（机械制造及其自动化专业论文）基于mcgs的分布式锅炉中央监控系统开发.pdf

摘要 燃烧清洁燃料，是降低空气污染的有效措施。考虑到中国可持续发展的战略，必须将 原来工业和民用的取暖燃煤锅炉改造为燃气锅炉，原有的锅炉控制系统既不能与燃气锅炉 的需求匹配，又不能满足高效率、低能耗、少污染的要求。基于g s 的分布式锅炉中央监 控系统，是果用分布式控制结构、以组态软件为平台搭建的燃气锅炉控制系统。 建立分布式控制系统可以实现对各个锅炉的分散控帝忏廿集中操作、管理的目标。在基 于m c g s 的分布式锅炉中央监腔系统中，通常由一台上位机( 工控机) 、数台下位机( 锅炉 控制器) 、传感器和信号采集转换模块构成。 e 位机系统是由组态软件搭建的个控制平台，采用主从控制方式，其功能是：一方 面接收下位机上传的现场信号进行数据显示及报表和记录生成；另一方面，根据数据分析 结果对下位机进行管理，实时监控锅炉系统运行状态。上位机主要控制对象为燃烧器、汽 包水位等：上位机实现对下位机的启停、参数设置及管理，同时对下位机获得的所有参数 进行收集、统计、分析，j 蘑过下位机实现对锅炉运行的自动控制、故障报警及处理等，使 其能够实现无 、值守，同时提高锅炉的运行效率和安全性。 下位机实现对锅炉运行状态的信号采集、对嫫瀚溯和补水泵的控制。下位机的控制模 块是以人杌滞舌方式与用户交换点息，给操作者带来极大方便。f 位机系统实现了蒸汽锅 炉的手伯动控制、工况监控，同时具备丰富的故障捡澳4 、故障报警、故障处理等功能，最 大限度的保证了锅炉的安全可靠运行。 上下位机之间通过r s - 4 8 5 接口进行通讯。 基于m c g s 的分布式锅炉中央监控系统共含有：系统管理、工况监控、工程报表、曲线 显示、报警信息、系统帮助等6 个功能模块，同时还具有上下位机的通讯功能。在用户方 面，控制系统采用了各种对话框、菜单及提示，以实现良好的人机界面，提舡作效率， 以降低对使用人员的专业知识要求：在安全方面，控制系统设计了良好的保护措施，以免 发生意外故障时造成数据丢失，而目有保护程序以确认数据更改的准确性；系统具备联机、 脱机运行模式，联机时完成多锅炉、多机组安全运行、科学管理、平衡机组的目的。脱机 运行时各机组又能独立实现工巧 检测和全自动运行，多模式运行使用户操作更具可选择性。 基于m c g s 的分布式锅炉中央监控系统配有成熟的组态软件。这些软件采用模块化结 构，具有面向过程的特征，且多基于图形方式，提高了锅炉监控的自动化程度；减少锅炉 运行对操作人员的依赖，以刚氐操作和维护锅炉的劳动强度；保证锅炉的安全和提高锅炉 北京工业大学硕士学位论文 运行效率。基于i c g s 的分布式锅炉中央监控系统具有良好的可扩充j 陛，下位机最大容量可 达1 6 台，系统为此预留了相应端口，用户根据需求可以实现自主扩充升级，实珊萁扩晨陛。 关键词m c g s ；锅炉监控；分布式控制系统；组态；实时性 i i a b s 缸a c t 1 h e 印融c t i v e 啪y t 0r 司u c c 仕峙p o l h 击o n i s 协b u m 血e d e a l l 蹦t h e b o n 盯c o n 的ls y s 嘧n u s e d i n 恤h m i 工培c o a l b 础e r d o e m t 斌c h 盟n 咄b o 曲毽锄d i s 虹丘o l s 砬蟪t l e k 豳 d 丘c i e n c y ，l o w s c 甜1 d 削ep o n 埘o n ，w l l i c h i sr 耐曲1 e t 0 蛳c o n t - m 1 】a _ b l ed e v c l o p m 咖o f c 抽j 耵a1 1 1 ed i s 晒h i c 。dc 跚h m o n i 衙髓dc o r r 0 1 掣s t e i nf o rb 础茁b a s e d0 nm c g si sd e v e l o p c d b yb e 日吨1h l i v e 商哆o f t e 血d o 阱t 】i s $ s 衄l 既1 p l o y sd i 蚰i b 刚o o m r 0 1s n l j c t u r ea n d 蛐 1 b ec 0 曲同掣s 锄f 1 0 ra t l l r o 叫弘s - b i m l i l l gb c m 盯b y 曲gc c 倘g u r 嘶0 ns o f h v 甜ea sap ：i 锄向m n l cd i s 吐i b m b dc o r 】血0 ls y 蜘i se s 脚) h 出e dt 0m o t l i t o r 朗c hb 蛐既a 掣s c 锄i su s u a y c o m p o s e do fo n e 印i g y yc 0 蝴p 恤髯v e r 越蛳g y r l yc 。