（机械工程专业论文）现场总线技术在空压机控制中的应用和研究.pdf

重庆人学工程硕+ 论文中文摘要 摘要 玉溪红塔集团动力部空压站提供卷烟生产所需的压缩空气，压缩空气的供能 品质决定了卷烟生产的安全与稳定。而对空压机进行控制的方案和手段决定着空 压机运行的稳定性与合理性，对压缩空气的供能品质、空压机的运行与维护成本 有着决定性的作用。 空压站原监控系统的控制手段和控制方案落后，4 i 能使空压机稳定、合理地 运行，由此造成每年约7 - 3 小时的卷烟停产时间和压缩空气的供能品质有2 5 0 小 时达不到规定标准，同时还导致了空压机较高的运行与维护成本。因此，对空压 站原有的控制方案和控制手段的改进，使空压机能稳定、高效地运行，已成了摆 在我们面前的一个课题。 经过分析研究，针对原来存在的问题，在控制方案上主要的改进措旌有：充 分、有效地利用了空压机的内部参数数据，对空压机的内部部件的运行情况实现 了在线监视及故障报警；对空压机采用了主、辅结合的运行方式，通过对空压机 加、卸载队列的合理排序，使空压机自动实现主机产气、辅机进行气压调节，减 少了空压机的加载和卸载次数；在压缩空气压力的稳定上进行了裕量控制，在压 缩空气压力不到供能品质所规定的上、下跟就根据一定的裕量提前进行卸载和加 载操作；在节约电能方面对空压机进行了卸载停机控制，当空压机在定时间内 一直处于卸载状态，系统就认为该空压机没有运彳的必要，自动将其停机；完善 了控制效果，增加了超压低压脱嘲控制、连续加载控制、连续卸载控制等功能。 在控制手段的实现上，运用具有高可靠性的1 n t e r b u s 现场总线进行信号传输和 现场控制，从本质上避免了原来信号干扰大、系统稳定性差、控制经常失灵的问 题。为卷烟生产的正常进行提供了保障。同时，对具有快速故障检测、定位的 i n t e r b u s 现场总线的采用，为系统快速的故障排除提供了有力保障。 本文在分析工业控制技术的基础上，对i n t e r b u s 现场总线技术和o p c 技 术进行了一定的分析和研究。其次，论述了监控系统的设计思想，即采用 i n t e r b u s 现场总线进行现场设备的控制和信息传输，以d p c 技术实现监控系 统现场控制层和生产管理层间信息交互，以基于啪o w s 开发平台的工控软件 c i t e c t 来实现空压站的生产管理。最后对监控系统的硬件与软件的设计思路和系 统实现作了阐述。 作者参与完成的“玉溪红塔集团动力部空压站监控系统”这一课题，杜绝了空 压机监控系统的失灵而导致卷烟生产中断的情况。同时对提高压缩空气的供能品 霞庆大学1 程硕士论文 中文摘要 质，降低空压机的运行与维护成本有着积极意义。为企业带来了良好的经济效益 和社会效益：系统投运后每年可为企业节约2 9 7 0 2 4 万元，一些新的控制思想和 实现方式的采用，使本监控系统的技术水半走在了全国同行业的前列，也为现场 总线在我国工控界的应用与研究积累了一定的实践经验，同时为今后空压机的多 机联网控制提供了宝贵经验和良好的借鉴。 目前，该监控系统的运行符合设计要求。 关键词：现场总线，i n t e r b u s ，舱控系统，o p c ( 对象的链接与嵌入技术在过 程控制中的应用) i i 重庆人学 程硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t t h es t a t i o no fa i rc o m p r e s s o r si nt h ed e p a r t m e n to fp o w e ro fy u x ih o t i g t ag r o u p t a k a st h ea s s i g n m e n to fp r o v i d i n gc o m p r e s s e da i ri nt h ep r o c e d u r eo ft h eg r o u p s p r o d u c t i o n ，t h eq u a l i t i e so ft h ec o m p r e s s e da i rd e t e r m i n es a f e t ya n ds t a b i l i z a t i o no ft h e t o b a c c o sy i e l d t h ep r e c e p t sa n da r t i f i c e sf o rc o n t r o l l i n ga i rc o m p r e s s o r sd e t e r m i n et h e s t a b i l i z a t i o na n dr a t i o n a l i t yo ft h er u n n i n ga i rc o m p r e s s o r s ，a c c o r d i n g l yt h eq u a l i t i e so f t h ec o m p r e s s e da i ra n dt h ec o s to f t h ec o u r s ea n dm a i n t e n a n c e t h ef o n n e rs u p e r v i s o r yc o n t r 0 1s y s t e m sa r t i f i c e sa n dp r e c e d t sc a l l tk e e pt h ea i r c o m p r e s s o r sn m n i n gs t a b l ye f f i c i e n t l y , a n dt h i st h e r e o u tw o r k e d7 3h o u r sl o n gs t o p p r o d u c t i o na n d2 5 0h o u r sl o n gp o o rq u a l i t i e so fc o m p r e s s e da i rf o re n t e r p r i s e s p r o d u c t i o n 。