（控制理论与控制工程专业论文）氯化苯车间cs1000集散控制系统设计.pdf

硕士论文 氯化苯车问c s l 0 0 0 熊i 敦拧制系统墩计 摘要 以p c 为基础的集散控制系统，是目前控制领域发展的一个重要方向。本文从横 海c e n t u mc s l 0 0 0 逶用型集散控制系统的基本功能出发，辩孛小型集数控制系统的缀 态逡行了深入豹赣究；详细豹奔绍了c s l 0 0 0 系统静软硬符体系结构；讨论了数据瘁， 流程图，控制回路，报表等缎态软件的结构和具体实现。 研究范围主要集中在现场控制站构成，工程师站和操作员站的软4 牛问题。对主鼗 缓态软箨豹珐麓帮其钵懿实蠛方法逡蠢了深入弱磷究，箕牵对系统静惑髂缕掏、及系 统的主要构成进行了详尽的论述。 关键词：集数控铡系统：缝惑软箨；搽终受滚；褒场控潮蛞 第l 簧 颈圭论文寨纯苯率赫c s l o o o 寰数控潮系统设计 a b s t r a c t t h ep c b a s e dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sam a i nd e v e l o p m e n ti nt h ec o n t r o l f i e l d 。t h i sp a p e ri n t e n d st os t a r tw i t ht h eb a s i cf u n c t i o nt h a ty o k o g a w a e l e c t r i cc o r p o r a t i o nc e n t u 龋c s l 0 0 0d c ss h o u l dp o s s e s sa st h ea u t h o rh a sm a d e a ne x t e n s i v er e s e a r c ho nt h ec e n t u mc s l 0 0 0d c sc o n f i g u r a t i o n i ni t sd e e p d i s c u s s i o na b o u tt h ec e n t u mc s l 0 0 0i ) c sh a r da n ds o f ta r c h i t e c t u r e ，t h ep a p e r t r i e st oc o n d u c tat h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no ft h ed a t a b a s e ，c h a r t ，c i r c u i to f t h ec o n t r o la n dr e p o r to ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h er e s e a r c hf o c u si sp l a c e do nt h ee o n f i g 驻r & t i o no ft h ef i e l dc o n t r o ls t a t i o n a n dt h es o f tp r o b l e ma b o u tt h ee n g i n e e rs t a t i o na n dt h eo p e r a t i o ns t a t i o n t h e a u t h o ra l s oe x p l o r e st h em a i nf u n c t i o na n dc o n c r e t em e t h o do fr e a l i z a t i o no f t h ee o n f i g u r 8 t i o n 。t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h em a i nc o m p o n e n tp a r t sh a v e b e e n u n d e rat h o r o u g hi n v e s t i g a t i o n k e y w 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 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，o p e r a t o r s t a t i o n ，f i e l dc o n t r o ls t a t i o n 第1 i 页 颈士论文氯化雏年间c s i d 鬃敬控制系统设诗 第一章概述 。1 集散控翻系统翡发疑概凳 1 1 1 过程控制装置的发展 l 、过程控割装黉概念 过程控制装置熄实现生产过程自动控制的一类仪器仪表装最，通过过程控制装置 实现对难产过程信息的获取、观察、转换、处理( 计量、调节、控制) ，从而揭示生产 过程躲蔟运动和巍爨交换。 过程控制装置一般可分成五大类：( 1 ) 自动检测装置；( 2 ) 自动显泳装置：( 3 ) 集中掇制装置；( 4 ) 自动调节装鬻；( 5 ) 执行器装置。过程控制装置从最初的自力式、 基地式仪表到单元缀合式仪表，以及2 0 世纪8 0 年代以后发腥抟智能亿数字仪表、集 数控制系统帮现场总线，已经搿了半个多整筑豹发震历程。 