（检测技术与自动化装置专业论文）工业稳定剂间歇过程计算机控制系统的开发.pdf

摘要 本文通过对工业稳定剂生产过程及其工艺条件进行深入研究，设 计出工业稳定剂生产的计算机监控系统。针对间歇过程生产的特点， 提出一种用p c 机与p l c 模块化编程相结合的方法，开发了一套能满足 3 1 种配方产品生产需要的问歇过程计算机控制软件。现场运行结果表 明该控制系统具有稳定性强、可靠性高、操作灵活、更改产品品种 力使的特，_ 。 由j 一工业稳定剂生产过程伴随着复杂的放热、传热现象，机理及 步骤f 分复杂，反应釜温度的非线性及时变特性显著，因而很难建立 精确的数学模型，传统的p i d 控制难以满足工艺对温度变化的要求。 本文通过对广义预测控制( g p c ) 和非线性系统理论进行深入研究，提 出了一种改进的基于h a m m e r s t e i l 3 模型的非线性广义预测控制算法 ( n l g p c ) ，并用m a t l a b 进行了计算机仿真研究。仿真结果证明，该方 案动念响应快跟踪效果好，能有效克服系统非线性的影响。 关键词：州歇过秤汁算机控制系统模块化编程配方管理 安全联锁h a m m e f s t e in 模型非线性广义预测控制 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，a ni n d u s t r i a lb e a pp r o d u c tc o n t r o ls y s t e mw a s d e s i g n e dw h i c hw a sb a s e do nt h er e s e a r c ho fi n d u s t r i a lb e a pp r o d u c t p r o c e s s a c c o r d i n gt o b a t c h p r o c e s s ，am e t h o do fu s i n gp ca n d m o d u l a r i z e dp r o g r a mo fp l cl a d d e rd i a g r a mt od e v e l o pab a t c hp r o c e s s c o n t r o ls o f t w a r ew a sp r o p o s e d t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e na p p l i e dt o p r a c t i c a lp r o d u c t i o n i tw a st e s t i f i e db yf a c t st h a tt h i ss y s t e mn o to n l y c o u l db eu s e dt op r o d u c t31k i n d so fp r o d u c tb u ta l s oh a dw e l ls t a b i l i t y ， h i g hr e l i a b i l i t ya n de a s ym a n i p u l a t i o n b e c a u s eh e a t a w a ya n dh e a t t r a n s f e rd u r i n gt h ep r o d u c tp r o c e s sa r e v e r yc o m p l e x i t i iv e r yd i f f i c u l tt od e s c r i b e n o n l i n e a r i t y a n d t i m e - v a r y i n g o ft h er e a c t o r t e m p e r a t u r e c h a n g e sb y ac e r t a i n m a t h e m a t i c a lm o d e l t h ec o n v e n t i o n a lp i da l g o r i t h mc o u l d n tc o n t r o lt h e r e a c t or st e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sr e q u i r e d i nt h i sp a p e r ，a n i m p r o v e da l g o r i t h m ( h a m m e r s t e i nm o d e ln o n l i n e a r g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v ec o n t r o l n l g p c ) b a s e donr e s e a r c ho fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o ia n dn o n l i n e a rs y s t e m a t i ct h e o r e t i c sw a sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sg