（控制理论与控制工程专业论文）聚合物配制站自动化控制系统设计及实现.pdf

矿6 5 7 4 8 0 中文摘要 中文摘要 本文针对油田生产过程中的聚合物配制站的生产工艺过程自动控 制，提出了我们的解决方案，并且在大庆油田第三采油厂北十四联合站 成功实现了数据的采集、生产过程的监测和自动控制。 聚合物生产过程中工艺复杂、测控点多、对控制精度和自控系统的 要求较高，为了满足以上要求，我们设计了由可编程逻辑控制器( p l c ) 构成的分散式控制系统。 聚合物配制站的分散装置部分是整个自控系统的中心环节，它控制 的好坏，直接影响整个系统的控制质量。这个部分存在不同程度的时变、 滞后现象，针对这一情况，本文设计了一种仿人智能策略的前馈加反馈 组合模糊控制器。这种控制器的最大特点是借鉴了人在控制大滞后对象 时的操作思路，着重解决对象的大滞后问题，但同时通过采用可调参数 的模糊控制器，以适应分散装置的非线性与时变性。采用仿人智能控制 策略协调系统的操作，在各种组合控制方式之问进行切换。通过调试阶 段的运行情况来看，这种控制方法是可行的。 聚合物配制站的清水供给系统中，水泵出口压力具有机理复杂、难 以建立精确的数学模型、纯滞后、工艺上要求频繁启停等特点，我们设 计了具有简单专家系统的模糊控制器，完全能够满足系统要求。 本文还介绍了控制系统可靠性设计原则及采用的方案，对于组态过 程也做了介绍。经现场调试及生产运行表明，聚合物配制站控制系统工 作稳定可靠，控制器算法能够满足各项控制要求。 关键词：聚合物配制站智能控制模糊控制器冗余 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i np r o d u c t p r o c e s so f o i lf i e l d ，t h e a r t i c l ep r e s e n t s0 1 1 i s o l u t i o ns c h e m e a b o u t p r o c e s s a u t o m a t i cc o n t r o lt h a ti su s e di nt h e p r o d u c tp r o c e s s o f p o l y m e r d i s p o s a l s t a t i o n w es u c c e s s f u l l yf i n i s hd a t a a c q u i r e ，p r o d u c t p r o c e s sm o n i t o r a n da u t o m a t i cc o n t r o li nt h en o r t hf o u r t e e na l l a ys t a t i o no f t h et h i r do i lr e c o v e r y p l a n ti nd a q i n g o i lf i e l d t h ep r o d u c tt e c h n o l o g yi s c o m p l e x t h e r ea r el o t s o fi n s p e c tp o i n t s t h e s y s t e md e m a n dp r e c i s ec o n t r o la n dh i g hr e l i a b i l i t y b e c a u s eo f a l lt h i s ， w e d e s i g nd i s p e r s a lc o n t r o ls y s t e mt h a ti sm a d eu po f p l c d i s p e r s a le q u i p m e n to fp o l y m e r d i s p o s a ls t a t i o ni sk e m e1o fe n t i r e s y s t e m w e l lo rb a d l yi tc a nb ec o n t r o l l e dt h a tw i l ld i r e c t l ye f f e c tc o n t r o l q u a l i t y i nt h i sp a r t ，i te x i s t sd i f f e r e n td e g r e et i m e v a r y i n ga n db i gl a g f o r t h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n e dak i n do ff u z z yc o n t r o l l e rc o m b i n e d f e e d _ f o r w a r da n df e e d b a c kb a s e do nc o n t r o l s t r a t e g ys i m u l a t i n gh u m a n i n t e l l i g e n c e t h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r eo f t h ec o n t r o l l e ri st h a ti ti m i t a t e s t h ec o n t r o li d