（计算机应用技术专业论文）热处理电炉多点温度控制系统的设计与实现.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 热处理电炉多点温度控制系统的设计与实现 摘要 大型台车式电阻炉是进行热处理工艺的关键设备。由于其体积庞大、加 热温度高以及工况复杂，对其温度进行精确控制难度较大。本文针对h s r 1 6 0 0 8 型台车式电阻炉( 以下简称本电阻炉) ，设计和实现一套合理有效的 控制系统对其进行精确控制，以提高热处理工件的工艺品质，节约能源提高 效率，是具有现实意义和应用价值的。 本文首先简要介绍了我国热处理工业以及电阻炉温度控制的发展现状、 发展趋势，分析了电阻炉温度控制的传统方法，在此基础上根据本电阻炉的 结构和热处理工艺的要求，针对系统各回路温升速度不一致、回路存在静 差、系统超调大、能源消耗大等问题，设计了热处理电炉多点温度控制系 统，给出了控制系统的整体结构，并对系统的硬件和软件进行了详细设计和 实现。系统采用1 6 台厦门宇电公司的经济型智能仪表a i 5 1 8 p 作为现场控制 器，采用d e l l 工作站级计算机作为上位机，上位机与现场控制器的连接采用 r s - 4 8 5 通信总线，上位机软件采用组态王进行编程组态的方式，实现系统 的控制算法、监控、报警、数据记录等功能，系统软件操作简单易用，具有 稳定性好、可靠性高等特点。 其次，针对电阻炉系统的结构和广义预测控制特点，应用针对多变量 c a r i m a 模型的结构辨识和参数辨识方法，通过确定合适的采样周期和输 人信号，获得可供辨识的输入输出数据，离线辨识模型的结构，运用递推最 小二乘法辨识模型参数，选择多变量广义预测控制作为主控制算法，实现了 针对本系统c a r i m a 模型的多变量广义预测算法。 最后，根据h s r 1 6 0 0 8 型台车式电阻炉热处理工艺的要求，结合电阻 炉历史运行数据，对电阻炉温度控制系统进行了m a t l a b 仿真。系统的实际运 行数据和仿真结果表明，本系统能够按照工艺要求，解决回路温升不一致、 回路静差和超调过大等问题，达到了预定的控制要求。 关键词热处理；电阻炉；预测控制；智能仪表 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh e a tt r e a t m e n t f u r n a c e m u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t l a r g er e s i s t a n c ef u r n a c e sa r ev e r yi m p o r t a n te q u i p m e n t sf o r t h et h e r m a l t r e a t m e n t b e c a u s eo fi t ss i z e ，h i g hh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n s o fh i g hc o m p l e x i t y , i t sp r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o li sq u i t ed i f f i c u l t i nt h i sp a p e r , f o c u s i n go nt h eh s r - 1 6 0 0 - 8r e s i s t a n c ef u r n a c e ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o far a t i o n a la n de f f e c t i v ec o n t r o ls y s t e mf o ri t sp r e c i s ec o n t r o li so fg r e a t r e a l i s t i cm e a n i n ga n da p p l i e dv a l u e , b e c a u s ei tc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fh e a t t r e a t m e n ta n ds a v ee n e r g y f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e sc h i n a sr e s i s t a n c ef u r n a c eo fh e a t t r e a t m e n ti n d u s t r y , 觞w e l la st h ed e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls t a t u s ， a n a l y z e st h er e s i s t a n c ef u r n a c et e m p e r a t u r et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sa n di t s l x o b l e m s o nt h i sb a s i si na c c o r d a n c ew i t ht h es t