（测试计量技术及仪器专业论文）基于网络的造纸定量、水分控制系统软件的设计.pdf

、 摘要 随着自动控制和计算机技术的迅速发展，对造纸过程实现计算机控制已经是造 纸综合自动化系统的一个重要的组成部分。本课题设计并开发了基于网络的造纸过 程定草、水公控制系统软件。整个丕筮拯 生分为三个模块：测控模块，远程监控模 一 ，”一 块和w e b 浏览模块。测控模块对造纸过程定量、水分进行自动控制；远程监控模 块提供了对主控制机进行远程监制的功能；w e b 浏览模块使用户在i n t r a n e t 各处均 可获取现场运行情况的信息。 在本系统具体的软件开发过程中，采用了面向对象分析( o o a ) 和面向对象设 计( o o d ) 技术。本论文从软件设计思想到功能实现都进行了详细的介绍。 第一章主要介绍了造纸自动控制的发展现状，及本课题的任务及其意义。 第二章介绍了造纸定量、水分控制系统的总体设计、硬件设计、软件设计思想 及其开发环境的选择。 第三章详细论述了用o o a 来对造纸定量、水分控制系统的分析过程。 第四章重点论述了用o o d 来对本系统的设计过程，并主要介绍了本系统软件的 实现。 第五章对本软件的测试、调试及运行情况作了介绍。 第六章对本课题进行了总结，并对其发展趋势作了展望。产一、 关键词：自动控带矿定量、水分远程控带洳e b 浏览 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i cc o n t r o la n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo fp a p e r m a k i n gh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to ft h e c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n sa n dd e v e l o p st h e s o f t w a r eo ft h es y s t e mw h i c hm e a s u r e sa n dc o n t r o l st h e q u a n t i f i c a t i o na n d m o i s t u r e o ft h ep a p e r m a k i n gb a s e do nn e t w o r k t h es y s t e ms o f t w a r ec a nb ed i v i d e di n t o t h r e em o d u l e s ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，r e m o t ec o n t r o l ，a n dw e bb r o w s i n g t h e f i r s tm o d u l ei su s e dt om e a s u r ea n dc o n t r o lt h eq u a n t i f i c a t i o na n dm o i s t u r eo ft h e p a p e r m a k i n g t h es e c o n di sr e s p o n s i b l ef o rr e m o t ec o n t r 0 1 t h et h i r ds u p p l i e st h e u s e rw i t hi n f o r m a t i o no ff i e l d w o r ki ni n t r a n e t t h et e c h n i q u eo fo o a ( o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s ) a n dn o d ( o b j e c t o r i e n t e d d e v e l o p m e n t ) i su s e dt od e v e l o pt h es o f t w a r e t h ed e s i g na n df u n c t i o nr e a l i z a t i o no f t h es o , w a r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l c h a p t e r1p r o p o s e st h ec u r r e n td e v e l o p i n gs t a t u so fa u t o m a t i cc o n t r o lo f p a p e r m a k i n g ，a n dt h et a s k o f t h er e s e a r c h c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ec o m p r e h e n s i v ed e s i g no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dt