（测试计量技术及仪器专业论文）deltav集散控制系统的工业应用与研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：一导师签名：e l 期 上海大学硕士学位论文 摘要 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，开发应用编程简单、 既安全可靠又便于使用和维护的高度开放的控制系统已经成为现实。d e l t a v 是 以w i n d o w sx p 为开发平台，以控制网络为基本框架，以现场总线标准为基础的规 模可变的控制系统。作为p l a n t w e b 工厂管控网的重要组成部分，d e l t a v 系统把 最新的计算机技术网络技术、现场总线技术、图形化控制策略设计技术融合为一 体，为用户提供了简单、灵活的软硬件安装方式和直观方便的组态开发手段：并 能提供更为精确的控制和预测性维护。 本课题来源于德国b a s f 公司与中国石化扬子公司合作的扬子石化丙稀酸 及酯生产项目。针对丙稀酸及酯生产工艺复杂、控制精度要求高的特点，以及目 前国内丙稀酸及酯控制装置自动化水平较低，控制策略单一。应用层次低的现状， 本文研究开发了一套基于d e l t a v 集散控制系统，结合组态软件、现场总线、o p c 、 工业以太网、p r o f i b u s 等先进工业控制技术及策略的丙稀酸及酯联合装置先 进控制系统，实现了d c s 控制过程的先进性，开放性及可靠性要求。 论文阐述了d c s 发展现状、p l a n t w e b 工厂管控网及d e l t a v 集散控制系统的 结构与特点；b a s f 丙稀酸及酯生成装置组成及工业流程；控制系统的硬件与软 件构成，劳结合实际论述了工业以太网、p r o f i b u s d p 、m o d b u s 、o p c 等先 进工业技术的应用过程。 在控制策略的实现方面，论文阐述了逻辑连锁控制，m c c 马达控制，s f c 顺 序控制，e s d 紧急刹车控制等策略的实现；针对控制过程中部分多变量时滞复杂、 有约束回路，以及使用传统p i d 控制存在跟踪性能不好，鲁棒性差等缺点，论 文提出模型预测控制( m p c p r o ) 的先进控制策略代替传统的p i d 控制，较好地满 足了系统控制精度的要求。 论文还深入地研究了t o o l k i t 组态工具( 包括f a c e p l a t e 、m o d u l e 、d y n a m o ) 的工作机理，阐述了构成系统组态基础的各种功能模块的控制算法及工作原理， 阐述了实时与历史数据库的生成过程，并应用i f i x 组态软件及v b 开发了一定数 量的人机交互界面及用户化逻辑等，充分体现了控制组态的灵活与先进。 该控制系统已于2 0 0 4 年2 月底顺利通过了德国巴斯夫( b a s f ) ，日本东洋 ( t o y o ) 及e m e r s o n 公司的联合测试( f a t ) ，它的成功应用对国内先进工业技术在 第1 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 大型石化企业中的应用研究具有一定的推动作用。 关键词：d c sd e l t a v 丙稀酸及酯组态现场总线o p c 模型预测控制 第2 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc m o sc h i p ，c o m p u t e rs c i e n c ea n dn e t w o r k t e c h n o l o g i e s ，t h eh i g h l yo p e nc o n t r o ls y s t e mw h i c hc h a r a c t e r i s t i co ft h eo r d i n a r y i n s t a l l a t i o n ，e x p e d i e n t l yp r o g r a m ，f a v o r a b l es a f e t y , s i m p l yu s e a n dm a i n t e n a n c e a l r e a d yc o m e st r u e d e l t a va u t o m a t i o ns y s t e mi s as c a l ea l t e r a b l ec o n t r o l s y s t e m w h i c hb a s eo nf i e l d b u ss t a n d a r da n du s ew i n d o w sx pa sw o r k i n gf o u n d a t i o na n d c o n t r o ln e t w o r ka se s s e n t i a lf r a m e a sa k e yc o m p o n e n t i nt h ep l a n t w e b ，a r c h i t e c t u r e ， d e l t a va u t o m a t i o ns y s t e mi n o s c u l a t e st h eu pt od a t et e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r s c i e n c e ，e t h e m e tn e t w o r k ，f