（控制理论与控制工程专业论文）硫酸生产计算机管控一体化.pdf

摘要 在当今节能环保的新形势下，硫酸作为工业重要原料之一，越来越多的工业 企业重视硫酸生产的高效性。专家指出，2 1 世纪硫酸工业，不能单纯依靠扩大 生产能力而是要通过技术更新、产品丌发，生产高效、节能的硫酸产品。先进的 控制策略应用于硫酸生产线，不仅可以提高硫酸生产的产量，同时也提高了硫酸 的质量，节省人力、物力。 本文是以4 万吨工业硫酸控制系统为原型，详细分析了项目中流量液位串 级控制、温度控制和恒压供水控制三个子控制系统，选用变增益、变积分时l 日j 、 多模态控制、专家控制算法、模糊控制算法等先进控制算法对相应的控制点进行 精确控制，在实验室使用m a t l a b 仿真软件对专家控制算法和模糊控制算法进 行仿真，而后进行现场调试，改善系统了的整体性能。按照管控一体化的设计思 想，系统采用组念王软件设计上位监控管理系统，实现数据监控、生产统计管理、 能源管理等功能，使用双机热备和多屏显示增强监控管理系统的稳定性和安全 性。使用以太网通讯，实现了工控机、p l c 、智能仪表和组态软件的有机结合， 构成了数据管理层、数据监控层、控制层和现场仪表层的四层网络结构，集成了 一套能真诉用于生产过程控制管理、现场实时采集数据的控制系统，实现了硫酸 生产整个过程管控一体化。 本系统已经投入运行一年多，系统运行稳定，控制效果良好，取得了很好的 经济效益。 关键词：管控一体化，以太网，变增益调节，多模态控制，模糊控制算法， 专家控制 a b s t r a c t n o w a d a y s ，u n d e rt h e n e ws i t u a t i o no fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，s u l f u r i ca c i da so n eo fa ni m p o r t a n tr a w m a t e r i a li n d u s t r i e s ，a ni n c r e a s i n g n u m b e ro fi n d u s t r i a le n t e r p r i s e sp a ya t t e n t i o nt ot h ee f f i c i e n c yo fs u l f u r i ca c i d p r o d u c t i o n e x p e r t sp o i n to u tt h a tt h e2 1o ft h es u l f u r i ca c i di n d u s t r yc a nn o to n l y s i m p l yr e l yo n t h ee x p a n s i o no fp r o d u c t i v ec a p a c i t yb u ta l s ot h r o u g ht e c h n i c a l u p d a t e s ，p r o d u c td e v e l o p m e n t ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n gp r o d u c t s o f s u l f u r i ca c i d a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g ya p p l i e dt os u l f u r i ca c i dp r o d u c t i o n ，i tc a nn o t o n l yr a i s et h eo u t p u to fs u l f u r i ca c i dp r o d u c t i o n ，b u ta l s oi m p r o v e dt h eq u a l i t yo f s u l f u r i ca c i d ，s a v i n gm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o t o t y p eo f4 0 ，0 0 0t o n so fi n d u s t r i a ls u l f u r i ca c i d c o n t r o ls y s t e m p a r t i c u l a r l y ，a n a l y s i st h r e es u b - c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw e r ef l o w s l e v e lc a s c a d ec o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l yc o n t r o l ， u s e dv a r i a b l eg a i n ，v a r i a b l ei n t e g r a t i o nt i m e ，m u l t i - m o d a lc o n t r o l ，e x p e r tc o n t r o l a l g o r i t h m s ，f u z z