（管理科学与工程专业论文）第四代集散控制系统的分析与应用研究.pdf

第四代集散控制系统的分析与应用研究 摘要 集散控制系统经过一代一代的变迁，系统功能越来越完善，如今的第四代 集散控制系统已经覆盖了企业的整个生产过程，从企业的经营管理，到中间层 的操作管理，再到生产的底层控制，已经为企业提供了一个集成的信息平台。 在水泥行业，随着水泥生产工艺的不断改进，集控制、管理、决策为一体的集 散控制系统在水泥生产中起着越来越重要的作用。 本文基于实际工程背景，根据广州越堡水泥生产集散控制系统的实际需求， 完成了该厂集散控制系统的分析与设计。本文首先根据广州越堡水泥生产线的 生产需求，分析了水泥生产的工艺及要求，提出了相应的自动控制方案。然后 阐述了该集散控制系统的选型、结构、软硬件及通讯网络的设计。在系统硬件 与功能分析中，以分析可编程控制器的原理和功能为基础，实现了自动控制站 的控制功能。在系统通信网络分析与设计中着重描述了现场总线p r o f i b u s 中 的p r o f i b u s d p 以及西门子工业以太网，通过p r o f i b u s 和工业以太网在该水 泥厂控制系统上的实际应用，构建了由p r o f i b u s 和工业以太网连接的可编程 逻辑控制器、计算机、网络服务器的三层管控一体化网络。在最后的上位机设 计中采用s i e m e n s 公司的上位监控软件w i n c c ，实现了流程操作控制的人机接 口界面，并给出相应实例，最后分析实现了该系统中报表打印功能。 该系统总体上满足了用户的需求，取得了良好的经济效益，受到使用单位 的欢迎和肯定。 关键词：集散控制系统，可编程控制器，现场总线，p r o f i b u s ，工业以太网， w i n c c a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt h ef o u r t hg e n e r a t i o no f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，t h es y s t e mf u n c t i o nh a s b e c o m em o r ea n dm o r ep e r f e c t t h ef o u r t h g e n e r a t i o np r o v i d e s a n i n t e g r a t e d i n f o r m a t i o np l a t f o r mf o rt h ee n t e r p r i s e ，t h ei n f o r m a t i o nt h a tp r o v i d e db yt h i s p l a t f o r mi n c l u d e sa l lp r o c e s sd a t a o p e r a t i o nd a t aa n dt h ec o m p a n y sp l a n n i n g i n f o r m a t i o n i nc e m e n tp l a n t s ，t h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o nb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tf o rt h ec o m p a n y sc o n t r o l l i n g ，p r o d u c i n ga n dm a k i n gp l a n s w i t ht h eb a c k g r o u n do fp r a c t i c a lp r o j e c t ，ad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c h h a sb e e na p p l i e dt og u a n g z h o uy u e x i uh e i d e l b e r gc e m e n tp l a n ti sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o c e s sf l o wo ft h ec e m e n tp r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sw h i c ha r ep r o v i d e db yt h ec u s t o m e r s ，a n dg i v e sa c o n t r o l l i n g s c h e m ea b o u tt h i s p l a n t ，a n dt h e n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e t y p e s e l e c t i n g ，s t r u c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ep