（电气工程专业论文）基于plc的水泥粉磨控制系统.pdf

r u b st h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep l cc e m e n tf l o u r a b s t r a c t t h a tc e m e n tp o w d e rd a w d l e sa w a yi sai m p o r t a n tl i n kt h a tc e m e n t p r o d u c e s ，i s o n ek i n do f c o m p l i c a t e d ，l a r g e s c a l e a n d c o n t i n u o u s i n d u s t r yp r o c e d u r e o f p r o d u c t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c h a v i n g m u l t i v a r i a t e ，s t r o n gc o u p l i n g ，h i g h e r - d i m e n s i o nn u m b e r t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c tb a c k g r o u n d ，s t u d i e da n d d i s c u s s e st h e c e m e n tf l o u rt or u bt h ec o n t r o ls y s t e mt h ed e s i g na n d t h ea n a l y s i s t h i ss y s t e mi s t h ei n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e rs y s t e ma n d t h ep r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r f u s i o ni sab o d yn e ws y n t h e s i s c o l l e c t i o nc o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l ef i r s tr u b st h e p r o d u c t i o nl i n e a c c o r d i n gt ot h ec e m e n tf l o u rt h ec r a f ta n dt h er e q u e s t ，p r o p o s e d t h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp l a n t h e ne l a b o r a t e d t h i sd c ss y s t e ms h a p i n g ，t h e s t r u c t u r ea n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n h a se m p h a t i c a l l ya n a l y z e dt h e s c e n ee q u i p m e n tl e v e le l e c t r i c i t y p r i n c i p l eo fd e s i g na sw e l la ss c e n ec o n t r o ls t a t i o n c o n s t r u c t i n gi n t h eh a r d w a r ed e s i g ns y s t e mw i t ht h ec o r r e s p o n d e n c en e t w o r kc h o i c e t h e s o f t w a r ed e s i g nu s e sc x l - p r o g r a m m e rp r o g r a m m i n gs o f t w a r ew h i c h j a p a n e s e o m r o nc o r p o r a t i o np r o v i d e s ，t h eu s et r a p e z o i d a lc h a r tl a w c a r r i e so nt h e p r o g r a m m i n g a c c o r d i n gt op r o d u c e st h ec r a f tt h e a n a l y s i s ，h a sc o m p l e t e dt ot h e p r o d u c t i o nl i n el o g i cc o n t r o ld e s i g n t h ec e n t r a l i s mo p e r a t