yc o n t r o la l g o r i t h ma n do t h e ra d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m f o rt h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp o i n t st oc o n t r o lp r e c i s e l y u s i n gt h em a t l a bs i m u l a t i o n s o f t w a r et os i m u l a t e de x p e r tc o n t r o la l g o r i t h m sa n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ，a n dt h e n t e s t i n gi nt h el o c a l i t y ，i m p r o v i n gt h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e i na c c o r d i n gw i t h t h ed e s i g ni d e ao ft h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t e d ，t h es y s t e mc a nb eu s e d k i n g v i e w t o d e s i g n t h e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m s ，f i n i s h e d d a t a m o n i t o r i n g ，p r o d u c t i o ns t a t i s t i c sm a n a g e m e n t ，e n e r g ym a n a g e m e n ta n ds oo n i t i s i m p o r t a n tt oe n h a n c et h es t a b i l i t ya n ds c c u r i t yo ft h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t s y s t e m t ou s ed u a l - s e r v e rh o t s t a n d b ya n dm u l t i s c r e e nd i s p l a y u s i n ge t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n ，i ti sr e a l i z e dt h a ti p c ，p l c ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o na r ec o m b i n e d t h ed a t am a n a g e m e n t ，d a t am o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n di n s t r u m e n t a t i o na r ec o m p o s e d ac o n t r o ls y s t e mw h i c hr e a l l yc a nb eu s e dt om a n a g ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dc o l l e c t o n s i t ed a t ai nt i m ew a si n t e g r a t e d i tw a sa c h i e v e dt h a tt h ei n t e g r a t i o no ft h e m a n a g e m e n ta n dt h ec o n t r o ll i n g t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o nm o r et h a nay e a r ，s y s t e mr u ns t a b l ya n d h a sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，a c h i e v i n gg o o de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：m a n a g e m e n ta n d c o n t r o li n t e g r a t e d ，e t h e r n e t ，v a r i a b l eg a i n ，m u l t i 。m o d e l c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，e x p e r tc o n t r o l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼工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了谢意。 