e a so fh u m a nb e i n g sw h oh a v eb e e nm a n i p u l a t i n ga i l o b j e c t w i t hl a r g el a g i tm a i n l y e m p h a s i z e d o i lt h ep r o b l e m o f l a r g el a g ，b u t c o u l d b e a d a p t e d t on o n l i n e a ra n dt i m e - v a r yo fp hp r o c e s s t l 1 r o u g h am z 巧 c o n t r o l l e rw i t h a d j u s t a b l e o f p a r a m e t e r s ，a d o p t e d ac o n t r o l s t r a t e g y s i m u l a t i n gh u m a ni n t e l l i g e n c et oh a r m o n yw o r k so fs y s t e mb ys w i t c h i n g a m o n ge a c hc o n t r o lc o m b i n a t i o n a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o ni n s t a g eo f a d j u s t m e n t ，t h i sc o n t r o lm e t h o di sf e a s i b l e ， i na w a t e r 。s u p p l ys y s t e mo fp o l y m e r - d i s p o s a ls t a t i o n ，p r e s so fw a t e r 英文摘要 p u m ph a s f e a t u r e st h a ti ti s c o m p l i c a t e d ，d i f f i c u l t t os e t u pap r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，w i t h p u r el a ga n d w i t hf r e q u e n tr u n s t o ps w i t c h t h i s p a p e rd e s i g n e d ak i n do ff u z z yc o n t r o l l e rc o n t r o l l e db yas i m p l ee x p e r t s y s t e m i tc a ns a r i s f ya l lt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e m c o n t r 0 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e dr e l i a b l ed e s i g np r i n c i p l eo fc o n t r o ls y s t e ma n d a d o p t i o np r o j e c t a f t e ra d j u s t m e n ta n do p e r a t i o n ， i tc a nb es e e nt h a tt h e c o n t r o ls y s t e mo fp o l y m e rd i s p o s a ls t m i o ni ss t a b l ea n dr e l i a b l ea n dt h e a l g o r i t h mo f c o n t r o l l e rc a l lm e e ta l lt h er e q u i r e m e n t so f c o n t r 0 1 k e y w o r d s ：p o l y m e rd i s p o s a ls t a t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o l f u z z yc o n t r o l l e r r e d u n d a n c y - i “ 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 聚合物配制站介绍 石油是一种不可再生的资源，随着国民经济的高速发展，要求石油 工业提供越来越多的石油产品。对于已经开发的油田，一次和二次采油 的采收率较低，不能满足要求。因此，需要积极进行三次采油，聚合物 驱油就是一种最常用的提高原油采收率的三次采油方法。它是将聚合物 溶液做驱替液( 聚合物干粉与水的混合物) 注入地下，提高驱油效果。 国际上，这种方法能够在水驱开采后提高采收率8 左右【4 8 】。 国外以美国开展聚合物驱三次采油最多，但规模小，累计注入了3 万吨干粉，且目前已停止注入。因此，国外对注聚设备、注聚油田采油 设备及采出液处理设备均没有进行深入研究。 大庆油田开展聚合物驱油研究最早，经工艺试验表明，采用聚合物 驱油后可提高采收效率1 0 ，注1 吨干粉可增产原油1 5 0 吨的成果。