i o ns u r v e i l l a n c el e v e l u s e sd a q f a c t o r ys o f t w a r e ，h a sc o m p l e t e dt h ei od a t ap o i n t e s t a b l i s h m e n ta n dt h e m a n a g e m e n t ，r e a l i z e di nt h eo p e r a t o rs t a t i o nh a s r e p o r t e d t ot h ep o l i c e ，f u n c t i o na n d s oo ns t a n d a r dp i c t u r eo p e r a t i o n a n dr e p o r tf o r mp r i n t i n g f i n a l l yh a sa n a l y z e dt h i s s y s t e mt h e q u e s t i o na n di t st h es o l u t i o nw h i c hm e e t si nt h ed e b u g g i n g t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mi sr e l i a b l e i ta l s om e e t st h em a r k e td e m a n d k e yw o r d s ：d c s ；p l c ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ；c o n f i g u r a t i o n 插图清单 图2 1 水泥粉磨工艺流程图7 图3 1 水泥粉磨站控制系统结构8 图4 1 电动执行机构的控制原理1 6 图4 2 电机控制原理图1 7 图4 3 变频器控制原理图。1 8 图4 4 现场控制站构建示意图。1 9 图5 1 模拟量输入单元初始化程序框图3 5 图5 2 模拟量输出单元初始化程序框图3 5 图5 3 系统逻辑控制框图3 7 图5 4 设备起动流程图。4 6 图5 5 磨枫本体设备起动顺序图。4 7 图5 6 上位机的主画面5 0 图5 7 喂料画面。5 l 图5 8l 捍磨画面5 l 表格清单 表一c s l w - a d 0 $ 1 - v i 模拟量输入单元参数表2 2 表二c s l w - d a 0 8 1 c 模拟量输出单元参数表2 3 表三c s l w - e t n 2 1 以太网模块参数表2 9 表四c s i w - d r m 2 d e v i c e n e t 主站单元参数表3 0 表五c p m i a d r t 2 1 d e v i c e n e t 从站单元参数表3 0 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及取得的研究成果。据我 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 金蟹王些太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：签字b 辄函年s 艮i i b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁王些 姓可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 姗躲沏哙 签字日期：c 7 1 年s 琵( 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一 黜名：带t 畸， 签字日期：口7 年石月矿日 电话： 邮编： 致谢 本论文的顺利完成，首先感谢我的导师温阳东教授。在我攻读工程硕士期 间，他在学业上给了我们很大的帮助，他渊博的专业知识、严谨的治学态度、 循循善诱的教育方法，使我们受益匪浅。对我们今后的工作也将起到示范性的 作用。 感谢电气学院的各位老师对我们的关心和帮助，使我们能够顺利地完成学 业。 感谢学友们的关心和帮助，使我们能共同进步。 作者：温晓玲 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 水泥广泛应用于工业建筑、民用建筑、交通、水利、农林、国防、海港和 宇航工业、核工业以及其它新型工业的建设领域。它应用面广，使用量大，是 国家建设和人民生活中不可缺少的重要材料。水泥工业是国民经济中直接关系 到国家各项基本建设和人民居住环境改善的主要支柱产业。 水泥生产的主要工艺过程为：生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨与包装。其 中，水泥粉磨是水泥生产的一个重要环节，水泥配料与磨机负荷控制是影响水 泥质量和产量的关键之一。 从生产工艺的角度来看，水泥粉磨的生产设备联锁众多，各种检测信号相 互影响，如果生产线上的任何一台设备出现故障停机，将影响整个生产线的运 行，严重时会发生压料、堵料，给生产带来很大的损失。 