a r to fh a r d w a r e d e s i g na n ds y s t e m f u n c t i o n sa n a l y s i s ，t h e p r i n c i p l eo fp r o g a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) i sm a i n l yd i s c u s s e d ，b a s e do nt h i s ，t h ef u n c t i o nb l o c k st h a ti s a p p l i e dt oi m p l e m e n tt h es y s t e mc o n t r o l l i n gi si n t r o d u c e d i nt h ep a r to fn e t w o r k a n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h i sp a p e rd e s i g n st h es y s t e mn e t w o r ku s i n gt h ef i e l d b u s p r o f i b u s d pa n ds i e m e n si n d u s t r i a ln e t w o r kb a s e do nt h et e c h n o l o g ya n a l y s i s c o n c e r n i n gt h ep r o f i b u sa n di n d u s t r i a ln e t w o r k f i n a l l y , t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g n a b o u tp r o c e s so p e r a t i o np i c t u r e sa n ds y s t e mr e p o r t s t h es y s t e mf u l f i l st h er e q u i r e m e n t so fu s e rw e l l ，a n dh a sa c h i e v e df a v o r a b l e r e s u l t sa n db e e nw e l la p p r o v e db yt h ec u s t o m e r s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，p r o g a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ， f i e l db u s ，p r o f i b u s ，i n d u s t r i a ln e t w o r k ，w i n c c 图表清单 图1 1 第四代集散控制系统的体系结构图一3 一 图2 1水泥生产工艺流程示意图- 6 一 图2 - 2d c s 的典型结构图8 - 图2 - 3该系统集散控制系统硬件结构图一9 一 图2 - 4 系统通讯网络示意图一1 3 图3 1 p l c 处理过程流程图一1 9 一 图3 - 2c p u 内部存储器分布图- 1 9 - 图3 3 p l c 硬件结构图一2 0 一 图3 - 4 p l c 程序执行结构图一2 2 图3 - 5硬件结构组态图- 2 5 一 图3 - 6c f c 程序组态图2 6 图4 1该厂系统网络配置结构图2 9 图4 2o s i 模型及名词解释一3 0 图4 3 p r o f i b u s 协议结构图一3 1 图4 4发送模块s e n dr 和接收模块r e cr 一4 0 图4 5 工业以太网参数设图一4 2 图5 1工艺流程图符标准4 5 一 图5 2 监控系统登陆窗口一4 6 图5 3 屏幕显示画面样式一4 6 图5 - 4 系统监控界面结构如图一4 7 图5 ，5预热器及窑系统控制界面4 7 图5 - 6 废气处理系统控制界面4 8 图5 - 9 参数超限报警信息图一5 0 图5 1 0 报警信息组合条件选择图5 1 图5 11 数据访问方式5 1 图5 一1 2 查询归档数据库的程序设计流程图5 2 图5 1 3 报表系统图5 4 表格清单 表4 - 1工业以太网与普通商用网络的比较 表4 - 2p l c 通信关系表 3 4 4 2 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 夺诈 签字日期& 俨| 年j 月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 工些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒壁王些本 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴做糙辄拂 签字日期：。