o o dt r a c k i n gp e r f o r m a n c ea n d d y n a m i cr e s p o n d s ，a n dc ano v e r c o m en o n l i n e a r i t ye f f e c t i v e l y k e y w o r d ： b a t c hp r o c e s s c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m m o d u l a r i z e dp r o g r a m r e c i p em a n a g e m e n t s a f e t yi n t e r l o c k h a m m e r s t e i n m o d e l n o n l i n e a r g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( n l g p c ) 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，硷文中不包含j e 他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而伎用过的材料。与我同工作的同志对奉研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘生可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查测和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复日】件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日甥 导帅签名 签字同期 第一章概述 第一章概述 1 1 课题研究的目的 随着工业生产社会化程度的不断提高，现代工业生产的竞争不再 是某一区域而是世界范围的竞争，因此如何提高工业生产的劳动率和 生产出新型的产品以提高企业的世界竞争力已成为各国普遍关注的问 题。先进的生产技术是提高产品质量和降低产品成本增强企业竞争力 的必要条件，而新型的产品对生产工艺控制的要求更加苛刻、更加复 杂。似计算机技术、通讯技术、网络技术以及现代控制理堍为特征的 现代计算机控制技术为现代化的工业生产提供了可靠的技术保障，使 得高效率、工艺复杂的工业生产变成现实。 但是，我国工业计算机控制技术的应用依然远远跟不上工业生产 发展的需要。现在正处于国民经济迅速发展时期，国家每年投资新建 的项目有很多，这些项目基本上全都需采用计算机控制，因此国内形 势为我国计算机控制产业的发展提供了最为有利的条件。因而，研究 和丌发计算机控制技术的应用变得十分重要。1 0 l 0 2 1 a t o f i n a 化学一北京工业稳定剂公司原来的生产设备都是收购北 京化工六厂的陈旧设备，因此自动化程度低、生产效率不高，手工操 作使得各批次产品阳j 的差异大、产品的质量不稳定、产品的成品率不 高同时自动化程度低导致工作环境恶劣。为提高生产效率、降低成 本，提高产品的质量和成品率，增强产品的市场竞争力，新建工厂根 据工厂设备情况和新工艺的要求，设计和开发新型的过程计算机控制 系统来满足生产的需要。 出于间歇生产过程能满足当今市场产品需求量小、品种繁多的需 要，赢得了许多牛产厂家的青睐，特别是对于国内外的小型化工、饮 食和医药生产企业，它具有不可替代的作用。开发适合间歇过程生产 控制特点控制软件具有广阔的市场，国际上自动化领域知名品牌的大 公司相继推出了自己的间歇生产过程控制系统软件，例如a b b 公司推 出的b a t c h3 0 0 软件，r o s e m o u n t 公司开发的a b cb a t c h 软件等，它们 极大地提高了问歇生产过程操作柔性、生产效率、产品的质量，降低 第一章壤述 了生产成本。1 03 j 但是由于问歇生产过程在控制策略、控制功能和自动 亿技术方面极其复杂，萁固有的顺序特俄向计算梳控错系统提出特殊 的要求，使得间歇过程控制系统软件价格昂贵，对于小型工程项目 般难以承受。a t o f i n a ( 北京) i 业稳定剂项鳝属于小型工程项目， 赡买商业化的闯敲控制软件将会热太工程费用，因此是主开发阕歇避 程生产控制软件来满足产品生产的需要。 1 2 豳内外研究概况 以 卜算机技术麓主的计算杌控锻系统已广泛应用予现代化工效生 产的各个铤域，它已成为衡量一个国家工业生产发展水平的重要标志。 在工鼗警产遂稔中，1 9 6 9 年鞠整酶p l c 移1 9 7 5 年阕整瓣d c s 楚 两类影响最为深远的计算机控制系统，随后由于计算机、通信、控制、 仪表、软件等技术的飞速发展，蒸它的计算机控铡系统的不断毒现， 控制系统的产品呈现出多元化的发展格局，单一的控制系统已无法满 足现代生产三过程控制的复杂性需蘩。