（机械制造及其自动化专业论文）兰丰水泥生产线监控系统与界面组态研究.pdf

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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：曩甚彳久签字日期：埘年占月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨圭堡 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：强甚彳天 签字日期：二曲j 年占月心日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 新签名：舷绋戈 签字日期：加m r 年占月t s - i j 电话 邮编 摘要 在国家建材行政主管部门提出的“控制总量、调整结构、淘汰落后”的水泥 发展方针的指引下，新型干法水泥生产获得了迅猛发展。而集散控制系统作为当 今诸多水泥自动控制中最为成熟、实用的一种控制手段，在新型干法水泥生产线 上获得了广泛的应用。 水泥生产过程是个包含开关量控制和模拟量调节的混合控制过程。利用传 统的d c s 和p l c + h m i 都不能很好地解决这一问题。因此，h o n e y w e l l 公司推出 了p l a n t s c a p es c a d a b q c 9 0 0 集散控制系统。系统由交换式以太网将操作员站、 工程师站和现场控制站很好的连接在一起，实现全厂的自动化控制。 重点介绍了如何根据兰丰的水泥设备流程及设备的地理分布进行系统的配 置，以及对系统的上位机监控程序组态进行了具体的讨论和研究。 随着科学技术的进一步发展，d c s 向下将与f c s ( 现场总线) 充分融合使控制 彻底分散；向上将与m i s 结合咀实现企业的管控一体化。 关键词：d c s 人机界面组态p l a n t s c a p ed i s p l a y b u i l d e r a b s t r a c t i nt h e g u i d a n c eo ft h en a t i o n a lb u i l d i n gm a t e r i a la d m i n i s t r a t i v e d e p a r t m e n t sp o l i c yo f “c o n t r o lt o t a la m o u n t ，a d j u s ts t r u c t u r ea n de l i m i n a t e l a g , t h en e wt y p ed r y p r o c e s sc e m e mp r o d u c t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l y d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) i st h em a t u r e s ta n dt h em o s tp r a c t i c a l c o n t r o lm e t h o du pt ot h ep r e s e n t , s oi ti su s e dw i d e l yi nt h ew o r l d t h ep r o c e s so fc e m e n tp r o d u c t i o ni n c l u d e st h ed i g i t a lc o n t r o la n dt h e a n a l o gc o n t r 0 1 u s m g t r a d i t i o n a ld c so rp l c + h i v i ic a n n o tf i n i s ht h e p r o c e s so fc e m e n tp r o d u c t i o ns a t i s f a c t o r i l y , h e r e f o r eh o n e y w e l ll t d i n t r o d u c e dt h ep l a n t s c a p es c a d a h c 9 0 0d c si nt h e s y s t e m ，o p e r a t o r s t a t i o n s ，e n g i n e e rs t a t i o na n df i e l dc o n t r o ls t a t i o n sw e r ec o n n e c t e db yt h e s w i t c h i n ge t h e r n e t ，t of i n i s ht h ea u t o m a t i o nc o n t r o lo f t h ew h o l ep l a n t a l o n gw i t ht h ef a r t h e rd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d c s w i l lc o m b i n ew i t hf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mf u l l yd o w n w a r d st om a k et h e c o n t r o lf u n c t i o n