（交通信息工程及控制专业论文）蒸发冷却式电磁除铁器监控系统的研制.pdf

中文摘要 摘要：蒸发冷却式电磁除铁器是大型除铁器中十分先进的一种，其工作的可靠性、 稳定性是由检测和控制两部分来保证的。本论文针对蒸发冷却式电磁除铁器的特 点，对其建立了基于d c s 的分布式控制系统的模型，设计了其过程对象的检测模 型、算法和控制方法，对蒸发冷却型电磁除铁器的稳定工作和快速推广应用具有 重要的现实意义。 论文在对蒸发冷却电磁除铁器监控系统进行了d c s 结构建模的基础上，应用 s o c 单片处理器和电子工程技术，完成了模型直接控制级的硬件电路设计。 论文采用结构化设计方法，对除铁器监控系统进行了需求分析和结构化的功 能划分，使用c 语言完成了直接控制级应用软件的设计。 蒸发冷却式电磁除铁器的检测参数包括液位、压力、设备的三相电参数，以 及设备状态的开关量反馈等。针对这些过程对象的特点和检测要求，论文对其分 别建立了检测模型，采取了多方面的抗干扰措旆，设计了数字滤波、开关量去抖 等相应的检测算法。 论文对研制出的除铁器监控系统，进行了大量的模拟工业环境的测试，通过 对其功能的确认和测试数据的分析，验证了系统模型和算法的合理性和有效性， 证实了系统的稳定性和可靠性。 关键词：模型；算法；监控；d c s ；除铁器；抗干扰 分类号：t p 3 0 2 ；t m 3 9 a b s t r a c t ：e v a p o r a t i v ec o o l i n ge l e c t r o m a g n e t i c i r o ns e p e r a t o ri sav e r y a d v a n c e dk i n da m o n gl a r g ei r o ns e p e r a t o r s t h e i rr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya r eg u a r a n t e e d b yt w op a r t s c o n t r o l a n dd e t e c t i o n t h e p a p e re s t a b l i s h e d ad c sm o d e lf o r e v a p o r a t i v ec o o l i n ge l e c t r o m a g n e t i ci r o ns e p e r a t o rm o n i t o r i n gs y s t e ma c c o r d i n gt oi t s c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n e dd e t e c t i o nm o d e l s ，a l g o r i t h m sa n dc o n t r o lm e t h o d sf o ri t s p r o c e s so b j e c t s ，w h i c hh a v eg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et ot h ew o r k i n gs t a b i l i t ya n dq u i c k p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o nf o ri t i nt h ep a p e r , o nt h eb a s i so fb u i l d i n gad c sm o d e lf o re v a p o r a t i v ec o o l i n g e l e c t r o m a g n e t i ci r o ns e p e r a t o rs y s t e m ，c i r c u i t sd e s i g nw e r ec o m p l e t e df o rt h em o d e l s d i r e c tc o n t r o ll e v e lu s i n gas l o e - c h i ps o cp r o c e s s o ra n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t e c h n o l o g i e s i nt h ep a p e r ，t h ed e m a n da n a l y s i sa n dt h ef u n c t i o n a ls t r u c t u r ed e v i s i o nw e r ed o n e u s i n gs t r u c t u r e dd e s i g nm e t h o d o l o g y , t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fd i r e c t c o n t r o ll e v e l w a sd e v e l o p e da sw e l lu s i n gc l a n g u g e t h ed e t e c t i o np a r a m e t e r