p l c 系统、d c s 系统、p l c + d c s 系统数控制方案不露是唯一选择，现场总线控制系统、以p c 为基础酌 控制系统( p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m ，p c b c s ) 也和p l c 系统、d c s 系绫”祥成为当今】：业生产过程致疆大控制系统。 阐外自六十年代出现第一台工业过程控制系统以来，由予起步较 乒，菠葵麴露雄厚瓣资金窝辩骚实力，毫统镁着整癸控淫系统豹豢 场，特别是美、r 、德等国家的多寐公司如美国的g e 公司、h o n e y w e l l 公司，r 本的横海公司、德国的s i m e n s 公司，都不断地摊出新一代 高性能的控制系统满足工业生产的需要。并且随着自动控制理论及技 术的不断深入研究和发展，自适斑控蒂l 、模糊控制、入工神经网络、 人工智能技术和专家系统已在工业计算机控制系统中得到实际应用； 多变量预测控制在国外石油、化工等流程工业控制系统中已广泛使用。 s e t p o i n t 公司、d m c 公司与h o n e y w e l l 公司已攘出先进控制软停产品 人工神经网络已制成专用芯片及自动装鬣；模糊控制器亦已商品化， 势广泛瘸手工业生产过程控键：专家系统邑在瞧菇控铡、冶金过程及 石化装置自动控制系统中应用。 由予我国鲶现代德工业起步纛运逯予发达憨资本雯义国家，蠢鼗 2 第一章概述 工业基础薄弱、发展的水平较低。工业生产过程控制系统在七十年代 就开始走引进和开发相结合的道路，经过多年的努力起得了巨大的成 绩研制出了一批高性能的国产控制系统，如d c s 有北京和利时自动 化公司的h s l 0 0 0 、h s 2 0 0 0 ，浙大中控公司的j x 一3 0 0 x d c s 。同时我国 自动化领域( 特别是高等院校) 有一大批科研工作者在将先进的控制 算法应用于控制系统方面进行了大量的研究和尝试，并在许多实际控 制系统中得到了成功的应用。但是，同发达国家相比，计算机控制的 技术水平以及在工业生产中的应用情况依然有很大差距，特别是在开 发出同国外性能相当的控制系统装置、如何完成计算机控制系统的优 化组合以及如何将先进的现代控制技术应用于传统的计算机控制系统 仍有很多的技术亟待去研究解决。【0 3 j 1 3 课题研究内容 本课题研究和开发a t o f i n a 化学一北京工业稳定剂生产工程项 目计算机控制系统，并对其控制方案进行先进算法的研究。 具体完成了以下几个方面的工作： 1 、用r o c k w e l l 公司的工控软件r s v i e w 3 2 和p l c 逻辑编程软 件r s l o g i x 5 0 0 0 完成工厂控制系统上位机监控软件的开发 和下位机控制软件关于现场设备启停、安全连锁的p l c 逻 辑梯形图程序的编制： 2 、 对间歇过程工艺特点进行分析，明确其对控制的特殊要求后 用p c 机和p l c 模块化编程相结合的方法开发了一套能满足 3 1 个品种需要的间歇生产过程控制软件： 3 、完成了a t o f i n a 一北京工业稳定剂生产项目计算机控制系 统的硬件整体设计、软硬件联合测试以及现场调试运行： 4 、通过对广义预测控制( g p c ) 和非线性系统理论进行深入研 究，针对反应釜温度变化的非线性及时变特性等特点，提出 了一种改进的基于h a m m e r s t e i n 模型的非线性广义预测控 制算法( n l g p c ) ，并用m a t l a b 进行非线性广义预测控制算 法( n l g p c ) 的计算机仿真研究。仿真结果表明该控制算法 能解决常规控制算法很难实现的非线性系统的控制问题。 3 第二章：l ：艺过程的分析 第二章工业稳定剂生产过程简介 2 1 工业稳定剂生产特点 由于工业稳定剂能极大地改善材料的性能，被广泛应用于国防工 业、建筑材料加工业、塑料制品加工业等工业生产的各个领域。但是， 出于工业生产的各个领域生产工艺的不同，对工业稳定剂的性能要求 就不同，因此工业稳定剂生产必须满足产品种类繁多的特点。同时， 于1 二业稳定剂的生产过程伴随着复杂的放热、传热现象，机理及步 骤及其复杂，需要控制的参数多、精度要求高、参擞间根互影响，过 程控制f 分复杂。工业稳定剂简要生产流程如图2 1 所示。为满足工 业稳定剂生产过程的以上特点，必须采用先进的控制设备和先进的控 制方式来满足生产的需要。 在北京工业稳定剂生产项目中，采用了间歇生产控制方式来满足 生产产品种类繁多、过程控制复杂的要求。 鍪h 鏊h 霉h 兰h 蔓h 琴h 毒h 鍪h 兰h 季卜匡 、一一一- - - - j 罔 一 甘圈 、一、一 2 2 间歇过程生产的特点及其对控制系统的要求 工业生产过程一般按其生产的产品是呈连续的产品流，还是离散 的批量或者是离散的数量分为连续生产过程、间歇生产过程和离散生 产过程。 在过程工业中，广泛地采用连续生产过程和间歇生产过程。 划歇生产过程是指由于生产设备的物理结构或其它经济和技术上 4 第二二章工艺过程的分析 的原因，致使生产过程必须完成一个或多个按一定顺序执行的操作步 骤( 或操作阶段) 后方可生产出一定数量的最终产品。简言之，以顺 序的操作步进行批量产品生产的过程称为间歇生产过程。 根据间歇生产过程的自动化程度，间歇控制系统大致可分为以下 三种类型： 1 顺序间歇控制 又成简单间歇控制。