r u c t u r eo ft h er e s i s t a n c ef u r n a c e a n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r e o ft h ec o n t r o l s y s t e mb e s i d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e t a i l e dd e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n t h i ss y s t e mu s e s16e c u m e n i c a lx i a m e ni n t d l i g e n ti n s t r u m e n t a i 518 pa sas i t ec o n t r o l l e r , u s e sd e l lw o r ks t a t i o na sh o s tc o m p u t e r , u s e sr s 一 4 8 5c o m m u n i c a t i o nb u sf o rc o n n e c t i o n ，u s e sp cs o f t w a r ek i n gv i e wt o i m p l e m e n ts y s t e mc o n t r o la l g o r i t h m ，m o n i t o r i n g , a l a r m , d a t al o ga n do t h e r f u n c t i o n s s e c o n d l y , i nc o n n e c t i o nw i t hs t r u c t u r eo fr e s i s t a n c ef u r n a c ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，w ep u tu pt h em e t h o d so f s t r u c t u r ei d e n t i f i c a t i o na n dp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n sf o rm u l t i v a r i a b l ec a r i m a m o d e l ，a f t e rd e t e r m i n i n gt h ea p p r o p r i a t es a m p l e sa n di n p u td a t a , w eu s et h e r e c u r s i v el e a s t s q u a r e s m e t h o dt o i d e n t i f y t h em o d e lp a r a m e t e r s ，c h o o s e m u l t i v a r i a b l eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v em e t h o da st h em a i nc o n t r o la l g o r i t h m a t 1 1 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 l a s t ，w ed e s i g nt h eh e a tt r e a t m e n tf u r n a c e m u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l a l g o r i t h m f i n a l l y , u s i n gt h em a t l a bs y s t e mw ec r i t yo u ts i m u l a t i o n st os t u d yt h e p o s s i b l e f a i l u r eo ff u s e w i r e ，t h e r r n o c o u p l ed a m a g e s ，a sw e l l a sp c c o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o n s ，e t c t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da c t u a lo p e r a t i n g d a t as h o wt h a tt h es y s t e mc a n p r o c e s si na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h e h e a tt r e a t m e n t ，a n da c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s k e y w o r d sh e a tt r e a t m e n t ，r e s i s t a n c ef u r n a c e ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ， i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文热处理电炉多点温度控制系统 的设计与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：多i 、爿( 杰日期：2 。