浏览器是设计开发一个新旧工程的工具，连续反应罐监测系统的主界 面在这里进行设计。它用于创建监测画面、配置监测所需的设备及添加修改相 关变量、设置动画连接属性、编写命令语言以及设置运行系统的配置等方面。 运行系统是工程运行界面，从采集设备中获取数据通信，并依据工程浏览 器的动画设计及显示动态画面，实现人与工程设备的交互操作。 4.1检测主界面设计 4.1.1 主界面设计 首先打开组态王的工程管理器，新建一个工程，依次输入保存路径、工程 名和工程描述，如图 4-1。 图 4-1 新建工程 第四章 系统组态设计 - 17 - 新建工程完毕后，即可进入工程浏览器，如图 4-2。选择左侧大纲项“文 件画面” ，双击右侧“新建”图标，会弹出“新画面”对话框，填充相关属性 后，点击“确定” ，进入开发系统。 图 4-2 工程浏览器 在开发系统中，组态王为用户提供矩形、直线、椭圆、扇形、点位图、多 边形、文本等基本图形对象，还有按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表、图 库等许多复杂的图形对象。组态王面向对象的编程技术，使用户可以方便的建 立画面的图形界面。用户画面组态可以像搭积木一样，利用系统提供的图形对 象按照相关要求进行组态。 根据工艺流程，在开发系统中进行画面组态，选择合适的图库精灵，在反 应器附近标明名称，以及部分实时显示的变量等。尽量使界面的布局合理、整 齐，检测系统主界面如图 4-3 所示。 第四章 系统组态设计 - 18 - 图 4-3 检测系统主界面 4.1.2 定义 IO 设备 组态王使用工程浏览器界面来管理硬件设备，已配置好的设备统一列在工 程浏览器界面下的设备分支。组态王支持的硬件设备包括可编程控制器（PLC） 、 智能模板、板卡、智能仪表、变频器等。工程人员可把每一台下位机看作是一 种设备，不必关心具体的通信协议，只需在组态王的设备库中选择设备的类型， 然后按照“设备配置向导”的提示一步步完成安装即可，使驱动程序的配置更 加方便。组态王的配置方式有串口通信，数据采集板、DDE 通信、人机界面卡、 网络模块、OPC。 PLC 设备都是通过计算机串口向组态王传送数据。组态王提供了一个仿真 PLC 设备，用来模拟实际设备向界面程序提供数据，供用户调试，这样可以使 画面程序调试更加方便。我们可以选用仿真 PLC 模拟安装到计算机串口，如图 4-4 所示。 第四章 系统组态设计 - 19 - 图 4-4 设置仿真 PLC 4.1.3 变量的定义与管理 数据库是联系系统上位机和下位机的纽带，所有现场产生的实时数据、实 时动画画面以及技术人员发布的指令到生产现场去执行，都需要实时数据库为 中心环节。数据库存放的数据是当前值，包括系统变量和用户定义的变量。 变量的基本类型有两类：内存变量、I/O变量。I/O变量：指可与外部数据 设备采集程序直接进行数据交换的变量，这种数据交换过程是动态的、双向的， 即在组态王系统运行时，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入下位机 或其他应用程序。每当下位机或其他应用程序的值改变时，组态王中的变量值 也会自动更新。所以，那些从下位机采集来的数据、发给下位机的指令，需设 为I/O变量。内存变量：指那些不需要与其他程序交换数据，也不需从下位机 获得数据，只在组态王内部需要的变量，比如计算过程中的中间变量。 变量的数据类型包括：实数型变量、离散变量、字符串型变量、整数变量、 结构变量。变量的基本类型是在 “变量属性”对话框填充的，同时它们的其 它部分属性在“变量属性”对话框的属性选项卡中填充，如数据类型、连接设 第四章 系统组态设计 - 20 - 备、寄存器、最大（小）值等。 “数据词典”项在工程浏览器中左边的目录树 中。点击选择，当前工程中所定义的变量会在右侧的内容显示区中显示。 “新 建”变量图标在右侧的内容显示区中，双击图标，弹出“定义变量”对话框。 组态王定义的变量属性包括基本属性、报警定义、记录和安全区三个属性选项 卡。用户单击选项卡顶部的名称标签选择该属性卡片，此时用户可以填充该属 性卡片相应的变量属性。如图4-5。 图4-5 定义变量 4.1.4 动画连接 通过组态王开发系统，技术人员可以开发静态的画面，但仅仅是静态的画 面不足以直观的反应工程现场的实际情况，实时数据库往往是动态的。因此只 有用动态的画面，才能准确的显示数据的变化情况。组态王提供的“动画连接” 使得数据与画面的变化联系起来，为工程人员提供了准确的工业图形界面，并 且可由编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形对象可以按动画连接 的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等，一个图形对象可以同时定义多 个连接。把这些动画连接组合起来，动画效果更加生动活泼。如图 4-6。 第四章 系统组态设计 - 21 - 图 4-6 动画连接 检测系统主界面的动画连接设置完毕后，可以在界面上击右键，点击“切 换 第四章 系统组态设计 - 22 - 图 4-7 运行中的检测系统 到 View” ，观察运行情况，如图 4-7 所示。 4.2 数据报表 数据报表是生产过程必不可少的一个重要环节，它反应了生产过程中的数 据变化、运行状态等状况，并对数据进行及时记录、保存统计。数据报表不仅 能显示系统实时的生产情况，而且能对长期的生产过程数据进行保存、统计和 分析。