采 用“集中配制、分散注入”的布局方案，聚合物配制站和聚合物注入站 是主要的生产单位。配制站的功能是生产保质、保量的混合液：聚合物 注入站的功能是根据地质要求将混合液注入地下。聚合物配制站担负着 油田大区块的聚合物混合液的生产任务，责任重大。 大庆、胜利、大港、河南等油田分别开展聚合物矿场试验。目前， 国产注聚合物设备能力最大为配液浓度5 0 0 0 p p m 。分散能力3 0 m 3 h 。“九 五”期间，大庆油田年注入干粉量达到5 万吨。需要再建新的配制站，改 造原有配制站的设备，提高分散能力，针对分散装置的控制系统也提出 了新的要求【4 9 】。 黑龙江大学硕士学位论文 为保证聚合物的驱油效果，提高配制混合液浓度的精确度。工艺对 控制系统提出两个基本要求：精确的混合液配比度，以使聚合物混合 液达到要求的表面张力和粘度系数；配制过程昼夜连续进行，否则达 不到提高采收率的效果。聚合物配制站控制系统需要针对这一工艺要求 设计。 聚合物配制站是聚合物注入过程的源头，它的运行好坏直接影响聚 合物注入过程的质量及注入量。一旦发生配比故障或停产事故，势必会 影响原油的采收率和原油的产量。因此，保证聚合物配制站的正常生产 已经成为聚驱区块生产中的重中之重，下面具体介绍一下聚合物配制系 统工艺。 聚合物配制站的工艺流程简图见附录一。聚合物干粉通过料斗及输 送部分在溶解罐中与清水进行初步的润湿和溶解，然后由输送泵将溶液 排入熟化罐中使其进一步充分溶解。这一过程称为聚合物的“熟化”，熟 化后的聚合物溶液称为“混合液”，混合液由转输泵经不同精度的过滤器 滤除杂质后再送入储罐中备用。高压外输泵将储罐的混合液以稳定的压 力输送到聚合物注入站，注入油层。 根掘聚合物配制站的工艺特点，将其分为四个子系统：清水供给 系统；聚合物溶液混配溶解系统( 分散系统) ：聚合物溶液熟化系统； 聚合物混合液的存储及外输系统。具体蜕明如下： 1 1 1 清水供给系统 清水供给部分负责整个聚合物配制站的生产供水和生活供水。根据 生产供水和生活供水需求情况，由人工或自控系统通过阀门的开、关及 水泵的变频调速，控制供给水量和供水压力，满足生产和生活用水。 第1 章绪论 1 ，1 2 聚合物溶液混配溶解系统 聚合物溶液混配溶解系统是整个配制站的生产核心，它主要完成干 粉和清水的混配任务，下面详细介绍一下这个系统。图1 1 所示为聚合 物分散装置的结构和工作原理图，它从总体上可分为三个部分：干粉 料斗部分；风力输送部分；溶解罐部分。详细说明如下： r ； 图1 1 聚合物分散装置的结构和工作原理图 黑龙江大学硕士学位论文 1 干粉料斗部分 该部分由干粉料斗、除尘器、振动器、料位开关、闸板阀、螺旋送 料器等部件组成，其功能为存储干粉，并按设定的工艺参数定量通过气 力输送系统提供聚合物干粉，用以配制一定浓度的聚合物溶液。送料量 的大小由螺旋送料器转速决定，通过变频调速器可以控制螺旋送料器转 速，以调节送料量。 2 风力输送部分 风力输送系统由鼓风机、射流器、电漏斗、物流监测仪和气输管线 等组成。其功能是把螺旋送料器输送出的干粉用风力沿气输管线输送至 水粉混合头，并使干粉充分分散，以利于干粉与水的混合。 3 溶解罐部分 溶解罐部分由溶解罐、电动球阀、调节阀、流量计、水粉混合头、 搅拌器、螺杆泵等部件组成。其功能是将千粉与水混合，然后由螺杆泵 输送至熟化系统。 1 1 3 聚合物溶液熟化系统 熟化部分主要由熟化罐、搅拌器、转输泵、各种阀门组成。它接受 聚合物溶液混配溶解系统生产的聚合物溶液，让溶液在熟化罐内进一步 溶解，混合均匀形成“混合液”，熟化时间大约为1 2 0 分钟，它产生的“混 合液”可以由转输泵传输给聚合物混合液的存储及外输系统。 1 1 4 聚合物混合液的存储及外输系统 聚合物混合液的存储及外输系统由“混合液”储罐、外输螺杆泵及 其它配套设备组成。根据聚合物注入站对“混合液”压力及流量的控制 要求，由变频器调整外输螺杆泵的转速来实现控制要求，满足生产需要。 1 2 聚合物配制控制系统的发展现状 在聚合物配制过程中生产工艺复杂，连锁关系多，控制点多，要求 控制精度高，实时性强。因此，必须采用计算机自动化控制才能够实现。 从本文前面的介绍，我们可以看出，聚合物配制控制系统中，最重 要的两部分是：分散溶解装置控制和系统可靠性设计。下面就从这两方 面介绍一下目前发展的现状。 1 2 1 控制算法发展现状 分散溶解装置是一个物料配比系统，聚合物干粉与清水混合过程反 应时间较长，反应过程具有非线性和较大时滞，是最难的单维控制问题 之一。分散溶解装置的发展历史不长，而且不是一个应用较广的系统， 对于它的控制算法，研究的也较少，几乎没有可以直接借鉴的资料。因 此，只能从其它类似过程控制系统中寻找。 聚合物干粉与清水混合过程，与工业生产的酸碱中和反应过程非常 相似，它们的系统特性决定了一般难以获得这类对象的精确数学模型， 传统的控制方法总是无法取得较好的控制效果。因此，很长时间以来， 很多专业人士都在寻求用非传统的控制方法实现高质量控制，并取得了 许多有益的经验，同时为进一步的研究提供了可供借鉴的思路【2 2 】【2 。 目前，这类过程控制的方法按形式可以分为两类：基于对象近似 模型的方法：基于对象操作经验的方法。按设计思路可分为三类： 着重于解决对象的非线性问题；着重于解决对象的大滞后问题；综 合考虑。