sn e e d e db ye v a p o r a t i v ec o o l i n ge l e c t r o m a g n e t i ci r o n s e p e r a t o ri n c l u d el e v e l ，p r e s s u r e ，t h et h r e e - p h a s ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，a n ds w i t c h s i g n a l so ft h ee q u i p m e n t sf e e d b a c k a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e t e c t i o n r e q u i r e m e n t so ft h ep r o c e s so b j e c t s ，d e t e c t i o nm o d e l sw e r cb u i l df o rt h e m ，m a n y a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sw e r ea d o p t e d ，a n da l g o r i t h m ss u c ha sd i o t a lf i l t e ra n d j i t t e r - r e m o v i n gm e t h o dw e r ed e s i n g e di nt h ep a p e r i nt h ep a p e r , l o t so ft e s t sw e r ed o n eo nt h ei r o ns e p e r a t o rm o n i t o r i n gs y s t e mi na e n v i r o n m e n tt h a ts i m i l a rt oi n d u s t r i a lf i e l d b yf u n c t i o n a lt e s ta n dt e s t i n gd a t aa n a l y s i s ， t h er e a s o n a b l i t y , e f f e c t i v i t yo f s y s t e mm o d e la n da l g o r i t h m sw a s v e r i f i e da n dt h es y s t e m r e l i a b i l i t yw a sc o n f i r m e d k e y w o r d s ：m o d e l ；a l g o r i t h m ；m o n i t o r i n g ；d c s ；i r o ns e p e r a t o r ；a n t i - i n t e r f e r e n c e c l a s s n 0 ：t p 3 0 2 ；t m 3 9 韭嚣銮亟太堂硒堂焦论奎圈塞 列 图索引 图1 电磁除铁器1 图2 基于p l c 的除铁器控制模式 图3 蒸发冷却原理图3 图4d d c 结构图5 图5 集中计算机控制系统结构6 图6 分层计算机控制系统结构6 图7 二级自动化控制系统结构9 图8 集散型控制系统四层结构模式9 图9 蒸发冷却型电磁除铁器的功能模块图。 图1 0 基于d c s 的2 级计算机监控系统模型1 4 图1 l 直接控制级结构图1 5 图1 2 a d e 7 7 5 8 功能模块及与m c o 的接口1 6 图1 3i c d 与m c i j 的接口1 6 图1 4 铁电存储器与m c u 的接口。1 7 图1 5r s 4 8 5 通讯接口1 7 图1 6 主控制板1 7 图1 7 信号接口板1 8 图1 8 过程管理级监控软件人机接口1 8 图1 94 - - 2 0 m a 电流信号的处理1 9 图2 0 液位控制规程2 0 图2 1 压力控制规程2 0 图2 2 励磁电压、电流的处理2 1 图2 3 三相电输入调理电路 图2 4 数字信号输入电路2 3 图2 5 数字信号输出驱动电路2 3 图2 6 存储结构2 4 图2 7m a x l 4 8 0 的结构原理2 5 图2 8 传输线模型2 6 图2 9 共模干扰2 7 图3 0 顶层数据流图3 0 图3 10 层数据流图3 0 图3 2 直接控制级应用软件功能模块3 1 图3 3 主程序流程图 3 2 图3 4 数据接收流程3 3 图3 5 数据发送流程3 4 图3 6 a d 转换启动条件3 4 图3 7 a d 中断处理3 5 图3 8c r c 码字3 6 图3 9 a d 滤波算法 图4 0 两种阈值操作比较 图4 1 数字量去抖流程3 9 图4 2s i l i c o nl a b r o t o r i e s 软件集成开发环境4 2 图4 3 蒸发冷却电磁除铁器4 2 图4 4 除铁器电控柜4 3 图4 5 显示单元4 5 图4 6 故障报警和状态上报4 5 图4 7 图形化数据分析 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定- 特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 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：磨趋 签字日期：加。