m m 哇e r ss e n s a r s 锄dd a 土a - a c q l 五r e d 掣概t h e m a j i l 幽lo b j 酬v e s o f 印i 剿c 0 瑚陋a i e t l l e h 咄硫l p l 即篮n ta 1 1 d 廿1 e l e v e l o f 删e s a l s o t h e e p i 母m y c o m 脾m a n a 黔s 拄哦s t o pa 1 1 d p a r a m 曲玎s e t 曲g o f m e 蛳g y r l y 雌a t m e 删鹕船印i 剿嘞锄咖啦删a n d 删灌m e p 猢船 d 妇面e d 蛔m e 咖g y n y c o m p 咖t o 孤i 【0 m 砸c a 】y c o n t r o l 也e 哪廿a t i o n o f 也e b o n e ra r l d 啪 m e 蝴m 咖a n d 衄t 0 础船帆l b l e 1 1 1 耐礁i t 黜惋谳u 由i r l 驴v e m e 删 e f 丘c 昀a r l ds e 嘶锄dn o i n 纽i s i e q 泣r e d 咖也eb o 丑茁n m s h la d d d 啦也e 印i 鳓 c 0 瑚啦s y s 咖a d o p t s t h e p r i n d p d a i ds l 】b c 删i n 蹴w a y s t o 池l 吐l e 咎n e r a l c 0 曲面c o r 血g i e w 扛c hi si n a d el 甲b yam i a d ( 捌：1 1 l 删班锄dr e a l 缸m o n i 0 0 rs 0 f h v a i e 1 1 玲印i g y l l yc o m p 嘶r l 】s e s 恤4 8 5 p 嘣协湖帆1 疵啦w i m m e 蝴yc o i 嘞衄 t h c 蚴聊1 y 鲫哪衄r e a l i z e s t 0 讪e c tm es i 酬0 f0 p e 删o ns i 缸u s 姐d 删m e b u m i l l gm a d l i m 锄n e 丘l l i r 】gp u r 印1 kc 埘m i 讪】l eo f t h i sd 州c e 咖砌m i c a 主e sw 胁t l l e u s e rb yl n a - n 础c o n v e 献岫砌c h 慨船恤愀al o t 倘s 删珊n o t 砌y 删i z e s 也e 缸渤0 f m m l 】a 】孤肋m 疵c 0 蛐da n d w 蛾s c a t i l s m o n i 妣b l i ca l s oh a sr i c h 如剃0 n s ，s u i c ha sm a l 如n c 妇d e t e l 砸n 岛w 峨缸dc r a c b 坞，w l l i c h 锄s u r et l l es e c 删崎o f 雌l e r 舐i 培恤b o 妇啪t 0 吐1 e m a x 证1 m o c e 】d 。 t h ew h o l c 町咖c o n i a i 】【1 s 血删伽i a lm o 刚e s ：s y s 咖m 锄a g e m e n tw o r 瞌培s 蜘 u s m 面衄；出i e e l j n gi 印。吒趾dc u ed i s p l 砌h 1 1 1 i i 】g 撕o na n d 掣咖nl l e l p t h e c 蛐ls y s 咖a d o 呻伍e 删ym 如加强d 1 1 i 1 1 ec o m 吲蛳o ni l i 【e 1 自c et 0i n l p r o v e 恤e 伍d e n c yb y v a i i e so fd i a l o gb 0 强m e n ua n d 班o i i 啦w k c hw l o 、榭也er e q i 溉e n to fp r 0 砖s i a l 虹蛐奴妇u s 懿a s 如妊蛐妇蛐ls y s 衄槭g n s p k 脚她 1 t t ，一一 。，。一，一望型生逛兰堡兰圣，一，一。一，一。一 m e a s u r e s i no r d 盯t 0a 、，0 i dd 如1 0 s c b ya c c i d 髓t s o i t w mp i 删也e 弘啦即m t 0 趾s u i e t h e a c c i 删o f d 渤u 1 ) d 如 t b es 砸yh a s 础删c a l 蛐t 0 幽龇m e 删劬嘶0 1 1 so f 位c 蛳l s y s 缸ma r e0 b 俩i l 缸m 哦1 h 趾b a l f y e a i s o p a l i o n h a s p r o v 。d 也缸m ec 酬c o m is y s 晒n o f t h ed i s 伍1 删b o n 目i s 出b l e 锄ds 正a s 枷嬲p 0 删a 1 1 d 丘i d l y m 朗n l j 栅l ei t i s o p e r a 埘 e 船坶a i l d 卸t o m a d c a l 】y t h ec o n t m l $ s i 吼恤d yi e a 血船血eh i 曲i e re 伍d c ya n dl a w 豇c o s ta s w e na s l o 、砌p o m m o n t h ed i s 删删洲蛐咖曲b 0 诅e r sb a s c do nm c g sh a sm 咖r e c o 耐i g u 谢o ns o f 、a r e t h es o f i 、瑚r ea d o p 盥m o m d a i i z a 垃o ns n u m ea 1 1 dl 】a st h e 吐匝捌鲥c s o