（电气工程专业论文）基于多层网络的水泥控制系统设计与研究.pdf

_ ；，、 p t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fc e m e n t p r o d u c t i n g c o n t r o ls y s t e mb a s e do nm u l t i - n e t w o r k s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f e n g gmasterengineering a s t e r b y h a n q i f a n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u z h i l i a n g a s s i s t a n ts u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e ry ul i z h o n g m a r c h2 0 1 1 岫。，i，吖 o n 哆 _；，：_，i_ 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王垒星圆终丝丕遑控剑丕统退让皇硒塞：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 薹垦! 垫! 主 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密砌( 请在以上方框内打“) 论文作者躲叶竣仍导师虢吴艨 日期：知1 1 年了月尸日 -jj哆 n - 广 l j 中文摘要 摘要 近几年来，随着网络通讯技术及多层网络技术的迅猛发展，网络通讯技术得 到了广泛的应用，特别是在水泥、石化、冶金、纸业、电力等行业。目前构建良 好的企业信息化体系便成为了衡量企业现代化建设的标准之一。因此，以多层网 络技术作为硬件系统的设计理念，从而实现工业过程中数据的自动采集、自动存 储、实时传输，以及各项计划特别是生产计划的自动下达与执行；实现企业产、 供、销及管控一体化的技术，已经成为水泥生产系统中控制技术的最新亮点之处。 其次，水泥生产系统控制过程中的新型p i d 控制、电机运转的变频控制、多种设 备以及各制造厂商产品间的通讯协作等核心的控制技术，将作为构成生产系统中 整体控制策略的决定性因素，可以较好地促进生产设备的工作效率、环保性能、 安全、精度等性能指标的提升。 本文是在大连小野田水泥实际生产系统的基础上，针对水泥生产自动化控制 管理系统的构建方法进行设计，使现场控制层与基础、过程及生产管理控制层之 间能够进行无缝结合，还包括在水泥生产过程中p i d 对风机入口、出口挡板的控 制，以及电机在变频器控制下与风机挡板的协调控制研究及论证，最后设计系统 的架构、网络构成、人机交互界面，以及报表系统等。 “ 本文主要针对以下几方面进行展开： 首先，本论文根据水泥生产系统控制过程中的开放性、互操作性、可靠性、 数字化生产及生产工艺要求等特点，将生产系统中分散的测量环节和控制设备用 网络节点的方式进行连接，从而构建了多层网络的硬件结构。由于水泥生产系统 的控制对象具有复杂程度高、分散程度高、响应速度快、可进行集中管理、具有 网络化发展需求等特点，本系统在设计的过程中充分考虑以上特点，设计出的系 统体现了网络系统的快速性、扩展性及开放性的优势。本系统选用多层网络控制 结构，由现场总线级、基础自动化级、过程自动化级、生产控制级网络相融合而 成，通过搭建现场总线和以太网，从而实现生产联锁管理、生产计划管理、数据 自动采集以及设备的远程设定及控制功能。 i，山即 中文摘要 其次，由于水泥生产行业的特殊性，即生产现场的环境恶劣( 主要以粉尘和 噪音污染为主) 、需要频繁作业、对操作的安全性及可靠性要求程度高，同时水 泥生产行业还应符合国家产业政策对生产中电机设备的节能标准及s 0 2 气体、s 0 3 气体、n 0 2 气体等减排标准的控制要求，因此控制系统的核心技术便采用了可以 使得生产效率提高的自动对位系统、优化电机运行特性的负荷平衡等多项控制策 略。 最后，由于小野田水泥设备具有结构紧凑、可视性差、控制对象多、安全操 作要求高、生产集中管理等多项特点，在本系统的设计中将监控管理系统和系统 控制相结合，从而实现了对控制系统操作状况和运行参数的在线检测、实时诊断、 趋势分析、及时发现和预报异常运行情况并提供故障处理信息的实时控制功能。 本文所设计的监控系统，不仅可对操作人员进行合理的指导，从而保证了系统运 行的安全性和可靠性，而且还可以通过设计的良好的人机交互界面功能，提高综 合生产系统的管理水平。 2 0 0 9 年1 0 月，基于本文所设计的网络结构、控制策略、监控管理系统的大 连小野田d c s 项目成功投入生产运营。 