0 9 夥月乙沪 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 ：热处理电炉多点温度控制系统的设计与实现系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并r a 有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密 口， 在年解密后适用授权书。 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：翔、春z 日期：2 0 0 9 年多月己铂 导师签名：三巨嘞日期： 2 0 0 9 年岁月7 0e l 哈尔滨理- t 大学丁学硕十学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 课题来源于哈尔滨理工大学计算机学院2 0 0 7 年为哈尔滨电力设备总厂研制 开发的用于大型工件热处理的高温高精度台车式电阻炉炉温控制系统设计改造 的实际项目。 1 2 我国电阻炉及热处理工业现状 无论电阻炉( r e s i s t a n c ef u r n a c e ) 是利用电流使炉内电热元件或加热介质 发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前 加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点 金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。 自从发现电流的热效应( 即楞茨焦耳定律) 以后，电热法首先用于家用 电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，至l j 2 0 世纪2 0 年代，电 阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金 属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数 千千瓦。工作温度在6 5 0 以下的为低温炉；6 5 0 1 0 0 0 为中温炉；1 0 0 0 以上为高温炉n 矗1 。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对 流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以 加强对流传热。电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧 道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。 电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化 学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合 金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。 非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、 板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而 定。 电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量 好、无烟尘、无噪声等优点，但使用费较高。 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 工业电阻炉分为工业电阻炉分二类，周期式作业炉和连续式作业炉。周期 式作业炉分为箱式炉、密封箱式炉、井式炉、钟罩炉、台车炉、倾倒式滚筒炉 等；连续式作业炉分为窑车式炉、推杆式炉、辊底炉、振底炉、转底炉、步进 式炉、牵引式炉、连续式滚筒炉、传送带式炉等。其中传送带式炉可分为：有 网带式炉、冲压链板式炉、铸链板式炉等引。 1 电阻炉的加热机理电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热 能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达5 0 - - 8 0 ，热 工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热， 但耗电费用高。 2 电阻炉的功率电阻炉的功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的，通过 热平衡计算，可以比较精确地算出电阻炉的功率。电炉所需的功率应包括炉子 蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损 失等。其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系 数决定。