（机械电子工程专业论文）高压玻璃钢管道生产线集散控制系统设计.pdf

f i b e r g l a ssp i p ep r o d u c t i o n l i n e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： l i ug a n g y o ub 0 m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a t r o n i c a le n g i n e e r i n g f e b r u a r y , 2 0 0 6 h a r b i n u n i v e r s i t y o fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ff 舢删i f | f f l i f i f f f 舢j j 舢 y 181 3 6 | , , , , i i o i i i i i i 7 i i i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压玻璃钢管道生产线集散控 制系统设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：剐詈 日期：了州年_ 月侣 ， 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高压玻璃钢管道生产线集散控制系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密翻，在z 年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 电 0 。 作者签名： ， 导师签名： 男 涩 日期：协年p 月”咽 i ， 副 越 _ 、 ， i 哈尔滨理丁大学t 学硕 = 学位论文 高压玻璃钢管道生产线集散控制系统设计 摘要 近年来，国内对集散控制系统的研究虽然已取得了重大的成果，但与国 外相比还相差甚远。许多大型精密的集散控制系统还依赖于进口，价格昂 贵，维护困难。在国内，集散控制系统主要应用于石油化工领域，这与该领 域的生产特点有着密切的关系，但这也限制了其应用范围。而且这种大型的 集散控制系统主要由d c s 厂家根据企业的生产要求设计，这就造成双方的 技术人员沟通困难，使得许多设计细节与生产实际相脱节。另外，技术培 训，系统维护都很不方便。基于集散控制系统的这种应用现状，对集散控制 系统国产化、通用化，尤其是小型集散控制系统的研究显得格外重要。 本课题以高压玻璃钢管道生产线为背景，设计了一个小型集散控制系 统。高压玻璃钢管道生产线主要包括三种工艺设备，分别是缠绕机、固化 炉、脱模机。缠绕机的核心控制器是一块运动控制卡，而固化炉和脱模机的 核心控制器是p l c 。据此，提出了该集散控制系统的控制结构，即：通用 组态软件+ p l c + 运动控制卡。这样可以在现有的生产线上，不必改动硬件设 备，只要购买一套通用组念软件进行软件组态和硬件配置即可完成集散控制 系统的设计，不仅为企业节约经费，而且操作员经过简单的培训即可上岗。 在监控站安装通用组态软件组态王，通过设计监控画面、进行动画连接、配 置网络，使得软件可以与p l c 和运动控制卡所在站点进行通信。这样，操 作员可以通过监控画面发送控制命令到现场设备，也可从现场获取设备运行 状态信息，从而完成对生产线的监控任务。 总之，本课题基于集散控制系统原理，探讨了集散控制系统在高压玻璃 钢管道生产线的应用研究，为小型集散控制系统的应用和企业的技术改造奠 定了基础，也为进一步研究和应用集散控制系统提供了可靠的实践依据。 关键词玻璃钢管道生产线；集散控制系统：组态王；p l c i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi no u rc o u n t r yh a s a c h i e v e dg r e a ts u c c e s s ，b u tt h e r ei sab i gg a pc o m p a r e dt ot h ef o r e i g n m a n y l a r g ea n ds o p h i s t i c a t e dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ss t i l ld e p e n do ni m p o r t ，w h i c h i se x p e n s i v ei np r i c ea n dd i f f i c u l tt om a i n t a i n i no u rc o u n t r y , t h ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mm a i n l ya p p l i e si nt h eo i la n dc h e m i s t r yf i e l d ，w h i c hh a sc l o s e r e l a t i o n s h i pw i t ht h ep r o d u c t i o nc h a r a c t e ri nt h i sf i e l d ，b u tt h i sa l s or e s t r a i n si t s a p p l i c a t i o na r e a f u r t h e r t h i s l a r g ed i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d b a s i c a l l yb yd c sm a n u f a c t u r e ra c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nd e m a n do ff a c t o r y , w h i c hw i l lp o s ed i f f i c u l tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb i l a t e r a lt e c h n i c a lp e r s o n n e l a n dal o to fd e t a i l so fd e s i g nc a n tm a t c h 谢t hp r a c t i c eo fp r o d u c t i o n b e s i d e s ，i t i sn o tc o n v e n i e n tf o rt e c h n i