（机械电子工程专业论文）基于组态软件的超临界萃取装置控制系统研发.pdf

硕士学位论文 摘要 超临界流体萃取是一种新型化工分离技术，其应用的关键设备是超临界萃取 装置。目前工业生产中的这类装置多采用手动或半自动控制，整体自动化水平较 低。本文阐述了国内大型超临界二氧化碳流体萃取装置的现状及存在问题，针对 h a l 2 1 - 5 0 - o l 型超临界萃取实验装置的特点，利用软件技术、通信技术、接口技 术对该装置的温度控制系统、压力控制系统和流量控制系统进行了研究，并设计 了一套计算机实时监控系统。论文的主要工作有： ( 1 ) 设计了超临界c 0 2 萃取装置的自动控制系统。采用下位机硬件控制和 上位机软件监视架构。下位机控制系统中，由p l c 采集与处理现场数字量信号、 模拟量信号。上位机监控系统中，采用i f l x 3 0 组态软件开发了人机界面，通过 工业以太网通信实现对系统中泵和电机阀以及控制参数的自动控制。 ( 2 ) 研究了s c f e 控制系统的实现方法。阐述了简单p i d 控制和模糊p i d 控制原理及在s c f e 控制系统中的控制功能。以温度控制系统为例，给出了简单 p i d 控制算法和模糊p i d 控制的参数整定方法。 ( 3 ) 分别编制了s c f e 控制系统的下位机和上位机的控制程序。根据s c f e 控制系统的控制功能要求，选用s 7 3 0 0 p l c 中的c p u 3 1 5 2 d p 、s m 3 2 1 、s m 3 2 2 、 s m 3 3 l 、s m 3 3 2 、c p 3 4 3 1 等模块并在系统中进行对应的配置；采用s t e p 7v 5 3 中的s t l 编程语言编制控制系统中温度、压力、流量的p i d 控制程序，实现下 位机控制程序设计。较全面地阐述和分析了组态软件体系结构，选用i f i x 组态 软件作为s c f e 控制系统上位机设计软件；采用v b a 脚本语言编制系统控制程 序，实现了不同的实时控制画面，达到人机对话目的。 ( 4 ) 基于工业以太网，实现了上、下位机的通讯。p l c 站通过s 7 3 0 0 p l c 中的c p 3 4 3 1 模块连接至以太网，p c 机通过网卡c p 5 6 1 1 连接至以太网，两者 之间通讯是通过s i e m e n s 提供的配套软件s o f t n e t 来实现的，为上位机提供 数据并把上位机的指令传送到p l c 中。 本文研制的超临界萃取装置的计算机实时监控系统，可实现生产的自动化与 远程化控制，具有一定的工程应用价值。 关键词：超l 临界萃取装置组态软件s 7 3 0 0 p l c 工业以太网 自动控制 h 硕士学位论文 a b s t r a c t s u p e r c 曲c a ln u i de x t r a c t i o ni sa i la d v a i l c e dc h e m i c a li s o l a t i o nt e c h n i q u ea n dm e s 叩e r c r i t i c a l e x t r t i o nd e v i c ei st l l e k e ye q u i p m e n tf o rt l l e 印p l i c a t i o no ft l l i s t e c l l l l i q u e t h ed e v i c e sa r em a n u a l l yo rs e m i - a u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e di n 也ei i l d u s t r i a l f i e l da i l dm el e v e lo ft 1 1 e i ri m e g r a t e da u t o m a t i o ni sv e 巧l o w t h ec 眦e n ts i t u a t i o 鸺 锄dp r o b l e m so fl 鹕e s c a l e d s u p e r c r i t i c a lc 0 2n u i de 加毵t i o n d e v i c e s撇 c o m p r e h e i l s i v e l y d e s 嘶b e di i l “st l l e s i s hl i 嘶也t h ec h 嬲哦嘶s t i c so f h a121 5 0 - 01 s u p e r c r i t i c a l e x t r a c t i o nt e s t a p p a r a n j s ，t 1 1 ei n v e s t i g a t i o n s o nt l l e t e m p e m t u r ec o n t r o ls y s t e m ，t l l ep r e s s u r cc o n 臼0 ls y s t e m 觚dt l l en o wc o n 协o ls y s t e m f o rt 1 1 i st e s t 印p a r a l ：u si sc a r r i e d0 u t ，锄da 陀a l t i l i l em o m t o rs y s t e mi sa c c o r d i n g l y d e v e l o p e d t i l e 麟l i i lt 勰l 【so