一般地说，炉子越大，炉子蓄热越大，反之亦然。工件加热需要热 量、工件保温需要的热量由炉子的产量、工件的性质和规格尺寸、工作温度、 时间决定。炉子的产量越大，功率越大，反之亦然。气氛裂解所需的热量，由 气氛的性质决定。热损失的热量，包括进料口部位、落料口部位的散热和其它 部位的辐射损失等。炉子功率计算有利用热平衡原则确下的理论计算法、经验 计算法。理论计算法，主要参数是产量、温度、升温时间。经验计算法常用三 种：根据炉膛容积和工作温度计算功率或根据炉膛内表面积和工作温度计算功 率或根据相同品种的炉子产量的类比推算功率。一般计算功率，经一种方法为 主，以另一种或二种方法验算并进行修正。功率确定之后，根据电阻炉的分区 情况，进行功率分配，选定加热元件的形式，选用材料，计算其参数，包括冷 态电阻、电源电压、线径、长度。具体选材料要考虑材料的抗氧化性、抗高温 性、抗渗碳性、加工艺性，表面负荷等。带状加热元件承受的表面负荷比丝状 加热元件大一点，最高可增n 5 0 。 热处理工艺对热处理温度实时控制的要求使所设计的控制器应具有较强的 跟踪伺服信号的能力及良好的稳态性能，平稳的动态性能，同时还应具有一定 的鲁棒性。即要求温度控制系统能够满意地跟踪设定的温度曲线碡1 。 经典控制中p i d 控制由于其工作稳定、可靠性高、鲁棒性强、且易于操 作，所以在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的应用。但是，由于控制系统的 复杂性日益提高，工业产品对工艺的要求不断提高，大型台车式电阻炉般存 在加热空间大，炉内温度场分布不均匀、密封性差，系统存在大滞后、强耦 哈尔滨理_ t 大学工学硕士学位论文 合、多变量等特点，这就使常规p i d 控制难以满足大型电阻炉的控制要求哺1 。 现代控制理论的发展虽然解决了线性多变量系统的控制问题，但是需要精 确的数学模型使其难以满足复杂非线性系统的控制问题。于是，一些新型的智 能控制方法随之产生，模糊控制、神经网络、预测控制、鲁棒控制得到了较快 的发展和广泛的应用盯8 1 。其中，模糊控制由于采用模糊规则且对非线性系统 具有无限逼近性，预测控制由于采用计算机控制易于工业实现且具有鲁棒性， 使它们在实际应用中得到广泛的应用。 我国热处理工业现状主要如下： 1 目前，全国机械工业有1 0 5 0 0 个热处理厂，全国热处理职工1 5 万人，机 械工业热处理加热炉1 l 万台，全国热处理年产值5 0 亿元，热处理钢件约7 0 0 万 吨、铸铁件3 0 0 万吨，全员劳动生产率平均不超过3 万元人年。 2 机械工业的热处理9 0 以上用电加热，热处理用电平均占全厂用电总 量的( 2 5 - - 3 0 ) ，热处理装机总容量约7 0 0 0 m w ( 7 0 0 万l + 6 5 ( ) 2 0 至8 0 ( 非冷凝) 3 1 2 智能仪表的选择 a i 5 1 8 型仪表可将仪表的测量值对应为任意范围的线性电流输出，可作为 一台有显示及温度变送输出功能的仪表使用，变送器精度为o 5 级。可设置使 用各种的热电偶热电阻输入，任意设置温度变送范围及输出电流规格。变送 精度在0 - - 2 0 m a 范围内误差小于0 1 m a ，这种工作模式适合本论文提出的由上 位机计算并实时给仪表控制信号的控制方式，达到系统满意的控制效果慨州。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 1 3 周波控制器 智能仪表输出直流信号( 例如4 , - 2 0 m a ) ，周波控制器则根据这个信号， 确定每一个运行周期可控硅输出的周波数。如果实际炉温远离设定温度，温度 显示控制仪输出控制信号将最大，周波控制器接受这个信号后则使可控硅全部 导通，电炉以最大功率升温。如果炉温接近设定温度，智能仪表输出电流便减 小，例如减小到1 2 m a 时，周波控制器将使晶闸管在运行周期里导通5 0 。若 设定周期为1 秒，1 秒内5 0 个周波。则定周期在1 秒内导通2 5 周波，关断2 5 周波。变周期则导通l 周波，关断l 周波( 周期为2 周波) 越接近设定温度， 温度显示控制仪输出电流越小，周波控制器将使可控硅在运行的周期里导通的 波数越小，关断的越多滔1 。在恒温时加热功率只补充电炉散失的热量，使炉温 保持在设定温度。总之，周波控制器以控制周期内导通周波数的多少达到加热 功率的目的。周波控制器由于无高频干扰，有较好的电磁兼容特性，不会使功 率器件集中功率输出，具有很广泛的应用范围。 3 2 电气系统 电气系统包括变压器、可控硅、电阻丝、控制柜及电压电流表等装置组 成，完成系统控制信号的放大执行等功能。变压器将电网的高压电转换成系统 需要的平稳3 8 0 v 三项供电电源。智能仪表通过改变可控硅的导通角从而使其 输出不同电压来控制电阻丝发热从而控制电阻炉的温度，该温度检测信号经过 热电偶采集模块十转化为对应温度的数字信号，通过送入智能仪表进行控制运 算，运算的结果送入可控硅，达到控制电阻炉炉温的目的。前面己提到电网电 压的冲击易对设备造成损伤，所以进入控制柜的交流电压通过交流稳压电源和 供电到计算机等设备，可以有效防止电网电压的冲击和雷击。智能仪表采用的 模板已考虑了抗干扰色设计。电压电流表能实现操作人员实时监控系统电压电 流变化的功能。可控硅控制方式见图3 3 所示。 3 3 数据采集系统 数据采集系统包括上位机及监控软件、打印机、系统总线、温度转换模 块、热电偶等装置组成，完成系统测温及数据的采集、记录、报警等功能。