a tt h es a i n et i m et h eh i g h e rc o s to ft h ec o u r s ea n dm a i n t e n a n c e i m p r o v i n g t h ef o l t n e rs y s t e ma n dm a k i n gt h ea i rc o m p r e s s o r sr u n n i n gs t a b l ye f f i c i e n t l yh a s c o n 行o n tu sa ni s s u e b ya n a l y s i sa n ds t u d y w el e tt h ea i rc o m p r e s s o r sn m n i n gb ym a s t e ra n ds l a v e m a n n e r sc o n t r a p o s i n gt h ef o r m e rm a t t e r s t h ep r i m a r ym e a s u r e sf o rc o n t r o lp r e c e p ta r e ： s u f f i c i e n t l ya n de f f e c t i v e l yu t i l i z i n gt h et h ea i rc o m p r e s s o r s i n t e r i o rd a t a , r e a l i z i n g o n l i n es u r v e i l l a n c ea n da l a r m i n gf o rf a i l u r eo ft h et h ea i rc o m p r e s s o r s n m n i n gi n t e r i o r p a r t s ；l e t t i n gt h ea i rc o m p r e s s o r sn m m n gb ym a s t e ra n ds l a v em a n n e r ，b yr e a s o n a b l e a r r a n g i n gt h ea l i g n m e n to ft h ea i rc o m p r e s s o r s ，m a k i n gt h em a s t e r sy i e l d i n gp r e s s e da i r a n dt h es l a v e sa d j u s t i n gt h ep r e s s u r eo ft h ea i r n i sd e c r e a s e st h et i m e so fl o a d i n ga n d u n l o a d i n gg r e a t l ya n dt h ed e c r e a s e df a i l u r eo fa i rc o m p r e s s o r sa n d1 0 wm a i n t a i n ：a tt h e s a m et i m ew ea d o p ta b u n d a n tv a l h eo ft h es e tp r e s s u r ef o rs t a b l i n gt h ec o m p r e s s u r e t h ea i rc o m p r e s s o r sb e c o m el o a d e do ru n l o a d e da h e a db yt h ea b u n d a n tv a l u e ；c a r r i n g u n l o a d i n gc o n t r 0 1f o rs a v i n gp o w e r , w h e nt h ea i rc o m p r e s s o r sg e ta l o n gw i t hu n l o a d i n g f o raw h i l e ，t h es y s t e mw i l ls t o pt h e m ；c o n s u m m a t i n gt h ep u r p o s e sf o rc o n t r o l ， e n h a n c i n go f f i i n ec o n t r o lf o ro v e r - p r e s sm a dl o w - p r e s s c o n t i n u a ll o a d i n gc o n t r o la n d u n l o a d i n gc o n t r 0 1 b yr e a l i z i n gt h ec o n t r o la r t i f i c e s w ea d o p tr n t e r b u sf i e l d b u so f h i g hs