2 、过程控制装鼹及控制系统的发展简述 过程控制装鬣及控制系统的发展经历了四个阶段。 5 0 年我鞋气动攀元缝合仪表装霉为主，滋凌了集孛燮气凌饺表整铡系统，逶遘 成千上万的气路将现场信号与控制室仪表楣接，实现自动控制。气动仪袭控制系统曾 经广泛应用在石油化工等工业生产过程，至今有些场合仍猩使用。 年代，电子黯体管的产生，使褥电动攀元组合仪表( d d z i i ) 得滋开发和应用， 代替舔窳的气动役淡控稍系统，遴过各种电气线路将控翻塞与褒场便表耀连，实现毫 动仪袭控制系统。假d d z i i 单元组合仪表的安全防爆方面的缺陷，使得电动仪表控 制系绕j 踅用受到限制。 ? 0 年代，采蠲绞往集藏窀游露蠢、麓模数字毫疼，发戴了安全瘗爆燮攀元缓台纹 表( d d z i i i ) 、组装仪表和巡回梭测装置，进一步提高了f 魍动仪表控制系统的可靠性、 安全性，特别是电动单元组合仪袭，易于远距离传输、集中鼹示和操作，便于和计算 极连用，使之获褥 = l 镢男异的发鼹。基翦电动仪表控制系绕仍棱大量地使瘸在中小型 金监中。 8 0 年代，采用微处理机和专用集成电路，将微机技术赢用在仪表控制系统中， 使工业自动化仪表及系统产生了根本性的变革，向着数字化、智能化、分级他的方向 发震，爨现集孛罄遴分数控裁式熬控裁系统装嚣以及数字纯肇元缝舍仪表，宙一个装 置控制数个到几十个词路，进行缳中管理操体，从而实现对斑产过程计算机控制。随 第 页 硕上论文氯化苯车间c s l 0 0 0 集散拄制系统设计 计算机技术、控制技术、通信技术、显示技术、网络技术等高新技术的发展，集散控 制系统由原来功能单一、各自为政，向多元化、网络化及开放性方向发展，系统装置 也在不断地升级。而作为另一种新型控制装置现场总线正同渐被人们所认识。现场总 线是连接现场总线装置和控制系统的数字式、双向传输分支结构的通信网络，它是集 散控制系统向下开放的产物，由现场总线构成的控制系统全部采用数字化的信号传 输、开放型互连网络，实现数字化控制。集散控制系统和现场总线的迅速发展，使工 业生产过程控制系统由原来的局部控制模式进入全局控制模式，迎来计算机集成过程 系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s s i n gs y s t e m 一一c i p s ) 的时代。 1 1 2 集散控制系统的发展 1 、基本概念 集散控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 是以满足现代化 工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微 处理器作为核心的集中分散控制系统。它是利用控制技术( c o n t r 0 1 ) 、计算机技术 ( c o m p u t e r ) 、通讯技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和阴极射线管( c r t ) 显示技术等四c 技术，对 生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制产物，已经在工业控 制领域得到广泛应用，成为过程工业自动控制的主流。 集散控制系统的“集”是集中管理，“散”是分散控制，它们是集散控制系统的 主要特征。随着计算机技术的不断发展，网络技术的应用，使得集散控制系统朝着功 能多元化、网络化和集成管理方向发展，开放型系统体系的结构化、智能化、模块化、 网络化、软件标准化以及安全可靠性使得各种集散控制系统产品可互用，并可以方便 地进行数据通讯及运行第三方软件，扩展了集散控制系统功能。 2 、集散控制系统的发展 从7 0 年代中期，第一代集散控制系统问世至今，由于它出众的优越性，被广泛 地应用在石油化工、冶金、炼油、建材、纺织、制药、电子等各行各业，发展前景广 阔。集散控制系统的发展至今经历了四个时期：1 9 7 5 - - 1 9 8 0 年为初创期，1 9 8 0 1 9 8 5 年为成熟期，1 9 8 5 年以后为扩展期，9 0 年代进入网络开放期。 初创期的d c s 己具各集散控制系统的三大组成部分，即分散控制装置、操作管理 装置和数据通信系统，并融入4 c 技术。d c s 的通讯系统只是一种初级局部网络，全 系统由一个通讯指挥器指挥，对各单元的访问方式是轮流讯问方式。当时产品有 h o n e w e l l 公司的t d c 2 0 0 0 、t a y l o r 公司的m o d 3 、f o x b o r o 公司的s p e c t r o m 、横河公 司的y e w p a c km a r k i i 等等。 进入8 0 年代，随着半导体技术、显示技术、网络技术和软件技术等高新技术的 第2 页 硕l 论文 氰化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 发展，集散控制系统的发展进入了成熟期。