茹彳年r 且2 d 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 撕爵骤 签字日期：受辞t 月山日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，我谨向所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友以及 家入致以最真诚的谢意。 感谢我的导师杨善林教授，感谢杨老师给我一个良好的机会，走到公司里 面进行实习，正是这个实习机会，使我学到了很多未曾接触的知识，开拓了自 己的视野，增加了自己的信心。在这三年里，杨老师渊博的知识、宽阔的视野 和严谨的治学态度，深深地感染了我，并指引着我的求知之路。在此，我谨向 我的导师杨善林教授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢上海交通大学的邵惠鹤教授在我实习期间给予我学习上的悉心指导 以及对我生活上的关心，在此，我谨向邵老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 特别感谢合肥工业大学管理学院计算机网络系统研究所的马溪骏老师和 张述初老师，本文从构思到形成初稿及不断修改直至定稿，都离不开马老师和 张老师的督促和指导。此外，在我读研究生期间，马老师不仅悉心指导我的学 习和科研工作。还在生活上给予了我极大的关心、支持和帮助，在此，我谨向 马老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢上海西门子工业自动化有限公司工程部的王鸥经理，许继东经理，沈 伟博士，张国强，宗宇星和赵玮工程师，感谢他们给予我的帮助和指导。 感谢管理学院所有老师对我学业上及生活上的关心、帮助，指导和培养。 感谢合肥工业大学管理学院计算机网络系统研究所的同学们，正是在和你 们的交流和帮助下，我才得以不断提高，衷心地祝福你们前程似锦! 最后，我要感谢我的父母，哥哥，感谢他们二十多年来给予我在学习和生 活方面的支持和鼓励，使我能够安心学习，顺利完成学业。 作者：李伟 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 工业控制系统的发展 伴随着计算机，通讯，控制等各项技术的快速发展，使得企业提高工厂装 备的自动化控制水平成为可能，以此来降低能耗，节约能源；同时改善劳动条 件，保证生产安全，控制环境污染；并可以提高产品质量，增加产品种类，缩 短生产周期，提高劳动生产率，增强产品的市场竞争力。而工业计算机控制技 术在结合了计算机技术和工业自动化技术的基础上，成为了促进企业现代化生 产的有力工具和企业本身适应国内外市场竞争的重要手段。 工业控制系统的发展大致经历了以下三个阶段：【l 】 仪表控制系统：包括早期的基地式仪表控制系统和近代的单元式组合仪表 控制系统，最主要的功能是进行回路控制。基地式仪表控制系统是指控制系统 ( 仪表) 与被控对象在机械结构上结合在一起的，而且仪表的各个部分，包括 检测，计算。执行以及简单的人机界面等都做成一个整体，就地安装在被控对 象上。单元式组合仪表控制系统是指将测量，控制计算，执行以及显示，设定， 记录等功能分别由不同的单元组成，互相之间通过某种标准的物理信号实现连 接的系统。 计算机控制系统：由早期仅使用计算机的显示屏显示现场仪表检测到的数 据的监视系统，到可以对现场仪表进行设定值设定的监督控制系统，再到集成 了这两者功能的直接数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) ， 利用计算 机强大的计算处理能力将所有的回路控制计算工作集中完成，这是d d c 与仪表 控制系统最大的区别。但是这种将所有回路都集中在计算机中进行计算处理的 工作方式，使得整个系统的可靠性大大降低，一旦计算机出现故障，所有回路 将失去控制，整个系统将会失控。 集散控制系统：随着计算机技术，控制技术，通信技术和显示技术( 4 c 技 术) 的不断完善，以及人们对系统功能的要求不断增加，性能要求的不断提高， 在结合了以前两种控制系统的优势基础上，产生了集散控制系统。 1 2 集散控制系统的发展历程 集散型控制系统( t o t a l l yd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s 以下称作d c s ) 也称为 分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s ) ，是以微处理器为 基础的集中分散型控制系统，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，是完成过程控制、过程管理的现代化控制系统，是 集计算机、通信、控制、显示技术于一身的监控技术，实质上是利用计算机技 术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前端分散控制相统一的新型控 制技术。 1 】 第一代d c s 诞生于1 9 7 5 1 9 8 0 年间。