i e l d b u sa n dg r a p h i c sm o d ec o n t r o la l g o r i t h mt of lw h o l e ， t h e r e f o r ep r o v i d i n gas i m p l ea n df l e x i b l em e t h o do f s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n s t a l l a t i o na n dd c s c o n f i g u r a t i o n f o ru s e r s ，m e a n t i m et h ed e l t a va u t o m a t i o n s y s t e m a l s o e a s i l y d e l i v e r s p r e c i s i o nc o n t r o l ，p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ，a n de n t e r p r i s e o p t i m i z a t i o n f o r t o d a y sd i g i t a lp l a n t s s p o n s d r e db y t h ea a a e s u b - p r o j e c to f b a s f - y p ci p sp r o j e c t a c c o r d i n gt o t h ec o m p l e xm a n u f a c t u r et e c h n i c sf o ra a a ea n dr e q u i r e m e n to fp r e c i s i o nc o n t r o l ， c o n s i d e r i n gt h ea c t u a li n t e r n a lc o n t r o ls y s t e mf o ra aa e u b i q u i t yt h ep r o b l e m ss u c h a ss i n g l ec o n t r o ls t r a t e g ya n dl o wl e v e lo fa u t o m a t i o n , t h i st h e s i sp r e s e n t e da nu n i t e d e q u i p m e n t a d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n d c s 、c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 、f i e l d b u s 、 o p c ，e t h e m e tn e t w o r ka n do t h e ra d v a n c e di n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g y ，r e a l i z i n gt h e r e q u i r e m e n t so f a a d v a n c e d ，o p e na n dd e p e n d a b l e c o n t r o ls y s t e mf o ra a a e t h et h e s i se x p o u n d st h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fp l a n t w e ba r c h i t e c t u r e a n dd e l t a va u t o m a t i o ns y s t e m ；e q u i p m e n tb u i l d u pa n di n d u s t r y f l o wo fa a a e p r o c e s s ；s t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e ；a n da l s oe x p l a i n st h e a p p l i c a t i o n s o fs o m ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e si n c l u d i n g e t h e m e t n e t w o r k ， p r o f i b u s - d p , m o d b u s ，o p c e c t o nt h ea s p e c to fc o n t r o ls t r a t e g y , t h et h e s i se x p l a i n st h el o g i ci n t e r l o c kc o n t r o l ； m c cm o t o rc o n t r o l ；s f cs e q u e n c ec o n t r o la n de s de m e r g e n c es h u t d o w nc o n t r 0 1 a c c o r d i n g t ot h em u l t i v a r i a b l ec o n t r o ll o o pt h a ti sc h a r a c t e r i