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南京理工大学硕士论文电厂输煤监控监督系统 摘要 本论文针对电厂输煤作业研制了一套监控监督系统该系统主要用于实现对底层 设备的数据采集、报警、远程控制以及上层的查询、记录、管理。该监控监督系统具 有实时性好、安全、可靠，友好的人机界面等优点。二 论文首先在需求分析的基础上，结合系统的实际特点进行了系统的总体设计依 据集散控制系统的思想，将系统分成4 层，即设备层，现场层，监控层，监督层。并 对这几个部分进行分别介绍。然后依照功能，将软件部分分为3 个模块：监控软件、 转发中心、监督软件，并用时序图描述它们之间的关系。围绕这几个模块，在后面章 节中，本文详细的说明了它们实现的功能以及在系统中的地位，并且着重分析了程序 设计中比较关键的线程池、网络多播、数据库技术、权限管理、加密算法、平台调用、 环行队列，线程同步。 关键词：集散控制系统，监控监督系统，多播，环行队列，线程同步 a b sa c t 硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m sa tar e m o t em o m t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf o rc o a lt r a n s p o r t i n gi nt h ep o w e r p l a n t t h ed a t aa n da l a r m i n go fd e v i c e si nb o r o ml a y e ra r ec o l l e c t e da n dr e c o r d e di nt o p l a y e rf o rf u g h e ra n a l y z es u c ha sq u e r y , d a t am a n a g e m e n t e t o t h es y s t e md e s c r i b e di nt h ep a p e ri sar e a l - t i m es y s t e ma n dh a st h ea d v a n t a g e so fs a f e t y , h i 曲r e l i a b i l i t ya n df r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h er e q u i r e m e n t sa r ea n a l y z e df i r s t l ya n dt h e no v e r a l ld e s i g ni sg i v e no u to nt h eb a s i so f m ea c t u a lc h a r a c t e r b a s e do l lt h ei d e ao fd c s t h es y s t e mw a sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ： e q u i p m e n tl a y e r l o c a l el a y e r , m o m t o rl a y e r , s u p e r v i s el a y e r t h e n t h e s ep a r t sa r e i n t r o d u c e ds e p a r a t e l y a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fs y s t e m , t h es o f t w a r ep a r ti sd i v i d e di n t o t h e s et h r e ep a r t s ：t h em o n i t o rs o f t w a r e ，d a t as e r v i c ec e n t e r , t h es u p e r v i s es o f t w a r e a n d t i m es e r i e sc h a r ti su s e dt oe x p l a i nt h ec o n n e c t i o no ft h e m i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ， s u r r o u n d i n gt h e s em o d u l e s ，t h ef u n c t i o nw h i c hi sr e a l i z e da n dt h ei n l p o r t a n c ei nt h es y s t e m i se x p l a i n e di nd e t a i l i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h er e l a t e da l g o r i t h m ss u c ha st h r e a dp o o l ， 一m u l t i c a s ti nn e t w o r k ，d a t a b a s e ，m a n a g