（系统工程专业论文）间歇造气炉上位机监控软件的设计.pdf

摘要 造气炉被广泛应用于合成氨、氮肥、纯碱、炸药、城市煤气、机械加工、玻璃、 陶瓷等行业。我国中、小氮肥造气工艺多数采用固定床间歇式造气炉，对间歇造气 炉的优化控制直接影响到煤气的产量、质量及原料的消耗，长期以来一直受到业内 的高度重视。既能管理，操作又简单的造气炉上位机监控软件，对化肥企业是很有 吸引力的。为了迎合企业的需求，本文设计出一种造气炉上位机监控软件，来代替 原有的老式监控软件，以提高造气炉的监控水平，达到提高企业竞争力的目的。 本文针对煤化工间歇造气炉生产工艺流程，开发一套造气炉上位机监控软件。 该软件通过自定义的z f 通信协议与造气炉下位机之间进行实时通信，利用主界面 模拟现场运行环境，动态显示造气炉各类运行参数，并将一些参数以适当的形式( 包 括声音、图形、图像、曲线等方式) 实时显示给用户，使用户可以更直观地监视炉况； 同时，通过建立外部s q l 数据库，实现大量实时数据与历史数据的长久保存，并且 方便操作人员查询数据；该软件设计有内嵌o p c 服务器接口，可将自身系统运行数 据快速有效地发送到客户端p c 的组态软件中，不但成功地解决了本软件与其它设备 软件之间的通信难题，而且有效地提高了数据的传输速率；另外，该软件利用g s m 通信技术，成功地实现了将造气炉的报警信息以短消息的形式发送到管理人员的手 机上，这样管理人员就可以及时采取有效措施解决问题。 这套造气炉上位机监控软件应用于内蒙古乌拉山化肥有限公司的造气生产过 程控制中，取得了良好的运行效果，受到公司上下的一致好评。 关键词：监控软件；o p c 技术；g s m 技术 a b s t r a c t c o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r sa r ew i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i e s ，s u c ha ss y n t h e t i c a m m o n i a ，n i t r o g e n o u sf e r t i l i z e r , s o d aa s h ，e x p l o s i v e ，c i t yg a s ，m e c h a n i c a lw o r k s h o p ， g l a s s ，p o r c e l a i na n ds oo n i no u rc o u n t r y , i n t e r i mc o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r sa r em o s t l y u s e di nt h em e d i u m s i z e da n dp i n t s i z e dm a k i n g - g a st e c h n i c s ，h o wt oo p t i m i z et h e c o n t r o lo ft h ei n t e r i mc o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r sd i r e c t l ya f f e c t st h ey i e l da n dq u a l i t yo f c o a lg a s ，i ta l s oa f f e c t st h ec o n s u m p t i o no ft h em a t e r i a l ，s oi ti sh i 曲l yr e g a r d e db yt h e i n d u s t r y t h o s em o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h eh o s tc o m p u t e rw h i c h c a l lb em a n a g e da n d o p e r a t e de a s i l yw i l le x t r e m e l y a b s t r a c tf e r t i l i z e rf a c t o r i e s i no r d e rt o s a t i s f yt h e e n t e r p r i s e s d e m a n da n dr e p l a c et h e o l dm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sas u i to f m o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h eh o s tc o m p u t e r , t h i ss o f t w a r ec a ni m p r o v et h ee n t e r p r i s e s a u t o m a t i cl e v e la n dc o m p e t i t i v ea b i l i t y a i m e da tt h et e c h n i c a lp r o