ft h j sm e s i s 玳邪f o l l o w s ， ( 1 ) t h ec o n 臼0 ls y s t e mf o rt 1 1 es u p e r c r i t i c a lc 0 2e x t 捌m o nd e v i c ei sd e v e l o p c d t l l i ss y s t e mc o m i s t so ft l l eh y p o g y n o 啦m a c l l i 鹏c o 舳吣l 删i o n 觚dh o s tm o i l i t o r i n g s t a t i o n i l lt l l eh ) ，p o g ”o u sm a c h i n ec o n 臼0 l s y s t c m ，t l l el o c a ld i g i t a l 锄da i l a l o g 协p u t sa 托a c q u i r e d 锄dp r o c e s s e db yp l c 觚di nt l l eh o s tm o l l i t o r i n gs y s t e m ，t ：h e o p e m t i n gi n t e m c ei sd e s i 驴e d b 嬲e do ni f i x 3 0c o 娟g u r es 0 胁，撒n l ea u t o m a t i c c o n t r o lo f 圮p u m p s ，涮v e s 甜l do m e rp 跏n e t e r si sr e a l i 髓db 嬲e do n 砌u s t r i a l e t l l e m e t ( 2 ) t h ec o n 呐ls y s t e mf o rs c f ei sd e v e l o p e d t h en o m a lp i dc o n 们l l i n g a l g o r i t h m ，t l 圮v a g u ep i dc o n n 0 l l i n ga 1 9 0 r i t h m 觚dt h e i rc o 咖r o l 觚c t i o n si i ls c f e c o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e di l ld e t a j l b yt a b n gt l l et e m p e 随t u 心c o n t r o lm e t h o d 嬲 锄e x 锄l p l e ，t l l ep a r a m e t e rs e t t i n gm e m o do fn o m a jp i dc o n 仃1 0 l l i n ga l g o r i m m 锄d t h ev a g u ep i dc o n t r o n i n ga l g o r i t h ma i ep r d v i d e d ( 3 ) t h ec o n t r 0 ip r o 聊f o rt h eh ) ，p o g ) r i l o u sm a c h i mc o m r o ls t a t i o n 锄dm eh o s t m o l l i t o r i n g 蚰a t i o ni sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt 0t l l er e q u i r e m e n t so fs c f e ，s o m e m o d u l e si ns 7 - 3 0 0 p l c ，s u c h 鹊c p u 315 - 2 d p s m 3 2l ，s m 3 2 2 ，s m 3 31 ，s m 3 3 2a r l d c p 3 4 3 - l ，眦s e l e c t e d 锄d 仃e a t e dc o 玎e s p o n d i n g l y 1 1 1 ep i dp r o g r a mi nm eh o s t m o i i i t o r i n gs t a t i o n f o rc o n t i 0 l l i n gt l l e t e m p e r a t u 他，t l l ep r e s s u 舱锄dm ef l o wi s u i a b s t r a c t d e v e l o p e db yu s i n gs t ll a i l g u a g e n ep r o 酽a mf o rt 1 1 e h o s tm o n i t o r i n gs t a t i o ni s d e v e l o p e do n i f i xc o n f i g u r es o 矗：w a r e t h em a i nc o m i 0 lp r o g r a m 、v a sd e v e l o p e d b yv b a 跚l dm em a n m a c h i n ec o r l v e r s a t i o nw 弱e 嬲i l y r e a l i z e d ( 4 ) t h ec o m m u 血c a t i o nb e t w e e nt l l eh y p o g ”l o u sm a c h i n ec o n t r o ls t a t i o