z e db ye i t h e rl o n gd e l a y o rm e a s u r a b l ec o n s t r a i n t s ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ls t r a t e g yc a l l tm e e tt h en e e d so f 第3 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 w e l lp e r f o r m a n c e n l et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h em p c ( m o d e lp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 ) s t r a t e g ya n dd e l t a vp r e d i c t p r of u n c t i o nb l o c kt of u l f i lt h er e q u i r e m e n t t h et h e s i sa l s ol u c u b r a t e st h ew o r k i n gm e c h a n i s m o f t o o l k i t t o o l s ( i n c l u d e f a c e p l a t e ，m o d u l ea n dd y n a m o ) ，s e t sf o r t ht h ec o n t r o la l g o r i t h ma n dw o r k i n gt h e o r y f o rd i f f e r e n tf u n c t i o nb l o c k sw h i c hm a k eu po f t h eb a s eo f s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ；t h e b u i l do ft h er e a la n dh i s t o r yd a t a b a s ea r ea l s op r e s e n t e d ；m e a n t i m e ，w ec u s t o m i z e da c o u p l eo fi n t e r f a c e sa n ds p e c i a ll o g i cu s i n gi f i xa n dv b r e f l e c t i n gt h ea g i l i t , a n d 。 e x c e l l e n c eo f t h ec o n t r o l c o n f i g u r a t i o n t h e p r o j e c tw a s t e s t e da n dp a s s e dt h ef a t s u c c e s s f u l l yb y t h et e a m so fb a s f , t o y oa n de m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n ti n f e b r u a r yo f2 0 0 3 i t ss u c c e s s f u l l y a p p l i c a t i o n i na a a ec o n t r o l s y s t e m h a s g e n e r a t e dc o m p a r a t i v ep r o m o t i o n a n d i n n o v a t i o nm e a n i n g sf o rt h ei n t e r n a la p p l i c a t i o n so fa d v a n c e di n d u s t r yt e c h n o l o g i e s i nb i go i la n dc h e m i c a lp l a n t k e y w o r d s ：d e s d e l t a va a a e c o n f i g u r a t i o n f i e l d b u so p c m p c 第4 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章概述 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，开发应用安装容易、 编程简单、既安全可靠又便于使用和维护的高度开放的控制系统已经成为现实。 1 9 9 6 年，费希尔一罗斯蒙特( f i s h e r - r o s e m o u n t ) 公司( 现为e m e r s o np r o c e s s m a n a g e m e n t 公司) 率先推出以w i n d o w s n t 4 0 为开发平台，以控制网络为基本 框架，以现场总线标准为基础的规模可变的控制系统d e l t a v 。作为p l a n t w e b 工厂管控网的重要组成部分，d e l t a v 系统是世界上第一套数字自动化系统。它 把最新的计算机技术网络技术、现场总线技术、图形化控制策略设计技术融合为 一体，为用户提供了简单、灵活的软硬件安装方式和直观、方便的组态、开发手 段：并能提供更为精确的控制和预测性维护。 