关键词：横河c s 3 0 0 0 ：v - n e t i p 网络：工业以太网：p l c ；p l d - t p 模块 q ， l 英文摘要 a b s t r a c t i nt h el a s tf e wy e a r s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d m u l t i l a y e rn e t w o r k t e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y , a n dt h e yu s e dw i d e l yi nc e m e n t ，p e t r o c h e m i c a l ， m e t a l l u r g y , p a p e r , e l e c t r i c i t ya n do t h e rd i f f e r e n ti n d u s t r i e s t h e c o n s t r u c t i o no f e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e mi so n eo ft h ec r i t e r i o n st om e a s u r et h em o d e r n i z a t i o no f a ne n t e r p r i s e t h u s ，u s i n gm u l t i - l a y e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya st h ed e s i g nc o n c e p to f h a r d w a r et oa c c o m p l i s ha u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，r e a l t i m et r a n s m i s s i o n , t h e a s s i g na n dp e r f o r m a n c eo fa l lt h ep r o g r a m s ，e s p e c i a l l yp r o d u c t i o np l a n n i n ga n dr e a l i z e t h ep r o d u c t i o n ，s u p p l y , m a r k e t i n g ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n ti n t e g r a t i o nh a sb e e nt h e l a t e s th i g h l i g h t so fc o n t r o lt e c h n o l o g i e sf o rt h ec e m e n ti n d u s t r y l a s t l y , a d v a n c e dp i d c o n t r o lt e c h n o l o g y , f r e q u e n c yc o n t r o lo fm o t o ro p e r a t i o n ，v a r i o u sd e v i c e s ，t h e c o m m u n i c a t i o na n dc o l l a b o r a t i o nb e t w e e nm a n u f a c t u r e r sc t c a r ec o r et e c h n o l o g i e si n t h ec o n t r o lt e c h n o l o g i e so fc e m e n ti n d u s t r ya n da sc r i t i c a lf a c t o r sw h i c hc o m p o s e d s y s t e mc o n t r o ls t r a t e g yw i l lc o n t r i b u t et oe n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo fe q u i p m e n t ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s e c u r i t ya n dp r e c i s i o ne t e i nt h i st h e s i s w et a k ed a l i a no n o d ac e m e n tp r o d u c t i o ns y s t e ma sa l li l l u s t r a t i o n , a n dc e n t e ro nh o wt ob u i l da u t o m a t i ca n dm a n a g e m e n tc o n t r o ls y s t e mi nc e m e n t i n d u s t r y ，m a k i n gi ta c c o m p l i s ht h es e a m l e s si n t e g r a t i o nb e t w e e no ns i t ec o n t r o ll a y e r a n do t h e rl a y e r s ，s u c ha sb a s i s ，p r o c e s sa n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tc o n t r o ll a y e r s i m u l t a n e i t y , i n c l u d i n gt h er e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o no ft h ec o n t r o lo v e rf a ni n l e t ， o u t l e tb a f f l eb yp i da n dt h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lo ft h eb a f f l ea n dm o t o ru n d e rt h e c o n t r o lo ft r a n s