现有的比较有效的p h 值控制方法有下列几种： 黑龙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 周景振、韩曾晋参照s m i t h 预估计控制的思想，提出一种基于 模糊逻辑系统的滞后偏差预估计控制方案，并设计出一种快速收敛的自 适应调节律算法。因为采用的是模糊逼近式控制，并不要求预估计模型 很准确，对估计的偏差有一定的鲁棒性。但这种方法没有充分考虑对象 的非线性对估计结果的影响，在p h 值变化范围较大时会降低控制器的 控制能力口】。 ( 2 ) 贾平等提出了一种基于神经网络的多步预测控制算法，神经网 络用于辨识对象的预测模型，控制算法利用了神经网络的梯度信息。该 控制器设计简单，鲁棒性强，但对于滞后较大的p h 值过程无法保证控 制效果【6 j 。 ( 3 ) 余鹤龄等用非线性离散h a m m e r t e m 模型来描述p h 过程，并 设计了非线性最小方差控制器。这种方法从本质上考虑p h 过程的非线 性特性，提高了模型精度，但对系统参数变化较敏感，同时对纯滞后也 较敏感【“。 借鉴前面介绍的研究成果，本文针对聚合物配制系统配比过程的自 身特点，设计了一种具有仿人智能策略的模糊控制器，主要解决的问题 有：大滞后、非线性和参数时变等。 1 2 2 控制工程发展现状 1 可编程序控制器应用简介 可编程序逻辑控制器( 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 ) 简称p l c ， 主要用于顺序控制。早期的p l c 虽然采用了计算机的设计思想，但实际 上只能进行逻辑运算。随着计算机技术的发展，可编程序逻辑控制器的 功能不断完善和扩展，其功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围， 具备了模拟量控制、过程控制以及远程通讯等强大功能，所以美国电信 制造商协会( n e m a ) 将其正式命名为可编程控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) 。国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 7 年对p l c 下的定义为：p l c 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带 有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字与模拟的输入 输出，控制各种类型的机械和生产过程。p l c 及其相关的外围设备，都 应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展功能的原则设计。 当前，在工业生产的自动化控制领域，无论是从国外引进的自动化 生产线，还是自行设计的自动控制系统；无论是新建工程项目，还是旧 设备的技术改造，大多都采甩先进的控制设备一可编程序控制器。目前， 可编程序控制器以其高可靠性和一系列独特的优点，在自动化领域已形 成了一种工业控制趋势。它是一种取代传统电控设备的新型电子设备， 并且有着传统电气不可比拟的优点。能不能实现自动化，所采用的电气 设备起着决定性作用。从总的趋势和生产维护的角度看，使用新型电气 设备时的投资比使用传统电气设备时低，并且使用起来的方便性、可维 修性及可靠性要比传统电气设备要好。p l c 具有许多特点，如：高可靠 性；灵活性；节点利用率提高；具有丰富的工i o 接口等。 丰富的软件资源使得控制系统的调试简化了，几乎所有的功能都能 在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试时间，而传统电气线路是无 法实现的。另外，对现场进行微观监视和快速动作也是传统继电器系统 无法比拟的，采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统智能控制系统 控制线路的清晰直观感，又考虑到大多数电气技术人员的读图和应用微 机的水平，很容易被技术人员所接受，易于编程，程序改变时也易于修 改。p l c 把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体，除能完成常 规的顺序控制功能，如：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制等， 黑龙江大学硕士掌位论文 还具有很强的过程控制功能，具体说明如下： ( 1 ) a d ，d a 转换p l c 还具有“模数”转换( m d ) 和“数模” 转换( d a ) 功能，能完成模拟量的控制与调节。 ( 2 ) 数据处理p l c 还具有数据处理能力及并行运算指令，能进行 数据并行传送、比较和逻辑运算，b c d 码的加、减、乘、除等运算，还 能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数 据检索、比较、数制转换等操作，并可对数据存储器进行间接寻址，与 打印机相连可打印出程序和有关数据及梯形图。 ( 3 ) 通讯与联网p l c 采用了通讯技术，可以进行远程0 控制， 多台p l c 之间可以进行同位连接，还可以与计算机进行上位连接，接受 计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和若干台p l c 可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模 的复杂控制。 ( 4 ) 对控制系统监控p l c 配置有较强的监控功能，它能记忆某些 异常情况，或当发生异常情况时自动终止运行。在控制系统中，操作人 员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时或计数等 设定值，因而调试、使用和维护方便。 2 聚合物配制系统发展现状 国内较早发展起来的聚合物配制系统在大庆。大庆油田在“八五”期 间，引进英国联合胶体公司澳洲工程部生产的当时世界上最大的一套分 散溶解装置，它的配液浓度为5 0 0 0 p p m ，分散能力为5 0 m 3 h 。这套装 置的控制系统也是从国外引进的。它采用先进的d c s 控制系统，性能稳 定，工作可靠。但是造价高，维护困难。 国内的聚合物配制站控制系统，做的比较早的是天津市大港油田新 世纪公司。它的控制系统由一个操作站和三个控制站构成一个总线拓扑 第1 章绪论 形式的二级分布式控制系统 5 0 】。见图1 2 。 这个控制系统，通讯网络介质使用四芯屏蔽电缆，通讯速率低，通 讯比较脆弱，可靠性差。在控制器的设计上，只是采用了标准的增量型 p i d 算法，控制精度也不高。 图1 2 新世纪公司控制系统硬件图 2 0 0 0 年以来，大庆油田美达公司也独自开发了自己的控制系统，如 图1 3 所示。它采用欧姆龙p l c 。网络通讯介质采用同轴电缆，速度比 较高，能满足系统的要求，但由于整个系统没有冗余，整体可靠性较差。 控制器的设计上采用了自适应p i d 控制算法，控制精度有所提高。 图1 3 美达公司系统图 一9 黑龙江大学硕士学位论文 这个控制系统投运初期比较稳定，后期整个系统出现了许多问题。 主要有：系统常死机；配制的混合液浓度易超限等。经过分析，我们发 现引起以上现象的主要原因是：控制系统冗错能力差；通讯网的抗干扰 能力差；在控制器设计上，对外界参数变化适应能力差。 针对以上介绍，本文提出了一种解决方案。 1 3 本文的主要工作 由于聚合物配制站工艺的复杂性，设备的分散性，使得在设计控制 系统时，需要全方位考虑各种因素。在没有更多参考资料的情况下，本 文在对控制系统的工艺特点深入了解和前人的工作实践基础上，将智能 控制理论和工业控制网络等新技术成功应用于这个系统，解决了这类具 体的控制问题。无论在理论上还是实践上都积累了经验，使研究成果也 具备了一定的使用和推广价值，主要工作说明如下： 1 控制系统的软硬件设计 其中包括r s l o g i xp l c 模块化组件的组态，数字与模拟通道的设计， 以及控制软件与人机界面的开发。 2 分散装置的控制器设计 为了保证分散装置运行的稳定，设计了单回路反馈控制回路和比值 控制回路，由这两个控制回路共同保证系统的稳定运行。 3 水泵出口压力对象模型分析与控制方法研究 针对分散系统对供水系统的严格要求，以及供水系统存在的时变、 滞后现象，提出采用模糊控制理论与传统p i d 控制算法相结合的系统工 作方式，利用现代p l c 技术的优势，共同解决这一难题。 4 控制系统可靠性的设计 如何来保证控制系统安全运行? 我们考虑采用冗余技术，即控制器 冗余、工控机冗余、网络冗余。这样，系统在三方面都引进了冗余功能， 使得系统的可靠性有了充足的保障。 第2 章控制系统软硬件组成 第2 章控制系统软硬件组成 2 1 控制系统选型设计 2 1 1c o n t r o il o g i x 硬件系统介绍 聚合物配制站是实现聚合物驱油的关键环节。而聚合物配制站控制 系统是整个配制站的控制核心。由于设备的分散性和工艺的复杂性，必 须采用分散控制技术来实现。系统硬件选型需要重点考虑三个方面： 系统各部分之间必须具有强有力的通讯网络，以保证系统各部分之间可 以快速可靠地交换信息；控制器必须具有足够的内存容量和高精度快 速运算能力，以保证能实现复杂控制算法；系统性价比要好。 针对以上考虑，我们选择了罗克韦尔自动化公司的产品，该公司的 p l c 是全球最好的，价格同名牌厂家的d c s 相比又低很多，它的性能指 标足以满足本系统的要求。下面具体介绍一下该公司及产品。 罗克韦尔自动化公司是全球最大的自动化公司。其控制系统大致分 为p l c 5 、s l c 、c o n t r l l o g i x 、f l c x l o g i x 、s o f t i , o g i x 、c o m p a c t l o g i x 、 d r i v e l o g l x 、p o w e r f l e x 、p r o c c s s l o g i x ( d c s ) 等九大系列产品。这九大 系列针对的应用场合不同，结构也不同，但它们可以通过n e f l i n x 开放式 网络互连。p l c 一5 、s l c 是早期的产品，是基于p l c 的基本结构设计的， 针对顺序控制设计的，d r i v e l o g i x 、p o w e r f l e x 适用于分布式传动控制的 嵌入逻辑设计的。p r o c e s s l o g i x 适用于过程应用场合。而我们设计的聚 合物配制站工艺要求有：顺序控制； 过程控制：网络安全；控 制器安全；可维护性。