一魏豸镧 擀嗍垆堋芗r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字嗍刀年2 月矽同 签字胁 易砀扼 轮月秒 学位论文的主要创新点 在硫酸存储罐中采用流量一液位串级均匀控制，控制系统中采用 变增益、变积分时间调节的控制算法，将误差分为1 6 级，根据 误差的不同选择不同的p i d 参数，提高了控制性能，达到了很 好的效果。 在温度控制系统中，使用间接专家p i d 控制算法，结合智能仪 表、p l c 的优点，三者结合实现对温度的多模态控制，提高了 控制精度和稳定性。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程概述及项目背景 河北冀衡磷肥股份有限公司位于中国北方的工业城市河北省衡水市，生产 工业硫酸、磷酸、硝酸和复合肥等化工产品，公司成立至今一直专注于化工领域， 深入了解这个领域的发展与竞争，凭借专业化的市场传播经验，雄厚的实力、灵 活的经营机制、大批的专业技术人才以及应对市场快速反映的能力，已成为华北 最大的苯胺企业和河北省最大的硫酸、磷肥生产基地。公司现拥有三大系列十几 种产品，现年产1 0 万吨甲醇、5 万吨硝基苯、3 力吨苯胺、1 万吨n n 二甲基苯 胺，4 万吨工业硫酸、2 0 万吨普通过磷酸钙、2 0 万吨高浓度复合肥、3 万吨腐殖 酸磷肥、3 万吨稀士磷肥、1 万吨亚硫酸氢氨、1 力吨硫酸二甲酯、1 万吨环已胺、 1 千吨氟硅酸钠的综合生产能力。 河北冀衡磷肥股份有限公司的工业硫酸节能降耗综合技术改造工程，是河北 冀衡磷肥股份有限公司面向更高层次发展进行产业结构调整、扩大经济总量的重 大举措，包括硫酸制造控制系统、复合肥制造控制系统等。硫酸制造控制工程主 要包括冶炼、净化、除雾、干燥、转化、吸收、风机、循环冷却水和成品酸库等 工序，是目前国内先进的制酸生产装置，同时能够提高硫酸的生产效率。上位监 控采用北京亚控科技有限公司的组念王软件对整个生产过程进行监控，核心部分 采用o m r o n 公司的p l c 对生产过程的各个环节进行控制，仪表采用一体化设 计，数据管理层、监控层、控制层和仪表层组成整个系统，构成一个d c s 系统， 确保整个生产安全稳定运行，提高和改善生产过程的运行效率和经济效益。 1 2 过程计算机控制系统技术的最新发展 计算机技术、微电子技术及管理信息技术等高速发展为新一代的分布式计算 机控制系统( d c s ) 的技术发展提供了技术条件。新一代控制系统朝着信息集成 化、控制分散化、控制单元小型化的方向发展。原来的d c s 系统主要是用于 过程控制，层次结构上只是过程监控层和控制层，现在随着通信技术和各种管理 信息系统的高速发展，d c s 可以实现对数据、实时信息的管理。使整个工厂信 息实时准确的交换变成现实，实现了企业综合控制和管控一体化的d c s 的管理 功能p l c 技术的发展与控制功能的增强激励了d c s 的功能扩展，对今天复杂、 混合控制的要求( 如连续量的调节控制、离散设备的快速逻辑控制、批量顺序控 天津l ：业人学硕十学位论文 制等) ，有时在对一个系统进行设计时，需根据实际的控制要求进行相应的规划 和设计，进行微调来实现实际的工控需求。 由于大规模集成电路和现场总线技术的发展，许多传感器、执行机构、远程 i o 及驱动装置等现场设备智能化，内置c p u ，能完成诸如线性化、量程转化、 数字滤波甚至回路调节等功能，同时由于各种现场设备的智能化、数字化，能从 根本上提高测量与控制的准确度，减少了传送误差心1 。同时随着先进控制理论的 发展，许多先进的控制算法和技术在控制层得到应用，如多变量模型预测控制 ( m o d e l p r e d i c t i v e c n o r t 0 1 ) 、模糊控制算法( f u z z y c o n t r 0 1 ) 、神经网络功能 ( n e u r a l n e t f u n c t i o n ) 及软测量技术等，先进控制( a p c ) 的应用使得许多生产 装置系统的控制水平、生产能力和产品质量得到了提高。 工业中的控制在经过了机械控制、简单的模拟控制、微控发展到如今的计算 机控制。计算机控制的优势在于它的高频率处理，即时性，同时相比模拟控制和 微控，它具有极为强大的易修改性。由于计算机的高频模拟采样时问间隔短，大 部分的感应信号都能被计算机有效地进行采样和模拟，在高频率的支持下，误差 几乎等于o 。同时由于处理器运算的强大和大量软件的支持，无需再进行复杂的 电路设计而可以通过计算机所支持的语言直接在计算机上设计控制器并进行修 改调整，省去了大量的人力物力和宝贵的时问。微控设计中许多的问题在计算机 的高频处理下也荡然无存。这些优势都是过去的任何一种控制无法比拟的。 随着这些过程控制技术的发展，并且在工控领域积极应用，同时国产d c s 系统已经在大型工程项目领域取得令人振奋的突破，打破了国外的垄断优势，这 些都表明我国的过程控制系统丌始进入一个新的发展阶段。 目f i f ，国内先进的大中型过程控制基本上采用p l c 和d c s 为主。