这个时期的系统比较注重控制功能的 实现，因此系统的设计重点是现场控制站，各个公司的系统均采用了当时最先 进的微处理器来构成现场控制站，因此系统的直接控制功能比较成熟可靠，而 系统的人机界面功能则相对较弱，在实际运行中，只用c r t 操作站进行现场工 况的监视，而且提供的信息也有一定的局限。第一代d c s 在功能上更接近仪表 控制系统，其特点是分散控制，集中监视。在这个时期，各个厂家的系统均由 专有产品构成，包括高速数据通道，现场控制站，人机界面工作站以及各类功 能性的工作站等，还没有形成个统一的标准。但是相对于仪表控制系统和直 接数字控制系统来说，在对复杂的回路控制，整体的协调优化以及系统的可靠 性和灵活性方面都进了一大步，所以一经推出就显示了强大的生命力，得到了 迅速的发展。这个时期的代表是h o n e y w e l l 公司的t d c 2 0 0 0 系统，f o x b o r o 公司 的s p e c t r u m 系统以及s i e m e n s 公司的t e l e p e r mm 系统等。 第二代d c s 是在1 9 8 0 - 1 9 8 5 年前后推出的系统。这个时期的d c s 系统最大的 特点是引入了局域网( l a n ) 作为系统骨干，按照节点的概念组织过程控制站， 中央控制站，系统管理站以及网关，这使得系统的规模，容量进一步增加，系 统的扩充也有了更大的余地，也更加方便，在功能上，逐步走向完善，除了回 路控制外，还增加了顺序控制，逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能。 但是在网络协议方面仍然没有统一的标准。主要代表有h o n e y w e l l 公司的 t d c - 3 0 0 0 系统，w e s t i n g h o u s e 公司的w d p f 系统等。 第三代d c s 是以1 9 8 7 年f o x b o r o 公司推出的i a s e r i e s 系统为代表，该系统采 用了i s o 标准m a p ( 制造自动化规约) 网络。这个时期的d c s 在功能上实现了 进一步扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入到系统中。在网络方面 各个厂家已经普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络和以太网等。并且 在组态方面多数d c s 厂家实现了标准化，采用了i e c 6 1 1 3 1 3 所定义的五种组态 语言标准。 第四代d c s 是随着电子信息产业的开放和现场总线技术的成熟与应用而形 成的，其技术特点包括数字化，信息化和集成化。p a h o n e y w e l l 公司的e x p e f i o n p k s ( 过程知识系统) ，a b b 公司的i n d u s t r i a l i t ，s i e m e n s 公司的t i a ( t o t a l l v i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 系统等为代表。 1 3 第四代集散控制系统的体系结构和技术特征 体系结构图： 一2 企业经营管理层 i 工厂监控与管理层 l 自动站控制层 现场仪表层 图1 - 1 第四代集散控制系统的体系结构图 现场仪表层：把现场的各种物理信号( 如温度，压力等) 转变成电信号或 数字信号，并作一些必要的处理传入到上一层( 自动控制站层) ；或者把各种控 制输出信号转变成物理变量，使得执行机构按照控制要求执行相应的动作( 如 阀位的改变，电机的启停等) 。 自动站控制层：主要是指各种控制装置( 如：p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ；r t u ，r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 根据需要和控制要求按照某种算法对 输入的数据进行处理，然后将控制信号输出到现场仪表层。 工厂监控与管理层：这一层实现工厂管理( 如设备管理，质量控制等) 和 工厂监控功能( 如操作的集中显示，历史记录的产生与报表等) 。第四代d c s 几乎完全实现了工厂监控功能，而工厂管理功能则通过提供统一的平台实现， 或者集成第三方软件来实现。 企业经营管理层：该层注重的是企业的整体经营计划的制定和实施。第四 代d c s 主要采用提供开放的数据接口方式来支持与第三方的软件( 如e r p ， e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ：s c m ，s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ) 的集成。 技术特征： 信息化：主要是指第四代d c s 提供的信息平台可以集成全公司，全过 程的信息。纵向的，可以从最底层的信号采集，到车间和工厂的综合 分析，质量监控等管理信息，再到企业集团的企业资源计划，战略规 划等电子商务信息。