当 前工控系统的一个值得注意的趋势就是低成本的自动化。所谓低成本自动化就 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 是一种适度投资、采用高新技术、低成本、高效益、低风险，具有竞争力的一 种自动化模式。低成本自动化的目标就是以较低的成本实现高可靠性、高性能 的控制系统。同时，设计控制系统时，主要考虑的问题是系统的开放性、维护 性以及整个系统的性能价格比，因此选择适当的软、硬件平台是非常重要的。 本台车式电阻炉选用k 型热电偶作为检测元件。热电偶是目前应用最广的温度 传感器，一般用于测量5 0 0 以上的高温，热电偶的测温上限可达1 3 0 0 ，它 是一种发电型传感器，将温度信号转换成毫安级信号配以测量毫安信号的仪表 模块，便可以实现温度的测量或温度信号的变换。 常用热电偶分度号有s 、b 、k 、e 、t 、j 等，这些都是标准化热电偶。其 中k 型也即镍铬镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这 种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测 量1 0 0 0 度的高温，短期可测到1 2 0 0 度。它不能用于还原性介质中，否则，很 快腐蚀，在此情况下只能用于5 0 0 度以下的测量。虽然其测量精度略低，但完 全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。 3 4 通讯网络系统 智能仪表将热电偶温度信号转换成数字信号，然后通过r s 4 8 5 总线传送给 上位机。由于该模块采用r s 4 8 5 串口总线，且以数字信号传输，因此，它具有 抗干扰性强、可靠性高、传输距离远等特点。数据传输采用r s 4 8 5 串口通讯， 考虑到标准计算机的配置只提供r s 2 3 2 通讯口，它只能进行点对点通讯，且传 输距离短，不适应工业应用，因此选用与智能仪表匹配的a i - 4 8 5 g 转换模块可 以对r s 2 3 2 和r s 4 8 5 进行转换。 具体通讯连接框如图3 2 所示。 圄国 图3 - 2 可控硅控制方式图 f i g 3 - 2c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a i 5l8 p 智能仪表 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 4 1r s 4 8 5 网络 r s - 4 8 5 是一个在工业中广泛使用的通讯协议，尤其适用于工业控制自动 化过程中远距离传输和接收数据。在许多工业环境中为了使设备简单、成本低 和维护方便，总希望用最少的信号线来完成数据的采集和控制，r s 4 8 5 则具 有这样的优点。r s - 4 8 5 串行通信广泛应用于工业控制中。其标准是美国电子 工业协会e i a 制定的串行物理接口协议。它的抗干扰能力强，传输距离远，传 输速率高，最高传输速率可达1 0 m b i t s ，且只用普通双绞线即可，同一对双绞 线可以挂接多达2 5 6 个以上的终端。r s - 4 8 5 是一个发展较为成熟，己广泛使 用的协议，其基本内容包括： 1 每段最大长度不超过1 2 0 0 m 。 2 高阻抗、抗干扰、差动式传输模式。 3 每段最多可带3 2 个模块，超过3 2 个模块或传输距离大于1 2 0 0 m 则需 要加中继器。 4 带宽可达1 0 m b 。 5 双绞线结构。 r s - 4 8 5 网络的设计是一个较为规范的模式，一般都采用主机c o m 口与一 个r s 2 3 2 r s - 4 8 5 的转换接头相连，将2 3 2 信号转换为4 8 5 信号，然后在r s 一 4 8 5 网络上连接模块。 3 4 2 仪表串行通讯接口协议 1 接口规格m 系列仪表使用异步串行通讯接口，接口电平符合r s 2 3 2 c 或r s 4 8 5 标准中的规定。数据格式为1 个起始位，8 位数据，无校验位，一个 或2 个停止位。通讯传输数据的波特率可调为1 2 0 0 - - 1 9 2 0 0b i t s ( 波特率为 1 9 2 0 0 时需配界高速光耦的通讯模块。a i 仪表采用多机通讯协议，如果采用 r s 4 8 5 通讯接口，则可将l l o l 台的仪表同时连接在一个通讯接口上。采用 r s 2 3 2 c 通讯接口时，一个通讯接口只能联接一台仪表。 r s 4 8 5 通讯接口通讯距离长达i k m 以上，只需两根线就能使多台a i 仪 表与计算机进行通讯，优于r s 2 3 2 通讯接口。为使用普通个人计算机pc 能作 上位机，可使用r s 2 3 2 c r $ 4 8 5 型通讯接口转换器，将计算机上的r s 2 3 2 c 通 讯口转为r s 4 8 5 通讯口。字光电子技术有限公司所为此专门开发了新型 r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器，与其他公司同类产品相比，具备体积小，无需初始化而 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 可适应任何软件，无需外接电源，具有抗雷击等优点 2 通讯指令舢仪表采用1 6 进制数据格式来表示各种指令代码及数据。 