一般只具有辨别间歇生产 过程中各个操作阶段的逻辑控制功能，在基本操作阶段中控制各个设 备操作步的顺序控制功能，在生产出现异常情况时，具有通过人工干 涉处理可恢复故障和不可恢复故障的推理控制功能。顺序间歇控制中 的输入输出信号皆为开关量。 2 程序间歇控制间歇化工生产中最常见的一种间歇控制系统， 它除包含顺序问歇控制的全部功能外，增加了模拟量的调节控制功能， 控制系统的复杂程度随着“调节控制离散控制”的比值增大而增加。 3 综合削歇控制系统它以间歇生产过程综合经济指标最优为目 标，集i i 白j 歇生产管理和间歇生产控制为一体的间歇控制系统。它除包 含顺序问歇控制的全部功能外，还有配方处理、过程优化、在线或离 线的统计过程控制( s p c s q c ) 、批量生产管理、计划与调度、能源管 理等功能。它是一个计算机集成的、具有分层结构的集散控制系统。 a t o f i n a 北京工业稳定剂控制系统界于程序间歇控制和综合间 歇控制之问。 i m j 歇生产过程最大的特点是频繁地改变生产产品的种类和工艺操 作条件，它具有以下特征： 1 不连续性这种不连续性不仅表现在物料的加入、顺序操作的 步骤足断续的，而且设备的运行也是恻断的。 2 非稳定性生产的不连续性带来了过程的不稳定性。间歇生产 过程从一个稳定状态转为另一个稳定状态，或者根本没有稳定状态， 因而可能存在多种状态的组合，有时会出现意外的变化，控制系统之 n _ | j 也会发，l i 不可预测的相互作用。设计间歇生产过程控制程序必须有 l 卜常上况和异常工况下的控制策略，发生故障时执行专门的故障程序。 3 不确定性间歇生产过程中生产的产品种类常常要根据市场需 求的变化而发生改变，设计间歇生产必须考虑可以进行多种产品生产。 5 第二章，j ：艺过程的分析 处理4 i 确定性是间歇生产过程设计、运行以及控制的一个特点。 4 共享资源处理间歇生产过程中物料常常是多路并行流动，在 同+ 时间几种不同的产品处在不同的操作阶段，因而间歇生产过程中 如何协调多路物料流操作，如何调度和分配共享设备是相当复杂的。 5 配方及其管理间歇生产过程不同产品原料配比、控制参数、 操作顺序等要求及其严格，而生产过程中产品种类繁多，同一种产品 每次生产的数量也不一样，因此必须采用配方的形式进行生产管理、 过程控制。 j r 由于恻歇生产过程的以上特征，决定了它在控制策略、控制功 能和自动化技术等方面具有特殊的要求： 1 在控制策略上涉及许多顺序操作，步与步之间的切换有的是时 间触发有的是状态触发或者事件触发。 2 由于过程操作的顺序性，被控对象的特性是变化的。为适应间 歇生产频繁改变产品品种和规格的“柔性”操作，控制系统也必须具 有柔性，易于“重组”和重新整定参数。 3 问歇生产过程的操作优化与连续生产过程不同，其优化值一般 不是恒定的稳定值，而是随时间变化的优化轨迹。 4 蒯歇生产由于生产的品种繁多，共用设备资源，因此配方管理、 1 4 二产调度任务繁重、复杂。 19 7 6 年a i c h e 间歇过程计算机控制研讨会指出：“从生产观点上 说，间歇生产是一项困难的操作，其固有的顺序特征向计算机控 制提出了特殊的要求。”【o4 1 ，因此计算机技术的进步推动了间歇生产过 程的发展。 间歇过程生产计算机控制具有以下优点： 1 增加产量，计算机控制缩短每批产品的生产周期，提高了设备 了利用率； 2 提高了产品的质量，计算机控制使每批产品质量均匀一致： 3 降低了生产成本，提高了原料、能源和设备的利用率，降低了 废品率： 4 在确保间歇生产过程操作重复性的同时具有更好地操作柔性； 5 使生产更加安全； 6 一 第二章 工艺过程的分析 6 通个严格控制和改进操作， 总之，间歇生产具有投资少、 不会造成设备资源浪费等优点。 减少了对环境的污染。 适应性强，改变生产的品种和规格 随着技术的进步，生产的发展，单一的生产过程控制满足不了工 业生产的需要，控制系统向着集生产管理、过程控制于一体的综合控 制系统方向发展，间歇生产过程计算机集成制造系统( c i m s ) 和间歇 生产过程柔性制造系统( f m s ) 将是间歇生产过程自动化的发展方向。 【0 2 】 7 第三章控制系统的构成 第三章控制系统构成 3 1 工业控制系统分类【0 5 l - 1 0 6 1 在工业生产过程中，1 9 6 9 年问世的p l c 和1 9 7 5 年问世的d c s 是两 类影响最为深远的计算机控制系统。p l c 的问世取代了继电器之类的器 件，实现了开关量的连锁控制、程序控制；d c s 的问世取代了显示仪、 调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和p i d 回路调节等功 能。2 0 世纪8 0 年代末期，随着计算机技术、通信技术、集成电路技术、 智能传感器技术韵发展而出现的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ，f c s ) 改变了原有控制系统的结构，使控制系统由封闭向开放 走出了重要的一步。2 0 世纪9 0 年代中期，以p c 为基础的控制系统( p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m ，p c b c s ) 出现，使其成为工业自动化领域最 具发展潜力的新技术。