ss e p a r a t ec o m p l e t e l y , a n di tw i l l g e tt h ei n t e g r a t i o no f m a n a g e m e n ta n dc o n t r o lb ys y n c r e t i z i n gm i su p w a r d s w r i t t e nb y ：w us i w e n ( m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db y ：p r o f x i o n gr u i w e n p r o f z h uh o n g - t a o k e yw o r d s ：d c s ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec o n f i g u r a t i o n ，p l a n t s c a p e ， d i s p l a y b u i l d e r 第一章绪论 1 1 水泥生产现状和新型干法水泥生产技术 1 1 1 我国水泥工业现状 水泥工业作为我国的基础原材料工业“3 ，近二十多年来有了长足的进步和发 展，水泥产量多年位居世界第一，产品的质量、档次也有了不同程度的提高，基 本满足了国民经济和社会发展的需要，然而其产品结构、技术结构和规模结构仍 然很不合理。整体发展水平较低，技术先进的大中型预分解回转窑水泥厂只占】0 5 2 5 号优质水泥只占水泥总产量的1 0 左右，形成了“大而不强”的局面，全国水 泥厂的平均规模年产不足1 0 万吨，与国际先进水平相比，有很大差距。各地水泥 产量的增长往往是在低水平的重复建设中发展起来的，从整体上看技术含量低、 环境污染严重的立窑水泥以及能耗高的湿法旋窑水泥仍占有很大比重，而高质量 的新型干法旋窑水泥却长期短缺。这种不合理的产业结构己明显制约了我国经济 建设的发展和水泥工业前进的步伐。 为此，国家建材行业主管部门提出了“控制总量、调整结构、淘汰落后”的 建材工业发展方针。明确了要淘汰大批落后的地方小水泥企业，大幅度提高优质 新型干法水泥，淘汰落后的生产工艺和装备，达到调整结构，提高产品质量，实 现产业升级的目的。 1 1 2 新型干法水泥生产技术 水泥是国民经济基本建设中不可缺少的建筑材料水泥生产自1 8 2 4 年诞生 以来”。，1 8 0 年间生产技术历经多次变革。作为水泥熟料的煅烧设备，开始是间 歇作业的土立窑，1 8 8 5 年出现了回转窑。1 9 5 0 年联邦德国虹堡公司研制成功悬 浮预热窑，1 9 7 1 年日本石川岛公司和轶父水泥公司研制成功预分解法。特别是 2 0 世纪6 0 年代以来，悬浮预热窑发展很快，各种悬浮预热器相继出现。7 0 年代， 新型干法窑外分解生产工艺，以其高产、节能、高质量、高劳动效率、低环境污 染等优点而迅速代替其它工艺，成为水泥生产企业的首选。 新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，把现代科学技 术和工业生产成就，如原料预均化、生料气力均化、烘干粉磨、各种新型耐热耐 磨材料及电子计算机、自控技术等等，广泛地应用于水泥干法生产的全过程，使 水泥生产具有高效、优质、低耗、符合环保要求和大型化，自动化的特征的现代 水泥生产方法。新型干法生产包含了一整套现代化水泥生产新技术和与之相适应 的现代化科学管理方法。与传统的湿法、干法及半干法生产相比，新型干法水泥 生产具有均化、节能、环保、自动控制、长期安全运转和科学管理六大保证体系。 其特点如下：料制备全过程广泛采用现代化均化技术，采用高效率多功能设 备，用悬浮预热及预分解技术代替回转窑内物料的堆积态预热和分解方法，装备 大型化，生产控制实现自动化，采用新型耐热、耐磨、耐火材料，重视消音除尘、 满足环境保护要求，实行现代化科学管理。 新型干法水泥生产是当今世界水泥生产的主流。我国新型干法水泥起步于 2 0 世纪7 0 年代”1 ，已有3 0 多年的历史，但直至2 0 世纪末，其发展速度仍然较慢。 其中，2 0 世纪7 0 年代主要进行实验研究、中间试验和生产实验；8 0 年代从国外 成套引进的冀东、宁国、珠江、柳州等4 0 0 0 t d 和3 0 0 0 t d 级熟料生产线及国产 化的江西水泥厂2 0 0 0 t d 熟料生产线相继投产，同时引进吸收了国外单机设计、 制造技术，使我国初步掌握了新型干法水泥生产技术；9 0 年代，在建设一批引 进技术或主机设备的新型干法生产线的同时，还建设了批不同规模的全国产化 ( 自行开发设计、自行设备制造) 新型干法水泥生产线，标志着我国水泥工业已 进人了大型化于法水泥生产的发展轨道。进入新世纪以来，随着我国国民经济的 飞速发展，我国新型干法水泥生产的发展进人了快车道，其速度令人瞩目。一批 自行设计建设的2 0 0 0 t d ，2 5 0 0 t d 及5 0 0 0 t d 熟料生产线相继建成投产，且其达 标达产周期短，建设投资和生产耗能也大大降低，这预示着我国的新型干法水泥 生产技术将跨入世界先进水平。 如今，我国的水泥工业面对着深化改革和现代化建设这个历史赋予的极其宝 贵的机遇“1 ，必须抓住机遇，踏踏实实地做好技术能力和自身建设的各项准备工 作，应该认识到与国外先进水平相比，我国的水泥工业仍有较大的差距，需要不 断地开发应用各种新工艺、新技术、新设备和新材料。