h es e l e c t i o no f d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t c h a p t e r 3d i s c u s s e st h eo o a ( o b j e c t o r i e n t e d a n a l y s i s ) o f t h e s y s t e m i nd e t a i l s c h a p t e r4f o c u s e so nt h en o d ( o b j e c t - o r i e n t e dd e v e l o p m e n t ) o ft h es y s t e m ， a n dt h er e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r e c h a p t e r 5c o n c e r n so nt h e t e s t i n g ，d e b u g g i n ga n dr e s u l to ft h es o f t w a r e c h a p t e r 6s u m m a r i z e st h ep r o j e c ta n d p r o p o s e sap r o s p e c tf o rt h ed e v e l o p i n g o f p a p e r m a k i n ga u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc o n t r o l ，q u a n t i f i c a t i o n 、m o i s t u r e ， r e m o t ec o n t r o l ，w e b b r o w s i n g 致谢 y 1 0 9 5 7 衷心感谢我的导师陈耀武副教授。在两年半的研究生阶段，陈老师在学习、生 活等方面给我诸多的帮助和大力的支持。他那渊博的学识、忘我的工作精神、严谨 求实的治学态度，给我以极大的动力，使我终生受益。我十分感激在这段时间内， 陈老师给予的指导、帮助和影响。 特别感谢汪乐宇教授，为我们创造了优越的实验条件，形成了协作、进取的团 队精神，给予我们无微不至的关怀和支持，在此表示深深的敬意。 感谢浙大双元科技的胡美琴老师的指导和无私的帮助。 感谢实验室的耿晨歌老师，周泓老师等无私的帮助与指导。 感谢学友龙洪玉、刘莉、刘阳、徐小良、杨国忠、陈迈涛等，以及实验室的学 长、师弟师妹们，他们在我做课题期间给了我真诚的帮助在此一并致谢。 特别感谢我的父母和亲人，他们源源不断的无私的爱给我以无穷的动力和永远 的安慰。 徐岱 2 0 0 1 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 这一章主要介绍本课题的提出和意义，国内、外发展现状及其课题的任务和 主要内容。 1 1 课题的提出和意义 造纸工业是国民经济许多配套的，必要的重要原材料工业。随着人民物质文 化生活水平的不断提高，纸和纸板所需的品种和数量将日益增长，在国民经济中 占有越来越重要的地位。当前在我国加工制造业能力普遍过剩的状况下，造纸工 业是为数不多的需求不断扩张的行业之一，大力发展现代造纸工业，显然可以成 为我国新的经济增长点，势必对我国国民经济的增长产生有力的拉动作用。 我国造纸工业的发展前景十分乐观，但是，与国外的造纸工业相比，我们还 是有一种差距的。我国造纸工业技术落后，自动化程度很低，绝大部分生产流程 还是人工操作，限制了我国造纸工业的发展。随着社会生产水平和人们物质文化 生活水平的提高，对纸的质量和产量要求越来越高，而日益严重的世界性能源紧 张和工业污染问题迫使能量消耗多、污染影响大的纸浆造纸业采取各种措施来减 少污染、降低能耗。这样，整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难 以保证达到产品质量，所以着手造纸过程进行自动控制迫在眉睫。而纸张的定量、 水分是衡量纸张的质量的重要参数，实现对造纸过程定量、水分的严格控制，更 是非常必要而且有意义的。 造纸过程具有干扰多、耦合严重、大纯滞后等特点，现代造纸工业需要有一 个智能的集成系统，提高控制精度，对造纸过程实行计算机控制。计算机控制实 质上是自动控制技术和计算机技术相结合。自动控制技术加上计算机技术就犹如 猛虎添翼。由于计算机具有强大的存储信息的能力，强大的逻辑判断功能以及计 算机的快速运算本领，计算机控制能够解决常规技术解决不了的难题，能够达到 常规控制技术大不到的优异的性能指标：实现复杂的控制规律、提高控制质量、 增加产品的质量，如纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制等；能够有效 地克服随机扰动。计算机可以根据实时检测到的数据，用自动校正算法估计过程 动态，进行| 动调整控制信号，保证n ：扰动现时仍有满意的控制结果：控制舰 浙江大学硕士学位论文 律灵活、多样、改动方便。 造纸过程对象是一个复杂的多变量控制对象，但两个基本指标是定量和水 分。实现对造纸过程定量和水分的有效控制，可以明显地减少断纸次数。