a i 仪表软件通讯指令经过优化设计，只有两条，一条为读指令，一条为写指 令，两条指令使得上位机软件编写容易。不过却能1 0 0 完整地对仪表进行操 作。 地址代号：为了在一个通讯接口上连接多台触仪表，需要给每台a i 仪表 编一个互不相同的代号。a i 有效的地址为卜l o o 。所以一条通讯线路上最多 可连接1 0 1 台a i 仪表。仪表的地址代号由参数a d d r 决定。 仪表内部采用整型数据表示参数及测量值等，数据最大范围为：2 9 9 9 - - + 3 2 7 6 7 。因此采用3 2 7 6 8 一7 1 6 0 之间的数值来表示地址代号，来降低因数据 与地址重复造成冲突的可能性。a i 仪表通讯协议规定，地址代号为两个字 节，其数值范围( 1 6 进制数) 是8 0 h - b f h ，两个字节必需相同，数值为( 仪 表地址+ 8 0 h ) 。例如，仪表参数a d d r = - 1 0 ( 1 6 进制数为0 a h ， m 廿8 0 h = 8 a h ) ，则该仪表的地址表示为：8 a h8 a h 。 参数代号：仪表的参数用个l 位8 二进制数( 一个字节，写为1 6 进制 数) 的参数代号来表示。它在指令中表示要读写的参数名。参数代号见如表 表3 1 所示。 表3 1a i 仪表读写参数代号表 t a b l e3 - 1t h ei n s t n l m c n tr e a d w r i t ep a r a m c t e l c o c kt a b l e 参数调节器a j 巡检仪流量积算仪a i 3 3 8 频率调肖器 代号 ( a i 5 1 8 ) ( a i 一7 0 8 h y ) i o 模块 o o h 状态位( 空)s v 控制给定值s v s t e p 给定值程 给定值程序段序段 0 1 hh 虬上限报警 h 队( x )f h 认h “也上限报警 0 2 hl o a l 下限报警 l o a ( x )f m l o a l 下限报警 0 3 hd h a l 正偏差报警( 空)s p ed h a l 正偏差报警 0 4 hd l a l 负偏著报警( 空)a c td l a l 负偏差报警 0 5 hd f 同差 d f ( x ) e s nd f 【亓l 差 0 6 h c t r l 控制方式( 空)f s ec t r l 控制方式 0 7 h m 5 保持参数( 空)p d i hm 5 保持参数 ， 哈尔滨理t 大学工学硕七学位论文 3 5 报警系统 a d a m - 4 0 6 0 是一块基于r s - 4 8 5 通讯总线的4 通道继电器输出模块，它可 以将来自计算机的数字量转换为开关量，用于控制报警器的动作和电源的开 闭。a d a m - 4 0 6 0 继电器输出模块包含4 组可独立控制的继电器输出接点。 模块各管脚功能说明如下： 电源：表明了+ v s 和g n d 的两支脚分别是电源正极和接地线，电源正极 须接上+ 1 0 v - + 3 0 v 之间的电压，使用的理由是模块使用的场合电压通常有一些 变化，不够稳定，有了较宽的电源使用范围可以保护模块正常运。最好是使用 独立的+ 2 4 v 电源。 信号传输：d 觚a + 和d a t a 是r s - 4 8 5 网络所使用的数据连接线，需特别 意的是，所有r s - 4 8 5 网络上的d a t a + 必须接在一起，而d a t a 也必须接在 起，否则信号会错乱。 模块初始化：i n i t 管脚用来对模块做初始化作用。当模块必须初始化需要 调整默认参数时，将i n i t 和a 奶管脚连接在一起就可通过程序修改参值。 继电器输出：r l i i 必是继电器输出接点。 3 6 本章小结 台车式电阻炉控制系统根据电阻炉和炉温控制系的技术指标，在第二章总 体结构设计的基础上，从控制系统、电气系统、数据采集系统和通信网络系统 四个方面讨论并设计了系统的硬件架构。系统采用1 6 台厦门宇电公司的经济 型智能仪表a i 5 1 8 p 作为现场控制器，采用d e l l 工作站级计算机作为上位机， 上位机与现场控制器的连接采用r s - 4 8 5 通信总线，并且具体地讨论上位机、 智能仪表、周波控制器、系统总线等硬件的连接与设置调试，以便这些硬件能 够在网络中正常地协调工作，完成控制任务。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第4 章系统软件开发 4 1 系统软件总体结构 分布式计算机控制系统广泛地应用于各个领域，它的主要作用有三点： 1 对被控对象的物理参数进行采集、处理和记录； 2 以数字、图表和图像等方式显示测量和处理结果： 3 对被控对象进行控制。 从以上功能可以看出，计算机集散控制系统的核心部分是数据采集、处理 与控制，本系统软件结构如图4 1 所示。 用户登录 进入程序主界面卜_ 呻区出系统 集中监 视面板 不 所 表 不 历史数 据查询 查询一 台电炉 历史运 行情况 温度控 制面板 对仪表 的工作 情况进 行控制 报警事 件窗口 对异常 事件进 行报警 并记录 图4 一l 软件结构图 f i g 4 - 1s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a m 数据打 印输出 计算机集散控制系统的软件部分是整个系统的“灵魂部分一，在系统硬件 已确定的情况下，如何满足系统提出的要求的重任己落在软件编制者的身上。 