对传统工艺设备进行改进 和完善，使整个生产系统达到最佳化生产，进一步提高水泥工业的整体效益和技 术水平，随着我国综合国力的进一步增强，我国水泥工业应当有计划、有准各地 逐步实现以新型干法生产技术为骨干的现代化生产方法，从而实现水泥工业“由 大变强”和“靠新促强”的战略目标，迎接水泥工业的新发展。 1 2 水泥生产自动化技术晦1 1 2 1 水泥工业自动化技术的发展 l - 7 0 年代以前早期的水泥厂自动化，只是水泥生产线上的各个生产车间内部相 对独立并且较为简单的生产过程控制，车间与车间之间的联系相对较少，它 是由常规的一次仪表，二次仪表以及各种继电器、保护装置组成，各车间设 立车间控制室及配电室，对本车间的生产设备进行操作控制并实现各种联锁 保护。各车间控制室通常设有仪表盘、模拟盘及操作台。 2 8 0 年代初，我国分别从日本、丹麦全套引进了新型干法水泥生产线，其生产控 制要求设立中央控制室，把过去分散的车间控制集中到中央控制室进行集中 操作与监督，马达开停逻辑控制采用p l c 进行控制，过程变量则在中控室采 用了大型仪表控制盘，实现集中监控。随后，由我国自行开发设计的2 0 0 0 t d 新型干法预分解水泥生产线也采用了此种先进的控制方式，从而大大提高了 水泥生产线的自动化水平。 3 8 0 年代中期，基于分散控制、集中操作管理的集散型控制系统在水泥厂中逐 渐得到应用。集散型控制系统( d c s ) 是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，一起实施实 时工业过程的控制与监视。实现了控制系统的功能分散、负荷分散，从而危 险也分散，克服了集中式计算机控制系统的负荷集中、危险集中的弱点。水 泥生产线采用d c s 进行控制后，取代了传统的二次模拟仪表、大型仪表控制盘 及用于设备之间联锁用的大量的各种各样的继电器和电缆。中央控制室的面 积与原来的相比，也缩小了几倍。由于d c s 是采用大屏幕彩色c r t 进行显示， 通过计算机键盘及鼠标等输入各种控制命令，且有些d c s 系统还有对各种指 令输入有记忆的功能，所有这些不但对操作人员提出了更高的素质要求， 同时也对操作人员的责任心的加强起到促进作用。此时，中央控制室已经是 生产的调度指挥中心，与传统的生产组织管理方式相比，发生了巨大的变化。 我国水泥工业自动化又向前迈进一大步的同时，缩小了与国际水泥大公司在 这方面的差距。 4 9 0 年代中后期，随着企业之间的竞争加剧，对水泥工厂自动化程度提出了更 高的要求，与此同时，d c s 系统的价格在下降，各种小型p l c 在各种单机控制装 置上被广泛采用，现场总线的问世，使微机在其价格成倍下降的同时，性能成 倍地提高，这些都对水泥工业的自动化产生着巨大影响。首先是d c s 系统的控 制范围增加了。早期系统控制的范围一般是水泥生产线的主工艺流程，如从 原料配料到水泥入库的三磨一窑等主要车间，其它辅助车间如石灰石破碎 及输送，水泥包装及成品发运，空压机站等还采用常规仪表进行过程变量 控制，采用继电器或小型p l c 进行马达开停的逻辑控制。而在9 0 年代中后 期，d c s 系统的控制范围基本上包括整个水泥生产线上的所有车间。其次是 d c s 系统采集的信息量增加了。早期为了降 氐d c s 的造价，尽量减少d c s 系统 的输入输出点数，因此d c s 系统采集的信号当中，有许多是综合信息。当某一 综合眭质的事件发生时，还需经过有经验的操作人员进行分析，甚至到现 场检查才能作出正确的判断。而现在d c s 系统不但采用点对点方式而且采用 廉价的通讯方式与部分单机控制装置的小型p l c 或某些专用的控制系统，如 生料质量控制系统的计算机进行大批量的数据交换。第三，随着信息时代的 到来，市场竞争的进步加剧，现代企业管理者已不能满足传统的d c s 对水 泥生产线的控制，为了加强企业自身的竞争力，在改造传统管理方式的同 时，寻求着一种更高效，更精确的管理方式。生产与经营管理信息系统的问 世，满足了他们的这一要求。管理信息系统将工厂的生产过程控制系统与工 厂的各个部门的管理系统联接在一起，将过程控制系统采集到的全厂的实 时生产数据及质量数据送入管理网进行分析、统计和存档，同时也将工厂各 个部门的管理子系统如备品备件库、原材料库、人事、劳动等各种数据进行 分析、统计和存档，以帮助企业管理者思维、判断和决策，实现精细管理。 1 2 2 当前新型干法水泥生产自动化的特点 当今水泥工业的发展特点是：生产速度不断加快，生产规模不断扩大，单机 设备大型化，生产连续性和复杂性提高。生产规模的扩大和连续性提高，首先要 求控制系统能够进行集中管理和操作，统一协调各个车间或部门的生产，确保整 个生产连续稳定进行，充分发挥大规模生产的优势，同时又要求避免由于集中带 来的危险。由于生产速度的加快，这就要求控制系统也能快速可靠地作出反应来 适应其速度要求：生产工艺的复杂性提高，使用常规的控制策略很难保证控制指 标，必须使用智能化的控制系统。因此，为了提高水泥的产品质量、设备运转率 和劳动生产率，降低能耗、劳动强度，必须实现水泥生产的自动化控制。 当前水泥生产线自动化的核心是计算机控制技术，它是计算机技术，网络 技术和传统的自动化技术相结合的产物。与过去传统的控制方式相比，水泥工业 的自动化发生了质的变化，其影响已涉及从管理架构、运作层次乃至企业理念等 多个层面，并导致了人力资源、技术资源的重新整合。以网络技术、计算机及其 支持软件为基础的生产与经营管理信息系统，将水泥工厂各个相对孤立的局部 控制系统、专家系统、管理系统有机联系起来，构成一个完整计算机网络系统， 对生产过程的物质流和管理过程的信息流进行有效地控制及协调，以实现生产 过程自动化和管理信息自动化相结合的水泥工厂自动化。