从控制对象的数学模型来看，水泥磨是一个大时滞、多变量、慢时变的非 线性被控对象，一般控制手段难以达到要求。 从水泥粉磨生产角度来看，水泥生产环境比较恶劣，工人操作劳动强度大， 致使水泥质量不稳定，产品质量难以控制。 早期水泥粉磨系统作为水泥生产线的末端环节，它的自动化一直没有受到 充分的重视。过去常采用传统的人工控制或继电器、仪表控制很难达到控制要 求。当时的水泥生产线前端的各个车间所采用的自动控制系统只采用了较为简 单的生产过程控制，且内部相对独立。它是由常规的一次仪表，二次仪表以及 各种继电器、保护装置组成。通常在各车间控制室设置仪表盘、模拟盘及操作 台。这种方式控制和管理都极为不便，需要的操作和管理人员众多，产品质量 难以控制，生产效率低下。 随着d c s 系统的发展，基于分散控制、集中操作管理的集散型控制系统在 水泥厂中逐渐得到应用。数据高速传输网络和基于c r t 的操作站将分散的控制 设备连在一起完成实时工业过程控制与监视，实现了控制系统的功能分散、负 荷分散，危险分散和管理操作的集中d c s 的应用取代了传统的二次仪表、大 型仪表控制盘及设备之间联锁用的各种各样的继电器和大量的电缆。此时的中 央控制室已经是生产的调度指挥中心。工厂的生产组织管理方式与传统的相比， 也发生了巨大的变化。它覆盖了水泥生产线的主要工艺流程，即从原科配料到 水泥入窑的三磨一窑等主要车间。但是由于d c s 高昂的价格，水泥生产的辅助 系统如水泥粉磨系统( 包括熟料和配料的存储、粉磨、成品的存储、水泥包装、 成品发运) 、石灰破碎及输送、空压机站等还采用常规仪表进行过程变量的控 制。直到上个世纪9 0 年代后期，随着现场总线的问世，微机性能快速提高，使 d c s 系统在水泥行业得到了大的发展。d c s 系统的控制范围基本上包括了整个 水泥生产线上的所有车间，当然也包括水泥粉磨系统。 随着信息时代对企业内部综合数据需求的增加。传统的d c s 对水泥生产线 的控制己不能满足现代企业管理者的要求。而水泥粉磨站可以提供包括水泥日 产量，熟料日消耗量，配料日消耗量等重要的信息，所以现代企业管理者为了 加强企业自身的竞争力在改造传统管理方式的同时寻求一种更高效，更精确的 管理方式。生产与经营管理信息系统的问世，满足了他们的这一要求。管理信 息系统将工厂的生产过程控制系统与工厂的各个部门的管理系统连接在一起。 它将过程控制系统采集到的全厂的实时生产数据及质量数据送入管理网进行分 析、统计和存档留存。同时它也将工厂各个部门的管理子系统如备品备件库、 原材料库、人事、劳动等各种数据进行分析、统计和存档，以帮助企业管理者 思考、判断和决策以实现最佳管理。 经过对d c s 控制系统基础理论的学习和对国内外多个著名公司设计的d c s 系统的分析可以看到，在采用集散控制后，可以做到控制分散、危险分散和操 作管理集中。设备出现故障后，系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关 设备，并发出声光报警，提醒操作人员及时处理以尽快恢复生产。对一些重要 的参数和报警，系统能够自动生成历史记录和历史趋势。操作人员和技术人员 可以随时查询历史数据了解生产情况通过对数据的统计和分析提出新工艺， 新方法，不断提高水泥的产量和质量。利用计算机集散控制系统，配合先进的 控制策略，对改善工人劳动环境、提高产量、稳定质量、降低能耗等方面具有 重要意义实践证明，采用计算机控制可取得显著的社会效益和经济效益。 该系统本着技术先进、生产可靠、节省投资、提高效益的设计指导思想。 在整个生产线上采用了基于p l c 的集散控制系统，完成了从熟料入库到水泥成 品包装的整条生产线的自动控制。由于水泥生产线的自动化控制主要以顺序控 制、联锁控制为主，p i d 调节回路及模拟量控制相对较少，开关量约占总输入 输出点数的百分之八十左右，采用以p l c 和组态软件为基础的d c s 控制系统， 不仅完成对水泥厂粉磨站整体生产过程的监控，实现检测自动化、过程自动化、 管理自动化，而且发挥了p l c 在开关量控制方面的技术优势和价格优势。因此， 采用现代p l c 和组态软件构成的d c s 控制系统比传统的d c s 控制系统更适合水 泥粉磨系统的控制，也是该系统的创新点所在。 1 - 2 课题的内容及预期目标 1 根据d c s 系统的纵向结构建立现场设备层、过程控制层、集中操作监视 层。 2 根据系统的控制要求和控制信号的数量在过程控制层设置了一个现场 控制站，由一台p l c 担任熟料存储及配料、水泥粉磨及成品包装的全部逻辑控 制。 2 根据水泥的工艺生产及d c s 的特点，系统的技术要求如下： ( 1 ) 工艺流程设定及起停：机电设备起停均由可编程序控制器控制，通过 上位机来操作。工艺流程可在每次机电设备起动前预设定。预设定工艺流程后， 在原工艺流程停止时，系统将自动切换至预设定工艺流程。工艺流程中设备的 起动按工艺顺序自动进行，间隔略大于设备单机起动时间，避免因两台大功率 设备同时起动，对电网产生过大冲击。工艺流程结束发出停止命令后，设备按 工艺顺序依次停机。 ( 2 ) 工艺流程紧急停止：设备在运行过程中，当系统出现紧急情况时，操 作员按下上位机显示屏上的急停按钮后，正在运行的所有设备立即停止，故障 清况立即显示在上位机显示屏上自动控制系统采用集中联锁控制与现场就地 手动控制相结合的控制方式。集中联锁逻辑控制为主要控制方式，现场就地手 动控制为辅助控制方式。现场就地手动控制主要用于设备调试、维护及自动控 制系统出现故障时的应急操作。 ( 3 ) 工艺流程报警：工艺流程启动前，现场设有声音、灯光预警，预警时 间可调。报警装置设置在车间内，预警后方可执行起动、停车等工艺流程操作。 设备发生故障，系统具有报警、显示功能。 ( 4 ) 熟料库料位控制：水泥粉磨系统有熟料仓、石膏仓、混合材料仓共3 个储料仓。采用雷达料位计检测仓位高低，输出的4 2 0 m a 电流信号接入p l c ， 再送上位工控机显示。由上位机根据仓位对入料进行控制，对料位设定上下限 报警功能。 ( 5 ) 过程参数的调节：生产过程的各个工程参数应能随时进行调节，超出 正常范围时应能产生报警。该生产线的热工参数繁多，相互影响，为了稳定工 艺状况，对一些需要严格控制的参数，进行p i d 回路控制，使之维持在设定值 的范围内。 ( 6 ) 监控功能：组态生动逼真的工艺监控画面，包括配料、粉磨、成品存 储和散装系统。通过这些画面操作员能够在中央控制室对各个工艺参数进行监 视与调节，起停各台设备，处理报警等，从而实现对整个生产过程的有效控制。 ( 7 ) 报表功能：生产中的一些参数需要及时打印，这些参数包括熟料和配 料、喂料量累计、水泥成品出料累计等。对这些参数设计年、月、日和班报表 并能定时打印存档。 ( 8 ) 历史数据采集与查询：一些重要参数，如磨机主电机电流，主电机润 滑用油的温度、库底吹堵风机的电流和转速、选粉机的电流转速等，对其进行 历史数据存储，生成历史趋势图，可以随时进行数据的查询。 1 3 本人在课题中完成的主要工作 对水泥粉磨部分的控制系统进行设计。 3 1 控制系统硬件选型 包括d c s 系统的构成、上位计算机的硬件配置、可编程控制器( p l c ) 及各模 块等硬件系统的选择。 2 电气系统的设计 包括水泥粉磨部分所有设备的供配电系统设计、相关设备的连锁设计以及 主要设备的起动控制回路设计。 3 控制软件的设计 包括模拟量输入输出模块的初始化程序设计、水泥粉磨部分的逻辑控制程 序设计以及上位机的软件配置。 4 第二章水泥工业概况及生产工艺分析 2 1 水泥工业概况 水泥是建筑工业三大基本材料之一，使用广、用量大，素有“建筑工业的粮 食”之称。它不但大量用于工业与民用建筑，还广泛应用于交通、城市建设、农 林、水利以及海港等工程，制成各种形式的混泥土、钢筋混泥土的构件和构筑 物。而各种水泥制品在代钢，代木方面也越来越显示出技术经济上的优越性。 同时，也正是由于钢筋混泥土，预应力钢筋混泥土结构材料的混合使用，才使 高层、超高层、大跨度以及各种特殊功能的建筑物和构筑物的出现成为可能。 此外，如宇航工业、核工业以及其它新型工业的建筑，也需要水泥材料因此， 水泥工业的发展对保证国家建设的顺利进行，人民生活水平的提高，具有十分 重要的意义。而且，其它领域的新技术，也必然会渗透到水泥工业中来，传统 的水泥工业势必随着科学技术的迅猛发展而带来新的工艺变革和品种演变，应 用领域必将有新的开拓，从而使其在国民经济中起到更为重要的作用。 近年来，受固定资产投资、第二产业、建筑业及房地产业投资高速增长的 拉动，我国水泥工业市场需求旺盛，生产能力快速扩张，结构调整加快，效益 显著提高。特别是新型干法水泥的快速发展，使得大型水泥企业实力明显增强。 西部大开发、北京奥运设施建设、房地产投资热、以及国家的一系列重点工程 给水泥工业发展带来了绝好的机遇。我国水泥年产量己经连续1 9 年名列世界第 一名，我国是世界上水泥消费和水泥生产最主要的市场，分别占世界的3 0 和 3 7 左右但是这一系列数字并不是我国水泥工业发展水平的真实写照，目前 我国水泥工业发展中存在几个突出问题： ( 1 ) 水泥总量中有7 5 以上是立窑等落后工艺生产的，少数地区又出现新建 落后立窑，扩建改造及己淘汰的小水泥“死灰复燃”等现象。 ( 2 ) 局部地区新上项目过于集中，生产能力增长过快，市场出现恶性竞争。 自从水泥工业性产品的实际应用以来，至今已有一百多年，生产规模持续 扩大，工艺和设备不断改进，品种和质量也有极大的发展。硅酸盐水泥是在第 一次产业革命期间问世的。当时，用间歇式的土窑烧制水泥熟料。随着以冶炼 技术为突破1 ：3 的第二次产业革命的兴起，推动了水泥生产设备的更新。1 8 7 7 年 用回转窑烧制水泥熟料获得专利权，继而出现单筒冷却机，立式磨以及单仓钢 球磨等，有效地提高了产量和质量。到1 9 世纪末与2 0 世纪初，由于其它工业所 提供的燃料、工艺技术和生产设备，使水泥工业一直进行着频繁的改造与更新。 1 9 1 0 年立窑实现了机械化连续生产；1 9 2 8 年立波尔窑的出现，使水泥的产量明显 提高，热耗降低。5 0 年代初悬浮预热器窑的应用，更使热耗大幅度降低；其它的 水泥制造设备也不断更新换代。