d u c e r f i n a lw ed e s i g nt h ea r c h i t e c t u r eo fs y s t e m ，n e t w o r ks t r u c t u r e ， h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d r e p o r t i n gs y s t e m se t c t h i sa r t i c l ec o v e r st h ef o l l o w i n ga s p e c t so fw o r k ： f i r s t l y , p r o c e e df r o mt h eo p e n n e s s ，i n t e r o p e r a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , a l l - d i g i t a la n d p r o d u c t i o np r o c e s so fc e m e n tp r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w ec o m b i n ev a r i o u sd i s p e r s i o n m e a s u r e m e n t sa n dc o n t r o le q u i p m e n t st o g e t h e ri nt h e w a yo fn e t w o r kn o d e st o c o n s t r u c tam u l t i - l a y e rn e t w o r kh a r d w a r es t r u c t u r e t h ea d v a n t a g eo fr a p i dn e t w o r k ， s c a l a b i l i t ya n do p e n n e s sa r ef u l l yr e f l e c t si ns y s t e md e s i g nd u et ot h ec o m p l e xc o n t r o l 英文摘要 o fo b j e c t s ，d i s t r i b u t e d ，f a s tr e s p o n s e ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dt h er e q u i r e m e n to f n e t w o r k a i m i n ga tt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e rs e l e c t e dm u l t i - l a y e rn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hi n t e g r a t e df i e l d b u s ，b a s i ca u t o m a t i o nl e v e l ，p r o c e s sa u t o m a t i o nl e v e la n d p r o d u c t i o nc o n t r o lt o g e t h e ra n da c c o m p l i s hp r o d u c t i o nc h a i nm a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o n p l a n n i n gm a n a g e m e n t ，d a t ac o l l e c t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n so f r e m o t ed e v i c et h r o u g hf i e l d b u sa n de t h e r n e tw i r e dn e t w o r k s s e c o n d l y , c e m e n ti n d u s t r yi sas p e c i a li n d u s t r y , t h ee n v i r o n m e n t so fs c e n e sa r e w i c k e d ( p r i n c i p a lp o l l u t i o n sa r ed u s ta n dn o i s e ) ，f r e q u e n to p e r a t i n g ，h i g hr e q u i r e m e n to f o p e r a t i n gs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , w h i l ei nr e s p o n s et ot h er e d u c t i o np o l i c yo ft h ee n e r g y s a v i n gb ye l e c t r i c a le q u i p m e n t s ，s 0 2e m i s s i o n , s 0 3e m i s s i o na n dn 0 2e m i s s i o nt h a t p r o p o s e db yn a t i o n a li n d u s t r i a lp o l i c y , t h ea u t o m a t i ca l i g n m