na n dt h e h 0 s tm o m t o r i l l gs 诅t i o ni sr e a l i 跫db 嬲e do nb l d u s t r i a le t h e m e t p l ci sl i i l i ( e dt 0 e t h e m c tt h r o u g ht l l eb 粥i so ft l l ei n d u s t r i a le t l l e m e tc p 3 4 3 - lm o d u l ea n dp ci s l i i l l ( e dt 0e t l l e m e tt l l r o u 曲t h en e t w o r kc 矾c p 5 61 1 1 1 l e i rc o 舢m u l l i c a t i o ni s e s t a b l i s h e db ym es o f h a r es o f m s u p p l i e db ys i e m e n s w l l i c hc 锄p 弱sm e 胁t 0t l l eh y p o g y n o u sm a c l l i n ec o n t r o ls t a ：t i o n 锄ds e r l do r d e rt 0p l c t h er e a l - t i m em 0 i l i t o rs y s t c mr e a l i 髓st i l ea u t o m a t i c 舡l dr e m o t eo p e r a t i o no fm e s u 】础r i t i c a l 删i o nd e v i c ea n d “i s0 f i l i 出v a l u e 觚dc 锄b ea p p l i e di na p p l i e di n i 1 1 d u s t 叮 k e y w o r d s ： s u p e r c r i t i c m e x n 戤t i o nd e v i c e ；c 伽血g u 鹏s o 脚a r e ；s 7 3 0 0 p l c i i l d u 鲥a le t l l 啪e t ；a u t o m a t i cc o i 灯o l i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超临界流体萃取概述 超临界流体萃取( s u p e r c r i t i c a lf 1 u i de x t r a c t i o n ，简称s f e ) 是近年来国际上迅 速发展起来利用处于临界压力和临界温度以上的流体具有特异增加的溶解能力 而发展出来的新型化工分离新技术【l 】。超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，简称s f ) 的密度接近于液体，而其粘度、扩散系数接近于气体，因此其不仅具有与液体溶 剂相当的溶解能力，还有很好的流动性和优良的传质性能，有利于被提取物质的 扩散和传递。而s f 的溶解能力与其密度密切相关，在临界点附近，s f 的密度仅 是温度和压力的函数，温度和压力的微小变化，就可引起密度的大幅度改变，因 此超临界流体是一种良好的分离介质。超临界流体萃取技术正是利用s f 的这些 特殊性质，通过调节系统的温度和压力，改变溶质在s f 中的溶解度，来实现溶 质的萃取分离，当溶质溶于s f 之后，通过降压或升温的方式，减小溶质的溶解 度，实现溶质和溶剂的分离【2 】。 超临界流体萃取技术传质速度快，穿透能力强，萃取效率高以及操作温度低 等特点，特在溶剂残留和可选择性分离等优点，因此该技术已被广泛应用于医药 卫生，食品化妆品、材料制造、化学工业等研究领域，有良好的开发利用前景【3 1 。 超临界流体萃取技术常以c 0 2 作为溶剂，它的优点为：c 0 2 的超临界状态容 易实现；食品和药品无毒性污染问题【4 l ；有防止细菌活动的作用；c 0 2 是惰性气 体，不易燃烧，化学性质稳定；价格低廉，经济性好。由于超临界流体萃取技术 有如上诸多的优点，多年来受到一些发达国家科技工作者的高度重视。 在超临界流体萃取技术中萃取装置是关键，工业化装置的出现标志着我国超 临界流体萃取应用技术已进入国际先进行列，广州美晨集团依托长沙化机厂研制 开发了容积为3 0 0 0 升的手动c 0 2 超临界流体萃取装置。沈阳天诚同样依托开 原化机厂研制了容积5 0 0 升以下的c 0 2 超临界流体萃取装置【”。大连光明化工研 究院1 9 9 7 年获国家经贸委、科技部等“1 0 0 升工业化c 0 2 超临界流体萃取装置 重大科技攻关项目以来，依托开原化机厂研制了容积3 0 0 升以下的c 0 2 超临界 流体萃取装置。贵州航天乌江机电设备有限责任公司是国内唯一一家具有自主专 利技术，自主设计、制造、安装与服务的高压容器的军工企业，目前已研制生产 第1 章绪论 了具有微机监控、萃取与分离、冷热循环实现局部自动控制的5 0 0 升一1 5 0 0 升 大型工业化c 0 2 超临界流体萃取装置1 0 多套。并出口印度与台湾地区，获国家、 省部级重点发展的高科技产品称号【6 1 。国内与国际的差距正在缩小，国际上每三 年一届的超临界流体学术会议，与国内每两年一届的超临界流体学术会议只差两 届。国内各大专院校、科研机构的小型实验设备有近数百套，1 0 0 升以上的工业 化c 0 2 超临界流体萃取装置有近4 0 余套。