6 0 年代初，以电子计算机为代表的新技术在水 泥工业中开始得到应用，同时，日本将联邦德国的悬浮预热器技术引进以后， 于1 9 7 1 年开发了水泥窑外分解技术。从而使水泥生产技术获得重大突破。又随 着原料、生料预均化等多种生产技术以及x 射线荧光分析等在先检测方法的发展 和逐步完善，使干法生产的水泥熟料质量明显提高，在节能方面取得了突破性 的进展，干法水泥生产工艺己具有压倒性的优势。n 7 0 年代中期，先进的水泥 厂通过电子计算机和自动化控制仪表等设备，己经采用全厂集中控制、巡回检 查的方式，在生料、烧成车间以及包装发运、矿山开采等环节分别实现了自动 控制。 中国是水泥生产工艺的博物馆，拥有预分解窑、预热器窑、立筒预热器窑、 立波尔窑、带余热发电的干法窑、干法中空窑、立窑等生产工艺。在5 0 年代， 我国就开始试制湿法回转窑和半干法立波尔窑成套设备，迈出了我国水泥生产 技术发展的第一步。从5 0 年n 6 0 年代，我国依靠自己的科技力量进行了预热器 窑的实验7 0 年代初，又先后组织了预分解窑的开发工作。目前，立窑生产工 艺在国内仍占主导地位。但是。进入“十五”以来，新型干法生产工艺的发展速 度明显加快。新型干法工艺技术成熟、投资省、成本低、能耗低，产品质量高、 效益好，己经具备了与落后生产工艺全面竞争的优势，具备了进一步加快发展 的条件。近两年，国内己有相当一批优势立窑企业转向发展新型干法水泥，在 2 0 0 2 年建成的5 1 条新型干法生产线中，其中2 7 条是由立窑转向建设的，这一可 喜的转变，意味着淘汰落后和结构调整在水泥工业己逐步成为一种市场行为。 由于新型干法水泥的快速发展。水泥工业结构得到进一步优化，新型干法 水泥比例己由2 0 0 0 年l o 提高到1 5 。更令人可喜的是，新型干法设备和工艺 日臻完善，大型装备的国产化问题己经基本解决，大大提商了新型干法生产的 竞争力，吨熟料建设投资己由“八五”期间的8 0 0 - 1 2 0 0 元降低n 2 0 0 3 0 0 元。达到 了完全可以和立窑投资竞争的水平。相当一批大型企业的热料成本己低于同一 地区的立窑水泥成本。因此，近期满足市场需求、调整结构、发展水泥工业的 最好办法就是抓住机遇，大力支持新型干法水泥的发展。支持具备条件的地区 和企业加速发展新型干法水泥，不仅不会引发投资过热，还会加大对落后工艺 发展的抑制力度，加快水泥工业的结构调整，促进水泥工业的生产节能及对环 境影响的改善。 2 2 水泥粉磨工艺分析 水泥粉磨站的原料有水泥熟料、石膏、煤矸石和石灰石四种。 水泥粉磨工艺流程如图2 1 所示。水泥熟料、石膏、煤矸石和石灰石通过调 速定量给料称按配比给料，经皮带机和提升机进入辊压机进行预研磨，然后通 过提升机进入选粉，细粉随气流进入收尘器再由输送机送入提升机，粗粉进入 磨机继续研磨，研磨好后出磨，由提升机、螺运机和链提升机提升到水泥库顶， 6 再由空气斜槽送入各水泥库然后进行包装进入成品库，完成整个水泥粉磨的 全过程 心鐾h i 鲴 图2 1 水泥粉磨工艺流程图 第三章计算机集散控制( d c s ) 系统的技术实现 3 i 计算机集散控制系统概述 集散控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的主要特征是它的集中管 理和分散控制。它以大系统理论为指导，以先进的四c ( c o m p u t e r ，c o n t r o l 。 c o m m u n i c a t i o n ，c r t ) 技术为物质基础，采用危险分散的系统设计思想进行设 计集散控制系统是将控制功能分散化、管理操作功能高度集中化，并吸收了 模拟控制仪表的特点而发展起来的一种新型数字综合控制系统。 集散控制系统( d c s ) 是工业自动控制的一种，其全称是微处理机集中分 散型综合控制系统。集散控制系统是以微型计算机作为过程控制工具，完成连 续控制和顺序控制功能。用上位计算机实行数据处理、监视、控制。采用c r t 图像和操作站为中心的人机联系装置实现集中显示和操作，用数据通信电缆将 各设备联系起来。概括的说，是将控制功能分散开来，构成一些以微型计算机 为中心的子系统，然后用上位计算机来管理( 监视、操作) 这些子系统。集散控 制系统通常由过程控制站、操作站监视计算机和数据通信装置等三个部分组成。 d c s 采用标准化、模块化和系列化的设计，它是由过程控制级、控制管理 级和生产管理级组成。它具有以通讯网络为纽带的集中显示的特点，而操作管 理、控制相对分散，配置灵活、组态方便，同时是具有高可靠性的实用系统。 其优越性主要体现在它的自主性、协调性、高可靠性、适应性、灵活性和可扩 充性以及友好性等方面。 虽然集散控制系统的品种繁多，但系统的基本结构还是相同的，集散控制 系统的结构形式基本上由上位机c r t 操作站。高速数据公路，过程接口单元及 基本控制单元和外部扩展接口等组成。 3 2 水泥粉磨站控制系统方案的总体分析 系统结构如图3 1 所示，该系统的设 计方案采用层次化结构，由下而上分为三 个层次：现场设备层、过程控制层、集中 操作监视层。每个层次在结构上又是横向 分散的，具有良好的可扩展性，在设计上 是独立的，他们通过数据网络构成一个有 机的整体。 