（控制理论与控制工程专业论文）盾构掘进试验平台监控系统的开发和应用.pdf

摘要 摘要 盾构掘进试验平台监控系统的开发和应用 吴润华研究生 马旭东教授指导教师 东南大学自动控制系20 0 5 盾构机和盾构施工法在现代城市与交通建设中发挥着日益重要的作用，大型盾构 机的国产化及其掘进控制系统的优化需要良好的试验平台。论文结合国内最大的盾构 掘进试验平台的开发和应用，系统全面地研究了基于分布式控制系统技术的监控系统 开发实现和应用技术。 盾构掘进试验平台测控系统采用两级分布式结构，底层主要由基于c c l i n k 网 络和p l c 的盾构控制系统与以d a t a t a k e r 数据采集器为核心的试验土箱数据采集系统 组成，它们与两台上位工业p c 机共同构成试验监控系统。论文首先介绍了分布式控 制系统的工作原理、特点与技术发展，分析了监控组态软件的工作流程与特点，同时 论述了基于组态王的监控组态软件二次开发的基本原则与开发过程。结合盾构掘进试 验的应用需求，分析提出了系统结构和软硬件设计方案。文中重点论述了实验土箱数 据采集系统的基本原理、设计方法、系统硬件构成以及数据采集器的通信接口设计， 详细给出了w i n d o w s 环境下d a t a t a k e r 组态王驱动程序的开发实现，并结合土箱土工 数据信息的存储记录、分析要求和盾构试验操作控制要求，设计了人机操作界面和数 据管理画面，完成了多种试验数据组合和处理以及用户权限管理系统与报警系统。最 后论述了盾构掘进试验平台监控系统的调试过程、评价了监控系统实际应用效果并给 出了改进建议。 关键词： 分布式控制系统；组态软件；组态王；数据采集系统；盾构 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m f o rs h i e l dt u n n e l i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m w u ，r u n h u a ，m s c p r o f m a ，x u d o n g , s u p e r v i s o r d e p t o f a u t o m a t i cc o n t r o l ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ，2 0 0 5 s h i e l dm a c h i n ei sp l a y i n gav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ec i t ya n dt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o n t h e p r o d u c t i o na n do p t i m i z a t i o no f l a r g es h i e l dm a c h i n ed e p e n do ng o o de x p e r i m e n tp l a t f o r m s y s t e m a t i c a l r e s e a r c ho i lt h ed e v e l o p m e n tm e t h o d sa n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e so f t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o r as h i e l dt u n n e l i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nd c si sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h es h i e l dt u n n e l i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mi sad i s t r i b u t e ds y s t e mi nt w ol e v e l s n l el o w e rt i e ri s c o n s i s t e do fs h i e l dc o n t r o ls y s t e mp l ci nc c - l i n kn e t w o r ka n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hu s e d d a t a t a k e ra sd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ef o re x p e r i m e n t a le a r l hb o x t h et w op a r t so f t h ep l a t f o r ma n dt w o c o m p u t e r ss t r u c t u r et h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o rs h i e l de x p e r i m e n tp l a t f o r m t h ec o n c e p t ，f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e df i r s t l y ，w i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kp