c e s so fc o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r sp r o d u c t i o n , as u i to f m o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h eh o s tc o m p u t e ri sd e s i g n e d t h i s s o f t w a r ec o m m u n i c a t e s r e a l t i m e l yw i t ht h es l a v ec o m p u t e r so f t h ec o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r su s i n gu s e r d e f i n e d c o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l ，w h i l ei t sm a i ni n t e r f a c es i m u l a t e sr u n n i n ge n v i r o n m e n to ft h e s c e n e ，d i s p l a y sv a r i o u sp a r a m e t e r sg a t h e r e df r o mt h ec o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r s ，a n d r e a l t i m e l ys h o w ss o m ep a r a m e t e r st ot h eu s e r si np r o p e rf o r m s ，s u c ha ss o u n d ，g r a p h ， p i c t u r e ，c u r v ea n ds oo n ，s ot h a tt h e u s e r sc a no v e r s e et h es i t u a t i o no ft h ec o a l g a s i f i c a t i o nr e a c t o r sm o r ei n t u i t i o n a l l y , a tt h es a m et i m et h es o f t w a r es t o r e s d a t at o e x t e r i o rs q ld a t a b a s e ，s oa st or e a l i z et h el o n gk e e po ft h er e a l t i m ed a t aa n dt h e h i s t o r i c a ld a t a , a n dc o n v e n i e n c et h ew o r k e r st oi n q u i r ea b o u tt h ed a t a ；i na d d i t i o n ，t h e r e i so p cs e r v e ri n t e r f a c ee m b e d d e di nt h i ss o f t w a r e ，s ot h i ss o f t w a r ec a ns e n di t sr u n n i n g d a t at ot h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo ft h ec l i e n tc o m p u t e rq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y ，i ta l s o s u c c e s s f u l l ys o l v e st h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fd i f f e r e n ts y s t e m s c o m m u n i c a t i o n ，a n d e n h a n c e st h et r a n s m i s s i o nr a t eo ft h ed a t a w h a t sm o r e ，u s i n gt h eg s mc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t h i ss o f t w a r ec a ns e n dt h ea l e r tm e s s a g eo ft h ec o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r si n t h ef o r mo fs m st ot h ea d m i n i s t r a t o r s m o b i l ep h o n e s ot h a tt h ea d m i n i s t r a t o r sc a nt a k e e f f e c t i v em e a s u r