f f 碱1 1 9 胛e s s e sr n o s to f 蝴a r eb a s e do ng r a 壬蚰c sm o d c h 如骶a s c sm e 删o f 刹蛐o f 碱l e r 础a n d 幽c e sd l ew o d d l 鸣蛐h la d 删吗i t 渊恤 蚴由a n d 蛔砌e 伍蝴o f m e 蛐a n d 伽y 洲妇b 删崛 k e 即o r d sm c g s ；b o n e r m 蝴d i 蛐b i i 【c ：d c o r l 血o l 掣旭峨c o n 五g 岍出o n ；r e a l 缸璩 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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了谢意。 签名：塑塑笙日期： 关于论文使用授权的说明 d ，j 、| 旺 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：当旦玺翩签名0 墨垡日期； b 6 主 啦 1 1 引言 第1 章绪论 随着能源和环保意识的加强，以及国家的一系列相关政镣的出台，对锅炉的运行控制 提出了新的要求【lj 。改变锅炉的燃料品种，燃烧清洁燃料，是刚氐空气污染的有效措施。 特别是近几年来，我国城市燃气结构发生 勋变化，蒯匕天然气已经进 京津，渤海天然 气已经e 岸，尤其西气东输工程的实旌，更为燃气锅炉的应用起到了推动作用回。 现在，一般燃气锅炉的设计效率均能迭到9 0 左右，但在实际运行中，由于外界环境 温度不断变化或由于工业生产中工艺的不同，需要锅炉的供热量也因而变化，如果不调整 燃气量，往往会造成供热量不足或过量，造成能源浪费1 2 i 。在这样一种背景下，有必要对 燃气锅炉的相关参数进行实时调节，提高能源利用率口】。目前，世界各国都存在能源短缺 的问题，我国能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、节能、无污染、无噪音、安全 运行是锅炉控制系统的重点。 我国现拥有的锅炉设备四十多万台，这些锅炉是工业、农业及民用上不可缺少的动力 设备，也是用于各行业及民用采暖中的重要设备【4 。其调节任务主要是根据生产负荷的需 要，供应一定规格的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸麓等过 程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力涮“。为确t 采安全、稳 定生产，对锅炉的自动控审! i 十分重要。在锅炉的蒸汽发生系统中，由于汽包的作用是接受 炉膛内燃料燃烧产生的热量，使汽包内的水沸腾产生饱和蒸汽，再由过热器形成一定压力 的过热蒸汽印。因此在锅炉的几个主要控制对象中，汽包水位是一个非常重要的被控变量印。 水位过高会导致蒸汽带水进 过热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将引起 过热器爆管，水位过低叉将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管聊。锅 炉汽包水位不仅受汽包( 包括循环水管) 中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。 而水位下汽泡容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。 工业锅炉的主要动态特性包括：非线性( 系统非统陛、饱和非线性) 、非最小相位特征、 不稳定性、时滞和负荷干扰等【9 】【1 q u l j 【1 日旧。 为保旺锅炉的安全运行，控制系统应具有基本的连锁功能，即：送风与送气运行顺 序连锁，锅炉水位与燃烧控；锁，蒸汽压力与燃烧控制连锁，锅炉与锅炉之间运矧顷序 连锁学“。因此，采用分布式控制系统( d i s h j b u l 甜c l 踮日吼1 ，d c s ) 来实现锅炉的 连锁掣“。凼此，采用分布式控制系统( d i s i d b u t 甜c o n l 酗咖，d c s ) 来实现锅炉的 分散控制和集中操作、管理。 常见锅炉控制系统的控制方式很多，有仪表控制，计算机控制，p l c 控制等，下面分 别叙述其特点【1 4 】。 早期的锅炉自动化程度不够高，监控系统不够完善，导致系统故障率高，维修困难。 特别是一些炉龄较长的锅炉，基本上都是仪表控制的。这些系统经多次维修更换，仪表 的型号不同、大小不一，控制精度也较低。控制仪表的机柜体积大，占用了较大的控制室， 仪表数量多，操作人员也多，可靠性差，维护成本高。锅炉控制主要以继电器、接触器控 制为主， 参数调节控制采用仪表组合控制 1 日。此类控制系统结构庞大、接线复杂、可靠 性低，为达到较理想的控制效果，需要组合大量的单元仪表以实现复杂的控制规律，使 系统的成本进一步增加。 随着计算机技术、现代网络技术、数字测量技术和数字控制技术在锅炉控制中的应用， 分布式控制系统( d c s ) 在l 代各行各业生产中所起到的作用也越来越大。d c s 设计主要包 括硬件系统设计和软件系统设计2 个部分。