e m e n to fa u t h o r i t y , a l g o r i t h mo fe n c r y p t , c y c l e q u e u e ，s y n c h r o n i z a t i o no f t h r e a d sa l ei n t r o d u c e d 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 ，m o n i t o ra n ds u p e r v i s es y s t e m ，m u l t i c a s t c y c l eq u e u e - s y n c h r o n i z a t i o no f t h r e a d s n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：五橐沙。g 年7 月2 目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：垂勇劫石年阳2 日 南京理工大学硕士论文电厂输煤监控监督系统 l 绪论 l1 课题背景 企业的生产包括“产二_ 供一销”和“人一财一物”两条主线的生产活动。产即指 生产，它是整个企业生产活动的基础。 本文以江苏谏壁电厂燃料公司生产系统为对象，开发了电厂输煤监控监督系统。 该系统能够采集输煤生产过程的实时动态，使操作人员及时掌握生产设备实时运行 状态并利用这个系统敏捷快速组织生产、迅速响应生产过程中发生的设备故障，为生 产调度、科学决策提供了可靠的数学依据。 本质上，输煤监控监督系统集散控制系统d e s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 与基础生产管理系统p m s ( p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 的集成系统。 d c s 与p m s 集成正在逐渐被人们所认识和重视，已经成为工厂自动化发展的重 要趋势。 d c s 采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产 管理级组成的一个以计算机网络为纽带的集中控制和管理相对分散的实用系统”。它 具有如下特点： 自主性 系统上各工作站通过网络接口连接起来的，独立自主地完成自己的任务，且 各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载。 协调性 实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间从总体功能 。及优化处理方面具有充分的协调性。 实时性 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，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线 维修。 可靠性 高可靠性是d c s 的生命力所在，即能够实现功能的分散和冗余以确保“部分 不影响整体”，能够实现对运行和维护人员以及其他进入系统人员的有效控 制。 开放性 绪论硕士学位论文 d c s 的开放性体现在系统的可扩展性。硬件和软件采用开放式、标准化设计、 系统积木式结构，灵活的配置可适应不同用户的需要。系统中各个子系统不 在信息封闭的信息“孤岛”，所有生产工艺、生产流程、设备状态信息可以在 系统中各个子系统中畅通流动。 友好性! d c s 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员，采用实用 而简捷的人机会话系统。 7 正是由于d s c 系统上述的特性，为d c s 与p m s 集成提供了坚实的基础支撑。 d c s 已经历了三代。1 9 7 5 年h o n y w e l l 公司推出的t d c 2 0 0 0 集散控制系统是一 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 r t 的操作站相连接，互相协调，起实施实时工 业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从而危险性也分散。在 此期间世界各国相继推出了自己的第一代d c s 。第二代产品在原来产品的基础上， 进一步提高了可靠性，新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等技术 更完善了d c s 。其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级 模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和可扩充性。控制功能更加完善，它能实 现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。第三代产品开发了高一层次的信 息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统通信，向上能与m a p 和e t h e m e t 接口或者通过网间连接器与其它网络联系，构成复合管理系统；向下支持现场总线， 它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据 通信。