（控制科学与工程专业论文）现场总线控制系统技术与应用研究.pdf

宁南丈掌博士后蹬充工臻报告 内容摘要 本文对铅烧结生产工艺流程进行了深入的分析，并以此为基础， 通过多学科理沦的融合，开展了现场控制总线以及先进控制理论与技 术在铅烧结生产过程中的应用研究。 本文的主要结论是： 1 根据对象特点对控制系统进行了配鼹、设计与集成，在此基础 上提出了基予现场总线和w e b 网络的铅烧缝优化控制总体框架。 2 。对基于h l 总线和p r o f i b u s o p 总线的设餐以及基予o p c 的管 理功能进行了囊成，实现了珉场总线系统鲍互可操 乍性。 3 采用歹底层设备和操作站之阀的可视性w e b 浏览、参数搡作等 一系列优化控制技术，实现了铅烧结生产中配料、混合、烧结和烟气 除尘全过程的有效监控与管理。 4 。针对有色金属冶炼过程反应机理复杂，存在分散、时交、菲线 性和强稻合等特性，提出了一些优化控制方法。如：采阁了一种以滑 模变结构理论为基础的核予秤称量调节方法，减少了因物量变化犬而 对配料精度造成的影响；提出了一种基于现场总线的湿度控制方案， 利用智能辨识的方法设计了湿度控制器；在对烧结机点火炉工艺流程 进行深入分析的基础上，提出了一种模型跟踪控制方法，并用现场总 线设备实现了点火炉温度、煤气流量以及空气流量的控制。 关键词：铅烧结过程，裂场总线控铡系统，系统集成，潺模变结椽控肇4 甲零太棼辱士岳婿完：难报告 一一 a b s t r a c t b a s e do n a n a l y s i s o ft h e p r o d u c t i o n f l o wt e c h n i c so fp l u m b u m s i n t e r i n g ，a n dc o m b i n e dw i t ht h e f u s i o no fm u l t i p l es c i e n c et h e o r y , t h e a p p l i e dr e s e a r c hh a sb e e nd e v e l o p e do ff i e l d - b u s ，a d v a n c e dc o n t r o lt h e o l 3 , a n d t e c h n i q u ef o rp l u m b u ms i n t e r i n gi nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o n 。 t h e m a j o r c o n c l u s i o n sc a r lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t nv i e wo fc o n f i g u r i n g ，d e s i g n i n ga n di n t e g r a t i n g ，t h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do ni t s c h a r a c t e r i s t i c s ，b r i n g s f o r w a r dt h e o p t i m i z e dg e n e r a l p l u m b u ms i n t e r i n g c o n t r o lf r a m e w o r ko nf i e l d b u sa n dt h ew e b n e t w o r k 一i n t e g r a t i o no f t h ea d m i n i s t r a n tf i m c t i o nb a s e do no p ca n dt h ed e v i c e s o nh1b u sa n dp r o f i b u s o pb u sc a nr e a l i z et h e i n t e r o p e r a b i l i t yo f f i e l d b u ss y s t e m 。 一as e r i e so fo p t i m i z e dc o n t r o lt e c h n o l o g y , s u c ha st h ev i s i b i l i t yw e b b r o w s eb e t w e e nb o t t o md e v i c e sa n d o p e r a t i n g s t a t i o n ，p a r a m e t e r o p e r a t i o ne t c ，w h i c hr e a l i z e s t h ee f f e c t i v e s u p e r v i s o r y c o n t r o la n d m a n a g e m e n t o f b u r d e n i n g ，m i x i n g ，s i n t e r i n ga n df l u eg a sd e d u s t i n gi n t h ew h o l e p r o c e s s 、i n w h i c hi ta d o p t