针对这些要求我们选用了c o n t r l l o g i x 系列产品。 黑龙江大学硕士学位论文 c o n t r o l l o g i x 系统结构不仅具有先进的通讯能力和最新的i o 技术， 而且同时提供j 顷序、过程、运动和传动控制。因为系统是模块化的，所 以用户就能够更有效地设计、建立和更改系统，从而极大地节省培训费 用和工程施工费用。易于实现分布，易于用户掌握等特点使得r s l o g i x 非常适用于本系统。c o n t r l l o g i x 系列的特点说明如下： ( 1 ) 网络方面 冗余c o n t r l l o g i x 提供了网络介质冗余，即有两个相互独立的网络， 一旦一个网络不能传输数据，那么就会自动切入另一个网络完成通讯的 任务，这在其它p l c 产品中是做不到的，它保证了网络的安全性。 开放性基于n e t l i n x 开放式网络结构，包含了e t h e r n e t i p 、 c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 三层网络，我们这套系统使用c o n t r o l n e t 进行组 网，随着应用的不断发展，该网络接入相应的模块，上层就可以组成 e t h e r n e t i p 网络，通过互联网就可以组态，控制该网络，下层网也可以 组成d e v i c e n e t 网络( 设备网) 。 确定性和重复性的数据传输 c o n t r o l l o g i x 系统采用生产者客户 ( p r o d u c e 剐c o n s u m e r ) 技术通讯。这意味着多个节点可同时接收 来自同一个设备的数据，而不用一个一个节点传送，节省了通讯的数据 量，这在其它的p l c 中是做不到的，它们采用源、目的、数据这种通讯 格式，c o n t r o l n e t 网是一个实时的控制网络，用于高速传送实时i o 数据 和消息数据，包括程序上载下载，组态数据及对等通讯，所有这些数据 都在个介质中传输。c o n t r o l n e t 网是有高度确定性的，这是因为它能 够可靠预测数据何时发送，这在组态时已经确定了。 网速c o n t r o l n e t 网络的通讯速率是恒5 m b p s ，两设备之间在1 0 0 0 m 之内，如果采用中继器，那么最大通讯距离为6 k m ，这意味着一般应用 场合足够了。而其它p l c 厂家好一点的在1 0 0 m 之间为1 2 m b p s ，超过 第2 章控制系统软硬件组成 一 1 0 0 m ，网速只有几百k b p s ，随着节点的增多，网速还会降低，这在要求 实时性高的场合会有问题。 ( 2 ) 控制器方面 可寻址的最大i o 点( 最多1 2 8 0 0 0 个数字量，最多4 0 0 0 个模拟量) 控制器可以控制本地i ( 3 ，也可以通过e t h e r n e t i p ，c o n t r o l n e t ，d e v i c e n e t 以及通用远程i o 网络来控制远程i o 。用户可以在一个c o n t r o l l o g i x 机 架中放置多个控制器，多个控制器可以从所有的输入接口中读取输入值， 一个控制器可以通过多个通讯模块通讯，多个控制器也可以共享一个通 讯模块，非常灵活。不但网络可以组成冗余的，控制器也可以组成冗余 的。 ( 3 ) i o 模块方面 模块可以做到带电插拔，将系统出故障时的损失减到最小；生产者 客户模式通讯；模块级故障报告和现场诊断；时间数据标记；可选的直 接连接或优化机架连接。i o 模块的这些特点在应用上和维护上非常方 便，由于i o 模块本身带c p u ，所以模块具有智能。可带电插拔功能不 影响生产，这在其它的p l c 中是不多见的。模块级故障报告和现场诊断 功能可防止由于模块接错线时造成不良后果。 2 1 2 编程环境 罗克韦尔自动化除了提供自动化基础硬件外，还提供大量的软件工 具，并在其产品中包含了最新的m i c r o s o f t 的3 2 位w i n d o w sn t 及 a c t i v e x r ”技术，这些软件为用户采用开放式f f 3 t 业标准提供了方便。另 外，借助d d e 、a c t i v e x 和o d b c 兼容技术等，使现场数据能容易地同 其它应用软件实现集成。这样，对每一个应用软件无需多次重新建立标 签数据库，从而极大地提高了软件可重复使用性。 黑龙江大学硕士学位论文 r o c k w e l ls o f t w a r e 提供了一个从车间到顶层的解决方案。首先可以 利用r s w i r e t m 开发控制电气原理图，并在r s l o g i x v mp l c 编程软件中 利用r s w i r e 中输入的标签。借助r s v i e w 3 2 ，并再次利用这些标签，建 立一个m m i 系统对自动化设备和过程进行监控。再加入r s t o o l s 和 r s l a d d e r t ma c f i v e x 控制，开发自己的应用软件，并和现场设备实现完 美连接。现在，可以利用r s l i n x 与数据服务器共享现场数据，如果将数 据登录到企业数据库系统内，可以利用r s s q l t m 。一旦将数据收集起来， 可以利用r s m a i l m a i l t m 为公司内的某些部门提供实时数据，以实现报警 通知，或实现库存管理。 