硬件系统设计主要包括i o 点的确定，以及 d c s 硬件系统配置方案；软件系统设计主要包括各个系统的控制逻辑，如：锅炉调节控制 系统( 简称h 磷) ，锅炉炉膛安全监控系统( 简称f s s s ) ，j l 凰芋控制系统( 简称s c s ) ，以及 数据采集系统( 简称n a s ) 1 q 。随着锅炉型号多样化，锅炉控制系统的重要性也日益显现出 来，完善合理的硬件和控制策略对锅炉安全、稳定、高效运行提供了保障。目前，锅炉自 动化水平己趋成熟，摆在我们面前的问题是如何对系统进行控制优化，这不仅需要先进的 控制策略，还需要对锅炉系统逆 行鼍挂一步解析。锅炉系统是个滞后的惯性系统，由于影 响因素多，很难建立个确定的数学模型【1 7 1 8 1 。因此，对给水压力、水位、蒸汽压力和 温度等，本系统利用工控组态软件g s 设计锅炉的液位和温度控韦8 系统，实现了水位和温 度等参数的自动控带f 瑚。 1 1 3p l c 控制系统 采用p l c 作为中心控带m 单元，利用模糊控制技术，根据供水的压力值控制变频器的输 第1 章绪论 出频率来调节水泵电机转速，从而达到给锅炉匿压供水的目的，大幅度提高了设备的自动 化水平和可靠度刚。模糊控制是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，根据模糊推理和 模糊判决，查询模糊控制表，得到精确的控制量豳阿。模糊控制器设计为双输入单输出二 维模糊控制器剀。其不足之处在于p l c 模糊控制本身消除系统稳态误差的陛能比较差，难 以达到较高的控制精剧圈。 展望未来，采取有效措施克服互联网传输时延对控制系统动态性能的影响是远程控制 系统研究的主要挑战。分析互联网传输时延的特性，根据互联网时延的不确定性和非线性 特性，采用随机过程a r 模型预测不确定 生的互联网传输时延的方法，并通过m 矾a b 软件 实现基于a r 模型的互联网时延预测的仿真，结果证明可采用a r 模型来进行互联网传输 时延预测并可取得很好的预测效果闭。 本课题开发的“基于g s 的分布式锅炉中央监控系统”是由北京工业大学根据杭州家 和公司提供的锅炉控制专用模块语句格式，用语言开发了上下位机的驱动程序，以此 来实现分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。该系统适合锅炉房由原来的燃煤锅炉 改造为燃气锅炉后安装，因为原有的锅炉控制系统仅仅具有参数显示的功能，很不直观， 且其控制需要大量的人工劳动0 1 圆圈。而“基于m c g s 的分布式锅炉中央监控系统旨在 提高锅炉监控的自动化程度；改变原有的监控方式：减少锅炉运行对操作人员的依赖，以 降低操作和维护锅炉的劳动强度；保证锅炉的安全和提高锅炉运行效率，同时充分考虑其 扩展性：保证原有数据传输的实时性刚。 1 2 分布式控制系统 分布拙0 系统( d i 商栅c e d c o i 蛐d 跚啪强，d c s ) ，是基于计算机技术( c 0 i r l p i 吐e r ) 、 控制技术( c o r n r 0 1 ) 、通j 飘技术( c o i i 】r n l 】n j c 鲥0 n ) 和图形显示技术( c r t ) 即4 c 技术， 通过某种通讯网络将分布在工业现场( 附近) 的现场控制站、控带惜理站、检测站和操作 控制中心的操作管理站、控制管理站及工程师站等连接起来，共同完成分散控制和集中操 作、管理的综合控制系绁”。 世界上公认的第套d c s 是1 9 7 5 年由美国h 郇d 】公司推出的) c 2 0 0 0 。在此期 间其它的几个公司也推出了自己的系统，如贝雷公司的n 9 0 ，英国k e m 公司的p 4 0 0 0 等。 1 2 1 分布式控制系统的结构和功能 早期的计算移诳滞0 系统i 硼的是集中式结构，即系统中的一个主机系统担负着现场数 据采集、处理、控制运算、显示、打印和控制操作，这样就需要将所有的信号从现场直接 接到控制中心，既增加了电缆的费用，又增加了施工难度和维护工作量，同时系统的控制 或采集规模受到限制，性能不易提高。此外，这种集中式的控制系统只有一个控制主机， 一旦发生故障，则整个控制系统即告瘫痪，因此危险集中、可靠幽氏【3 2 】。 分布式控制系统在结构上与集中式系统相比有实质l 生的变化。分布式控制系统多采用 分层分布式结构，包括现场控制级、监控级和管理控帝g 级。当然有的系统分成更多的层次， 而有的系统则只有两个层次，但多数的系统结构分成三层或四层叫。 ( 1 ) 现场控制级 现场控制级直接与被控过程打交道。它可向下分成控制站和采集前端。控制站上具有 处理器模板和e 通讯模块，向下则通过现场总线与各采集前端连接起来。采集控制前端装 有各种现场信号采集和处理模块。 现场控告蚣完成的功能主要包括： 现场数据的周期性采集； 采集数据的处理( 滤波，放大，转换) ； 现场数据和现场设备状态的检查和报警处理； 控制算法( 连续调节和顺序逻辑控甫帅的运算； 控制输出执行； 与匕位机或其他站进行数据交换，接收上位机的控制给定，向上传递各种采集、控制 和状态售鼠。 ( 2 ) 监控级( 集中管理级) 监控级( 中间层) ，它是用来协调其下边的现场控制站。它们般完成优化控制和协调 控制，将计算的结果以给定的方式传给现场控制级。但d c s 级层的划分是人为的，很多 系统的层次并不分明。