s 一s o m eo p t i m i z e dc o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r ds u c ha s ： d e d u c et h ei n f l u e n c et ot h ec h a r g ep r e c i s i o nb ya d o p t i n ga na d j u s t a b l e w e i g h i n gw a y o fn u c l e a rs c a t e ，w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r y0 f v a r i a b l e s t r u c t u r ew i t hs i i d em o d e ；b r i n ga l o n gap r o j e c to fh u m i d i t yc o n t r o l b a s e do nt h ef i e l d b u s ；d e s i g nah u m i d i d , c o n t r o l l e r w i t ht h em e t h o do f i n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o n i nc o n s i d e r a t i o no fd i f f u s l o n ，钕稚e v a r y m g ， ! t o i 1 1 i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n ge t c w h i l en o n - f e r r o u sm e t a ll ss m e l t e d ， i t sr e a c t i v em e c h a n i s mi sc o m p l i c a t e da n ds o m e0 啦e rc h a r a c t e r i s t i c s c o n c e m e d i nl i g h to ft h et h o r o u g ha n a l y s i so ft e c h n i q u ea n df l o wo f i g n i t i o n f u r n a c ei n s i n t e f i n g m a c h i n e ，t h et h e o r ys u g g e s t s at r a c i n g c o n t r 0 1m o d e l w h a t sm o r e ，i tr e a l i z e st h es a f ec o n t r o io tt e m p e r a t u r e o fi g n i t i o nf u r n a c e ，f l u x o fg a sa n da t m o s p h e r ew i t h t h ef i e l d b u s d e v j c e s k e y w o r d s ：p 1 u m b u m s i n t e r i n g ，f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ，s y s t e m i c i n t e g r a l i o n v a r i a b l es t r u c t u r e w i t hs l i d em o d e 卞南太掌俘士屠研究工佳扳告 1 绪论 1 1 引言 随着自动控制、自动化仪表、计算机网络等技术的不断发展，传 统的工业控制领域经历了一次又次变革。控制系统的结构从最初的 计算机集中控制系统、集散控制系统发展到现在的现场总线控制系统， 形成了面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术；而控制系 统的理论也经历了从经典控制理论、现代控制理论到先进控制理硷和 技术的发展，为多变量、强耦合、非线性、时变以及建模困难的复杂 工业对象提供了新的理论支持。 本章首先对现场总线技术以及先进控制理论和技术的发展进行了 论述，然后介绍了本论文研究的主要内容。 1 2 现场总线的发展 2 0 世纪六十年代，随着数字计算机的应用进入控制领域，产生了 第一代控制系统c c s ( 计算机集中控制系统) 。在c c s 中，数字计算 机取代了传统的模拟仪表，使得在控制系统中可使用更为先进的控制 技术，完成比较复杂的控制算法。但是由于所采用的是直接面向被控 对象的简单控制以及集中控制的控制体系，导致了系统可靠性降低“2 5 。 2 0 世纪七十年代出现了第二代计算机控制系统d c s ( 集散控制系 统) 。典型的d c s 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表级三个层 次。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能 在过程控制级中完成，而分散控制可以使得由系统中某个局部的不可 靠造成的对整个系统的损害降到很低的程度。