第二代集散控制系统主要是系统硬件和软 件技术的不断更新，体现在系统功能得到扩大或增强，如控制算法扩充，常规与顺序 控制、批量控制相互结合：操作、管理及监视范围的扩大，提高了综合管理信息的能 力；显示屏分辨率及色彩的提高；多个微处理器技术和冗余技术的应用发展：特别在 数据通信方面采用局域网络，由主从式星形网络转变为对等式的总线网络通信或环网 通信，扩大了通信范围，提高了传送速率。第二代的d c s 产品有h o n e y w e l l 公司的 t d c 3 0 0 0 、t a y l o r 公司m o d 3 0 0 、日本横河公司的c e n t u m 系统( a 型、b 型、d 型) 等等。 1 9 8 7 年美国f o x b o r o 公司推出i a s 集散控制系统，标志着集散控制系统由成 熟期进入扩展期。它的主要改变是在局域网络方面，i a s 系统采用的宽带网和窄带 网符合国际标准组织i s o 的o s i 开放系统互联的参数模型，因此，符合开放系统的各 制造厂的产品可以互连、互通信以及进行数据交换：第三方软件也可应用，改变了过 去d c 8 各厂自成系统的封闭结构，集散控制系统由原来的仅能应用发展到不仅能应用 而且能开发。第三代d c 8 的产品有h o n e w e l l 公司的带有u c n 网的t d c 3 0 0 0 ，日本横 河公司的带s v n e t 网的c e n t u mc s 、c e n t u mx l 、c e n t u m 儿x l 等。 进入扩展期的集散控制系统，其网络通信功能增强了，并将过程控制、监督控制 和管理调度更有机地结合起来，在控制功能方面不仅有常规、顺序和批量控制的综合， 而且增加了自适应、自整定、优化等控制算法，同时还采用专家系统、m a p ( 制造自动 化技术) 标准以及表面安装技术，为用户提供了广阔的开发场所。 9 0 年代世界进入信息与智能时代，微电子技术、计算机技术、通信网络技术和 控制技术等高新技术不断地高速发展，带来了集散控制系统突飞猛进地飞跃。开放性、 可操作性、互相联系、共享资源以及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产集散控 制系统的标准。这时期的集散控制系统一改过去的工业操作站为标准p c 工作站，采 用通用操作软件，即w i n d o w sn t w i n d o w s9 5 或u n i x 作为其软件平台，增强了d c s 的网络化、开放性、综合性、安全性及可操作性。这时期的主要产品有大型集散控制 系统，如横河公司的c e n t u mc s 3 0 0 0 、山武公司的i n d u s t r i a l d e c 等，中、小型集 散控制系统，如横河公司的c e n t u mc s l 0 0 0 、h o n e w e l l 公司的t p s 系统以及山武公司 的h a r m o n a s 系统等。 今后集散控制系统将向两个方向发展，一个方向是向大型化c i p s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dp r o c e s s o rs y s t e m ) 计算机集成过程系统、c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 计算机集成控制系统发展，另一方向则是向小型化的方向发 展。 第3 页 硕士论文氯化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 1 2 集散控制系统的特点 集散控制系统自问世以来，广泛地应用在石油、化工及其他工业领域上，这主要 是它有独特的优越性及常规控制仪表无法比拟的特点。集散控制系统的基本设计思想 是控制分散、危险分散及操作管理集中，即将控制功能相对分散，而对信息的处理集 中管理，提高整个控制系统的可靠性和管理能力，因此集散控制系统与过去的常规仪 表控制系统相比较，具有连接方便( 软连接) ，更改控制方案容易，显示灵活、多样及 丰富多彩，数据处理能力强等优点；与计算机控制系统比较，控制危险分散，控制功 能完善，管理操作方便。 l 、自律性强 集散控制系统结构上采用分级递阶的分布式形式，不管从垂直方向还是水平方向 都是分级操作管理。各个分级有各自的功能，相互之间既有分工又有联系，在协调制 约下进行操作，完成各自的任务，但各个分级部分之间的信息又可以通过网络进行通 信。总之，集散控制系统的各个分级相互联系和制约，通过系统的协调，很好地完成 工作，保证系统安全可靠地控制、操作及管理。 2 、丰富的控制功能 集散控制系统不仅可以实现简单的控制功能，而且可以实现各种复杂的控制功 能，例如串级控制系统、前馈一反馈控制系统、自适应控制和多变量模型优化控制等， 也可进行各种复杂运算，如s m i t h 补偿、三阶矩阵乘法等算术运算，充分应用集散控 制系统的各种控制软件包，还可以实现各种连续的反馈控制、顺序控制、批量控制及 单元监视控制操作等。 3 、完善的人一机联系和集中监视管理能力 操作人员和管理人员通过不同的接口( 操作人员接口和工程师接口) ，由c r t 操作 站和操作键盘全面地监视、控制、管理生产装置以至整个工厂的生产情况，实现入和 过程的高度对话。一些新型集散控制系统采用开放式的工作站( u n i x ) ，加强了集散控 制系统在图形图像处理、人工智能和软件工程、计算机辅助设计和制造等方面的功能。 