随着我国即将加入w t o 企业将面临更加严峻的竞争，要适应新的竞争模式下市场对生产和管理过程提 出的高质量，高速度、高灵活性和低成本的要求，具有生产过程自动化和管理信 息自动化相结合的工厂自动化系统将成为企业的必然选择。 1 2 3 当前新型干法水泥生产线的常用控制手段 目前，在新型干法水泥生产线中常用的控制手段有：可编程逻辑控制器 ( p l c ) 、集散控制系统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) 。 1 可编程控制器p l c 可编程控制器p l c 是计算机家族中的一员”1 ，是为工业控制应用而设计的早 期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器( 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 ) ， 简称p l c ，用它来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展，可编程控制器的功 能已大大超过了逻辑控制的范围，所以目前人们都把这种装置称作可编程控制器 简称p c 为了避免与目前应用十分广泛的个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的简 称p c 相混淆，所以仍将可编程控制器简称p l c 9 国际电工委员会( i e c ) 1 9 8 7 年颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制 器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境下应用而设计它采用了可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程可编程控制器及其有关外围 设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则设计 p l c 具有以下特点：( 1 ) p l c 最初就是为进行逻辑控制而设计”3 ，在逻辑控制 方面拥有计算机无法比拟的优势。( 2 ) p l c 在控制装置一级实现三电一体化，配 置灵活，结构紧凑。( 3 ) p l c 在硬件上采取了一系列抗干扰措施：在软件上采用了 故障诊断技术及在系统一级的冗余配置：工作方式采用周期循环扫描，对输入输 出集中进行，因而具有很高可靠性。3 。( 4 ) p l c 仅在关键部位选用冗余结构，在 价格上大大低于d c s 系统，性能价格比高。 但是由于p l c 功能及其相关技术的限制，其控制的对象都较为简单，一般只 用一个p i 。c 站进行控制，很少有通过联网或其它途径对相关的设备进行控制。 综上所述，p l c 控制的优势主要是适合于现场局部控制，弱点主要表现在网 络和复杂控制方面，因而仅使用p l c 不适宜控制新型干法水泥生产。 2 集散控制系统i ) c s 集散控制系统又名分布式计算机控制系统，其实质是利用计算机技术对生产 过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机 技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发 展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统， 它是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很 强的生命力和显著的优越性。其主要特征是：集中管理，分散控制。 d c s 是采用标准化、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通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散、 配置灵活、方便、具有高可靠性的实用系统，拥有自主性、协调性、在线性与实 时性、高可靠性、适应性、灵活性、可扩充性和友好性等优越性。但集散控制系 统大多采用封闭式的网络通信体系结构，采用本公司专用的标准和协议，加之受 到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到 现场。 3 现场总线控制系统f c s 现场总线控制系统( f c s ) 是基于现场总线技术的计算机控制系统。3 ，它是集 计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统，是一种全分 散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化 等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。 根据i e c 标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自 动化系统的数字式，双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统是在 现场总线的基础上发展起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面， 其次在结构、装置、功能等方面也有优势。