所以，这里的层次划分虽然对多数的d c s 在物理e 是成立的，但主 要是逻辑e 的划分，即按功能划分的。 监控级通常完成下列功能： 瑚场运行的自动监视，数据记录保存，状态报告和控银躲作等： 优化控制功能，利用数学模型和条件，计算最佳运行条件； 自适应控甫4 运算。 ( 3 ) 上位管理级 一般中小型d c s 应用系统只有上述两层的功能，而大型的d c s 应用系统，除了包括 上述两层功能之外，往往还通过e 层网络与一些工作站或小型机系统连接起来，共同完成 4 管理、控制一体化功能。 与集中式控制系统相比分布拙4 系统具有的优点包括： ( 1 ) 性能价格比高 由于分布式控制系统采用多主机结构，系统的处理能力大大增强了。目前，般的d c s 可以直接处理e 千点( 或数千点) 的模拟量、开关量输入，可以控制数百个回路，而且处 理速度很快。由于d c s 多采用微机系统作为各站的处理机，因l 比 介袼较低，而且可以节省 大量的现场信号电缆，所以d c s 具有较高的性能价格比 ( 2 ) 可靠| 生高 d c s 规模虽然可以很大，但每个站或模块并不很复杂，这些站多采用成熟技术，模块 化技术和冗余技术县? 有很高的可靠性岬口“。 ( 3 ) 控制能力强 d c s 采用各现场控制级完成常规的d d s 控制和顺序逻辑控制，绝大部分与信号处理有 关的工作在现场控制级完成。监控站和管理控制站可以有足够的时机来实现较高级的控制 功能，如优化控制计算，自适应控制计算，模糊控制以及一些专家系统算法圜。 ( 4 ) 可方便地实现控制、管理一体化系统 d c s 采用网络结构可以方便地将控制信息和现场状态信息传给管理系统从而为实现计 算杌集成制造系统( c i 凇) 打下基础口2 】。 ( 5 )维护性强 d ( 葛采用模块化结构，而且具有齐全的自动检测和诊断功能，因此系统很容易维护。 ( 6 ) 友好的人机界面 目前，国内和国外推出的d c s 都采用了较好图形显示设备作为操作员站和工程师站 操作员站配有直观的指导画面和流程画面以及各种趋势显示，再加e 操作方便的操作键盘， 所以很容易掌握操作工程师站般配有操作方便、直观性强的组态软件，用户可以方便地 生成自己的应用系统。操作站一般还配有在线修改画面功能，使操作人员可以在线修改或 输入一些系统信息。 ( 7 ) 适应| 生强、扩充j 陛好 d c s 的硬件和软件均采用标准化、模块化和开放化的结构，比较容易地适应于大小不 同规模系统，扩充起来很容易。 1 3 组态软件 “组态”的概念最早来自英文c 0 n 丘g 删0 n ，其含义是使用软件工具对计算机及软件 的各种资源进行配置 括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数) ， 达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。它是伴 随着分布式控制系统耐矧b u t e dc o n 的ls y s t e m ，d c s ) 的出现而引入工! i k 控制系统的。 分布式控制系统都配有成熟的组态软件。这些组态软件包括分布式数据库系统、控制 系统以及其它子系统。这些软件采用模块化结构，具有面向过程的特征，且多基于图形方 式。因此对般的应用用户，不需要程审语言编程，只需组态就可以生成适合自己的应用 系统。 目前世界上的组态软件有近百种之多。国际上知名的工控组态软件有美国商业组态软 件公司b n d e 刑a 陀公司的硫o u c h 、n e l h 哇i o n 公司的f 、n ms 矾公司的p a r a 9 0 n 、 通用电气公司的c i m p h c 时、德国西门子公司的w l n c c ，以色列p cs 礤公司的等。 国内的组态软件起步也比较早，目前实际工业过程中运行可靠的有北京昆仑通态自动化软 件科技有限公司的m c g s 、j t 京二维力控科技有限公司的力控、北京亚控科技发展有限公 司的组态王以及台湾研华的a 烈_ m 等p 3 l 。 1 3 1 组态软件结构 从结构上来说，工控组态软件般都是由系统开发环境( 或称组态环境) 与系统运行 环境两大部分组成。系统开发环境是自动化工程设计师为实施其控制方案，在组态软件的 支持下，进行应屠程序的系统生成工作所必须依赖的工作环垮秽。通过建立系列用户数 据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统运行环境将目 标应用程序装入计算机内存并投入实时运行。有些工控组态软件昌然系统组成匕包含多种 工况动画构件 开 流程控制设计 发 报警系统组态 骤 报表曲线组态 境 i o 设备组态 实 时 数 据 库 图1 一l 组态环境与运行环境关系示意图 f 远s c h 自n 撕c o f 耐甜o f l 蚵p b e 鲫域驴甜o na i l d 叩删o n 锄幢加i i l e m 6 第t 章绪论 部件，但就其功能结构来说均可以认为是开发环境与运行环境的统合，其关系如图卜1 所 示。维系开发环境与运行环境的纽带是实时数据库。 1 3 2 组态软件的特点 目前绝大多数工控组态软件都可运行在w n d a 粥平台下，除具有界面友好、易操作的 特点外，还具有如下方面特点： ( 1 ) 实时多任务 实时多任务l 生是工控组态软件的重要特点。