因而d c s 在工业自动控 制系统中得到了广泛应用。然而，d c s 仍存在一些缺陷：首先因其结 构是多级主从关系，底层设备问进行信息传递都必须经过主机，从而 造成主机负荷过重，且主机一旦发生故障，会影响整个系统的正常工 作。其次它是一种数字模拟混合系统，其现场仪表仍使用传统的4 2 0 m a 电流模拟信号，因而传输可靠性差，成本高。再者各厂家的d c s 荦南穴半 雾尘后婿宠工作疆告 自减标准，避讯协汉兼容性差，极大地箭约了系统的集成与应用。 为了突娥d c s 系统的技本瓶颈，最大程度地满足现场的需要，现 场总线( f i e l d b u s ) 技术应运而生。 现场总线系统遐一种数字化的串行双向通信系统，它用根电缆 将所有的现场设备( 如传感器、执行机构、驱动器等) 连接在一起，形成 数字化通信网络，可完成现场状态监钡0 、控制、远程传输等功能。现 场总线技术可实现将现场没备级的信息作为整个企业信息网的基础， 使企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。 在此基础上形成的新的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) ，综合了3 c 技术：电子计算机( c o m p u t e r ) 技术、控第1 j ( c o n t r 0 1 ) 技术及通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术，从根本上突破了传统的“点对点” 式控制的局限性，构成一秘全数字化、金分散、智能、双向、互联、 多变最、多接点的通信与控制，其榍应煦控制网终结构也发生了较大 变化。f c s 典型结孛句分为设备层、控制层和信息层三层结构“。 现场总线控制系统由予采用了智能现场设备，篷够把魇来d c s 巾 处予控制室的控制模块、输入输出模块嚣入控制王冕场，加上现场设备 具有遂信能力，使得现场的测量变送仪表哥以与阕门等执行机构直接 传送信号、实现了彻底的分散控制。 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区鼓为发达。由于这是 一项带有革命性的、领导今后各领域自动化潮流的技术，各崮、各公 司都投入了大量的入力、财力在市场上展开了激烈的竞争。据不完全 统计，世界上已出现过的总线种类近2 0 0 种，经过1 0 多年的竞争和完 善，目前较有生命力的有1 0 多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。现 场总线技术在其发展过程中呈现出些与其它控制系统不同的特点 1 ： 其，每神总线都有各自不同的产生背景和应用领域用于满足不 同领域的自动化发展的需求，在某个领域中产生的总线技术般对这 一特定领域的满足度、适用性及应用都要优于其它领域。如f f 总线 f f o u n d a f t o nf i e l d b u s ) 髑予浚程工业，p r o f i b u s 适用于工厂自动化， c a n 适用于汽车工业，而l o n 适用予楼宇自动化等。同时，每种总线 在一定应用领域中已取褥良好业绩后，热力图攘展其应用范围，向其 守麓走掌博尘唐蟹宽工维藏眷 他领域发展。如p r o f i b u s 在d p 的基础上又开发出p a ，以适用于流程 工业。 其二，各总线产品间展开了激烈的竞争。每种总线都有一个或几 拿大型跨黉公司为背景，炎热强自己豹竞争地位，大多数惑线都残立 了相应的国际组织并形成各自的的技术规范，或将自己作为国家戏地 区檬准，以取褥制造蔫秘舞户熬多方嚣支持，圆时显示塞其技术瓣齐 放性。如w o r l d f i p 以a l s t o m 公司为主要支持，成立了w o r l d f i p 国 际用户组织著已藏为法麓拣准；p r o f i b u s 数s i e m e n s 公司为主要支持， 成立了p r o f i b u s 国际用户组织并已成为德国标准等。 其三，在激熬的竞争中毒现了协调共存的景象。如1 9 9 4 年欧溺标 准e n 5 0 1 7 0 在制订时，将德国的p r o f i b u s 、法国的w o r l d f i p 、丹麦的 p n e t3 个标准并捌予一卷之中，形成了欧渊多总线的标准体系，其后 又将c o n t r o l n e t 和f f 加入欧洲的标准体系。在国际标准中，也出现了 协调共存的局面，目前的i e c6 1 1 5 8 中就已存在8 种总线。丽各重要企 业，除了力推自己的总线产品之外，也都大力开发接口技术，使自己 的产品可与其他总线相联接，如施耐德公司开发的设备就能与多种总 线榴联接。 然而，正是现场总线技术表现出来的标准的多样性以及不彻底的 开放性在一定程度上制约了其遴步的接广与发展。两以太网技术具 有数字式互联、互操作性以及较好的开放性筹特点，与现场总线技术 彩裁了较好躲互毒 ，瑰场总线与以太网相缝合成为工业控制嘲终魏一 个新的发展方向。这种结合，使得现场总线与计算机网络的主流技术 较好缝惑合，实瓣秘终麓无缝连接，有利予进一步提高企鼗懿自动乞、 网络化和信息化水平 。”。 1 3 先进控制理论及技术发展简述 2 e 世纪4 0 年代翦蓐发袋起来熬经典控制理论的主要疆究对象为 单输入、单输出线性定常系统。