c a lt r a i n i n ga n ds y s t e m a t i c a lm a i n t a i n b a s e do nt h e s t a t u sq u oo fa p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，i ti se x t r a o r d i n a r y i m p o r t a n c ef o rl o c a l i z a t i o na n du n i v e r s a l i z a t i o no fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， e s p e c i a l l yf o rs m a l lo n e i nt h i st h e s i s ，w ed e s i g nas m a l ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e h i g h - p r e s s u r ef i b e r g l a s sp i p ep r o d u c t i o nl i n e t h i sp r o d u c t i o nl i n ei n c l u d e st h r e e t y p e so ft e c h n i c a ld e v i c e s ，w h i c ha r er o l l i n gm a c h i n e ，s o l i d i f y i n gm a c h i n ea n d e x t r a c t i n gm a c h i n e t h ec o r ec o n t r o l l e ro fr o l l i n gm a c h i n ei sa m o t i o nc o n t r o l l e r a n dt h ec o r ec o n t r o l l e r so fs o l i d i f y i n gm a c h i n ea n de x t r a c t i n gm a c h i n ea r ep l c s ow ei n t r o d u c eac o n t r o ls t r u c t u r eo ft h i sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s u n i v e r s a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep l u sp l cp l u sm o t i o nc o n t r o l l e r w en e e d n t a l t e rh a r d w a r ed e v i c eo nt h ep r e s e n tp r o d u c t i o nl i n ea n dm a ya c c o m p l i s ht h e d e s i g no fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb yb u y i n gu n i v e r s a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a n dm a k i n gc o n f i g u r a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，e v e nt h a tn o to n l yw em a y s a v eal o to fo u t l a yf o rf a c t o r y , b u ta l s oo p e r a t o rm a yw o r kb ys i m p l et r a i n i n g i t r i i 一 w 色i n s t a l lt h eu n i v e r s a ls o r w a r eo fk i n g v i e wo nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls t a t i o n a n dm a k et h i ss o f t w a r ec o m m u n i c a t ew i t hp l ca n dt h es t a t i o no nw h i c ht h e m o t i o nc o n t r o l l e ri sl o c a t e db yd e s i g n i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lp i c t u r e ，m a k i n g c o n n e c t i o no fp i c t u r e sa n dc o n f i g u r a t i n gn e t w o r k s oo p e r a t o rm a ys e n dc o n t r o l d e m a n dt ot h ef i e l dd e v i c ea n dr e c e i v et h er u n n i n gi n f o r m a t i o no ff i e l dd e v i c eb y m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lp i c t u r e s ，c o n s e q u e n t l yf i n i s ht h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l t a s kf o rp r o d u c t i o nl i n e b r i e f l y , b a s e d o nt h et h e o r yo fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，t h i st h e s i s d i s c u s s e st h es t u d yo na p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo nt h eh i g h p r e s s u r ef i b e r g l s s sp i p ep r o d u c t i o n l i n e ，e s t a b l i