本研究项目为扬子石化一巴斯夫( b a s f ) 与e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t ( 艾默生过程控制) 的合作项目，应用d e l t a v 集散控制系统实现对南京扬子石 化集团大型化工厂的自动化控制。课题引入的目的就是针对扬子石化丙烯酸及其 酯类生产应用过程，研究其控制策略制定、软件功能组态、自动控制实现等过程， 以使整个集散控制系统具有更好的控制品质，能更好的满足工业实际应用的要 求。 1 2d c s 集散控制系统发展现状 集散控制系统d c s 是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制 要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它的主要特征是集中管理和分散控 制。主要特点是采用分级递阶的结构形式，采用微机智能技术及局部网络通信技 术，采用高可靠性技术( 如冗余技术) ，具有丰富的功能软件包。 传统的d c s 集散控制系统基于模拟仪表，而模拟仪表的单一功能使得与工业 生产过程关联的过程监控站仍然是集中的：现场信号的检测、传输与控制还是保 留了与常规仪表相同的方式，即通过传感器或变送器检测物理信号并转换成标准 的4 2 0 m a 信号以模拟方式进行传输，这种方式在检测环节方面存在精度低、动 态补偿性能差、无自诊断功能等问题；同时由于各d c s 开发商生产自己的专用平 第5 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 台，使得不同厂商的d c s 之间不兼容、互操作性差。 随着新技术的不断应用，d c s 领域取得很多新的进展，d e l t a v 集散控制系统 就是其主要代表之一，也集中体现了d c s 系统的发展趋势，主要表现在：向开放 式系统发展，系统兼容性好；智能变送器、远程i o 和现场总线的应用，进一步 使现场测控能力下移分散：d c s ，p l c ，p c c s 相互渗透融合，形成数字化、模块化、 网络化的分布式控制系统；现场总线集成于d c s ，工业以太网，o p c ，x m l 等先进 技术的应用使系统向标准化、通用化、开放化方向发展。 i 3 丙烯酸及酯发展状况 丙烯酸及其酯类近几年发展迅速，与聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷样及成为丙 烯重要的工业衍生物。丙烯酸酯主要有丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和 丙烯酸辛酯。丙烯酸有多种制备方法：氰乙醇水解法、丙烯腈水解法、r e p p e 法 及丙烯氧化法。8 0 年代后新建和扩建装置主要采用丙烯二步氧化法。该法是在 复合金属氧化物催化剂存在下，丙烯经空气氧化成丙烯醛，进一步催化氧化成丙 烯酸。 目前丙烯酸及其酯生产技术发展趋势主要集中在工艺过程的改进和催化剂 的研究上，近几年在丙烯酸精制及助剂、载体和制备工艺方面都进行了重大改进， 丙烯酸酯合成技术改进也层出不穷，2 0 世纪9 0 年代，丙烯酸及其酯的生产出现 高潮，从事生产丙烯酸及其酯的企业不断扩大生产能力。目前世界丙烯酸年产能 力约为2 6 0 万吨，丙烯酸酯为2 3 0 万吨。美国、西欧和日本是主要产地。国外丙 烯酸酯主要用于生产表面涂料及胶粘剂，丙烯酸除用于生产丙烯酸酯外，还用于 生产超吸水剂、去垢剂和分散剂。 我国在2 0 世纪6 0 年代就生产丙烯酸及其酯类产品，但均用丙烯腈水解法， 规模较小。目前国内主要生产厂家生产工艺均采用丙烯二步氧化法，丙烯酸年产 能力为1 5 万吨，丙烯酸酯年产能力为1 5 万吨，主要应用于化纤、纺织、涂料、 皮革和胶粘剂领域。据预测，到2 0 0 5 年我国对丙烯酸及其酯类产品需求量为3 8 万吨，依目前装置开工率难以满足国内需求。 德国巴斯夫公司是世界最大的丙烯酸及酯生产商和供应商，分别在美国弗 里波特、德国路德维希港及。比利时安特卫普建有3 套大型丙烯酸及酯生产装置， 第6 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 其中丙烯酸装置生产能力为7 1 5 万吨年，丙烯酸及酯装置生产能力为46 7 万吨年。为满足市场需要，去年巴斯夫公司与中国石化股份有限公司签订了合 资经营合同，在南京建立石化基地工程 2l 。5 万吨年丙烯酸丁酯或辛酯装置。 控制公司的d e i t a v 集散控制系统。 1 4 研究目的与意义 项目包括建立1 6 万吨年丙烯酸装置， 该装置采用的d c s 系统即为艾默生过程 尽管近年来我国丙烯酸及酯无论生产工艺还是装置的控制水平都有很大 的改进和提高，但与发达国家相比还有较大的差距，主要存在控制装置自动化水 平低，控制策略单一，所用d c s 系统精确性，开放性，先进性，规范性差，应用 层次较低等问题。 d e l t a v 系统继承了p r o v o x 和r s 3 系统的优势，并融合了当今的先进技术， 如p c 工作站、以太网、数字总线、o p c 和x m l 等，所以d e l t a v 系统能更好的实 现传统d c s 系统的功能，并且提供了最简单地向现场总线过渡的解决方案。 所以本研究课题一方面可以通过先进d c s 集散控制系统技术的应用提高 国内丙烯酸及酯的生产能力和水平，缓解当前国际国内市场丙烯酸及酯供不应求 的矛盾，另外对国内如p l a n t w e b ，a m s ，o p c ，以太网等先进工业技术在大型石 化企业中的应用研究具有定的推动作用。 