8 图3 1 水泥粉磨站控制系统结构 3 3 水泥粉磨站d c s 系统的硬件配置 3 3 1 现场设备层 该系统的现场设备主要包括两台磨机及辅机系统、各种输送设备，收尘设 备、配料设备等。其控制信号主要是开关量信号，模拟量信号主要来自各设备 的电流信号、磨机系统的油温、风压等。设备包含压力变送器、流量变送器、 电流变送器、以及测量转速和检测其他信号的一次仪表。它们将不同的物理量 变换为标准的电信号送到过程控制站，同时接收p l c 发出的控制信号，实现对 这些信号的调节。由于信号的传输距离较远，现场电磁干扰较大，所以现场检 测信号采用4 2 0 m a 标准直流信号。系统的温度测量点集中在磨机部分，温度范 围在1 0 0 1 5 0 0 c 所以选用铂热电阻开关量设备主要有控制电磁阀、继电器、指 示灯、报警器等只具有开、关两种状态的设备。根据工艺要求确定i 0 点数如下： 配料系统：开关量9 9 其中d i = 6 3d o = 3 3 水泥磨系统； 包装系统： 模拟量1 2 其中a i r 8 开关量1 1 3 其中d i = 4 9 模拟量5 2 其中a i = 3 6 开关量7 3 其中d i = 4 9 模拟量2 2 其中a i = 1 7 a o = 4 d o = 4 3 a o = 1 6 d o = 2 4 a o = 5 3 3 2 过程控制层 过程控制层对由现场检测仪表( 如各种传感器、变送器等) 送来的各种过程 信号进行实时的数据采集、滤除噪声信号、进行非线性校正及各种补偿运算、 折算成相应的工程量，然后通过通信网络传送到集中操作监视层的数据库，供 实时显示、优化计算、报警打印等。过程控制层根据生产要求还要进行各种闭 环反馈控制、顺序控制等，并可接受操作站发来的手动操作命令进行手动控制， 从而实现对生产过程的直接调节控制功能由于该控制系统中开关量占总输入 输出点数的百分之七十五左右，且控制过程主要以顺序控制、连锁控制为主， p i d 调节回路及模拟量相对较少，因此该系统采用日本o m r o m 公司的c s i g - h 系列p l c 作为该系统的过程控制层的控制站。根据现场层的i 0 点数统计以及各 点的地域分布情况，还设置了三个远程1 1 0 ，通过d e v i c e n c ti o 链接单元连接。 主要硬件设备有； ( 1 ) c p u 模块c s l g hc p u 4 5 程序存储容量6 0 k 步，i o 点数5 1 2 0 点： ( 2 ) 电源模块c 2 0 0 h w - p a 2 0 9 r 交流2 2 0 v 输入，d c5 v 5 a 输出； ( 3 ) 开关量输入模块c s l w i a 2 l l1 6 点交流2 0 0 v 2 4 0 v a c 输入； ( 4 ) 开关量输出模块c s i w o c 2 0 18 点继电器输出； ( 5 ) 模拟量输入模块c s l w a d 0 8 1 v l8 通道，4 - 2 0 m a , ( 6 ) 模拟量输出模块c s l w d a 0 8 1 c8 通道，4 - 2 0 m a ： ( 7 ) 以太网模块c s l w e t n 2 l ； 9 ( 8 ) d e v i c e n e t 主单元c s i w - d r m 2 1 ： ( 9 ) d e v i c e n e ti o 链接单元c m l a d r t 2 13 2 点输入，3 2 点输出。 p l c 通过以太网模块c s i w e t n 2 1 与上位机链接，实现数据交换。同时p l c 通过d e v i c e n e t 主单元c s l w d r m 2 1 与d e v i c e n e ti o 链接单元c m i a d r t 2 1 连 接实现远程i o 通信。 3 3 3 集中操作监视层 集中操作监视层分为操作员站和工程师站。在该系统中因控制量和相关数 据较少故将二者合二为一。中央控制室放置两个操作员站互为备用，它具有自 已的冗余特性当其中一台计算机失效，可由另一台实现相同功能的操作。 如果不幸，所有的计算机失效( 整个系统的崩溃) ，同样不会影响到正常的生 产，若没有修改参数仍可由p l c 来控制，最好由机旁手动控制。它们主要完成 对现场的操作管理和现场数据的采集和工程转换，报警数据存盘以及数据库的 建立和维护等，因此它又作为系统的i 0 服务器和报警服务器以及用户的登录服 务器。操作员站是系统和操作员的对话窗口，操作员通过键盘、鼠标和显示器 等设备完成对整个系统的监控。d c s 是基于4 c 技术而发展起来的，c r t 显示器 是其中之一。c r t 显示器基本上可以取代过去的常规仪表显示和模拟屏显示系 统。操作员站的显示管理功能可以分为两大类：标准显示和用户自定义显示。标 准显示是在系统设计时设定的显示功能，通常有数据记录显示、报警信息显示、 控制回路或回路组显示、趋势显示等。用户自定义显示是那些与特定应用有关 的显示功能。这些显示通常由用户根据自己的需要生成。因此操作员站显示的 主要内容有：模拟流程和总貌显示、过程状态、特殊数据记录、历史趋势、实时 趋势、统计结果和生产状态的显示。