一) 年晓月7 - k 1 1 t 导师签名： 签字日期：夕专砗，月矿日 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，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：奢蕞已 签字日期： 加7 年f 】月二工日 5 1 致谢 在完成学位论文，即将毕业之时， 老师的辛勤教诲，离不开家人的支持， 言万语化为感谢二字! 不禁思绪万千。回顾数年求学路，离不开 离不开同学和朋友的无私帮助，在此，千 衷心感谢恩师魏学业教授l 本文的工作是在我的导师魏老师的悉心指导和严 格要求下完成的。魏老师广博的知识、敏捷的思维和严谨的治学态度给了我学业 上最大的帮助。他严谨求实的治学态度、一丝不苟的钻研精神、勤于思考的作风 将使我终生受益。在此衷心感谢两年半来魏老师对我的关心和指导。 王兆利工程师对我的科研工作提出了许多的宝贵意见，并提供了无私的帮助， 在此表示衷心的感谢l 在完成论文期间，感谢实验室的肖硕、张屹、谢涛三位师兄对我论文中的研 究工作给予的热情的帮助。特别感谢陆启进同学对我的大力支持，他给了我很多 宝贵的意见和建议。还要感谢我的室友刘金修、梁皖贵对我的帮助和鼓励。 最后要特别感谢我的家人，在漫长的求学生涯中，是他们一如既往的关怀和 鼓励，使我在人生的道路上一直保持乐观的心态和前进的动力。没有他们的支持， 本文是难以完成的。 1 引言 1 1选题的目的和意义 除铁器( i r o ns e p e r a t o r ) 是一种产生强大磁场吸引力的设备，它能将混杂在物 料中的铁磁性杂质清除，以保证输送系统中的各种机械设备安全正常工作，同时 可有效地防止因大、长铁件划裂输送机皮带的事故发生。除铁器的工作方式如图1 所示：当物料被传送带输送到除铁器附近时，除铁器的励磁线圈通电，产生强大 磁场，物料中混杂的铁磁性杂质被吸起到除铁器的皮带上。卸铁电机控制皮带的 转动，配合励磁线圈的断电操作，将杂质排除。 除铁器广泛用于冶金、矿山、选煤厂、电厂、陶瓷、玻璃、水泥、建材、化 工、食品及饲料加工行业，在新兴的垃圾处理工业中，也需要除铁器回收废物中 的钢铁。尤其在煤炭行业中，原煤中混有的雷管、铁钉等铁杂质不仅影响安全生 产，而且影响出口煤炭的质量和声誉；因此利用除铁器除铁这一环节就显得非常 重要【1 1 。 冷却 皮带 磁除铁器 图1 电磁除铁器 f i g u r e1e l e c t r o m e g n e f i ci r o ns e p e r a t o r 最早的除铁器控制系统多采用断路器接触器等节点的逻辑控制，其可靠性、 灵活性、可维护性、自检能力、安全保障能力及数据通信能力等都不高。现在的 除铁器控制系统往往采用p l c 单元构成，大大提升了自身的可靠性，减少了维护量。 利用其编程简单和模块化的优势还可以方便的组网，由上位机统一管理，使整个 系统乃至企业生产工序的自动化程度达到了一个新的水平。如图2 所示。p l c 是一 种数字式运算操作的电子系统，专门应用予工业环境下的生产现场，监控能力强、 易于扩展。目前控制要求越来越高，如采用以太网等，对p l c 的配置也从简单化、 小型化向复杂化、中型化发展【2 l 。 控制柜n 集中控 信号线l 上报继电器rp l c 继电 p 一 控制 j 器、l_ 除铁 制室干 () ( 信号 卜叫 器n 节点 下行继电器e ： 器 r 接口 图2 基于p l c 的除铁器控制模式 f i g u r e2p l cb a s e dm o d e lo fi r o ns e p e r a t o rc o n t r o ls y s t e m 随着工业自动化技术的迸步、客户需求的不断提高，目前的除铁器控制系统 也渐渐暴露出了它的不足，主要有以下几点： ( 1 ) p l c 的价格高昂，使系统成本居高不下。 ( 2 ) 远程监控的功能不完善，传输参数少，导致集中管理的水平低。除铁器的 运行参数和具体的工作情况只有现场的工作人员通过控制柜上的二次仪表才能看 到，集控中心的人员只能通过继电器干节点上报的一些除铁器的基本状态和故障 信息来控制设备的启动和运行，一旦出现问题，缺乏必要的分析手段和依据。 ( 3 ) 控制逻辑相对简单，对人为操作的依赖程度高。 ( 4 ) 除铁器的运行参数没有记录。大量运行过程中的参数没有被记录下来，不 利于设备的维护和问题的及时发现。 ( 5 ) 控制信号和状态反馈多以开关量的方式传递，需要大量的信号线，结合工 业现场的条件，增加了布线的困难，也增加了潜在的维护量。 总之，除铁器本体的技术水平在突飞猛进，带动了控制需求和控制理念的提 升。不断有先进的除铁器投入市场，而除铁器控制系统却并没有跟上步伐，仍然 使用p l c 为主的控制方式，甚至更老式的电节点控制。有必要研发新一代的除铁器 控制系统，使除铁器的控制管理和其自身的发展同步，进而从整体上提升除铁器 行业的自动化水平。本文就是基于这样的目标，对开发新一代除铁器控制系统进 行的一次尝试和实践。 