r o c k w e l ls o f t w a r e 的软件一般可分为七类：通讯软件；组件软 件：设计软件：诊断软件；人机界面软件；编程软件；r s 和 a b 文档。下面重点介绍一下r s l o g i x t m 系列处理器编程软件和 r s v i e w 3 2 t m 系列人机界面软件。 r s l o g i x t m 系歹0 处理器编程软件，由于运行在m i c r o s o f t 平台 w i n d o w sn t 和w i n d o w s2 0 0 0 环境下，它结合了最新技术以最大可能地 提高效率，节省开发时间。其超级诊断，可靠的通讯和工业上领先的直 观用户界面等特性，使它适合具有任何层次经验知识的开发人员。其主 要特点有： ( 1 ) 梯形编辑综合所有项目信息并显示为p r o j e c tt r e e 形式，通 过“点击”即可随意访问。 ( 2 ) 拖放编辑如要为某条指令指定地址，可将地址从d a t at a b l e m o n i t o r ，d a t at a b l ef i l e 或a d d r e s s s y m b o l sp i k e r 拖到指令处。 ( 3 ) 准确方便的i o 组态从一个模板的完整列表中挑出模块，通 过简单的拖放操作将它们组态到相应的插槽。 ( 4 ) 数据库编辑利用s y m b o lg r o u pe d i t o r ，建立并对其分类，利 用s y m b o l p i k e r 为梯形图指令指定地址或符号。 ( 5 ) 交叉参考信息利用o n l i n e c r o s sr e f e r e n c e ，在个条状窗口 点击某个交替参考条目，可移动到任一需要的梯级或指令。 ( 6 ) 诊断功能利用a d v a n c e dd i a g n o s t i c s 可对程序出错的地方进 行定位。 ( 7 ) 可靠的通讯利用r s l i n x 可进行快速准确的设置，自动检测 和组态通讯参数。 ( 8 ) 报表功能w y s i w y g 报表可在数据打印前对每个细节进行 预览。 ( 9 ) 强兼容性r s l o g i x 系列软件兼容于m s d o s 编程产品，它可 导入利用m s d o s 产品开发的项目文件，亦可将r s l o g i x 开发的项目文 件导出为m s d o s 格式。 ( 1 0 ) 互操作性提供与r s 其它软件完整的互操作解决方案，以 满足各种应用需要。例如与r s v i e w 共享数据库，用r s t u n e 进行p i d 回路自整定等。 r s v i e w 3 2t m 系列软件是一种易用的、可集成的、基于组件的m m i 系统，具有用户所需的全部特征和功能，能有效地监视并控制机器和过 程。它基于m i c r o s o f t 平台w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 平台设计，并且是 第一个把a c t i v e x 控制嵌入画面的m m i 软件包。其主要特点有： ( 1 ) 图形与动画软件本身提供绘图工具可生成简单或复杂的图形 对象与文本，还包含常用图形对象的库，可以将这些通讯图形对象拖放 到画面中，也可以使用其它绘图软件包如a u t o c a d t m 和c o r e l d r a w 生 成的对象。动画控制可以激活图形对象以使它们反映出过程变化。 ( 2 ) 报警监视可对开关量或模拟量标签组态报警，并使用警告摘 要窗口显示报警信息。 黑龙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 登录在运行时记录系统信息。包括动作登录、报警登录和数 据登录。所有登录信息保存为d b a s ei v t m ( d b f ) 格式，且能在第三 方软件如m i c r o s o f te x c e l ，c r y s t a lr e p o r t t m 和f o x p r o 中使用。 ( 4 ) 趋势可在一个趋势中绘制1 6 条标签曲线，并且当标签超越 参考值时使用阴影来突出显示。组态趋势可在运行时动态调整坐标轴， 以控制数据的显示。 ( 5 ) 事件检测事件是可触发动作的r s v i e w 3 2 表达式。利用事件 检测使应用软件能对系统和过程中的事件进行自动响应。 ( 6 ) 安全系统项目级安全系统允许限制用户或用户组访问特定的 画面或改变某些标签值。系统级安全系统允许将用户锁定在r s v i e w 3 2 应用软件中，即不能退出到w i n d o w s 操作系统。 ( 7 ) 重复使用标签数据库只要打开标签浏览器，可以导入逻辑编 程软件中使用的全部数据库，或者选择梯形逻辑所用的标签，而不需导 入整个数据库。 ( 8 ) 重复利用画面r s v i e w 3 2 支持许多标准图形文件格式，可使 用现存的图形而不必重画。 ( 9 ) 扩展和升级项目与系统当项目扩展时，可以容易地将 r s v i e w 3 2 升级到更多标签数据库限制版本，最多可扩展到3 2 0 0 0 点，而 对项目无需任何改变。 ( 1 0 ) 互操作性r s 的产品可以集成工作，因而可建立自定义应用 程序。 