2 0 世纪6 0 年代末，随着空间技术的发 展霈要菰产生鲢现代控铡理论则是针对多输入、多输出黪被控对象， 用状态方程作为数学工具，对j 乍线性、时变系统进行分析和综合。 经典与现代控铡理论鲶发震和应瑶，在基于数学模黧懿自动控割 宁南走半薯士詹谤窆工 七报告 领域发挥了巨大作用。但随着科学技术的发展，对于复杂工业系统， 尤其是建模困难的被控对象，提出了更高的控制要求。为此，近一卜j l 年来发展的多种先进控制理论与技术在不断地适应着这种需求。 近年来在工业领域得到一定应用的先进控制理论和技术有：解耦 控制、精确线性化、鲁棒控制、最优控制、自适应控制、分散控制、 预测控制以及各种翘能控制方法蒜“。 在本文中涉及的先进控制技术有如下几种： 模糊控制。1 9 6 5 年，己+ a 。z a d e h 教授创立了模糊集理论，其后，该 理论得到了较快的发展翻实际应用。18 。? 0 年代中期，以e h m a m d a n i “ 为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，标志了模糊控制的诞生。 其基本思想是把人类专家对特定被控对象或过程的控制策略总结成一 系列以“i f ( 条件) t h e n ( 作用) ”形式表达的控制援则，遥过模 糊推理得到控制作蠲集，作用于被控对象或过程。 神经网络。聿牵经网络控制系统的研究已有较氏的历史，但直到进入 8 0 年代后，r u m e l h a r t 、m c c l e l l a n d 以及h o p f i e l d 等入在该领域取得了 突破性进展，才使得神经黼络迸入实用阶段。人工神经网络从仿生 学的角度出发，模拟人脑的神经元系统，使机器具有类似人脑那样的 感知、学习和推理功能。人工神经网络可以充分道近任意复杂的非线 性系统”，阂而可学习和臼适应不知道或不确定的系统。 变结构控制。变结构控制是前苏联学者e m e l y a n o v 、u t k i n 和i t k i n 在六十年代初提出的一种控制器设计方法“7 刊。最初研究的主要是二阶 和单输入高阶系统，并用棚平面法来分析系统特性。进入七十年代后， 则开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统的设计思想碍到 r 不瓯丰富，也提出了多种变结构设计方法。这其中带滑动模态的变 结构控制被认为是最有发展翦途的。 1 4 本文研究韵主要内容 本文是在湖南省科技攻关计划项目“复杂有色金属冶炼过程的智 能化与鲁棒性集成优化控制技术研究( 9 9 j z y 2 0 7 9 ) ”支持下进行的。 本文针对铅烧结自动化生产系统的改造，开展了现场控制总线技 术及先进控制理沦的分析与应用研究，重点围绕现场总线设备的选撵、 串豢太掌搏尘嚣臻完工 董箍套 系统的集成以及工业控制器的设计展开工作。具体研究内容包括以下6 个部分： ( 1 ) 对现场总线技术以及先进控制理论和技术的发展进行了论 述。 ( 2 ) 对铅烧结工艺流程进行分析后，针对铅烧结过程的自动化升 级改造问题，在分析已有的现场总线基础上，提出了一种多现场总线 产品集成方案，然质给出了其主要软件设计流程和原理。 ( 3 ) 介绍了围绕铅配料控制系统的设计进行的几方甄的工作：将 料量检测部分原来的有稃架的重力式电子稃改为无力传感机构的核子 稃，料量的调节控制采黑变壤调速器控制电虮，自动配比控制功钱软 件帮助系统按照工艺技术人员的浆糕单给毖鳇各孝孛配比数，严接控制 各仓的下料量，配出毙倒会符要求煞混合物料，以实现自动貉比控制。 最后，重点介绍一种基于添模变结构的核子； 平称量控制器的设计方法。 ( 幻介绍了制粒工序鲶工艺流稷以及混合物料酶湿度这一关系到 烧结： 艺中成块率高低和烧缩块壤羹，避稀蠢接影响到烧结点火酌主 要参数。针对镛烧结漓合料澄度控制问题，提出了一种基予现场控制 总线的湿度控制方案，然后以智能控铺理论为指导，设计了湿度控制 器， ( 5 ) 介绍了烧结工序的工艺流稔以及影响烧结过程的各种因素。 对烧结机点火炉的工艺要求进行分析后，提出了一种模型躐踪温度控 制方案，并给出了现场控制总线的实现过程和模型跟踪的设计方法。 ( 6 ) 对全文进行总结并给出今后研究发展方向。 串南太攀薄尘詹群究椎擐备 2 系统的集成与应用软件开发 2 。l 弓| 言 现场总线控制系统综合了多种技术手段，从根本上突破了系统“点 对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、 全数字化、多接点的通信与控制系统。爨然目前i e c 组织已达成了国 际总线标准，但现有总线种类仍然繁多，现场总线产晶更是成千上万。 而且各种总线都自成标准，互相之间兼容程度较少，如何进行多现场 总线产品集成，从而使整个系统实现管控一体化是在企业自动化改造 中有待解决的问题。 本章首先分析了铅烧结工艺流程，针对铅烧缝过程自动化哭级改 造闼题，在对已商的现场总线进行分析的基础上，提出了一静多现场 总线产晶集成方寨，最后给出了其主要软件设计流程期朦理。 2 2 铅烧结工艺流程 铅烧结过程产生的烟气浓度较低，只有2 。5 3 5 ，难以用常规方 法制酸，而稀释后放空又会对周边环境造成较严重的污染，因而需要 对其进行治理。