r i n c i p l eo fs c a d ac o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n a l y z e da n dt h em e t h o d sa n d b a s i cp r i n c i p l ef o rd c ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do nk i n g v i e wd i s c u s s e d ，t h es y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r es c h e m ef o rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma r ew e l ld e s i g n e dt om e e tt h ed e m a n d so fs h i e l d t u n n e l i n ge x p e r i m e n t t h e nb a s i cp r i n c i p l e 、d e s i g nm e t h o d s 、h a r d w a r ea r c h i t e c t u r e a n dt h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ef o rt h ee x p e r i m e n t a le a r t hb o xd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sp r e s e n t e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ed e v i c es o f t w a r ed r i v e r sf o rm s w i n d o w s v i m n m e n ti s d e s c r i b e di nd e t a i l m a nm a c h i n ei n t e r f a c ea n do p e r a t i o nm a n a g e m e n ti sd e s i g n e d u s e rm a n a g es y s t e m a a da l a r ms y s t e mi sc o m p l e t e df o rc o m p l e xd a t ar e c o r d i n ga n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t a le a r t hb o xa n d s h i e l dc o n t r 0 1i no p e r a t i o n i nt h ee n d ，t e s ta n de v a l u a t i o nf o rt h es u p e r v i s o r yc o n t r 0 1s y s t e ma p p l i c a t i o n a n ds o m ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o ni s 画y e l l 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 ( d c s ) ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，k i n g v i e , v , s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) ，s h i e l dm a c h i n e i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 确的说明并表示了谢意。 签名：翼垂型星一日期：型r 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括干0 登) 授权东 南大学研究生院办理。 签名：墅导师签名：珥 日期：驴f ；哕 绪论 盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法。当代城市建筑、公用设施和各种交通日益繁杂， 市区明挖隧道施工，对城市生活的干扰问题日趋严重，特别在市区中心遇到隧道埋深较大，地质 复杂盼隋况，若用明挖法建造隧道刘很难实现。在这种条件下采用盾构法对城市地下铁道、上下 水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道建设具有明显优点。此外，在改造穿越水域、沼泽地 和山地的公路和铁路隧道或水工隧道令，盾构法也往往因它在特定条件下的经济合理性而得到采 用吼 我国盾构技术发展地比较晚，国内许多隧道开发工程中使用的盾构掘进机几乎都是进口的【4 j 。 国内技术人员只是按照各种施工要求对盾构掘进机的几个细节部分进行修改，而没有比较成熟的 盾构设计理论。为了加速我国盾构技术的发展，国家建立了“8 6 3 ”项目盾构地层适应性设计理 论、方法和模拟试验平台”。 该试验平台是目前世界上规模最大的全断面盾构机掘进试验平台。整个试验平台包括 中1 8 0 0 m m 盾构机、o , 4 0 0 0 x 8 0 0 0 m m 的典型土层模拟大型土箱、土箱内土体加载系统、控制系统、 监测系统、辅助系统等。