（检测技术与自动化装置专业论文）抄纸过程智能监控系统的开发研究.pdf

天津 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：复蒯多 日期：硝年；月y 日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科 技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：乏肜谚 日期：乃碍年岁月，7 臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口( 请在方框内打“v ，) ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密l 习( 请在方框内打“v ) 。 作者签名：复朐哆日期：芳年岁月j 7 日 导师签名： 哆祈嘴日期：如刃年3 月r 日 本文以造纸过程中的抄纸工艺流程为对象，设计了基于m c p l c 的抄纸过程智能 监控系统，包括现场p l c 程序控制系统、上位计算机监控系统、高级智能控制系统以 及它们之间的通讯系统。文中分别介绍了各个系统的硬件配置及其功能的软件实现。 该项目现场控制系统采用的是德国s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c 做下位控 制器，完成数据采集和对生产工艺的控制。运用与之相配的s t e p 7 编程软件，通过 s t l 和l a d 编程语言编制了现场p l c 的控制程序，从而使纸浆流送、纸机传动、蒸 汽供汽、水分定量四个子系统可以按照生产工艺的要求实现自动控制生产流程。 运用性能稳定、抗干扰性能好的研华工控机作为监控系统上位机。采用同是 s 正m e n s 公司的w i n c c 工控组态软件对上位机监控功能进行组态和人机界面的设 计，实现现场数据实时记录、显示和监控，设计了工艺流程画面、记录查询画面、报 警画面、报表打印画面、参数设定画面、实时曲线显示画面等操作显示画面。 针对生产过程中被控对象一一水分、定量具有非线性，大滞后、强耦合等特点， 采用模糊控制策略并结合专家控制算法对其进行控制，并利用w m c c 的全局脚本编 程实现此控制算法。并通过m a t l a b 进行仿真与传统p i d 控制的仿真结果进行了比 较，表明了此控制策略提高了控制精度，满足了生产工艺要求。 系统控制室中的上位工控机通过基于t c p 口协议的工业以太网与下位p l c 进行 通讯，而下位p l c 之间通过m p i 进行通信，此控制系统不但发挥了不同设备各自的 优势，缩短了工程时间、降低了人力物力消耗，而且可方便与管理控制中心进行联系， 实现了管控一体化。 关键词：可编程序控制器；i 控机；工业以太网；模糊p i d 控制；w i n c c 组态软件； 水分定量；造纸； 1 n h ep a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to fp a p e r - m a k i n gp r o c e s s ，w h i c hi sb e l o n g st o s h a n d o n gd ez h o up a p e r - m a k i n gf a c t o r y , t h en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e d o ni f c p l ch a sb e e nd e s i g n e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sp l cp r o g r a mc o n t r o ls y s t e m c o m p u t e rs u p e r v i s i o ns y s t e m i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r b e s i d e st h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r e a c h i e v e m e n th a db e e ni n t r o d u c e d i nt h i sp r o j e c t ，t h ef i e l dc o n t r o ls y s t e mu s e db yt h eg e r m a nc o m p a n ys i e m e n s s 7 3 0 0p l ct om a k ec o n t r o l l e r , a n dt h el o w e rs t a t i o nc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l o ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s w