c 0 2 超临界流体萃取技术( s u p e r c r i t i c a l c 0 2 f l u i de x t r a c t i o n ，缩写s c f e ) 【7 心已走向工业化。 1 1 1s c f e 技术的原理 s c f e 过程的原理是利用s c f 在不同条件下对溶质溶解度的差异来完成溶质 萃取分离的。溶质在s c f 中的溶解度可以认为随其密度增大而增大，s c f 的密 度随温度和压力的变化发生十分明显的变化，通过改变其温度和压力，改变溶质 的溶解度，从而将溶质从s c f 中分离出来。 利用s c f 进行萃取时，可以通过改变压力和调节温度来改变溶解性能，对 于萃取成分具有选择性，且其扩散系数大而粘度小，大大节省了萃取时间，萃 取效率高。但利用c 0 2 作为萃取剂有以下很多独特的优点1 9 j ( 1 ) 可以在3 5 4 0 的条件下进行提取，能够防止热敏性物质的变质和挥 发性物质的逸散。 ( 2 ) c 0 2 气体笼罩下进行萃取，萃取过程中不发生化学反应，又由于完全隔 绝了空气中的氧，因此，萃取物不会因氧化或化学变化而变质。 ( 3 ) 由于c 0 2 不具备可燃性，且萃取过程中不使用易燃易爆的有机溶剂， 相对安全。 ( 4 ) c 0 2 是较容易提纯与分离的气体，因此萃取物几乎无溶剂残留，也避 免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。 ( 5 ) 萃取和分离合二为一，当饱含溶解物流经分离器时，由于压力下降使 得c 0 2 与萃取物迅速分离，成为两相，故能耗较少【1 0 j 【l l l 。 ( 6 ) c 0 2 无味、无臭、无毒，价格便宜，纯度高，容易取得，且能够实现 循环使用，降低了成本。 ( 7 ) 具有杀菌和保鲜的作用。 1 1 2 超临界萃取装置及其工艺流程 2 硕士学位论文 s c f e 装置主要包括流体输送设备、萃取设备和分离设备三部分【i2 1 。主要有 压缩机、泵、阀门、换热设备、萃取器和分离器等。根据本课题的需要我们选择 南通华安超临界萃取有限公司研制的成套装置h a l 2 1 5 0 0 1 型，采用先进( 变温 变压) 工艺对超临界萃取控制系统进行参数设计： 南通华安超临界萃取有限公司研制的成套装置h a l 2 1 5 0 0 1 型【1 4 】，其装置 主要由萃取釜、分离釜、精馏柱、c 0 2 高压泵、携带剂泵、制冷系统、换热系 统、净化系统、c 0 2 贮罐、流量计、温度、压力控制系统等组成其工艺流程为： c 0 2 一萃取釜一分离釜1 一分离釜2 一精馏柱，如图1 1 所示。 图卜1 超临界c 0 2 萃取工艺流程图( h a l 2 卜5 0 0 1 型) f i g 1 - 1s u p e r c r i t i c a lc 0 2 e x t r a c t i o np r o c e s s ( h al21 5 0 - 01 ) c 0 2 超临界流体萃取系统由高压容器( 萃取釜、分离釜) 、节流调压系统、冷 热循环系统、c 0 2 泵加注系统、仪器仪表等组成【1 3 1 。当物料装入密闭的萃取釜中 后，开启c 0 2 泵加注c 0 2 ，在临界状态下萃取釜的物料溶质与c 0 2 容剂溶解， 当萃取釜压力升至设定的值时，打开节流调压系统，使临界状态下的气液混合体 进行一次节流膨胀的过程，由分离釜l 产生一次降压过程，析出提取的有效元素， 还没有分离的部分进入分离釜2 ，进行二次节流膨胀的过程，由分离釜2 再产生 一次降压过程，析出剩余的有效元素。系统在动态萃取中流动的c 0 2 循环至储 罐，再次加注至c 0 2 泵进行循环使用。整个分离过程利用c 0 2 流体在超临界状 态下对有机物有特殊增加的溶解度，而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特 性，将c 0 2 流体不断在萃取釜和分离釜之间循环，从而有效地将需要分离提取 的组分从原料中分离出来。 第1 章绪论 1 2 选题背景及意义 1 2 1 选题背景 随着科学技术迅猛发展，新型的化工、生物技术、制药行业的现代化应用技 术，已成为这些行业高科技企业的发展方向。超临界二氧化碳流体萃取技术 ( s c f e ) 作为一门新型分离技术已成为石油化工、生物制药、食品添加等行业优先 发展的技术。近二十多年来国内的各高科技企业为使超临界二氧化碳流体萃取技 术的应用与国际技术水平相同步，逐步研究应用了小规模、具有一定自动化程度 的超临界二氧化碳流体萃取装置。但是，按目前的发展状况还远远赶不上国际领 先水平。因此，研究应用大规模、工业化超临界二氧化碳流体萃取装置、提高工 业化超临界流体萃取装置自动控制水平，使之在国内得到较快的发展，整体提高 我国在国际市场的竞争力，有着非常深远的意义。超临界流体萃取应用技术应用 之广泛，成果之大，发展速度之快，表明我国在超临界流体萃取技术应用方面与 国际的水平已相差无几，但在超临界流体萃取装置的技术水平上与国外相比仍然 存在一定差距，在大部分超临界流体萃取装置的开发生产企业中，所生产的装置 提取精度、控制精度都不高，一般为手动控制，尤其是中小型萃取装置采用自动 控制的几乎没有，大型工业化超临界流体萃取装置自动控制的水平也不高，主要 还是采用局部自动控制。因此研究提高自动控制的能力超临界萃取装置有助于保 证高压容器装置的生产安全顺利进行，达到优质高产，提高经济效益和劳动生产 率，节约能源，改善劳动条件和保护环境。 