e st os o l v et h ep r o b l e mi nt i m e t h i s s o f t w a r eh a sb e e na p p l i e di nw u l a s h a nc h e m i c a lf e r t i l i z e rl t d sp r o c e s s c o n t r o lo fc o a lg a s i f i c a t i o nr e a c t o r sp r o d u c t i o n ，a n dt h er u n n i n ge f f e c ti sv e r yw e l l i ti s a p p r o v e db yt h ew h o l ec o m p a n y k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs o l , w a r e ；o p ct e c h n o l o g y ；g s mt e c h n o l o g y 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权 利和责任。 声明人( 签名) ：嚆 凇8 年s 鼢e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门 大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版 和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：绲 e tg q ：加。9 年f 月矽日 导师签名：刳谚打夺日期：加矿年r 廖i 疗 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国氮肥企业造气生产的历史 我国的固定煤层造气技术已经有近百年历史了，其在化肥生产上的应用也有了 近七十年的历史。经历了这么长的发展历史，固定煤层造气技术已经得到了很大的 发展，特别是近十年，固定煤层造气技术又得到了进一步的发展。 我国的化肥工业和其他现代工业一样，都是从无到有，从弱到强，一步一步发 展起来的。1 9 4 9 年，我国总共仅有两家化肥厂，1 9 5 6 年化工部开始筹建年产5 万吨 合成氨的省级厂，年产l 万吨合成氨的专区级厂以及年产2 千吨合成氨的县级厂，并 且都是采用焦煤作为原料1 1 。 1 9 5 8 年，在上海化工研究院试验成功了我国第一家自建小氮肥试验厂，从此， 中小氮肥厂得到了蓬勃发展。n 7 0 年代，我国己经建有中型化肥厂5 5 家，小型化肥 厂1 5 3 9 家，在此基础上，我国又建成2 6 家大化肥企业【2 1 。 。 造气炉以焦煤为原料，在高温时，通过水蒸汽与煤中的碳产生反应，生成合成 氨所需的氢气和氮气【3 1 。我国化肥行业的造气炉最早是从中型氮肥厂起步的，1 9 3 5 年永利宁厂从美国引进了u g i 型煤气炉，其后我国自建了多家中型氮肥厂，女n ) 1 1 化、 巨化等，大都是仿制u g i 型矽2 7 4 5 炉制造的。中型氮肥厂为了提高产气量，提高企 业效益，纷纷将炉径扩大。6 0 年代，南化公司率先将炉膛直径扩至矽3 0 0 0 ，目前我 国3 8 家以焦煤为原料的中型氮肥厂共有3 0 5 座煤气炉，其中痧3 0 0 0 的煤气炉约占 7 0 h i 。 1 2 课题来源及选题依据 煤化工造气工段是一个十分重要的生产工段，因此人们越来越重视对它的控制 管理水平。造气炉控制系统的各种操作原来主要是由造气炉操作员手工操作来完成 的，这样要求造气炉操作员时刻都要在现场监控造气炉的运行情况，而且原来用手 工来操作造气炉控制系统过程繁琐、复杂，要求操作工人对整个造气炉系统的运行 第l 章绪论 过程及过程中各个因素的相互影响都要有相当深刻的了解，并且能够根据现场实际 情况及时调整各个相关参数以达到工艺需求。长期以来靠人工操作造气炉系统不但 造成了能源和原材料以及人员的严重浪费，还极易发生事故，造成人员和经济上的 重大损失。因此，造气炉控制系统急需进行改造以适应我国氮肥企业发展的要求【5 1 。 为了节省资源，提高资源的利用率和工作效率，目日百集散控制系统已广泛应用 于间歇造气炉生产过程控制。集散控制系统又称分布式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e c o n t r o ls y s t e m ) ，它随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求日益复 杂应运而生【6 j 。d c s 是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统，它综合 了计算机( c o m p u t e r ) 、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 、显示( c r t ) 幂u 控制( c o n t r 0 1 ) 等4 c 技术。 