1 2蒸发冷却除铁器技术原理 1 2 1 蒸发冷却技术在除铁器上的移植 2 ( 丽盈声笪 叫一 1 2 2 蒸发冷却除铁器的特点 把蒸发冷却技术应用到除铁器中来是一个新的尝试，已经进行的一年多的现 场试验证明了这种技术的可靠性和优越性。对比传统的风冷、水冷型除铁器，蒸 发冷却型电磁除铁器有诸多优势【3 j ： ( 1 ) 解决了吸力，散热和适应环境的三大问题。 第一，蒸发冷却系统是个密闭的系统，容不得粉尘等脏物进入，使得它能适 应任何环境，安全运行。第二，蒸发冷却系统的冷却介质一旦选定，汽化温度也 定了，线圈导体的温度大体就确定了。由于导体温度低( 5 0 6 0 e ) ，散热问题也顺 利解决。第三，在设计时，采取措施降低磁阻，减少漏磁，电磁除铁器的场强大 幅度提高，吸力问题迎刃而解。 ( z ) 它具有良好的自调节能力。 从通电开始，至稳态运行，时间较短。在稳态运行时，压力稳定，电流稳定， 3 磁势稳定，吸力稳定，克服了其他冷却方式电磁除铁器热态下吸力大幅下降之缺 点。吸力没有了冷态、热态的区别。 ( 3 ) 线圈导体的温度比较低( 5 0 - 6 0 ) 。电磁除铁器长期在低温和洁净的工况下 运行，绝缘性能好，使用寿命大大增加。 ( 4 ) 与水内冷的电磁除铁器相比，蒸发冷却电磁除铁器免去了水处理系统和消 除了由水泄漏和堵塞造成的事故，大大提高了运行的可靠性。 ( 5 ) 经济性。 首先，大型干式电磁除铁器，国内外的厂家无一达到5 0 0 砌吊高、磁感应强度 达到1 5 0 l t 的记录，甚至1 0 i ) m t 也达不到。如果一定要达到，在经济上的代价将是 非常高的。其次。水内冷电磁除铁器，它首先要有一套水处理系统，这系统要占 据一定空间，加大了用地面积。第三，导线是空心的，水从导线内通过，不能泄 漏，也不能堵塞。在寒冷的北方还需防冻。这些都使得它的成本很高；从国外进 口的水内冷电磁除铁器，运行不了多久，也都以失败告终。因此蒸发冷却电磁除 铁器具有经济优势。 1 3集散控制系统( d c s ) 技术概况 1 3 1d c s 的概念和发展 过程计算机控制系统的发展是与计算机技术的发展密切相关的，它始于2 0 世 纪5 0 年代。印年代中期o o 年代为集中式计算机控制发展时期，7 0 年代中期进入以 4 ( 2 技术( 计算机、通讯、控制、c r t ) 为特征的集散型控制系统的发展时期【4 】。 ( 1 ) 过程计算机控制的初创时期( 2 0 世纪5 0 年代) ： 在应用到过程控制之前，计算机仅仅用在工厂、实验室或其它测试环境中进 行数据采集和分析，因而此时的计算机只起到“离线”的应用。计算机放置的位 置大都在一个专用的机房中，仅作为数值运算的工具，或进行数值统计，或进行 数值分析，而计算机与过程装置之间没有任何物理上的连接。在后来的发展中， 扩充了对控制器的设定值和执行器的位置值的计算，因而可以实旅对过程的控制 和调节。由于当时的计算机太大，速度慢，价格昂贵而且不可靠，因此，这一时 期计算机只用于管理方式，给操作员以操作指导和给模拟仪表设定控制方式等。 ( 2 ) 集中式计算机控制系统发展时期( 2 0 世纪6 0 年代 7 0 年代) 在此之前，虽然计算机己应用于过程控制系统，但仍不能称之为过程计算机 控制，其根本原因在于它不直接参与过程控制，只是一个离线数据分析的工具而 已。到了5 0 年代后期，由于计算机上提供了与过程装置间的接口，计算机配备上 4 变送器、执行器和信号连接装置就完全可以实现过程的检测、监视以及对过程的 管理和控制了。然而由于计算机与过程装置之间的双向信号流动是通过硬性的物 理连接装置，其中流动的信号都是电气信号，计算机不能离现场装置太远，因此 每台计算机控制和管理的过程装置很少。1 9 6 2 年，英国i c i 公司安装了f e 盯a n t i a r g u s 计算机控制系统，代替了全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术来代替，而 系统功能保持不变。这是集中式过程计算机控制系统应用的开端。它的发展经历 了直接数字控制系统、集中型计算机控制系统和分层计算机控制系统三个阶段 直接数字控制( d d c ) ： 直接数字控制是计算机控制技术的基础，其主要组成是由一台数字计算机代 替彝族模拟控制器，其系统结构如图4 所示： 恩 fi 变送器执行器 过程对象 图4d d c 结构图 f i g l l r e 4 t h es t r u c l u r e o f d d c d d c 主要特点：计算机首先通过模拟输入转换器( a d ) ，实时采集生产过程 被控参数的信息，然后按照控制算法运算后，其结果通过数模转换器( 功r a ) 去控 制执行器，构成一个闭环控制回路。d d c 比起模拟仪表控制的主要优点在于所有 运算均在计算机中进行，保持了数字化的精度。其缺点在于当时的计算机运算速 度不够快，不能很好的控制快速过程。 集中型计算机控制系统： 如图5 所示，集中型计算机控制系统把几十个甚至几百个控制回路以及上千 个过程变量的显示、操作和控制集中在单一计算机上来实现。这比起常规仪表控 制系统有很大的优越性，控制功能齐全，而且可以实现模拟仪表难以实现的功能 和先进控制、连锁功能等复杂控制。由于单一计算机的高度集中，便于信息的分 析和综合，容易实现整个系统的最优控制。