纸张水 分太高或太低，会降低纸页的伸张力和拉力而造成断纸；纸页定量太低，引起厚 度降低，进而使纸张的强度和拉力降低而引起断纸。低定量纸的断纸显现比较严 重，实现定量、水分控制后，使纸的利用率显著提高，提高了生产的效率，也节 约了能源。 1 2 国内、外发展现状 造纸工业是一个与国民经济和社会主义文明建设息息相关的重要产业部门。 世界上经济发达国家一般都拥有发达的造纸工业。建国以来，我国造纸工业得到 了很快的发展，轻工系统内造纸工业产值在轻工业中的比重逐年提高，为国民经 济的发展和人民生活水平的提高做出了重要贡献。1 9 9 5 年全球造纸工业行业排 序位居电信和汽车工业之后，超过了钢铁工业和航空工业。但是我国造纸工业技 术落后，自动化程度很低，绝大部分生产流程还是人工操作，限制了我国造纸工 业的发展，实现我国造纸工业现代化还相当艰巨，与国际接轨还要付出艰辛的努 力。 随着自动控制技术的不断发展和在国民经济中的广泛应用，使得自动控制技 术在工业控制中的重大作用日益得到体现，由此带来的显著经济和社会效益日渐 受到社会各界的关注。纵观国内外自控技术的发展情况，我国自控技术的研究和 应用水平还很欠缺，工业和农业自动化水平还不高，制浆造纸过程控制更是如此。 在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化 技术等在我国还处于刚起步阶段。 当今世界制浆造纸工业在生产技术中已形成了高速、高效、高质量、低消耗、 连续化、自动化的作业系统，制浆技术向减少污染、节约能源和充分利用纤维资 源等方面发展，纸机向宽幅、高速、高质量、低消耗、自动化方面发展。 过程控制的发展是与控制理论、仪表、计算机、计算机通讯与网络以及有关 学科的发展紧密有关的。过程控制发展大致经历了简单控制系统、先进控制系统 和综合自动化( c i p s ) 这样几个发展阶段。随着工业控制技术的发展，新的应用要 求不断提f ，造纸过程控制系统也h 趋复杂，这小仪体现存被测控对象的大型化、 浙江大学硕士学位论文 复杂化，而且也体现在对测控系统要求的苛刻性。现代测控系统不仅仅局限于少 量数据的采集和分析，更趋向于对设备的长时间、全方位监控，同时对测控软件 的开发也提出了新的要求，要求软件系统成为能实现实时的大量数据采集和在线 的状态监测任务的实时系统。 ，： 1 1 3 课题的任务和主要内容 ”。 造纸过程对象是一个复杂的多变量控制对象，如：纸机的纸速，蒸汽的压力 和流量，纸浆的浓度和流量，封闭网前箱的总压等，纸张的定量、水分是衡量纸 张的质量的重要参数，本课题的主要任务即要实现对造纸过程定量、水分的严格 控制，使之达到产品质量，减少断纸次数，增加产量。降低能源和原料消耗，获 得明显的经济效益，并能在局域网中实现网络化管理，以便快速方便的获取信息。 本系统以控制原纸、成纸定量、水分为主要目的，兼以监控纸机上十几个工 艺变量。采用b 射线定量仪和红外水分仪作为成纸定量和水分的在线检测传感部 件，并配有c 型或“0 ”型扫描架。本系统采用线检测传感部件对关键变量 实行多个单回路控制，定量、水分则由上，下位机形成解耦大闭环控制。同时， 针对不同的纸机工艺流程在纸机的敏感部位安装有多个液位，压力，温度，纸速， 网速和物位等传感器，以使控制系统获取尽可能多的纸机工况信息，参与控制运 算，提高控制质量。 在软件上实现数据管理、质量控制、数据显示、报表打印、w e b 浏览、远 程监控等功能。并可以动态的对系统进行设置、组态，使之在造纸行业具有广泛 的应用。 一系统主要技术指标： 1 使用范围：生产1 5 1 0 0 0 9 纸和纸板的长网、圆网纸机： 2 定量测量精度：方差2o o 4 9 ，定量控制精度：纸卷方差2o 1 目标 值，改善率6 0 ； 3 水分测量精度：方差2o 3 ，水分控制精度：纸卷方差2o 0 。5 水 分值，改善率6 0 ： 二要实现的功能： 1 实时信息管理： 根掘f f t c r $ ；t 采集来的信息，组成符种湿町i 图形，直观地反映当前纸机 浙江大学硕士学位论文 的运行状况，便于对纸机整体运行进行监控，同时，形成各种统计数据， 打印报表，对过程实施智能化管理。 各种参数设置均可通过工作站或操作台修改：各种参数的测量值，设定 值及纵向曲线的实时显示，自动记录，统计，报表打印； 2 大闭环解耦控制： 由于造纸过程的特点是大纯滞后强耦合，常规的p i d 控制无法实现有效 控制，纸张的定量、水分难以控制稳定。在上位机中采用预测控制算法控制 对定量，水分实施大闭环解耦控制，确保控制指标的实现。 任一控制回路具有自动，手动功能，并实现无扰动切换；实现开机，停 机的全自动顺序逻辑控制及手动备份控制； 3 系统采用网络数据库的方式，可直接与工厂的m i s 系统联网。 三系统设计的目标： 1 解耦大闭环控制，保证控制指标的实现。 2 本系统在软件设计上以获得最高的品质标准和最低的能源、原材料消耗 为实现目标，采用控制品质优异的控制算法，最大限度地降低纸机的波动， 使纸机工作在低消耗、高效率的运行状态，从而大大地降低吨纸耗、汽、 电、水及其它原材料的消耗。 四本论文的主要内容 本论文采用面向对象的分析方法( o o a ) 进行造纸定量、水分控制系统进 行了问题分析、发现和标识对象、标识结构、标识主题等，采用面向对象设计( o o d ) 的方法对本系统进行设计，按照软件工程的步骤进行设计、测试。 