然而，由 d c s 与p l c 发展而来的f c s ( 现场总线控制系统) 由于同时具备d c s 和p l c 的特点，跨出了革命性的一步。目前，新型的d c s 和新型的p l c 都有向对方靠 拢的趋势。新型的d c s 已有很强的顺序控制功能，而新型的p l c 在处理闭环控 制方面也有很大提高，并且两者都能组成大型网络，d c s 和p l c 的适用范围， 已有很大的交叉。 本工程项目也是根据上述控制系统技术的最新发展来进行设计开发和实施 的。本文中所论述的和现场所投运的就是一套统一、协作的分布式的控制系统， 综合考虑工厂范围的略固性、安全性、遵从性、可控性、可靠性，对系统体系结 构的所有层面进行合理的设计开发。整套系统集成了新一代控制系统的能力，构 成一套稳定性高、科技水平高的分布式的控制系统。 第一章绪论 1 3 实现硫酸生产过程控制的意义及研究现状 硫酸工业也是我国工业的重要组成部分，因为硫酸是属于强腐蚀性介质，与 其配套的检测和控制设备材料要求特殊，所以使得硫酸生产自动化水平与其它行 业的自动化水平相比，落后了许多，而且各硫酸厂之间的自动化水平发展也极不 平衡。随着大型集散控制系统( d c s ) 及各种先进电气、仪表设备在硫酸生产系 统中的应用，可实现对各工艺流程测点和设备运行状况进行集中监测及全过程自 动控制。然而，许多硫酸生产企业都只是简单的监测与自动控制，也使现有的计 算机控制系统没能最大程度的发挥效用。目前，硫酸生产过程大部分是常规显示 和常规控制，只发挥了控制系统整体效益的4 0 一5 0 。为了提高整体效益，需 要实现整个系统的平衡控制和计算管理，同时需采用先进的控制手段和在线检测 分析，以适应连续变化的化工生产过程，需加强控制理论与生产实际的密切结合， 引入智能控制、专家系统等，逐步形成不同形式的既简单又实用的控制结构和算 法。因此，应在控制系统上进行进一步的应用开发，加快控制理论工程化的速度， 分析其中存在的问题及进一步提高其控制水平。目前，国外的化学工程公司大多 都拥有自己的专用或通用流程的优化程序和控制系统，并作为技术秘密加以保 密，广泛地应用于各自的硫酸装置设计和操作过程控制。国内的硫酸装置在不断 增加，单体生产装置的生产能力在不断提高，许多的控制需求在不断变化。如今， 硫酸生产过程越来越多地需要自动化帮助满足增加生产能力，减少停产时问，优 化控制指标，提高产品质量，减少浪费，满足管理灵活性，提供需求的实时和历 史数据。 从我国讵式加入世界贸易组织以来，我国硫酸工业经历了“国家对幼稚产业 和农业等特殊产业的三年保护期”、“和1 3 5 个以上w t o 成员国之间互降关税 和“贸易壁垒从逐步拆除到彻底拆除”等几个阶段。在这期问，我国硫酸工业发 生了巨大变化，产能、产量快速增长，产业结构调整不断加快，资源综合利用和 循环经济获得较快发展，资源全球化配置更加合理，年均增长率为1 2 6 o ”。 我国现在硫酸产量已经达到5 0 4 4 0 k t a ，从产业结构来看，已经从最先的硫 铁矿制酸发展到现在以硫磺做为制酸主体。作为有色金属工业副产品的冶炼烟气 制酸在我国也获得了重大突破，以这个途径制酸产量也增长迅速，达到了2 3 1 。 资源短缺是现在全球的严峻问题，因此，在制酸过程中，资源综合利用要更 趋合理性，产业废热利用获得较快发展。世界硫磺资源丰富，原料供应充足，硫 磺制酸工艺流程简单，易于实现装置的大型化，硫磺制酸环保优越，与现在倡导 的生产绿色化相符合，副产品充分利用，与国家节能降排的政策一致，这些都为 硫酸工业在我国的充分发展提供了条件。 天津j f 业人学硕+ 学位论文 在今后一段时间，我国硫酸工业将进入转型期，进一步向规模化、集约化方 向发展，小型硫酸装置将面临全面淘汰，中型硫酸装置将在生产技术、管理水平、 生产成本、产品质量等方面加大投入，在激烈的市场竞争中能够处于领先地位。 同时，在激烈的市场竞争中，必然会积极降低硫酸生产成本，提高废热回收利用 率，从而向“能源工厂转变。国家提倡可持续发展，对于硫酸工业来讲，就是 发展循环经济。发展循环经济、解决铁资源的有效利用将是我国硫酸工业可持续 发展的必由之路。 虽然我国现在是硫酸生产的大国，但还不是强国，在装置大型化、技术装备、 环境保护、催化剂制造等方面还有很大差距。在今后的发展中，要不断提高自主 创新技术和管理创新技术，目标是建成拥有自主知识产权和核心竞争力、拥有优 秀管理理念和企业文化、实施“能源工厂修战略的企业，成为这一行业的领跑者。 1 4 本文的主要工作 本文是针对4 万吨工业硫酸控制系统的实际工程项目而进行设计开发的，提 出了整体的控制方案，集成了一套实用性强用于生产过程控制管理，现场实时采 集数据的控制系统。虽然整个控制系统投入运行能完全满足生产工艺的控制要 求，达到了硫酸生产过程控制和管理的先进水平，但是由于整个工艺系统及控制 系统相对复杂，在文章中不能面面俱到地对整个工程项目进行论述说明，但是尽 量使文章贴近现有控制系统最新技术的发展和工程实际，主要设计开发和研究内 容及结果为： 1 本工程项目根据工艺控制要求，完成了一个以欧姆龙p l c 为控制核心、 组态王为监控核心的系统整体设计，构成了一个由数据管理层、监控层、控制层 和现场仪表层组成的四层体系结构，即组成了一个d c s 控制系统。