操作员可通过网络打印机在工程师站完成 下述打印功能：生产过程记录报表、生产统计报表、系统运行状态信息打印、报 警信息的打印。操作员工作站还可在线控制电机和各种电器设备，可完成电机 的顺序启动、顺序停车、紧急停车等操作。完成对各种喂料量的给定，对阀门 等机构的操作等。该系统还设置了管理者站，放置在厂长或经理办公室，可随 时监视系统的生产情况，查看相关数据和报表，但不进行操作 操作员和工程师工作站硬件配置： 操作员工作站硬件选用适用工业现场的工业控带i j p c 机，其配置为：i n t e l p e n t i u mi i i 主频l g h z ，内存2 5 6 m b ，5 2 倍光驱，硬盘4 0 g b ，软盘3 5 ”1 4 4 m b ， 网卡3 c o m i o 1 1 0 n i c1 0 1 0 0 m 自适应，2 l 彩色c r t 。 3 4 系统软件体系 一个基本的过程控制系统软件可分为两部分：系统软件( 又称计算机系统软 件) 和应用软件( 又称过程控制软件) 。d c s 的软件体系中包括了上述两种软件， 但由于其分布式结构的特点，又增加了诸如通信管理软件、组态生成软件以及 1 0 诊断软件等。 过程控制软件包括：过程数据输入输出，数据表示( 又称为实时数据库) ，连 续控制调节，顺序控制，历史数据的存储，过程画面显示和管理，报警信息的 管理，生产记录报表的管理和打印，参数列表显示，人机接口控制，实时数据 处理功能。其中具有报警检测的过程数据的输入输出，连续控制调节，顺序控 制是在过程控制层的现场控制站实现的，过程画面的显示和报警记录打印等在 集中操作监视层通过组态软件完成。 3 4 1 现场控制站软件 。 现场控制站要具有很高的可靠性和实时性，所以除了现场控制站的硬件应 具有高可靠的结构、较快速的处理器和较强的中断处理能力外，其软件也应具 有高可靠性和实时性。此外现场控制站无人机接口，所以它应有较强的自治性， 即软件的设计应保证避免死机发生，并具有较强的抗干扰能力和容错能力。 该系统在设计时采用p l c 作为现场控制站，并采用日本o m r o n 公司提供的 c x i - p r o g r a m m e r 编程软件，利用梯形图进行程序设计。通过对各种输入状态( 如 电机的备妥、起动完成应答、故障等) 监视，进行逻辑运算，得出相应的控制输 出从而实现各种逻辑控制。随着功能的增强，p l c 已不是人们传统认为的那样， 它不仅仅能实现顺序控制而且还包含了诸如定时器、计数器、数学运算( 如加、 减、乘、除、开方等) 、数据转换、移位寄存器、中断等特殊函数功能。此外： 它还可以将梯形逻辑控制回路和连续调节控制算法( 如p i d 算法) 结合起来，以实 现更复杂的控制功能。 现场控制站软件主要有p l c 初始化程序、a d 转换程序、逻辑控制程序、 d a 输出控制程序、定时控制程序、回路控制程序和现场通信网络的实现等。 3 4 2 操作员站和工程师站软件 在水泥生产的控制中，考虑到生产中的实时性要求并不太严格，因此采用 了当前流行的d a q f a c t o r y ( 组态工厂) 工控组态软件进行开发。工程师站和操作 员站软件运行在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统环境下。 应用软件主要内容在该系统中是将中央控制室中的工程师站和操作员站、 管理员站、以及p l c 通过以太网联系起来构成集中操作监视层，完成对其生产 线运行的监视和控制。因此集中操作监视层软件包括工程师站软件和操作员站 软件。 工程师站软件包括实时调试画面的建立，数据点的建立和组态，区域数据 库的设计和管理，登录服务器的建立等。它包含了所有建立过程数据库的必备 功能。通过过程数据库操作员可实现对生产过程的监视和控制，并且进行异常 情况的处理。操作员站软件包含了所有对生产过程进行操作的功能。通过它， 操作员可以存取所有所需的数据。通过监控画面、操作显示和报警显示，操作 员可以高效的控制所属的区域。同时在工程师站和操作员站编制了系统诊断软 件，通过它系统技术人员可以快速的诊断和解除系统故障。 3 5 系统网络体系 3 5 1 工业通信网络特点 d c s 是计算机技术、自动控制技术、通信技术和c r t 显示技术竞相发展并 紧密结合的产物，而通信技术在集散控制系统中占有重要的地位。所谓d c s ， 即用分散的过程控制单元达到对过程控制对象加以控制的目的，利用集中监视 和操作管理单元来达到综合信息全局管理的目的。过程控制单元( 现场控制站) 、 监视操作单元( 操作员站) 和系统的管理单元( 工程师站) 通过通信网络构成一个 整体的系统从而达到分散控制集中管理的功能工业控制用通信系统与般的 办公室用的局部网络有所不同，它具有快速实时响应能力强，可靠性高，适应 恶劣的工业现场环境和分层结构等特点。 3 5 2 网络选取及分析 为了提高控制性能，通常需要把地理上处于不同位置的p l c 、计算机或智 能装置通过传送介质相互连接起来，实现通信功能，构成功能更强、性能更好、 操作更方便的控制系统，即基于p l c 的网络型控制系统。 