i t ht h eh e l po ft h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a m m i n gs o f t w a r e s t e i y 7a n dt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g es t la n dl a d ，p r o g r a mt h ec o n t r o ls y s t e m ，s ot h a t , t h em o n i t o r i n gs y s t e m 啪m a k es u r et h ef l o wo fp a p e rp u l p , t h ed r i v eo fp a p e r - m a k i n g m a c h i n e ，t h es t e a ms u p p l yo fp u m p , t h ec o n t r o lo fm o i s t u r ea n dw e i g h ta n da m m o n i a r e c o v e r yp r o c e s sw o r k s h o pi na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n d so fp r o d u c t i o np r o c e s s u s i n gh i g hs t a b i l i z a t i o n a n dg o o da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c ei n d u s t r i a lp e r s o n a l 。 c o m p u t e r ( i f c ) a su p p e rc o m p u t e r , w i n c cs o f t w a r e ，w h i c hi s a l s oap r o d u c tf r o m s i e m e n s ，i su s e dt oc o n f i g u r et h es u p e r v i s o r ys o f t w a r ea n dd e s i g nt h eh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ( h m i ) ，a n dr e a l i z e st h er e a l - t i m ed a t a l o g g i n g , s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n g , a s w e l la sv a r i o u sh m is u c ha st e c h n o l o g i cf l o w , r e c o r dc h e c k i n g ，a l a r m i n g , r e p o r t i n g , p a r a m e t e rs e t t i n g , r e a l - t i m ec u r v i n ga n ds oo n i nt h ev i e wo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s so b j e c t - - d e n s i t yo fn o n l i n e a ra n dd e l a y c h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h ef u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g ya n de x p e r tc o n t r o li sa p p l i e dt oc o n t r o l t h i sv a r i a b l e a n du s et h eg l o b a ls c r i p to fw i n c cs o f t w a r et od e v e l o pt h es e l f - a d j u s t i n g f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ff u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g ya r e c o m p a r e dw i t ht h ep ds t r a t e g y , t h er e s u l t ss h o wt h a t c o n t r o ls t r a t e g yi m p r o v e st h e a c c u r a c yo fc o n t r o lv a r i a b l ea n dm