试验平台设计新颖，可以满足多种不同目的盾构掘进模拟试验的需要。 例如，中1 8 0 0 m m 盾构机具有土压平衡和泥水平德互换的功能，可以根据需要进行土压平衡盾构 掘进模拟试验或进行泥水平衡盾构掘进模拟试验；d ：, 4 0 0 0 x 8 0 0 0 m m 的典型土层模拟大型土箱内设 置的土体加载系统可以模拟盾构上方不同的覆土厚度，控制系统和监测系统可以自动记录试验过 程中的所有数据并能实时显示要特别关注的参数随时间的变化曲线等。 该系统的建立将为在各种地质、地深下使用盾构机施工提供可靠的试验数据，帮助盾构设计 人员进行盾构选型以及盾构具体参数设计提供帮助。 盾构技术发展过程中，为了提高盾构掘进系统控制的自动化程度，盾构系统中引入了d c s 技术。d c s 出色的性能，为盾构掘进机施工提供了稳定、可靠和安全的控制。 自1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司推出第一套分布式控制系统以来1 1 j ，分布式控制系统已经发展成 为工业生产过程自动控制系统的主流。随着计算机与控制相关技术以及其他高新技术的应用和发 展，分布式控制系统也得到了飞速的发展。各制造厂商相继推出或更新各自分布式控制系统产品， 更新换代的分布式控制系统在软硬件结构方面有了较大的改进，功能进一步得到了增强，产品的 应用范围遍及工业控制领域的各个行业。 s c a d a 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，是随着分布式监控系统及计算机控 制技术的i t 趋成熟而发展起来的。随着微处理器及个人计算机技术的飞速发展，自动化监控设备 的价格得以大幅度降低，体积也逐渐缩小，自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、p c 化、 低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。这使得自动化系统的集成变 得更加容易。监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统中的重要组成部分。另外， 计算机网络技术的发展使得监控设备之间的互联通信变得简便易行。所有这一切都促进了监控组 态软件的普及与推广，同时监控组态软件也促使自动化技术走出工业应用的狭小范围，积极向楼 宇自动化、家庭自动化、农业自动化、环境( 监测、保护) 自动化等领域渗透，加快整个社会 的信息化步伐，提高自动化工程的工作效率，减少系统的维护和升级费用。 企业生产工艺和生产过程趋向多元化和模块化，企业生产流程越来越复杂。所以有必要对企 业的各个独立的子系统予以集成。使原本各自独立的子系统结合成为一个系统。这样就可以集中 监控每一个子系统，使不同的子系统联机运转，从而达到统一信息管理与子系统之间协调工作的 目的。 为此，世界上许多著名的控制系统厂商推出了各种分布式管理控制系统。与此同时为了方便 用户开发特有系统的监控组态软件，各种使用方便、功能强大的组态软件也随之出现。通过多年 东南大学硕士学位论文 的应用政进，组态软件在进行监控组态软件开发中已经形成了一套比较成熟的开发方法，并提供 了各种最新的技术以实现用户对监控组态软件的严格要求。 作者参与合作完成了盾构掘进试验平台的监控系统的开发与应用工作。盾构掘进试验平台规 模巨大，试验平台的各个系统中的控制单元繁多而分散。为了达到各个系统的控制功能的分散， 而能集中管理控制信息的目的，盾构试验平台监控系统的设计和实现应用了d c s 技术与组态软件 技术。盾构掘进试验平台的监控系统对稳定性、安全性以及可靠性等方面的要求要比一般工业生 产监控系统的高。在试验平台监控系统设计过程和实现过程中，作者立足这三个方面的要求，利 用分布式控制系统技术设计实现了控制安全、数据采集稳定、系统可靠性高的硬件系统，同时选 择我国国内自行开发、技术成熟的组态软件组态王进行监控组态软件的开发。 论文通过分析总结分布式控制系统的 二作原理与特点，总结了监控系统开发的一般过程与参 考标准。以盾构掘进试验平台为应用背景，详细阐述了监控系统的软硬件设计开发和实现过程， 同时着重论述了监控系统中试验土箱数据采集系统的硬件框架与软件数据接口的设计与实现过 程。 论文共分为五章，各章具体内容如下： 第一章为d c s 与s c a d a 组态软件。 在结合分布式控制系统的实际应用经验的基础上，参考文献资料对各种分布式控制系统的共 性进行提炼，总结出分布式控制系统的重要特点与发展过程，同时介绍了组态软件的概念与发展 并总结了监控系统开发的一般方法与过程。本章首先介绍了分布式控制系统的概念与发展历史， 并且叙述了分布式控制系统的特征，然后概述了组态软件的概念与其数据处理流程，分析了通过 监控系统的开发过程。 第二章为盾构掘进试验平台与监控系统设计。 本章主要包括两个部分：盾构掘进试验平台的介绍与试验平台监控系统方案的设计。文章首 先介绍了盾构法的施工概况、盾构分类以及在实际施工中盾构机的选型原则，在此基础上分析了 国内外盾构技术的发展状况，接着介绍了盾构掘进试验平台建立的意义以及试验平台的主要构 成，最后论述了监控系统开发的用户需求分析，以及监控系统软硬件的实现方案。 第三章为试验平台监控软件的二次开发。 本章详细论述了基于组态壬的监控组态软件的开发过程，同时分析了监控组态软件在人机界 面设计、数据存储与显示、安全管理与系统数据信息模型等子系统开发过程中通用的开发原则与 方法。 第四章为试验土箱数据采集系统设计与实现。 试验土箱数据采集系统是试验平台监控软件的一部分，数据采集系统主要负责在试验过程中 检测试验土箱各种参数的变化情况。