概括地说，它具有以下技术特点： 1 ) f c s 采用的现场总线是个全数字化的现场通信网络。现场总线是用于 过程控制系统和制造自动化系统中现场设备或现场仪表间互连的数字 化通信网络，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了控制系统的性 能。 2 ) f c s 的现场总线网络是开放式互连网络。用户可以自由集成不同制造商 的通信网络，通过网络将不同厂商生产的现场设备和功能模块有机地融 合为一体，构成统一的现场总线控制系统。 3 ) f c s 的所有现场设备直接通过对传输线( 现场总线) 互连。一对传输线 互连多台现场设备，双向传输数据信息，大大减少连线数量，从而降低安 装费用，更易于维护，并提高了可靠性。 4 ) f c s 普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。 智能化的现场设备具有更加完善的功能，包括部分控制功能，从而将较 简单的控制任务改由现场设备完成，使现场设备既有检测、变换功能，又 有运算和控制功能，一机多用。这样既节约了成本，又使控制更加安全和 可靠。f c s 废除- j d c s 的i o 单元和控制站，把d c s 控制站的功能块分散到 现场设备，实现了彻底的分散控制。 在技术上，f c s 与d c s 相比，具有以下几点优势： 1 ) f c s 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现 场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。 2 ) f c s 的现场设备具有操作性，不同厂商的现场设备即可互连也可互换，并 可以统一，彻底改变传统d c s 控制层的封闭性和专用性。 3 ) f c s 的系统结构是全分散式，f c s 废除t d c s 的输入输出单元和控制站，由 现场设备或现场仪表取而代之，即把d c s 控制站的功能化整为零，分散地 分配给现场仪表，实现彻底的分散。 4 ) f c s 的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层 网络互连，用户可及其方便地共享网络数据库。 5 ) f c s 的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总 线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和 用户。 另一方面，由于f c s 是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标 准尚不具备，因此f c s 与成熟的d c s 相e e ，还存在下列的一些不足。 1 ) 由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难 度。这在一定程度上造成产品开发商多、生产商少，产品品种单而且 价格昂贵。 2 ) 现阶段，在某些场合中f c s 还无法提供d c s 已有的控制功能。由于软硬件 水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够其全：用现场仪表 还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等。对于复杂的、 先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出 的情况缺乏较好的解决方案。 3 ) 目前f c s 成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。而d c $ 已经长期稳定可靠地运行于许多工业现场，其市场优势是f c $ 无法比拟 的。 从总的来看，f c $ 终将代替d c s 。但是现场总线发展到今天，标准不够统一， 价格昂贵，而广大用户对于d c s l e 较熟悉，加上d c s 尚有潜力可挖，其本身也在不 断的发展之中，其性能也在不断地完善，d c s 也在朝开放系统的方向发展，并实 现了与现场总线的结合。d c s 是结合了各类控制功能的完整系统，是目前应用最 广泛、结构最先进、性能最高、功能最完整的系统“，因此在目前的水泥自动化 生产控制中，集散控制系统成为了人们的首选。 1 3 课题的来源、完成的任务及课题的意义 1 3 1 课题的来源 兰丰水泥集团创建于2 0 0 0 年8 月，是家以水泥生产经营为主的企业集团。 初期，通过收购的国有水泥生产线进行水泥生产。原有的水泥生产线采用湿法立 窑或湿法旋窑水泥生产方法，不仅技术含量低、能耗高、严重污染环境，而且产 量小，质量也无法提高，不利于集团的发展。在这种情况下，集团提出了在江西 丰城新建一条2 5 0 0 t d 新型干法水泥生产线，并且采用d c s 系统对整个生产过程进 行监控，以最大提高效率。整个d c s 系统的工作包括：d c s 系统的选型( 方案设计) 、 d c $ 系统的集成、d c s 系统的现场安装、d c s 系统的组态、d c s 系统的通电及测试、 d c s 系统的联调试运、协助d c s 系统的投运、d c s 系统的技术资料的整理和交付、 d c s 系统的验收以及系统投运后的技术支持。整个d c s 系统工作由江西中南科技有 限公司，南昌大学机电研究所测试控制与机电一体化实验室，江西万年青水泥有 限公司三方合作完成。 