s h e s f o u n d a t i o nf o r t h e a p p l i c a t i o no fs m a l ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dt e c h n i c a lc h a n g eo ff a c t o r y ， a n da l s os u p p l i e sp r a c t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rs t u d ya n da p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s f i b e r g l a s sp i p ep r o d u c t i o nl i n e ；d c s ；k i n g v i e w ；p l c 1 1 1 - ri 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要j i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 集散控制系统概述、发展及现状1 1 1 1 集散控制系统概述1 1 1 2 集散控制系统的发展历程2 1 1 3 我国集散控制系统的现状6 1 2 集散控制系统的基本构成6 1 3 集散控制系统通信网络lo 1 3 1 概述1 0 1 3 2 工业以太网11 1 4 课题来源及研究内容1 3 第2 章系统硬件体系结构1 4 2 1 概述：1 4 2 2 工作站1 15 2 3 工作站2 j 15 2 3 1 缠绕控制硬件设计1 6 2 3 2 定义工作站2 的i o 分配表1 8 2 4p l c l 站18 2 4 1 固化炉控制硬件设计1 9 2 4 2 定义p l c l 站的i 0 分配表2 1 2 5p l c 2 站2 2 2 5 1 脱模机控制硬件设计2 2 2 5 2 定义p l 0 2 站的i 0 分配表2 7 2 6 本章小结2 8 第3 章系统软件组态2 9 3 1 概述2 9 3 2 工作站2 组态设计：2 9 3 2 1 建立工程2 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 2 配置设备2 9 3 2 3 定义变量3 0 3 2 4 画面设计及动画连接3 4 3 2 5 编写程序4l 3 2 6 网络配置4 l 3 3 工作站1 组态设计4 3 3 3 1 网络配置4 3 3 3 2 缠绕机监控系统设计4 4 3 3 3 固化炉监控系统设计4 7 3 3 4 脱模机监控系统设计5 0 3 4 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 0 攻读学位期间发表的学术论文6 3 致谢6 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 集散控制系统发展及现状 1 1 1 集散控制系统概述 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的 集中分散型控制系统n q l 。自7 0 年代中期第一套集散控制系统问世以来，集 散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛的应用。如石化企业的各种装置 “1 ( 常减压精溜装置、催化裂化装置、乙烯装置、化肥厂的各种装置等) ， 淀粉生产】，面粉生产1 ，各种大中型化工装置的控制，冶金企业的高炉、 轧机等控制等。 集散控制系统具有如下特点：( 1 ) 分级递阶控制。集散控制系统是分级 递阶控制系统，它的规模越大，系统重直和水平分级的范围也越广。最简单的 集散控制系统至少在垂直方向分为操作管理级和过程控制级，水平方向各过 程控制级之间相互协调，向垂直方向送数据，接受指令，各水平级间也进行数 据交换。( 2 ) 分散控制。分散控制是集散控制系统的一个重要特点h 刖。分 散的含义不单是分散控制，还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、 负荷分散、危险分散。目的是分散危险，提高设备使用率。( 3 ) 功能齐全。 可完成简单回路调节、复杂多变量模型优化控制，可执行p i d 控制算法、前 馈一反馈复合调节、史密斯预估、预测控制、自适应控制等各种运算，可进行 反馈控制，也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、数据采集，可实现 监控、显示、打印、输出、报警、历史趋势贮存等各种操作要求。( 4 ) 易操 作性。集散控制系统根据对宜人学的研究，结合系统组态、结构方向的知识， 为操作工提供了一个非常好的操作环境。为操作员提供的数据、状态等信息 易于辨认，报警或事件发生的信息能引起操作员的注意，长时间工作不易疲劳， 操作方便、快捷。( 5 ) 安全可靠性高。为了提高系统的可靠性，确保生产持 续运行，集散控制系统在重要设备和对全系统有影响的公共设备上采用了后 备冗余装置，并引入容错技术。硬件上包括操作站、控制站、通讯线路等都 采用双重化配置，使得在某一个单元发生故障的情况下，仍然保持系统的完整 性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。从软件上采用分段与 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计，使系统安全 稳定。( 6 ) 采用局部网络通信技术和标准化通信协议。已经采用的国际通信 标准有i e e e 8 0 2 阳。13 1 、p r o w a y 3 和m a p 等，这些协议的标准化是集散系统 成为开放系统的根本。集散控制系统的开放使各不同制造厂的应用软件有了 可移植性，系统间可以进行数据通信，为用户提供广阔的应用场所。 1 1 2 集散控制系统的发展历程 从1 9 7 5 年第一套d c s 诞生到现在，d c s 经历了三个大的发展阶段，或 者说经历了三代产品。从总的趋势看，d c s 的发展体现在以下几个方面n 卜 1 8 1 ：( 1 ) 系统的功能从低层( 现场控制层) 逐步向高层( 监督控制、生产 调度管理) 扩展；( 2 ) 相同的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了 逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等混合控制功能； ( 3 ) 构成系统的各个部分由d c s 厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采 购的产品；( 4 ) 开放的趋势使得d c s 厂家越来越重视采用公开标准，这使得 第三方产品更加容易集成到系统中来；( 5 ) 开放性带来的系统趋同化迫使 d e s 厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其 它同类厂家的差异化。