t a b i l l t yt ot r a n s f e rt h es i g n a la n dc o n t r o lt h el o e a ld e v i c e s ，a b s t a i n i n gt h ep r o b l e m o fh i 曲d i s t u r b e di n f om i d l o ws y s t e m ss t a b i l i t y t h i se n s u r e st h ep r o d u c t i o no ft h e t o b a c c oo nt h er a i l s a n da d o p t i n gt h ei n t e r b u sf i e l d b u ss y s t e mo fc h e c k i n ga n d l o c a t i n gq u i c k i n gt h ef a i l u r e se n s u r e se l i m i n a t i n gt h ef a i l u r ei nt h et i m e t h ej e t t e r p r e s sb a s i n go na n a l y z i n gi n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，c o n t r a p o s i n g t h em a t t e r so ft h ef o r m e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m , b r i n g sf o r w a r dt h ec o n t r o ls 3 7 s t e m m o d e lf o rt e na i rc o m p r e s s o r si ns t a t i o n ，m e a n t i m ei m p r o v i n gt h ef o r m e rs y s t e m s c o n t r o lp r e c e p t t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g i e s a n a l y s e sa n di n v e s t i g a t e st e c h n o l o g i e so fi n t e r b u sf i e l d b u sa n do p c s e c o n d l y i t d i s s e r t a t e st h ed e s i g ni d e a so ft h es y s t e mb ya d o p t i n gr n t e r b u sf i e l d b u st r a n s m i t t i n g i n f oa n dc o n t r o l l i n gl o c a ld e v i c e s ，a d o p t i n gt e c h n o l o g i e so fo p cr e a l i z i n ge x c h a n g e i n f ob e t w e e nl o c a ic o n t r o l l e ra n dm a n a g e r d e v e l o p i n gi n d u s t r yc o n d o ls o f t w a r e c i t e c t b a s e do nw 1 n d o w st or e a l i z ea d m i n i s t r a t e ds t a t i o n a t1 a s t i te x p a t i a t et h ed e s i g n i n g i d e a sf o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no f t h es y s t e m t h et a s ko f 叮h es t a t i o n ss u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fa i rc o m p r e s s o r si nm e d e p a r t m e n to fp o w e ro fy u x ih o n g t ag r o u p ”a c c o m p l i s h e da n di o i n e db ya u t h o rp u t a ne n dt os t o p p e dp r o d u c t i o n so fc i g a r e t t ed u et ot h ef a i l u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m a n d i th a st h ep o s i t i v em e a n i n gt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec o m p r e s s e da i ra n dd e c r e a s e t h ee x p e n d i t u r eo ft h em a i n t e n a n c ea n dc o u r