1 3 2 完成的工作 在兰丰水泥生产线的自动化控制系统建设过程中，我校所承担的任务和完成 的主要工作是： 1 新型干法水泥生产的工艺流程和各种设备的控制方法及采取的控制算法； 2 兰丰水泥的d c s 系统软硬件配置及系统的构建与研究； 3 d c s 系统软硬件程序； 4 系统的安装、调试及试运行，程序的修改和完善。 其中，本人与赖海军同学共同完成的主要工作有： 】熟悉新型干法水泥生产流程，了解水泥生产过程以及各种设备的控制原 理，控制方式，并掌握设备之间的联锁关系。依据水泥生产工艺流程和 设备的地理分布，对各种电器设备进行合理分组，据此确定各个站的i o 分配。 2 参与d c s 系统软硬件的构建工作，研究系统的结构及特点。 3 系统的集成与调试。将上位机组态与下位机组态相结合，在现场工程施 工方及相关电气人员的配合下实现系统的打点测试、单机测试及联动测 试，并完成d c s 系统的技术资料的整理和交付、d c s 系统的验收以及系 统投运后的技术支持。 本人单独完成的主要工作，d c s 系统的监督控制和人机界面组态工作，包括硬 件组态和软件组态两部分，具体分为： 1 ) 系统的配置。主要是指d c s 中工程师站、操作员站、控制站的主机系统 配置信息、外设的类型，以及一些设各控制信息的确定，其中工程师站 有配什么档型的打印机，站号，控制操作优先级等。操作员站要确定外 设配置( 如几个打印机) ，每个操作员站的站号，每站的工作分配以及 操作优先级等。控制站的配置包括确定各控制站的类型、站号等。 2 ) 实时数据库的生成。包括控制采测点的配置和中间计算点的配置。 3 ) 历史数据库的生成。d c s 的历史数据库一般用于趋势显示，事故分析， 报表运算等。 4 ) 流程画面生成。根据流程和操作画面要求，确定以下内容：显示和操作 画面总幅数、每幅图的具体内容、底图，动态点个数及显示方式、各画 面切换关系、键盘定义、会话点和控制调节窗口、控制分组画面( 列出 各回路的名称) 、趋势曲线分组显示( 定义各曲线对应的点名，显示总 时间长度、点数、各采样点时间间隔颜色) 。流程画面好比是系统的窗 口，画面显示水平的高低会导致操作员对整个系统的好恶。在很大程度 上说，流程画面是在搞艺术创作。此外，要尊重操作人员的操作习惯， 使操作人员看起来更亲切，更直观，操作也更方便，减低操作员的视觉 疲劳。 5 ) 报表。一般报表生成过程中会用到大量的历史库数据，会产生许多中间 变量点，因此要注意系统的资源是否够用。 1 3 3 课题的意义 从科研角度来看，本课题涉及到计算机技术、网络通信技术、数据库技术、 测控技术、人机接口技术及水泥生产等多个学科。通过对本课题的研究，一方面 4 可以促进单个学科的深入发展；另一方面，可以促进计算机技术，网络技术，控 制技术，数据库技术等学科技术的交叉融合。 从工程的角度来看，该课题的按时保质保量的完成，有助于这条水泥生产线 顺利投产，并使d c s 系统能够长期稳定地在该生产线上运行，为客户创造最大的 经济效益。 从社会经济效益来看，对本套系统的研究，能够更好地促进d c s 在我国的应 用，特别是在水泥行业的应用；同时，通过对该系统的研究，可以更好地找出国 产d c s 与国外d c s 的差距，更好地为国产d c s 技术的发展做贡献。 第二章集散控制系统 2 i 控制系统概述 2 i 1 控制过程的分类 控制是在日常生活中经常接触到的问题，可以说在现在生活中到处都离不 开控制，如空调、电冰箱要控制温度，洗衣机要控制洗涤时间和水量，等等。这 些控制一般通过某些控制装置来实现，这些都可以称为控制系统。而工业控制系 统是指在工业生产过程中所使用的系统。 按照工业生产过程变量的时间连续性和幅度连续性，工业生产的典型过程可 以分为三种：连续过程( c o n t ir l u o k l sp r o c e s s ) 、离散过程( d i s c r e t ep r o c e s s ) 和批量过程( b a t c hp r o c e s s ) 。 连续过程指的是这样一种工业过程：其产品一般都是流体的，如液体、气体 等，过程的输入输出变量为时间连续和幅度连续的量，并且过程一旦建立，只产 出一种产品。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。在国际 上，过程控制( p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 和过程自动化( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 指的 一般都是连续过程。 与连续过程相比，离散过程指的是这样一种工业过程：其产品是“固态”的、 按件计量的，过程的输入输出变量为时间离散和幅度离散的量，如产品的数量、 开关的状态等。 所谓批量过程指的是一种间歇性多品种的生产过程，即利用同样的生产装 置，在不同的时间段，根据不同的配方和生产工艺生产出不同的产品。这类过程 的特点是连续过程和离散过程交替进行，配方的切换和生产工艺的改变是离散过 程，而在确定了配方和生产工艺后的生产过程又是个连续过程。 一个完整的生产过程，般都是连续过程和离散过程的混合体。在批量过程 中，由于涉及设备的启停控制，一般也都包含由离散过程。 2 1 2 控制系统的组成 在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个：被控对象( 生产过程) 、 控制设备或装置、人。对生产过程的控制起主导作用的主体是人。作为个整体， 人必须是控制系统的一个最重要的组成部分，这是毋庸置疑的。