( 6 ) 数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控 制功能和系统体系结构发生了重大变化，将发展成为更加智能化、更加分散 化的新一代控制系统。 1 第一代d c s ( 初创期) 第一代d c s 是指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一批d c s ，因此称这个时期为初创期。这个 时期的代表是h o n e y w e l l 公司的t d c - 2 0 0 0 系统，同期的还有y o k o g a w a ( 即 横河) 公司的y a w p a r k 系统、f o x b o r o 公司的s p e c t r u m 系统、b a i l e y 公司 的n e t w o r k9 0 系统、k e n t 公司的p 4 0 0 0 系统、8 i e m e n s 公司的t e l e p e r mm 系统及东芝公司的t o s d i c 系统等。 这个时期的系统比较注重控制功能的实现，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则相对 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，这奠定了d c s 的基础体系结构n 9 。2 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第一代d c s 在功能上更接近仪表控制系统，这是由于大部分推出第一 代d c s 的厂家都有仪器仪表的生产和系统工程的背景乜羽。其特点是分散控 制，集中监视，这个特点与仪表控制系统类似，所不同的，是控制的分散不 是到每个回路，而是到现场控制站，一个现场控制站所控制的回路从几个到 几十个不等；集中监视所采用的是c r t 显示技术和控制键盘操作技术，而 不是仪表面板和模拟盘。 在这个时期，各个厂家的系统均由专有产品构成，包括高速数据通道、 现场控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等。这与仪表控制时代 的情况相同，所不同的，是d c s 还没有像仪表那样形成了4 - - - 2 0 m a 的统 一标准，因此各个厂家的系统在通信方面是自成体系的，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 技术的高速数据总线或数据高速公路，因此各个厂家的系统并不能像仪表系 统那样可以实现信号互通和产品互换。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。 在这个时期，d c s 的应用范围受到一定的限制，只在一些要求特别高的关 键生产设备上得到了应用。 应该说，d c s 在控制功能上比仪表控制系统前进了一大步，由于采用 了数字控制技术，许多仪表控制系统所无法解决的复杂控制、多参数大滞 后、整体协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 ( 成熟期) 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 公司的t d c 3 0 0 0 、f i s h e r 公司的 p r o v o x 、t a y l o r 公司的m o d 3 0 0 及w e s t i n g h o u s e 公司的w d p f 等系统。 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、中央操作站、系统管理站及网关，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心卵 【2 4 】 o 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 到更多的生产现场信息和系统控制信息乜5 】 2 们。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) ，轨迹球、光笔等光标控制设备在系统中得到了越来越多的应用。 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。但是在系统的通信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 a s e r i 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 a & s 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 、y o k o g a w a 公司的c e n t u m x l 和ux l 、b a i l e y 公司的i n f i 9 0 、w e s t i n g h o u s e 公司的w d p fi i 、l e e d s n o r t h r u p 公司的m a x l 0 0 0 及 日立公司的h i a c s 系列等。 这个时期的d c s 在功能上实现了进一步扩展，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、监督控制和协调优 化、上层管理三层功能结构，这实际上就是现代d c s 的标准体系结构。这 样的体系结构已经使d c s 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之后，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 年代以后，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。 在网络方面，各个厂家已普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络 和以太网等。在i a s e r i e s 推出之初，业界曾认为m a p 网将成为d c s 的 标准网络而结束d c s 没有通信标准的历史。