在整个系统 设计中，充分考虑系统的可靠性、安全性和可行性。提高生产控制的精度，提高 整个生产系统的安全稳定和低成本运行水平。 2 在整个控制系统中，控制层是核心中的核心，对整个过程控制起着决定 性的作用。在本文中重点介绍流量一液位串级控制系统、转化塔温度控制系统和 锅炉变频恒压供水控制系统。控制方式包括p l c 控制、变频器控制结合专家控 制、模糊控制、变增益调节等先进的控制策略优化控制系统，达到提高控制精度 的目的，使系统更稳定的运行。 3 本工程项目根据工艺控制要求，完成了以组态王为核心的系统软件设计。 同时利用组态王系统软件丰富的组态功能，设计组态了整洁优美的流程画面和监 控层有利于管理层进行数据的管理，便于操作员操作的各种控制界面。 第二二章硫酸生产控制系统的总体结构 第二章硫酸生产控制系统的总体结构 2 1 监控系统的总体结构 硫酸生产过程的网络层次分为数据管理层、数据监控层、控制层和现场仪表 层，体系结构如图2 - 1 所示。 数据管理层数据监控层 ：i 沁 匡圳肇掣掣一掣 i l 0 ：蕊 i l 以太网 (0 r 一 一一- _ 一一一一一一_ 一一一一一一一- 一一一一一一 - 一一一一一一一一一一一一_ - - 一一一一一一一一 l i r p l c 、智能仪表 i i上 输入信号采集单元 控制指令输出单元 ! 一一一一一一土一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一二一一一一一一一一j 一一一一：一一 图2 1 硫酸生产控制系统结构框图 数据管理层主要是从可编程控制器和现场仪表读取数据，完成综合监控和管 理功能。在数据管理层采用了双机热备的方式，只有数据管理层有权利和p l c 进行数据传送。 数据监控层采用多屏显示，在局域网中进行联网，对数据进行监控，并且互 为备用。在数据管理层和数据监控层中，都有r 报表、月报表和报警设置，实现 天津i ：业人学硕十学位论文 对数据的管理和监控。 控制层主要是主控单元和i o 模块，其基本功能是完成i o 数据的采集、控 制运算及i o 数据的输出，同时还具备完成网络通讯及自诊断等辅助功能。控制 层是控制系统的核心，也是本文论述的重点，在后面章节中将详细介绍在控制层 进行开发来实现各种控制功能，以满足生产的控制需求。 现场仪表层的主要工作是把现场的各种物理信号( 如温度、压力、流量及液 位等) 转变成电信号或数字信号，并把各种控制输出信号转变成物理量( 如阀位、 位移等) 。 2 2 可编程控制器的选择 可编程控制器具有结构紧凑、应用灵活、功能完善、操作方便、速度快、可 靠性高、价格低等优点，已经越来越广泛地应用于自动化控制系统中，并且在自 动控制系统中起着非常重要的作用。目前，在市场上有美国的a b 公司、莫迪康 公司、g e 公司、德国的西门子公司、日本的欧姆龙公司、三菱电机公司以及国 内的浙大中控等多家企业生产各种类型的p l c 。从运算功能能、控制功能、通信 功能、编程功能、处理速度、售后服务、经济性等多方面考虑，选择o m r o np l c 作为控制层主控制器。 2 2 1 可编程控制器的发展 1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制出世界上第一台可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ：p l c ) ，并在g m 公司汽车生产线上应用，获 得成功。经过将近四十年的发展与实践，其功能和性能已经有了很大的提高，从 当初用于逻辑控制扩展到运动控制和过程控制领域。可编程逻辑控制器( p l c ) 也改称为可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ：p c ) ，由于个人计算机也简 称p c ，为了避免混淆，可编程控制器仍被称为p l c h 。 1 9 8 7 年，国际电工委员会( m c ) 在颁布可编程控制器国际标准草案第三稿 中对可编程控制器的定义如下哺1 ：可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而 设计的数字运算操作的电子系统，它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、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输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其 相关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，并易于扩充其功能的原则 设计。 第二章硫酸生产控制系统的总体结构 p l c 最初用于逻辑控制和顺序控制，面对运动控制和过程控制，p l c 必须 扩展自己的功能，才能满足生产的需求。机床工业、汽车工业等属于离散型制造 工业，这类工业侧重于运动控制，如位置控制和速度控制。为此，生产p l c 的 厂家相继推出了位置控制模块、伺服定位模块、运动控制模块、电子凸轮模块、 d 转换模块、d a 转换模块以及高速计数模块等功能模块，用于速度、加速度 以及位置控制等运动控制。 