同时，为提高铅烧结产量及作业水平，也需将铅烧结 过程的检测自动化系统进行升级改造。 锻烧结过程包括配料、料转运、烧结、烟气处理等工序。麓先将 铅糖矿、焦粉、河沙、磊灰石、水粹渣等经皮带送入相应蛉醒料仓中， 各料仓中鹃矿料按工艺配料单终要求，经配料葶乎按配比下料，经混合 嚣篱混合，加入适量瀚水，并控铡好混合料的湿菠，经多级皮带运输 视送劐制粒凝筒再次混合镧粒后送烧结祝。烧缩枫为6 e 平方米鼓风烧 结视，一次布料为点火层，经点火炉吸汛点火，将一次布料点燃蜃， 再经二次布料达到标准料层蓐度进入烟犟进行鼓风烧结，檄据烧结温 度分布情况控制台车速度，以求得较为瑾怒的烧结效采。烧结梳产出 的烧结块经单轴破碎、齿辊破碎、筛分后符合要求的烧缩块送鼓风炉， 筛下物料经波纹辊破碎、光辊破碎、加水冷却后送配料仓。烧结机产 卒南走攀零士矗醑充工俸弦告 出的潮气经洗净后送后续工艺制酸。 工艺流程如图2 1 所示，其中包含了铅配料系统控制、混合料湿度 控伟0 、烧结机点火炉温度控制、风机鼓风流量控制、烧结机烟罩烟气 压力控制、烟气洗涤工艺的加药控制、动力波堰窝流量控制等若干个 既紧密相关又相对独立的环节。其工艺要求如下： ( 1 ) 由于各工艺内部联锁控制与仪表参数控制的关系密切，因而要 求工艺控制过程中电仪一体化； ( 2 ) 由于该流程是在老厂房内进行，许多设备或控制室的布置只能 利用原厂区的空地或原建筑物结构，使得主控室、操作室、配电室与 工艺设备距离较远，且不规范，设备与操l 乍室魄布置难度较大，为布 线工程的考虑也裁要求仪表控制和电气控制现场总线化； 0 ) 瘦于整个工艺流理较长，且嚣工序间具有紧密联镂要求，因此 要求整个控制秽管理鼹终化。 图2 ，1 锻烧结工芝滤程 根摅上述需求，控制系统配置单纯使用哪种现场总线结构都不 能完全满足控制系统的要求，因此，本章采用现场总线及w e b 网络技 术，提出了将几秘现场总线国际标准结构进行集成的方案，实现了面 向生产过程的爨烧结控铡和管理。 2 。3 凡种典型的现场意线 典型现场总线控制系统有f f 现场总线、p r o f i b u s 现场总线、w o r l d f i p 现场总线、i n t e r b u s 总线、l o n w o r k s 总线、c a n 总线、c o n t r d n e t 现场总线以及p - n e t 现场总线”。上述前二种总线在本论文中得到使 宰窝表掌替量嚣研究善傩撬备 用。 2 3 。1f f 总线 f o u n d a t i o nf i e l d b u s 即基金会现场总线( 简称f f ) ，其前身魁i s p 嚣w o r l df i p 稼磴。后来这两个标准静成员一起残立。了现场慈线基金 会，它是国际上1 0 0 多家主要控制和检测仪袭厂家及最终用户组成的 毒 赢巅蛙孛立缀织。 f f 总线包括低速总线h l 和高速总线h 2 。h 1 通信速率为 3 i 2 5 鼢鬼，它适合于溢廉、流量及镪位溅量应尾，英设备煮接由总线 供电，也能在原有的4 2 0 m a 设备线路上运行。h 2 现场总线主鞭面 商商缀过蓉拄裁、远程菰入，输盘高速工厂鸯动纯。尽管耨灌瑟掭滤兔 许设备从现场总线获取电流，但是在多数h 2 应尾场合中，设备将白带 电流藏由现场总线奄缆串独立电源总线供宅。 f f 现场总线的应用领域以过程自碘化为主，针对要求游刻的使用 环境，危险场合，多交过程以及总线供电等方面，都有着完善的播施。 此外由于慕惩了栎准功能块及d d l 设备描述技术，可以适应不同厂家 的产晶，有很好的可互操作性和互换性。典型的f f 总线结构如图2 2 所示鼢3 。 潦律搿工程薅站 豳2 2f f 总线结构图 19 9 7 年，在加拿大的f o r ts a s k a t c h e w a n 大型化工厂，第一套f f 疆场总线系绫投入鹰整运行。该系统包括9 6 台f f 3 0 5 t 压力变送器，一 套d e i t a 控制系统，并且通过o p c 技术与工厂现存d c s 系统进行通“1 。 2 3 。2p r o f i b u s 慧线 p r o f i b u s 是由1 3 家工业企业和5 家科研机构在德国石丹技部的资助 下，予1 9 8 7 年开始联合开茇豹釜产过程总线( p r o c e s sf i 文d b u s ) 豁灌 卒牵五拳尊盘是醑充工难摄巷 一 规范托。3 ，p r o f i b u s 是种翻际化、开放式、不依赖予设备、生产商的 现场总线，广泛地耀于铡造、监基动化、涟程工业自动化和搂字、交通 等其他领域自动化。p r o f i b u s 家族由p r o f i b u s 。d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s s a u t o m a t i o n ) 及p r o t h s f m s ( f i e t d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 三部分构成。 p r o f i b u s - - d p 是一种商逮窝便宣的逶箍连接，专菇鸯动控锱系统 和各级分散的i o 之间进行通信而设计。 p r o f i b u s - - p a 是专势过程蠹动讫瑟设诗，可篌传感器和挠嚣嚣连在 一根共用的总线，并有本质安全规范。 