在软件上按功能可分为三个模块：测控管理、远程监控、w e b 流览。 1 测控管理模块 此部分为现场的主控制机部分，对造纸过程的定量、水分实施大闭环解耦控 制，主要保证控制指标的实现。在主控制机部分采用预测控制算法计算出下设值 并发送给单回路，实现控制。根据从单回路上收来的信息，进行被测控量的曲线 显示、数据表单显示等，直观地反映当前纸机的运行状况，以及纸机整体运行， 从而进行监控。同时，主控制机对现场数据库进行管理。此部分按照功能可分为 以下几个模块：系统建立、显示、数据输出、参数设置等几个模块，每个模块i ! 浙江大学硕士学位论文 面又分为几个小模块。 此部分在现场已经投入使用，且运行稳定，性能可靠。 2 远程监控模块 采用客户机朋务器方式，可对现场监控室的现场情况进行实时监控，可存 取到现场的数据库，可以监视现场的画面，可远程关机、重起，可以和现场的操 作人员进行现场指挥、通信交流，以便于能及时的处理现场出现的问题，并为诊 断现场故障提供了重要的资料准备。 3 w e b 浏览模块 本系统的网页浏览部分开发的目的就是适应i n t e m e t 的发展，突破目前过程 自动化管理系统的封闭局面，在i n t e m e t 各处均可用浏览器监测到现场运行动态 情况，如浏览工艺流程，可以数据库查询、显示历史曲线等。这样便可把纸机监 控与生产管理系统等组合为一体。 浙江大学硕士学位论文 第二章造纸定量、水分控制系统的总体设计 这一章主要介绍面向对象的软件设计的有关知识及总体设计 2 1 基于面向对象软件工程的设计，7 “软件工程”一词是1 9 6 8 年北大西洋公约组织( n a t o ) 在联邦德国召开 的一次会议中首次提出的。它的中心思想是把软件当作一种工业产品，而不是某 个个体或小作坊的神秘技巧，要求“采用工程化的原理和方法对软件进行计划， 开发和维护”。这样做的目的，不仅是为了实现按预期的速度和经费完成软件生 产计划，也是为了提高软件的生产率与可靠性。软件工程是从技术( 方法和工具) 和管理两方面研究如何更好地开发和维护计算机软件的一门新兴学科。 软件工程强调使用生存周期方法学和各种结构分析及结构设计技术。软件生 存周期包括计划，开发和运行三个时期，每个时期又可细分为若干更小的阶段。 整个生存周期划分为较小的阶段，是实现软件生产工程化的重要步骤。这种划分 的实质是：1 ：给每个阶段赋予确定然而有限的任务，能够简化每一步的工作内 容，使软件的复杂性变得容易控制；2 ：通过一定的有限的步骤，把用户需要解 决的问题从抽象的逻辑概念转化为具体的物质实现。 软件生命周期划分为八个阶段即，问题定义、可行性研究、需求分析、总体 设计、详细设计、编码和单元测试、综合测试、软件维护。这就为工程化地研制 软件提供了一个框架。但是，必须指出入实际系统的研制工作，不可能是直线进 行的，常常存在着反复。研制人员往往需要从后面的阶段回复到前面。 软件生命期的前三个阶段，即问题定义、可行性研究、需求分析常常称之为 软件的定义时期。开发时期有4 个阶段组成：总体设计、详细设计、编码和单元 测设、综合测试。最后一个阶段称之为软件的维护期。在软件开发期中，测试阶 段的工作量最大，约占到开发期总工作量的4 0 ，而在软件的整个生命期中，维 护的周期最长工作量也非常大。 面向对象方法以客观世界中的对象为中心，其分析和设计思想符合人们的思 维方式，分析和设计的结果与客观世界的实际比较接近，容易被人们接受。在面 向对象方法中，分析和设计的界线并不明显，它们采用相同的符号表示，能方便 浙江大学硕士学位论文 地从分析阶段平滑地过渡到设计阶段。此外，在现实生活中，用户的需求经常会 发生变化，但客观世界的对象及对象间的关系相对比较稳定，因此面向对象方法 分析和设计的结果也相对比较稳定。 面向对象程序设计是当今程序设计的通用方法。它是通过搜索共性将软件系 统划分为类，通过建立子类来处理特殊性，最终构造出一个适当的有关类和子类 的等级结构。面向对象的程序设计允许设计者将对具体情况的考虑延迟到一般结 构建立起来以后。设计一个面向对象程序的基本方法是取消特殊情况，直到不能 再取消为止，在一般设计完成后，才向程序中不断增加具体功能，而不影响先前 完成的工作。这是一个先粗后细，循序渐近的过程。 建立类等级有两种方法，一种是自顶向下，即通过从一个父类开始建立子类， 在一个类等级中设计类型：另一种是自底向上，即先建立几个似乎不同的类型， 确定它们之间的关系，然后抽象出它们的公共特性到一个或几个父类中。通常要 共同使用自顶向下和自底向上的方法并且反复多次才能设计出一个完整的和正 确的类等级。 大多数基于模型的软件工程方法都蕴涵着一个重要的概念，即事务分离原则 ( p r i n c i p l eo fs e p a r a t i o no fc o n c e r n s ) 它主要体现在：分析模型和设计模型是 分开建立的。分析模型主要是描述系统将要做什么，完全不考虑具体的实现方法 和技术细节；设计模型是描述在某个给订的实现环境下( 例如平台、网络、操作 系统、数据库、用户界面等) 该如何去创建一个特定的软件系统。 