s ef o ra i rc o m p r e s s o r s a n di tb r i n gt h e u p s t a n d i n ge c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i e t a lb e n e f i t s ：i th a v es a v e d2 9 ，7 0 2 ，4 0 0y u a nf o r l i i 重庆人学工程硕十论文 英文摘要 t h es a k eo ft h ee n t e r p r i s ee v e r yy e a ra f t e rt h en e ws u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mh a s 1 2 1 na d o p t i n gs e v e r a ln e wc o n t r o l l i n gi d e a sm a dr e a l i z i n gm a n n e r s 】e tt h e1 e v e lo f t e e h n i q u eo ft h es u p e r v i s o r yc o n t r 0 1s y s t e ms e t t i n gt h ep a c eo v e r a l lt h ec r a f tb r o t h e r s o v e rt h ec o u n t r ya n da c c u m u l a t e dd e f i n i t ee x p e r i e n c e so ff u l f i l l i n gf o rf i e l d b u sa p p l i e d a n ds t u d i e di no u rc o u n t r y a tt h es a m et i m ei tp r o v i d e dv a l u a b l ee x p e r i e n c e sa n d f a v o r a b l eu s e sf o rr e f e r e n c ef o r1 0 i n e dc o n t r o lm e a n so f a i rc o l l l p r e s s o r sf o rt h ef u t u r e a tt h ep r e s e n tt i m e t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m sf u n c t i o n sa c c o r dw i t ht h e f o r m e rd e s i g n sd e s i r e s ， k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，i n t e r b u s ，s u p e r v i s o r yc o i a t r o ls y s t e m ，o p c 重庆人学l ：程硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源和背景 玉溪红塔集幽动力部担负着生产用压缩空气的供给任务，空压机监制系统的稳 定性与可靠性决定着压缩空气的供能品质，从而决定了卷烟生产的安全与稳定。 动力部空压站有1 0 台比利时a t l a s 公司生产的空压机( 其中产气量为6 0 n m 3 分钟的6 台，产7e 量为i o o n m 3 分钟的4 台) 。1 9 9 6 年，由比利时a t l a s 公司的代 理商香港永佳艺公司设计、开发了套宅压机监控系统。经过几年的运行，我们 发现该监控系统存在以下问题： ( 1 ) 原监控系统的控制方案落后，造成空压机较高的故障率和压缩空气的的供 能品质一天当中有近一个小时的时间达彳i 到规定的标准( 一天的生产时f 日j 按二十 小时计) ； ( 2 ) 因产气量为i o o n m 。分钟的空压机电源电压为6 0 0 0 v ，故腩控系统的信号受 干扰较大，数据不准确和不稳定的情况时有发生，导致了监控系统的稳定性下降， 系统死机和控制失灵的频率高，由此造成平均每年7 3 小时的卷烟停产时间； ( 3 ) 监控系统实现的功能不完善，原来的监控系统没有充分利用空压机内部的 参数数据，从而导致了控制上的一些弊端； ( 4 ) 系统开发方技术保密，使维护非常困难。 因此，为了使空压机能够稳定、可靠、高效地运行，更好地为卷烟生产提供能 源保障，必须对原监控系统进行合理改进。本课题正是基于这样的背景提出来的。 1 2 课题研究的目的 以保障卷烟的正常生产为原则，提高空压站监控系统的稳定性与可靠性，确保 空压机安全、可靠、高效地运行，保障压缩空气的正常供给及进一步提高压缩空 气的供能品质。同时，通过对空压机科学、合理的控制，大幅度降低空压机的故 障率，减少维修费用。在监控系统方案的设计及选型上，应有利于故障的快速排 除及今后系统升级的需要。 