对于控制回路的增删、控制方案的变 化，可有软件改变，提供了应用的灵活性。大量的模拟表盘可用一个操作站c r t 显示来替代，改善了人机接口。 5 图5 集中计算机控制系统结构 f i g u r e5c o n c e n t r a t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 但集中型计算机控制系统存在三个主要问题：第一，集中的脆弱性。即单台 计算机的功能过于集中，一旦其发生故障，将导致整个系统瘫痪；第二，性能问 题。计算机速度和容量不够，负荷过载，使用多台计算机则要解决交换数据的困 难：第三，开发周期和人力问题。由于控制水平的不断提高，新的要求不断提出， 使得软件越来越复杂，越来越庞大，造成开发周期的不断增加。 分层计算机控制系统： 集中型计算机控制系统暴露了集中控制的重大缺陷，促使控制系统向分散化 发展。产生了监督计算机控制系统s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) ，在二级系 统中如果模拟仪表用一台计算机来代替，实现d d c ，即监督计算机控制系统。其 结构如图6 所示： 二级 第一级 图6 分层计算机控制系统结构 f i g u r e6h i e r a r c h i c a lc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 第一级计算机与生产过程连接，并承担测量和控制任务，即完成d d c 控制。 因此，要求可靠性高，抗干扰性强，能独立工作( 即自主性) 。一般选用工业过程 计算机作为d d c 计算机。第二级计算机是按照生产过程工况、操作条件的变更信 6 息和数学模型行进必要的转换，给第一级计算机提供最佳给定值和最优控制量等 各种控制信息。两级计算机之间的数据通信一般采用串行数据链路规程，传送速 率都比较低。 综上所述，管理的集中性和控制的分散性这一实际需要推动了集散型计算机 控制系统的发展。集散型计算机控制系统的结构是一个分布式系统，从整体逻辑 结构上讲，是一个分支结构，这与工业生产过程的行政管理结构一致。按系统结 构进行垂直分解，它分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，各级既相互独 立又相互联系，每一级又可按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意 味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制、实时监视和生产过程管理等。横 向分散意味着在同级上的设备有类似的功能。按照这种思想来设计集散控制系统 的硬件和软件，就是要贯彻集中又分散的原则。 集散型计算机控制系统又称分布式计算机控制系统，简称集散型控制系统 ( d c s ) ，目前它尚无确切的定义，实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监 视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理 技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透产生的，既 不同于分散的仪表控制系统，由不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者 的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显 著的优越性。集散型控制系统概括起来由集中管理部分、分散控制监测部分和通 信部分组成。集中管理部分又可分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站 主要用于组态和维护，操作站则用于监测和操作，管理计算机用于全系统的信息 管理和优化控制。分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站， 它用于控制和监测。通信部分连接集散型控制系统的各个分布部分，完成数据、 指令、数据通信软件、组态软件和各种应用软件的组成。使用组态软件这一工具， 就可以生成用户所要求的使用系统。 1 3 2d c s 的体系结构 自从1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司宣布其世界上第一套集散型控制系统t d c 2 0 0 0 诞生 之后，工业控制自动化进入了一个崭新的时期。经过十几年的发展，结构体系不 断更新，功能不断加强，已经向着计算机集成综合制造系统方向发展。总的来说， 过程控制系统的体系结构的发展经历了1 4 】：集中型计算机控制系统，多级计算机控 制系统，集散型计算机控制系统和计算机集成综合系统。它们都是与计算机技术 的发展紧密结合的。 2 0 世纪6 0 年代前期，大量的工业控制计算机用来解决一些特定而明确的工业 7 控制问题( 如数据采集，数据处理，过程监视等) ，这类计算机通常称作专用机。 由于专用机只用来处理一个特定的事情，工厂中就必然需要一系列的这类计算机 来解决各种各样的问题，而且各专用机之间也不直接发生联系。