d c s 的基本设计思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便：一 方面，为了保证系统的可靠性，使一个或几个控制器作为一个独立的系统运行，它 实现一定的有限控制目标，可以独立完成数据采集，信号处理，计算变换及输出等 功能；另一方面，集散控制系统又强调管理的集中性，它可以依靠计算机网络完成 操作显示部分与各个分散控制系统之间的数据传输，使所有的控制器都在生产过程 的统一管理协调下工作1 7 j 。d c s 具有自治性、易用性、友好性、适应性、实时在线 性、协调性等特型8 1 。由于集散控制系统不但具有传统的数据采集和控制功能，而 且可以通过计算机网络实现整个生产过程甚至一个工厂、企业的信息管理，同时也 为正在发展的先进过程控制系统的实施提供了必要的工具和手段，目前在电力，石 油，化工各部门，集散控制系统已得到广泛的应用，在控制品质，系统安全可靠性 等方面较之过去的控制系统具有明显的优势，显示了强大的生命力【9 】。 以p c 机为基础的集散控制系统，配以成熟的造气炉上位机监控软件，进行人 机对话、参数无纸记录、造气公用参数测控、网络数据管理等是问歇造气炉目前的 主要控制方式【1 0 l 。造气炉上位机监控软件用于对煤化工造气工段的运行情况进行监 视与控制，它完成造气炉设备运行数据的接收、处理、变换、存储、记录、显示、 查询、远程传送以及发送控制指令等功能，它正逐步取代以往笨重的硬件监视仪表 和记录设备而成为造气生产过程中必不可少的一部分。 因此，为使氮肥企业的产品在国内外市场上具有竞争力并且提高企业生产效 益，有必要从软件入手，设计开发一种先进的造气炉上位机监控软件，实现氮肥企 业的自动化，以保证氮肥企业经济、安全地运行，并且达到节能的目的。同时由于 2 第1 帝绪论 在生产过程中，造气炉不便准确操作，因此很有必要设计开发一种造气炉上位机监 控软件，对各造气炉炉况进行监控，既可以减少操作人员的工作量，又可以提高氮 肥企业的自动化水平。这就使得氮肥企业在生产过程中使用造气炉上位机监控软件 成为一种必然的趋势【1 1j 。本课题也就是在这样的背景下提出的。 传统的造气炉上位机监控软件存在着许多弊端，比如，软件运行在d o s 的环 境中，这样的监控软件存在可视化效果差、不易操作、再开发能力差等缺点；采用 d d e 方式与其他软件设备进行数据传输，这种数据传输方式需要一个接一个地传输 数据，这样当传输的数据量较大的时候，传输的速度就非常慢，传输的效率也非常 低，无法满足对现场实时监控的需求；采用内建的数据库进行数据存储，由于内建 数据库的容量有限，因此无法存储大量的有用数据，一些重要的历史数据甚至会因 此而丢失；当造气炉现场出现报警时，管理人员在获取报警信息方面有一定的滞后， 有的时候甚至因为无法对现场危险状况做出及时反应而造成不必要的损失。 为了提高造气炉的监控水平，并且提高企业的竞争力，本文设计出一套造气炉 上位机监控软件，与传统的造气炉上位机监控软件相比有了很大的改进。 1 3 课题综述 造气炉上位机监控软件是一个基于生产监控的计算机监控软件，它通过和下位 机之间的交互，实现对造气炉在生产过程中的整个工艺流程进行监视和控制，并利 用工控机对生产进行管理。针对本课题的特点以及所需解决的问题，作者需要收集 大量资料来满足课题的要求。现就以下几点事先简明阐述： ( 1 ) 设计上位机监控软件的注意事项。 ( 2 ) 作者对本课题设计的指导思想。 ( 3 ) 本课题的优势。 1 3 1 设计上位机监控软件的注意事项 一般来说，设计一种上位机监控软件必须要考虑到以下几点：根据工艺要 求，确定监控对象，并参照投资规模来确定监控软件的规模和结构：通过和工艺 第1 章绪论 人员以及操作人员的沟通，来了解他们对软件的实际需求，并结合实际情况来进行 软件选型，软件的选择比较灵活，可以使用v b 、v c 、d e l p h i 等高级语言来开发， 而这些都需要在了解现场的实际需求后并结合软件设计者的实情来做出选择；不 论采用什么方案，满足工艺对控制的要求、保证软件运行的平稳可靠，这是软件设 计者必须给予保证的。 1 3 2 作者对本课题设计的指导思想 本文设计的上位机监控软件是造气炉控制的重要组成部分，保证软件运行的安 全可靠是第一位的，同时也应当考虑软件的先进性，因此在软件的设计上应当借鉴 被市场所验证过的产品，并且在这些产品的基础上要有所创新。监控对象确定后， 采用何种软件结构、软件的选择方案，以及该软件的特色与优势将在本文中得到充 分的阐述。 1 3 3 研究意义 本文针对煤化工间歇造气炉生产工艺流程，开发一套造气炉上位机监控软件， 与传统的上位机监控软件相比有了很大的改进。 