4 、先进的网络通讯技术 由于网络通讯技术的引进，保证了集散控制系统的实时控制信息的传输，以及全 系统的信息综合管理。 5 、系统扩展灵活 集散控制系统产品各异，但是基本组成类似，均采用模块化结构，用户根据控制 系统的大小和要求，可方便地扩大或缩小系统的规模或更改系统的控制机制，从而对 提高系统的控制级别，或扩展系统的规模都十分灵活和方便。 第4 页 赣士论文 鬟证苯车趣c s l 0 0 0 集鼗控割囊绫 殳计 6 、安全w 靠性高 采臻露余接零霸骞镂艘零，瑷及多徽处理辊分数控裁缝筏，器令单元都其鸯鑫诊 断、自检查和修复功能，放障报警功能，使系统的平均无故障时闻m t b f 达4 - 5 万小 时以上，平均修复时间m t t r 为1 0 。天以下，系统的利用率达9 9 9 9 9 9 。 7 、良好的性能价格比 在经畿上簇敬控髑系统援术先进，翡能齐全，霹靠瞧毫，逶会多缀递除管瑷系统 控制，特别怒随着开放型、网络化集散控制系统的产生，使得集敞控制系统的性能价 格比有了很大的提高，经济实用，功能含理，易于操作，广泛虞用于生产企业。 嚣= 藏鍪嶷数控翻系绞与戳往集教掩铡系统毙较，叛援范纯与蜜嚣存在熬接曩糖；准 为依据，建立计算机网络歉相关的通讯系统，因此开放型集散控粼系统除具备一般集 敖控制系统的特点外，逐有其特殊的方面，主要表现在以下几个方砸。 1 、自律蚀极强， 开敖璧檠数控稍系统麓着淹开敖能、鲻络讫饔综合纯方自发袋，更蠡要求茨各个 分级自律性照强，不仅能独立完成各国的功能，同时相互之间鼹协调一致，还疑充分 体现每个故障对各个分缀部分造成的影响，以及必要的冗余措施和操作的安全等级 等。 2 、超越传统的分散控制功能向大系统综合自动纯发展 开放型集散控制系统一改传统的分散控制，已成为工业生产过程自动化和全厂事 务经营管理爨动纯的计算钒集残过程生产系统( c i p s ) 实现豹工具，弱鬟开放性接口却 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 ) 轻m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) 壹 接进行数据交换，实现了原料进厂、擞产计划、开发设计、调度、管理及控制的整个 生产过程自幼化的网络系统。 3 、茬秘凌能更翔竞善、丰塞 随着集敝控制系统的开放，使得第三方软件移植成为可能。将现代控制理论如神 经元网络算法、人工智能蹿应用到过稷中，集散控制系统不再只是提供基本控制软件， 还毒以采用练合控裁算法更毫层次静先进控铡软 孛趣( a p c ) 。这些软件包可蠡l 制 造厂家推出，也可由爱户自行开发，或由软侔公司掇供，翻鲡预测控隶i 、模糊控制、 多变量控制、神经网络控制等软件包。 4 、统领企局的窗口功能 牙藏黧鬃数控铡系绞饺操终太受鞫警理天买裁藤不圈豹蔟强( 擞痒久爨接强帮王 程师接口) ，由标准p c 入机工作站通过窗口全面地濂视、控制、操作、管理生产装置 以至整个工厂的生产情况，并通过以太网将d c s 系统和工厂级镎理网相连，实现生产 实嚣数据上麴。裁一代鬃数控制系统广泛采爰开款式豹工 车站，势将人辊工稷学与 第5 页 蘸七论文蘸纯苯率瓣c s l 0 0 0 囊数控制系统设计 d c s 攥终嚣蟪耀续食，後d c s 撩侮更麴霉靠、方便，耪予攀攥。 5 、龛数字遥慧懿开簸嫠羁络髂豢旗褐 先滋的黼络通讯技术酌弓l 进，保诞了集散按稍系统的实时控铷信怠躺传输，以及 全系统的信息综合传输酾管理。随整标准化的磺l 牛靼软件构成的殛放式系统建立，集 簸茬铡系撬裁嚣寄嬲络体系装擒产垒了辗搴秘燮孳，颧羞秀藏系绫发震。开放系统懿 主要将赢怒不同厂袈、黧等、不瀚撩俸系统静诗簿钒霹共存一个栎准网终，达弱产品 互换、掇源共享的黼的。 西藏鍪嶷数控翻系缝其备了开藏黎缝豹主蘩姆缝，采蠲鹣躅终慧台濒甄瓠礁魏遽 售耱议鞠蔑疆，鄂l 黯0 2 ( 强太溺、l e 秘0 2 。令薅基线) 、f 耱 汽纾努瓷数撵 界面) 、t c p i p ( 惜输控制协议甄联协议) 或n p ( n 造自动化协议) 等，这样榘散控 制系统也戚为开放系统。除了网络栎凇纯外，在软佟方面，趋囱袋羯开放性鲍撵作系 统软耱平套，蠢1 3 n i x 系统、璃i n d o w s 鼹或w i n d o w s9 5 ，傻d c s 熬鞣稼懿舞l 邋爱嚣 谤算橇z 终潞代替，将阮税高穗藏静嫒谗帮丰燕豹软箨系统薅台弱集散攘铡系统率， 形成了d c s 瞧好的人机窝口界面，使麒更友好方便，系统爨开放，价格受低。 6 、雄窭鬟场总线瓣赫壤念 袋在瓣舞藏鍪繁敖羧秘系统不仅凌慧工厂魏饕溅瓣终黢遥稷羧馥瑙臻，嚣慧褥垒 厂范围最繁础的现场缀仪表及装鬻与过程控制级和工厂管濮级一起构成金数字化的 数据遴信系统，现场总绫就是集散控制系统向下开液的产物，燕巢散控制鼷绫窝全数 字纯袋统发蓑懿结豢。 魏溺憨线是连臻糯场慈线装嚣和螽动纯系统豹数字式、澉向传输分支绦鞫静通信 瞬络，怒实现过程自幼化、制造自动化妁现场设餐甄联的网络通稽技术，在系统中允 诲餐戆瑷臻装萋娟鬣交爨镶息，为避糕控裁系凌豢潦菲零鲑豹筏憝蛰臻戮。 璃繇慧线美育毅令黢嚣著懿较零耱点，它翻分戴莛： ( 1 ) 究全取代4 2 0 m a 标准的数字通信： ( 2 ) 控制、掇罄、趋势努聿露镣功麓分散凌疆场缀装置； 3 ) 器翻造厂褰豹产糕可交艇操穆、互羧往蕊： ( 4 ) 开放式系统在谶界范隧褫承认。 