r s v i e 、v 3 2t m 与m i c r o s o f t 产品共享信息，利用r s v i e w 3 2 的开放式 没计可容易地与m i c r o s o f t 产品共享信息。r s v i e w 3 2 标签数据库是o d b c 兼容数据库，可以利用其它数据库工具浏览并管理标签，如m i c r o s o f t a c c e s s 。r s v i e w 3 2 图形画面是o l e 包容器。无需导入或导出文件或单 第2 章控制系统软硬件组成 独运行应用软件，可将m i c r o s o f te x c e l 电子表格，w o r d 文档和a c c e s s 数据库放入画面。 2 2 控制方案 根据聚合物配制站工艺流樱，将整个控制系统分成四个部分：清水 系统，分散系统，熟化系统，外输系统。清水供给系统为分散装置提供 原料，是整个配制生产的原料准备系统，分散装置是系统的核心，它的 输出产品直接进入熟化系统，聚合物溶液经过熟化系统的处理，形成了 “混合液”，供给外输系统( 配制站的总出口) 。这四个系统即有独立性， 又紧密相关。考虑各部分地理上比较分散，因此各部分设置独立的机架 和采集模块( 远程i o ) ，通过c o n t r o l n e t 网络将各部分连接起来。为了 便于集中管理，并兼顾系统冗余，我们设计两个控制器，选用c o n t r o l l o g i x 系列控制器中功能最强的控制器模块1 7 5 6 - - - l 5 5 m 1 2 。系统各部分之间 选用c o n t r o l n e t 冗余网。上位机为两台互为冗余的工业控制计算机，系 统网络的拓扑结构如图2 1 ，整个系统由三部分构成。 ( 1 ) 操作员站 图2 1 控制方案图 黑龙江大学硕士学位论文 考虑冗余方案，选用了两台工业控制计算机实现操作员站的功能， 两台计算机互为备用，可以做到热切换。 ( 2 ) 中心控制系统 主要由两个c p u 模块1 7 5 6 l 5 5 m 1 2 组成，通过冗余的通讯模块 1 7 5 6 c n b r 与c o n t r o l n e t 网络互联。 ( 3 ) 远程站 清水系统、分散系统、熟化系统、外输系统都是远程站，根据系统 参数的种类和数量配置有不同种类和数量的i o 模块组件。系统的卡件 模板组成见附录二系统卡件构成简图。 2 3 控制流程 我们采用r s l o g o m 系列处理器编程软件r s l o g i x 5 0 0 0 企业版，采 用梯形图对控制器编程。在这个系统中有两部分比较重要，一是分散部 分，二是熟化部分，流程图见附录三系统控制流程图。本配制站分散熟 化系统共分为3 组( 系统a 、系统b 、系统c ) ，可分别运行。每组有 一个储罐，5 座熟化罐( 可备用1 座) ，3 套运行的分散装置。另有2 套 分散装嚣可为3 组运行设备备用。系统具有以下两种工作方式：自动工 作方式和半自动工作方式。 ( i ) 自动工作方式 系统中的所有设备都由计算机控制，实现全自动操作。 ( 2 ) 半自动工作方式 如果发生全部( 部分) 故障，或者需要调整系统工作参数，可以将 系统中的部分设备转换为手动操作，而其它部分仍按自动方式工作。在 手动状态下，系统中的各种检测量及报警信号仍然由计算机采集、显示 及报警。下面重点说明一下分散和熟化系统的控制流程。 2 3 1 分散部分 在供水压力达n 0 4 o 5 m p a ，干粉及电力条件都具备的情况下，分 散部分可按照要求的配液浓度进行自动配制，配液浓度可调，误差小于 4 - 5 。工作流程如下： 1 启动清水给水泵5 秒钟后，打开给水电磁阀。 2 启动鼓风机。 3 当混合罐的水位淹没搅拌器底部叶片时，启动搅拌器。 4 启动给料机，并按给水嚣及设定的配比浓度，调节给料量。 5 开启输送泵。 6 当开启输送泵后，混合罐中液位还不断升高，在液位达到给定上限时， 自控系统应按比例减少给水量及给粉量。 7 当混合罐中液位不断下降，达到给定的下限时，自控系统按比例增加 给水量及给粉量。 8 当由某原因需要停止工作时，分散部分应首先停止供干粉，1 分钟后 停风停水，然后停泵。 9 在停风、停水、停粉后，若混合罐内液位仍淹没搅拌器底部叶片时， 搅拌器将继续运行1 2 0 分钟( 可调) 后停运。 l o 分散装置的自动启停 当本组所有熟化罐已满或打不开熟化罐进口阀门时，分散装置自动 停止工作；当分散装置部分中的搅拌器、给料机、输送泵、鼓风机、各 种n i - j 的任何一个出现无法使用的故障时，本组分散装置应自动停止工 作：当本组有一个熟化罐达到设定的空罐低液位时，自动开启本组的分 散装置；当混合罐的液位达到高液位时，分散装置停运。 11 备用分散装置与工作装置的切换 黑龙江大学硕士学位论文 备用的分散装置在工作的分散装簧之一出现故障时，可用手动切换 到其中的一个系统中，也可在正常工况下切入其中的一个系统，并同时 工作。由于人为误操作时，自控系统具有自动保护功能。 2 3 2 熟化部分 分散装置运行后，自控系统将选择一座到达所设空罐低液位时间最 长的熟化罐，打开其进口阀门，并向该罐输液。若该罐进口阀门不能打 开或其它故障( 罐漏、搅拌器损坏) ，能够自动或手动将该罐切出自控 系统，自控系统将选择另一座达到设定空罐液位时间最长的熟化罐供液， 以此类推。 1 当进液淹没熟化罐搅拌器底层叶片0 5 m 时，启