e n ts y s t e ma n do p t i m i z e d l o a d b a l a n c i n g c o n t r o ls t r a t e g yf o rm o t o ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e c o m ec o r e t e c h n o l o g i e si ns y s t e mc o n t r o lt e c h n o l o g y f i n a l l y ，p r o c e e df r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sp o o rc o m p a c ta n dv i s i b i l i t y ， c o m p l e xc o n t r o lo b j e c t s ，h i g hr e q u i r e m e n to fo p e r a t i n gs a f e t ya n dc o n c e n t r a t i o no f p r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n te t c o fp r o d u c t i o ne q u i p m e n t si no n o d ac e m e n t ，w e i n t e g r a t e d t h e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m i n t ot h ec o n t r o ls y s t e mt o a c c o m p l i s ho n l i n em o n i t o r i n g ，r e a l t i m ed i a g n o s i sa n dt r e n da n a l y s i so fo p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m sa n dp a r a m e t e r s ，a tt h es a m et i m ed e t e c ta n dp r e d i c ta b n o r m a lo p e r a t i o n s a n dp r o v i d e st r o u b l e s h o o t i n gi n f o r m a t i o nf o rc o n t r 0 1 b a s i n go nt h ed e s i g n e dn e t w o r ks t r u c t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y , m o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e m i nt h e t h e s i s ，d a l i a no n o d ac e m e n t sd c sp r o j e c th a v e s u c c e s s f u l l yb e e np u ti n t op r o d u c t i o ni no c t o b e r2 0 0 9 k e yw o r d s ：y o k o g a w ac s 3 0 0 0 ；v - n e t i pn e t ；i n d u s t r i a le t h e r n e t ；p l c ； p i d t pm o d u l e 目录 目 弓i言1 第1 章绪论2 1 1 水泥生产的工艺特点2 1 2 水泥粉碎系统的工艺流程3 1 3 水泥生产设备的控制要求5 1 4 水泥生产控制系统的结构6 1 5 本章小结8 第2 章基于横河c s 3 0 0 0 控制系统的构建9 2 1 横河c s 3 0 0 0 控制系统介绍9 2 2 横河c s 3 0 0 0 网络的构建14 2 2 1v - n e t i p 网络的结构1 8 2 2 2v n e t i p 网络硬件与配置的组态2 0 2 3 本章小结2 7 第3 章工业以太网的构建2 8 3 1 工业以太网的结构与硬件配置一2 9 3 2 工业以太网的组态3 2 3 3 本章小结3 6 第4 章水泥生产设备监控系统的设计一3 7 4 1 监控系统的功能3 7 4 2 监控系统功能构成3 8 4 3 操作画面模式4 0 4 4 系统信息窗口4 2 4 5 操作监视窗口一4 6 4 6 本章小结5 2 结j 沦5 3 参考文献5 5 致 射5 7 ， 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 引言 大连小野田水泥有限公司是中日合资的水泥生产企业，日产熟料4 5 0 0 吨，随 着国民经济的持续稳定发展，水泥需求量也日益增多。无论是在民用建筑、桥梁、 地铁、机场的建设中，都要使用水泥。伴随着国家环保政策要求的日趋严格，越 来越严格，许多耗能高的中小型水泥厂被强行关闭拆除。采用窑外预分解技术的 小野田水泥有限公司建成于1 9 9 2 年，随着控制设备的老化以及备件供应的停止， 控制系统更新已是当务之急。根据国家水泥发展政策及可持续循环经济发展的战 略可知，在“十一五”期间及未来的十年内，水泥生产行业应发展成为具有高产、 环保、高效、节能、自动化及智能化等特点的产业，水泥行业中的生产设备需满 足设备操作工艺特点及高可靠性、高效率、高科技含量的要求。 