总之，现场总线的弓l 入，必将使传统的d e s 的输入输出结构产生基本变化，集散 控割系统蜜壤垒数譬纯较裁系统藏为了溪实，歇馥蠡动 乏系绫嚣戆进入令豢耘懿数 字纯鬣嚣誊弋。 7 、榘散控制系统( d c s ) 与可编程拣制器( p l c ) 谶一步融含 t ) c s 般用于逡续堡：产过程羧截，p l c 赠鬻用予暝序控溅，毽嚣者郝燕鏊予憝遴 鼗懿数字按鲻系统装嚣。褒实舔象产纛瘸辩，生产避稷甄旁连续按裁，也窍颚净控割， 第6 页 礤士论文氯纯苯车间c s l 0 0 0 集散控剿袭统设计 因此d c s 和p l c 都在不断地扩展其控制功能，使得d c s 与p l c 的群限变得模糊，也促 缓它镪籀曩融合，趁商予彩残数字往、横块纯、溺终豫靛结狡，舞= 教窭毅的系统产鑫。 1 3 集散控制系统的构成 随着大绒模、超大蕊模集成电子按术、计算辊技术、逶信技术、弼终技术、控翩 技术、软件技术、显示技术等系统技术的发展和应用，集散控制系统也在不断蛾更新， 使原来各自为政的系统向潜开放型、嘲络化全数字通信体系发展。尽管各个制造厂商 生产翡集敖较裁系统产熬拦疆 孛器较转上有爨不丽，毽是萁基本秘袋体系骞镶溺或梗 似的部分。 1 。3 。1 集散控制系统韵结构体系 集散控制系统采用分层结构体系，从而使分散控制和集中操作管理的特点得以充 分体现。一般集散控制系统按分层概念分为四个部分：现场控制级，过程控制级，过 程爨馋警理缀，全厂袋纨粒经营管理缀。 l 、现场控制级 由于微处理器引入到现场变送器、传感器和执彳予器，产生了错能现场装受，特别 是现场总线驹应用，形成现场控割级。瑷场控制缀就是通过现场总线实现对智能现场 装置与控铡系统的数字式、双向绩输、多分支缩梅的透信，这到真正的分散羹数字控 制系统。现场控制级的功能主要表现张以下几个方颟： ( 1 ) 采懿现场过程数据，并对数掇进行转换、控制和处理； ( 2 ) 囊接逶过餐髓袋甥装置赣壅遐程豢露鑫令； ( 3 ) 实现真正的分散控制，形成数字化控制系统； ( 4 ) 开放式互联网络，完成与控制级及过程操作管理级的数据通信，实现网络数 据蓐共享，以及对答能现场装矍静缀褰； ( 5 ) 对黼场控制缀的设备进行簦测和诊断。 2 、过程控制级 般集教控制系统采用现场过程装置( 如变送嚣、传感器、执行器等) 和集散控制 系统魏输入输密卡蟹缝藏耱过程控钱缀，逶遘逶禳潮终系统将遭程售惠蓑送势；下、 上级，同时对现场装置进行监视和控制。过程控制缀的主要功能袭现在以下几个方面： ( 1 ) 采集过程数据，进行数据转换与处理： ( 2 ) 对生产过程进行簸援和控制，餐戆反馈控铡、批量控裁敷黢疼控铡功缝，黻 及编程控番功能，输出掇铡命令： 第7 页 颈士论文氯纯苯翠鞫c s l 0 0 0 集散拄制系统设计 ( 3 ) 数据、现场设备以及i 0 卡 牛的自诊断； ( 4 ) 与j 建程撵露营毽级进行鼗餐遴整。 3 、过稷操作管理级 过程操作管理级以中央控制室操作站为中心，两已置了打印机、硬拷贝机等外部设 鍪，组成人机爨蟊站，开放型集散控到系统豹过程檄传管理级采躅个人计算机佟为人 税接口游，爨其备开放纯功能。过程搽作管理级圭瑟功能表瑶翔下： ( 1 ) 通过通信网络赢接获取过橼控制级的实时数据，同时对生产过程进行监视 管理、故障检测和数据存档； ( 2 ) 辩过程茬涮缀戆套耱过程数攒逶学显示、诞家及处理； ( 3 ) 对过程控制级谶行过程组态及维护操作管理，同时进行过程及系统的报警、 事件的诊断和处理； ( 4 ) 蒜种掇表兹生成、努印以及灏嚣豹拷贝； ( 5 ) 实现系统静组态、维护稻优化处理； ( 6 ) 通过网络功能进行工程数据的共享，实现实时数据的动态交换； ( 7 ) 设鬻安全机制，确保过程操作管理级安全可靠地运行； ( 8 ) 壤攥纛瓠测试渤貔，壹菝逶避过程摄露警联缀靖过翟遴露模藐l 测渡，骏涯缰 态的正确健： ( 9 ) 数据通信。 4 、全厂忧健窝经营黪理级 全厂优化和经营管避缀是全厂裔湖化系统的最离一层，只寄大规模的集散控制系 统才具备这级。它是从系统观念出缴，除了工程技术方面以外，还从原料进厂到产 品的销售，市场和用户分析、定货、库存到交货，生产计划等进行系列的优化协调， 觚嚣降 蓑戒零，增翔产爨，缳迁囊萋，撬毫经济效藏。筵多 还疲考虑蔫鲎事务、a 事 组织以及其他各方面，弗与办公自动化系统相连，实现整个系统的最优化。 1 。3 2 纂散控制系统的基本缝或 虽然篡散控制系统的产品繁多，备自产品既有熬性又有个性，了解共性，冉分析 它们各自的个性，可以虢得意想不到的效果。集散拣制系统一般怒由三个基本部分组 残： l 、分散过程控制装鼹 分散过程控制装置怒集散控制系统与工业生产过程间的界丽，实现分散的过程控 铡。套秘缴产过程熬交黧透过分教控潮装置转纯残黢褪控割变爨进入操接管瑷装置， 而操作的番种信息也通避分散过程控制装置送到黧产过程的备种设备输出( 执行极 第8 页 顼 ：论文氯化辈车间c s l 0 0 0 集散拄制系统设计 梅) 。 由于分散过程控制装置是系统与过程联系的接口，因此疑求分散过程控制装置能 适应恶劣的工业生产过程环境，特别是对安装在现场的一些设备；还要体飙控制分散 的特，谯。