本软件遵从面向对象的软件工程的思想，它的思想是溶入整个软件的开发过 程中的。本论文也把重点放在分析模型和设计模型的建立上。在以后的章节中会 详细的介绍。 2 2 总体设计方案 本系统采用线检测传感部件对关键变量实行多个单回路控制，其中包括浆浓 度控制回路、浆流量控制回路等等，定量、水分则由上，下位机形成解耦大闭环 控制。同时，针对不同的纸机工艺流程在纸机的敏感部位安装有多个液位，压力， 温度，纸速，网速和物位等传感器，以使控制系统获取尽可能多的纸机工况信息， 参与控制运算，提高控制质量。并适应i n t e r n e t 的发展，可以在局域网中对主 控制机进行远程监控、用w e b 浏览器对现场数据进行动态的信息查询和浏览。 浙江人学顺f 学位论史 下面是三个大闭环控制。如图2 1 所示。 ( 1 ) 对原纸水分的控制通过对原纸压力的控制来实现 ( 2 ) 对成纸水分的控制通过对成纸压力的控制来实现 ( 3 ) 对原纸定量的控制通过对芯浆流量的控制来实现。 一原纸水 成纸水 一原纸定 压力阀门， 压力阀门一 流量阀门一 图2 1 定量、水分控制系统框图 2 2 1 定量控制 定量控制是通过控制上网浆流量，实际上是控制流过纸浆阀的绝干量来实现 的。 纸张定量主控回路 我们对原纸定量进行控制，定量传感器完成次横向扫描之后，计算出 纸页的平均定量，并与给定值比较得到绝干纤维量信号。 纸张流量的控制回路 从去流浆箱的浆管上取得的纸浆流量信号，通过控制回路调整放料浆阀 的丌度。由于定量对流量的控制无法直接实现，所以通过一个压力环节 对阀的开度进行问接控制。测量变送环节的任务是对被控制变量或其它 有关参数作出f 确测量，并把它转换成统一信号。控制阀接受控制器来 浙江大学硕士学位论文 的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。 2 2 2 水分控制 纸张水分的控制是通过调整纸机烘缸的进气蒸汽压力达到的。该过程是一个 标准的串级控制回路。 水分主控回路 我们对原纸和成纸的水分进行控制，水分传感器完成一次横向扫描后， 计算出纸张的平均水分，并与给定值比较，通过主控制器得出一段烘缸 的进气蒸汽压力设定值。 纸浆压力的控制回路 从主控回路得到的进气蒸汽压力设定值，通过控制回路来调整进气蒸汽阀的 开度。同纸浆流量的控制回路相似，通过改变阀的开度达到控制压力的目的。 2 3 硬件设计方案 系统结构如图2 2 所示： 浙江大学硕士学位论文 图2 2 系统结构图 整个系统由多个基于单片机的p i e ) 单回路和数采器、用于远程显示的大屏幕 构成，单回路和数采器将测量数据采集上来，通过r s 4 8 5 串口通讯将数据传送 到控制台主机，主机通过设置的参数和控制算法计算出控制值，然后再通过 r s 4 8 5 下装参数。控制台主机连接到一个基于客户服务器的企业网上，将测量 的数据放到服务器上，使其他客户终端可以访问服务器，浏览这些数据，实现数 据共享。并且在企业网上可以用浏览器浏览工艺状况、历史曲线、数据库查询等。 通信方式选择 r s 2 3 2 c ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 是计算机互联系统中常用的几种串行通信标准。 r $ 2 3 2 c 浙江大学硕士学位论文 r s 2 3 2 c 是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准。其逻辑电 平对地是对称的，完全与t t l 、m o s 逻辑电平不同。逻辑电平0 为+ 5 v + 1 5 v ， 逻辑电平1 为一5 v 一1 5 v 之间。 由于r s 2 3 2 c 的发送器和连接器之间具有公共信号地，不可能使用双端信 号，因此共模噪声会耦合到信号系统中，这是r s 2 3 2 c 使用较高传输电压的主要 原因。r s 2 3 2 c 信号线上的总负载电容量不能超过2 5 0 0 p f 。如果电缆电容为 t s o p f m ( 或l 2 5 p f m ) 时，则传输线的最大长度不应超过1 5 m ( 2 0 m ) ，传输线长 时，电容量增大，传输的位速率高时，电容的充放电电流就增加，使接受端( 负 载端) 的信号减弱，严重时甚至信号无法辨认，因此最大传输速率( 波特率) 限 制在2 0 k b i t s 以下。 r s 4 8 5 r s 4 8 5 为差分平衡数字通信接口，由于差分接收器在平衡模式中操作( 即两 根差分信号线对地阻抗相等) ，周围的噪声同时感受到两根线上，因而在接收器 输入端出现的共模噪声被抑制，同时发送器和接收器的连线只剩下两根差分数据 线，不需要共地连接，彻底消除了远距离信号传输中因地的电位不等造成的影响， 并且简化了拉线。本标准接收器具有较高的灵敏度( + - - 2 0 0 m y ) ，只要差分信 号大于4 - 2 0 0 m y ，输出即为逻辑l ，差分信号大于一2 0 0 m v ，输出为逻辑0 ，其最 高传输速率可达1 0 m b i t s ，当传输速率较低时，信号能传送几千米。 测控系统通常由数据采集、数据管理、信号分析和故障诊断等部分组成。其 中，数据采集是其它一切后续步骤的基础，也是测控系统的难点之一。