过程控制组态采用c a d 方法，使其更直观方便，实现自整定功能。 9 0 年代工厂自动化要求各种设备( 计算机、d c s 、单回路调节器、p l c 等) 之间的 通信能力加强，以便构成大系统。开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算 机进行数据交换，实现计算机集成生产系统。在大型d c s 进一步完善和提高的同时， 发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技 术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智能 p i d 自整定控制、智能人机接口，以至于智能d c s 。总的发展趋势可体现在如下几个 方面：各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的d c s 与其他厂商的产品很 容易地联网；大力发展和完善d e s 的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系 统联结在一起，形成管控一体的产品；高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用 容错技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如 2 南京理工大学硕士论文电厂输煤监控监督系统 自整定、自适应、最优、模糊控制等：在系统规模和结构上，形成由d , n 大的产品， 以适应不同规模的需求。 目前的集散控制系统中，d c s 系统的功能己不再局限于生产过程的控制，整个 工厂、集团公司的管理工作也将在d c s 系统中得到应有的位置，全厂的信息集成和 管理已经提到了一定的高度。d c s 的结构将受到上下肢解，上层工作站将与c i p s 紧 密结合，d c s 将演变成c i p s 的低层部分；一在现场级，现场总线的应用将使传统的 d c si o 结构彻底改变。现场总线将对自控领域带来深亥影响，工业控制系统的体 系结构将以统一的现场总线为纽带构成，现场控制系统( f c s ) 将是2 1 世纪的开放控制 系统。 因此，今后的集散控制系统将向两个方向发展，一个方向是向上发展，即向计算 机集成控制系统( c 蹦s ) 发展；另一个方向是向下发展，即向现场总线控制系统( f c s ) 发展1 2 1 。 1 3 论文的主要工作 本论文源于江苏谏壁发电有限公司监控监督系统的实际工程项目。主要完成以下 几方面的工作： ( 1 ) 对系统要求进行总体分析，明确系统要实现的各种功能，在此基础上探讨 并确定开发过程中所要采用的关键技术。 ( 2 ) 对系统进行功能模块划分、明确各个模块需要完成的功能以及需要满足的 数据要求 ( 3 ) 确定了合适于系统通信协议 ( 4 ) 根据系统的需求设计了系统数据库。 ( 5 ) 运用n e t 技术实现输煤监控监督系统。 1 4 小结 在本章中描述了论文的背景和集散控制系统的特点以及现今的发展情况，并简要 说明了论文的所要完成的主要工作。 3 南京理工大学硕士论文 电厂输煤监控监督系统 2 系统分析和总体设计 2 1 系统简介 江苏谏壁电厂输煤监控监督系统应考虑从卸船机卸煤经输煤皮带到电厂煤仓间 配煤、从卸船机卸煤到煤场堆煤以及从煤场取煤到煤仓问配煤全过程的控审“监视、 报警、显示、计量功能弗充分考虑系统的可扩展性。 输煤监控主要对象有：皮带，斗轮堆取料机，电磁除铁器，碎煤机，滚轴筛，电 动分煤器，卸船机，刮水器，取样装置，电子皮带称，实物标定装置( 取样器) ，振 动器，除尘器，煤仓等设备。图2 1 给出了该厂输煤皮带、分煤器的平面布局结构。 骨 图2 1 现场布局结构图 5 1，i ” jl 0 卜 。一一 互竺堑翌璺箜丝生 一- _ _ _ - _ ，- 一 2 。系统流程 电厂输煤系统的任务是卸煤、储煤和上煤，虽说随着装机容量的不同而有所区别， 但主要的内容是这些。输煤程控系统就是对电厂输煤系统的设备进行控制，使其按照 电厂工艺流程要求的顺序工作。 ， 卸煤：电厂来煤由大型运煤船煤经长江将煤运到电厂在江边专用煤码头后，用卸 船机将煤从船上卸下，由皮带传输到煤场或者直接传输到煤仓。卸煤操作使用除铁器、 电子皮带秤。 储煤：有时根据生产要求从煤码头卸下的煤存储到煤场里，这部分的工作是由皮 带运输机和斗轮机来完成的。 上煤：煤从煤码头直供或从煤场转供，经过皮带给煤机、皮带运输机的传送，再 经过碎煤机室，最后到锅炉前的煤仓。 上述过程中根据选定的输煤顺序，实现皮带运输机的自动启停和运行联锁保护。 2 3 系统硬件组成 2 3 1 输煤程控系统配置 一 如下图2 2 的系统结构图所示，本监控监督系统主要由计算机网络部分、p l c 及 其远程站部分、监控部分、就地控制部分、皮带保护部分和煤仓部分组成。 根据实际的应用规模，本系统采用多级集数控制结构，有现场直接控制级、过程 控制级，生产管理级组成。 整套控制系统包括由以下主要设备： 上位机系统p l c 柜远程i o 柜 主控系统利用眦对整个输煤系统中的设备进行数据采集和控制，并通过上位 机的人机接口对系统发出控制命令，同时系统中各设备的运行状态信息在上位机c r t 上直观、动态地显示出来。