因此，d c s 、p l c 、f c s 、p c b c s 并称为工业生产 过程四大控制系统。 3 1 1 集散控制系统( d c s ) 1 0 7 0 8 1 计算机集散控制系统也称为分布式计算机控制系统，简称为集散 控制系统( d c s d is t r i b u te dc o n t r 0 1s y s t e m ) ，管理的集中性和控 制的分散性的实际需要是推动集。散控制系统发展的根本原因。计算机 集散控制系统是在吸取了模拟仪表控制系统可靠性高、操作简便以及 计算机控制系统能实现许多复杂的控制策略、集中参数显示和操作、 控制精度高、改变系统结构和控制方式方便、自上向下通讯能力强的 优点的基础上发展起来的一种控制形式，它实质是利用计算机技术、 信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术等对生 产过程进行分散控制，集中监视、操作和管理的一种新型控制概念及 技术。 最初设计的d c s 是侧重于连续生产过程应用，但典型的问歇生产 过程要求离散控制、调节控制和顺序控制，所以早期的d c s 往往把p l c 引入到d c s 系统来满足间歇控制的要求。新型的d c s 已演变成一种具 有高度柔性和强大功能的控制系统，能够提供数据采集、先进的连续 第三章控隶l 系统的擒残 控制和间歇控制功能。它能够适簸工业难产过程的各种需要，提高生 产自动亿水平和管瑗水平，提高劳动生产率，谦证生产安全，取得了 较好的社会经济效赦。 d c s 概况越束由疆示管瑷部分、分散控制监测部分和通讯部分组成。 集中显示管联部分又可分为工程郯站、操作站和管理计算枧。工稷师 站主鬻用于缎态和维护，操作站则用于监视和操作，管理计算机用于 系统熬信息餐理秘宠藏部分貔纯接亲饪务。分数控制整涮部分按功缝 可分为控制站、监测站或现场控制站，用于实时的控制和监溯。通信 罄分逐接d c s 豹套个分毒部分，宠藏数攫、攒令及其它信息豹簧递。 其结构如图3 l 所示： 一一 强3 1 ：集教控制系统总转结梅示纛麴 3 1 2 编程净控毒l 器( p l c ) i o g l 、1 1 截 可编程序控制嚣是一种专门为了在正业环境下而设计的数字运算 操作的电子系统，它采用可编程序的存储器，存储执行逻辑运算、顺 序控划、定时、逸数和算术运算簿面向用户的指令，通过数字量或模 拟量输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过糕。 开发p l c 豹初褒是用诗算枫技术实现“软逻辑”采伐替继电器逻 辑控制系统和机电式顺序控制器的硬接线。但是p l c 经过3 0 多年的发 震，懿裂是熬羞徽楚理技零兹发嶷嚣霉剿了迅速魏发发，发展刭嚣1 l 苕 的第五代产黼，其技术和产品同趋完善，它不仅因其良好的性能满足 了工渡生产鹣需要，藤盈将逶信技术帮售患楚灌鞋为一体，使英功麓 9 第三牵控裁系绞的构成 更加完善。 新一代静p l c 兵有敬下特点；灵活性、遗糟惶好；可靠性离、 抗干扰能力强；编程简单、使羽方便；接线简单：功能强大； 体积小、能耗低、易于安现机电一体优。 出于p l c 的以上特点棚之其价格便斌，能完成d c s 不能完成的离 散控制、调节控制和顺序控制，因此它建小型间歇生产控制的首选方 案，在大型毂阉歇控裁系绞孛d c s + p l c 则是最接控制方案。 p l c 的基本组成包括：c p u 、r a m 、e p r o m 、e 2 p r o m 、通信接口、外 设接嚣、i o 接口等，按续擒形式p l c 分爻嚣大类：一缕继瓣p l c 、 模块化的p l c ，具体结构如图0 2 、3 一争所示： i 上位机r +通 甲产 k 谖 i 其它 接 l c p u 接 u i 口 补设b 囱， 强3 - 2 ：一体钝p l c 结构零意图 强3 - 3 ：模块纯p l c 结擒嚣意霾 随着计算机综含技术的发展和工业自动化内涵的不断延伸，p l c 的结构和功能也在避行不断缝完藩和扩充。实现控制功髓莘露管理功能 的结合，以不嗣生产厂家的产品构成开放型的控制系统是主要的发展 理念之一。 3 1 3 现场总线控制系统( f c s ) 1 1 0 l 以现场惑线技术与智耱搜表答控一体纯构成开教型工厂残层控刿 网络的全分布计算机控制系统称为现场总线控制系统( f c s ) 。根据i e c 和美黼铰表协会i s a 定义，嚣场慧线是逶接餐能瑰场浚备帮囊动纯系 1 0 第三章控制氟统的构成 绞数字式、双肉传输、参分嶷结构的道售嗣络，窀椭关键标志楚能支 持凝露、多繁点、总线斌麴仓数字遴蘩。 现场蕊线技术是综会运蠲嫩处理技术、嬲终技零、通讯技术葶翻 蘸控裁按囊乏浆产物，窀撼专藤徽楚璎器弓l 入传绕豹壤翳仪表，镬宅懿 各自都其备数字计算和数字遴傣靛力，成为熊独立承爨菜些接裂、遴 信任务滟网络节煮。瑗秘总线兔诲椿惫括i p c 、p l c 滚及备转载翡证鲢 现场控蒂i 设备作为节点构成个网络系统，各种鬻能优酌现场仪表帮 蕊予统一、援藏酌通信协议，邋过弼惑绫实现裰豆阏豹数瓣转输与 信息共事。这不仪提离了信号的测餐、控制和传输精度，间时也为增 强现场仪表的功能，嶷现控制工方船的彻底分散剖造了条件。 