数学模型的推导、 建立并预先设置在运算处理装置中，以便在线运行时实现控制功能，到直接参与 控制系统的在线运行，对运算处理装置不能够自动进行处理的控制问题，实施操 作与调节或为运算处理装置给出设定值，都需要人的参与而为了便于人了解被 控对象的运行状态并进行人工的操作与调节，控制系统必须提供人机界面。在任 何一个控制系统中，人机界面都是不可缺少的重要组成部分。人机界面包括了测 量值的显示，计算参数的显示，人工操作设备( 如按钮、调节手柄) 等，还有对 运算处理进行设定和控制算法预置的设备等。 2 1 3 控制方式的分类 如果将未考虑人的因素的控制系统称为直接控制系统的话，那么有人参与其 中的控制系统就将包含直接控制和监督控制这两个部分 直接控制是由控制系统的硬件自行完成的，虽然硬件的动作是由软件，即由人 预先设计的方法决定的，但在运行中并不需要人的干预，因此可以将直接控制系统 理解为：当控制系统在线运行时，由控制装置自行完成控制功能的系统 在实际应用中，有些控制系统只有直接控制，没有监督控制，特别是些控制 目标确定、控制算法清楚、运行过程中不需要人工干预或无法实施人工控制的系 统( 或子系统) ，都会采用直接控制，如汽轮机转速的控制；也有一些控制系统 只有监督控制，没有直接控制。如电网调度，交通管理调度等系统，这类系统都 是由调度人员发出控制指令的，由系统执行，执行后的效果仍由调度人员通过系 统采集的数据进行观察和判断，以决定下一步的控制；更多的是控制系统是既有 直接控制又有监督控制的完整系统，即底层的基础控制采取直接控制，直接控制 的设定值或一些特殊的功能由人来完成。兰丰水泥d c s 采用的是直接控制加监督 控制的控制方式。 2 2 集散控制系统概述 2 2 1 集散控制系统的概念 集散控制系统又名分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ， 简称d c s 。其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分 散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、 通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生的，既不同于分散的仪表控制 系统，又不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，在它们的基础 上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。其主要特 征是：集中管理，分散控制。 2 2 2 集散控制系统的发展历程 世界上第一套计算机控制系统是1 9 5 9 年3 月在美国德克萨斯州t e x a c o 炼油 厂投入运行的。由于当时受计算机技术的局限，是用一台计算机对整个生产流 程，生产线进行监测与控制，即所谓的集中式控制系统。集中式控制系统的优点 是结构简单、清晰、数据库容易管理且保证数据的致性。但缺点是非常明显的， 软件复杂而庞大可靠性下降，系统可扩展性差，当计算机出现故障时会危及全部 生产的正常进行。针对集中式控制系统存在的问题，人们提出了几点具有建设性 的思路，后来成为设计d c s 的基本原则： 用多台计算机代替一台计算机对生产线进行控制，从而将危险分散，提高系 统的可靠性和实用性。 用不同的计算机去实现不同的功能，使每一台计算机功能尽量单一化，单一 化的处理软件在结构上容易做的简单，可提高软件的可靠性。 用计算机网络解决系统的扩充和升级问题。 事实上被控过程本身具有层次性和可分割性，上述设想符合被控过程自身的 内在规律，因此在1 9 7 5 年由美国h o n e y w e l l 公司率先推出基于上述设想的d c s 后，很快得到了广泛的承认和普遍的应用。自d c s 诞生以来，d c s 已经发展到了 第四阶段。系统的功能从底层( 现场控制层) 逐步向高层( 监督控制、生产调度 管理) 扩展； 1 第一代d c s ( 初创期) 第一代d c $ 使指从其诞生的1 9 7 5 1 9 8 0 年间所出现的第一批系统，因为这是 有史以来第批d c s ，因此控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的代 表是率先推出d c s 的h o n e y w e l l 的t d c 一2 0 0 0 系统，同期的还有横河公司的 y s w p a r k 系统“。 这个时期的系统比较注重功能的实现，因此系统的设计重点是现场控制站， 各个公司的系统均采用了当时最先进的微处理器来构成现场控制站，因此系统的 直接控制功能比较成熟可靠，而系统的人机界面功能相对较弱，在实际运行中只 用c r t 操作站进行现场工况的监视，而且提供的信息也有一定的局限。 第一代d c s 是由过程控制单元、数据采集单元、c r t 操作站、上位管理计算 机及连接各个单元和计算机的高速数据通道这五个部分组成，这也奠定了d c s 的基础体系结构。 在这个时期，各个厂家的系统均由专有产品构成，包括高数数据通道、现场 控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等。这与仪表控制系统的情况相 同，所不同的，是d c s 还没有象仪表那样形成了4 2 0 m a 的统一标准，因此各个 厂家的系统在通讯方面是自成体系的，当时还没有厂家采用局域网标准( 实际上 当时网络技术的发展也不成熟) ，而是各自开发自有技术的高数数据总线或称数 据高数公路，因此各个厂家的系统并不能象仪表那样可以实现信号的互通和产品 互换。