这使得现场管理人员可以及时掌握和分析工厂生产过程或故障。 组态王提供了通用的内嵌式报表系统。工程开发人员可以对报表进行组态， 任意设置报表格式。组态王为工程开发人员提供了多种报表函数，可以实现各 种运算例如统计分析、报表打印、数据转换等。既可以制作实时数据报表又可 以制作历史数据报表。工程开发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。 实时数据报表用来显示检测系统的实时数据，选择工具箱中的工具， 在画面上绘制实时数据报表窗口,使用 ReportPrint2 函数实现报表的打印功能， 如图 4-8 为运行中的实时数据报表。 图 4- 8 实 时 数 据 报 表 第四章 系统组态设计 - 23 - 历史数据报表用来记录以往的生产数据，历史数据查询可以新建一个按钮， 利用组态王提供的 Report- SetHistData2 函数，可从组态王记录的历史库中按 指定的起始时间和时间间隔查询指定变量的数据，使用 ReportPrint2 函数实现 报表的打印功能，如图 4-9 为运行中的历史数据报表 图 4-9 历史数据报表 4.3 实时趋势曲线 趋势曲线用来反应变量随时间的变化情况。在实时曲线显示坐标中，X 轴 代表时间，Y 轴代表变量值。在实时曲线中，工程人员可以规定时间间距、数 据的数值范围、网格分辨率、时间坐标数目等。画面程序运行时，实时趋势曲 线可以随时间卷动，以快速反应变量与时间化。 选择工具箱中的工具，在画面上绘制一个实时趋势曲线窗口。双击 “实时趋势曲线”对象，弹出“实时趋势曲线”设置窗口，实时趋势曲线设置 窗口分为两个属性页：曲线定义属性页、标识定义属性页。曲线定义属性页： 第四章 系统组态设计 - 24 - 在此属性页中可以设置曲线窗口的显示风格和设置趋势曲线中所要显示的变量。 图 4-10 为运行中的实时趋势曲线。 图 4-10 实时趋势曲线 4.4 历史趋势曲线 组态王提供三种形式的历史趋势曲线，即从图库管理器中调用、调用历史 趋势曲线控件和从工具箱中调用三种形式。其中以 Active X 控件的形式提供 历史趋势曲线，功能强大，使用简单。该控件可以连接到组态王的历史数据库， 也可以从ODBC(开放数据库互连 ) 数据源连接到其它数据库上，如 Access、SQL- Server等。通过该控件，不但可以实现历史曲线的绘制，还可以 实现ODBC 数据库中数据记录的曲线绘制。历史趋势曲线在系统运行状态下， 可以实现曲线在线动态增加、删除、隐藏、无级缩放曲线图表，动态比较曲线， 保存或打印曲线等功能。该历史趋势曲线控件最多可以添加16条趋势曲线。 第四章 系统组态设计 - 25 - 选择工具箱中的工具，在画面中插入通用控件窗口中的“历史趋势曲线” 控件，在画面上绘制一个历史趋势曲线窗口。选中此控件，单击鼠标右键在 弹出的下拉菜单中执行“控件属性”命令，弹出控件属性对话框，曲线属性页： 在此属性页中您可以利用“增加”按钮添加历史曲线变量，并设置曲线的采样 间隔。图 4-11 为历史趋势曲线。 图 4-11 历史趋势曲线 4.5 实时报警窗口 为保证工业现场安全生产，报警和事件的产生和记录是必不可少的，“组 态王”提供了强有力的报警和事件系统。利用报警窗口，操作者不但能及时查 阅报警信息，而且可以确认报警、删除报警、更改报警类型、事件类型、操作 员、报警优先级、报警组、站点名和服务器名等信息。 设置变量的报警属性：在数据词典中选择“中和温度”变量，双击此变量， 在弹出的“定义变量”对话框中。单击“报警定义”选项卡，在“报警限”选 第四章 系统组态设计 - 26 - 项中选择并填充合理的界限值和报警文本，如图4-12所示。其它变量的报警定义 也是如此。 图4-12 报警定义 第四章 系统组态设计 - 27 - 报警窗口是用来显示“组态王”系统中发生的报警和事件信息。报警窗口 建立过程如下：选择工具箱中的工具，在画面中绘制一个报警窗口，双击 “报警窗口”对象，弹出报警窗口配置对话框。 报警窗口分为五个属性页：通用属性页、列属性页、操作属性页、条件属 性页、颜色和字体属性页。通用属性页：在此属性页中您可以设置窗口的名称、 窗口的类型（实时报警窗口或历史报警窗口）、窗口显示属性以及日期和时间 显示格式等；列属性页：在此属性页中您可以设置报警窗中显示的内容，包括： 报警日期时间显示与否、报警变量名称显示与否、报警限值显示与否、报警类 型显示与否等等；操作属性页：在此属性页中您可以对操作者的操作权限进行 设置。条件属性页：设置哪些类型的报警或事件发生时，才在此报警窗口中显 示，并设置其优先级和报警组。如图4-13 是运行中的报警界面： 第四章 系统组态设计 - 28 - 图4-13 报警界面 基于组态王的连续反应罐监测系统的各界面设计完成后，界面之间的连接 可以用设计“按钮”和“菜单”来实现。整体设计完成之后，还需不断地运行 系统进行调试、修改，直到达到良好的运行效果。 结论 - 29 - 结论 组态软件是工厂实现大规模自动化生产的重要工具，随着生产自动化水平 的提高，越来越多的厂家开始利用组态软件。该基于组态软件的连续反应罐的 检测系统设计利用组态王（6.53）完成。 本论文介绍了组态软件开发利用背景及意义，集散控制系统 DCS 和组态王 的相关知识。根据工艺流程图完成了连续反应罐监测系统的整体方案，选取了 本监测系统相关的硬件设备。在组态王的开发环境下，设计出连续反应罐监测 系统主界面、报表、趋势曲线、报警等各个界面。