由于计算机使用的普及和w i n d o w s 操作系统的广泛应用，为了有更广泛的用户， 本文在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下进行造气炉上位机监控软件开发并使软件运行在 w i n d o w s2 0 0 0 的环境下，由于w i n d o w s 2 0 0 0 的操作方便，图形界面友好，再开发能 力强以及较强的网络功能等特性，该软件可以更好地被广大用户接受并予以推广； 该软件通过自定义的z f 通信协议与造气炉下位机之间进行实时通信，实时采集下 位机的数据，并利用主界面模拟现场运行环境，动态显示造气炉各类运行参数，这 样现场工作人员可以更方便、更直观地监控各造气炉的炉况，并可以通过对生产过 程的关键数据的监控和分析，对出现的问题及时进行处理，使生产的运行状态保持 平稳，当生产状态发生变化时，可以及时做出反应；同时，建立了外部s q l 数据库， 实现了大量实时数据与历史数据的长久保存，克服了内建数据库无法存储大量数据 的缺陷：值得指出的是，针对o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术在过程控制中的应 4 第1 章绪论 用，该软件遵循o p c 规范，设计有内嵌o p c 服务器接口，将监控软件的一些有用 数据组织成o p c 标准数据，提供给其它支持o p c 接口的集散控制系统设备，不但 成功地解决了不同制造商设备之间难以集成通信的问题，而且有效地提高了数据的 传输速率；另外，该软件利用g s m 通信技术，成功地实现了将造气炉的报警信息 以短消息的形式发送到管理人员的手机上，这样管理人员就可以根据报警信息及时 采取措施解决问题。最后，考虑到系统的可移植性，将软件设计成根据不同被控造 气炉的具体控制指标的要求，能够灵活的调整控制参数，克服了需要重新进行设计、 硬性修改等缺点，缩短了造气炉上位机监控软件开发的周期，可以大范围推广，具 有较强的现实意义【1 2 1 。 这套造气炉上位机监控软件经过不断改进，应用于内蒙古乌拉山化肥有限公司 的造气生产过程控制中，取得了良好的运行效果，得到公司上下的一致好评。同时， 在设计这个监控软件的整个过程里，充满了挑战，这也是对作者所学知识和能力的 一次全面检验，能达到拾遗补漏和锻炼的目的。 第2 章造气炉制气t 岂及j e 临挖系统 第2 章造气炉制气工艺及其监控系统 造气炉被广泛应用于合成氨、氮肥、纯碱、炸药、城市煤气、机械加工、玻璃、 陶瓷等行业。在我国，中、小氮肥造气工艺多数采用固定床间歇式造气炉。间歇制 气技术采取常压下工作、分段集中供热、分段吸收利用、五步循环制气的工艺技术。 间歇造气炉内在机理复杂，要求控制的工艺参数多，且参数间耦合严重，不同 制气阶段被控参数又各不相同，因而造气炉的最佳工作状态受多种因素制约，其中 以造气炉的温度为最主要因素。造气炉内各处的温度是不同的，气化层的温度最高， 炉温主要是指气化层的温度，同时也考虑炉顶、炉底、气体的出口温度等。造气炉 的最佳气化条件应该尽可能在高温气化层中进行，制气量的多少和煤气质量的高低 主要取决于炉温控制水平【b 】。 2 1 造气炉制气工艺过程概述 2 1 1 气化反应原理 煤燃料的气化过程主要是碳与氧的放热反应以及碳与水蒸汽的吸热反应，这两 个反应称为煤的气化反应。碳与氧的反应是燃烧反应，主要化学反应由式( 1 ) 表示， 该反应几乎是不可逆地自左向右进行，同时放出大量的热量，有一部分热量积蓄于 炭层之中，使得此时燃料层气化温度一般都在1 0 0 0 度以上。碳与水蒸汽的反应是 吸热反应，温度越高越有利于反应向生成物的方向进行，即有利于原料气h 2 和c o 的生成，主要化学反应由式( 2 ) 表示。 c + 0 2 = c 0 2 + 4 0 1 9 3 2 3 k j( 1 ) c + h 2 0 = c o + h 2 1 2 2 6 7 k j ( 2 ) 从以上两个方程式可以看出：为了获得较高的气体质量和气化效率，必须使造 气炉处于高气化层温度和高气化剂流速，使燃料气化层各处同一截面的气流速度和 温度分布均匀。 6 第2 章造气炉制气t 艺及j i 船挖系统 0 1 2 造气炉内燃料的分区 造气炉气化过程中，煤燃料与气化剂呈相反方向和顺时针方向运动。当气化剂 经过燃料层时，进行燃料的气化反应，同时伴随有物理变化。根据炉内温度分布的 不同，燃料层大致可分为如图1 的5 个分层。值得注意的是，各层之间没有严格的界 限，也就是没有明显的分层，各层高度随燃料种类性质和气化条件不同而改变。这 5 个分层的工作原理如下： 煤焦 i 吹风气 干燥层 干馏层 气化层 鋈曩尝 灰渣层 空气 图l 煤燃料层的分区 ( 1 ) 干燥层：新加入的燃料由于下层高温燃料与炉壁的辐射热以及高温气流的 热导，使燃料中的水分蒸发，形成干燥层，干燥层的厚度与加入燃料的量有关。 ( 2 ) 干馏层：干燥层下面温度较高，燃料中的水分蒸发至差不多后，在高温条 件下，燃料便发生热分解，放出挥发分，燃料本身也逐渐碳化，干馏厚度小于干燥 层。 ( 3 ) 还原层：气化剂从下面进入炭层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原 层里，主要进行c o 的还原反应。 ( 4 ) 氧化层：这一层，从下面来的空气与碳反应，生成碳的氧化物，因为氧化 速度较快，故其厚度比还原层薄，如果用水蒸气作气化剂，在该层中还会进行碳与 水蒸气的氧化反应。一般将还原层与氧化层通称为气化层。 7 第2 章造气炉制气t 艺及j e 监控系统 ( 5 ) 灰渣层：氧化层下面就是灰渣层，没有化学反应发生，其作用是分布预热 空气和保护炉篦。 煤炭从造气炉上部炉口加入，经干燥层和干馏层后，进入气化层与气化剂进行 反应；不能反应的炉渣进入底部的狄渣层，再由炉条将灰渣排入灰斗，并定时从灰 斗排出炉体。 2 1 3 造气炉间歇制气工艺流程 间歇制气工艺主要由吹风与制气两大步骤构成。在燃烧过程中，燃料的气化层 温度将随着空气的加入而迅速升高，随着水蒸汽的加入而降低，呈现周期性变化。 