测控系统 中的工业控制计算机通常都要与各种各样的外部硬件设备打交道( 如工业p l c 、 各种智能仪表、智能调解器) ，由r s 2 3 2 c 和r s 4 8 5 特性对比，在本系统中选用 r s 4 8 5 串行通信方式，这种通信方式以其可靠、简单、低价而深受用户欢迎。 2 4 软件设计方案 2 4 1 软件设计思路 对象指的是一个独立的、异步的并发的实体，它能存储数据、封装服务、并 通过交换消息，从而完成( 模块化) 系统的所有功能。面向对象即软件程序的结 构j 要解决的问题一致。本课题中采用而向对象的分析方法( o o a ) 进行本系 浙江大学硕士学位论文 统进行了问题分析、发现和标识对象、标识结构、标识主题等，采用面向对象设 计( o o d ) 的方法来进行软件设计。 本软件从设计的内容方面分为三个部分：测控管理部分、远程控制部分、w e b 浏览部分。这几部分的关系如图2 3 所示。 职能工作部门2 n 免浏览 图2 3软件总体思路图 一测控管理部分 此部分主要是对造纸过程进行检测、控制，并进行数据库管理。可采用手动、 自动方式对造纸过程进行控制，在主控制计算机中采用了预测控制算法计算出下 设值通过r s 4 8 5 串口通讯发送给单回路，对单回路进行控制，从而对定量，水分 实施大闭环解耦控制，保证控制指标的实现。根据从单回路上收来的信息，进行 被测控量的曲线显示、数据表单显示等，直观地反映当前纸机的运行状况，对纸 机整体运行进行监控，同时，形成各种统计数据、历史数据，对数据库进行管理， 对过程实施智能化管理。 按照功能可分为以下几个模块：系统建立、显示、数据输出、参数设置等几 个模块，其中每个模块罩面又分为几个小模块，在以后的章节中会进行详细的说 明。 ：远程控制部分 浙江大学硕十学位论文 采用客户机服务器方式，由远程控制室可对现场监控室的现场情况进行实 时监控，可存取到现场的数据库，可以监视现场的画面，可远程关机、重起，可 以和现场的操作人员进行现场指挥、通信交流，以便于能及时的处理现场出现的 问题，并为诊断现场故障提供了重要的资料准备。 三w e b 浏览部分 i n t e m e t 在人们的生活与工作中的应用越来越广泛。其上承载的业务除了多 媒体、电信、公用信息服务外，还包括越来越多的电子商务、企业i n t r a n e t 信息 服务等业务。而i n t r a n e t 是采用i n t e m e t 技术的企业内联网络，它既可与i n t e m e t 互联，也可以独立使用，具有很大的灵活性。 本系统的网页浏览部分开发的目的就是适应这种趋势，突破目前过程自动化 管理系统的封闭局面，用户只要在内部i n t r a n e t 上建立自己的w e b 服务器，并通 过w e b 服务器与数据库服务器连接，在i n t r a n e t 各处均可用浏览器监测现场运行 动态情况，比如浏览工艺流程数据库查询、显示历史曲线等。这样便可以将纸 机监控与生产管理系统等组合为一体，在自动化水平、造纸运营机制和经济与人 力投入等方面获得较高的性能价格比。 2 4 2 控制算法 1 离散p i d 控制 由于大多数工业生产过程是缓慢变化的，只要控制机的采样周期t s 取得足 够短，继续控制形式就趋近于连续控制形式。离散p i d 算式是由连续p i d 算式 离散后获得的。 1 位置算式 u ( k ) = k 。 e ( k ) + 要【s ( k 。1 ) + e ( k ) + 罢 e ( k ) e ( k 一1 ) ) + u 。 ls u 。相当于初始阀位。 一i s ( k 一1 ) = p ( f ) 为当前偏差e ( k ) 和以前所有偏差的和。 i = 0 2 增量算式 u ( k ) 2 kc e ( k ) 一e ( k - 1 ) + k i e ( k ) + kd x e ( k ) - 2 e ( k 一1 ) - b e ( k 一2 ) 】 浙江大学硕士学位论文 式中：k i 。竺一一积分系数 n k d = k 。警一一微分系数 l s 该式的输出不是控制阀的实际阀位，而是阀位的改变量。 下面是两种的功能差异： ( 1 ) 位置算式需由机器外部引入初始阀位值，增量算式不需要。 ( 2 ) 位置算式需要采取防积分饱和措施，而增量算式是不会产生积分饱和的。 因为对持续存在的偏差，层管增量算式的输出也会使阀推向全开、或全关。 但当偏差符号改变时，在一个采样周期内输出控制作用即能回到控制作用。 ( 3 ) 当计算机故障时，对于增量算式，可以送出一个信号给步进马达，将它停 在原有位置，使工艺生产在计算机故障时不受大的干扰。而位置算式本身不 具备这种功能。 ( 4 ) 增量算法的缺点是它不能可靠地完成比例控制，不能保护串级控制回路的 主控制器免于积分饱和，以及不能有效地实现选择性的功能。 2 大纯滞后特性的控制 造纸过程控制的特点之一使对象具有大纯滞后，特别是生产高定量纸的 纸机，对象具有特大纯滞后，这是实现造纸过程的困难所在。目前克服大纯 滞后还没有十分有效的办法，相比之下，s m i t h 预估算法、自校正控制算法、 内模控制算法、预测控制算法都能较好地补偿纯滞后对控制品质带来的影 响，达到令人满意的效果。 a 纯滞后过程 一些过程在输入变量改变后，输出变量并不立即改变，而要经过一段时间后才 反映出来，纯滞后就是指在输入变量变化后，看不到系统对其响应的这段时间。 