横向的，可以从原材料的计划采购到进厂检验和 库存，到主装置的各种关键物理量监测和控制信息以及辅助设备的信 息，到半成品的各种状态信息，到成品的质量监测和存储信息，到产 品的销售，最后到客户关系管理信息等。【1 集成化：第四代d c s 除了原有的过程控制功能外，还集成了p l c ，各种 回路调节器。各种智能采集或控制单元等，实现了功能上的集成；此 外，第四代d c s 已经变成各个生产厂家的产品的集合体，可以集成各 个厂商的不同产品，实现产品上的集成。 分散化：现场总线的出现，促使人们一度认为现场总线控制系统( f c s ， 3 f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 会替代d c s ，然而，第四代d c s 包容了f c s ， 提供了各种形式的现场总线接口，支持多种标准的现场总线仪表，执 行机构等，实现了真正的分布式控制。 专业化：第四代d c s 更加注重满足用户的需求，用于满足不同行业的 应用需求。 1 4 集散控制系统在工业控制中的应用 集散型控制系统作为新一代的工业自动化过程控制和管理系统，至今虽然 只有三十多年的历史，但已在石化、冶金、电力等工业领域得到了广泛的应用。 我国在八十年代初期开始引进集散控制设备，此后集散型控制系统在我国工业 控制领域得到了广泛的应用。 在水泥行业，从早期d c s 系统仅用于控制水泥生产过程的主要工艺生产线， 到目前d c s 在水泥生产过程控制中的应用范围扩展到了整个水泥生产线的过程 控制，使传统水泥厂所需的生产管理人员的数量大量减少，并且在提高产品的 质量、数量、设备运转率和生产效率的同时降低了能耗和劳动强度，使得企业 获得了更好的经济效益。促使d c s 系统在水泥工业的过程控制和管理系统中得 到进一步的广泛应用。 1 5 本文的主要内容及组织结构 本文是以广州某水泥厂集散控制系统的实际需求为基础，分析研究了第四 代集散控制系统的特点以及所用到的相关技术，在此基础上分析设计了该厂的 集散控制系统并予以实现。 第一章是绪论，首先介绍了工业控制系统的历史发展情况，继而概述了第 四代集散控制系统的发展历程，并介绍了第四代集散控制系统的体系结构，技 术特征以及在实际工业生产中的应用情况，最后概述了各章的研究内容。 第二章是系统的整体设计方案分析。本章在总结第四代集散控制系统的功 能以及对于本系统应用的工艺背景分析的基础上，分析设计了系统的整个实施 方案，包括系统操作管理站和现场自动控制站的硬件设备分析，系统的通讯网 络分析设计以及上位组态软件的选择及其主要功能介绍。 第三章是系统的功能设计。系统的功能设计主要是指根据水泥生产的设备 类型及工艺流程，设计与水泥生产过程中所用设备相匹配的模块类型，并根据 设计的模块类型实现各个设备之间的联锁控制程序。 第四章是系统的通讯设计。第四代集散控制系统的数据通讯包括了现场总 线技术以及中间层的高速通讯网络，因此，本章分析研究了系统中用到的现场 总线p r o f i b u s 和快速工业以太网的技术特点，并在此基础上设计实现了系统 的网络通讯功能。 第五章是系统的上位软件设计。集散控制系统其中一个最主要的功能就是 操作监视管理，而操作流程画面和生产报表就是其中最主要的部分。本章应用 d s i e m e n s $ - n 的组态软件s i m a t i cw i n c c 实现了操作流程画面的绘制，并根据 具体的生产报表需要，设计实现了满足该厂需要的报表系统。 第六章是本文的全文总结。总结了本文的主要工作以及在该系统设计与实 施中所出现的问题。并对以后的研究工作做进一步的展望a 一5 第二章系统的设计方案分析 2 1 系统设计的工艺背景 广州越堡水泥d c s 项目简称g c p n ( g u a n g z h o uc e m e n tp l a n tn e w ) ，是德国 海德堡越堡水泥有限公司、香港越秀投资有限公司、广州水泥股份有限公司和 花都水泥厂共同在广东省广州市花都区投资兴建的一条日产6 0 0 0 吨熟科、年产 2 2 7 4 万吨的普通硅酸盐水泥生产线。该项目采用了国际先进、成熟的工艺技术 ( 薪型干法水泥生产工艺) 及装备，具有国际先进的自动控制水平。 水泥的生产过程是一个复杂的物理化学过程，按照生料配备方法的不同， 可以分为湿法和干法两种。湿法生产是指将原料如水粉磨成生料浆后喂入湿法 回转窑煅烧成熟料；干法生产是指将原料同时烘干和粉磨或者先干燥后粉磨成 生料粉，然后喂入干法窑煅烧成熟料。新型干法水泥生产是当今水泥生产的主 要潮流，它主要体现在生料入窑前，已经通过预热器和高温废气进行了预热， 其中的碳酸钙，在分解炉已有9 0 以上分解为氧化钙。其生产工艺流程如下图 所示： 图2 1 水泥生产工艺流程示意图 生产过程大致分为以下几个阶段：生料制备，生料均化，窑尾烧成，窑头 烧成，水泥粉磨和水泥包装和输送。【4 1 【5 l 生料制备：生料制备系统由原料配料和生料粉磨组成，将石灰质原料，粘 土原料与少量的校正原料经过破碎后，经电子皮带秤计量后将物料按一定的比 例配料，调配为成分合适，质量均匀的生料，粉磨后的生料由提升机送入均化 系统。 生料均化：粉磨过的生料由提升机经库顶空气输送斜槽送入生料均化库。 