将地域分敬的过程装要溜分散的控制寒实现，将监视驷控制分离，提离系统 静哥蠹性；筵耱能猴确反暧过程参数酶交纯，察对牲好；同对还具有较强的独立往， 当与上倪机通信或上位机出现故障情况下，也能正常运行，保证过程控制及操作得以 进行。 2 、集中搡 睾警瑷装置 集中操作管理装嚣是操作人员与集散控制系统间的界筒，通过该装鬣使操作人员 了解生产过程的运行状况，并由它发出操作指令到生产过程。对操作人员、管理人员 恧言，辘时可以通过操作管理装嚣，监视和操俘妻| ；三产过程中鸵嚣穗信息，辨进行更改、 修正。 集中操作管理凝暨是将分散过程控制装置送来的信息集中、监视和操作，同时将 各种操作命令发送刘器分散过程摭制装置，因此该装置所处理的信息量很大。同时操 睾管羰装置楚操律入受、警瑾久爱与系统联系瓣入撬赛瑟，鬻要毒莛好豹爨攥痒注。 此外，为防止操作人员的误操作，要设置良好的容错措施。 3 、迥信网络系统 分散过程控制装置与操 乍管理装置之隧靛数据交换帮传递是逶过遴信霸终系统 完藏鹊。在开敖餮藏散控稍系统中，对通信潮络系统靛要求除传输速率，误码率等矫， 还应凝铸开放性和飘操作性，因此要求通信网络有统一的标准和协议，这个通信标准 的框架结构就是国际标准化组织的开放系统嚣涟参考模型。 i 4 本论文韵主要工作 本论文涉及的集散控制系绕装置是由爨本横海电子公司( y o k o g a w a e l e c t r i c c o r p o r a t i o n ) 1 9 9 7 年推出豹c e n t u mc s l 0 0 0 系统，该系统是面囱中小黧生产规模酌 超级生产控制系统，在p c 机上黛观c e n t u mc s l 0 0 0 的所有功能，其操作系统为p c 机运行的w i n d o w sn t 操作系统，鼹有开放的操作环境，符合f o u n d a t i o n 现场总线协 议，代表羞当今蕊s 发震豹最麓潮滚。 论文中详细介绍了c s l 0 0 0 系统的软硬件体系结构，详细讨论了数攒霹，流程图， 控制阐路，报表等组态软件的结构和具体实现。讨论范围主鞭集中在现场控制站构成， 工程耀鲢霸操佟员旗的软锌阕题。 缀态生成功能怒离线进行的，邵在应用系统的设计开发阶段仔细豹究贼系统韵组 态和配鼹，特别象现场控制站的结构，最大点数等一般不能在线修改。工作的控制流 第9 囊 磺t 论文 鬟纯荤车藏c s l 0 0 0 集散控割鬟绕莰计 程如下： 数据露豹维绥帮安撵 现场控制站的配莺 控制回路组态 漉程黟编辑组态 摄表的格式定义和童裁 第1 0 页 颟士论文氯纯莘车阕c s l 0 0 0 集散控锚系统设诗 第二章c s l 0 0 0 系统应用 2 1c s l 0 0 0 集散控制系统概况 c e n t u mc s l 0 0 0 是强本横河电子公司簸薪开发的一种薪垂的燕散控稍系统，专门 面向中小型缴产规模的过程控制。它将d c s 的性能与p c 完美结合，并采用w i n d o w n t 操作系统，馒其具有开放的操作环境，在疆机上安现全部集敖控制系统的功能，属 于瑟一代开簸鳖溺络控露l 系统。 2 1 1c s l 0 0 0 的系统配置 l 、系统规格 整视工饿号数：8 0 0 0 个工整号 最大站数：2 4 个站( 镪括现场控糊淤鞠入视接口站) 人机接阴站( h i s ) ：8 台 现场控制站( f c s ) ：1 6 个 逶瀑网终( v ln e t ) ：1 8 融同辘邀缆或2 g 洒光纾邀缆) ，数攥传输速率梵l 滋b p s ( 局域网) 2 、系统配嚣 c s l 0 0 0 鬃绞配菱示意强魏窝2 一l 缓示。 c s l 0 0 0 系统配置由以下5 个基本部分组成。 ( 1 ) h i s ( 人机接口站) h i s 圭黉是利用图形髹口对生产避程进萼亍操作鄹监视，安装商系统生成、系统维 护帮羲试凌镶的较 睾，逶避开藏式数掇接口国p c ，d o e ) ，把遘程数据、趋势数糖、擐 蟹、公告朔其他信息传送到上位计算机或工作站。 ( 2 ) f c s ( 现场控制站) 您s 曩l 予过程控割，按照溺户要求妇馥u 冗衾，应雳帮i 0 点数等) 醵致狯掊 选择。f c sw 通过通讯接口与可编程羧制器( p l c ) 或数据采集装鬟( 横河d a r w i n ) 稽连， 也可利用现场总线通讯卡件挂现场总线仪表。 ( 3 ) v ln e t ( 控翱总线) v ln e t 憝一种可靠晌、实拜幸控割阏络，它将k s 与h i s 辐逐，梅成c s t 0 0 0 集散 控制系统。v ln e t 允许以l 咖b p s 传输速率进行双向数据通讯，并采用令牌总线传输 协议满足快速响应和可纛性的要求。