上位机和p 【c 之间通过数据通讯接口进行通讯。主控室 中的主控计算机是整个系统的数据存储和信息交换的中心，用于存储监控系统和管理 系统的各类数据信息，系统通过主控计算机以太网桥接入厂级信息管理系统( m i s ) 。 6 南京理工大学硕士论文 电厂输煤监控监督系统 p i o 向b 伍 网 、 ! 一一一一一一一一一一一一一一一一一j 、图2 2 系统结构图 如下图2 3 所示，现场设备层采用标准的现场总线协议，设备控制层采用标准的 p r o f i b u s d p 协议，设备控制层和监控层之间也使用标准的协议，监控层和监督层也 采用的是标准的i p 协议。这些都采用的是标准的协议，因而扩展起来比较方便，只 要选择的软硬件支持这种协议即可。总的说来，这种分层式结构中容括了标准协议的 系统很好的满足了上述的可扩展性。 7 系统分析和总体设计硕士学位论文 u 口 一n爿甲 l 甲申凶 由由制 图2 3 系统功能层次图 在上图中，监控端接收p l c 传上来的数据，发送给服务器端，并由服务器转发 给监督端。而监督端的调度指令也是经由服务器的转发而传送至监控端。在这一系列 的过程中，监督层和监控层之间都未直接连接在一起，都是通过服务器的过渡来实现 两者之间的联系的。 2 3 2 主控系统配置 主控计算机系统由两台西门子箱式p c8 4 0 工控机、两台2 l ”大屏幕显示器、两 台打印机、u p s 电源、组合式主控操作台等组成。工业控制计算机是标准化的工控产 品，完全适应于恶劣的工作条件。采用以计算机为核心的主控系统完全取代主令开关、 按钮的流程启停方式和以镶嵌模拟屏的运行状态显示方式。 采用配置完全相同的两台工控机，其功能如下： 在正常情况下，双机都可作为系统状态监视，即可分画面双屏监视，但只有一台 主机为监控主机，所有操作命令：如流程选择，设备启停等，只能由这台监控主机进 行下发，同时把接收到的数据转发给请求的监督系统；而另一主机作为监视管理机使 用。 、 在监控主机故障时，可以切换原监视管理机为监控主机替代控制工作，所有控制 功能和监视功能不受影响。这种双机互为备份的关系，是可以由操作者自身定义的。 8 电厂输煤监控监督系统 e 时，切换可以在系统运行的任何时刻进行。即当主系统设备运行或停止时双机角色 可以互换，不影响原有的控制和操作。 两台工控机完成监控监督职责的同时存储档案资料、参数资料、运行数据、历史 毵旗、运行日志等数据，是整个监控监督系统的信息核心，通过网桥与全厂信息管理 系统( m i s ) 网络连结，既保证了全厂的信息共享，又保证了输煤监控监督系统的相 对独立。 。 一 主控计算机 ； 主控计算机选用西门子箱式p c8 4 0 工控机，。它具有较强的防尘和抗干扰性能， 可以不问断地长期稳定工作，是一种理想的上位工控机，且易于维修。 主控服务器 。 用于存储档案资料、参数资料、运行数据、历史数据、运行日志等数据，是输煤 程控系统管理业务的中心，故在事务处理性能、可靠性、可用性、可扩充性等方面对 他都有较高的要求，根据目前对输煤程控系统管理系统数据量的估算，考虑到系统备 份，要求其硬盘容量应不少于2 0 g b 。 2 3 3 现场控制系统配置 t 现场控制系统是隶属主控系统又相对独立的智能控制系统，它接收主控机下发的 参数设定、运行指令，并以预订的方式对输煤系统进行控制。这样，既保障了全系统 的集中监控管理，又保证了各种保护的是实时性，真正做到了分散控制，集中管理。 现场控制系统选用s 7 3 0 0 扩展出多个p l ci o 站，每个i o 站负责几个设备，p l c 通过对i o 站对底层的设备进行控制、数据采集等。 2 4 系统软件组成 生产管理，监督 转发中心 监控系绩 p l c 控制程序 现场设备 图2 4 软件层次图 9 硕士学位论文 图2 4 的软件层次图展现了系统中各个成份之间的关系。其中p l c 控制程序存储 在p l c 中，直接控制现场设备。监控系统接收p l c 传过来的数据把它发送给转发中 心，同时发送控制指令通过p l c 实现对现场设备的控制。数据中心接收数据包，存 储在本地，并将数据转发给监督端。监督端直观的查看设备的状态，并且发送调度指 令至转发中心。转发中心存储该指令并发送到监控端，由监控端的操作人员手动的执 行安排输煤线路。整个系统的生产管理由主控计算机和其他监督计算机以及转发中心 完成。由上图可知，本软件组成主要集中在监控层和监督层。其中监控软件安装在监 控层，监督软件和转发中心在监督层。层与层之间按照一定的协议进行信息的交互。 监控软件主管系统的控制功能，转发中心作为系统的数据中心，对系统的数据进行管 理，监督系统在监督端实现系统的监督功能。 2 毛l 监控软件 监控系统是整个系统的控制中心，它一方面收集各被监控设备的运行情况，并把 它们传递给转发中心，记录各种报警参数，提供直观的流程界面和监控界面，提供生 产数据、操作参数的输入与查询等功能，同时通过现场总线与现场控制系统实现数据 交换与控制；另一方面监控系统还接收转发中心传递来自监督系统的调度指令，在监 控系统上，手动的安排煤程的传输线路，并把指令发送到底层p l c 上面。 2 t 2 转发中心 转发中心是整个系统的数据中心。