本章首先介绍了通用数据采集系统的设计方法与可选择的设 计方案，接着阐述了试验土箱数据采集系统方案的设计，然后详细分析了试验土箱数据采集系统 的硬件构成与接口软件的开发，最后简单介绍了数据采集系统中组态画面的布局设计。 第五章为试验平台监控系统的应用与开发 本章开始介绍了试验平台监控软件的调试过程，通过两次大型试验中监控系统的表现，对试 验平台监控系统的应用效果进行了评价，晟后根据实际应用中出现的问题，对试验平台监控系统 提出了一些改进建议。 2 第一章d c s 与s c a d a 组态软件 第一章d c s 与s c a d a 组态软件 分布式控制系统( d c s ) 由于其优良的性能在控制领域得到了广泛应用。随着计算机等高技术 的发展，分布式控制系统的相关技术也在不断发展，对分布式控制系统的分析和研究可以归纳出 分布式控制系统的发展轨迹以及控制系统的特点，从而更好地利用其基本原理开发各种控制系 统。 本章首先阐述了分布式控制系统的概念、特点以及发展经历，接着分析了监控组态软件的特 点及其工作原理，在最后论述了分布式监控系统开发的方法和步骤。 1 1 分布式控制系统 1 1 1 分布式控制系统的概念 现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个分支，计算机控制 技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。工业自动化成为适应国内外市场 竞争的重要手段，是促进企业现代化大生产的有力工具。 工业自动化根据生产过程的特点又可分为过程控制自动化和制造工业自动化以及各种自动 化测量系统。过程控制自动化是以流程工业为对象，制造工业自动化是以离散型制造业为对象， 混合型制造业自动化则以冶金、食品、玻璃、纸制品、半导体和纺织为对象，对于这些不同的工 业对象发展相应的控制技术。流程工业的控制一般选用分布式控制系统( d c s ，d i s t i l b u t e , dc o n t r o l s y s t e m ) ，离散型制造业的控制采用可编程序控制器( p l c ) 更为合适，而间隙过程工业的控制则以 d c s 和p l c 混合使用最好。随着d c s 和p l c 相互渗透发展继而扩大自己的应用领域，将出现 d c s 和p l c 融合于一体的集成过程控制系统。 自2 0 世纪5 0 年代第一台计算机应用于控制以来，开始由于计算机成本高。软件、硬件功能 差，可靠性不高，所以工业控制计算机未能迅速推广应用。微型计算机技术及超大规模集成电路 技术和通信网络技术的发展，为计算机用于工业生产过程创造了良好的条件。工业控制逐步地从 单机的监控、直接数字控制( d d c ) 发展到分布式控制系统( d c s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 。 分布式控制系统( d c s ) 的出现是工业控制的一个里程碑。今天，d c s 已广泛应用于工业过程 控制，并延伸到实验室自动化和大型研究试验以及离散制造业。而c i m s 是在已有自动化技术基 础上发展起来并支持未来工厂自动化模式的新型工厂自动化系统，它把孤立的工厂局部自动化 技术和子系统在新的管理模式与工艺指导下综合运用信息技术、自动化技术，并通过计算机及其 支持软件而有机地综合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物质流与管理过程的信息流和 决策过程的决策流进行有效的控制和协调，以适应新的竞争模式下市场对生产和管理过程提出的 高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。 2 0 世纪9 0 年代的d c s 以c i m s 为目标，以新的控制方法、智能化仪表、专家系统和局域网 等新技术为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。 管理的集中性和控制的分散性，这一实际需要推动了d c s 的发展。d c s 的结构是一个分布 式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致。 按系统结构进行垂直分解。它分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，各级既相互独立又相 互联系，每一级又可按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设各有不 同的功能，如实时控制、实时监视和生产过程管理等；横向分散则意味着在同级上的设备有类似 的功能。按照这种思想来设计集微型控制系统的硬件和软件，就是要贯彻既集中又分散的原则。 分布式计算机控制系统( d c c s ) r 名分布式计算机控制系统，简称分布式控制系统( d c s ) ，其 3 东南大学硕士学位论文 实质是利用计算机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技术。 它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展 而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的 优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。分布 式控制系统概括起来由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。