若需要相互之间 联系的话，也只有依靠数据传输介质如磁带、纸带、卡片来传输。这样的方式过 于麻烦和费时。后来由于中央计算机的引入，各专用机都可连接到中央计算机上， 那么各专用机之间的联系就可以通过中央计算机转换而实现。到了6 0 年代中期， 由于出现了大型而高速的过程控制计算机，就使得采用单独的一台大型控制计算 机来代替先期的众多专用小型机以监视和控制多个装置成为可能。这样就形成了 中央集中式的计算机控制系统。在当时，由于各工厂企业都有中央控制室，而分 布在各车间的变送器，执行器以及其它的各种仪器仪表都直接连接到中央控制室， 从而只要在中央控制室里安装一台大型计算机就可以实现这种中央计算机的集中 控制模式。中央计算机的权利无所不包，集数据采集、过程控制、过程监视、操 作和系统管理与_ 身。这种模式得到了快速的发展，持续到2 0 世纪7 0 年代中期， 仍占据主导地位。 集中式计算机控制系统的两大应用指标就是中央计算机的处理速度和计算机 自身的可靠性。计算机的处理速度越快，它在一定时间范围内就可以管理更多的 被控设备，而它的处理速度是受到当时技术条件的制约的；此外，工厂中的所有 仪器仪表装置都不得不连接到计算机上，这样在计算机和仪器仪表间就存在着成 百上千的连接装置。若是利用中央计算机来进行技术改造，而保持现有的连接装 置，整个控制系统的完成就比较容易。而事实是，计算机变得越来越便宜，而连 接装置的造价则相对变化不大，这就使得连接装置的花费比计算机的还要大。另 一方面，所有的控制功能都集中到单台计算机上来完成，一旦计算机出现故障， 就意味着所有的功能都将失败，这是一个重大隐患。基于上述的情况，必须寻求 一种更加可靠的计算机自动化控制系统。集散型控制技术便应运而生了。 2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代初，由于低成本的集成电路技术的发展，出现了小 型、微型计算机，使得小型、微型计算机的功能更加完善，而且价格便宜，因此 可以用这种小型计算机来代替中央计算机的局部工作，以对在其周围的装置进行 监测和控制，这些小型机叫做第一级计算机。而中央计算机只作为后继设备处理 中心自动化问题和管理方面的问题，从而产生了二级自动化控制系统的结构，如 图7 。这样，中央计算机不用直接跟现场设备打交道，从而把部分控制系统功能 和危险都分散到前端计算机上，如果中央计算机一旦失效，设备的控制功能依旧 能得到保证。若前端计算机太多，中央计算机的负载过重，二级计算机系统网往 往被扩充成三级计算机控制系统，加入中间层计算机。这种模式得到了广泛的应 用，至今还常常见到。 8 图7 二级自动化控制系统结构 f i g u r e 7 t w o l e v e l a u t o m a t e d c o n t r o ls y s t e m 如今，层次化已成为集散型控制系统的体系特点，使之体现集中管理、分散 控制的思想。集散型控制系统的层次分成以下四级，如图8 ： ( 1 ) 现场装置管理层次的直接控制级： 这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置( 如变送器、执行器、记录 仪表等) 相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第二层的计算 机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。 图8 集散型控制系统四层结构模式 f i g u r e8t h ef o u r - l e v e ls t r u c t u r eo fd c s ( 2 ) 过程管理级： 这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合 监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程 处理等。 9 3 ) 产品管理级( 生产管理级) ： 这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定， 是产品的总体协调员和控制器。 ( 4 ) 工厂总体管理和经营管理级： 这一级居于中央计算机上，并于办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体 协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。 1 4 基于c i p - 5 1 的s o c 技术 在8 位单片机中，8 0 c 5 1 系列形成了一道独特的风景线。它历史最长，长盛不 衰，不断更新，形成了具有强大生命力的一个单片机系列。当前c y g n a l 公司推出的 c i p - 5 1 内核的c 8 0 5 1 f 系列单片机又将8 0 5 1 兼容单片机推上了8 位机的先进行列。