它把监控系统收集来的各被监控设备的数据转 发给所有的监督端，并把监督端的调度指令转发到控制中心，为其提供历史数据的查 询，历史调度命令的记录和查询，实现过时信息的清除( 删除3 个月之前的历史数据) ， 同时，还承担着系统权限管理的职责。转发中心把来自监控系统的数据进行本地存储， 以作为系统数据备份，当监控系统的数据由于不可恢复的原因而被破坏，可以直接将 转发中心的数据拷贝过去。总而言之，转发中心的出现使系统的权责更加明确，同时 也增强了系统信息的安全性，在一定程度上减轻了监控系统的压力。 2 毛3 监督软件 监督系统从功能上来看，很大程度上可以看作监控系统的子集，但还是包含其他 一些功能。它接收来自转发中心的数据，工作人员通过其来查看底层各设备的运行情 况，并且直观的界面让操作人员易于上手。当然，作为监督系统，历史数据的查询显 然是必不可少的。系统提供了实时趋势图、历史趋势图，这些给管理、维修人员提供 1 0 南京理工大学硕士论文 电厂输煤监控监督系统 了不少便利。系统还通过权限管理，给总调度提供了发送调度指令的功能，即总调度 可以通过发送调度指令给控制端，由控制端的工作人员根据指令，手动韵安排输煤线 路。而且，工作人员可以在厂内任何一台装了监督平台的计算机上查看底层的各个设 备的工作状态。 2 屯4 信息流向说明一 如图2 5 所示，在下面的时序图中说明下三者之间的信息流向。 底层1 2 个p l c 模块( s l a v e ) 每个负责几个皮带和其他设备，并负责其上的数据 收集和控制。在其上一层由2 个p l c ( 一个是主控制p ie ，另一个为辅控p i e ) 负 责处理1 2 个s l a v e 收集上来的数据，并通过现场总线传输给控制系统。控制系统接 收到数据包以后进行相应的数据处理( 流程查看、报警、记录设备异常情况等功能) ， 控制人员通过查看数据，发送指令给主控p i e ，使其执行控制指令( 如皮带急停，及 时启动响应的流程等) 。另一方面，监控系统接受转发中，t l , 的连接请求，向其发送底 层传送上来的数据包。 转发中心作为系统的数据中心，完成了以下几个功能： ( 1 ) 系统数据的备份。 ( 2 ) 进行数据转发( 包括监控中心发送来的数据包和监督系统中由总调度发 送的调度指令) 。 ( 3 ) 实现监督系统的管理验证。 这样把控制部分和数据管理部分分开，在很大程度上减轻了控制系统的工作压 力。转发中心接收监控系统的数据包，将其存储在本地数据库。当监督系统有连入请 求时，首先进行权限管理验证，若通过验证则将其加入到多播组内，直接向组地址发 送数据包。监督系统接收到数据后进行一定的数据处理，便可以查看实时数据、当前 流程以及各个设备的运行情况。若监督系统要查看历史数据，首先，查看本地数据库， 检查数据是否完备，若不完备，进行数据更新，从转发中心下载数据，并在完成后查 看历史运行曲线。而监督系统的总调度在通过权限验证后，可以向转发中心发送调度 指令，转发中心存储调度命令，再将命令转发到监控系统。当监控系统的操作人员收 到指令后，根据实际情况，安排合适的流程，并发送指令由底层的p i e 执行或回复 消息给转发中，i l , 说明命令不能执行的原因。 n 至! 堑塑璺苎墨生 要主兰竺丝兰一 图2 5 监控监督系统时序图 塑塞里三茎兰婴主堡苎 鱼堕堡些丝些! ! ! ! 墨一 2 5 本章小结 本章对监控监督系统进行了总体分析，依据集散控制系统的思想，对系统进行分 层。然后对软件部分进行功能分块，对各个模块进行了详细概述，并且描述了它们之 间的信息流向关系，说明了它们在整个系统中的作用和地位。 南京理工大学硕士论文 电厂输馔监控监督系统 3 监控软件的设计 3 1 监控系统简介及需求分析 ，如图3 1 的现场示意图所示，本输煤系统有多条输煤流程，包括皮带机、蝶阀、 除铁器、挡板、滚动筛、碎煤机等设备。输煤系统在电厂中有着极为重要的地位，一 旦不能正常工作，发电就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性，输煤系统采用自 动( 联锁) 、手动( 单机) 两种控制方式，自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤现 场环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行输煤设备的现场控制功能 由p l c 实现，设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故记录功能则由上级工业控制计 算机完成。仪表盘上设有各个设备的启、停按钮，还有为p l c 提供输入信号的控制 开关。 图3 1 系统现场示葸图 为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求： 供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控 制；输煤启动时要求，现场所有的就地控制箱的控制方式选择开关应打在“自动，远程” 上，相关的电机应备妥，所有紧急开关应该全部复位应该按逆煤流的方向顺序启动 各个皮带运输机，当所有的设备都正常启动后，江边的卸船机或煤场的斗轮机才开始 它的作业；输煤停止时要求，先停止江边的卸船机或煤场斗轮机的作业( 先停掉煤源) ， 硕士学位论文 然后按顺煤流的方向停运皮带运输机，此时的皮带运输机在停止前应有一段延时，以 便跑空皮带上剩余的残煤。