e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s p l ca n di f ci nt h ec e n t r a lc o n t r o lr o o mi sc o m m u n i c a t e dv i ai n d u s t r i a le t h e r n e t b a s e do nt c p i f , m p ii su s e di nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep l c t h i sc o n t r o ls y s t e mn o t o n l yt om a k e sp r o f i to ft h eu n i q u em e r i t so fp l ca n di f c ，b u ta l s o r e a l i z e si n t e g r a t i n g m a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：p l c ，i f c ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，f u z z yp i d ，w i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e , m o i s t u r ea n dw d g h t ：p a p e rm a k i n g ： 1 绪论 目录 1 1 国内外制桨造纸业综合自动化发展概况与趋势1 1 2 国内外造纸自动化的现状2 1 3 课题理论和应用方面的意义3 1 4 课题研究的主要内容：3 2 抄纸过程智能监控系统方案综述。一一。一一。一一一5 2 1 自动控制的系统的技术背景5 2 2 工业控制网络。6 2 2 1 以太网进入工业控制网络的原因。7 2 2 2 工业以太网的c s m a c d 介质访问控制技术：7 2 3 抄纸过程工艺流程简介：9 2 3 抄纸过程自动控制系统的特点。9 2 3 1 纸张水分定量控制特点分析：9 2 3 2 纸机同步控制特点分析：。1 0 2 4 控制系统方案的选择1 0 3 现场级控制系统的开发 3 1 系统软硬件选型1 3 3 1 1 主要硬件设备选型：1 3 3 1 2 系统软件配置：。1 5 3 1 3 系统通信。1 5 3 2 基于s t e p 7 的p l c 程序开发1 7 3 2 1 软件模块s t e p 7 软件简介。1 7 3 2 2p l c 控制系统硬件组态1 8 3 2 3p l c 编辑符号表2 1 3 2 4 软件模块2 1 4 上位监控软件开发 4 1 概i 苤2 6 4 2w i n c c 简介2 8 4 3 w i n c c 在抄纸过程控制系统中的应用2 8 4 3 1 建立抄纸过程控制系统。2 8 4 3 2 建立w i n c c 与s i m a t i cs 7p l c 的通讯：2 9 4 3 3 建立标签。3 2 4 3 4 编辑工艺流程画面：。3 2 6 3 1 构造f i s 编辑器6 4 6 3 2 创建模糊p i d 控制器。j 6 5 6 4 利用s i m u l i n k 工具箱和m 文件结合进行仿真。6 5 6 5 仿真与分析6 7 6 6 结论6 7 结束语 参考文献 攻读学位期间发表的论文 致谢 6 9 7 l 7 6 7 7 天津科技 1 1 1 国内外制桨造纸业综合自动化 计算机应用于制浆造纸工业始于1 9 6 4 年【l j 【2 l 。最初的应用集中于过程变量或产品质 量的自动控制，如浆的蒸煮温度，流浆箱液位、压力，纸抄造过程中的浆浓度与流量、 纸张定量水分控制等。一些先进的控制算法最早便针对纸机对象进行研究并获得成功应 用，如自动控制理论中著名的最小方差控制器( m i m l u mv a r i a n c ec o n t r o u e r , m v c ) 、自 整定调节器( s e l f - t u n i n gr e g u l a t o r , s t r ) 等。2 0 世纪7 0 年代后期，国外大多数纸机已经 实现计算机控制。d c s ( d i s t n b u t e x tc o n t r o ls y s t e m ) 与p l c ( p r o g r a n n n a b l el o g i cc c m 昀u 呻 以其优良的性能在工业控制中崭露头角，并很快在制浆造纸工业中得到了普遍应用。8 0 年代初开始，自动化系统也逐渐由原先单一的过程控制向管理与控制一体化的综合自动 化方向发展。进入9 0 年代后，自动控制及仪表、计算机、通信以及信息集成等相关领域 的技术发展迅速，以h o n e y w e l l m e a s u r e ，a b b 和n c l e s - v a l m e t 等为代表的专门从事造纸 自动化的公司规模越来越大，提出的工厂自动化整体解决方案更趋完整，并能更紧密地 与制浆造纸工艺结合。