此次设计的选题是根据大连小野田水泥有限公司控制系统的改造项目，该项 目总投资为6 0 0 多万元。本人担任该项目的电气主任设计师，完成了项目中电气 系统的设计工作和现场调试工作，目前改造后的系统已投入生产运营。 根据项目的相关背景和技术的发展状况，本文设计并开发出基于现场总线和 以太网的多层网络控制系统，从而满足了水泥生产线的控制和生产要求。该多层 网络控制系统采用了现场总线控制技术与工业以太网控制技术相结合的结构，可 对生产数据进行实时采集、对生产全过程实施监控和管理。该控制系统结构灵活， 方便进一步扩展，具有可靠性高、通用性强和工程可推广性的特点。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 水泥生产的工艺特点 简单地讲，水泥生产主要是“两磨一烧 。即主要大型设备包括原料磨、水 泥磨、窑外分解塔和回转窑系统。原料磨系统将由石灰石、页岩、铁粉、硅石以 及粉煤灰等按照一定比例配合好的原料进行粉磨，粉磨成粉末状的原料粉，再由 输送系统将原料粉送入分解塔，进而进入回转窑内焚烧成熟料。将熟料和石膏以 及粉煤灰、矿渣、复合添加材等按照一定比例混合后送到水泥磨系统进行粉磨， 成品即为水泥。 烧成系统的流程图如图1 1 所示。 图1 1 烧成系统流程图 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 1 2 水泥粉碎系统的工艺流程 水泥粉碎系统是水泥厂中设备最多，控制相对较为复杂，用电量最大( 相当 于水泥生产全过程的一半电量) 的系统。主要包含送入系统、水泥磨粉碎系统以 及水泥输送系统。 生产水泥的熟料经振动筛由熟料库中取出后，汇总到计量皮带，根据计量皮 带称出的熟料重量按照中央控制室设定的比例，将复合添加材料等加入到熟料中， 混合的熟料进入到水泥磨前熟料仓。石膏经破碎系统破碎后经由输送系统送入水 泥磨前石膏仓。仓下的皮带秤将熟料及石膏按照中控室设定的比例经由辊压机挤 压后送入运转中的水泥磨中进行粉碎。粉煤灰、矿渣粉添加设备根据熟料及石膏 总送入量，按照设定的添加比例添加到水泥磨出口的斗提机中，并同水泥粉一起 送入选粉机中进行筛选，细粉经袋式收尘器回收后，通过输送系统送入水泥库中， 粗粉重新被送回水泥磨再次进行粉磨。在水泥粉碎过程中，工艺对温度、风量、 压力等参数都有严格的要求。本文以水泥磨系统为例进行控制画面的介绍。其主 要流程图如图1 2 、图1 3 、图1 4 所示。 图1 2 送入系统工艺流程 第1 章绪论 图1 3 水泥磨系统工艺流程 图1 4 水泥输送系统工艺流程 4 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 1 3 水泥生产设备的控制要求 水泥生产行业是一个特殊的行业，现场环境恶劣、设备连续在负压状态运转、 高温设备及物料多、控制程序复杂，如果发生控制设备失灵，造成系统正压，高 温物料将从塔、窑内喷出，很容易发生设备及人员伤亡的重大事故。在分析整个 控制系统的过程中，得出该系统具有容量大、控制分散、控制规律复杂、控制精 度高、控制参数多等多个典型特征，因此设计一个可靠、先进的控制系统显得尤 为重要。结合小野田水泥有限公司的生产工艺特点和工业现场条件，该控制系统 应具备以下特点及要求： ( 1 ) 原有控制系统中的控制器与现场级设备为单一连接的测量控制点，此种 控制系统存在诸多缺点，比如底层数据不全、信息集成能力不强、系统开放性集 成性差、可靠性低、可维护性不高等。为了弥补以上这些传统控制系统的不足之 处，本系统控制网络应设置为基于以太网及v n e t 网络结构，采用面向设备的现场 总线控制网络结构和面向自动化的主干控制网络的节点接入形式，从而使得现场 总线结构与工业以太网结构的各自优点相互配合，互相补充。 ( 2 ) 水泥生产环境恶劣，存在操作环境高温、操作环境空气中粉尘程度高、 腐蚀性气体多等恶劣因素，以及对风机和挡板的运转要求高，工艺上的调节灵活、 稳定可靠等要求，因此需要通过变频器对电机的速度进行严格控制，同时结合变 频器的速度特性，设置最优的电机速度运行控制曲线，用以实现跟随快、运行平 稳等控制功能。 ( 3 ) 水泥厂设备运行机构繁多，每个系统均由多个设备组成，并且每个设备 的工艺动作流程均有连贯性。其次，受现场设备工艺布置要求的限制，很多设备 的可视性均较差，不便于操作人员进行实时观察和操作。根据上述工艺特点，要 求控制系统应设置一个开放的、可视化程度高的过程控制环节，使得生产和过程 自动化集合成为一个系统，使得可以同时进行操作和监控，并且应该具有故障报 警功能、记录操作数据、记录事件数据、详细说明操作过程、设备维修信息以及 维修趋势等生产管理附加功能。 第1 章绪论 ( 4 ) 在满足控制要求前提下，力求控制系统简单经济实用，并且具有很好可 维护性。 ( 5 ) 考虑到生产和网络技术、传感器技术、计算机技术的迅猛发展，控制系 统应具有良好的可扩展性，便于进行功能拓展和与其他设备进行通信。生产控制 系统可通过设备层网络对操作现场的传感器进行数据采集，以便实时地控制电动 机与计量设备的工作。 根据以上要求特点所设计出的控制系统，可以保证生产系统的可靠性、可扩 展性和较高的数据传输速率( w i p 的数据传输速率达至t j l g b p s ，现场节点的传输速率 为1 0 m b p s ) ，并且还可实现控制单元的分散布置和工艺流程的集中控制，减少了 电缆的数量，降低了控制系统的成本、优化了系统结构，提高了系统的可靠性和 可维护性。 1 4 水泥生产控制系统的结构 图1 5 小野田水泥生产系统多层网络 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 结合水泥生产工艺和系统控制要求，本项目控制系统按照“集中管理，分级 控制 的原则，设计构建了如图1 5 所示的基于以v i p 网络和p r o f i b u s d p 等现 场总线形式的多层网络控制系统。 