这种由独家技术、独家产品构成的系统形成了极高的价位，不仅系统的购 买价格高，系统的维护运行成本也高，可以说d c s 的这个时期是超利润时期，因 此其应用范围也受到了一定的限制，只在些要求特别高的关键生产设备上得到 了应用。 应该说，d c s 在控制工能上比仪表控制系统进了一大步，由于采用了数字控 制技术，许多仪表控制系统无法解决的复杂控制、多参数大滞后、整体谐调优化 等控制问题得到了实现，而d c s 在系统的可靠性、灵活性等方面又大大优于直接 数字控制系统d d c ，因此一经推出就显示了强大的生命力，得到了迅速的发展。 2 第二代d c s ( 成熟) 第二代d c s 是在1 9 8 0 一1 9 8 5 年前后推出的各种系统，其中包括h o n e y w e l l 9 司的t d c 3 0 0 0 等。 第二代d c s 的最大特点是引入了局域网( l a n ) 作为系统骨干，按照网络节点 的概念组织过程控制站、中央控制站、系统管理站及网关( g a t e w a y ，用于兼容 早期产品) ，这使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地， 也更加方便。这个时期的系统开始摆脱仪表控制系统的影响，而逐步靠近计算机 系统。 在功能上，这个时期的d c s 逐步走向完善，除回路控制外，还增加了顺序控 制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管 理功能。在人机界面方面，随着c r t 显示技术的发展，图形用户界面逐步丰富， 显示密度大大提高，使操作人员可以通过c r t 的显示得到更多的生产现场信息和 系统控制信息。在操作方面，从过去单纯的键盘操作( 命令操作界面) 发展到基 于屏幕显示的光标操作( 图形操作界面) 。 由于系统技术的不断成熟，更多的厂家参与竞争，d c s 的价格开始下降，这 使得d c s 的应用更加广泛。但是在系统的通讯标准方面仍然没有进展，各个厂家 虽然在系统的网络技术上下了很大的功夫，也有一些厂家采用了由专业实时网络 开发商的硬件产品，但在网络协议方面，仍然是各自为政，不同厂家的系统之间 基本上不能进行数据交换。系统的各个组成部分，如现场控制站、人机界面工作 站、各类功能站及软件等都是各个d c s 厂家的专有技术和专有产品。因此从用户 的角度看，d c s 仍是一种购买成本、运行成本及维护成本都很高的系统。 3 第三代d c s ( 扩展期) 第三代d c s 以1 9 8 7 年f o x b o r o 公司推出的i as e rj e s 为代表，该系统采用 了i s o 标准m a p ( 制造自动化规约) 网络。这一时期的系统除i as e r i e s 外，还 有h o n e y w e l l 公司的t d c 3 0 0 0 u c n 等。 这个时期的d c 8 在功能上实现了进一步的扩展，增加了上层网络，将生产的 管理功能纳入到系统中。这样就形成了直接控制、监督控制和谐调优化、上层管 理三层功能结构，这实际上就是现在d c s 的标准体系结构。这样的体系结构已经 使得d c $ 成为一个很典型的计算机网络系统，而实施直接控制功能的现场控制 站，在其功能逐步成熟并标准化后，成为整个计算机网络系统中的一类功能节点。 进入2 0 世纪9 0 年代后，人们已经很难比较出各个厂家的d c s 在直接控制功能方 2 0 面的差异，而各种d c s 的差异则主要体现在与不同行业应用密切相关的控制方法 和高层管理功能方面。 除了功能上的扩充和网络通讯的部分实现外，多数d c s 厂家在组态方面实现 了标准化。 在构成系统的产品方面，除了现场控制站基本上还是各个d c s 厂家的专有产 品外，人机界面工作站、服务器和各种功能站的硬件和基础软件，如操作系统等， 已没有哪个厂家在使用自己的专有产品了，这些产品已全部采用了市场采购的商 品，这给系统的维护带来了相当大的好处，也使系统的成本大大降低。 4 。第四代d c s ( 初创期) 2 0 世纪g o 年代后期， 新一代集散控制系统：受信息技术( 网络通信技术、 计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种软件技术、数据库技术 等) 发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各d c s 厂商纷纷提升d c s 系统的技术水平，并不断地丰富其内容。以h o n e y w e l l 公司最 新推出的e x p e r i o np k s ( 过程知识系统) 、e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ( e m e r s o n p r o c e s sm a n a g e m e n t ) 、f o x b o r o 公司的a 2 、横河公司的r 3 ( p p o d 一工厂资源管理 系统) 和a b b 公司的i n d u s t r i a li t 系统为标志的新一代d c s 已经形成。第四 代d c s 的最主要标志是：i n f o r m a t i o n ( 信息) 和i n t e g r a t i o n ( 集成) 。信息化体 现在各d c s 系统已经不是一个以控制功能为主的控制