在下列紧急情况下，输煤系统所有设备均带煤停止：按下 操作台的“紧急停止按钮、拉绳开关动作、皮带跑偏、打滑、撕裂、超载，以及转运 站堵煤。各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔( 延时) 。启动延时统一设定 为1 2 s 。 停车延时按设备的不同要求而设定，分为1 0 s 、2 0 s 、3 0 s 、4 0 s 、6 0 s 几种，以一 保证停车时破碎机为空载状态，各输煤皮带上无剩余煤。 运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其前方( 指 供料方向) 设备也立即停车，其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车。 各输煤皮带设有双向跑偏开关，跑偏1 5 度时发出告警信号，跑偏3 0 度时告 警并自动停车。 可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交 叉供煤方式。 可显示各机电设备运行状况，并对输煤过程有关情况( 报警、自动停机等) 做 出实时记录。 系统的可靠性。即当底层有设备损坏时应不影响上层软件的运行，且如果上 位机的死机也不应该影响底层设备的运行。 1 本监控监督系统很好的满足了上面的要求。它收集各被监控设备的各种运行情 况，记录各种报警参数，提供直观的流程界面和监控界面，并提供生产数据、操作参 数的输入与查询等功能。同时通过以太网络与现场控制系统实现数据交换与控制。 3 2 控制系统现场级 现场设备层主要功能是连接现场设备，如分散式i o 、传感器、执行机构、开关 设备；完成现场设备控制及设备间联锁控制，如几条皮带运行时的联锁控制。主p l c 负责总线通信及所有从站的通信。总线上所有设备控制程序存储在主站中，并分配给 下层的p i c 执行。 、 系统的现场设备包括有：皮带和斗轮堆取料机、电磁除铁器、碎煤机、滚轴筛分 煤器、除尘器、除铁器、分离器。 如图3 2 设备层和现场控制层的交互图所示，现场的设备控制由1 4 个p l c 模块、 完成，其中1 2 个s l a v e 分散在系统的各个部位，通过双向的光纤相连到p l c 控制器 的i o 接口上，2 个m a s t e rp l c 负责控制( 主控p l c 和辅控p l c ，由它们组成双冗 控制) ，其中辅控p l c 作为主控p l c 的备份，再由主控p l c 通过d p 协议把信息由 4 8 5 端口传送给上层的主控计算机。 1 6 南京理工大学硕士论文电厂输煤监控监督系统 x 条皮带 图3 2 现场控制层略图 为确保安全运行，系统对被控设备设置各种检测和保护功能。在输煤综合楼设置 全厂输煤集中监控室，考虑到电厂的输煤程控控制对象比较分散，在码头、煤场、煤 仓及运煤配电问等处设置远程i o 站。由于火电厂输煤系统运行条件恶劣，各类干扰 信号较多，集中控制系统与远程i l o 站问的通讯采用光缆。 奢 在现场的p l c 之间以及p l c 与监控计算机之间采用了p r o f i b u s d p 协议。 p r o f i b u s d p 协议使用了i s o o s i 七层通信标准模型第一层和第二层，这种精简的结 构保证了数据的高速发送，特别适合可编程控制器与现成分散的i o 设备之问的通 信。 1 7 兰一鏊堡塑堡兰 堡圭兰垡堡苎一 、 3 3 系统功能设计 图3 3 监控系统功能图 如上图3 3 功能图所示，本系统可实现发电厂输煤系统的输煤、配煤的自动化 由可编程控制器( p l c ) 、工业控制计算机、现场控制监测设备组成整体控制系统 包括给煤系统程序控制，输煤系统程序控制，配煤系统程序控制，故障监测及保护联 锁，运行方式的自动选择及仿真，运 亍，检修设置、单步，程控操作，条件配煤和时间 配煤，自动低位加仓和强制加仓。构成了皮带的自动上煤、煤仓自动配煤、计算机监 控工艺流程、运行参数画面提示、语音报警等功能。能够实现对整个输煤系统包括皮 南京理工大学项士论文电厂输煤监控监督系统 带电机、碎煤机、犁煤器、皮带秤、除铁器、速度信号、跑偏信号、煤流信号、堵煤 信号、撕裂信号、煤仓料位信号、除尘器等设备信号的控制与监测。 3 3 1 输煤功能 操作人员能在c r t 上对输送方式和控制方式进行选择，以实现对整个输煤系统 的设备进行控制，并动画显示整个联锁流程，以箭头的方式指示联锁操作顺序。 ，7 输煤系统具有程序控制、软手动控制和就地手动控制三种控制方式，三种方式可 以由运行人员根据生产的需要和设备的状态随意切换。 1 ) 程序控制方式： 一 程序控制方式是输煤系统的主要运行方式，分为自动启动与定时启动。自动启动 是根据现场出现低煤位信号后，系统按预先设置好的运行方式自动启动系统工作；定 时启动是根据每个班上煤的要求，在c r t 操作站上启动系统工作。 2 ) 软手动控制方式：分为联锁手动和解锁手动 联锁手动；在输煤控制室操作台上对现场设备按照选择的流程按逆煤流方向对 一的启动运行，按顺煤流方向一对一停机。 解锁手动：运行人员可随意启停设备( 这只可在对设备进行试验时采用) 。 3 ) 就地手动控制方式：在现场就地操作时的启动运行方式，通过现场切换开关 对设备的运行状态进行控制，仅作为调试或检修手段，此时主控室对设备不起控制作 用。 