p r o f i b u s - - f m s 黑来髂决车润缀逶信任务，是一个令髀结掏、蜜时 多主刚络“。 p r o f i b u s 可实现褒场设备磁戮车溺缳鍪控虢分敬式数字控裁翔现 场通信网络，从厮为实琰工厂综合自动化和现场设备智能化提供了解 决办法。由p r o f i b u s 构成的总线缩构翔阔2 3 所示。 黯。率艄螬目黜葡 l p r o t t b u s 廿m 5 ll e 甲且甲咖c 奶咖呲 l ；l p ”半圆9 日一 ll1 u 硼口襄l 由郴攀弧；瓢 i ，e，t 占壶 a s i 图2 3 p r o f ib u s 构成的总线结构图 2 4 现场总线的选择及集成方案 每种现汤总线都有囱己最适合旃应瘸领蠛，麴俺在实际孛撒援建 鼹对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的每部分都选择最 合适的现场总线是本设科的出发点j 。5 ；。 干南走掌_ ! 荨童詹靖宽工1 乍嘏告 2 4 1 现场总线的选择 ( 1 ) 现场设备簇 现场设备层主蹑功能是连接现场设备，如各类仪表，驱动器、执 行枧椽等电气设备。溪场憨线类仪表，蓥予f f ( h 1 ) 总线麴产品辐对 较多，可选择的余地较大，我们选择f f 现场总线仪裳；就电气设备而 言，罄予p r o f i b u s d p 总线、d e l h i c e n e t 慈线、以及i n t e r b u s 憨线懿产品 相对较多，但智能型电气设备多集中于p r o f i b u s d p 总线和d e v i c e n e t 总线，考虑戮p r o f i b u s 。d p 总线上不仅哥挂分散1 1 0 、智毙电气设备， 而且能挂从站型的p l c ，这样给系统的配置带来了遵大的灵活性，我 们选择p r o f i b u s d p 总线佟为电气控制总线。 ( 2 ) 车间监控层 车阕鍪控层麓寒完藏车闻生产设备连接、蓝控生产管璎等。在这 一级上可选的网络产品有：通用工业控制以太网、高速以太网h s e ( 尚 无可遮产蒜) 、c o n t r o l n e t 瓣、以及p r o f i b u s f m s 游等。者予本对象戆 域分布较广，因而我们选择工业控制以太网，对于p r o f i b u s d p 总线上 酌p l c 主站控制器和f f ( 差l 总线上通适控隶l 器之阕静运谲，考意 因高速以太网尚无定型产品，出于对通用以太网处理高速通讯时在可 靠性方面韵考虑，我翻麓m o d b u s ( r t u ) 来实现两者闻静遘讯，阉时 采用客户机n 务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式进行网络服务和管理，在考虑 与信怠层进行数据交换时，在骚务器肉配置了带o p c 的控铺管理软件。 总线标 图2 4 总线标准选择 甲南犬学博士后研究工1 # 报旨 2 4 。2 系统的集成 在烧结主控室配置了2 台操作站、1 台工理师站、1 台现场姻络控 制与管理站、2 台p l c 主洪，同时还通过光缆与分厂办公室灼工作站相 连，以实现远方监视。在配料控制室设置了1 台操 乍站、i 台现场瘸络 控制与管理站。控铡系统配置如隧2 。5 所示。 图2 5 系统配置图 根据本控制对象的工艺流程及工艺设备与操作控制室的布置情 况，设置了系统总监控点3 0 0 余点，系统f f 设备6 0 台。系统构成时 需按几段工序集中站点考穗，即按w e b 站思路布局。这里我们尝试且 实现了多厂家控制设备与现场总线设备的集成。 h 1 总线上集成的总线设备主要采用了飘m e r s o n p r o c e s e m a n a g e m 甄n t 的3 0 5 1 压力或差压变送器、3 2 4 4 温度变送器、 d v c 5 0 l o f 与d v c 5 0 3 0 f 阀门定位器、s m a r 的f y 3 0 2 阀门定位爨、 e + 娃的p o r m a g5 3 p 电磁流量计等。魄气控制采用s i e m e n s 灼s 7 3 0 0 主站p l c ，聚置p r o f i b u s 。d p 总线。在p r o f i b u s d p 总线上集成有 s i e m e n s 的s 7 - 3 0 0 从站p l c 、$ 7 - 2 0 0 从站p l c 、h m l 、智能分数i 0 、 6 s e 7 t 智能变簇器等。上位监控与管理采瘸e m e r s o n p r o c e s e m a n a g e m e n t 豁d e l t av 来实现，d e l t ay 总线控制器与s 7 3 0 0 p l c 通过m o d b u s ( r t u ) 通讯，各控耩站闻豹通讯采熠工监隧太溺及1 2 端口 双速( 1 0 m 1 0 0 m ) 光纤通讯口h u b 完成。 多种控制产品的集成是通过操作站软件、现场总线装鬣数据库以 甲甫大掌博士后研究工作报告 及相应的应用软件等来实现，并用增强型专业工作站软件进行系统网 络服务管理，这样除各子站之间实现相互的联锁控制之外还可提供操 作信息的相互浏览。