1 5 本人所作的工作 本人在项目期间，主要独立负责丙烯酸及酯装置的软件组态与开发，并参 与了2 5 个控制器机柜的硬件测试及1 3 0 余幅各种工业流程控制画面的设计与绘 制。该项目已经于2 0 0 4 年2 月底顺利通过了德国巴斯夫( b a s f ) ，日本东洋( t o y o ) 及e m e r s o n 公司的联合测试( f a t ) ，即将于2 0 0 4 年4 月赴现场调试开车。 具体工作如下：。 1 应用工业控制理论，掌握整个项目化工生产工艺和生产控制流程。 2 深入地研究了t o o l k i t 组态工具( 包括f a c e p l a t e 、m o d u l e 、d y n a m o ) 的工作机理，并根据项目需要应用i f i x 组态软件及v b 开发了一定数量的 f a c e p l a t e ，人机交互界面，用户化逻辑等。 第7 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 3 研究了先进控制的原理，特别是模型预测控制在丙烯酸及酯装置中的应 用实现。 4 研究掌握工业以太网、现场总线、o p c ( o l ep r o c e s sc o n t r 0 1 ) 及e s d 等相关先进技术。 。 5 应用d e l t a v 集散控制系统完成a a a e 丙烯酸及酯装置的软件开发与组 态，组态类型包括p i d 控制模块，m c c - - s i m o c o d e 马达，v s d 变频马达，硬接线 马达，变速马达，数字阀门控制模块，手操阀模块，流量累计模块，温压补偿模 块，d o s 定量加料模块，模拟量输入a i ，数字量输入d i ，e s d 通信模块，控制逻 辑模块等共计7 0 0 0 余个。 6 参与设计，绘制并动态连接1 3 0 幅各种工业控制主流程图及逻辑显示画 面。实现了工厂自动控制良好的人机交互界面及信息提供。 7 参与完成了2 5 个控制器机柜的硬件板卡6 0 0 0 多个i o 通道测试，调试 了d e l t a v 系统通过p r o f i b u s - d p 与马达控制中心( m c c ) 的s i m o e o d e 的通信网 络及d e l t a v 系统通过m o d b u s 与紧急停车系统( e s d ) 、压缩机组、火气系统的通 信网络。 8 参与设计并应用p a r s e r 工具实现了一种新型s e q u e n c e ( 顺序控制) 的 软件组态。 9 。对丙烯酸及酯装置韵进一步开发进行展望和总结。 1 6 本文的主要内容 本文共分以下六章： 第一章为概述部分，介绍了当前d c s 集散控制系统与丙烯酸及酯工业的发展 概况，本论文的研究意义以及在项目课题中所完成的工作和研究。 第二章为d c s 集散控制系统发展、p l a n t w 曲工厂管控网及d e l t a v 系统简介， 介绍了整个系统的结构及相应特点。 第三章为d e l t a v 集散控制系统的软硬件架构，系统组成：并介绍了现场总线， 工业以太网网络，p r o f i b l j s ，m o d b u s ，o p c 等技术。 第四章为d e l t a v 集散控制系统在b a s f 丙烯酸及酯的生产装置中的应用，并 介绍了丙烯酸及酯生产装置组成及工业流程，以及包括相关的仪表设计规定。 第8 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 第五章为控制软件部分，首先介绍了t o o l k i t 深层工作机理，p i d ，d c 设备 控制模块，温压补偿等的基本控制算法，最后介绍了整个系统的控制软件结构， 包括逻辑连锁控制，m c c 马达控制，s f c 顺序控制，先进控制( 模型预测控制) 等。 第六章总结与展望。 第二章d c s 发展现状与d e l t a v 系统简介 2 1d c s 集散控制系统发展现状 2 1 1d c s 系统发展现状 集散控制系统d c s 是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制 要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。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，同时也为正在发 展的先进过程控制系统提供了必要的工具和手段。 一 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、各种组态软件技术、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( 以h o n e y w e l l 、e m e r s o n 、f o x b o r o 、 横河、a b b 为代表) 纷纷提升d c s 系统的技术水平，并不断地丰富其内容。可 以说，以h o n e y w e l l 公司最新推出的e x p e r i o n p k s ( 过程知识系统) 、e m e r s o n 公 司的d e l t a v ( e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n 0 、f o x b o r o 公司的a 2 、横河公司的r 3 ( p r m 一工厂资源管理系统) 和a b b 公司的l n d u s t f i a li t 系统为标志的新一代 d c s 已经形成。