紧急情况下，可操作急停按钮，它将使现场所有运行中的受控设备( 除碎煤机延 时停机外) 立即停机， 3 3 2 配煤功能 将配煤系统设三种控制操作方式：程序控制操作、软手动控制操作、就地手动控 制操作。操作方式的选择由设在控制室的c r t 操作画面切换开关完成。 1 程序配煤方式：根据现场的需要分为条件配煤、时间配煤、自动跳仓和余煤配。 1 ) 条件配煤方式( 也即低煤位配煤) ：当有煤仓出现低煤位信号时，正常进 行的配煤煤斗停止配煤并记忆。先补低煤位仓直至低煤位消失，再按记 忆煤斗的正常顺序把煤仓逐个加到高煤位。当多个仓同时出现低煤位时， 对这些仓按从前向后的顺序进行轮换韵配煤，直至低煤位消失。 2 ) 时间配煤方式( 也即顺序配煤) ：从第一个原煤仓开始进行配煤，煤斗以 相同时间依次配煤，直到所有煤斗发出高煤位信号为止顺序配煤时如 有煤仓出现低煤位信号，则停止顺序配煤，优先给低煤位配煤。 1 9 监控软件的设计 硕士学位论文 3 ) 犁煤器、尾仓和检修仓设定：根据现场需要，在c r t 画面上可设定需检 修的煤仓和犁煤器。当遇到犁煤器或检修煤仓故障时，可自动跳过。当 设置煤仓为检修仓时，该仓犁煤器自动抬起，防止落煤，指定煤仓为尾 仓时，尾仓后的煤仓不再配煤。 2 软手动配煤方式： ， 在c r t 上对犁煤器一对一的进行抬落操作实施软手动配煤。 3 就地手动配煤方式： 通过现场控制箱，对相应的犁煤器一对一的抬落操作。 3 3 3 联锁保护 系统中可以同时定义4 个流程。所谓流程是指完成某一特定输煤作业所需设备的 集合。在流程中的设备具有联锁保护的功能。 如图3 4 所示，皮带1 ，2 ，3 从上游带下游顺序排列。当输煤系统开启时，如果 不对皮带的开启进行必要的控制，有可能上游的皮带已开启运煤，而下游的并未启动， 这样煤在未启动的机器上越积越多，最终压坏皮带以及其他设备。同样，在输煤系统 将要结束工作时或当一个输煤线路中某条皮带损坏对，也要进行类似的操作。 安全的联锁保护控制功能：系统中的输煤电机启停是有严格控制顺序的，彼此间 有相应的联锁互动关系。设备闻存在联锁，上端设备没运行，下端设备无法启动。下 端设备停止时，为防止堆煤，甚至损坏设备，上端设备会立即停止。联锁按下述方式 进行： a )启动时按逆煤流方向，从最后一条皮带( 及相关设备) 开始依次启动。直到第 一条皮带( 及相关设备) 启动后，才开始供煤。 b )停运时按顺煤流方向，先停供煤设备，然后从第一台至最后一台设备依次停止， 每台设备之间按预定的延时时间发停机命令，即要求前面设备的余煤清除后再停止其 运行。 c )故障时，故障点及其上端设备瞬时停机，故障点下端设备保持原工作状态不变， 待故障解除后，可以从故障点向上游重新启动设备，也可以在故障未解除时，从故障 点下游开始延时停设备。 这样，就保证了上煤传输的正常运行，避免了皮带上煤的堆积，也保护了皮带。 对于变频调速控制电机，由变频器控制。变频器的输出受控于p l c 的输出信号。控 制电机调速时，通过在上位界面点击相应设备符号弹出电机调频操作窗口，将输出给 定值写入p l c ，再经p l c 输出给变频器调节电机转速。整个系统的运行可以通过程 控自动启停，可以通过手动操作启停。在上位监控界面可以实现手自动操作切换。 南京理工大学硕士论文 电厂输攥监控监督系统 一、 7 ( 皮带3 ) 、_ 图3 4 皮带启停示意图 对于上图的皮带的启停动作的一些说明： 系统开启时启动顺序：皮带3 皮带2 皮带1 系统结束时的操作关闭顺序：皮带l 皮带2 皮带3 当皮带2 发生故障时，皮带关闭操作顺序：皮带l 皮带3 。 即当系统开动工作时，皮带由下游的开始到上游逐个打开；当系统结束工作时， 皮带有上游开始往下游进行关闭操作；系统发生故障时，其操作顺序与系统结束工作 的操作顺序类似。 3 3 4 自定义流程 集中程控方式按p l c 设置的程序，依据预先设置好的工艺流程启动设备。此方 式下要求工艺中涉及到的设备必须处在集中程控方式，当条件满足时，在程控工艺选 择画面中相应的工艺流程即为可用状态，集控室操作人员可选择相应的工艺流程，然 后启动流程，p l c 程序会自动的按照逆煤流依次启动流程中的相关设备，直至给煤机 输煤。设备间存在联锁，下端设备没运行，上端设备无法启动。下端设备停止时，为 防止堆煤，甚至损坏设备，上端设备会立即停止其具体联锁方式与集中单机联锁方 式相同。 、 集中程控方式应为主要运行方式，运行人员应能选择一个完整和合适路径，以便 将煤从煤场到煤仓。除非当选定合适的和完整的路径，且所有信号表明允许启动，并 显示表明路径选择成功( 准确) 后，允许运行人员使用“系统程控启动”命令来启动集 中程控运行，否则控制系统的逻辑应防止进入自动启动方式。 、 当通过系统逻辑或运行人员命令使正常系统停机时，运煤系统应按正确顺序清除 后停机。为防止损坏设备或危害人员安全，保护起动，或起动紧急停止装置，设备立 即停止。 2 1 监控软件的设计硬士学位论文 兰= 卜一 5 6 图3 5 皮带的自定义流程示意图 一 当4 - 2 1 的线路中皮带2 出现错误，需要进行检修时，首先按照上面描述的步骤 进行故障时的停机处理，然后为了系统能够继续运转下去，需要开启新的启动的线路。 因为在底层p l c 的控制下，把下层所有的设备看成一个设备集，每一个已经建 立的流程看成其总设备集的子集，这些子集内的元素之间就存在着联锁的关系，这些 都是在p l c 里面实现的，存在p l c 的内存里面。