重庆人学1 稃硕士沧文 1 3 课题研究的内容及作者所做的工作 1 3 1 课题研究的内容 ( 1 ) 研究、分析与课题相关的工业控制技术，学爿、了解当前工控领域的前沿 技术及发展方向； ( 2 ) 针对空压站原监控系统存在的问题，对空压机制定出科学、合理的控制方 案和实现手段； ( 3 ) 在深入分析的基础上，针对空压机的运行特点，在对系统选型进行分析、 研究的同时，提出了采用i n t e r b u s 现场总线进行现场设备的数据采集及控制，并 以w i n d o w sn t 为平台、采用工控软件c it e c t 为丌发工具进行集中管理，使用中 间件o p c 服务器实现监控系统上何机和下位机的信息交互的监控系统模型方案： ( 4 ) 学习掌握i n t e r b u s 现场总线及工业监控软件c i t e c t 的技术特点及其相关 的开发和应用； ( 5 ) 了解、分析临控系统上、下何机间信息交互的原理及实现过程。 1 3 2 作者所做的工作 在空压站控制系统的开发中，作者完成的主要工作有： ( 1 ) 在分析空压机工作原理的基础上，针对控制目标，与相关人员一起制定了 空压机的控制方案； ( 2 ) 参与了i n t e r b u s 现场总线的设备安装工作及空压机外围涡街流量计、压 力变送器的安装、调试工作； ( 3 ) 参与了系统监控程序的编写工作。 重庆人学上群硕士论文 2 就课题对工业控制技术的研究与分析 2 就课题对工业控制技术的研究与分析 2 1 计算机工业控制系统的组成和特点 任何一个计算机工业控制系统，都是由紧密相配合的硬件和软件组成。 如图2 1 所示。3 ： 图2 1计算机工业控制系统方框图 f i 9 2 1h a r d w a r es t r u c t u r e f o rc o m p u t e ri n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m 硬件系统包括控制主机、数据总线和接口、过程输入输出通道、外部设备、 传感器和执行机构等。它是组成计算机工业控制系统的基础e 3 tj o 重庆大学r 程硕十论文 2 就课题对工业控制技术的研究与分析 计算机控制系统软件结构如图2 2 所示。 图2 2 计算机控制系统软件结构图 f i 9 22s o f t w a r es t r u c t u r ef o rc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m 计算机硬件系统是组成计算机应用系统的基础，计算机软件系统则是在此基础 上扩大其功能和应用范围，便于用户更好地使用它。只有硬件系统和软件系统有 机地结合起来，才能构成一个完整的计算机监控系统。 2 2 控制系统的发展及现场总线的产生背景 2 2 1 控制系统的发展 根据控制系统的发展历程，大致可分为以下几类：模拟仪表控制系统、集中 式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统。1 。 ( 1 ) 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低， 易受干扰。 ( 2 ) 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、p l c 、或微机作 为控制器，控制器内传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信 号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于 根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式的选择上可以统一安排；不足的 是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统 4 重庆人。学j 稗硕士论文 2 就课题对1 ：业控制技术的研究与分析 任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 ( 3 ) 集散控制系统 集散控制系统，简称d c s ( d i s t r i b u t i v ec o n t r o ls y s t e m ) 于八、九十年代占 主导地似。其核心崽想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用 于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位 机之间用控制网络互连以实现相互之问的信息传递。因此，这种分布式的控制系 统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求 高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发 展和应用，遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网 络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之问以及d c s 与上层i n t r a n e t 、 i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络旺连和信息共享”3 ，因此集散控制系统从该 角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且d c s 造价 昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了丌放化和降低成本的迫切要求。 ( 4 ) 现场总线控制系统 现场总线控制系统，简称f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 正是顺应以上潮流 而诞生，它用现场总线这开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表 设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装 成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种开放的、可互操作的、彻底分散的分布式 控制系统，有望成为2 l 世纪控制系统的主流产品”“。 2 2 2 现场总线的产生背景 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代 控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的 推动下占领市场的主导地位，现场总线的产生也不例外。现场总线技术自8 0 年代 诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投 资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范 围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。有专家预言，现场总线在今后几十 年中将影响控制领域，现场总线技术在控制领域的发展速度、普及程度可和计算 机网络世界的i n t e r n e t 相媲美”1 。 5 重庆人学工程硕上论文2 就课题对工业控制技术的研究与分析 2 3 现场总线技术简介 2 3 1 现场总线的概念 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控 制通讯网络，网线i 二传输的是小批量的数据信息( 如检测信息、控制信息等) ，传 输速率低，但实时性高- 3 7 。同时遵循i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或 部分通讯协议。f c s 则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场 控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场总线的出现使自动化 系统面临着重大的变革，它的兴起改变了控制系统的结构，使其向着网络化的方 向发展，形成了对人类生产和生活有重要影响的另一类网络，即控制网络。现场 总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，显示出了强大 的生命力，成为控制领域的热点技术”，。 2 3 2 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上有以下几个特点”1 ： ( 】) 系统的开放性：开放性意味着f c s 将打破d c s 大型厂家的垄断，它可以 与世界上任何遵守相同标准的其它设备或系统连接，通信协议一致公丌，各不同 厂家的设备之间可实现信息交换： ( 2 ) 系统的互可操作性：实现了控制产品的“即插即用”功能，使互连设备间、 系统间的信息传送与沟通成为可能，从而使用户对不同厂家的工控产品有更多的 选择余地； ( 3 ) 所有现场设备直接通过一对传输线( 现场总线) 互连：一对传输线互连n 个设备，双向传输多个信号，可大大减少连线的数量，使得安装费用降低，工程 周期缩短，易于维护。和d c s 相比，现场总线减少了专用的i o 装置及控制站， 降低了成本，提高了可靠性； ( 4 ) 系统结构的高度分散性：现场总线已构成了种新的全分散性控制系统的 体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简 化了系统结构。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，很容易对 系统进行重组和扩建，且易于维护； ( 5 ) 低成本：衡量一套系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统 从安装调试到运行维护整个生命周期内的总投入。相对d c s 而言，f c s 开放的体 系结构将大大缩短开发周期，同时，彻底分散的分布式结构将一对一模拟信号传 输方式变为一对n 的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d 、 d a 转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，f c s 的开发成本 大大低于d c s 的开发成本。 6 重庆大学t 程硕士论文2 就课题对j 二业控制技术的研究与分析 2 3 3 现场总线在我国的发展及应用 现场总线是8 0 年代起步，9 0 年代迅速发展起来的工业控制系统技术，在我 国只是近几年才刚刚引起关注。继2 0 0 0 年成功举办首届中国国际现场总线技术交 流会暨展览会之后，中国仪器仪表行业协会联合美国仪器仪表学会等单位，在中 国科技部等国家管理部门的支持下，于2 0 0 1 年8 月7r j 至1 0 目，在北京国际展 览中心召开了第二届中国国际现场总线与工业流程控制展览会暨技术交流会。多 家国际大公司参与展览，业界国内主要公司积极设台，国际流行的主要现场总线 纷纷亮相，技术讲座丰富多彩。