如果把当年f o x b o r o 公司的i as e r i e s 看作第三代d c s 系统里 程碑的话，那么以上几家的最新d c s 可以划为第四代。第四代d c s 的最主要 标志是两个“i ”开头的单词：i n f o r m m i o n ( 信息) 和i n t e g r a t i o n ( 集成) 。 2 1 2 新型d c s 系统的特点 第四代d c s 的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、 工厂( 车间) 层和企业管理层。一般d c s 厂商主要提供除企业管理层之外的三 层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平 第9 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 台( e r p 、c r m 、s c m 等) 。所以说，当今d c s 主要提供工厂( 车间) 级的所 有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。 1 d c s 充分体现信息化和集成化 信息和集成基本描述了当今d c s 系统正在发生的变化。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系统，而是一个充分发挥信息管 理功能的综合平台系统。d c s 提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到 工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、 实时性和系统性。大部分d c s 提供了过去常规d c s 功能、s c a d a ( 监控和数 据采集) 功能以及m e s ( 制造执行系统) 的大部分功能。 d c s 的集成性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。过去的d c s 厂 商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的d c s 厂商更 强调的系统集成性和方案能力，d c s 中除保留传统d c s 所实现的过程控制功能 之外，还集成了p l c ( 可编程逻辑控制器) 、r t u ( 采集发送器) 、f c s 、各种 多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外，各d c s 厂商不再把开发组 态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把d c s 的各个组成部分采 用第三方集成方式或o e m 方式。例如，多数d c s 厂商自己不再开发组态软件 平台，而转入采用兄弟公司( 如f o x b o r o 用w o n d e r w a r e 软件为基础) 的通用组 态软件平台，或其它公司提供的软件平台( e m e r s o n 用i n t e l l u t i o n 的软件平台做 基础) 。此外，许多d c s 厂家甚至i o 组件也采用o e m 方式( f o x b o r o 采用 e u r o t h e m 的i o 模块，横河的r 3 采用富士电机的p r o e e s s i o 作为i o 单元基础， h o n e y w e l l 公司的p k s 系统则采用r o c k w e e l l 公司的p l c 单元作为现场控制站。 2 d c s 变成真正的混合控制系统 过去d c s 和p l c 主要通过被控对象的特点( 过程控制和逻辑控制) 来进行 划分。但是，第四代的d c s 已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代d c s 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现混合控制。这也是为了适应用 户的真正控制需求。因为多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和 逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。要实现整 个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分 布式集成信息系统。第四代d c s 系统几乎全部采用i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准进行组态软 第1 0 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 件设计。该标准原为p l c 语言设计提供的标准。同时一些d c s ( 如h o n e y w e l l 公 司的p k s ) 还直接采用成熟的p l c 作为控制站。多数的第四代d c s 都可以集成 中小型p l c 作为底层控制单元。今天的小型和微型p l c 不仅具备了过去大型 p l c 的所有基本逻辑运算功能，而且高级运算、通信以及运动控制也能实现。 