当需要新建一个新的流程时，首先 要做的是把原来的子集的元素解锁，然后建立新的一个子集，并建立新的联锁关系， 如图3 5 所示，定义新的流程5 石3 1 来代替原来的线路。： 3 3 5 故障诊断及处理 输煤系统设备多，工作环境恶劣。为保证系统运行的安全性和可靠性，系统在设 计上合理优化，采用了先进的控制系统及网络结构，现场各设备控制箱采用双层密封 箱体；选用高可靠性的继电器、接触器等组件，通过优化设计，大大减少了接点数， 从而减少了故障点，使设备的可靠性、安全性和可扩展性都大大提高。系统可对现场 故障信号及时捕捉、准确诊断，并对现场设备采取保护措施，实现了系统安全可靠的 运行。 1 、故障捕捉 输煤系统的故障判断是建立在实时监测基础上的。从性质划分有两类故障，一类 是可由现场检测开关状态判断的，如落煤管堵煤、皮带跑偏等，另一类则需通过软件 系统作相应的处理、分析才能够确定的，如犁煤器、挡板不到位故障等。对这两类故 障，软件系统都能及时捕捉并进行报警。 1 ) 直接开关状态故障信号的判断 直接由现场检测开关得到的故障信号有多种，包括输煤管堵煤、皮带轻度及重度 跑偏、皮带打滑、滚轴筛堵煤、煤仓及筒仓高或低煤位、现场拉绳开关闭合等。这些 信号状态产生后必须作相应的延时处理才可断定是否真的故障信号，以免误报。如皮 2 2 4 南京理工大学硕士论文 电厂输煤监控监督系统 带打滑故障的判断，因皮带在启动时速度是逐渐增大的，所以须在皮带运行状态存在 3 0 s 后再判断处理。延时处理一般在p i c 梯形控制逻辑图中实现。 2 ) 非开关状态信号故障的判断 此类故障是由p l c 控制逻辑判断或上位机监控软件分析获得的。包括：主要电 机电流越限或异常、煤仓或筒仓的高或低煤位( 依据连续料位计信号产生的) 、犁煤器 的抬落不到位、除铁器不到位、皮带重度打滑等。这种故障的捕捉在p l c 梯形逻辑 中实现，这样即使在上位监控机不工作时p l c 也可捕捉到所有故障。一旦有严重故 障发生，p l c 立即采取停止流程、停止相关设备等相应措施，防止故障进一步扩大， 保护设备的安全运行。 电机电流异常 输煤沿线设备很多，对主要设备要装设电流传感器和电流变送器监视马达电 流是否工作在正常状态，避免电机长时间工作在电流过大或过小状态，以致烧毁 电机。电流变送器输出的信号为4 2 0 m a 的模拟量，传输至p i _ c 模入模块。 电机电流越限 若皮带由金属钝器划破即皮带有撕裂故障发生时，则电机电流会出现突然超 大状况，此时必须立即停机。所以常以电机电流越限来判断是否皮带有撕裂发生。 皮带打滑 ， 皮带打滑故障是依据皮带测速仪的模拟信号而产生的。皮带的速度有设计的 正常运行值，若实测的速度信号值低于正常运行值的8 0 ，皮带则出现打滑现象， 严重打滑应立即停机，以免皮带严重磨损造成损失。 。 不到位 犁煤器和除铁器的不到位故障的诊断过程是相似的，是根据控制系统( 上位机 或p l c ) 发生切换命令的时间、丘广f ( 左，右) 限位开关断开时间和相对应的限位开 关闭合情况来分析、判断。一旦有不到位故障发生，则向相反方向切换设备，以 免该设备卡住而影响流程的启停或烧毁电机。 2 、故障报警 一 输煤系统运行过程中产生的故障类型很多，但处理方法不同，有的故障只需报警， 以提醒值班人员注意，如皮带轻跑偏、皮带电机电流越限、煤仓或筒仓高煤位等；对 严重故障，如皮带重跑偏、重打滑、撕裂、堵煤等，则必须立即停止故障设备，并通 过联锁停止其前级所有设备。故障报警采用声音( 喇叭、警铃、蜂鸣器) 等手段实现。 即利用多媒体技术合成语音通过扬声器播放发生的故障类型，并在c r t 上的报警窗 口显示故障发生时间、故障类型及判断的故障原因，故障信息上光带闪烁，同时模拟 屏上相应设备的灯光也闪烁，工业电视监视系统的画面自动切换至故障设备，然后进 行语音报警、故障记录储存和显示等。 2 3 监控软件的设计硕士学位论文 3 4 运行趋势的实现 在本系统中，运行趋势图接收数据，对数据进行解析，并进行必要的处理后在监 控界面上显示出来。运行趋势图作为系统的重要功能，相对单独的数据表示而言，有 着无与伦比的说服力，它能够提供给用户更加直观、方便的表达，有助于操作人员分 析被监控设备的运行情况，判断设备异常与否。在n e tf r a m e w o r k 里，m i c r o s o f t 提 供给用户一个专门用于图形编程的类库g d i + 。因为它是n e tf r a m e w o r k 的一部分， 所以也是面向对象的。g d i + 提供的工具可以在任何绘图表面上绘制“二维图”。这包 括绘制线条、许多图形和多边形、曲线，还有各种笔刷和画笔；还能进行许多类型的 转换，很轻松地创建复杂的效果。 3 。毛1 绘图策略 在绘图中用户主要关心的是绘图的质量、绘图的速度。影响绘图质量一方面是设 计人员的美工水平以及绘图的技巧；而绘图速度则由机器、数据处理的方法等决定。 任何绘图表面都有三个主要特性：界面的大小( 宽度和高度) ，像素分辨率和颜 色深度。这三个特性在确定方法调用如何影响绘图表面方面有至关重要的作用。 在系统时绘图中，用户关心的是最终的界面显示的图像，而并不在意后台运行的 实现。而且如果直接在前台画图得到的图像并不定会像期望的那样流畅。因此，在 系统