对于一个较大且相对复杂的系统来说，软件的编制需要考虑的问题很多，因而 工作量较大。软件整体结构是否合理、逻辑关系是否正确、界面是否美观、交 哈尔滨理- t 大学t 学硕士学位论文 互是否方便、功能是否齐全、系统是否可靠、是否便于维护等都是程序员需要 仔细考虑的问题。 一个比较完美的系统是由高效稳定的硬件和可靠完善的软件共同组成的。 另外，由于数字计算机应用领域的日益扩大，许多原来的由硬件实现的功能可 以由计算机来实现，这样节省了成本，提高了系统集成度，使得数字计算机集 散控制系统软件部分的作用越来越重要，完善软件也成为人们不断改进系统性 能的手段之一啪2 7 1 。作为计算机监控系统不可分割的两个部分，软件和硬件的 良好配合是系统高效、稳定、安全运行的保证。 4 2 组态王软件特点 本系统利用组态王软件进行编程，具有方便、易用、灵活、功能强、应用 范围广等特点，具体有如下特点： 1 用户界面友好，能够再现现场设备工作状况，显示比较直观。 2 具有强有力的先进的安全管理系统，只有经过授权的操作人员才能有 权对系统进行查阅和更改，同时对不同的操作者可以设置不同的管理权限。 3 具有强大的数据库，配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟型， 离散型，字符型等，实现与外部设备的数据交换。 4 具有强大的通讯功能，可以支持多种智能仪表、板卡、模块，对需要 采集的变量进行优化组合，一次采集的数据满足多个功能模块的需要 5 先进的报警和事件管理功能，报警系统可以比较完整的记录和保存， 即使突然发生大量的报警也不会遗漏。 6 具有强大的网络和冗余功能，可以实现上下位机以及更高层次的连 网，采集的数据可以被网络上所有站点直接访问，同时支持分布式历史数据 库，在双机热备基础上增加了丰富的冗余功能。 4 3 组态王软件组成结构 组态王软件包由工程管理器( p r o j e c tm a n a g e r ) 、工程浏览器( p r o j e c t b r o w e r ) 、画面运行系统( t o u c hv i e w ) 三大部分组成。 其中，工程浏览器用于新建工程、工程管理等。工程浏览器内嵌画面开发 系统，即组态王开发系统。工程浏览器和画面运行系统是各自独立的w i n d o w s 应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中 哈自；滨理工丈学工学硕士学位论文 设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统( t o u c hv i e w ) 运行环境中才能 运行。 4 3 1 工程管理器 工程管理器主要用于组态王工程的管理，如新建工程、工程的各份、变量 的导入导出、定义工程的属性等。其界面如图4 - 2 所示。 搜索：搜索指定目录下的组态王所有版本的工程。 新建：新建立一个组态王工程。该命令不会真正建立一个组态王工程，只 是建立了工程信息，只有启动了组态王开发系统后，才建立工程。 删除：将所有的工程文件和工程信息全部删除，不可恢复。 属性：定义工程的描述信息。 各份：将选定的工程进行压缩备份。 恢复：将备份的工程进行恢复，在备份后的新产生的工程信息将被删除。 d b 导出：将选定工程的数据词典导出到e x c e l 格式的文件中，供用户修 改、定义变量。 开发：进入组态王开发系统。 运行：如果当前选中的工程已经真正建立了组态王工程，则该项有效，进 入到组卷王的运行系统，工程管理器如图4 _ 2 所示。 f i g4 - 2p r o j e c tm a n a g e r 哈尔演理丁大学t 学硕1 ：学位论立 4 3 2 工程浏览器 工程浏览器是组态王软件的核心部分和管理开发系统，它将画面制作系统 中已设计的图形画面，命令语言，设备驱动程序管理，配方管理，数据库访问 配置等工程资源进行集中管理，并在一个窗口中以树形结构排列。 这种功能与w i n d o w s 操作系统中的资源管理器的功能相似。工程浏览器 内嵌画面开发系统。 组态王开发系统中工程浏览器和画面运行系统是各自独立的w m d o w s 应 用程序，均可单独使用：两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设 计开发的画面应用程序必须在画面运行系统( t o u c hv i e w ) 运行环境中才能运 行。 工程浏览器内嵌画面开发系统，进入画面开发系统的操作方法有以下两种 种： 1 在工程浏览器的上方图标快捷菜单中用左键单击“m a k e ”图标。 2 在工程浏览器左边窗口用左键选中“文件”下的“画面”则在工程浏 览器右边窗口显示“新建”图标，双击“新建”则进入组态王开发系统。 组态王工程浏览器的结构图如图4 - 3 所示。 ! 墼_ 薹照爨蟀i 抑玑膊堕 一 一 曼，1 曩穗露：曼孽是履鼹嚣景葛翼 图4 - 3i 样浏览器 f i g4 3p m j c o tb r o w s e r 一 一 百峄 一 i 惠。j 薯铲i 肾夏 一圈叩雹雠 爵圈l。 一 i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 3 3 画面运行系统 画面运行系统( t o u c hv i e w ) 是组态王软件的实时运行环境，用于显示画 面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与i o 服务程序( 数据采集 组件) 的数据交换。 