集中管理部分义可分 为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作站则用于监视和操作， 管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站 或现场控制站，它用于控制和监测。通信部分连接分布式控制系统的各个分布部分。完成数据、 指令及其他信息的传递。分布式控制系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据 通信软件、组态软件和各种应用软件所组成。使用组态软件这一工具，就可生成用户所要求的实 用系统。 分布式控制系统具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集 中、入机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等特点。它能够适应工业生产过 程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗， 提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益。 1 1 2 分布式控制系统的特点 分布式控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管 理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态 方便的多级计算机网络系统结构。分布式控制系统具有以下的主要特点： 1 、自主性 系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成合理分配给自己的任 务，如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制等。系统各工作站都采用最新技术的微型计算 机，存储容量容易扩充，配套软件功能齐全独立运行的高可靠性子系统，而且可以随着微处理器 的发展而更新换代。系统操作方便、显示直观，提供了装置运行下的可监视性。控制功能齐全， 控制算法丰富，连续控制、顺序控制和批量控制集中于一体。还可实现串级、前馈、解耦和自适 应等先进控制，提高了系统的可控性。控制功能分散，负载分散，从而危险分散，提高了系统的 可靠性。 2 、协调性 各工作站间通过通信网络传送各种信息协调地工作以完成控制系统的总体功能和优化处 理。采用实时性的、安全可靠的工业控制局部网络，使整个系统信息共享，提高了畅通性。采用 m a p t o p 标准通信网络协议，将分布式控制系统与信息管理系统连接起来，扩展成为综合工厂 自动化系统。 3 、友好性 分布式控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员设计的，其使 用界面就要与之相适应。 实用而简捷的人机会话系统，c r t 彩色高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，画面曰趋丰 富；综观、控制、调接、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表和操作指导 等画面，菜单功能更具实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触模式屏幕、鼠标器、跟踪球操作器 等更便于操作。语音输人输出使操作员与系统对话更方便。 提供的组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态，是d c s 的关键部分， 用户的方案及显示方式由它来解释生成d c s 内部可理解的目标数据，它是d c s 的“原料”加工 处理软件。使用组态软件可以生成相应的实用系统，易于用户制定新的控制系统，便于灵活扩充。 4 、适应性、灵活性和可扩充性 硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统积木式结构，聚合灵活的配置，可适应 4 第一章d c s 与s c a d a 组态软件 不同用户的需要。可根据生产要求，改变系统的大小配置，在工厂改变生产工艺、生产流程时， 只需要改变某些配置和控制方案。以上的变化都不需要修改或重新开发软件。只是使用组态软件， 填写一些表格即可实现。 5 、在线性 通过人机接口和i o 接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制， 并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。 6 、可靠性 高可靠性、高效率和高可用性是分布式控制系统的生命力所在，制造厂商在确定系统结构的 同时，进行可靠性设计，采用可靠性保证技术。 ( 1 ) 系统结构采用容错设计，使得在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性。即使全 局性通信或管理站失效，局部站仍能维持工作。 ( 2 ) 系统的所有硬件包括操作站、控制站、通信链路都采用双重化。 ( 3 ) 为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复 执的容错设计。 ( 4 ) 结构、组装工艺精心的可靠性设计，严格挑选元器件，降额使用，加强质量控制，尽可能 地减少故障出现的概率。新一代的d c s 采用专用集成电路( a s i c ) 和表面安装技术( s m t ) 。 ( 5 ) “电磁兼容性”设计，所谓“电感兼容性”是指系统的抗干扰能力与系统内外的干扰相适 应，并留有充分的余地，以保证系统的可靠性。