这种由一定规律变化的一个过程称为“一个工作循环”。通常一个工作循环由以下五 个阶段组成，各阶段的气体流向及阀门丌闭情况分别由图2 和表1 表示。各阶段具体 说明如下： 图2 间歇制气各阶段气体流向示意图 ( 1 ) 吹风：空气从炉底送入，空气中的氧与炽热的碳发生燃烧反应，吹风的目 的，是使氧与碳燃烧，其反应放出的热量贮存于炭层之中，以提高气化层温度，为 下阶段制气的吸热反应提供热量。 ( 2 ) 上吹：将水蒸汽从炉底通入，与炽热的炭反应，燃料层底部温度下降，上 部温度升高，生成含有氢气、一氧化碳等组分的水煤气，由炉顶排除送入气柜。 8 第2 章造气炉制气丁艺及j e 舱控系统 ( 3 ) 下吹：上吹制气以后，不能马上转入送风，因为炉顶温度过高炉底温度过 低，如果吹风，气体就会把大量的热量带走，热损失大。为此在上吹制气阶段之后， 将蒸汽自炉项通入，生成的水煤气自炉底引至气柜，这样就使炉顶温度降低，火层 下移，以使造气炉的火层位置和温度稳定在一定的范围内。 表1 工作循环中各阀门开闭状态 阀门开闭情况 阶段 123 4567 吹风 oxx0 oxx 上吹 x0xox ox 下吹xxoxxoo 二上x0xox ox 吹净 oxxo xox ( 4 ) 二上：下吹制气后，炉温迅速降低，此时炉底有大量煤气，如果马上吹风， 会使空气和煤气混合有发生爆炸的危险，所以在下吹以后，必须二次上吹，即将水 蒸汽自炉底通入，从炉顶回收煤气送入气柜。 ( 5 ) 吹净：为了回收炉顶及管道中剩余的煤气，不让这些有用的气体在吹风时 放空，要进行二次回收。吹净是随后的吹风阶段的先导。 由于每个工作循环中有五个不同的阶段，流程中必须安装足够的阀门，通过阀 门的闭启以控制间歇制气工艺生产过程，其工艺流程如图3 所示。此外，在合成氨 工业中，还要考虑在水煤气中加入氮空气，以实现合理的氢氮比控制。 2 2z f 4 型造气炉监控系统介绍 z f 4 型造气炉炉况监测与优化系统是安徽三元工业自动化设备有限公司科技 人员经过多年不懈努力，勇于创新研制而成。本软件对间歇( 或连续) 式固定层煤气 发生炉具有炉况检测及闭环调优功能。 通过近两百家用户的使用表明，本系统可使单炉发气量平均提高8 1 4 ，吨氨 9 第2 章造气炉制气丁艺及j e ：| ：l 撺系统 煤耗平均降低5 9 ，蒸汽分解率平均提高5 1 1 ；并可使造气炉炉况长期稳定，造 气操作影响台时数降为零，造气设备影响台时数也可大幅度下降；因为炉况稳定， 所以造气设备维护费用，灰渣返碳量都可大幅度下降；因为造气气质、气量稳定， 所以全厂综合能耗会大幅度下降，经济效益明显上升。 炉 况 监 测 探 头 灰 下行测温装置 图3 间歇造气炉制气工艺控制示意图 2 2 1 系统的硬件组成 燃烧室 放空 气柜 z f 4 造气炉专用集散系统主要由上位机( 软件工控主机) 和下位机( 炉况监控机) 构成。上位机的主要功能是调整造气工段的共用参数指标；以键盘、c r t 显示作为 软件的人机对话接口，用来输入命令和数据，从而达到控制下位机及造气炉的目的； 显示炉况信息，同时进行网络数据管理、参数无纸记录等。下位机通过对炉况监测 信号的分析处理，自动调整各阶段的时间分配、吹风风量、蒸汽阀开度、炉条机转 速等，实现对造气炉的闭环控制：将有关炉况信息送至上位机，从而为炉况实时监 控提供了直观的模拟显示；接收上位机的控制信息并作出反应。系统硬件构成如图 4 所示。 1 0 第2 章造气炉制气t 艺及j e 临控系统 图4z f 4 型造气炉集散控制系统结构 2 2 2 系统的软件组成 本d c s 软件控制系统包括下位机测控软件和上位机监控软件两大部分。下位 机测控软件采用单片机汇编语言编写，上位机软件采用d e l p h i7 0 高级语言编程工 具编写。 下位机软件具体包括以下软件包： ( 1 ) r d s p 一4 型雷达信号处理软件包 该软件包内装有雷达信号处理常用软件模块，如信号分离、定位、成像、测速 等算法模块。 ( 2 ) z f 4 s b i o s 型基本i o 管理模块 该模块内装有数据采集、滤波、转换、l e d 显示、小键盘管理、z f b u s 通信 管理等i o 管理软件。 ( 3 ) z f 一4 s z q c 型造气过程控制软件包 该软件包内含有炉况监测模块、炉况优化模块、造气常规测控模块以及模糊内 模预估控制算法模块。 笫2 m 气”制一l t 岂h 挖系统 f 4 ) z f 一4 s h n 型氢氮比控制模块 本软件的氢氮比控制所需信号少( 仅需变换氢、循环氢信号) ，氧氮比控制不影 响炉况。如果上吹加氮时间增加为保持遗气炉温不变，软件将自动减少吹风时间。 上位机软件具体包括以下几个模块： f 1 1 主界面管理模块 该模块管理画面显示、操作指令输入、工艺参数设定、软件组志及编程、生产 报表生成、数据存韶等，并模拟现场运行环境，动态显示造气炉各类运行参数。本 监控软件主显示界面如图5 所示。 i 蔓，啦4 女z 暨盛痊搠鼎熊群弼嘲瞄螬拦崮置皇薯奠目! 睫螬j 自蟠 。i e ! 圳一叫，到乳j 嘧铂“如“n n 5or j p j 。1 1 1 8 ：i 鬟嚣。