反诗冀飒阏终体系镶构的角度基潼，现场总线位予佚产控制和阏 终续掏的底层，与工厂现场设备直接连接。方颟将现场测擦设备互 连鸯逶嫠弼终，实璎琴鼹赠段、不翳现场设备之阕的倍爨共攀，另一 方霹又霹l 三l 进步与上臻管理控剑嬲络联接劳实现信息沟通。 出于聪场总线鼹癜了工鼗控截系统爨分散倦、鼹终纯、锉簸稼熊 方向仡的方向发蔽趋势，酝戳它一缀产燮健成为垒球王艘自动纯按笨 的热点，受到全谶界的鬻逮关滋，被议魏憝2 l 毽纪鑫赫箍镪系统静溱 砒。它的出现酾应用将使传统的自溺控制系统产生一系列的重大寝擎。 f c s 体现了“信息集中，揆铡分散”的憩想。首先，f c s 系统买海 岛度的分毅性，它可以出现场设备缀成融治的控制回路，现场仪表或 设器具褥高度的智能化与功能自主性，可完成控制的蕊本功能，也使 箕爵靠黢缮妥掇麓。獒淡，f c s 显赣开放饯，两开放性义决定了它具犍 互操蠓蠛秘互髑牲。男孙，嬲予缕构上的改变，使用f c s 可以减少大 鬣豁隔离器、端予疆、i 0 耧蜀襄臻弩铸辕魂缆，这霹以鬓他系绕安装、 维护帮鬻壤，降低系统豹投爨葶瑟遴嚣残本。 3 。l 。4p c b a s e d 控翩系统( p c b c s ) 0 6 1 将经过加固的代概硬件与控制歉释籀结舍，实施遴常出专鬣p l c 、 d c $ 执行的控制功能，或者说将p l c 的控制功能“封装程”软件内，运 行在p c 的环域中，即构成p c b c s 控制系统。p c b c s 控秘系统主要亩驻 下3 鄹磐缓成：p e 概：l o 缨髂及其连按传：操馋系统软彳牛和鹰用软 第三章控制系统的构成 件。 p c 机将以往p l c 、d c s 控制系统中的操作站、控制站溶为一体，同 时具备实施控制、通信及操作显示等多项功能。快速发展的计算机技 术使p c 机可提供一个真f 开放的平台，使系统所有的功能集成于p c 这个统一开放的平台上，以减少安装空间、节省电缆，将复杂的通信 连接简单化，还可通过国际互联网i n t e r n e t 或企业内部网i n t f a r l e t 得到重要的生产信息，实现生产过程优化。为可靠起见，p c 机通常采 用工业p c 机。 i o 组件也是完全开放的，可以支持多家公司的多种i 0 硬件， 包括很多p l c 的远程i 0 及i 0 分站。它还可以与现场总线技术结 合，使p c 机通过现场总线接口与带现场总线的i 0 设备相连。由于 这些i 0 组件均为经过长期现场运行考验过的设备，其可靠性是不容 置疑的。只不过它无需象早期的p l c 、d c s 控制系统那样必须采用某一 公司某一系列的i 0 组件，而可以由用户选择自己喜爱的i 0 组件。 上层对多种操作系统软件和应用软件是开放的，目前已经有多种 商品化的操作系统软件和应用软件，用户也可以挑选自己中意的软件。 由以上3 个组成部分就可以看出p c b c s 系统的开放性是全面的， 因此它现在的和未来的发展速度都将是非常快的，绝不会缘以往的 p l c 、d c s 控制系统那样因封闭性、专一性而造成长期发展滞后，而会 随算机技术、通信技术、i o 组件制造技术、现场总线技术及软件 技术的发展与时俱进，迅速提升。 p c b c s 控制系统的优点可以概括为：价格较低：对各种控制及业务 应用、信息的存取十分简便：软件向新的硬件平台的可移植性优良； 控制、人机界面及编程功能易于集成：易于将过程控制、逻辑控制、 批量控制以及运动控制等合为一体：不依赖于各种专有的控制系统。 随着p c 技术的发展，它在t 业过程控制中的作用越来越广，能满 足复杂的多产品、多生产流程的生产过程控制和数据处理的要求。它 的这一特点满足了间歇过程生产对控制系统的要求。 3 j 5 问歇过程控制方案选择原则 控制中小型i 刨歇生产过程，需要对系统进行综合考虑。如果生产 第三章控制系统的构成 过程需要较多的模拟调节回路，d c s 是理想的选择，但d c s 的价格昂贵。 如果生产过程只有l 2 个模拟控制回路和有限的操作者接口要求，p l c 则是最佳选择，但一般中小型间歇控制项目往往有少量模拟控制回路 并且要求一个高性能操作者接口，早期的p l c 虽然采取了许多的措施， 但不尽人意。直到p c 技术的发展，将p l c 的高速逻辑功能与p c 机的 数据处理能力相接合，采用p l c 作为前端控制器，p c 作为控制器和 或操作站，不仅可以使i p c 通过高速率数据通道访问p l c ，解决了p l c 操作接口的问题，而且是控制系统在数据处理、软硬件支撑、内存容 量、运行速度的到了改善，所以p l c 成为中小型间歇控制首选的解决 方案。当然，除了p c p l c 相结合的控制方案外，对于模拟控制回路相 当多的系统还可以采用p c p l c s l c 相结合的方案。 3 2 工业稳定剂生产过程计算机控制系统构成 a t o f i n a ( 北京) 工业稳定剂项目，整个现场由原料罐区、丁基 ( b u t y l ) 生产线、辛基( o c t y l ) 生产线、废液废气处理系统、生产 生活消防水系统、冷却水系统、生产配套动力设施( 蒸汽、压缩空气) 构成。系统中需要控制、监视的现场设备点一共有2 7 2 个，其中模拟 量输入( a i ) 6 0 ，模拟量输出( a o ) 1 0 ，数字量输入( d i ) 1 3 9 ，数字 量输出( d o ) 6 3 。