大量的中小型企业属于混合型制造工业，这类制造业中既有运动控制又有过 程控制，为了适应这些企业的需要，各厂家都在自己的p l c 产品中推出了温度 传感器模块、p i d ( 比例、积分、微分) 控制模块、a d 转换模块、d a 转换模 块、闭环控制模块以及模糊控制模块等功能模块，用于温度、压力、流量以及液 位等过程控制。 p l c 本身的模块化结构以及远程i o 模块功能的不断完善，使得p l c 易于 实现多级控制( 分布控制、分散控制) ，通过不同级别的网络将p l c 与p l c 、p l c 与远程l o 模块、p l c 与人机界面以及p l c 与p c 机链接起来，形成管控一体化 的网络结构。 2 2 2o m r o n 可编程控制器 1 可编程控制器结构哺1 p l c 是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计 算机相类似，由中央处理单元( c p u ) 、存储器( r a m 、r o m 、e p r o m 、e e p r o m 等) 、输入接口、输出接口、i o 扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。p l c 通常分为模块式和整体式两种结构。以r 本o m r o n ( 欧姆龙) 公司的p l c 为 例。c 2 0 0 h a 系列为模块式p l c ，所谓模块，就是按照功能将电路进行分类，每 一种功能制成一块电路板，通常称为模板，每块模板置于工程塑料外壳内，成为 独立的单元，如c p u 单元、输入单元、输出单元、特殊l o 单元、通信单元以 及电源单元等等。各单元插在带有总线的c p u 底板上，构成c p u 机架。如果 c p u 机架( 或称主机架) 的l o 点数不够用，或者需要增加新的特殊单元，可以 增加扩展i o 机架，扩展i o 机架由扩展i o 底板、电源单元、i o 单元以及特殊 i o 单元组成。模块式p l c 的特点是组态灵活、扩展方便以及维护简单。模块式 p l c 结构示意图如图2 2 所示。 天津：i ：业人学硕十学位论文 图2 2 模块式p l c 结构示意图 2 可编程控制器工作原理h 3 1 ) 循环扫描原理 p l c 是采用c p u 的工业用控制器，与普通计算机有相似之处，属于串行工 作方式，但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询工作方式，都 满足不了并行逻辑控制电路的要求，为此，p l c 采用了与普通计算机工作方式差 别较大的“循环扫描”工作方式。 所谓扫描，就是c p u 从第一条指令丌始执行程序，直到最后一条( 结束指 令) 。扫描过程分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段， 这三个阶段称为一个扫描周期。普通继电器的动作时间大于l o o m s ，一般p l c 的一个扫描周期小于l o o m s ，目前欧姆龙公司的c j l 系列，执行3 0 0 0 0 步程序的 扫描周期时问仅为1 2 m s 。 对于继电器控制电路，根据工艺要求，操作人员可能随时进行操作，因此， p l c 只扫描一个周期是无法满足要求的，必须周而复始地进行扫描，这就是循环 扫描。在扫描时问小于继电器动作时问的情况下，继电器硬逻辑电路并行工作方 式和p l c 的串行工作方式的处理结果是相同的。循环扫描示意图如图2 3 所示。 第( n + 1 ) 个 第( n 1 ) 个。j访力、妇七! = i - e l 甘h 扫描周期 扫描j 吉i 期 717plj 4j ，h j 7 y jr 输出- 用户程序执行 输入 刷新输入 输出 采样 采样 图2 - 3p l c 循环扫描示意图 刷新 第二章硫酸生产控制系统的总体鲇构 2 ) 通信及网络 在p l c 控制系统中，通信系指p l c 与计算机、p l c 与可编程终端( 触摸屏) 、 p l c 主单元与远程i o 单元、p l c 与p l c 、p l c 与变频器( 或伺服驱动器) 以 及p l c 与编程设备之闻的通信。 由于各厂家p l c 的指令系统不同，视窗软件也只适合各自的p l c ，因此， 实现不同厂家p l c 之间的通信或一台计算机与不同厂家的p l c 联网通信有一定 的困难。 欧姆龙公司p l c 的通信网络包括e t h e m e t ( 以太刚) 、c o n l r o l l e r l i n k ( 控制 器网络) 、c o m p o b u s d ( 设备网络) 及c o m p o b u s s 网络。各厂家p l c 的底层 ( 设备级、嚣件缎) 网络一般都是针对自家的产品而研制的，因此，若要实现 p l c 网络，尽可能选用同一厂家的p l c 及配套设备。 2 2 3o m r o n p l c 的编程环境 c x p r o g r a m m e r 是o m r o n 公司新的编程软件，适用于c 、c s l 、c j i 系列 p l c ，它可完成用户程序的建立、编辑、椅杳、调试以及监控，同时还具有完善 的维护等功能，使得程序的开发及系统的维护更为简单、快捷。 