其主要特点如下： 薅赣熬绞：t o b a s e 2 ，1 0q 霜辘奄缆 第1 1 页 硕士论文氯化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 连接器：b n c 同轴转换器 连接：总线型，多头连接 冗余：双重化 传输距离：1 8 5 m 同轴电缆；2 0 k m 光纤电缆 传输速率：1 0 m b p s ( 4 ) 总线转换器( b c v ) 啦i 平摹可- 墨性制目 h t s ( h n i “h s h 妇) ： 机擅口站if c s f l “dc 仰t 删s u n 嘶) ，糟麓站iv l “：o h 州b 哪 i 拉且b c v b 岫c o w 恤r ) i 且t 麓# lc i o w ( c m 岫j a t l 姐4 0 砒， u 哪t r 量讯门- p c o f k p c ) i 上位帆p c lm o ，) d p x lo 3 u ) ：c e c u mp x l 柞站r lb m ( c h t f d p x l8 ，】lc b n t u mp x l 囊t 帕控制譬l lm f 口口t r d d c 叩t r d 咖b p x ls ，) = c e n t u mlt e 曲鞋幢一螬 图2 ic s l 0 0 0 系统配置 总线转换器将c s l 0 0 0 与c e n t u mc s 或p x l 连接成一个总系统，允许运行集中 操作和监视，在h i s 上操作和监视c e n t u mc s 、麒l 现场控制单元和现场监视单元。 ( 5 ) 通讯门路( c g w ) 通信门路用来从一台计算机或u n i x 工作站获取或设置f c s 数据。当采用基于 w i n d o w sn t 操作系统的p c 机时，就不需要通信门路，直接通过d d e ( 动态数据接口) 或o p c ( 过程数据接口) 进行通讯。 2 1 2c s l 0 0 0 系统的特点 c s l 0 0 0 是一个开放型网绍控制系统，与传统的d c s 相比，有其独特的特点。 1 、d c s 与个人计算机( p c 机) 完美结合 ( 1 ) 采用普通p c 机( p c a t 兼容机) 作为人机接口界面( 咖i ) ，构成集散控制系统 第1 2 页 硕士论文氯化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 的人机接口站h i s 。 ( 2 ) 采用w i n d o w sn t 作为它的操作系统( o s ) ，形成开放式的系统。该系统其有数 据通信接口如o p c 和d d e ，进行过程数据和w i n d o w sn t 应用软件数据的交换。 ( 3 ) 将普通的d c s 操作和监视系统与w i n d o w s 操作系统相结合，利用w i n d o w s 的良 好窗口技术，提供一个具有友好的用户窗口界面的操作系统。在显示集散控制系统操 作窗口的同时，也可以运行其他的w i n d o w sn t 应用程序。 2 、使用电子化手册 c s l 0 0 0 用c d r o m 提供一个电子指导手册，采用被i n t e r n e t 用作标准电子文档 的文档格式( p d f ) ，从而在不同的平台上也能读写电子手册。 3 、增强的操作和监视功能 ( 1 ) 可使用1 0 0 0 个用户定义的窗口，以创建图形、趋势和控制窗口等操作和监 视窗口。 ( 2 ) c e n t u mc s l 0 0 0 支持1 秒趋势记录功能，可以每时每刻监视过程状态。 ( 3 ) 在图形窗口上，可以运行v i s u a lb a s i c 、粘贴动画图像等产生的应用程序， 还能通过操作窗口输入各种信息。 ( 4 ) 为了方便操作，可以选择与一般集散控制系统相似的附加操作键盘。 ( 5 ) 能像一般d c s 一样，直接在操作和监视窗口上进行操作、处理。 4 、通用的f c s ( 1 ) 可以选用冗余的f c s 、c p u 、通信总线( v ln e t ) 和电源卡。 ( 2 ) 根据使用要求，选用标准型和增强型模式的f c s 。 ( 3 ) 每个系统最多可连接1 6 个f c s ，所以适用于中、小规模的企业。 5 、密集安装的i 0 模块 ( 1 ) i o 模块可密集安装，高效接线。直接输入热电偶、热电阻和其他电压 电流信号。 ( 2 ) 不必用信号转换器进行外部信号转换，简化了现场信号的连线。 6 、丰富、成熟的控制和通信功能 ( 1 ) c e n t u mc s l 0 0 0 软件集成了c e n t u mc s 高级的、成熟的控制功能，从简单的 p i d 控制到复杂的顺序控制和批量控制功能，用户也可利用高级语言( v b 、c 语言等) 开发一些先进的控制软件。 ( 2 ) 有与予系统通信的各种通信软件包。 7 、高效率的工程 ( 1 ) 系统生成窗口是交互的过程，使用最少的设定进行系统操作。 ( 2 ) 用户可随自己意愿为其应用程序命名。 第1 3 页 硕十论文氯化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 ( 3 ) 定义的内容可以重复使用，从而使应用程序实现标准化。 ( 4 ) 可与w i n d o w sn t 应用软件如m s e x c e 进行数据交换。 8 、脱离f c s 的虚拟测试功能 在没有连接f c s 实体的情况下，可以在p c 机上建立虚拟的现场控制站( f c s ) ，直 接在p c 机上进行操作、监视和控制等工程师功能的检测。任何地方只要配备一台p c 机，就可以进行工程仿真和动态调试工作。 9 、成熟的批量控制软件包 ( 1 ) 提供一个符合i s a s p 8 8 标准的批量控制软件包，用来配比和过程管理。 ( 2 ) 软件包具有高级的、成熟的c e n t u m c s 系统的批量处理功能，并且容易实现。 1 0 、符合f o u n d a t i o i l 现场总线协议的现场总线 c s l 0 0 0 全面支持即将产生的符合f o u n d a t i o n 协议的现场总线，通过现场总线通 信卡连接智能现场装置，确保快速、准确地传递现场总线仪表的数据。 1 1 、与c e n t u mc s 和蜮l 兼容 c s l 0 0 0 通过总线转换器( b c v ) 与c e n t u mc s 和蜮l 集散控制系统相连。 2 1 3 c s l 0 0 0 系统软硬件环境 c s l 0 0 0 系统在系统硬件配置完成后，需进行系统软件和c s l 0 0 0 软件的安装，从 而确保c s l 0 0 0 系统正常运行。 软件及硬件环境 l 、软件环境 c s l 0 0 0 系统的操作系统是w i n d o w sn t 4 0 或更高版本，2 5 6 色，虚拟内存为2 0 0 m b ： 2 、硬件环境 c s l 0 0 0 系统所采用的p c 机应为推荐的个人计算机，主内存根据所安装的软件来 决定，硬盘容量对每个p c 机至少1 g b ，具体硬盘容量的大小由所安装的软件包决定。 2 2 现场控制站( f c s ) 现场控制站( f i e l dc o n t r o ls t a t i o n ) 简称f c s ，f c s 为c s l 0 0 0 提供过程控制功 能，如常规控制、顺序控制、批量控制和复杂运算等等，适合于各种工业过程。f c s 由电源单元，c p u 单元、v ln e t 连接器、电池单元、电源分配卡和i 0 模件等组成， 它接受来自现场的各种过程信号，并根据工程设定条件和h i s ( 人机接口站) 发出的指 令完成对工业控制对象的过程控制功能，使整个生产过程被控制在最优化的状态下运 行，f c s 和h i s 之间通过v ln e t 总线进行信息交换，如图2 2 所示。显然c s l 0 0 0 是 一个典型的分散型控制系统。 f c s 的型号有两种，即单一形式的控制站p f c s 和双重化的控制站p f c d ，统称为 第1 4 页 巅论文 氯纯苯车蠲c s l 0 0 0 集敬控制曩统设诗 p f c s 或f c s 。 f e s 戆| l 耋襞 c s l 0 0 0 的f c s 同戳被c e n t u m 一凝的集散控制系统现场控制单元比较，有其独特 的性能： ( t ) 配擞了冗余c p u 嗣步热备份系绞的冗余控制站； ( 2 ) 可纛的罐误硷溺鞍校正记忆( e c c ) ； ( 3 ) i 0 模件可以赢接与现场信譬相连，不需要任何信号牟专换器卡，降低了现 场接线费用： ( 4 ) 掇援 0 羡号类鍪，霹选择多耪i 0 模黪； ( 5 ) 剥粥各种功能块进行各种功能的扩展： ( 6 ) 根据用户的需求，有多种应用软件可供选择； 7 ) 单元蕊餐功能可暾用于各秘联痔控剞； ( 8 ) 符会i s a 5 8 8 的箍豢管理功麓： ( 9 ) 全狮支持符合f o u n a t i o n 现场总线标准的数字现场总线。 站( t i l t 蛋8 十粘) l i t e r l 船接点黼 卜“v l m i 蓬基鼍羊褥i - 2 擞赴墨嚣单辩 - a - - 电s # t m 1 4 _ 纛辩l 件5 一i o 簟党 图2 2c s l 0 0 0 ( 礅冗余) 现场控制辩蒺本系统配置承意蓬 第1 5 页 硕士论文 氯化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 2 f c $ 的构成 一、p f c s 的硬件配置 从图2 3 可知现场控制站p f c s 的硬件配胃由以下6 个部分组成。 兀 圈2 3 标准双重化p f c s 平面结构示意图 1 、微处理器( c p u ) 单元 p f c s 的微处理器单元有标准型和扩展型两种，其功能是实现各种控制运算。一 旦c p u 和电源出故障，由外部接口单元的r e a d y 端子产生触点输出。 2 、v ln e t 连接器单元 两个双冗余的v ln e t 安装在双冗余p f c s 的c p u 单元上，其功能是v ln e t 信号 的隔离及电平转换。 3 、电源分配卡 电源分配卡接收电源输入端特定电源，并通过噪声滤波器输出到电源输出连接 器。p f c s 不提供电源o n o f f 开关，通过外设的开关实现对p f c s 通电。 4 、电源单元 电源单元接收来自电源分配卡的特定电源，将其转换成所需的直流电压，分配到 每个输入输出箱内的卡件和单元供电。 5 、电池单元 当电源掉电时，利用电池单元保存c p u 单元中主内存的内容，保持时间为7 2 小 时，再充电时间为4 8 小时。电池的寿命取决于环境温度，即3 年3 0 c 以下、1 5 年4 0 以下和9 个月5 0 以下。 6 、i 0 模件单元 i 0 模件单元内插入各种i 0 模件，用来处理各种过程模拟信号和数字信号。 第1 6 页 硕十论文 氯化苯车间c s l 0 0 0 集散控制系统设计 二、f c s 酌选墼 1 、按照f c s 的功能选择，f c s 有两种