但实际情况的发展并不如预 期，由于数字信息的互通问题其复杂程度远远大于模拟信号的互通，m a p 绝不可能像4 - 2 0m a 那样成为控制领域的一统标准。m a p 协议是g m 公 司投入上百亿美元开发的产品，其内容包括了从物理层到应用层的各个网络 层次( 其中物理层和数据链路层采用了i e e e8 0 2 4 令牌总线标准) ，其开发 初期是针对如g m 这样的大型制造业的，虽然在后期得到了一些厂家的支 哈尔滨理工大学1 = 学硕十学位论文 持，但毕竟难以涵盖所有行业的应用。这类面向复杂问题的标准，只能在广 泛的应用中逐步形成，而不可能人为地制定出来，因此到2 0 世纪9 0 年代后 期，很多原来支持m a p 的厂家逐渐放弃了这个内容虽然完整，但非常复杂 的协议，而将目光转向了只有物理层和数据链路层的以太网和在以太网之上 的t c p i p 协议。这样，在高层，即应用层虽然还是各个厂家自己的标准， 系统间还无法直接通信，但至少在网络的低层，系统间是可以互通的，高层 的协议可以开发专门的转换软件实现互通。 除了功能上的扩充和网络通信的部分实现外，多数d c s 厂家在组态方 面实现了标准化，由i e c 6 1 1 3 l 一3 所定义的五种组态语言为大多数d c s 厂 家所采纳，在这方面为用户提供了极大的便利。各个厂家对i e c 6 1 1 3 1 3 的 支持程度不同，有的只支持一种，有的则支持五种，当然支持的程度越高， 给用户带来的便利也越多。 在构成系统的产品方面，除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。目前d c s 已逐步成为一种大众产品，在越来越多的应用中取代 了仪表控制系统而成为控制系统的主流。 从2 0 世纪8 0 年代开始，现场总线开始成为技术热点。实际上，现场总 线的技术早在2 0 世纪7 0 年代末就出现了，但始终是作为一种低速的数字通 信接口，用于传感器与系统间交换数据。从技术上，现场总线并没有超出局 域网的范围，其优势在于它是一种低成本的传输方式，比较适合于数量庞大 的传感器连接。现场总线大面积应用的障碍在于传感器的数字化，因为只有 传感器数字化了，才有条件使用现场总线作为信号的传输介质。现场总线的 真正意义，在于这项技术再次引发了控制系统从仪表( 模拟技术) 发展到计 算机( 数字技术) 的过程中，没有新的信号传输标准的问题，人们试图通过 现场总线标准的形成来解决这个问题。只有这个问题得到了彻底的解决，才 可以认为控制系统真正完成了从仪表到计算机的换代过程。随着电子信息产 业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，将产生新一代的d c s ，其技 术特点包括全数字化、信息化和集成化。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 3 我国集散控制系统的现状 d c s 在国外已成为工业控制领域里一门很成熟的技术。但在我国，差距 还很大。目前，我国绝大部分应用d c s 的大中型企业( 如石化、冶金、电 力、建材等) ，还是引进国外的d c s ，每年数百套。这些引进的d c s 已在生 产中发挥了突出的作用，而且也增进了人们对d c s 的好感和信心。但是引进 d c s 还存在一些不尽人意的地方，主要表现在：引进的d c s 价格高，很多 中、小型企业无法接受；引进的系统品种杂，备件困难，维修成本高；多数 引进的d c s 无汉字功能，应用不方便；一般在国外培训费用极高，多数的中 小型企业只能望洋兴叹。 j d c s 国产化的道路己走了多年了，但仍然存在很多问题，主要表现在以 下几个方面心7 。：( 1 ) 就全国而言，我国的d c s 工业还远没有形成气候。虽 然有几家的产品( 如h s d c s l 0 0 0 ) 可以与国外引进的中、小型d c s 进行 竞争，但整体上( 特别是大型的d c s ) 还远形不成规模。目前我国的d c s 还 没有形成产业。另一方面，我国过去习惯于搞大规模攻关，多个单位协作， 发挥各单位的技术优势。但实践表明，这样做对计算机系统开发不太合适。 因为多种原因使得多个单位在一起很难有机的工作。而d c s 系统要求所有参 加设计、开发人员必须密切合作，团结在一个有绝对权威的总设计师( 组) 下，按规范设计才能设计开发出高质量的产品。( 2 ) 我国d c s 在工艺结构和 加工质量方面还存在较大的差距，需下大功夫解决。( 3 ) 系统的文件资料质 量差。国外系统特别强调资料的齐全，准确，使用说明和产品的指标很详 细。很多国内产品的说明书只有几页简单的说明，在这方面还应引起足够的 注意。 总之，我国的d c s 事业还有很多工作要做。但是近几年来发展还是很快 的。目前已有几家推出了比较成熟的产品。如电子部六所推出的h s d c s i 0 0 0 系统是在军工产品质量管理条例的质量保证体系下设计、研制的 分布式控制系统、在硬件结构，网络体系，还有组态软件上均达到了比较先 进的水平，例如目前比较流行的m c g s = 组态王等。机械部组织了厂、所对 d j k 一7 5 0 0 进行优化设计，并投入小批量生产。 1 2 集散控制系统的基本构成 一个最基本的d c s 应包括四个大的组成部分：现场控制站、操作员站、 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 工程师站( 也可利用一台操作员站兼做工程师站) 和系统网络乜射。除了上 述四个基本的组成部分之外，d c s 还可包括完成某些专门功能的站、扩充生 产管理和信息处理功能的信息网络，以及实现现场仪表、执行机构数字化的 现场总线网络。一个典型的d c s 体系结构如图卜l 所示，图中表明了d c s 各 主要组成部分和各部分之间的关系。 图卜1 典型的d c s 体系结构 f i g 1 1t y p i c a ld c ss y s t e ms t r u c t u r e 1 操作员站操作员站主要完成人机界的功能，一般采用桌面型通用计 算机系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同， 但要求有大尺寸的显示器( c r t 或液晶屏) 和高性能的图形处理器，有些系 统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画 面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。 