因此，系统内外要采取各种抗干扰措施：系统放 置环境应运离磁场、超声波等辐射源的地方；做好接地系统，过程控制信号、测量和信号电缆一 定要做好接地和屏蔽；采用不间断供电设备、带屏蔽的专用电线供电；控制站、监测站的输入输 出信号都要经过隔离，接到安全栅再与装置的现场对象连接起来，以保证系统的安全运行。 ( 6 ) 在线快速排除故障的设计，采用硬件自诊断和故障部件的自动隔离、自动恢复与热机插拔 的技术；系统内发生异常，通过硬件白诊断功能和测试功能检出后，汇总到操作站，然后通过 c r t 显示，或者声响报警或打印机打出，将故障信息通知操作人员；监测站、控制站各插件上都 有状态信号灯，指示故障插件。由于具有事故报警、双重化措施、在线故障处理、硬手操器备份 等手段，提高了系统的可靠性和安全性。 1 1 3 分布式控制系统的发展【1 1 9 7 5 年，美国霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 公司推出的t d c 2 0 0 0 分布式控制系统。这是一个具有许 多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速 公路与基于c k t 的操作站相连接，互相协调，一起实施实时工业过程的控制和监视，达到掌握 全局的目的，实现了控制系统的功能分散、负载分散，从而危险也分散，克服了集中型计算机控 制系统的一个致命弱点。 在此期间。世界各国也相继推出了自己的第一代分布式控制系统。比较著名的有美国福克斯 波罗( f o x b o r o ) 公司的s p e c t r u m 系统、美国贝利控* 日t j ( b a i l e yc o n t r o l s ) 公司的n e t w o r k 9 0 ，英国 肯特( k e n t ) 公司的p 4 0 0 0 ，德国西门子( s i e m e n s ) 公司的t e l e p e r m m ，日本东芝( t o s h i b a ) 公司 的t o s d i c 以及横河f y o k o g a w a ) 公司的c e n t u m 。 2 0 世纪8 0 年代，随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的 不断降低，给过程控制的发展带来新的面貌，使得过去难以想象的功能付诸了实拖，推动着以微 处理器为基础的过程控制设备和分布式控制系统、可编程序控制器、可编程序调节器和过程变送 器等同步发展。在这一时期中出现了第二代、第二代产品。 2 0 世纪9 0 年代，d c s 发展很快，出现了生产过程控制系统与信息管理系统紧密结台的管控 一体化的新一代d c s 。d c s 向综合性、开放化发展，大型d c s 在进一步完善和提高的同时，还 发展了小型d c s ，并采用了人工智能技术等。 5 一 东南大学硕士学位论文 1 2s c a d a 组态软件 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，是随着分布式控制系统( d c s ) 及计算机控制 技术的日趋成熟而发展起来的。是d c s 的商品化应用促进了组态软件概念的普及。随着微处理 器及个人计算机技术的飞速发展，自动化监控设备的价格得以大幅度降低，体积也逐渐缩小，自 动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、p c 化、低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准 的网络结构、硬件规范。这使得自动化系统的集成变得更加容易。监控组态软件已经成为其中的 桥梁和纽带，是自动化系统中的重要组成部分。另外，计算机网络技术的发展使得监控设备之间 的互联通信变得简便易行。所有这一切都促进了监控组态软件的普及与推广，同时监控组态软件 也促使自动化技术走山工业应用的狭小范围，积极向楼宇自动化、家庭自动化、农业自动化、环 境( 监测、保护) 自动化等领域渗透，加快摧个社会的信息化步伐，提高自动化工程的工作效率， 减少系统的维护和升级费用。 1 2 1s c a d a 组态软件的概念与其数据处理流程 1 2 1 1 组态软件的概念口1 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进 行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。由于 每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中。为了使用户在不需要编代码 程序的情况下，便可生成适合自己需求的应用系统，每个d c s 厂商在d c s 中都预装了系统软件 和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件。将使用这种应用软件设计生成目标应用 系统的过程称为组态。 监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v ! s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ， s c a d a ) 的软 件平台工具具有丰富的设置项目使用方式灵活功能强太监控组态软件最早出现时，m m l ( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据 库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i 0 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。 