在芬兰，一种被称为战略自动化的系统s a s ( s t r a t e g i ca u t o m a t i o n s y s t e m ) i e 在多项基金的资助下进行研究开发。该系统将整个制浆造纸厂的经营和过程控 制信息连为一体，不仅包括传统的过程控制系统，而且包括经营、生产管理及环境保护 等各方面的控制系统，其目的是最终实现在一个集成的信息和自动化系统中，控制与优 化整个企业的经营与生产过程。 与国外经验大致相同的是，我国制浆造纸业的自动化也是从过程级的控制开始的。最 初是采用常规调节仪表对流量、液位、浓度及压力等常规变量进行单回路控制，以保证 生产过程尽可能地平稳运行。采用计算机对纸张定量水分的控制始于2 0 世纪7 0 年代后 期几家大型造纸企业的引进系统。1 9 8 4 年我国第一套独立研制的计算机定量水分控制系 统在浙江大学诞生了，标志着我国造纸自动化进入了一个新的发展时期。此后，许多高 校、科研单位与制浆造纸企业合作，针对生产不同种类纸张的各种纸机控制系统，从数 学模型、控制算法、系统软硬件的组成和实现技术、纸机基本信息管理系统( 如汽、电、 水消耗和纸产量的统计，班组报表，事故及断纸报表等) 等诸多方面进行了研究，取得了 一系列的理论研究与应用开发成果，其中有些直接应用于企业，获得了相当好的经济效 益。进入9 0 年代后，在国家“八五 、“九五一科技重点攻关项目的支持下，除了已趋 成熟的纸张定量控制系统以外，蒸煮、打浆、蒸发、燃烧等几乎包括了制浆造纸所有工 段的建模、控制与优化，制浆造纸自动化专用仪表及设备成了研究的对象，且所得的研 究成果大多已应用于现场。此外，近1 0 年来，有关制浆造纸企业的生产调度、信息管理 以及决策系统等方面的研究也逐渐引起学者与企业界的兴趣。 根据国内外有关资料及发展趋势来看，抄纸过程自动控制系统的未来发展将表现为 以下几个特点1 3 】： 我国是当今世界上纸和纸板生产与消费大国1 4 1 1 5 1 ，总消费量近年来一直保持着仅次 于美国居于世界第二的位置，受供求关系和国内经济高速发展的影响，总生产量也己超 过日本仅次于美国，造纸产业在国民经济中占有越来越重要的地位。目前，我国大约有 中型造纸企业3 0 0 0 余家，但是大多数造纸机都是低速纸机( 车速为5 0 0 m m i n 以下) ，也 有一部分是中速纸机( 车速为5 0 0 - 8 5 0 r e r a i n ) ，但它们的控制系统多采用p i d 闭环控制， 经常会出现速度波动断纸等现象，生产过程中很容易误停车，导致浪费严重。另外，国 内的中速纸机大部分靠进口，高速造纸机全部依赖进口，为此，国家每年要花掉十几亿 美元。我国加入w i d 后，随着造纸机械行业市场的逐步放开，竞争日趋激烈，我们必 须要加快研制高速纸机的步伐，同时迅速完善中速纸机的控制系统。否则，不但高速纸 机的市场抢不过来，而且连中低速纸机的市场也会丢失。 我国造纸行业较之其它行业来说，自动化基础薄弱，总体水平较差，老厂小厂还占 相当大的比例，设备普遍陈旧，技术含量低，生产成本高，企业管理基础薄弱。许多特 殊的物理参数，如定量、水分、灰度、张力等，因为传感器缺乏或非常昂贵而不易获取， 这直接给数据实时采集与处理、数学模型的建立控制系统的设计与实施等带来困难。而 在相关理论研究与开发上与世界先进水平也存在着相当大的差距，使得自动化系统开发 2 天津科技大学硕士学位论文 周期长，成本费用高，系统鲁棒性较差。因此，必须一方面加强相关的基础理论研究， 另一方面解决其中的关键技术，为实施综合自动化系统扫清障碍。尤其是要结合我国造 纸企业的实际情况，在过程建模、软测量技术、先进控制策略、动态系统的故障诊断、 生产管理与调度、实用软件的开发等关键技术上利用已经具有的良好基础与一定优势进 行研究开发，获得理论与技术上的重大突破，最后达到建设具有独立知识产权的，包括 了软硬件产品在内的造纸企业综合自动化系统的目的。 1 3 课题理论和应用方面的意义 纸是日常生活中不可缺少的重要消费品，也是工业生产的重要原料和包装材料，在 国民经济中占有重要地位。现代制浆造纸工业的特点不同于一般日用消费品工业，它是 技术密集，资金密集，资源消耗量大，产生污染多的工业。近几年来，国际纸浆造纸技 术发展很快。通过引进、消化和吸收国外先进的造纸技术，中国的造纸工业得到了突飞 猛进的发展。但中国造纸工业存在原材料短缺、资源和能源消耗量大、生产效率普遍不 高、污染严重等问题，关键是技术( 包括自动化技术、工业技术和装备) 比较落后。尤 其是现在的大中型纸机车速快、产量高、要求生产过程自动化程度高，许多环节单靠人 工不能保证正常生产，必须尽可能采用自动控制，甚至生产过程全线自动控制。我们可 以看出，中国造纸工业过程控制如不能采用高新技术，中国的造纸工业是没有出路的。 抄纸过程是造纸生产过程中十分重要的一环，要提高产品的质量和产量，降低原料 和能量消耗，必须对抄纸过程实行自动控制。在本课题中采用p l c + d c s 控制系统对整 个生产过程进行计算机监督、控制、管理，很大程度的提高了车间的自动化水平，能从 根本上提高产品的质量和产量，提高纸厂的管理水平，降低原料消耗，能满足我国造纸 自动控制的需求，具有较大的应用和推广价值。