根据小野田水泥生产系统网络结构图可知，该生产控制系统可分为四层结构， 其中各层所担负的控制任务如下所述： ( 1 ) 生产控制层的基本任务是根据市场的订货情况、熟料库存情况及成品库 存情况、煤电运行计划，以及运输管理等情况，决定矿山、原料系统、窑系统和 水泥磨系统的运行计划。该层处于公司管理运作的最高层，根据过程自动化控制 层传送上的数据决定公司的生产计划。 ( 2 ) 过程自动化层的基本任务是完成数据采集、通讯及原料系统、窑系统、 水泥磨、熟料库系统的协调生产工作，使现场设备根据生产计划管理要求，有序、 安全、可靠地完成预定生产任务。 ( 3 ) 基础自动化层的基本任务是接收生产控制级和过程自动化级发出的指令 要求，对单机设备控制系统进行操作，同时还负责实时在线检测系统的运行参数， 并且进行实时诊断，以便能够及时发现和预报异常的运行情况，显示对应的故障 处理信息。 ( 4 ) 现场设备层的基本任务是根据基础自动化级发出的控制指令，驱动各个 机构完成预定动作，同时还可通过现场总线了解现场生产设备的运行状态，并将 其传送至上级以便制定控制决策。 借助网络控制技术朝着开放系统、统一标准方向发展的强劲优势，将多层网 络集成在水泥生产的控制系统中，不仅打破了传统的一对一的本地控制模式，同 时还可以最大程度地发挥不同网络各自的优势，使得控制系统可以更好地完成预 定生产控制任务，并且十分有利于扩展现场设备的应用和灵活搭建系统结构。 第1 章绪论 1 5 本章小结 本章介绍了该设计项目的背景及意义；说明了水泥生产的工艺特点、流程及 控制要求；介绍了水泥生产控制系统的构成和各层所需完成的基本任务；阐明了 网络技术的发展方向及应用在水泥生产控制系统中的优越性。 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 第2 章基于横河c s 3 0 0 0 控制系统的构建 2 1 横河0 s 3 0 0 0 控制系统介绍 横河电机c e n t u mc s3 0 0 0r 3 集散控制系统( d c s ) 是一个结构真正开放的 系统，它是由以下元件所组成的，如图2 1 所利1 】： h i se n g p r m e x a o p c 盛盛盛壁 图2 1 系统结构图 s h u m a ni n t e r f a c es t a t i o n ( h i s ) 操作站 该工作站主要用于运行操作和实时监视。采用了微软公司的w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 作为操作系统的横河公司指定的高性能计算机。因此该系统工作 站具有很强的安全性和可靠性。 f i e l dc o n t r o ls t a t i o n ( f c s ) 现场控制器 该控制器主要用于处理采集的过程输入输出信号，实现模拟量调节、顺序控 制、逻辑运算等实时控制运算功能。 第2 章基于横河c s 3 0 0 0 控制系统的 e n g i n e e r i n gs t a t i o n ( e w s ) 工程师站 用于设计组态、对系统进行仿真调试及操作监视。采用w i n d o w s2 0 0 0 或最新 的w i n d o w sx p 作为操作系统的横河公司指定的高性能计算机。 e s b 总线( e x t e n d e ds e r i a lb a c k b o a r db u s ) e s b 总线作为在控制站内，中央主控制器f c u 同本地i o 节点之间进行数据 传输的双重化实时通讯总线。网络拓扑构成为总线型，通讯速率为1 2 8 m b p s ，每 台控制站可连接l o 个i o 节点，最大通讯距离为2 0 m 。 e r 总线( e n h e n c e dr e m o t eb u s ) e r 总线作为控制站内本地i o 节点与远程i o 节点之间进行数据传输的双重 化实时通讯总线，网络拓扑构成同样为总线型，通讯速率为1 0 m b p s ，每台控制站 可从本地节点连接8 个远程i o 节点，最大通讯距离为2 0 k m 。 s y s t e mi n t e g r a t i o no p cs t a t i o n ( s i o s ) o p c 系统集成网关 用于将系统控制总线v - n e t i p 与用于与子系统以太网相连接的网关。 v n e t i p 控制总线 用于进行操作监视及信息交换的双重化实时控制网络。控制网络同时兼有 v n e t 协议和t c p i p 协议。过程数据通过v - n e t 协议进行数据通讯，而网络上 的操作站之间的通讯则是通过t c p i p 协议进行数据通讯。这样既保证了过程数据 的安全性，同时也增加了控制网络的开放性，更多的网络设备可以挂接在控制网 络上而不影响过程数据的安全传输。网络的通讯速率：1 g b p s ，通讯距离最大2 0 k m ， 连接站数：6 4 站域，2 5 6 站系统【2 1 。 系统特点： 综合性 c e n t u m c s 3 0 0 0 开创了大规模集散型控制系统的新纪元。设备外观如图2 2 所示。 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 图2 2 设备外观图 开放的网络结构采用w i n d o w sx p 标准操作系统，支持o p c 。既可以直接使用 p c 机通用的m s e x c e l ，v i s u a lb a s i c 编制报表和进行程序开发，也可和在u n 上运行的大型o r a c a l 数据库交换数据。