监控组态软件运行时承担着数据采集、数据处理、数据转发的任务。监控组态软件投入运行 后，操作人员可以在它的支持下完成以下任务： ( 1 ) 查看生产现场的实时数据及流程画面； ( 2 ) 在需要时，修改生产过程参数和状态或发出控制命令； ( 3 ) 及时得到并处理各种过程报警和系统报警； ( 4 ) 自由浏览各个实时或历史趋势画面： ( 5 ) 自动打印各种实时或历史生产报表； ( 6 ) 与管理部门的计算机联网，为管理部门提供所需的数据。 随着分布式控制系统的进一步发展，组态软件将得到用户和d c s 厂商更广泛的认可。计算 机的软件及开发工具丰富，使组态软件的功能强大，开发应用十分方便，开发周期相应缩短，软 件升级和维护也较方便。目前绝大多数组态软件都运行在w i n d o w s9 8 n t 、w i n d o w s2 0 0 0 操作系 统环境下。个人计算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜，这些因素导致 了组态软件的普及，组态软件在自动化系统有着重要的位置，已经成为工业自动化系统中不可缺 少的一部分。 1 2 1 2 组态软件的数据处理流程 组态软件通过i o 驱动程序从现场i 0 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 6 第一章d c s 与s c a d a 纽态软件 给i o 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予响应。当发生报警时及 时将报警以声音、图象的方式通知给操作人员，并记录报警的历史信息，以备检索。 实时数据库是组态软件的核，l l , 和引擎，历史数据的存储与检索、报警处理与存储、数据的运 算处理、数据库冗余控制、i o 数据连接都是由实时数据库系统完成的。图形界面系统、i o 驱动 程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议，相互传输数据，实现数据共享。组态软 件的数据处理图如下所示。 图形显示画面 彳 弋， i ，o 设各驱动 妥 i o 设备 现场设备 图卜1 组态软件的数据流程图 1 2 2 组态软件的特点【2 】 1 2 2 1 实时多任务 组态软件晟突出的特点是实时多任务。数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及 人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特 性。这里所描述的实时性是相对的。在具体地确定这里所说的限定时间时，该事件要求计算机在 多长的时间以内必须做出反应，否则。将对生产过程造成影响甚至造成损害。可见，工业控制计 算机及监控组态软件具有时间驱动能力和事件驱动能力，即在按一定的周期时间对所有事件进行 巡检扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。 实时性一般都要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个 任务，加速程序执行速度。由于操作系统直接支持多任务，组态软件的性能得到了全面加强。 可以把那些变化并不显著，即使不立即作出反应也不至于造成影响或损害的事件，作为顺序 执行的任务，按照一定的巡检周期有规律地执行，而把那些保持时间很短且需要计算机立即作出 反应的事件，作为中断请求源或事件触发信号，为其专门编写程序，以便在该类事件一旦出现时 计算机能够立即响应。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要目的是使使用者在生成适合自己 需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程 设计人员的基本需求，集中解决共性问题。组态软件主要解决的问题是： m 如何与采集、控制设备间进行数据交换； ( 2 】使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； ( 3 ) 处理数据报警及系统报警； 7 东南大学硕士学位论文 存储历史数据并支持历史数据的查询； ( 5 ) 各类报表的生成和打印输出； ( 6 ) 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； ( 7 ) 最终生成的应用系统运行稳定可靠； ( 8 ) 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被 控对象( 如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等) 形象地画出来，通过内部数据连接把被控 对象的属性与加设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与 被控对象相连的i 0 设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。若要对应用系统进行修 改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。 1 2 2 2 高可靠性 在计算机、数据采集控制设备正常工作的情况下，如果供电系统正常，当监控组态软件的目 标应用系统所占的系统资源不超负荷时，则要求软件系统稳定可靠地运行。如果对系统的可靠性 要求得更高，就要利用冗余技术构成职机乃至多机备用系统。冗余技术是利用冗余资源来克服故 障影响从而增加系统可靠性的技术，冗余资源是指在系统完成正常工作所需资源以外的附加资 源。