针对抄纸过程水分定量控制系统具有大 滞后、非线性、时变的特点、采用专家系统与模糊控制相结合的智能方法。设计出控制 精度高，鲁棒性好的模糊控制器。 同时，运用d c s 强大的模拟量处理功能和先进的控制算法可以实现抄纸过程中的 难点、重点控制网。采用集散控制多台p l c 分担了控制功能和控制范围，处理能力大大 提高，并将危险性分散。此外，采用功能强大的工控机作为面向操作人员的操作员站， 人机界面友好、操作方便，并通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，确保生产过程 的安全可靠、高质高效。 1 4 课题研究的主要内容 本课题的主要研究内容是通过对抄纸过程工艺的分析研究，建立基于i p c - p l c 的抄 纸过程智能监控系统，对整个生产过程进行计算机监督、控制、管理，提高生产效率和 管理控制水平1 7 】。本课题研究的主要内容有： 1 根据生产工艺特点确立监控系统的方案，确立纸浆流送、纸机传动、热泵供汽和水 分定量四个子系统。 2 在上位监控系统中采用w i n c c6 0 实现流程画面、状态监视、实时曲线、工艺变 量和控制参数的设定、报警显示与确认和高级控制策略开发的功能。保证监控画面清晰、 ，并实 安全机 制和管 等非线 天津科技大学硕士学位论文 2 抄纸过程智能监控系统方案综述 2 1 自动控制的系统的技术背景 自动控制技术，在人类控制自然界、提高劳动生产率的过程中起了重要作用。自动 控制理论和应用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段1 4 】。 从4 0 年代到5 0 年代是经典控制理论阶段，采用传递函数进行数学描述，以根轨迹 法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，很大程度上依靠人工和经验进行系统分析 和综合，设计过程中，一般将复杂的生产过程人为分解为若干个简单过程，最终实现单 输入单输出系统，属于局部自动控制的范畴。自动控制水平还处于比较低级阶段。 6 0 年代是第二阶段，现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成就。现代控制理 论以状态空间分析方法为基础，包括最小二乘法为基础的系统辨识、以极大值原理和动 态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计三部分内容。现代 控制理论对控制系统进行综合和分析时，深入揭示系统内在规律性，从局部简单控制进 入一定意义下的全局最优控制。 到7 0 年代，自动控制理论及其应用技术的发展进入第三个阶段。这一阶段由于计算 机的功能和可靠性的大为提高，而价格却不断下降，尤其是工业用控制机( p q ，在采用 冗余技术，软硬件自诊断功能等措施后，其可靠性已提高到基本满足工业控制的需要。 另外大系统理论和智能控制理论也在这一阶段形成。针对工业生产规模大，被控对象参 数和控制回路多的特点，工业上所用计算机控制系统应该具有高度可靠性和灵活性，为 了满足这些要求，工业控制出现了集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术 于一体的集散型控制系统。集散型控制系统的特点是集中监视、操作、管理和分 散控制检测，在中控室内可对整个工况进行监视并发布调度命令，各工序则采用独立自 控的原理进行系统配置和运行。应用集散型控制系统代替常规仪表实现生产过程中运行 参数的在线检测，实施诊断与报警，显示设备在运行中存在的故障，分析参数的变化趋 势，及时发现和预报异常运行情况，并记录运行的状态和过程，使操作人员直观、方便 地管理生产的全过程。d c s 集散型控制系统在生产过程自动化上的应用日益广泛。 d c s 一般由控制管理计算机( 简称上位机系统) 、过程控制计算机饰称下位机系统) 和上下位机之间的数据通讯系统组成。( 1 ) 上位机系统( 高级操作站和基本操作站) 完成与 操作人员进行信息交互，以屏幕窗口或文件表格的形式提供人与过程的界面以及人与系 统的界面。根据用户的需要，可以按生产过程分段设置若干个基本操作站。( 2 ) 下位机系 统( j 见场控制站) 是控制系统的核心，系统中的控制和全部数据采集、处理等均由控制器 承担。现多采用各种智能数字调节器和可编程序控制器( p l d 。( 3 ) d c s 控制系统中，一 般采用局部网络来通信，大多属于按各制造厂自身的通讯协议工作。 目前，世界上有名的d c s 厂家就有上百家。各厂家自己的硬件和软件都具有灵活的 组态和配置能力，为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了加固处理，使其具有 防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、震动及耐高低温等恶劣环境的能力。