库底由四对绞刀按照一定的顺序进行工作。四对绞刀将库底同一平面八个不同 部位的生料输送到生料库出口从而达到均化作用。 窑尾烧成系统：窑尾烧成系统主要由五级旋风式预热器( 五级锥体) 、增湿 - 6 一 塔、窑尾废气处理系统组成。来自均化库的生料通过气力提升泵输送到旋风式 预热器内，通过五级预热器的负压作用使物料充分预热后先进入分解炉进行预 分解，然后再进入回转窑进行锻烧，煅烧至部分熔融所得到的以硅酸钙为主要 成分的水泥熟料。带有灰尘的气体由预热器的一级锥体出口进入增湿塔，降温 增湿后一部分形成粉状物料重新回收到生料库，剩余气体经除尘系统净化后排 入大气。 窑头烧成系统：窑头烧成系统由喂煤系统和熟料生成系统组成。原煤磨制 成煤粉后存储在煤粉仓中，通过流量计由煤风机和净风机将煤粉和空气的混合 物向窑头喂煤。熟科生成系统包括熟料输送和熟料配料部分。经过锻烧和物化 反应的生料在窑头形成球状熟料。球状熟料经窑头革进入单筒冷却机冷却后由 链式输送机送到熟料磨进行粉磨，然后由提升机输送入熟料库。 水泥粉磨：将煅烧的熟料加适量石膏，粉煤灰，或者其他的掺和物按不同 的比例混合后共同粉磨，得到不同型号的水泥。 水泥包装和输送：包装系统将散装库中不同型号的水泥通过包装机包装， 储存在成品库准备出售或者直接通过散装进车或船。 新型干法水泥生产的特点： 夺开关量居多，占整个测点的6 0 7 0 。 夺顺序控制占多数，用于流水线设备的逻辑启停，保护。 夺生产线分布范围广，各工段相距远，尤其是原料破碎工段。 夺现场环境较差，如温度，灰尘等。 夺电磁干扰严重，水泥厂中有大量的变频设备和大功率的电机。 根据水泥的生产流程及其特点，一般遵循以下的分站原则：【1 1 夺工艺上联系紧密的工段的测点信号，要分配到同一个i 0 站中，以减 少不同工段之间的相互影响，减少站问信号的相互引用。 夺考虑每条现场总线网所能驱动的设备数量。 夺考虑每个主控制器的内存和速度的限制。 夺考虑工艺生产流程和设备区域分布的特点。 水泥生产的工艺流程是进行本集散控制系统结构设计的基础和依据。为了 能够很好的对水泥生产过程以及整个工厂进行操作和管理，该集散控制系统所 应达到的功能如下所述。 2 2 集散控制系统主要功能分析及其结构组成 集散控制系统控制功能设计的好坏，直接影响到生产线设备的运行状态和 操作人员操作控制的效率，进而影响到整个企业生产的效益，因此，对于集散 控制系统来说，需要实现如下几个功能： 2 】 1 ) 能实现全线设备运行的自动控制。按照各个设备之间的联锁关系，控 制全线设备的自动运行和停止，并且在监控管理层停机后( 包括正常停 一7 机和故障停机) ，不影响生产线的自动运行。 2 1 通过文本或者棒状图等显示主要运行参数，并能通过历史数据趋势变 化曲线图查看该运行参数过去某一时刻的历史数值。 3 ) 故障报警( 包括系统故障和设备故障) 和参数超限报警功能。 4 、监控管理层( 操作管理站) 自检功能，监测系统硬件的状态，通讯设备及 通讯线路的正常与否。 5 】生产数据，生产时间，能源消耗，主要设备运行时间的统计及打印功 能。 6 ) 重要故障，报警信息或数据的历史归档功能。 7 1 保证系统高度的可靠性。 8 ) 具有友好的用户界面。 因此，为了能实现上述功能，集散控制系统在经过了若干年的不断的发展 和完善之后，形成了如下的典型结构组成，如图2 - 2 所示：【3 】 操作人员，管理人员 集中操作和管理装噩 通讯网络系统 分数过程控钢甄雷 工业生产过程 、人机界而 ? d c s j 过程界面 图2 - 2 d c s 晌典型结嗣囝 通常，将d c s 看作是三级结构：带i o 部件的控制级，通讯网络级和人机接 口( h m i ) 级。控制器u o 部件直接与生产过程相连，接收生产设备送来的信号； 人机接口是操作人员与d c s 相互交换信息的设备；通讯网络将控制器与人机接 口联系起来，形成一个有机的整体。 以上功能是针对传统集散控制系统而言的，对于最新的第四代集散控制系 统，除上述功能之外，在网络层次上增加了管理网络层，如图1 1 所示的第四代 集散控制系统的体系结构图所示，主要是完成综合监控和管理功能，为企业制 定整个经营计划，分析产品实时销售的情况，以及产品质量的反馈情况，以此 来控制企业的整个生产计划。 下面结合生产工艺流程以及对系统所应实现的功能分析的基础上，详细阐 述系统的方案设计。 2 3 系统整体设计方案分析 在水泥厂的集散控制系统中，需要控制的对象大多数为电机，电磁阀，接 触器，断路器等设备，控制方式为连续控制，且要求要非常可靠；其次，本系 8 统要求设计成为分布式系统，来满足“集中管理，分散控制”的要求，所以要 求对现场设备不仅具有可靠的监控功能，更应具有网络通信功能。 2 3 1 系统的结构设计 根据系统所应满足的功能要求，结合以往工程应用中所采用的成熟系统的 结构设计指导，考虑设计的集散控制系统结构形式为：企业经营管理层由普通 商用机组成，采用普通以太网进行通讯；操作管理层由工程师站，操作员站以 及冗余服务器构成；现场控制站采用西门子公司可编程控制器( p l c ) s i m a t i c s 7 系列的4 1 7 - 4 d p ；网络通讯采用1 0 0 m b p s 高速工业以太网和西门子公司的现 场总线r o f l b u s - d p 。 