由于采用大量现场总线设备，使得基础过程设备 的参数可在操作站上实现透明的w e b 浏览和参数互操作，同时还配有 o p c 远程服务软件来实现与上层网络的通讯，向工厂的管理网提供过 程操作与数据趋势的信息浏览服务。 2 5 系统软件的设计 除在p l c 主站中实现顺控功能外，整个控制系统的集成是在d e l t a v 中实现。d e l t av 系统是基于基金会现场总线技术的f c s 。基金会现 场总线通讯技术则是基于标准的开放系统互连模型( o s i ) 。 其通信模型由三个主层构成，如图2 6 所示。 f 1 ) 物理层该层接收来自通信栈的信息并将信息转换成信号 传送到现场总线段上。同时，接收现场总线段上的信号并将信号转换 成信息传送到通信栈。 ( 2 ) 通信层通信栈由数据链接层、现场总线访问层及现场总线 说明层组成。数据链接层控制现场总线段上信息的传输，并管理设备 与设备之间或设备与d e l t av 主机之间的通信。 f 3 ) 用户应用层即d e l t av 应用程序，如d e l t av 浏览器，控 制工作室，图形工作室等。在d e l t av 系统中，用图形化方式来组态现 场总线设备，建立总线与总线设备之间的通信以及管理现场总线设备 中的控制回路。 d e l t a v 应用程序： d e r av e x p l o r e r c o n t r o ls t u d i o g r a p h ys t u d i o 通信管理： 任务调度 数据传送 通信支持及管理 现场总线设备及接线 堕1 4 b ! 一一 图2 6 现场总线通信模型 广一1il 甲南兀争侉：后研笼工怍 艮舌 在d e l t av 中创建过程控制系统，其特点是易于建立和操作，前后 一致且安全可靠。为了达到这些目标，d e l t a v 系统运用了以下技术： 硬件安装采用即插即用技术；可多次使用的控制模块库( 包括面 板、详细显示和历史组态) 便于简化初始化组态工作；采用拖放技术 以简化系统组态与修改；类似于w i n d o w sn t 操作系统的统一图形界 面；确保系统安全性和完整性的硬件与软件方法：完成组态过程的组 态向导工具；集成的上下文敏感的帮助和在线文档。 在d e l t av 系统的用户应用层，组态工程师可采用自项向下的方法 来开发自己的应用系统：使用d e l t av 浏览器a s m - - i n s i d e 来组态管理 及标定现场总线设备；用控制工作室c o n t r o ls t u d i o ，配方工作室r e c i p e s t u d i o 开发控制策略；用图形开发工作室g r a p h i cs t u d i o 开发操作界面。 开发过程如图2 7 所示： 用户 l 操作界面 控制策略 现场总线设备 组态、标定、 管硼 场设备 图2 7 软件开发过程 d e r av e x p l o r e r a m s i n s i d e 用d e l t av 浏览器管理与组态现场总线设备包括如下内容： f 1 1 现场总线设备的使用 在d e i t av 系统中，现场总线设备的投运是在d e l t a v 浏览器中完 成的。现场总线设备具有自感应能力，当h 1 总线插入i o 插槽，现场 总线设备连接到h 1 卡的接线槽，设备描述表( d d s ) 被载入，h 1 卡 自动检测现场总线设备，识别设备的类型，并将可用信息传送到d e l t a v 系统中，d e i t av 通过浏览器来组态与管理这些设备。 f 2 、现场总线设备的诊断 罴一 咄舞 g c r 甲南大学博士后研究工怍报告 在d e l t av 系统中，d e l t a v 浏览器、控制工作室、诊断程序及h 1 总线卡本身都提供了大量的现场设备诊断信息。在d e l t a v 浏览器中， 可对设备进行下列操作： 确定设备是否在用；检查h l 卡现场设备的完整性：检查端口及每 台设备的统计数据。 ( 3 ) 现场总线设备的组态及标定 在d e l t av 系统中，采用了a m s i n s i d e 技术，在浏览器中可方便 地对现场总线设备进行组态和标定。现场总线设备出厂时，通常根据 用户的设计参数己对仪表进行j 出厂组态和标定。设备连接到总线段 上后可直接投入运行。用户也可在浏览器中重新组态和标定这些设备。 在d e l t av 系统中，组态工程师可通过使用c o n t r o ls t u d i o 采用自 顶向下的工程方法开发过程控制策略。其系统分级结构如图2 8 所示。 六号沸腾炉i1 烧结ii 动力波 m t r 1 0 1 li t i c 一1 0 1 ii x v l 叭 l模块 ( 二位式马达) il p i d 同路 ll ( 截止阀门) i 模拟控制 算法 ( f b d 或s f c ) 功能块 h i 饕限- l i m 。1l1 0 - - i n ，li 。嚣，ll 。设魏，l 参数 ( 报警限j li ( 输入)ij ( 增益lj ( 设定值i 爹瓤 图2 8 d e t av 系统层次结构图 中甭太拳辱尘屠研完工作疆告 d e l t av 系统包括了模块、功能块和参数三个关键环节。模块是系 统中最小的逻辑控制实体。