当过程的纯滞后时间与主导时间常数之比超过0 5 时，称为大纯滞后过程。 当物质或能量沿着一条特定的路径传输时就会出现纯滞后。路径的长度和运 动速度是决定成纯滞后大小的两个因素。纯滞后环节对任何信号的响应都是把它 推迟一段时间，其大小等于纯滞后时间。 在生产过程中，许多对象的动态特性可以表示为一阶或二阶惯性环节加纯滞 后，对这种现象，一般的p i d 调节规律难以获得好的动态特性，特别是是当滞后 时间较大时会引起大的超调和长时蚓的振荡。 浙江大学硕士学位论文 b s m i t h 预估算法 下面主要介绍s m i t h 预估算法控制。采用s m i t h 补偿电路，可以大大改善其 动态特性，取得较好的控制效果。 设一个控制系统，对象特性为 g p c ( s ) = gp ( s ) e 1 式中g 。( s ) 一对象传递函数在除去纯滞后项以后的部分； e 一对象中的纯滞后部分。 显然，由于传递函数中含有纯滞后环节，随着t 增大，相位滞后增加， 系统的稳定性降低，控制品质下降。 相应的简单反馈系统表示在图2 4 r ( s 图2 4 具有纯滞后过程的单回路控制 设这两部分的中间变量有个变量b 。如果能将变量b 检测出来，则可以按图 2 5 所示， 誓! + 图2 5 将纯滞后环节置于环外的单回路控制 把b 信号输出到控制器，这样便把纯滞后环节置于环路外边。经过纯滞后t 以 后，被控变量y ( t ) 将重复b ( t ) 同样变化。由于反馈信号b 没有滞后，所以系统 响应将会大大改善。然而因为b ( t ) 不能直接检测，只有用过程模型才能将它推 算出来。史密斯预估器的实质即是借助于过程模型，推算出b ( t ) ，以实现没有 纯滞后的反馈控制，具有史密斯预估的反馈系统见图2 6 。 浙江大学硕：j ：学位论文 图2 6 纯滞后过程的史密斯预估控制 图中的点化线方框表示整个控制装置。其中的g 。( s ) 为一般的p i d 控制器。而 虚线方框表示史密斯预估器，它的传递函数为( 卜e 。) g 。( s ) 。y ( t ) 是过程的 实际输出，y ( t ) 为模型输出，而b 。( t ) 是没有纯滞后的模型的输出。 下面是用计算机控制时的史密斯预估算法设计。 假定对象是一阶加纯滞后过程： 。2 南e “硼器战r g h , g m - 式中g 。( s ) 为零阶保持器传递函数，g 。( s ) ：l 兰二 5 经过变化得： y ( k ) = a 2 y ( k - 1 ) + a 2 k ，百1 1 ) u k 一( n + 2 ) + k ，( 1 一i 4 2 ) u k 一( n + 1 ) 式中a 2 = e “7 9 a 3 = e 一9 b 。( k ) = k p ( 1 一a2 ) u ( k 1 ) + a2 b 。( k 1 ) 控制器g 。的输入端偏差信号 e ( k ) 2 r ( k ) 一y ( k ) 一【b ( k ) 一y ( k ) 】 或e ( k ) = r ( k ) 一b ( k ) 一【y ( k ) 一y 。( k ) 】 史密斯预估控制是克服对象纯滞后影响的一种有效方法。它采用在p i d 控制 浙江大学硕士学位论文 回路上并联一个补偿回路的方法，实现对被控量的超前预估。这相当于在反馈回 路中加入一个产生超越函数e 8 的预测单元，以此抵消了被控对象的纯滞后因素， 获得了多阶微分的控制效果。 在本系统中采用史密斯预估控制算法。在软件设计上，加入了p i d 增量算法， 以便能灵活的进行选择。 2 5 操作系统和开发工具的选择 2 5 1 操作系统的选择 首先我们来讨论操作系统的选择问题。目前可以选择的操作系统有d o s 、 0 s 2 、a p p l em a c i n t o s h 、u n i x 、w i n d o w s 9 5 9 8 ( 以下简称9 x ) 、w i n d o w sn i 。 早期的测控系统常采用中断的方式在d o s 操作系统下实现对串行口的读 写。由于d o s 操作系统的限制，开发功能复杂，人机交互性好的测控软件几乎 是不可能的。由于用户的水平所限我们不能要求用户去掌握复杂的u n i x 系统， 而o s 2 和m a c i n t o s h 得不到广大软件厂商的支持，是非主流的操作系统。随着 w i n d o w s 操作系统在工业领域中的应用，在w i n d o w s 平台上的测控系统已是不 用质疑选择。 而w i n d o w s9 x 及w i n d o w sn t 是业界的标准得到广泛的支持，可利用的资 源极其丰富，这些优势决定了如果选择w i n d o w s 系列的操作系统将会为测控系统 软件提供一个相对坚实、稳定的平台。 由于n t 对系统的要求比较高，尤其是内存较少的机器运行起来速度过慢。 测控系统软件不全是3 2 位应用程序，还要运行一些1 6 位的程序( p l c 的控制程序) 。这些程序在n t 下运行可能出现问题，而选用9 x 则可以保持较好 的兼容性。 因此我们选择用w i n d o w sn t 作为服务器的操作系统，控制台主机采用 w i n d o w s9 x 操作系统。 