水泥厂系统的硬件系统组成主要包括可编程控制器p l c ，传感器和变送器 等，用于上位操作的工程师站，冗余服务器和操作员工作站，交换机等网络设 备以及用于上层管理的普通商用机。由以上分析设计的集散控制系统硬件结构 如图2 3 所示： 普通以a 刚 1 址啵太嘲 p r d l n b t l s d p 图2 - 3 该系统集散控制系统硬件结构图 该系统由四层构成：企业经营管理层，操作管理层，自动控制站层和现场 仪表层。 企业经营管理层，是将从数据库中收集来的各个部门的各类信息进行综合 处理后，用于解决工厂的生产调度、计划、销售、库存和财务等问题的，所以 选用普通商用机，足以满足需求了，使用网关挂接在操作管理层的环形网上。 操作管理层，采用以太网传输，通过通信控制器与现场总线相连，将来自 现场的数据信息录入实时数据库，经过程序的计算处理后显示在过程控制画面 上，操作员可以根据所显示的数据信息对现场设备进行监视和控制。由l 台高性 9 一 能商用机作为工程师站，完成整个系统的配置，程序组态以及系统的维护，并 包含3 对冗余服务器，分别和不同的p l c 进行通讯，完成该p l c 内部数据的读取 和备份工作，冗余服务器对互为备份，一旦某个发生故障，另一台立即成为系 统的主服务器，发生故障的计算机修复后作为备用机。并且各对服务器相互之 间通过高速以太网通讯，用来获取相关的数据。考虑以后软件升级方便，所有 操作管理层的硬件平台选用i n t e lp i v 3 2 g h z 以上机型；由于运行操作系统和软 件的需要，考虑至少配备2 g 以上内存。同时，根据需要配备显示器、键盘、鼠 标等外设。 自动控制站层，是工厂信息网络的核心控制层，它通过编写的程序对数据 执行相应的算法运算以及控制设备的运行。自动控制站为西门子公司s 7 系列的 p l c ( c p u 4 1 7 - 4 d p ) 。通讯采用通讯模板，在操作管理层和下层现场控制站分 别使用通讯模板进行通讯。操作管理层上位机通讯模板采用西门子公司的通讯 处理器c p l 6 1 3 ，并留有以太网接口，用于将本地数据传给全厂的m i s 网。自动 控制站下位机通讯模板采用c p 4 4 3 1 ，通过现场总线p r o f i b u s d p 与工厂设备 连接，采集设备状态信息和各个过程变量的值送入控制器中，然后传到操作管 理层供操作员监控。 现场仪表层，这一层主要是指各种变送器，执行机构以及智能设备等，主 要工作是把现场的各种物理信号( 如温度，压力，流量等) 转变成电信号或者 数字信号，并进行一些必要的处理( 如滤波) 以及把各种控制输出信号转变成 物理交量( 如阀位，转速等) 。 2 3 2 系统操作管理层设备分析 操作管理层是整个系统的人机对话部分，要求能够长期运行，完成预期的 控制要求，主要包括工程师站，操作员站和冗余服务器以及其他一些网络设备。 工程师站：e s ( e n g i n e e rs t a t i o n ) ，用于对整个系统进行硬件和软件组态 对系统的自动化控制程序和操作画面等进行离线或在线的修改，它是唯一可以 对整个系统进行修改的地方，因此设有权限级别的限制，以增加安全性。 操作员站：o s ( o p e r a t o rs t a t i o n ) ，是操作员对整个流程系统监视和操作的 平台a 操作员通过操作员站能够监视各个过程变量的变化状态，历史趋势和报 警情况，实现对设备的启停操作和参数调整，以及根据生产需要调整生产参数 等。 冗余服务器：r s ( r e d u n d a n ts e r v e r ) ，用于采集自动控制站中的数据信息， 并将这些数据信息存入实时数据库中，完成历史报表的显示和查询，并可以作 为操作员站使用。操作员站是通过服务器来获得过程数据和显示流程画面的， 所以不必担心操作员站的故障，因为服务器是冗余的，这样就增加了系统的可 靠性。 因此，对于集中操作监视层设备的选择要求： 1 0 1 ) 可靠性：在满足预期的所有操作功能基础上，要求具有高度的工作可 靠性，能承受长期不间断工作。 2 ) 实时性：要求系统能够在限定的时间内，对外部的事件及各种操作要 求做出及时的响应。 3 ) 可扩充性好：要求系统硬件组态比较方便，便于做各种扩充和修改。 能够根据用户的要求做不同的配置。 但是，对于工程师站，操作员站和冗余服务器来说，它们安装在中央控制 室内，矿山监控室或者水泥包装监控室，现场环境相对来讲不是很恶劣，并且 控制室内有相应的通风设施，兼顾考虑到成本问题，并结合以上分析，并没有 选择专用的工业控制机，而是选择了i b m 系列的高性能商用机。 总之，在系统硬件选型配置时是根据该厂对系统硬件的需求以及考虑到水 泥生产具体的工艺要求和实际的现场生产环境来选购合适的现场控制设备的。 2 。3 。3 系统现场控制层设备分析 现场控制层包括了现场仪表层和自动控制站层，处予工厂信息网络的底层， 以自动控制站( a s ，a u t o m a t i o ns t a t i o n ) 作为硬件基础，由具有自动控制功能 的控制单元( 主要是p l c ) ，进行数据采集的输入输出模块( i o 模块) 和智能 现场总线仪表( 如变频器) 等组成。 