3 d c s 包含f c s 功能并进一步分散化 过去一段时间，一些学者和厂商把d c s 和f c s 对立起来。其实，真正推动 f c s 进步的仍然是世界主要几家d c s 厂商。所以，d c s 不会被f c s 所代替，而 是d c s 会包容f c s ，实现真正的d c s 。所有的第四代d c s 都包含了各种形式 的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各 d c s 还改变了原来机柜架式安装i o 模件、相对集中的控制站结构，取而代之 的是迸一步分散的i o 模块( 导轨安装) ，或小型化的i o 组件( 可以现场安装) 或中小型的p l c 。 4 d c s 进入低成本时代 第四代d c s 的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件 ( i o 处理) 技术，采用灵活的规模配置，明显地了降低系统的成本与价格。可 以说，现在采用先进的d c s 实现工业自动化控制比原来采用常规的仪器仪表进 行简单控制，用户投资增加不多，但是实现的功能却明显加强。过去国外d c s 一般只适合于大中型的系统应用，在小型应用中成本很高，但第四代d c s 都采 用灵活的配置，不仅经济地应用于大中型系统，而且应用于小系统也很合适。 5 d c s 平台开放与服务专业化 2 0 年来，业界讨论非常多的一个概念就是开放性。过去，由于通信技术的 相对落后，开放性是困扰用户的一个重要问题。为了解决该问题，人们设想了多 种方案，其中包括c i m s 系统概念中的开放网络( m a p7 层网络协议平台) 。 然而，m a p 网络协议并没有得到真正的推广应用。而当代网络技术、数据库技 术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。各d c s 厂家竞争 的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式， 变成集成与合作的开发模式，所以开放性自动实现了。 6 第四代d c s 的开放性 开放性体现在d c s 可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管 第1 i 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品 s c a d a 平台、m e s 产品、b a t c h 处理软件，同时支持多种网络协议( 以以太 网为主) ；在装置控制层可以支持多种d c s 单元( 系统) 、p l c 、r t u 、各种 智能控制单元等，以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。 随着开放系统和平台技术的发展，产品的选择更加灵活，软件组态功能越来 越强大并灵活，但是每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案，所以专业化 的应用知识和经验是当今工业自动化厂商或系统集成商成功的关键因素。 2 2p l a n t w e b 工厂管控网 2 2 1p l a n t w e b 自动化结构定义 p l a n t w e b 工厂管控网是利用现场智能设备提高工厂运行效率的过程自动结 构，并基于现场的体系结构提供了设备管理、过程控制和管理执行的自动化解决 方案。它主要由三个关键的部分组成： 1 规模可变的控制平台d e l t “控制系统 。 2 ， 一体化的模块化软件一如a m s 设备管理软件、i f i x 接口软件、批量 处理软件等 3 智能化的现场设备如f f 总线设备、h a r t 总线设备等。 这些联网的组件以开放的智能通讯标准接口来连接，如h a r 、o p c 、f f 总 线，使得p l a n t w e b 具有更强的处理能力和更好的开放性，与其他控制系统和管 理网络的通讯更加容易。 2 2 2p l a n t w e b 的特点 传统的d c s 是整个工厂管理和控制的核心，而在p l a n t w e b 中控制系统只是 工厂管控网的一部分，这使得整个工厂的运行更可靠、更稳定。 以d e l t a v 系统为核心的p l a n t w e b 结构具有系统开放性好、互操性和互用性 好、使现场环境的适应性增强、节省硬件种类数量及提高系统可靠性和控制精度 等特点，它除了支持f f 总线以外，还提供了p r o f i b u s 接口、a s - i 接口、d e v i c e n e t 接口、h a r t 等现场总线接口，从而实现不同标准的总线兼容运行，提高了工 厂的效率和利益。 第1 2 页菇7 6 页 土海大学硕士学位论文 图2 1p l a n t r e b 工厂管控网自动化结构 因此，它是为构建一个完全的数字化工厂而推出的基于现场总线技术解决方 案稳定的自动化结构。 2 ，3d e l t a v 系统简介 d e l t a v 系统是基于现场结构的p l a n t w e b 中实现过程控制的主要部分。该系 统的应用范围包括了从单个过程控制的区域到全厂范围内的全套自动化系统。 2 3 1d e l t a v 系统构成 2 3 1 1 系统基本构成 工作站：d e l t a v 工作站是基于最新的i n t e l 公司的微处理器的基础上，采用 w i n d o w sn t 的操作系统( 最新的d e l t a v7 2 采用w i n d o w sx p 的操作系统) 。