2 5 2 开发工具的选择 我们选择开发工具的原则是丌发工具能够为我们提供一个高速、高效、兼 容性好的丌发环境。 浙江大学硕士学位论文 一d e l p h i 虽然v b 、p o w e r - b u i l d e r 等和d e l p h i 都是r a d ( r a p i da p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t ) 工具，都可以在w i n d o w s 9 5 和n t 环境下开发各种用途的应用软 件，而且都具有功能强大和使用方便的特点。但是v b 、p b 等是伪面向对象的使 用对象和方法，它们不支持封装、继承性、多态性等基本面向对象的概念；多是 采用解释语言形式，因此其生成代码的效率和链接与运行的速度远不如d e l p h i ； 而且这类软件很多都是面向特定系统的开发而设计的，有其局限性。 而d e l p h i 是真正的面向对象，内含优化了的n a t i v e c o d e 编程器，开发程序 要比v b 等产生p c o d e 的程序快1 5 5 0 倍，而且具有高度易用的可视化开发方 式和很高的代码编译效率。凭借其内部的数据引擎b d e ( b o r l a n dd a t a b a s e e n g i n e ) 包括对客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 数据的访问能力，其数据的前端处 理能力达到了专业数据库软件的水平。它全面支持a c t i v e 和i n t e m e t ，具有强大 的底层处理能力、强大的异常处理机制以及强大的报表打印功能。并能够方便的 调用w i n d o w sa p i 函数、很好的和汇编，c c + + 结合使用。 d e l p h i 并不仅仅是编辑器和编译器，它是包含各项简明特性的开发环境，令 开发工作更加简单。它有如下几点主要特性： 1 定制的( c u s t o m i z a b l e ) 开发环境 2 面向对象 3 构件库和模板 4 完全编译 5 强大的应用 6 数据访问 综上所述，我们选择了d e l p h i 作为我们的主要开发工具，减少了工作强度， 使我们能将更多的精力放到对系统功能的完善上。 二a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 原理及特点 访问w e b 数据库的技术有多种：公共网关接口c g i ( c o m m o ng a t e w a y i n t e r f a c e ) 、i s a p i ( i n t e r n e ts e r v e ra p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 、j a v a j d b c 、 p l u g i n ( 插件) 和a s p 等。这些技术都是为了克服h t m l 静态页面发展起来的， 在网页制作中应用以上技术可以丌发出动念页面，c g i 是较甲，丌发的技术，但 浙江大学硕士学位论文 是开发成本高、编程复杂、服务器性能差、功能有限且不具备事务( t r a n s a c t i o n ) 功能。i s a p i 改进了c g i 的缺点，利用d l l 技术，但编程更加复杂。j d b c 和 p l u g技术功能较完备，但适用性较差。in a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 内含于m i c r o s o f t 公司的i i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o n s e r v e r ) 3 0 及其以上版本中，是m i c r o s o f t 公司为它的w e b 服务器开发的一个开 放的、独立于浏览器、不需要编译的w e b 应用环境。a s p 提供了一个服务器端 的脚本编写环境，使用它可以创建和运行动态、交互的w e b 服务器应用程序。 a s p 可以组合h t m l 页、脚本命令和a c t i v e x 组件以创建动态、交互且高效的 的w c b 页和基于w e b 的功能强大的应用程序。 一个a s p 文件包括：h t m l 标记( t a g s ) 、v b s c r i p t 或j s c r i p t 语言的程序代 码、a s p 语法、和结构化查询语言s q l 指令。当客户端浏览器向w e b 服务器 请求一个+ a s p 页面文件时，w e b 服务器就调用a s p 系统程序，解释执行被申 请页面文件的所有脚本命令。若脚本命令含有访问数据库的请求，就通过o d b c 与后台数据库相连，由数据库访问组件执行访库操作，并将执行结果动态生成符 合h t m l 语言的页面返回客户端浏览器响应用户的h t t p 请求，这样也就减轻 了客户端浏览器的负担，大大提高了交互的速度。 a c t i v es e r v e r p a g e s 的主要特点： 1 使用v b s c r i p t 、j s c r i p t 等脚本语言，结合h