，o 1 6 ：”m 图5 造气炉上位机监控软件主界面 f 2 1z - f 协议通信模块 该模块利用白定义的z f 通信协议与造气炉下位机之间进行实时通信，实时采 集下位机的数据，实现上位机监控软件与遣气炉下位机之间的通信联系，完成现场 备类参数和运行数据的实时整定与监测并动态显示造气炉各类运行参数。 ( 3 ) 外部s q l 数据库模块 该模块通过建立外部s q l 数据库，实现对大量实时数据与历史数据的长久保 存。 ( 4 ) o p c 服务器模块 第2 章造气炉制气_ t 芝= 及j e 豁控系统 该模块将造气炉监控软件数据组织成o p c 标准数据，提供给其它支持o p c 接 口的集散控制软件设备，成功地解决了不同制造商设备之间难以集成通信的问题。 ( 5 ) g s m 数据通信模块 该模块可及时将报警信息通过g s m 通信系统以短消息的形式发送到管理人员 的手机上，这样管理人员就可以根据报警信息及时采取措施解决问题。 第3 章问歇造气炉i ：位舱摔软件设计 第3 章间歇造气炉上位机监控软件设计 煤化工间歇造气工段生产早期以机械水压方式控制，存在着效率低下、操作繁 琐等缺点【1 4 】。目前，集散控制软件已广泛应用于间歇造气炉生产过程控制，而以p c 机为基础的集散控制软件，配以成熟的造气炉上位机监控软件，进行人机对话、参 数无纸记录、造气公用参数测控、网络数据管理等是间歇造气炉目前的主要控制方 式【15 1 。 本文采用d e l p h i 编程语言，开发一套间歇造气炉上位机监控软件。该软件利用 自定义的z f 通信协议，实现与造气炉下位机之间的通信联系，完成现场各类参数 和运行数据的实时整定与监测。同时，在w i n d o w s2 0 0 0 的环境下编写的主界面，可 以实时地模拟现场运行环境，显示造气炉各类运行数据与参数，方便现场工作人员 对炉况的操作。该软件外挂s q l 数据库，实现了对大数据量的长时间保存，克服了 以往监控软件采用内建数据库容量有限的问题。另外，针对o p c 技术在过程控制中 的应用，本文遵循o p c 规范，开发了一套o p c j 艮务器接口软件，将造气炉监控软件 数据组织成o p c 标准数据，提供给其它支持o p c 接口的集散控制软件设备，成功地 解决了不同制造商设备之间难以集成通信的问题。另外，该软件加入了g s m 通信技 术，旦出现报警信息，软件便可以通过g s m 通信网络，及时将报警信息以短消息 的形式发送到管理人员的手机上，这样管理人员就可以根据报警信息及时采取措旅 解决问题。 3 1d e l p h i 语言简介 d e l p h i 是著名的b o r l a n d ( 现在已和i n p r i s e 合并) 公司开发的可视化软件开发工具。 d e l p h i 这个名字源。j ：古希腊的城市名，它集中了第三代语占的优点，以o b j e c tp a s c a l 为基础，扩充了面向对象的能力，并且完美地结合了叮视化的丌发手段。d e l p h i 自 1 9 9 5 ； 三3 ：j 一推凇就受到了人们的关注，并在当年一举夺得了多项大奖【1 6 】。 1 4 第3 章问歇造气炉j ：位躲摔软件设计 3 1 1i d e 集成开发环境 d e l p h i 足。套集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 也称为l d e ) 的 程序语言丌发软件，它提供了程序设计器在设计、，) f 发、测试、调试及部鬻应刚程 序所需的全部程序工具，让设计器很容易地根据自已的需求，_ ：7 f ：发m 适合的应用程 序。 d e l p h i 的i d e 集成，f 发环境包括：一个可况化的窗体设计器、对缘检视器、对象 浏览器、组件面板、项目管理器、代码编辑器及辅助程序调试。程序设计器可以利 用上述的开发环境，很简单地将组件( 一种对象的可视化) j j 【i a 窗体或从窗体中删除， 再到对象检视器窗口中去修改或初始化垓组件的属性值，也可以利用代码编辑器编 写执行的代码。程序设计器也可以利用对象榆视器产生组件需要的时间，在这个事 件内编写对应的程序代码【1 7 】。 i d e 集成开发环境支持整个d e l p h i 应用程序丌发的过程，让程序设计器可以很快 速地完成工作。 3 1 2d e l p h i 的基本形式 d e l p h i 实际上是p a s c a l 语言的一种版本，但它与传统的p a s c a l 语言有天壤之别。 一个d e l p h i 程序首先是应用程序框架，而这一框架正是应用程序的“骨架”。在骨架 上即使没有附着任何东西，仍可以严格地按照设计运行。程序员的工作只是在“骨 架”中加入程序。缺省的应用程序是一个空白的窗体( f o r m ) ，用户可以运行它，结果 得到一个空白的窗口。这个窗口具有w i n d o w s 窗口的全部性质：可以被放大缩小、 移动、最大最小化等，但用户却没有编写一行程序。因此，可以晚应用程序框架通 过提供所有应用程序共有的东两，为用户应用程序的开发打下了良好的基础。 d e l p h i 已经为程序员做好了一切基础工作程序框架就是一个已经完成的可 运行应用程序，只是不处理任何事情。程序员所需要做的，只足在程序中加入完成 自己所需功能的代码而已。在窄白窗口的背后，应用程序的框架正在等待用户的输 入。