另外，横河公司提供了不同的系统接口和 网络接口，以便与不同厂家的控制系统、产品管理系统、设备管理系统和安全管 理系统进行通讯。 高可靠性 横河公司独家采用了4 c p u 冗余容错技术( p a i r & s p a r e 成对热后备) 的现场 控制站( 如图2 3 所示) ，使得控制系统可以在发生任何故障和产生随机错误的情 况下，自动地纠错与连续不问断地进行控制；i o 模件采用表面封装技术，具有 1 5 0 0 v a c 分的抗冲击性能；系统接地电阻小于1 0 0 欧姆，同时还具有多项高可靠 性尖端技术，使系统具有极高的抗干扰能力，耐环境等特点，适用于运行在条件较 差的工业环境【2 1 。 高速的控制总线 图2 3冗余容错技术结构图 第2 章基于横河c s 3 0 0 0 控制系统的 c e n t u m 采用横河公司的v - n e t i p 控制总线，该型号的控制总线通讯速度可 达1 g b p s ，可以实现控制系统实时性和大规模数据通讯的控制要求。在保证控制系 统可靠性的同时，又可以与开放的网络设备直接相连，简化系统结构。而且横河 公司已经将该标准提交i e c 组织，希望将该标准作为下一代控制系统的总线标准。 【2 】 现场控制站的高效性 控制站f c s 采用高速r i s c 处理器v r 5 4 3 2 ，可进行6 4 位浮点运算，具有强大 的运算和处理功能。此外，还可以实现多重高级的控制功能，如多变量控制，模 型预测控制，模糊逻辑等【2 】o 支持各种工业标准信号的输入输出卡。 c e n t u m 有丰富的过程i o 接口，并且所有的i o 接口都可以实现冗余，进一 步提高了可靠性【2 】o 高效的工程化方法 c e n t u m c s 3 0 0 0 采用c o n t r o ld r a w i n g 图进行软件设计及系统组态，可同步进 行方案的设计和软件组态，最大限度地简化了软件的开发流程。并且能够利用所 提供的动态仿真测试软件，减少了现场软件调试时剐2 1 。 可扩展性 c e n t u m c s 3 0 0 0 的拓扑结构可以构成大型实时过程信息网，以构成多工段、 多集控单元，全厂综合管理与控制综合信息自动化系统【2 1 。 与既有系统的兼容性 c e n t u m c s 3 0 0 0 控制系统可与横河公司既有的控制系统通过总线转换单元 简单地连接，具有很好的兼容特性，用以实现对原有系统的监视和操作等控制， 从而保障了用户的投资利益【2 1 。 y o k o g a w a 现场总线的发展与现状 横河电机是国际现场总线基金( f f ) 会执行委员会委员，作为基金会的领 导成员，横河电机承担了基于内部可操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 的总线技术制定， 并在后来现场总线基金委员会承担i e c ，i s a 现场总线国际标准的制定。对现场总 基于多层网络的水泥生产控制系统设计与研究 线通讯协议，通用文件格式的定义，内部可操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 测试工具的 开发和功能块说明等方面都担当着重要的角色。 现场总线是一种全数字，双向传输通讯技术，横河电机为本次招标推荐的d c s c e n t u m c s 3 0 0 0 已兼备现场总线控制功能，通过在现场控制站上加装一块 a c f l l l a l f l l l 型号的通信接口卡件，便可在其上挂接一现场总线，使用通讯协 议为h 1 ，并且在该现场总线与3 2 台现场总线设备进行连接( 如：横河的现场总 线e j a 变送器，流量计，分析仪等) 。横河电机的现场总线决策方案将给您一个 扩展现有自动化仪表的机会【2 1 。横河电机的现场总线结构示意图如图2 4 所示。 图2 4横河电机的现场总线结构示意图 系统部件及功能 以下概述此项目中所提供的c e n t u mc s3 0 0 0 系统及d c s 元件功能。 控制网络v n e f f i p 网的通信电缆，和电缆接口1 ：1 冗余配置。 控制器的c p u l ：1 “成对冗余配置。 d c s 各种工作电源冗余配置。 第2 章基于横河c s 3 0 0 0 控制系统的 每个操作界面站都是一个独立的计算机主机。每个操作界面站都能互相备份， 互为冗余，并能在线诊断故障、报警、切换和维修提示。 ，- 一 工程师工作站0 w s ) 工程师工作站采用的是世界一流品牌d e l l 工作站计算机，它是供系统生成组 态所用。该工作站可以储存控制系统中包含的组态数据和各类信息，据此建立一 个直观的、具有目标导向性的图形用户界面环境，以供开发之用并能综合所有的 应用数据到数据库。该数据库包含所有连接在网络上的信息，如网络站点及节点、 工位号的定义、报警及故障信息定义、控制方案的组成及流程图的制作等。 通过w i n d o w sx p 共享档案功能进行并行工程组态使多位工程师能够同时组态 到网络上的一个数据库。另外，在不同的工程师工作站所生成的数据也可以被综 合到一个数据库里。同时工程师工作站上的虚拟测试功能也可以在离线的情况下 确认所生成的程序。 2 2 横河c s 3 0 0 0 网络的构建 横河v - n e t i p 网络是一个具有快速响应、高可靠性的控制总线，该控制总线 根据国际电工委员会的i e e e 8 0 2 3 和u d p i p 协议制定、生产。其数据的传输速 率高达1 g b p s ，同时使用的网络设备都是通常的商用网络设备，如二级交换机 ( l a y e r2s w i t c h