在实际工业控制中，同一台计算机往往需 要同时进行实时数据的采集、处理、存储、检索、管理、输出，算法的调用，实现图形、 图表的显示，报警输出，实时通讯等多个任务。 ( 2 ) 接口开放 在实际应用中，用户可以很方便地用或v c + + 等编程工具自行编制或定制所需的设 备构件，装入设备工具箱，不断充实设备工具箱。很多工控组态软件提供了一个高级开发 向导，自动生成设备驱动程序的框架，给用户开发帕设备驱动程序工作提供帮助。用户 还可以使用自行编写动态链接审 j ) 的方法在策略编辑器中挂接自己的应用程序i 陆失。 ( 3 ) 。系统安全 工控组态软件提供了一套完善的安全机制。用户能够自由组态控制菜单、按钮和退出 系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员对某些功能进行操作，防止意外地或非法地 关闭系统、进入开发系统修改参数或者对未授权数据进行更改等操作跚。一些工控组态软 件( 如m c g s 5 1 ) 还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，来保护使用组态 软件开发所得的成果，开发者还可利用这些功能保护自己的合法权益。 对于一个实时的计算机控制系统，存在大量的实时数据处理。一方面，过程物理量巡 检任务将各物理量的值周期性地采集进来，周期性输出。采集进来的数据要进行各种处理， 如报警检测、过程数据显示、参数列表显示。趋势跟踪、控带悯节也要用到这些数据。为 了减少内存开支，并减少各个任务间数据交换，往往设定个实时数据库，该区域被许多 应用程序共享。过程采集任务可以直接修改公共数据区数据，其他任务如图形显示、参数 列表任务等则可以i 直过功能调用来取得该区数据。一个控制系统所要完成的最基本的功能 有三点：数据；罹集：执行特定的算法模块：将执行的结果通过输出接口送往计皇甜i l 夕 部以 北京工业大学硕士学位论文 驱动执行机构的动作，从而达到控制目的。这三个功能都是借助于实时数据库来完成的。 从组态软件设计的角度来说，实时数据库是整个软件的核心。它的设计方法、数据的 组织结构直接制约了整个系统的性能。实时数据库实际上是内存中的一个大型数据块，其 内容直接反映了该现场控制站的对象的运行情况，实时数据库是现场控制站软件的中心环 节。它相当于个运载工具，把各部分信息( 状态、数据、控制) 从一个执行模块转移到 另一个执行模块，从各通道采集来的数据、从网络传给现场控制站的数据均放在实时数据 库中，而别的模块需要数据时可以不到硬件上取，而是直接到实时数据库中去取就可以了。 另外，运算的中间结果也存放在实时数据库中。实时数据库还有一个作用就是数据共享， 如几个控制算法都需要某个模拟量输入信号，如果没有实时数据库则每次用到这些数据 时都得到通道e 去取，同时，每个模块都必须重复地输 、转换和存储该数据。有了实时 数据库，只需要个模块周斯隆 电输入该点的信息，并完成转换，将结果放在实时数据库 中，这样不论有多少控制算法需要此点数据，只要从实时数据库取得即可。 对本系统所用的组态软件龇s ，在m c g s 中用数据对象来描述系统中的实时数据，用 对象变量代替传统意义上的值变量，把数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数 据库。 实时数据库是肥g s 系统的核心，是应用系统的数据处理中心。系统各个部分均以实 时数据库为公用区交换数据，实现备个盼协调动作。 设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据送入实时数据库；由用户窗口组 成的图形对象，与实时数据库中的数据对象建立连接关系，以动画形式实现数据的可视化； 运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理。实时数据库原理如图1 2 所示： 第1 章绪论 图l - 2 实时赘擗工作原理图 f i g1 _ 2 逝豳i p l e 幽删c o f 硎妇纰b a s e 1 4 本课题的主要研究内容 本系统采用分布式控制的结构，以组态软件( m c g s ) 为平台搭建的一个三燃气锅炉 的控制系统。研究内容主要包括：硬件系统的建立，软件系统的设计与实施。 1 4 1 硬件系统的建立 建立分布式控制系统实现对各个锅炉的监控。下位机实现锅炉运行状态信号的采集和 燃烧机、补水泵的控制，上位机实现对下位机的启停、参数设置进行管理，同时怖机 获得的所有参黼幌集、统计、分卡斤，通过下，直机实现对锅炉运行的自动控制，故障限 警，故障处理，使其能够实现无人值守，同时提高锅炉运行效率和安全陛。 1 4 2 软件系统的设计与实施 整个差旆0 系统共含有：系统管理、工况监控、工程报表、曲线显示、报警信息、系统 帮助等6 个功能模块，同时还具有上位机、下位机的通讯功能。本文根据杭家和公司提 北京工业大学硕士学位论文 供的锅炉控制专用模块的语句格式，用语言开发出来了上下位机的驱动程序和基于 m c g s 的分布式锅炉中央监控系统，实现了所有的设计功能，达到了所要求的各项性能指标。 第2 章硬件系统的建立 2 1 系统概述 第2 章硬件系统的建立 上位机采用研华工控机，主要控制对象为燃烧器、汽包水位等。