它通过实时数据管理从一组工业控制对象采集到各种数据，并把数据的变 化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视 功能，并可生成历史数据文件。 4 4 系统软件设计与开发 建立新程序的一般过程是： 1 建立新工程和设计图形界面。 2 构造数据库。 3 建立动画连接。 4 运行和调试。 在用组态王画面开发系统编制应用程序时，要依照此过程考虑三个方面： 1 图形用户希望怎样的图形画面，也就是怎样用抽象的图形画面来模拟 实际的工业现场和相应的工控设备。 2 数据怎样用数据来描述工控对象的各种属性，也就是创建一个具体的 数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度、压力等。 3 连接数据和图形画面中的图素的连接关系是什么，也就是画面上的乱 素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指 令。 要建立新的应用程序，请首先为应用程序指定工作目录组态王用工作目录 标识应用程序，不同的应用程序应置于不同的目录，工作在目录下的文件由组 态王自动管理。 建立新的应用程序操作步骤： 1 创建工程路径启动“组态王 工程管理器( p r o j e c tm a n a g e r ) 。 选择菜单“文件、新建工程”或单击“新建 按钮，弹出新建工程向导， 单击下一步后，输入工程路径或浏览选定工程路径。 接着单击下一步后，为工程取一个名字，画面如图似所示。 h4 4 选择路径 f i g4 - 4 c h o o s ep a m 2 创建新画面选择工程浏览器左侧大纲项“文件、画面”，在工程浏览 器右侧用鼠标左键双击新建图标，在弹出的对话框中输入画面名称按“确定” 进入内嵌的组态王画面开发系统，画面如图4 - 5 所示。 幽4 5 新建画面 f i g4 - 5n e wp i c t u r e 暗尔滨理工大学t 学硕l 学位论文 3 制作图形画面在新建应用 呈序或打开已有的应用程序，在组态王开发 系统中从“工具箱”中选择某一图标，在画面上拖动鼠标就可以画出所需要的 图形，在画完图形画面后，选择画面顶端的“文件一全部存”保存现有的画 面。 4 4 1 集中监视面板设计 该面板共显示仪表1 6 块，能模拟显示现场1 6 个测量点的温度，当电炉炉 门处于开启状态时，可以通过使模拟仪表上显示温度值的数字变为红色，提醒 操作者注意。 通过将车删内所有控温仪表集中到一起模拟现场实际显示，能够比较直观 和快速的浏览现场所有电炉的工作状况，使我们在控制室能够及时了解现场情 况，虫u 图4 6 所示。 图4 _ 6 集中监视面板 f i g4 - 6s u r v e i l l a n c ep i c t u r e 4 4 2 实时数据显示 该画面可以显示某台电炉在最近时间温度变化情况及炉门开启时日j 派示时 问范围、长度和显示温度段可以自由设定。 实时数据显示如图4 7 所示。 哈尔滨理工上学丁学坝t 学位论文 幽4 7 寅时数据显示 f i g 4 - 7 r e a l i i m ed a t a d m n o n s t r a t i o n 4 4 3 历史记录查询 该画面可以显示某台仪表在任意时日j 段内温度变化情况，如图4 - 8 所示。 幽4 - 8 历史记录蠢啕 f i g4 - 8q u e r y h i s t o r y 晴尔滨理工大学t 学顿十学位论立 4 4 4 备忘录功能 此项功能非常实用，操作员可以用来记录在热处理工作中出现的各种问 题，如图4 - 9 所示。 | 墨 4 _ 9 备忘录功能 f i g4 9 m e m o r a n d u m 4 5 数据库的设计与开发 4 5 1 系统数据库的组成 系统数据库从逻辑上可以分为组态数据库、实时数据库和历史数据库。 组态数据库存储系统组态所生成的各种配置信息，是目标系统正常运行的 基础。实时数据库和历史数据库是依据组态数据库中的组忐信息建立起柬的。 实时数据库存储系统运行所需的重要数据以及近期运行采集到的各种数 据，同时要保证数据的实时响应，是系统运行的核心。为此，实时数据库 通常建立在读取速度很快的内存上。实时数据库就是数据和事务都有显式定时 限制的数据库，系统的正确性不仅依赖事务逻辑的结果，而且依赖逻辑结果产 生的时间。 实时数据库作为整个系统数据的处理、组织和管理的核心。实时数据库技 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 术与基于传统数据库技术的数据库( 如关系数据库) 在原理、实现技术、功能 和系统方面有很大的不同。它除了具有一般数据库的主要功能外，还有以下特 点： 1 数据库状态的最新性，即尽可能的保持数据库的状态是不断变化的现 实世界当前最真实状态的映像。 2 数据值的时间一致性，即确保事务读取的数据是时间一致的。 3 事务处理的“实时 性，即确保事务的及时处理，使其定时限制尤其 是执行的截止期得以满足，数据库系统如图4 - 1 0 所示。 图4 - 1 0 数据库设计与实现 f i g 4 - 1 0d a t ab a s e 翻田瑚嚆u r ed e s i g na n di m p l m e a t 历史数据库存储系统长期运行积累的各种数据。工控系统长期运行会积累 大量的历史数据，如果保存在实时数据