总 结8 0 c 5 1 系列的发展历史，可以看出单片机的3 次技术飞跃【5 j ： 第1 次飞跃是以p h i l l i p s 公司为主力，将以单片微型计算机形态的m c s - 5 1 系列 迅速推进到8 0 c 5 l 的m c u 时代，形成了可满足各种嵌入式应用要求的单片机系列 产品；第2 次飞跃则是a t m e l 公司以其先进的f l a s hr o m 技术推出a t 8 9 c x x 系列 形成的引领单片机的f l a s hr o m 潮流；而当前c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 则是将 8 0 c 5 1 系列从m c u 推向s o c 时代的第3 次飞跃。 片上系统( s o c ：s y s t e m o i l a c h i p ) 指的是在单个芯片上集成一个完整的系统， 对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。 虽然c 8 0 5 1 f 仍属于8 位单片机的范畴，但它的设计理念发生了变化，不但提升 了指令速度，还把许多资源集成到了一个芯片内部，成为一种完全集成的混合信 号系统级芯片s o c 。它在以下一些方面取得了重大的进步： ( 1 ) 指令速度大幅提高。c 8 0 5 1 f 5 6 j 指令运行实行流水作业，推出了c i p 5 1 的c p u 模式：在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平 均每个时钟可以执行完1 条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。印与8 0 5 1 相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的1 2 倍；整个指令集平均运行速 度为原来8 0 5 1 的9 5 倍。 ( 2 ) 迄今为止， o 端口大都是固定为某个特殊功能的输入输出口，可以是单功 能或多功能，i o 端口可编程选择为单向，双向以及上拉、开漏等。固定方式的i o 端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。而在c 8 0 5 1 f 中，采用了开关网络以硬件 方式实现i o 端口的配置，在这种通过交叉开关配置的i o 端口系统中，单片机外部 为通用i o 口。如p 0 11 、p 1 口和p 2 1 ：i 。内有输入输出的电路单元通过相应的配置寄 存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 1 0 ( 3 ) c 8 0 5 1 f 提供了一个完整而先进的时钟系统，在这个系统中，片内设置有一 个可编程的时钟振荡器，可提供2 、4 、8 和1 6m h z 时钟的编程设定。外部振荡器可 选择4 种方式。可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出还可从随意选择 的i o 端口输出。 ( 4 ) 从传统的仿真调试到基于j t a g 接口的在系统调试。c 8 0 5 1 f - 宅e 8 位单片机中 率先配置了标准的j t a g 接口( i e e e l l 4 9 1 ) 。引入j t a g 接口使8 位单片机传统的仿 真调试产生了彻底的变革。c 8 0 5 1 f 的j 1 a g 接口不仅支持f l a s hr o m 的读写操作及 非侵入式在系统调试，它的j t a g 逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。 ( 5 ) 从引脚复位到多源复位。在j e c m o s 单片机中，通常只提供引脚复位的1 种 方法。迄今为止的8 0 ( 2 5 1 系列单片机仍然停留在这一水平上。c 8 0 5 1 f 把8 0 c 5 1 单一 的外部复位发展成多源复位，众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以 及零功耗系统设计带来极大的好处。 ( 6 ) 最小功耗系统的最佳支持。在c m o s 系统中，系统功耗可表达为式1 ： w - 2 c v f( 1 ) 式中形为系统功耗，c 为负载电容，v 为电源电压，为时钟频率。c 8 0 5 1 f 在8 位单片机中率先摆脱5v 供电，实现了片内模拟与数字电路的低电压供电( 电 压范围2 7 3 6 v ) ，大大降低了系统功耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响 应速度要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的复位源使系统在掉电方式下， 可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计。 总之，s o c 单片机的出现，极大地扩展了8 位单片机的应用空间，使许多复杂 的设计变得容易，并且更加可靠。 1 5 论文组织结构 第一章首先给出论文研究的目的、意义以及内容，介绍蒸发冷却型除铁器的 原理和技术特点，叙述集散控制系统( d c s ) 的技术概况，最后介绍了基于c i p 5 1 的s o c 单片机技术。 第二章对监控系统进行d c s 建模。建立了二级计算机系统控制模型。并对直 接控制级进行了硬件设计和实现，讨论了抗干扰问题。 第三章采用结构化方法，对直接控制级进行功能模块的划分，并对各模块进 行了软件实现。