考虑系统的规模及其性能价格比，模拟量、数字量 的比例情况，生产操作的特点和要求，采用p c p l c 相结合的方案构成 控制系统。 该系统在实际工作过程中要求有软手动、自动两种运行方式以及 统计报表功能。软手动操作方式要求通过工业p c 的可视化人机界面， 利用鼠标操作来实现人工打开、关闭气动调节阀、气动截止阀、启停 各种泵，进而控制生产过程；自动运行方式则是指按照生产工艺的要 求，所有的操作都是自动完成的，没有人为因素干涉生产过程；统计 报表要求实时监控过程中的各种参数值，完成生产过程中原料统计、 温度压力等工艺参数的记录存档并实时打印，以便核算生产成本与生 产效率、分析与提高产品质量，为进一步生产管理提供依据。 3 2 1 系统的构成如图3 - 5 所示 匦餐蜒螺睡罨辍齿_团 链霉星弼峨器辑 褂躲 第三章控制系统的构成 3 2 2 硬件配置 系统硬件由p l c 、工业p c 、打印机及其服务器、网络适配器、隔 离配电器、继电器、接线端子排、变送器、现场执行机构等构成。 p l c 选用a b 公司新一代的c o n t r 0 1 l o g i x 5 0 0 0 系列，内部配置：c p u 为l 5 5 、r a m 2 5 6 k 、程序最大容量1 5 m 。该类型的p l c 采用模块化的系 统结构，可根据系统规模，灵活地选择输入输出接口模块的数量与类 型。由于系统采用冗余措施，故所有i 0 模板布置在远程i o 框架上。 所谓本地、远程是相对处理器丽言，位于处理器框架的i 0 称为本地 i o ，否则称为远程i o 。处理器通过本地框架上的适配器和远程i o 框架上的适配器完成处理器与i o 模板之间的实时通信。处理器与本 框架上的适配器的通信通过总线形式的背板完成，i o 模板与本框架上 的适配器的通信也是通过总线形式的背板完成。处理器与远程i 0 模 板之间的通信如图3 6 所示。 图3 6 ：c p u 与远程i o 之问的通信 为保证运行的安全性、可靠性，p l c 采用了带冗余结构的系统。系 统冗余又称系统的双重化，本冗余系统硬件包括电源、控制器、适配 器、冗余模块、总线模板( 框架) 。当系统的主处理器处于运行状态时， 从处理器实时拷贝主处理器的数据和指令，并形成映象文件，也就是 晚从处理器的数据和指令随时和主处理器保持一直，这样一旦主处理 器发生故障停止工作时，从处理器可瞬间平滑无扰地切换到主处理器 的位置接替系统的控制运行工作。由于冗余系统之间的数据传输量大， 采用光纤完成两冗余模块之间直接数据通信。冗余系统的数据各份传 输如图3 7 所示。 c 主p uh 慧戮h 兹h 饿h hc 从p u r _ _ ( 总线形式) 广1 模块广+ f 模块广1 ( 总线形式) f + i 图3 7 ：冗余系统的数据备份传输 系统中i o 模板( 数据采集板) 类型的选择：a i 、a o 采用8 通道 ( 双端接线方式) 模板，d i 、d o 采用1 6 通道( 双端接线方式) 模板。 为防止现场信号线将大电流或高电压引入p l c 而烧坏p l c 的i o 模板 第二章控制系统的构成 熬至其它设备，必须聚取保护措施。在设计上a i 模板与现场信号线之 间用隔离配电器进行隔离、d o 与现场信号线之闯接有继电器，避免了 i 0 模扳与现场信号的直接榍连，而a o 、d i 与现场信号线之间加保险 端j f 进行限流僳护。 三套操 乍站选用研华p c a - 6 1 7 9 工业p c 组成，其中台作为工程 师站进行生产管理和生产应急处理，两台作为操作员站糟于工艺生产 款适鼓黢视、接割、掇终，工业p c 内部配置为c p u p i i l 8 6 6 、内存 1 2 8 m 、c o n t r 0 1 n e t 通讯网卡l 块( 用于工业p c 与p l c 之间的适时通信) ， in t e r n e t 鼹域嬲嬲专l 块( 瘸子三套工翌p 及嚣台擐表打印秘组成羁 域网) 。 爻满足生产过程蔗辩统计，温发、压力等工装参数熬记录实霹努 印，用一个打印服务器和三个工业p c 网卡组成一个小局域网，保证三 台工韭p g 之闻静互访以及三台p e 慕享两螽打印梳。 出于系统中传输的数据爨大，为保证网络数据通信的实时、高效， 采用了a 8 公司最新擒出的c o n t r o l n e t 现场总线的网络通信技术。通 镞奔质为同辘电缆，铸输距离最长为3 0 k m ，传输速率为5 m b p s 。 c o n t r o l n e t 工业通信网络是种开放式高速、确定性网络，它适用于 技辕对辩闫有薏妻l 要求豹绩惑，提供适融鹣控制秘对等戆通接服务， 它融合现有的远程t o 和d h + 网络性能，对离散和连续过程控制应用 均其存确定性帮莓重笺 生动戆，霜户霹蠡行设定网络交换舞阗，放瑟 改善网络控制的实时性和快遮性。这种生产者客户的通信方式将传统 网络锋对不同网站逶行多次发送改麓一次发送多点共享，减少了灏终 投送的次数，从而保i 正了网络实时、高效。 o 】1 】整个系统，无论是 l = 业p c 还是p l c 的c p u 本遗框架、远程i 0 框架，网络的实时通信系 绞均用网络适配器遇信模块或网卡通过同轴电缆逐接起来构成 c o n tf o l n e t 网络。