1 2 2 选题意义 超i 临界二氧化碳流体萃取装置自动控制系统成功的研究，能解决萃取装置在 提取有效元素时的超临界二氧化碳流体的流速、流量以及调节膨胀中的压力控 制、压力变送、p l c 与上位机通讯的问题。尤其是近年来超i 临界萃取技术的发展， 促进了超临界装备的进步，由小型手动实验型装置发展到大型工业化装置。随着 装备的设计、制造水平也越来越高，控制能力不断增强，传统的超临界萃取控制 方式已经不能满足现在多方面的需要，所以超临界控制系统正在朝着现代化、自 动化的方向发展。本文作者根据现有的装备技术，在超临界流体萃取装簧的生产 过程中，采用了p l c 控制系统实现装置的自动控制，配合单元、组合仪表的信 号传输、采集，保证生产安全顺利进行，达到产品优质、纯度高、节能、改善劳 4 硕士学位论丈 动条件与环境保护，对生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量、进行自动 控制。 1 3 本文主要研究内容 本文结合江苏华安超临界萃取有限公司h a l 2 1 5 0 o l 型超临界流体萃取装 置，利用现代计算机技术、软件技术、通信技术、接口技术对其温度控制系统、 压力控制系统、流量控制系统进行探索性研究。主要研究内容如下： 1 ) 超临界c 0 2 装置的自动控制系统设计。 采用了下位机硬件控制和上位机软件监视架构。在下位机控制系统中通过 p l c ( 可编程逻辑控制器) 来采集与处理现场数字量信号、模拟量信号。在上位 机监控系统中，采用了i f i x 3 o 组态软件开发人机界面，通过工业以太网通信实现 对系统中泵和电机阀以及控制参数的自动控制。 2 ) s c f e 控制系统相关技术分析及实现。 阐述了常规p i d 控制和模糊p i d 控制原理及在s c f e 控制系统中的控制功 能，以温度控制系统为例，给出了常规p i d 控制算法和模糊p i d 控制的参数整 定方法。 3 ) s c f e 控制系统的下位机控制程序设计。 s 7 3 0 0 p l c 是一种模块化结构。其主要模块有：中央处理器c p u ，数字量 输入、输出模块，通讯模块。根据s c f e 控制系统的控制功能要求，选用s 7 3 0 0 p l c 中的c p u 3l5 2 d p 、s m 3 2 l 、s m 3 2 2 、s m 3 3l 、s m 3 3 2 、c p 3 4 3 1 等模块并在 系统中进行对应的配置；采用s t l 编程语言编制控制系统中温度、压力、流量 的p i d 控制程序，实现下位机控制程序设计。 4 ) s c f e 控制系统的上位机控制程序设计。 阐述了组态软件的发展现状和基本组成、特点，通过对组态软件体系结构较 全面的阐述和分析，选用i f i x 组态软件作为s c f e 控制系统上位机设计软件； 采用v b a 脚本编制系统控制程序，实现了不同的实时控制画面。达到人机对话 目的。 5 ) 基于工业以太网，实现上、下位机之间的通讯。 在组态软件i f i x 3 o 和p l c ( s 7 3 0 0 ) 通信方面，作者采用了基于工业以太网 ( i n d u s t r i a le t h e m e t ) 通信方式。p l c 站通过s 7 3 0 0 p l c 中的c p 3 4 3 1 模块连接至 第1 章绪论 以太网，c p 3 4 3 一l 是s i e m e n s 专门提供的通讯模块，只要经过必要的设置就可 以和上位机通信，p c 机通过网卡c p 5 6 1 l 连接至以太网，两者之间通讯是通过 s i e m e n s 提供的配套软件s o f t n e t 来实现的。s o f t n e t 采用目前较先进的 o p c 标准，s o f t n e t 作为o p c 服务器，为上位机提供数据并把上位机的指令 传送到p l c 中，从而实现整机的自动控制，满足了用户的需求。 6 硕_ j ：学位论文 第2 章基于组态软件s c f e 控制系统总体方案设计 2 1 组态软件概述 在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“c o n 丘g u r a t i o n ”， 其意义究竟是什么呢? 简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完 成工程中某一具体任务的过程。 与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种 型号的主板、机箱、电源、c p u 、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这 些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥 空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件”都很灵活，因 为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格( 如大小、性状、颜色等) 。 