但是不同的系 2 抄纸过程智能监控系统方案综述 统采用的计算机硬件差别很大。对于现场控制站，从可编程序逻辑控制器，到单片机组 成的小型控制采集系统，再由如s t d 和i p c 等小型工控机到各种1 6 位和3 2 位总线型工 业控制计算机系统等都是可选的现场控制站系统。而各家的d c s 的操作员站和工程师站 差别就更大下。在d c s 系统中，不同厂家软、硬件产品不能互换，虽然在通讯方面部分 采用i e c 的过程数据公路p r o w a y 标准，但大多仍属于按各制造厂自身的通讯协议工 作，影响了综合自动化系统的完整性与可靠性。另外，在d c s 中，现场控制站和操作站 之间仅需一条通信电缆( 或光缆) 相连接，而输入输出信号线可能有数百条之多，信号电 缆长度较长，系统造价高，并且长距离传输易受干扰，可靠性不高。在这样的情况下， 产生了现场总线，为现场设备接口的智能化、网络化、标准化、低成本提供了机遇。 在现场智能仪表和控制室之间通过一种全数字化、双向、多站的通信网络连接成现 场总线控制系统c s ) 阁。f c s 具有开放性、分散性、数字通讯，比以前的控制系统具有 更多优点，自出现以来发展十分迅速，大有取代d c s 之势。现场总线是连接智能现场设 备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，主要解决现场的智能化 仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信及这些现场控制设备与高级控制 系统间的信息传递问题。当前的各种现场控制站，尤其是p i c 都增置了较强的联网通信 能力。现场总线网可以采用廉价的双绞线为传输介质，将作为主节点的现场控制站，与 作为从节点的数十个数字调节器、p l c 或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台 p l c 通过网关直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。但是现场总线控 制系统对现场自动化设备的要求较高，而在现阶段由系列智能结点( 控制器、传感器、执 行机构等) 构成的统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现，所以建立基于现场总线的、 由p l c 、i p c 组成与d c s 相兼容的系统就是比较现实经济的选择了。这种系统在现场总 线级实现数字量传输，提高信号传送精度，增强现场控制的灵活性，降低设计施工费用， 减少电缆铺设，易于维护，能适应今后控制系统的扩展【1 3 1 。 2 2 工业控制网络 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革1 1 1 1 1 2 11 1 3 1 。控制系统结构 向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。一般来讲，一个控制系 统网络可分3 层：管理层、监控层和设备层。管理层一般采用以太网来与外部的i n t o r n c t 相连，监控层和设备层是构成工业控制网络的主体，以前常用的工业控制网络是d c s ( 集 散控制系统) 和现场总线。现在随着信息技术的发展，以太网越来越多地应用到工业控制 领域。一个良好的工业控制网络应该具备以下几个条件： ( 1 ) 较高的实时性，工业控制网络不仅要求传输速度快，而且要求响应速度快，即响应实时 性要好； ， ( 2 ) 具有较高的可靠性，工业控制现场的复杂性要求工业控制网络不但要有耐冲击、耐振 动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，而且要求工业控制网络在现场设备或 网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路： ( 3 ) 开放性要好，即工业控制网络尽量不要采用专用网络，这样有利于系统的扩展和维护； 6 天津科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 力求简洁，以降低成本。 2 2 1 以太网进入工业控制网络的原因 以太网进入工业控制领域是顺应现代科技发展潮流的。其主要原因有以下几点 2 6 1 1 2 7 1 ： ( 1 ) 现场总线技术本身的局限。现场总线技术的出现适应了工业控制系统向分散化、 网络化、智能化发展的方向，导致了工业自动化领域的一次更新换代，但是现场总线技术在 其发展过程中也有很多不足之处。主要有：现场总线标准过多，仅国际标准i e c 6 1 1 5 8 就 包含8 个类型，不同总线之间不能兼容，不能真正实现信息的无缝集成；现场总线是专门 的实时通信网络，成本较高；不便与目前流行的网络通信技术( 如i n t e m e t 等) 进行集成。 应该说，现场总线技术本身的局限性给了以太网可乘之机。 ( 2 ) 以太网的开放性和兼容性。以太网是目前应用最广泛的局域网技术，遵循国际标 准规范正印s 0 8 0 2 3 。