现场控制层使用的比较多的是可编程控制器( p l c ) 和模块式的智能调节 器。可编程控制器可以承担单回路控制器或其他专用控制设备完成的功能，这 样，避免了多种仪表联网的问题，简化了系统；同时，也能降低成本，因为， 一般地说，完成同样的功能，通用的控制系统比专用的控制系统的价格要低。 可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为工业环境下应用而设计。它采用 了可编程序的存储器，用来在其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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种 类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统 联成一个整体、易于扩充其功能的原贝l j 设计。可编程控制器应用予工业环境， 具有较强的抗干扰能力，极强的灵活性、适应性和可靠性 2 - 8 1 ，这些特点体现在： 6 1 1 ) 控制程序可变，具有良好柔性，只需改变编程程序就可改变控制方案。 2 ) 采用面向过程语言，编程方便。 3 ) 功能完善，由于如今计算机强大的处理能力，现代p l c 不仅有逻辑运算、 计时、计数、步进控制功能，还能完成a d ( a n a l o l g d i g i t a l ) ，d a ( d i g i t a l a n a l o g ) 转换、模拟量处理、高速计数、通信联网等功能，可以通过 上位机进行显示、报警、记录、进行人机对话，使控制水平大大提高。 4 ) 扩展灵活，p l c 产品均带有扩展单元，可以方便的适应不同i o 点数及 不同输入输出方式的需求。从几个i o 点的最小型系统到几千个点的超 大型系统均可以实现，扩展灵活，组合方便。 5 、可靠性高，p l c 采用大规模集成电路，可靠性要比有接点的继电器系统 高得多。同时，在其自身的设计中，又采用了冗余措施和容错技术。 其平均无故障运行时间( m t b f ，m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 超过三 万小时，而平均修复时间( m t t r ，m e a nt i m et or e p a i r ) 则少于1 0 分 钟。 结合水泥厂的生产实际情况，对于本集散控制系统现场控制站设备采用的 是西门子公司s i m a t i cs 7 4 0 0 系列的p l c 产品。有关s i m a t i cs 7 - 4 0 0 系列的 p l c 产品的详细内容见第三章。 现场控制层中还包括了用于采集信号和输出控制信号的输入输出( i o ， i n p u t o u t p u t ) 模块，包括开关量( d i d o ，d i g i t a li n p u t d i g i t a lo u t p u t ) 模块和 模拟量( a i a o ，a n a l o gi n p u t a n a l o to u t p u t ) 模块。d i d o 模块控制的对象通 常是电磁阀、继电器、指示灯、报警器等只有两种状态，即开或者关的设备， 它和发送器或者负载执行机构相连，用来输入各种限位开关，继电器或者电磁 阀门连动触点的开，关状态或者用于输出闭合或者断开指令。a i 模块将模拟信 号转变为数字信号，然后把测量值的相应数字信号传送到p l c 的存储器或者数 据总线上，a o 模块将数字信号转变为模拟信号，然后在接线端子上输出，控制 执行器动作， 本系统中由于信号分布地域范围比较广，所以采用了s i e m e n s 公司 p r o f i b u s 现场总线中的远程i o 模块：e t 2 0 0 m ，它通过接口模块i m l5 3 2 连接 信号模块，即输入输出信号采集模块。通过分析i o 模块的功能以及在考虑到系 统兼容性和稳定性的基础上。本系统中采用了西门子公司s 7 3 0 0 系列的信号模 块，包括开关量输入模块d 1 3 2 x 2 4 v d c ，开关量输出模块d 0 1 6 x r e l ，模拟量输 入模块a l s x l 2 b i t ，模拟量输出模块a 0 8 x 1 2 b i t 。所有的d i d o 模块采用继电器 进行隔离，模拟量模块输入输出为4 2 0 m a 信号，提供4 2 0 m a 二线制变送器的 直流2 4 v 电源。 2 3 4 系统网络通讯分析 通讯网络是d c s 的重要支柱，执行分教控制的各单元以及各级人机接口要 靠通讯系统连成一体，所以，对于d c s 系统而言，通讯网络的好坏直接决定了 整个系统的性能。因此，将d c s 系统的通讯网络设计成一个高通讯速率。低误 码率，快速响应的网络是必须的。并且基于整个系统的开放性、易用性和可靠 性的考虑，同时考虑到不同层次对通讯的不同要求，d c s 系统一般都采用分层 体系，将整个通讯系统合理的划分为多个层次，每一层的通讯速度和网络