设计了软件抗干扰算法。 第四章对监控系统进行了测试和功能验证，说明了系统的可靠性和实用性。 第五章对全文进行总结，并为未来的工作进行展望和设想。 1 1 2 蒸发冷却型除铁器监控系统的硬件架构 2 1 基于d c s 的结构层次划分 对除铁器监控系统硬件架构的层次划分，是建立在功能需求分析的基础上的。 即首先要明确控制功能、控制需求，其次对功能和需求进行分解( 按照对过程对 象的影响和依赖程度的原l t j ) ，根据分解的结果建立层次化模型，并明确各层功能 和相互关系。 2 1 1 监控系统的功能需求分析 要明确监控系统的功能需求，首先要明确除铁器的功能模块，在了解各模块 的作用后，产生对控制流程的认识，以此为基础进行归纳总结形成需求。图9 所 示为蒸发冷却型电磁除铁器的功能模块图。它主要由以下几部分组成：励磁线圈、 蒸发冷却装置、排气装置、风机、皮带机构和检测传感装置。励磁线圈励磁后产 生大量的热量，温度急剧升高，由蒸发冷却装置对其热量进行吸收以达到降温效 果，风机在励磁线圈励磁的同时启动，对冷却装置进行散热。皮带电机负责皮带 的启停。多种检测和传感装置对各个机构进行参数测量，通过输出回路将信号返 回给用户处理。 i 。+ 。士n 。lj 皮带位置检测j 一i ”4 “1 ”“r l 装置 一 - l风机 输 t 一 电压检测 一 一 输 入 一l“8 1 电沉检测 - - i t p 出 回回 路 t 路 莱瞥徭士n 挂罾 h 液位变送器 一 爨厦绅i 撇互卜1 j r、压力变送器 ，- i p 除铁器 图9 蒸发冷却型电磁除铁器的功能模块图 f i g u r e9 f u n c t i o n a lm o d u l e so fe v a p o r a t i v ec o o l i n ge l e c t r o m a g n e t i ci r o ns e p e r a t o r 在对除铁器功能模块有了充分认识，明确了控制点后和用户接口后，可以归 纳和制定出除铁器监控系统的功能需求： ( 1 ) 电磁除铁器本身采用程序控制，实现集控、就地控制功能，即可远方集中 控制，也可就地控制。控制柜设有就地、集控控制切换开关。 ( 2 ) 具有缺相、过流、欠压、过载等保护功能。 ( 3 ) 控制系统对整个操作流程进行集中监视、管理和自动程序控制，并设有必 要的保护和闭锁功能。 ( 4 ) 除铁器的主要参数高度集中在一个画面上，更新时间不大于1 秒，并且在控 制柜面板上可以显示。 ( 5 ) 控制系统采取有效措施，防止运行人员的误操作，具有防止直接从运行监 控级别进入系统管理级别的措施。 ( 6 ) 系统电源故障属系统的可恢复性故障，一旦重新受电，处理器自动恢复正 常工作，无数据丢失，无需运行人员的任何干预。 ( 7 ) 可自动检测运行工矿参数及状态，自动诊断并及时发出报警。在任何显示 方式下，只要系统检测到一个故障状态即发出声光报警。 ( 8 ) 能充分考虑现场工作环境，采用有效的抗干扰技术，保证控制系统、测量 系统能够适应现场环境并正常运行。 ( 9 ) 每一小时能够自动生成并打印系统主要技术参数运行报表，存储一个月记 录；能够自动生成并打印系统故障报表，存储一个月记录。 2 1 2 二级计算机监控系统模型 论文已经对除铁器监控系统的功能需求进行了分析，为了建立合适的系统模 型，可对上述功能性需求进行分解，再按照需求分解的结果建模。 这些功能需求可以分解为两大类： ( 1 ) 以控制和调节为主的需求。这类需求直接关乎设备的运行状态，需要从现 场设备采集第一手数据参数，经过分析和运算，形成控制方案。其实时性和安全 性要求最高。 ( 2 ) 以监视和数据分析为主的需求。这类需求主要是针对设备的管理、维护和 辅助控制，包括一些离线的数据处理和分析。它的安全与否并不对现场设备运行 构成直接影响，也不会对生产安全构成直接威胁。它的实时性要求相对较低。 根据上述分析，对除铁器监控系统体系结构建立d e s 的二级计算机系统的模 型。整个系统可按功能分解为直接控制级和过程管理级两层，如图1 0 所示。 1 直接控制级功能描述： ( 1 ) 连接过程控制的各种设备和传感器，对其运行状态、参数进行采集。 ( 2 ) 对采集到的参数进行运算和处理，按照确定的控制方案作出操作决策。 ( 3 ) 具备参数集中显示功能，具备和现场人员的人机接口( m m i ) 。 ( 4 ) 必须具备独立的报警系统，满足故障安全原则。 ( 5 ) 具备和过程管理级通讯接口，能够实现与过程管理级的信息交互。 2 过程管理级功能描述： ( 1 ) 能够对现场设备进行远程集中监视。 ( 2 ) 可以设置操作权限，必要时可进行远程集中控制。 ( 3 ) 可以进行在线或离线数据分析，为设备管理和维护提供依据。 ( 4 ) 可以改变现场控制参数和方案。 一一_ 一一一一一 _ 一一一一一一 - 一一一一 掣导耙卜一啤砌i 一一一- 一一一一一一一一一一一一一一一 输入回路输出回路 速压液 皮 三 度力位 带相 监变变 位 电 测送 送置 器器器 检 测 装 置 报励皮 风捧 警磁带机气 输开启启启 出 关停停停 图1 0 基于d c s 的2 级计算机监控系统模型 f i g u r e1 0 t w o - l e v e lc o m p u t e rc o n