2 现场控制站现场控制站是d c s 的核心，系统主要的控制功能由它来 完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对 它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门 的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器( 即主c a u ) 、 存储器外，还包括现场测量单元、执行单元的输入输出设备，即过程量i o 或现场i o 。在现场控制站内部，c p u 和内存等用于数据的处理、计算和存 储的部分被称为逻辑部分，而现场i o 则被称为现场部分，这两个部分是需 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生 不利的影响。现场控制站内逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计 算机相匹配的内部并行总线，常用的并行总线有m u l t i b u s 、v m e 、s t d 、 i s a 、p c i 0 4 、p c i 和c o m p a c tp c i 等2 p 3 。 由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有 效的隔离，成本较高，而且并行总线很难方便地实现扩充，因此很多厂家在 现场控制站内的逻辑部分和现场t o 之间的连接方式上转向了串行总线。串 行总线的优点是结构简单，成本低，很容易实现隔离，而且容易扩充，可以 实现远距离的i o 模块连接。近年来现场总线技术的快速发展更推进了这个 趋势，目前直接使用现场总线产品作为现场t o 模块和主处理模块的连接已 很普遍，用得较多和现场总线产品有c a n 、p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 、l o n w r k s 及f f 等。由于d c s 的现场控制站有比较严格的实时性要求，需要在确定的 时间期限内完成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运 算速度和现场i 0 速度都应该满足很高的设计指标。一般在快速控制系统 ( 控制周期最快可达到5 0 m s ) 中，应该采用较高速的现场总线，如c a n 、 p r o f i b u s 及d e v i c e n t 等，而在控制速度要求不是很高的系统中，可采用 较低速的现场总线，这样可以适当降低系统的造价。 3 工程师站工程师站是d c s 中的一个特殊功能站，其主要作用是对 d c s 进行应用组态。应用组态是d c s 应用过程当中必不可少的一个环节，因 为d c s 是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何 定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入、输出量是什么，控制 回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机 界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录各 个方面功能的定义，所有这些，都是组态所要完成的工作，只有完成了正确 的组态，一个通用的d c s 才能够成为一个针对一个具体控制应用的可运行系 统。 组态工作是在系统运行之前进行的，或者用术语说是离线进行的，一旦 组态完成，系统就具备了运行能力。当系统在线运行时，工程师站可起到一 个对d c s 本身的运行进行状态进行监视的作用，及时发现系统出现的异常， 并及时进行处理。在d c s 在线运行当中，也允许进行组态，并对系统的一些 定义进行修改和添加，这种操作被称为在线组态，同样，在线组态也是工程 师站的一项重要功能。 一般在一个标准配置的d c s 中，都配有一台专用的工程师站，也有些小 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 型系统不配置专门的工程师站，而将其功能合并到某台操作员站中，在这种 情况下，系统只在离线状态具有工程师站，而在在线状态下就没有了工程师 站的功能。当然也可以将这种具有操作员站和工程师站双重功能的站设置成 可随时切换的方式，根据需要使用该站完成不同的功能。 4 服务器及其它功能站在现代的d c s 结构中，除了现场控制站和操作 员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历 史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这 些站也都通过网络实现与其它各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制 系统。 随着d c s 的功能不断向高层扩展，系统已不再局限于直接控制，而是越 来越多地加入了监督控制乃至生产管理等高级功能，因此当今大多数d c s 都 配有服务器。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作，如整个生产装置 乃至全厂的运行状态监视、对生产过程各个部分出现的异常情况的及时发现 并及时处理、向更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提 供实时数据和执行调节控制操作等。或者简单讲，服务器就是完成监督控 制，或称s c a d a 功能的主节点。 在一个控制系统中，监督控制功能是必不可少的，虽然控制系统的控制 功能主要靠系统的直接控制部分完成，但是这部分正常工作的条件是生产工 况平稳、控制系统各部分工作在正常状态下。而一旦出现异常情况，就必须 实行人工干预，使系统回到正常状态，这就是s c a d a 功能的最主要作用。在 规模较小，功能较简单的d c s 系统中，可以利用操作员站实现系统的 s c a d a g o n 功能，而在系统规模较大，功能复杂时，则必须设立专门的服务 器节点。 5 系统网络由于d c s 是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须 实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的实时性、可 靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系 到网络通信的效率和系统功能的实现，因此都是由各个d c s 厂家专门精心设 计的。在早期的d c s 中，系统网络，包括其硬件和软件，都是各个厂家专门 设计的专有产品，随着网络技术的发展，很多标准的网络产品陆续推出，特 别是以太网逐