说得通俗和直接一些，冗余技术就是用更多的经济投入和技术投入来获取系统可能具有的更 高的可靠性指标。 例如可以指定一台机器为主机，另一台作为从机，从机内容与主机内容实时同步，主机、从 机可同时操作。从机实时监视主机状态，一旦发现主机停止响应，便接管控制，从而提高系统的 可靠性。 1 2 2 3 标准化 伴随着计算机相关技术的高速发展，世界上各个著名的控制系统厂商纷纷推出新一代的 d c s 产品，但是不同厂家的组态软件是与其特定硬件相关的，所以是专用的，相互之间不可替 代。 尽管目前尚没有一个明确的国际国内标准用来规范组态软件，但国际电工委员会i e c l l 3 1 3 开放型国际编程标准在组态软件中起着越来越重要的作用。i e c l l 3 1 - 3 提供用于规范d c s 和 p l c 中的控制用编程语言，它规定了4 种编程语言标准( 梯形图、结构化高级语言、方框图、 指令助记符) 。 此外，o l e ( 对象连接与嵌入) 、o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 等技术标准也被广泛地使 用。t c p i p 网络通信标准协议也被广泛地应用于现场测控设备之间及测控设备与操作站之间的 通信。 从以上可以看出，组态软件具有实时多任务、运行可靠、接口开放、使用灵活、功能多样的 特点。 1 2 3 组态软件一组态t ( k i n g v i e w ) 6 1 组态王是北京亚控公司发布的一款完全基于网络概念的工业化组态软件。现在组态王已经广 泛应用于化工、电力、环保、冶金和食品等各行业，并且作为首家国产监控组态软件应用于国防、 航空航天等关键领域。 经过多年的发展，组态王已经在实时数据库、设备通用性、网络功能以及画面设计功能等方 面在国内同行业产品中处于领先地位。 组态王软件主要由两部分组成：开发环境与运行环境。开发环境主要用于进行监控组态软件 的开发。运行环境主要用于监控组态软件的运行。 8 第一章d c s 与s c a d a 组态软件 1 2 ，3 1 实时数据库 实时数据库是“组态干”最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的 形式反映在屏幕上，同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都 是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。 在数据库中存放的是变量的当前值，变量包括系统变量和用户定义的变量。变量的集合形象 地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。 1 2 3 2 设备管理 组态王的设备管理结构列出已配置的与组态王通信的各种i o 设备名，每个设备名实际上是 具体设备的逻辑名称( 简称逻辑设备名，以此区别i o 设备生产厂家提供的实际设备名) ，每一 个逻辑设备名对应一个相应的驱动程序，以此与实际设备相对应。组态王的设备管理增加了驱 动设备的配置向导，工程人员只要按照配置向导的提示进行相应的参数设置，选择i o 设备的生 产厂家、设备名称、通信方式，指定设备的逻辑名称和通信地址，则组态王自动完成驱动程序的 启动和通信，不再需要工程人员人工进行。组态王采用丁程浏览器界面来管理硬件设备，已配置 好的设备统- - n 在工程浏览器界面下的设备分支。 1 2 3 3 图形画面与动画连接 工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，它们只有通过连接实时数据库才能反 映工业现场的状况。因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。通过“动画连接一 所谓“动画连接僦是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，工业现场的数据，比如温 度、液面高度等，当它们发生变化时，通过i o 接口，将引起实时数据库中变量的变化，如果设 计者曾经定义了一个画面图素比如指针与这个变量相关，我们将会看到指针在同步偏 转。 动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员从重复的图形编程中解放出来， 为工程人员提供了标准的工业控制图形界面，并且由可编程的命令语言连接来增强图形界面的功 能。图形对象与变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了极大的方便。“组 态王”系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限，这对于保障系统的安全具有重要的意 义。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，一个图形对象又可 以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用程序将呈现出令人难以想象的图形动画效 果。 1 2 3 4 报警与事件系统 报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该 量的值已经超限，提醒操作人员。如炼油厂的油品储罐，如果往罐中输油时，如果没有规定油位 的上限，系统就产生不了报警，无法有效提醒操作人员，则有可能会造成“冒罐”，形成危险。 有了报警，就可以提示操作人员注意。报警允许操作人员应答。 事件是指用户对系统的行为、动作。如修改了某个变量值，用户的登录、注销，站点的启动、 退出等。事件不需要操作人员应答。 组态王