展览会表明了国家对推广应用现场总线技术的重 视，也表明了现场总线技术在我国的推广应用正在稳步地向前发展。 目前，我国经济i e 处于起飞阶段，各种现场总线的主要支撑企! i k 都看好我国 市场，他们在我国展开了激烈的竞争，竞争的重点是应用工程。 从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。但是总的来说暂时 还不能满足广大用户的要求。 现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。借助外国公司的力量， 大力推动现场总线的应用，是推动我国现场总线发展的捷径”1 。 2 4 控制目标及系统分析 2 4 1 现状及控制目标分析 玉溪红塔集团动力部空压站( 以下简称窄压站) 共有十台空压机( 空压机的 冷却方式为水冷式) ，每台空压机生产的压缩空气经干燥后汇集到压空总管供全厂 生产用气，设备分散且环境对信号的干扰大。控制系统应具有很高的对信号处理 的准确性和实时性：对各台空压机的加、卸载控制须在满足压缩空气总管压力值 在规定范围内的基础上进行，对运行中的空压机均需进行冷却，同时将空压机内 部参数数据送出至控制系统进行相应处理等。其主要的控制要求是： ( 1 ) 根据生产过程中的压空总管的压力值按照预先设定的顺序控制多台空 压机的加、卸载； ( 2 ) 自动控制各台空压机启动和停机： ( 3 ) 监测备台空压机出口的压缩空气压力和流量； ( 4 ) 监测各台空压机的运行情况； ( 5 ) 监控冷却水系统运行情况； ( 6 ) 对各种异常情况用声、光、警示性提示窗口进行报警； ( 7 ) 监控系统出现意外时，控制系统能马上手动脱离控制，让空压机进行 单机自控； 重庆大学上程硕士论文2 就课题对上业控制技术的研究与分析 ( 8 ) 系统进行分级加密处理； ( 9 ) 空压机卸载定时间后，能自动停机；当压力降到下限时，能自动启 动： ( 1 0 ) 完整的数据报表、图表功能： ( 1 1 ) 能保存历史数据。 2 4 2 系统分析 针对空压站设备分散、信号干扰大及控制工艺复杂的特点，新投建的监控系统 不仅要满足空压机的运行特点及控制要求，同时还应兼顾以下几点： ( 1 ) 监控系统应能安全、高效、稳定地运行； ( 2 ) 监控系统应具有良好的重组性和拓展性； ( 3 ) 监控系统应有很好的可维护性； ( 4 ) 用户能就控制工艺对不同厂家的工控产品有较大的选择余地； ( 5 ) 新投建的监控系统的成本应尽可能的少。 根据现状及对工业控制技术的分析可知：现场总线控制系统比其它控制系统有 着诸多优越性。现场总线控制系统除了能很好地满足空压机的控制要求外，在很 大程度上也能兼顾以上五点。因此，我们采用现场总线控制系统来对空压机进行 管理控制。 8 重庆大学t 程硕士论文 3i n t e r b u s 现场总线技术概况及o p c 技术规范简介 3in t e r b u s 总线技术概况及o p o 技术规范简介 3 1 现场总线的选型 目前国际上比较有影响的现场总线共有八种，它们均遵循国际电工委员会在 0 0 0 年一月宣布的i e c 6 1 1 j 8 国际标准fx 7 o 从空压站的运行情况看，控制系统除 了能可靠、稳定地运行外，还应有较强的故障渗断能力，以使维修人员能及时排 除故障，从而保障生产的顺利进行。而上述i n t e r b u s 现场总线能满足控制要求外， 本身的结构决定了其有着其它现场总线无法比拟的故障诊断能力，其与目前市场 占有率较高的p r o f i b u s 现场总线性能相比如表3 1 所示”： 表3 1 两种现场总线的性能比 f i 9 3 1c o m p a r i s o n t o p e r f o r m a n c eo f p r o f i b u s i n t e r b u s p r o f i b u s 1 、协议 基于4 8 5 4 2 2 2 3 2 的通讯协议；基于4 8 5 通讯协议； 士从式结构主主、土从式结构 环形 线形 集总帧 令牌环； 同定速率：5 0 0 k 2 m p b s3 1 2 5 k 1 2 m p b s 2 、应用特点 可独立于p l c 自成系统运行： 必须与s 7 p l c 结合使用： 有基于p c 技术的控制板：只有基于p c 的通讯板； 扫描崮定，输入，输出同步： 输入输出不同步： 所有设备优先级相同，同时扫描； 所有设备需分配优先级，有失控风险； 自动分配子站号码； 手动设置子站号码； 强大的诊断功能，准确故障定位；有些故障无法定位； 3 、上层联网 r f c 具有简单、强大的挂接e t h e m e t必须使用单独的通讯模块拼装在s 7 的功能，采用国际上流行的o p c 中p l c 上实现联网。 间件。 由表3 1 可见，i n t e r b u s 是通过环网方式对控制模块、传感器和执行器件做 重庆火学i 程硕士论文 3i n t e r b u s 现场总线技术概况及o p c 技术规范简介 到既插即用，并有很强的故障诊断功能；而p r o f i b u s 特别适合于应用p l c 的场合， 故障诊断功能差。另一方面，目前1 n t e r b u s 在玉溪红塔集团内部己得到了一定的 应用，如中试车间、复烤车间等一些生产运用场合。考虑到系统的统一性和空压 机集控系统的实际生产运用特点，我们决定选用i n r e r b u s 现场总线来进行现场信 息的传输及现场设备的控制。 