通常，一个模块包含一个独一无二的控制 实体并带有与之联系的逻辑，比如控制回路或马达。 一个模块包含了算法、状态、警报、显示、历史信息和其它定义 过程设备的特性。 功能块是生成连续和离散算法的基本结构，而算法则执行过程控 制或监控操作。d e l t av 库包含了适用于各种功能的功能块模板，包括 模拟控制( 偏差增益、超前滞后、pid 等) 、离散控制、输入输 出及其它的基本控制功能。每个功能块都包含参数，便于修改，从而 可满足用户定制算法的要求。算法可以是简单的输入变换也可以是通 过合并组成复合算法的复合功能块。 参数是在模块的算法中由用户定义的数据，用来执行计算和逻辑。 参数可以通过它所提供的类型来描述，比如输入、输出。 d e l t a v 系统包含了带有基本性质的现存的模板库。可以定制这些 库模块，也可以创建自己的模块，定制的模块可以增d l ：i n 库中，在开 发控制策略的过程中这些模块可以反复使用。 2 6 小结 基于现场总线控制系统，将基本的控制功能进一步下放到现场仪 表中，既提高了控制系统的可靠性，又简化了控制室仪表的设计，使 得控制系统实现了全数字化，并减少了系统安装成本。而智能仪表与 总线结合，可以为用户提供更多的生产过程信息，使用户可以更加深 入地了解整个生产过程。同时，现场总线也给控制算法的设计带来了 新的课题，下面几章的主要内容即是围绕着控制算法的设计而展开。 审审穴攀萼士后研究工1 乍亨匠旨 3 铅配料控制系统的设计 3 1 等l 言 铅聚料是檄据工艺配料的要求，将烧结的各种物料按一定 e 例进 行配制的工序。而物料重量的准确测定是实现高精度配料的基本前提。 在以往的生产中，神种原因致使设备运罨亍状况不稳定，无法实现真j e 意义。 = 的料量配院自动控制。 本奄围绕铅配料控制系统的设计，开展了以下几方面工作：将料 量检测部分原来的有秤絮的重力式毫子秤改为无力传感机构的核子 秤，克服了托辊支承结构变形及皮带跑偏等因索的影响，称量的实际 精度大有提赢，技术状况稳定，送给数据采集系统的信号也很可靠； 雨料量的调节控制采用了变频调速器控制电机，设备的性能稳定；荐 辅以自动配比控制功能软件，则系统可按照工艺技术人员的配料单给 比的各葶中配比数，严格控铡番仓的f 料量，浆擞比例符合要求蛉混合 物料，以实现自动配比控镧。 在本章的最后，重点介绍了一种基于滑模变结构核予秤称量控制 器的设i _ 中方法。 3 。2 系统的组成及工作原理 各配料仓下料量，原由d f h x p 型核子秤进行实时检测，为实现自 控系统一体化，减少中闯转换传簸环节，将原嫉子秤规构检测到的速 度信号和荷重信号，均以脉冲频率信号的形式直接送至日p l c 的脉冲频 率信号输入模块，由p l c 将频率信号转换为数值信号传送给d e l t av 系统。在d e l t av 系统中，应用c a l c 运算模块编制了料量信号处理黟 数学模型块，对核子秤的速度信号和荷重信号进行运算处理，得到实 际的料霪信号，省去了脉冲摸拟量转换和模拟量数字量转换等中闻 转换环节，减少了由传输转换过程引起的误差。 微机核子秤由放射源( 锚室) 、传感器( 电离窒) 、测速机构及机架 等1 。部分组成。 宁甫太掌辱膏后研究工作报告 放射源发出的r 射线穿过输送皮带上的物料后，其强度减弱，物料 越多，减弱程度越大。减弱后的射线与物料的厚度有以下藏律： ，= i o e “ ( 3 1 ) 式中，表示穿过物料后的射线强度；厶表示穿过物料藩的射线强度：芦。， 表示被测物料对y 射线的质量吸收系数，对确定的物质和”n 一定能精的 y 射线，其值为常数；p 寝示被测物料的物质密度；7 表示被测物料的 几何厚度。 由于传感器( 电离室) 的输出信号与r 射线强度戚正比，因此有： u = u 。e - ”( 3 。2 ) 式中砜表示皮带上无料时( 空载) 传感器输出信号强度。 设： k ：* i i f 。p t = 如l n ( u i u o ) + 世l ( 3 3 ) 系数k ，与墨的值可以通过标定进行确定。 蓿皮带速度为矿则物料流量为： f = k ：v l n ( u ! u o ) + k ；矿 ( 3 4 ) 由此可知，通过测量输出信号己，及皮带速度矿则就可求得物料流 量，从纛获褥瞬时霪量翻累积璧。 在运算处理单元中增设了一些中问变量，通过运用傅尾叶变换式 等多释数学运算方式，缳证程序鲍运冀误差不亳予0 ，0 5 。 因电离室和速度传感器的输出信号幅值达不到p l c 输入模件的要 求，在其阗增翔了隔离增睡处蘧逢路，涛髂狰信号接入了p l c 控豢l 器 的f o 接口。p l c 将频率信号转换为数值信号传送给d e l t av 系统。 在软件编制过程中，还充分考虑了调试校秤时瞧参数设置阎题， 设置了自动标定零点程序，并设有一个自动标定秤零点的开关。当皮 带上无料时设置标零开关为标零状态，运_ 亍一段时闷后，程序可禽动 完成标定零点工作。 核子秤称量信号处理程序具有实时料量程示、皮带速度显示、历 史趋势曲线记录、每班物料处理累积量、断料报警等功能。 在d e l t av 系统中编制的核子秤控制软件，不仅完全取代了艨有的 一枧八秤的p c 机控制系统软、硬件功能，省去了核子秤专用p c 机这 一中间环节，并在原有功能基础上进行了扩充，使信号可在d e l t av 系 平南式掌博士詹靖充工傩报告 统中供控制配料料量使