现场的信号通过d i 、a i 输入模板经道c o n tr o l n e t 邋落网络铸送给控制器进行务秘运冀、逻辑处理，运算、处理层豹缨 聚又通过c o n t r 0 1 n e t 通讯网络传送给d o 、a o 输出模板去控制现场的 设备： 为增加系统信号远程通信的抗干扰能力，提高采集数据的精度， 豫采霜饶藏斡群蔽线终，还焱恁线翁设计上对屏蔽线采滗多蠢接蘧耩 第三章控制系统的构成 成恻路，问时尽爨避免信号线与强电线平行敷设或靠近大功率的用电 设备。 3 2 3 软许配警 作为问歇过稷生产的监控平台，除具有系统稳定、可靠性高、网络 功能强大的特点外，还黉求必须入税舞面丰富、操俸直观方便。 操作系统采用基于n t 技术具有强大网络功能、稳定性强、兼容性 好的m i c r o s o f tw in d o w s2 0 0 0 。 监控软件采用r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司魄r s v i e w 3 2 避行二次开 发狮成的。j 监控软件以其形象直观的图象功能、高性能的可靠性、 安全蛙、实时性、多任务蛙藤成为计舞枫控溅系统购重要组成部分， 也成为计算机控制技术发展水平的重臻因素。 p l c 逻辑控髑软转浆蠲r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司黪r s l o g i x $ 0 0 0 编程软件完成逻辑图程序设计。该软件具有编程方式灵活、功能模块 多、运算熊力强、逻辑褴能稳定、在绫修改方霞等特点。1 1 2 上位机( 工业p c ) 与下位机( p l c ) 之间的通信驱动软件为r o c k w e l l a u t o m a t i o n 公司的r s l i n x 2 3 。该通信驱动程痔遵循基予o p c 标准的 数据传输枧制。o p c 是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写，即把o l e 技术应用予工业控制领域。工渡控制现场的大量设备，不同的设备需 坚小刚的殴冬驱动程序，同时不同的设冬提供不同的数攒传输协议， 因此将大鬣的设备信号引入到集中控制系统对于硬件供应商和软件开 发囊囊波郡是提滏耱手黪趣题，妇果不磐决这趣震，无疑不遴应毫 动化工业发展的需要，o p c 技术就是为解决应用软件与各种设备驱动程 序戆逶滚褥产生豹一矮工鳖鼓零蔑范帮橼准，基于m i e r o s o f t 豹 ( 儿f ：c o m 技术，为硬件供应商和软件开发商提供了一套标准的接口。o p c 麓薄包括o p c 箍务器帮o p c 客户两部分，其实质楚在硬件供应秘和软 件开发商之间建立一套完整的“规则”。只要遵循这套规则，数据交互 对两者来说都是透明的，硬件供应商貔无需考虑应用程序的多种需要 和传输协议，软传开发商也无添了解硬件的实质和操作过程，只要符 合o p c 服务器的规范，o p c 客户就可以进行数据交换。 1 3 第四章控制系统软件的设计与开发 第四章控测系统软传的设计与开发 控钱系统较传懿设诗、开发包括上篷瓿( p c 整控敬孛弱设诗、 开发和下位机( p l c ) 逻辑梯形图控制软件编程。 考惑弱该磺器藩予麓歇：适程生产，藩敞过程瓣控镧焱软释设诗上 有其特殊臻求，因此将整个系统划分成上位监控软件部分、下能控制 软件部分和海歇过程控翩帮分三大帮分进行分嗣设计。 4 。l 上位监控软件设计 上位黢控软件必须具备设备的状卷监襁、操佟控制，数握处理 实时报警，历史报表，零件融录，系统管理等功能。 4 1 1 工艺流稷窗口 工艺浚程密口熬浚诗内容惫摇畿场各类设备及各耱z 艺参数兹动 态监视、实时操作控制窗口和历史报警汇总、历史事件记录等系统管 理窗口。工艺浚程兹磷覆必籁直蕊形象、简擎羁了，使撩作者熊方便 地j j 矗视和完成各种操作控制，减少操作人员工作擞和避免生产过程中 酌误操作发牛。 根据a t o f i n a ( 北京) 工业稳定剂生产现场设备布局情况以及在 生产中的使用特点，将整个生产现场划分为原料罐区、丁基( b u t y l ) 生产线、辛基( o c t y l ) 生产线、废渡废气回收处理系统、生产生活 消防水系统、冷却水系统、生产配套动力设施( 蒸汽、压缩空气) 七 犬区域遴 亍监控，耀纛戆密日裁骞原瓣接镶工艺浚翟一、器辩镶罐工 艺流程二、f b u t y l ) 丁基生产线工艺流程、辛基( o c t y l ) 生产线工 艺滚程、疲浚菠气瑟羧处理系绕工蓑滚程、生产生活涪耱东系绞工艺 流程、冷却水系统工艺流程、生产配套动力设施( 蒸汽、压缩空气) 工艺流罄、振警汇总、历史事件记录。通遥这些可视纯密日，搡作入 员就能够准确、迅速、有效地宠成对生产现场的安黛监督和实时控制。 点击窗口下方的菜单按钮即可完成各窗口之闯的切换。如图4 一l 所示。 谯工岂流攫察口显示的内容包括： 徊驰煺枘h趣忆刊醐卜一一净hau i 寸囤 划蕾盘怒芝一铎垛器掣 料嚣舔 第四章控制系统软件的设计与开发 1 设备、管道、阀门之间的工艺流程关系； 2 原料罐、反应釜、成品罐、回收处理罐的液位