3 2jn t e r b u s 现场总线技术简介 i n t e r b u s 总线于1 9 8 4 年推出，其主要技术丌发者为德国的p h o e n i xc o n t a c t 公司，i n t e r b u s 作为i e c 6 1 1 5 8 标准之，广泛应用于制造业和机器加工行业中， 用于连接传感器执行器到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。i n t e r b u s 总线由以f 三大部分组成”： ( 1 ) i n t e r b u s 总线适配控制板； ( 2 ) i n t e r b u s 总线设备； ( 3 ) 用于i n t e r b u s 总线设备间及与总线适配控制板连接的电缆。 3 2 1 ln t e r b u s 现场总线的基本概念 串行总线系统：i n t e r b u s 总线是串行总线系统，用于在不同类型控制系统中 数据传输和分布于工矿环境的与传感器和执行器连接的输入输出单元。由于易 懂的技术和面向用户的系统特色，根据d i n l 9 2 5 8 标准化的i n t e r b u s 总线在自动 化控制和处理工程所有领域已作为种工业标准。 串行数据传输：i n t e r b u s 总线通过串行传输方法把分布式输入输出模块和自 动化控制设备连接到控制和计算机系统。不同的控制和计算机系统以及众多制造 商的不同的现场总线能与i n t e r b u s 总线连接。它是一个开放式的总线系统凹1 。 i n t e r b u s 总线系统是一个数据环结构。在此数据环内有一个主枫站，总线适 配控制板和分散分布的带有i n t e r b u s 总线接口的i o 设备。总线适配控制板将 i n t e r b u s 总线连接至控制系统。i n t e r b u s 的主站又可称为总线控制板，它的作用 是对整个i n t e r b u s 进行控制，组态和诊断，并有一个i o 数据堆栈，保存了全部 的输入输出数据。当总线运行时，主站发出输出信号到现场外围设备，同时接 收现场外围设备的输入信号。如图3 1 所示”1 ： 重庆人学 程硕+ 论文 3i n t e r b u s 现场总线技术概况及o p c 技术规范简介 远 程 总 线 总型；适配控制板 - i i p m s ：l 竺! 竺卜 主机系统 s u p i 1 i o 模块s u p i i o 模块s u p i b e 模k 卜 r j 本地总线 s u p i 1 i o 模块s u p i 上 i 0 模块s u p i b k 模j匙 ， h j 图3 1i n t e r b u s 总线结构 f i 9 3 1f i e l db u ss t r u c t u r eo f i n t e r b u s 实现i n t e r b u s 总线数据传输的协议芯片有两种：总线控制板上的i p m s ( i n t e r b u sp r o t o c o lm a s t e r ) 和网络上l o 设备上的s u p i ( s e r i a l m i c r o p r o c e s s o ri n t e r f a c e ) ，通过这两种协议芯片形成i n t e r b u s 总线的数据环结 构。其中，i p m s 是在主控板上的i n t e r b u s 总线主控协议芯片：s u p i 是分布在 i n t e r b u s 总线设备上的协议芯片，它用于受理过程数据的传输；m p m 是总线适配 控制板上的一个存储器，通过它进行总线适配控制板和p c 之间的数据交换。 3 2 2ln t e r b u s 现场总线的网络结构 i n t e r b u s 总线包括远程总线网络及本地总线网络( 见图3 2 ) ，两种网络传送 相同的信号但电平不同。下述是远程总线及本地总线的定义： 1 、远程总线：是解决远距离信息传输而设计的i n t e r b u s 总线的子系统，它 将装在主机系统的总线适配控制板与第一个总线终端模块相连接。总线终端模块 ( b u st e r m i n a lm o d u l e ，简称b k 模块) 可通过远程总线相互连接，远程总线是由 远程总线段组成( 一个远程总线段的最大长度取决于所用传输媒介) 的并且距离 可长达1 2 8 公里，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为5 0 0 k s 。远程 总线有时简称为r b u s ( r e m o t eb u s ) 。 2 、本地总线：各个设备间的互相连接及设备与总线的连接是通过本地总线电 缆实现的。本地总线由b k 模块和i n t e r b u si o 模块构成，本地总线网络通过b k 模块连接到远程总线网络上，并且由b k 模块提供电源。同时，b k 模块负责将远程 重庆大学工程硕十论文 3i n t e r b u s 现场总线技术概况及o p c 技术规范简介 网络数据转换为本地刚络数据。本地总线总长度不得超过l o 米，各个设备问的连 接电缆不得超过1 ，5 米，且最多可带8 个i o 设备。 图3 2t n t e r b u s 总线网络结构 f i 9 32n e t w o r ks t r u c t u r eo fi n t e r b u s 就t n t e r b u s 总线结构作简要说明如下： l 、i n t e