由于并末告诉它接收到用户输入后作何反应，窗【j 除了响应w i n d o w s 的基本操 作( 移动、缩放等) 外，它只是接受用户的输入，然后再忽略。d e l p h i 把w x n d o w s 务j 程 的网调、句柄处理等繁杂过程都放在个不可见的r o m u l a m 覆盖物下面，这样您可 第3 帝问歇造气炉f ：位 i i 拄软件鼓计 以不为它们所困扰，轻松从容地对町视部件进行编程【1 8 】。 3 1 3 面向对象编程的概念 面向对象的程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简记为o o p ) 是d e l p h i 诞生 的基础。o o p 立意于创建软件重用代码，具备更好地模拟现实世界环境的能力，这 使它被公认为是自上而下编程的优胜者。它通过给程序中加入扩展语句，把函数“封 装”进w i n d o w s 编程所必需的“对象”中。面向对象的编程语言使得复杂的工作条理清 晰、编写容易【1 9 】。 说它是一场革命，不是对对象本身而言，而是对它们处理工作的能力而言。 对象并不与传统程序设计和编程方法兼容，只是部分面向对象反而会使情形更糟。 除非整个开发环境都是面向对象的，否则对象产生的好处还没有带来的麻烦多。 而d e l p h i 是完全面向对象的，这就使得d e l p h i 成为一种触手可及的促进软件重 用的开发工具，从而具有强大的吸引力【2 0 】。 一些早期的具有o o p 性能的程序语言如c 抖，p a s c a l ，s m a l l t a l k 等，虽然具有 面向对象的特征，但不能轻松地画出可视化对象，与用户交互能力较差，程序员仍 然要编写大量的代码。d e l p h i 的推出，填补了这项空白。您不必自己建立对象，只 要在提供的程序框架中加入完成功能的代码，其余的都交给d e l p h i 去做。欲生成漂 亮的界面和结构良好的程序丝毫不必绞尽脑汁，d e l p h i 将帮助您轻松地完成。它允 许在一个具有真正o o p 扩展的可视化编程环境中，使用它的o b j e c tp a s c a l 语言。这 种革命性的组合，使得可视化编程与面向对象的开发框架紧密地结合起来。 3 2 监控软件的总体构成 本文设计的问歇造气炉上位机监控软件采用d e l p h i7 0 开发平台，运行于 w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 环境。软件监控软件总体构成如图6 所示。 图中，分布在各车间的下位机实时采集造气炉的各种运行数据，通过r s 2 3 2 接 1 2 1 ，按照自定义z f 通信协议将采集的数据传输到上位机监控软件中，并接收该软 件的各种命令和参数设置。造气炉上位机监控软件对收到的数据进行处理，以适当 的形式( 包括图形、图像、曲线等方式) 实时显示给用户，以达到监测的目的。同时， 1 6 第3 章问歇造气炉l ：位监控软件 5 芝计 造气炉上位机监控软件通过a d o 控件，将实时数据和历史数据保存到外部s q l 数据 库中，方便操作人员查询，利于数据的长久保存。该监控软件内嵌o p c 服务器接口， 可将某些有用的数据快速有效地发送到其它生产工段的p c 机上，实现了不同制造商 设备之间的网络互联。另外，该监控软件设计有g s m 模块，一旦产生报警信息，软 件便可以通过g s m 通信网络，及时将报警信息以短消息的形式发送到管理人员的手 机上。 造气炉监控软件主界面 匝窭圈匝囹 图网网愿 图6 造气炉监控软件总体构 3 3 监控软件主界面设计 本文设计的造气炉上位机监控软件主界面主要由图形界面、历史数据、实时数 据运行曲线、参数设定以及报警监视等功能模块组成。图形界面模拟现场运行环境， 动态地显示造气炉各类采集测量参数，工作人员通过图形界面可以很直观地对造气 炉进行监测，主界面设计的部分代码如下： e d i t1 t e x t ：= f l o a t t o s t r ( 113 s ) ； e d i t 2 t e x t ：= f l o a t t o s t r ( 114 s ) ； e d i t 3 t e x t ：= f l o a t t o s t r ( 115 s ) ； 1 7 短 囝 取 一据一 存 ，一数一 据_ 1 些一甚 2 一。一 3 一m 一 2 一爿一 il_一 s 一蕾一 一占 第3 蘩间歇造气炉 ：位舱摔软件设计 l a b e l l c a p t i o n ：= f o r m a t ( 木木f ，【4 ，2 ，g s l l s 4 1 ) ； l a b e l 2 c a p t i o n ：= f o r m a t ( 木木f ， 4 ，1 ，g s l ls 4 3 ) ； l a b e l 3 c a p t i o n ：= f o r m a t ( 木木f ， 4 ，2 ，g s l l s 4 4 ) ； 用e d i t 、l a b e l 控件实时显示采集的数据。 i f b o o l e a n ( 1 11 s t x s z 1 7 】a n d1 ) t h e n s h a p e1 b r u s h c o l o r ：= c l r e d e l s e