1 c x p 编程软件的主要功能 c x p 编程软件可以实现梯形图或语句表的编程、编译检查程序、程序和数 据的上载及下载、设簧p l c 的设定区、对p l c 的运行状态或内存数据进行监控 镕忍栏t 控自i ，菜4 攘 目叵匪- 墨雷口蜀墨 盈曩圆墨蕾妇 日0 。 db 口毋血* b ? t qq 日b * i o 口口 l 一“r i 善嚣。= ，：。! 二 l ! 里! ! ! ! 兰；乎j ? 酗2 4c x p 编样软什界 删l ! 厂一 一| 1 | i | nnr l 】嘲 面 天津1 i 业入学硕十学位论文 和测试、打印程序清单、文档管理等功能。c x p 编程软件界面如图2 4 所示。 2 系统要求 运行c x p 编程软件的计算机系统要求如表2 - 1 所示。 表2 1 系统要求 c p up e n t i u m 以上的微处理器、土频9 0 兆赫以上 内存 1 6 m b 以上 硬盘4 0 m b 以上 操作系统w i n d o w s9 5 以上，或w i n d o w sn t4 0s e r v i c ep a c k3 以上 计算机 i b m p c 及兼容机 3 组态软件的选用 在现在的市场经济环境下，自动化控制方面的软件品种众多，选择一个性能 优良的组态软件对于整个控制管理系统的成功开发、方便调试、可靠运行至关重 要。监控画面的建立、报警串口的设计、实时曲线和历史曲线、数据报表、参数 设定等方面进行设计。随着p l c 等控制器在我国大范围的应用，工业控制机和 组态软件也随之纷纷推出，功能更强大，运行更稳定。由北京亚控自动化软件科 技有限公司推出的组念王6 5 3 版，己经成功地应用于钢铁、化工、电力、国家 粮库、邮电通讯、环保、水处理、冶金等各行业，也成功地应用于国防航空、航 天等重大领域。鉴于北京亚控公司的组态王专业自动化软件在许多地方有培训和 售后服务，而且能免费提供6 4 点l 徊配置以方便丌发使用。所以本课题在丌发 硫酸生产的监控画面流程时采用了组态王6 5 3 版。 2 3 1 组态软件发展 1 开放性技术 自动化软件正逐渐成为坍作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用 户还是硬件供应商都将自动化软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就 要求自动化软件大量采用“标准化技术”，如o p c 、d d e 、a c t i v e x 控件、 c o m d c o m 等，这样使得自动化软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用 户特殊需要时，用户可以根据自己的需要进行二次开发m 训。自动化软件采用标 准化技术还便于将局部的功能进行互连。在全厂范围内，不同厂家的自动化软件 也可以实现互连。 2 构造全厂信息平台 大型数据库技术的r 益成熟，全球丰要的自动化厂商己经发展了相关平台， 使自动化软件向着生产制造和管理的信息系统的方向发展。自动化软件己经成为 第二章硫酸生产控制系统的总体结构 构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业信息化进程中，自动 化软件将成为中间站，因为自动化软件厂商在既了解企业工艺、控制、生产制造 需求，又能完成现场历史数据的记录、存储及为e r p 提供生产实时数据方面有 着得天独厚的优势n 引。 3 无线的人机界面解决方案 数字终端己具备越来越强的功能和智能化，蓝牙技术发展迅速，据专家预测， 其未来的传输距离可达l o o m ，另外，以x m l 为基础的w m l 语言标准已经建 立。这些技术的发展为无线的人机界面解决方案提供了先决条件。和其他技术相 比，无线的人机界面能够以更低的费用，更快的连接、更容易地获取重要的生产 信息，像紧急报警、重要事件、生产过程中的重要参数等等。典型的无线w e b 产品由手持式p c 和预装的h m i 客户端软件组成。 4 以客户为导向的软件设计 如何站在客户的角度来设计软件是所有自动化软件厂商都应面对的挑战，自 动化软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块， 保持不同模块的一致性，能有效地减少用户学习的时间坦1 。相同的数据结构也 便于产品在企业内集成。这种一致性不仅表现在外观和感受上，还表现在兼容性、 平台、编程工具、数据访问、控制引擎、e b u s i n e s s 等诸多方面。 2 3 2 组态王 1 组态王的组成 组态王是在流行的p c 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包 ( 适用于i b m 5 8 6 以上的微型机及兼容机；配有v g a 、s v g a 以及支持 w i n d o w s 2 5 6 色的图形卡：主频1 0 0 m h z 以上，内存不少3 2 兆；它以w i n d o w s 9 8 、 或者w i n d o w sx p 中文操作系统作为其操作平台，充分利用了w i n d o w s 图形功 能完备、界面一致性好的特点) 。它使采用p c 机丌发的系统工程比以往使用专 用机丌发的工业控制系统更有优越性，大大减少了工控软件开发者的重复性工 作，并可运用p c 机丰富的软件资源进行二次开发3 1 。 