在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序( 如使用b a s i c ，、 c 、f o n r a j l 等) 来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误， 不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作， 通过组态几天就可以完成。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的 概念最早出现在工业计算机控制中【1 5 l 。如d c s ( 集散控制系统) 组态，p l c ( 可编 程控制器) 梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业 也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如a u t o c a d ，p h o t o s h o p ，办公 ( p o w e r p o i n t ) 都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以 数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专 用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监 控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态 工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵 活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类b a s i c 语 言，有的甚至支持v b 。目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：比如， 几乎所有运行于3 2 位w i n d o w s 平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结 构，并且对工业控制系统中的各种资源( 设备、标签量、画面等) 进行配置和编辑， 7 第2 章基于组态软件s c f e 控制系统总体方案设计 都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能【1 8 】。 2 2i f i x 组态软件 i f i x 是i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 自动化软件产品家族中的h m i s c a d a 最重要 的组件，它是基于w i n d o w s n t 2 0 0 0 平台上的功能强大的自动化监视与控制的软 件解决方案。i f i x 可以帮助您精确地监视、控制生产过程，并优化生产设备和 企业资源管理。它能够对生产事件快速反应，减少原材料消耗，提高生产率，从 而加快产品对市场反应速度。生产的关键信息可以通过i f i x 贯穿从生产现场到 企业经理的桌面的全厂管理体系，以方便管理者做出更快速更高效的决策，从而 获得更高的经济效益【1 6 】。 全面支持w i n d o w sn t 2 0 0 0 平台；支持w i n d o w s2 0 0 0 终端技术( t e 嗍i n a l s e r v e r ) ；支持基于因特网的远程线组态、即插即解决结构及c o m d c o m 全面 支持a c t i v e x 控件；安全容器的专利技术，保证系统稳定运行。功能强大的微软 标准描述语言、嵌入式v b a ( v i s u a lb 弱i cf o ra p p l i c a t i o n ) 、标准s q l ，o d b c 接口， 直接集成关系数据库及管理系统。真正的实时的c s 模式允许最大的规模可扩展 性；多重冗余支持：s c a d a 冗余，通道冗余，l a n 网冗余，控制器冗余，客户 端冗余：调度处理器使任务可以基于时间或事件触发，根据需要在前台或后台运 行；先进的报警和信息管理，提供无限制的报警区域和报警计数器，报警过滤和 远程报警管理等功能：高度免编程关系数据库引擎s c o n ) ( 控件集【2 0 1 。下面从图 形及组态方案、数据点管理、网络功能、通信功能、管理方面、加锁设计等六个 方面作以详细地介绍。 1 ) 图形功能 i f i x 的图形功能很强，支持多种图形格式，其追加的图形库，内容丰富， 解决了原来图形过大的问题。可同时使用2 5 6 种颜色，其中有6 4 种颜色可用彩 虹色调色，组成各种调色方案，嵌入图形中不会因放大缩小而失真。组态中提供 树形结构图，能够浏览所画画面中的所有图形对象，组态信息，提供了全局性的 变量组态方案，供画面组态调用，从而实现一改全改的功能，而且全局性的变量 并不占用t a g 点，对于画面中g r o u p 组内的对象组态并不改变，使状态变化丰富 多彩，点数的扩展功能很强，有全面解决扩展点的报警、报警记录、历史记录的 方法，有查找替换功能，可以替换整个图画以及画面中的对象的属性、组态点信 硕士学位论文 息，对于同类型物体，避免重复组态。内嵌v b a ，具有自己的内部函数，又有广 泛的v b 函数，功能扩展更为有利。支持双向o p c ，支持所有类型的a c t i v e x ， o l e ，对不健全的控件所引发的错误进行保护，对控件的属性操作完全控制。