它 提供了一系列的软件来实现系统组态、操作员界面、工程、维护和集成功能。 控奔0 器：控制器是提供现场设备与控制网络中其它节点之间的通讯和控制。 它采用m o z o r o l a 最新的p o w e r 8 6 0 芯片，主频可高达5 0 m h z ，7 层的电路板设计 使得体积更小、功能更强大，紧凑的封装可广泛地分布在厂内。 i o 卡件：d e l t a v 系统的所有i o 卡件均为模块化设计，可即插即用自动 第1 3 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 识别、带电插拔。系统支持两类i o 卡件：一类是传统i o 卡件，另一类是现场 总线接口卡件( h 1 ) ；两类卡件可任意混合使用。 h 1 现场总线：d e l t a v 采用基金会现场总线的方式把工厂内的智能现场设备 与控制器连接起来进行局部控制及通信。它是种全数字式的串行双向通讯系 统，以3 1 2 5 k b i t s 的速率向5 0 0 h m 的终端负载发送1 0 m a ，产生t 0 v 的峰峰 电压，并调制于直流电压之上直流电压范围为9 - 3 2 v 。 2 3 1 2 工作站软件构成 d e l t a v 工作站软件采用高性能、易于使用的软件包，并且采用集成的t c p i p 通讯协议，避免了动态连接库( d d l ) 和动态数据交换( d d e ) 带来的不变。根据不 同的站有五种不同类型可供选择： 专业工程师站软件：该软件包包括组态、工程、操作和通讯软件组，并对系 统的各个方面进行了定义和维护，提供全系统内的安全设定和面向对象数据库的 状态图。 工程师站软件：该专业软件包包括组态、工程、操作和通讯软件组，允许用 户在组态、在线检查、操作之间做切换。 操作员站软件：该软件包包括操作和通讯软件组一所有控制过程所需的工 具。 应用工作站软件：具有多种用途，其功能有；工厂历史数据、批量历史数据 和集成功能。 ， 基本站软件：如果上面的几种都不能满足要求，那么基本软件包提供从不同 类的软件功能中选择软件应用程序。 2 。3 2d e l t a v 系统特点 2 3 2 1 控制网络：采用工业以太网 d e l t a v 系统采用f f 规定拓朴结构即工业以太网，工作站和控制器构成控制 网络的节点，d e l t a v 系统的任何两个节点之间都是对等的，信息直接交流，而 且所支持的数据格式相同，即d e l t a v 系统的控制器直接支持t c w i p 数据，数据 传输速率为1 一m b p s ，所以目前d e l t a v 系统的控制网络传输速率为1 0 0 m b p s ， 远高于其它d c s 系统。 2 3 2 2 系统规模可变，在线升级扩展 第1 4 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 d e r a v 系统具有规模可变的特点，搭积木式的系统组成使得系统的扩展非 常容易，同时系统支持任意的光缆扩展连接，使系统的扩展更加随意。d e l t a v 系统的在线升级可以使用户在不停车的情况下，在线完成系统的升级换代，而不 影响生产的正常进行。 2 3 2 3 控制器卡件的智能化：即插即用，带电热插拔 控制器和i o 卡件全部采用模块化、智能化设计，一经上电，系统自动识别 其类型，自动分配地址：系统采用标准的i o 背板，所有卡件可以混合进行使用， 没有位置等的限制：任何卡件都可以进行带电热插拔，不会对系统运行造成任何 影响。 2 3 2 4 控制器冗余设计 d e l t a v 系统的控制器具有在线完全冗余的功能，在系统正常运行时，不需 要停车，只需在左侧把第二套控制器所插放的底板与运行中控制器底板通过其自 带的标准插口插接起来，则系统自动完成控制器冗余，这是d e l t a v 系统控制器 独一无二的在线冗余方式。 2 3 2 5 远程组态和控制 d e l t a v 系统首创了远程工作站，任何一个以太网，只要通过网关和d e l t a v 系统的应用站或p r o + 站连接起来，就可以在该网络上设置远程工作站( r e m o t e w o r k s t a t i o n ) ，远程工作站可以具备d e l t a v 系统本地工作站同样的功能，即进行 组态和操作。远程工作站和d a l t a v 系统之间也可以通过卫星等无线通讯方式实 现。 2 3 2 6 远程监视和诊断 艾默生过程管理倡导了o p c ( o i z f o r p r o c e s sc o n - t r o l ) 通讯技术， 并把o p c 技术应用于d e l t a v 系统，通过o p c ，d e l t a v 系统很容易与i n t r a n e t ( 业管理网) 和i n t e m e t 进行通讯。用户可以通过w e bs e r v e r 在互联网上远程 监视d e l t a v 系统运行的状况，远程进行故障诊断。 2 3 2 7 离线组态功能、离线仿真功能 d e l t a v 系统可以离线运行，用户可以进行离线组态，包括流程图和各种控 第1 5 页共7 6 页 上海大学硕士学位论文 制方案的组态。d e l t d v 系统制o e l i n e 功能可以仅由几台计算机组成一套d e l t a v 仿真系统，该仿真系统把计算机的硬盘仿真成控制器，可以达到与真正的d e l t a v 系统同样的组态、运行效果。 2 3 2 8 独特的