下位机采用采用杭州 家和公司锅炉控制专用模块p l m 作为信息处理和中央控制单元，同时嵌入h 咖e v r e l 】公司 设计的专用控制软件，具有输 输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能 力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。同时预留了标准的i 氇4 8 5 通j ；r 接口，可 与中央机房连网实现远程监控。 下位机控制模块，以入机对话方式与锅炉用户交换信息，给操作者带来极大方便。下 位机系统实现了蒸汽锅炉的手自动控制、工况监控，同时具备丰富的故障检测、故障报警、 故障处理等功能，最大限度的保汪了锅炉的安全可靠运行。 e 位机控制系统采用主从式控制方式，总控制室配置由台微型计算机和实时监控软 件组成的e 位机监控管理系统，锅炉房安装多台下位机( 锅炉控制器) ，各下位机之间属于 同级关系，它们之间不能通讯，上下位机之间通过r s 4 8 5 接口进行通讯。 2 2 控制系统各方面的要求 2 2 1 系统要求 在当今世界网络技术日益发展，m 响l 】e t 日益流行的情况下，锅炉监控：系统也正向体系结 构的开放性与系统实现的网络化方向发展，其应具备的特征如下： 标准化：与国琢上有关的程序设计、通讯、网络管理、界面表示、系统接口 等标准兼容，开放系统互联的任何站点都是平等； 实时性：保证数据从下位机采集模块及时传输到监控中心： 扩充性：保证原有数据的导入及工作中新增功能； 操作性：界面简洁，美观，直观易操作，友好，富于人性化。 2 2 2 性能需求 数据精度： 北京工业大学硕士学位论文 数据量保留小数点后两位，其他按照系统中数据的具体含义，其精度会有所不同； 时问特性； 系统统一利用后台主机系统时钟，由于本系统对时间的一致性要求不是特别高，所以 不利用网络同步服务时间； 灵活性： 本系统采用标准协议，采用较为通用的编程工具，模块化编程，采用国际上较为通用 的关系数据库系统，采用开发式体系结构。因此系统具备较强的灵活性和可扩充性； 一般适用性： 系统要求对使用者的权限进行控制，由于用户为部门用户，性能方面以满足查询为主。 由于管理系统的功能可能发生变化，对应系统的扩展性是应该予以考虑的。 2 2 ，3 安全性需求 防止非授权用户登录： 所有用户登录时都进行口令认证，严格限制非授仗用户登录管理。 防止非法数据入侵： 所有目录屏蔽能较好的保证系统的数据安全、性能稳定。 2 2 4 数据保存需求 对实时数据库数据制定了相应的备份策略，定期进行数据库的备份转储，以保证数据 的安全性。 2 2 5 工程对象 控制对象：4 - 2 0 t 燃气锅炉：1 6 台 删b 凫器 ： 1 6 台 补水泵 ： 1 6 台 连接方式；2 3 2 4 8 5 总线方式。 控制系统特点： 具有面向蒸汽锅炉控制的优选程序算法的专家组群控系统； 具有多重故障保护及安全连锁功能的群控系统： 具有m s 接口及远程接口的群控系统。 硬件系统配置如图2 1 所示。 根据作业现场的实际情况以及燃气蒸汽锅炉的运行特点，锅炉控帝睬用的是小型分布 式控制系统( m 曲d i 商c o t 删s y 她n ，m d c s ) ，系统由一台工控机( 上位机) 、三 台锅炉控制器( 下位机) 、传感器和信号采集转换# 激构成。卣f 位沁区动燃烧机、给水泵 及相关设备；上位机系统是由组态软件措建的一个控制平台，其功能是：一方面接收下位 机上传的现场信翳挂行数据显示及报表和记录生成；另一方面，根据数据分析结果对下位 机进行管理，实时监控锅炉系统运行状态。分布式控制和绍态软件是该项目的核心。 2 4 系统模块化分层结构 图2 1 系统配置 f 曙2 _ ls 蜘唧c 0 【1 咄山面0 r i 多锅炉、多机组集啦制系统，严格按照工业控制标准和锅炉安全要求原则设计。软 硬件采用面向对象的模块化设计，安全可靠。系统按现代工业学设计理论分层次设计，共 四层： 2 4 1 一层“现场传感器及执行器” 汽包蒸汽压力、锅炉出口蒸汽温度、锅炉给水温度、汽包水位等一次仪表采用著名品 牌器件，保证单台锅炉各项工况参数实时精确检测。 北京工业大学硕士学位论文 2 4 2 二层一“现场锅炉控制柜” 锅炉现场控制柜直接控书恪锅炉的运行。对上接收匕位机指令，对下采集数据，系统 单元之间相互联系，又都具有相对的独立性下位机( 控韦蚜豆) 可以脱开上位机( 工控机) ， 进行独立操作运行，同时也可在联机状态下通过e 位机进行操作监控。 2 4 3 三层一中心控制柜 完成系统的整体管理及监控，是系统的核心。对外与工作人员交互信息，对内完成监 控及管理任务。按照“指令”和“数据”适时管理及控制3 台锅炉运行。通过i 强4 8 5 接口 可向中央机房提供锅炉运行参数，实现自控。 2 4 4 四层一网络层( 预留硬件接口) 提供硬件网络接口( r s 2 3 2 ) ，使异地计算机通过d d e 数据交搀瞎式与相邻上位机进 行信息交换。 2 5 本章小结 建立分布描0 系统实现对各卟锅炉的监控。e 位机采用研华工控机，主要控制对象 为燃烧器、汽包水位等；上位机实现对下位机的启停、参数设置及管理，同时对下位机获 得的所有参数进行收集、统计、分析，通过下位机实现对锅炉运行的自动控制、故障报警 和故障处理，使其能够实现无八值守，同时提高锅炉运行效率和安全性。 由一台微型计算机和实时监控软件组成了上位机监控管理系统。