编 辑与运行是切换进行的，这有利于对现场生产安全的保障；有独立的报警监视程 序，支持在线修改，具有画面分层功能，运行时可以根据程序很方便地更换对象 的连接数据源，可以使控制更灵活。 2 ) 数据点管理 i f i x 提供了统一环境进行数据点的定义，而且提供了很多的数据类型，有 很多现成的功能块：历史记录块、趋势块、计算块、p i d 块、计时块等。数据点 管理是独立于画面运行的，直接反映现场信息，数据点一经设定就可以立即反映 现场状态( 如果通信是成功的) 。i f i x 提供了数据管理库的输入、输出功能，可以 把t a g 信息输出到e x c e l 这样一个网格文档操作最方便的工具中，可以在e x c e l 中方便地完成繁琐的t a g 点定义设置工作，再从e x c e l 回输到数据库中来。 3 ) 网络功能 i f i x 是基于结点的，寻找的是节点名，只要物理上保持联结就可以自动寻 找网络结点，不必人工设定，是第一个完全基于c l i e n t s e r v e rh m i 软件，具有 c s 架构软件的所有功能，可以监视远程节点的所有数据点而不用增加任何的 t a g ，可以在线增加、修改、删除远程节点中的数据库点，真正实现远程组态。 远程拨号修改现场数据库画面，对网络上任何节点数据库点的修改都是完全在线 的，不用重新启动。其画面可以通过i n t e m e t 用i e 浏览器浏览。 4 ) 通信功能 i f i x 是基于组件对象技术( c o m ，d c o m ) 【2 1 1 ，几乎针对工业应用的所有硬件 都有接口，实用于现场，应用上稳定性好。其通信设计都很方便，打通通讯相对 比较容易。 5 ) 管理方面 安全管理：在工程管理上能满足工业生产的级别管理，是面向操作人员的级 别控制，但对操作系统的安全防护上，如不能重启动( 锁c t r l + a l t + d e l ，w i n d o w s 键) ，i f i x 只要直接组态( 设置) 就可以不重新启动软件即可生效。 报警管理：i f i x 采用的是控件组态方式，相对灵活一些。i f i x 还提供了一个 9 笫2 章基于组态软件s c f e 控制系统总体方案设计 历史报警的记录阅读程序，这里同时包含着登录操作的记，i f i x 有自己的a l a r n l 0 d b c 。 报表方面：i f i x 有内嵌的v b a ，带有s q l 语言，全面支持a d o ，l m o ， 所以对于常用的办公软件如o m c e 以及一般的数据库软件如s q ls e n ，e r a c c e s s ， o r a c l e ，f o x p r 0 等都能很好的访问和操作。 加锁方法：i f i x 采用硬件狗。由于操作系统( 软由自身的稳定性不好，所以 使用软件狗总给人一种恐慌。 6 ) 先进技术( o p c 技术) 由于最终用户和系统集成商所需的解决方案变得越来越复杂，预期每个客户 的不同需求变得更加困难。面对这些变化，i f i x 中加入了下列的工业标准技术： o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) ，v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s b a ) ，a c t i v e x ，以提 供一个强大的开发环境，达到用户的特殊需求【1 7 】。 o p c 是一个软件标准，它可以使自动化应用程序方便地读取工业企业的工 厂级数据。基于我们在创办0 p c 任务队伍中的活跃角色，我们领导着o p c 的开 发，由一批处于领导地位的工业自动化供应商组成的基金会推动着这一基于o l e 通迅标准的发展。0 p c 的目标是基于m i c r o s o r 的组件对象建模( c o m ) 技术定义 一个标准接口，允许自动化和控制应用程序、控制设备、以及商业和办公应用软 件之间相互操作。使用o p c ，i f i x 工作台能与任何本地o p c 服务器直接通迅。 通过使用数据服务器安装程序，能给i f i x 结点添加一个本地o p c 服务器。这个 应用存放在d y n 锄i c s 目录下，从有效的i f i x 数据服务器列表中添加、修改和删 除o p c 服务器。要了解关于使用数据服务器安装的更多信息，请参阅程序的在 线帮助。 工作台不能直接的与远程o p c 服务器通迅。如果需要一个远程的o p c 服务 器通迅，请使用o p c 客户端驱动程序。该驱动器与任何本地或远程服务器通信， 且把信息储存在过程数据库中。当o p c 客户端驱动程序与一个远程0 p c 服务器 通迅时，它将使用m i c r o s o r 的分布式组件对象模型( d c o m ) 来建立连接，工作台 不支持使用d c o m 直接与一个远程o p c 服务器相连。要了解关于使用0 p c 客 户端的更多信息，请参阅驱动程序在线帮助。通过从i o 驱动程序和o p c 服务 器c d 光盘的安装，能获取o p c 客户端驱动程序。 1 0 硕_ l ：学位论文 v b a 是i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 完全内置的一个强有力的编程工具，可以快速方 便地生成自动的操作任务和自动化解决方案。v b a 脚本可以根据需要写得简单 或复杂，i n t e l l u t i o nd y n 锄i c s 可根据需要适应自动化策略。