组态王软件包由工程管理器( p r o j m a n a g e r ) 、工程浏览器( t o u c h e x p l o r e r ) 和画面运行系统( t o u c h v i e w ) 三部分组成。工程管理器用于新建工程、工程管 理等。工程浏览器内嵌画面开发系统，即组念王开发系统。工程浏览器和画面运 行系统是各自独立的w i n d o w s 应用程序，两者又相互依存，在工程浏览器的丌 发系统中设计丌发的应用程序必须在画面运行系统运行环境中才能运行。 2 组态王的特点 分布式系统，真正的瘦客户端模式。支持双机热备，双网热备，系统可靠性 天津：i ：业人学硕十学位论文 高。能够实时显示数据，保存历史数据，历史数据查询，显示趋势曲线。声光报 警功能，可以添加e m a i l 报警、短信报警等功能。支持各个主要厂家的p l c ，支 持多种通讯方式，选择灵活。多级用户管理，具有多种事件记录功能，比如登陆 记录、操作记录等。打印报表功能们。支持各种数据库，s q ls e r v e r 、o r a c l e ， 另外还可以选择亚控自行研发的实时数据库k i n gh i s t o r i a n 来保存数据。支持 g p r s 通信，支持国内上百种d t u 终端。 4 系统安全可靠性 过程控制计算机系统不同于一般的用于科学计算或管理的计算机系统，它的 工作环境比较恶劣，现场的各种干扰随时威胁着系统的正常运行，而且它所承担 的整个工艺流程控制管理的任务是不允许出现影响生产的故障，如果一旦出现系 统瘫痪，轻者影响生产，重者造成事故。因此，在对系统的实际设计过程中要把 安全可靠性放在首位聊“引。整个工程设计对系统的安全可靠性分别从整个系统硬 件、软件及现场的执行机构等方面综合考虑，下面将加以简略说明。 1 硬件设计采用冗余技术，电源的冗余，系统采用分布式电源，每一对电 源模块给一列l o 模块供电，一个电源模块故障时不影响系统的j 下常运行，同时 整个系统供电采用u p s 供电。 2 监控设备冗余设置，采用多台工控机通过交换机和执行机构进行数据通 讯，每台工控机的地位都是平等的，互为备份，互为冗余。冗余的工控机在运行 时能保持数据的完全同步。 3 系统根据工程的实际需要设定了如工程师、操作员和监视员级别不等的 权限，对不同的权限赋予不同的操作对象和不同的可视范围，提高了系统的操作 安全性。 4 对于每一个控制回路的作用方式和执行机构气丌式或者气关式的设计选 择都从工艺安全的角度给予了合理的实际考虑。 第二章系统数据通讯 第三章系统数据通讯 p l c 产品在世界的应用非常快，领域也越来越广，p l c 有向大型化方向发 展的趋势，往大的方向发展就是网络化n 引。计算机网络技术的发展以及各个企业 对工厂自动化程度要求的不断提高，自动控制也从传统的集中式向分布式方向发 展。为了适应这种形辫的发展，泄界各p l c 生产厂家纷纷给自己的产，i 曾j j 【j 通 信及网络的功能，研制歼发出自己的p l c 网络系统。现在即使是微型和小型的 p l c 也都具有网络通信接口。今后网络总的发展趋势是向高速、多层次、大信息 吞吐量、高可靠性和开放式的方向发展，而p l c 的发展也必然紧跟这一趋辨。 现在的p l c 网络既可以使用双绞线连接，又可以使用光纤连接，不仅速度快， 传输距离长，而且抗干扰能力强。这种发展趋势下的p l c 可以说在某种程度上 代替原来的一些控制系统或者比原来的控制系统上更先进。今后p l c 向大型网 络化发展是一大趋势。 3 1 通讯方式简介 3 1 1 无协议通信 1 概要 无协议通信，即不使用固定协议，不经过数据转换、通过通信端口输入输出 指令( t x d 、x d 指令) 发送接收数据的功能。 发 图3 1p l cc p u 单元进行无协议通信示意图 这种睛况下，通过p l c 系统设定将串行端口的串行通信模式设为无协议通 信。通过该无程序通信，与带有r s 2 3 2 c 端口或r s 一4 2 2 a 4 8 5 端口的通用外部 设备问按照t x d 、r x d 指令进行单方地发送接收数据。即可进行如图3 1 所示 天津丁业人学硕十学位论文 的无协议通信，可进行来自条形码阅读器的数据输入及向打印机的数据输出等的 简单的数据发送接收。无协议通信功能介绍如表3 - 1 所示。 表3 - 1 无协议通讯功能 发送接收数据的流 方法 最人数据桢形式其他的功能 动 长度开始代码结求代码 数据发送 p l c 一通用程序2 5 6 字节 f 有j r 有j发送延迟时间 外部设备 上的 ( 0 0 f f f 0 0 f f ( 从t x d 指令 t x d h e x ) 或h e x ) 、或 执行、剑实际的 指令 f 无j c r + l f 、 指定端u 剑数 执行 戏无j据发送为钓 ( 无j 的时f h j ) ：0 时候，接9 9 9 9 0 m s ( 1 0 m s 收数据长 单位) r s 、e r 度用l 信号的控制 数据接收通用外部程序2 5 6 字1 ，2 5 6 字节c s 、d r 信 设备一p l c上的米指定)号的监控 r x d 指令 执行 2 协议通信时发送接收的消息桢 开始代码及结束代码之问的数据用t x d