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a ，v i s u a l c + + ，v i s u a lb a s i c 等。采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具和平台可供选 择。 ( 3 ) 通信速率高。l o o h 绷o p s 快速以太网己经广泛应用，而传统现场总线的通 信速率最高只有1 2 m b p sc p r o f i b u sd p 的全双上状态) 。显然以太网的通信速率比现场总 线要快得多，可以满足上业控制发展对带宽的更高要求，更有发展前景。 ( 4 ) 易与i n t e m e t 连接，实现管理层和工业控制现场层的无缝连接。由于具有相同的 通信协议，以太网能实现办公自动化网络和工业控制网络的无缝连接，而随着实时嵌入 式操作系统和嵌入式平台的发展，嵌入式控制器、智能现场测控仪表将方便地接入以太 控制网络，直至与e t h e r n e t 相连，组建统一的企业网络。网络上的用户无论处于什么地 方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的共享数据、设备及其它服务。极大地 解除了“地理位置上的束缚 ，这种强大的资源共享能力得益于以太网巨大的用户群， 是目前其它任何一种现场总线都无法比拟的。 成本和费用低廉。由于以太网的应用最为广泛，受到了硬件开发商和生产厂商的 高度重视与广泛的支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择。与目前众多的现场总线 相比，价格也低廉得多。在工程和应用方面，由于以太网已沿用多年，已为众多的技术 人员所熟悉并对以太网的设计、开发和应用等方面有很多的经验。现有的大量资源可以 极大地降低以太网系统的开发、培训和维护费用，从而可有效降低系统的整体成本，加 快系统的开发和推广速度。因此，以太网具备进入工业控制领域的条件。 2 2 2 工业以太网的c s m 彻介质访问控制技术 工业以太 i 5 1 1 1 7 1 1 1 8 1 是用于大型集散控制系统的高速网络系统，最高通信速率可达 1 0 0 m b p s ，通讯距离为1 5 k i n ( 同轴电缆) 或2 0 0 k i n ( 光纤) 网络可连接多于1 0 0 0 个 节点。它是基于i e e e s 0 2 3 的工业标准总线系统，采用c s m a c d 访问协议。节点之间 通过连接方式进行数据传输，由主站建立连接，被动站加以确认。 载波监听多路访问j 中突检测( c a t t i e rs e n e sm u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 是以 8 天津科技大学硕士学位论文 2 3 抄纸过程工艺流程简介 浆泵 。 图2 - 2 抄纸过程工艺流程图 f i 9 2 - 2t h ep i o m eo fp a p e rm a k i n gp r o e t m 抄纸过程是一个复杂的传质传热过程，其工艺流程如图2 - 2 所示。首先，来自网下 的白水和中浓度浆混合，配成低浓浆，再由浆泵送往除砂器，由除砂器滤除浆渣送往流 浆箱( 这里为气垫式) 。在流浆箱里混合，稀释纸浆成分，并通过调节压缩空气和流浆箱 压力稳定纸浆的流量和浓度，并在流浆箱口以接近网速喷洒在铜网上，上网纸浆先在网 部依靠重力和抽吸力滤出所含大部分水分，再经压榨部挤压脱水，然后进人干燥部进一 步烘干，通过调节烘缸蒸汽压力使纸页( 成纸) 水分控制在5 7 。成纸通过扫描架上安 装的定量及水分扫描仪，检测出纸张的定量及水分，最后在卷纸机上卷成纸卷【3 1 。 2 3 抄纸过程自动控制系统的特点 ， 由工艺流程可以看出抄纸过程是一个工艺复杂、随机干扰多、滞后大、非线性、强 耦合的时变系统，除对大量电磁阀、浆泵的顺序启停，联锁控制外，还要控制水分，定 量等大滞后，强耦合的模拟量，同时完成压榨部、烘干部、卷取部等1 6 个传动点的高精 度同步控制。 2 3 1 纸张水分定量控制特点分析 纸张的水分定量是抄纸过程最基本也是最重要的技术指标 s 4 1 i s q 。影响纸张水分定量 的因素有很多，具体说来，定量的影响因素主要是上网纸浆的浓度、流量和车速：另外， 纸张水分波动对定量的影响也很大，并表现出强耦合特征。影响纸张水分的因素主要有 真空脱水、压榨脱水、和烘缸干燥等各个环节的运转情况。诸多不利因素增加了实现水 分定量自动控制的难度，控制难点表现为： ( 1 ) 定量控制回路的大时滞性。纸张定量检测点( 纸张卷取处) 与执行机构( 定量调节 阀，流浆箱进浆口管道上) 之间的距离较长，滞后时间根据纸机车速的不同大约为l m i n 到十几分钟不等。 2 抄纸过程智能监控系统方案综述 ( 2 ) 水分控制回路的大惯性。纸张水分的控制是通过控制烘缸蒸汽压力来实现的。 因为温度变化是一个缓慢的过程，真空脱水、压榨脱水和烘缸干燥状况等都会对水分回 路时间常数产生很大影响。 ( 3 ) 定量和水分之间的强耦合特点。纸张水分的变化会引起纸张定量的变化，纸张 定量的变化也会影响纸张水分的变化。 ( 4 ) 抄纸过程自身的时变非线性因素。这些因素使得抄纸过程精确的数学模型难以 得到，导致一些高级的过程控制算法，如多变量解耦控制，自适应控制等难以适用，降 低了控制质量。 j 2 3 2 纸机同步控制特点分析 造纸设备虽然种类繁多，传动结构也各异，但从系统组成来看都是由压榨、烘干、 压光、卷取等连续且复杂的几大部分组成，各部分都有电机驱动陶。纸机车速高速化给 纸机传动系统提出了新的要求，速度链控制，负荷分配和张力控制这三种控制方式已成 为高速纸机的基本要求。目前造纸设备实现这些要求的最佳控制方案是变频调速，而对 变频器的控制主要有两类：一类是p l c 控制，另一类是p c 机或工控机控制，其控制难 点表现在： ( 1 ) 在纸传送的过程中，不仅要保证纸在各部传送的速度一致，而且还要保证纸有 一个恒定的张紧度，以及压榨部等传动点的电机负载率相等。 ( 3 ) 纸机传动系统是个多变量、多参数系统，影响传动系统的因素有很多，例如张 力、速度、电流、电压、负载等。 ( 2 ) 整个纸机流程中传动点多达1 6 个，交流电机的非线性、多电机的性能差异和负 载的波动给控制带来很大的影响。 2 4 控制系统方案的选择 本课题的目标是通过分析抄纸过程工艺流程，实现对抄纸过程的全自动智能监控， 保证生产过程的高效、经济、环保运行。 经过查阅文献资料，结合本课题的实际情况及要求，综合比较多种方案，确定本系 统控制方案为：由i p c 和p l c ( c p u 及其扩展模块) 组成基于i p c - p l c 的三级d c s 监控 系统，系统组成如图2 - 3 所示【1 3 l 【1 4 1 。 1 0 天津科技大学硕士学位论文 纸浆流送纸机传动热泵供汽 水分定量 图2 - 3 控制系统方案图 f i g a - 2t h ep i c t u r eo fc o n t r o ls y s t e f f l l p l c 选用西门子s 7 - 3 0 0 系列p l c ，其中c p u 模块选用c p u 3 1 5 2d p 。共设四台p l c ， 四台p l c 分别控制纸浆流送、纸机传动、热泵供汽、水分定量四个子系统。p l c 用 s i m a t i c s t e p 7v 5 2 软件进行软件编程和硬件组态，实现生产过程的各种常规控制，如： 开关量控制、常规p i d 控制、联锁保护等。p l c 通过工业以太网与上位工控机相连，向 上位机传送各种数据，并接受上位机的发出的各种控制命令，实现上位机与下位机之间 的通信，从而形成控制系统的中间层。 i p c 选用研华工控机，作为上位机。设四台并行运行的操作员站，和一台工程师站。 上位机使用西门子的s i m a t i cw i n c c6 0 软件进行人机界面的设计、组态，实现抄纸 过程的运行状态，报警信息的显示、确认和处理，报表的打印等功能。四台工控机用以 太网连接，实现上位机与上位机之间的通信，最终形成控制系统的最高层。 基于i p c - p l c 的计算机集散控制系统的主要功能有【明【峋： 1 、上位机系统实现对整个工艺流程的设备运行状态的实时监控，将工艺流程以直观 的画面显示出来，记录在线检测的参数，记录设备运行状态和过程，分析参数的变化趋 势，及时发布和预报运行情况，实施诊断和报警，完成专家控制和模糊p i d 控制算法， 解决水分定量互相耦合的难题。 对多样化 和要求， 原料，保 及时地反 3 现场控制系统主要完成数 和软件开发、在本控制系统中 门子公司的s t e p 7v 5 2 编程软 ， 工艺的要求实现对生产过程的 3 1 系统软硬件选型 3 1 1 主要硬件设备选型 1 ) 工控机( p c ) 2 s 1 1 2 9 1 ：选用研华系列的工业控制计算机作为上位机，保证系统高可靠 性。 劲可编程序控制器( p l c ) 1 2 0 1 2 1 】：选择西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 型p l c 作为下位 机 2 s 1 1 2 9 3 0 1 3 1 1 ，它是系统的核心，其特点是体积小、功能强、可扩展性好，有多种专用功 能模块可满足不同特殊场合的需要，具有较高的性能，价格比。先简单介绍一下s 7 - 3 0 0 系列p l c 。$ 7 - 3 0 0 是s i e m e n s 公司推出的一种中型p ic 刚【2 1 1 ，是一种全集成的，模块 化的p l c 。它硬件安装简单，快捷；具有很多种扩展模块及各种功能模块，能满足用户 的不同需要。 s 7 - 3 0 0 系列p l c 具有下列特点： 高密度的i o 模块，每个模块最多可达3 2 个通道。 模块无需设置跳线。 集成的易于连接的背板总线。 d 矾导轨卡安装方便可靠，无槽位限制。 自编码型前连接器识别模块类型，确保模块更换后连线正确。 内容丰富，功能强大的指令集。 多种c p u 型号满足不同的性能要求。 强大的扩展能力，集中式配置可达1 0 2 4 个叫o ，