它的强大和易用的开 发环境允许重新使用现有的v i s u a lb a s i c 编码。v b a 替代了以往f i x 的脚本语言， 提供了一个千百万v b 开发者非常熟悉的完整的集成开发环境。 2 3 超临界萃取控制系统的总体设计 2 3 1 集散型控制系统介绍 集散型控制系统也称为分布式控制系统( d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是 计算机( c o m p u t e r 、通信( c o m m u n i c a t i o n ，c r t 显示和控制( c o n t r 0 1 ) 技术( 简称4 c 技术) 发展的产物。它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计 思想，多层分级、合作自治的结构形式【1 8 】。 集散控制系统不同于集中控制系统，它由多个微处理器组成的分布式控制系 统，由分散的控制站来控制分散的生产部分，实现了功能、负荷和危险的分散， 从而克服了集中型计算机控制系统的致命弱点；它也不同于分散的仪表控制系 统，它的集中在于各操作员站可以进行生产监控，从而克服了二者的缺陷而集中 了二者的优势，利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控 制。集散控制系统一般主要由以下四部分组成【1 9 1 ： ( 1 ) 通信网络 通信网络是管理计算机、操作站和现场i 0 控制站之间的桥梁，完成现场 i o 控制站、管理计算机、操作员站之问数据的传输。d c s 系统中的通信网络不 同于通用的计算机网络，它要保证在被控系统要求的时间内完成信息的传输，因 此，通信网络的可靠性是影响d c s 正常工作的重要因素，通常采用l ：l 冗余结 构，热备份工作。 ( 2 ) 操作员站 操作员站是由显示器、主机、键盘、鼠标等组成的人机系统，它为操作人员 提供人机界面，实现集中监视、集中操作和集中管理。操作员可以通过操作员站 及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等，并对 生产过程进行控制和调节，保证生产过程安全、可靠、高效。随着计算机技术的 发展，采用通用化的p c 计算机硬件和软件作为d c s 的基础平台，具有开放性 第2 章基于组态软件s c f e 控制系统总体方案设计 好、成本低、可维护性及上位功能强等优点。操作员站的数量可根据实际需要配 置，最少情况下能和管理计算机共用一个平台。 ( 3 ) 工程师站( 上位机p c ) 工程师站又称管理计算机，是集散系统的主机，习惯上称它为上位机。工程 师站是对d c s 进行离线配置、组态工作和在线系统监督、监控和维护的网络节 点。工程师站通过通信网络综合监控全系统的各单元管理系统的所有信息，具有 进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制能力，实现全系统的最优控制 和优化管理。管理计算机数量较少，但功能强大，一般情况下一个d c s 只需配 备一台管理计算机。 ( 4 ) 现场控制站( 下位机p l c ) 现场控制站是完成对过程现场i o 处理并实现直接数字控制的网络节点，由 处理器单元、通讯接口和i o 卡以及现场端子板组成。部分d c s 的处理器单元、 通讯接口和i 0 卡可冗余配置，并可带电插拔，所以现场i o 控制站具有很强的 可靠性和维护性。它完成现场信号的数据采集和控制信号的输出，实现对生产过 程的反馈、顺序和逻辑控制，并能协调生产过程，完成更高级的控制功能。 2 3 2 基于d c s 的超临界萃取控制系统总体结构 现在，随着计算机和自动化技术的飞速发展，传统的超临界萃取控制方式 已经不能满足现在多方面的需要，所以超临界控制系统正在朝着现代化自动化的 方向发展。一般一个现代化的超临界萃取控制系统应包括数据实时采集、历史资 料查询、编报、远程与现地控制、非法入侵监测、异常情况报警等功能。整个系 统主要有监控计算机( p c 上位机) 、西门子p l c ( 下位机) 、阀泵控制器和智能 仪表构成，系统的总体设计结构如图2 1 所示。 2 3 3s c f e 总体结构 控制系统包括硬件和软件两部分。s c f e 控制系统由一台装有i f i x 的p c 机 作为上位机( 主站) 监控系统，西门子s 7 3 0 0 p l c 组成下位机( 从站) 的现场 控制系统组成【2 0 】，系统结构如图2 2 所示。 图2 1 超临界萃取控制系统整体结构 f i g 2 - ls u p e r c r i t i c a le x t 忸c t i o nc o n n 0 ls y t e m 图2 2 监控系统结构图 f i g 2 - 2 s 臼1 j c t u l 冶o f m em o n i t o r i n gc 0 咖r 0 is y s t e m 1 3 第2 章基于组态软件s c f e 控制系统总体方案没计 本文中，基于d c s 的超临界萃取控制系统主要由上位p c 机监控管理部分、 下位机p l c 现场控制及部分传感器、智能仪表组成。 通过p l c 通讯单元实现与计算机的通讯，计算机可以完成数据的采集和处 理，并可以传送至p l c 的数据区，计算机还可以直接读写p l c 内部数据区的数 据，也可以监控程序执行状态。可见，通过p l c 与计算机通