上位机与下位机之间 通过r s 4 8 5 接口进行通讯。 下位帆系统稠杭州家和公司锅炉控制专用模块，在本系统中用来实现对锅炉运行帙 态信号的采集和对燃烧机、补水泵的控制。下位机的控制模块是以人机蹦舌方式与锅炉用 户交换信息，给操作者带来极大方便。下位机系统实现了蒸汽锅炉的手自动控韦8 、工况监 控，同时具备丰富的故障检测、故障报警和故障处理等功能，最大限度的保证了锅炉的安 全可靠运行。 1 4 第3 章控制系统软件的设计与实施 3 1 系统概述 m c g s 提供了个接口标准，以方便用户用v i s u a lb a s i c 或v i s u a lc _ + 等编程工具自 行编制所需的昆备构件，装入m c g s 的设备工具箱内。其实现设备驱动的方法是：在设备 窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设 备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中。由于心s 对设 备的处理采用了开放式的结构，在实际应用中，可匕l 很方便地定制并增加所需的设各构件， 不断充实设备工具箱。设备添加工作结束后，就可以实现组态软件与下位机之间的通讯， 实现控制功能。系统运行过程中，设备构件由设备窗口统调度管理，通过通道连接，向 实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它 部分，进行控制运算和流程调度。实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。 上位机的软件系统是整个控制系统的核心单元，它为用尸提供了从传送数据到采集数 据、数据处理、数据查询等套完整的方案和操作工具，基于这种思想，在本监控系统设 计时尽量采用模块化、通用化的设计，以求能灵活地更新升级。 在用户化方面，系统采用各种对 舌框、菜单及提示，实现良好的人机界面，提高工作 效率，以降低对使用人员的专业知识要求。 在安全化方面，控制系统谢 拥有良好的保护措旖，以免发生意外故障使数据造成丢 失，而且要有定的保护程序以确认数据更改的准确性。 系统具备联机、睨棚运行模式，联机时宏观上完成多锅炉、多机组安全运行、科学管 理、平衡机绍的目的，脱机运行时各机组又能独立实现工况检测、全自动运行和多模式运 行，使用户操作更具可选择性。 组态软件系统与工程人员使用的具饰觋场部件无关，对于不同的硬件设备，只需要为 组态软件配置相应的通讯驱动程序即可。丁程人员可以把每一台下位机看作种设备，而 不必共i 埙体的通讯协议，只需要在组态软件的设备库中选择设备的类型添加上，即可完 成安装。m c g s 提供了个高级开发向导，自动生成设备驱动程序的框架，给我们的开发 工作提供帮助。 工作提供帮助。 3 2 上下位机的通讯 控制系统利用杭卅家和公司锅炉控制专用模块p u 上预留的标准r s 4 8 5 通讯接口， 实现了总控制室中的上位机与下位机之间进行通讯功能。 本系统所使用的下位锅炉控制器并非m c g s 的标准设备。因此，需要按照通讯协议编 写响应的设备驱动。 3 2 1 通讯命令格式 通讯方式按主从关系可分为两种：一是上位机为主动方，发出命令启动通讯，下位机 为被动方，接受匕位机的命令。另种是由下位机为主动方，发出启动命令。本系统选用 的锅炉控制器采用的是第种通讯- 疗式。从丘泣机发送到下位机的数据块称为命令帧。从 下位机向上位机发的数据块称为响应帧。 杭州家和公司锅炉控制专用模块p i m 作为信息处理和中罗 控制单元，采用的通讯协 议是个一主多从的适用于礤蚪8 5 通讯介质的简单协议，锅炉控制器( 以下简称为控制器) 作为从机被主机访问数据。首先，主机发送个包含从机站号的命令帧给从机，从机在收 到该帧数据后进行检验解释，最后根据主机的命令执行读坞数据的操作。 控制器内部共有1 2 8 ( 最大) 个字存储器被用来恩主胡进行数据交换，它们被表示为 m w o 小f w l 2 7 ，字存储器中的每一位都可被单独进行布尔操作，它们被标识为m w ) 【i ( 瑚1 5 、 串行通讯规约： 传输速率：9 6 0 0 k 阳 数据格式：8 位数据位，l 位停止位，无校验位 命令格式： i 些塑lj 国m a n d 【a d d r e 鼹k 啦p 酬 s u m l - - - - l - - j 。l ，二：。，l ! 二! ，l 二二二二：二二一j 控制器站号( 1 3 2 ) 读，写命令 “5 2 i ”为读命令，主柳从拄哺螺鞠鞠赡致据 “5 弼”为写命令，主机向控制器写入数据 读写的存储器起始地址标号m w f o 一1 2 7 1 诌呜的存储器数量f 1 1 2 8 1 姗 j 莹血 一 盐 哗 = 等 第3 章控制系统软件的设计与实施 d a 扭 s u m ：数据体，如果为“读”命令，这一项不存在 ：累加和校验码，( 从n c d c n o 开始，至数据体最后一项结束) 泓u s：通讯格式 ：0 一正常 当命令为“写”或通讯状态不正常时，上述格式中无a j d r e s s ，l 棚g 血，d a 衄三项 数据体格式 l 翟 m 阿im w 件1 晰+ lm w i + n 1m w i + n 1 o l i ) ( 1 0 ) 0 0 ) 读命令( 从控制器读数