殴姆龙( o m r o n ) p l c 支持多层次通信功能，可满足不同层次控制系统的需 求。对于一些小型现场的控制，采用标准r s 2 3 2 r s - 4 8 5 串行通信接口与上位机 链接、l ：1 链接或n t 链接实现集散控制系统设计。同时殴姆龙( o m r o n ) p l c 还 支持复合型网络拓扑结构，网络结构中包括以太网( e t h e r n e t ) 信息层、控制器 ( c o n t r o l l e rl i n k ) 网络层、元器件( c o m p o b u s s ) 网络层，以及其他各种支持串行 通信的网络产品。 以太网( e t h e r n e t ) 属于信息网，是殴姆龙控制信息管理的高层网络。其信息 处理功能非常强。它支持f i n s 协议，使用f i n s 命令可进行f i n s 报文通信、t c p i p 和u d p i p 的s o c k e t 服务、f t p 服务。通过以太网，o m r o n 的p l c 可以与国际互 联网连接，实现最为广泛的节点信息直接交换。 控制器网( c o n t r o l l e rl i n k ) 用于实现在p l c 间、p l c 和计算机间进行大量的 数据传递和数据共享通信速率快，距离长，既有线缆系统又有光缆系统。 c o m p o b u s d 是一种开放、多主控的器件网。开放性是其特色，它采用了美 国a b 公司制定的d e v i c e n e t 通信规约，其他厂家的p c 等控制设备，只要符合 d e v i c e - n e t 标准，就可以接入其中主要功能有远程开关量和模拟量的i 0 控制 及信息通信。这是一种较为理想的控制功能齐全、配置灵活、实现方便的分散 控制网络。 c o m p o b u s s 也是器件网，可以实现一种高速。o n o f f 系统控制总线，使 用c o m p o b u s s 专用通信协议。c o m p o b u s s 的功能不及c o m p o b u s d ，但它实现 简单，通信速度更快。主要功能有远程开关量的i 0 控制。 1 2 目前，在信息层、控制层和器件层这三个网络层次上，0 m r o n 主推 e t h e m e t ，c o n t r o l e rl i n k 和c o m p o b u s d ，这三种网络的发展势头最为强劲，新的 器件、新的功能和新的技术不断推出和充实，使它们的应用领域日益扩大，用 户越来越多。 在该系统中，操作员站和工程师站，管理者站以及p l c 之间采用以太网连 接，根据现场设备分布较远的特点，设置了三个远程开关量的i o 从站，通过 d e v i c e n e t 网链接，实现远程通信。各网络的功能、特点及配置如下 一、以太网 以太网属于信息层网络，是一个总线型的拓扑结构，在信息层和控制层之 间形成链接，为管理服务。以太网模块使p l c 可以作为工厂局域网的一个环节 点，在网络上的任何一台计算机都可以实现对它的控制，使得生产现场与生产 管理联系在一起，形成了管控一体化系统，o m r o n 以太网的具体功能描述如 下。 1 远程编程与监控：在连接到以太网网络的计算机上运行c x p r o g r a m m e r 可对所有连接到该网络上的p l c 进行编程和监控。 2 使用t c p i p 和u d p i p 进行通信：以太网单元支持基本的以太网通信协 议， t c p i p 和u d p 1 p 可以和其他以太网设备如工作站，个人计算机或其他公司 的 以太网单元进行通信。以太网单元最多可提供8 个通信口使用不同协议。 3 支持s o c k e t j 艮务：s o c k e t j i 务是一种编程接口，允许用户程序直接调用 及使用t c p 和u d p 协议，在以太网上进行数据交换和控制。 4 f i n s 信息服务：在p l c 间或p l c 与计算机问发送f i n s 信息。使用 e t h e m e t f i n s g a t e w a y f 够不必直接编写f i n s 指令程序而进行信息管理。上位机 也可在程序里使用指令来发送f i n s 命令，以实现数据交换和控制。 5 f t p 服务：使用f t p 在c p u 单元的存储卡和计算机存储器之间传送文件。 6 邮件服务：即e m a i l 功能，用户自定义的信息、以太网单元出错信息、 状态信息等，可以从p l c 侧以电子邮件的方式发送至m a i l 服务器。 7 网络间的通信：处在不同网络上的节点可以通过网关进行通信，通过 f i n s 指令可实现跨网络的连接，p l c 通过使用s e n d ，r e c v 。c m n d 指令可跨网 与其他p l c 进行通信。网间通信限制在三级网络内进行。 二、d e v i c e n e t 网络 d e v i c e - n e t 是一种低成本的通讯总线，具有开放现场网络标准，规范和协 议都是开放的。d e v i c e n e t 将控制和数据融合在一起，信息具有数据标识区