（机械电子工程专业论文）基于组态王软件的泵站计算机监控系统研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 基于组态王软件的 泵站计算机监控系统研究 专业：机械电子工程 硕i ：生：张爱华 指导教师：原思聪教授 摘要 在钢铁氽l k 中，泵站的f 常运转对产品质量以及安全生产具有重要的意义。 目前国内大部分的泵站监控和管理机制还处于相对落后的状况，不能适应生产和科技发 展的要求。本系统针对太钢某泵站的实际情况，采用基于工业自动化组态软件的泵站微机监控 系统，结合传感器技术、p l c 技术和微机监洲技术构建了现代化计算机监控系统。该系统具有 信号采集、趋势分析、预报报警分析、辅助功能和帮助系统等功能，能对各种监控参数进行动 态管理和报表自动生成及打印，基本满足了用户的需求。 本系统实现了泵站的实时监测与动态管理，提高了泵站的自动化监控水平。 关键词：泵站计算机监测系统分布式控制系统i p cp l c组态王系统 论文类型：应用研究 r e s e a r c ho np u m pin gs t a ro ns u p e r vs o r ys y s t e mb a s e do n k in g v ie ws o t w a r e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ： z h a n g a i k u a n i n s t r u c t o r ：p r o fy u a ns i c o n g a b s t r a c t p u m ps t a t i o nisa ni m p o r t a n tp a r to fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e b o t hp r o d u c tq u a i t y a n ds a f e t yi np r o d u c t i o nd e p e n do nt h en o r m a lr u n n i n go fi t b u tn o wi nc h i n at h e m a n a g e m e n ta n dt h ec o n t r o lo fp u m ps t a t i o n ss t i l la t at o wl e v e l i ti sa nu r g e n t t a s kt oi m p r o v et h ea u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n t ( i ft h ep u m ps t a t i o n b a s e do nk i n g v i e w6 0 ，as o f t w a r eu s e d1nn d u s t r i a c i r c u m s t a n c e ，t h i sp a p e r b r i n g u pac o m p u t e rs u p e r v is o r yc o n t r o ls y s t e mo fp u m ps ta t i o n i nt h es y s t e m ，w er m k eu s e o fd c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) p l ca n dt l a n s d u c e rt e c h n i q u et h es y s t e mh a ss o m e i m p o r t a n t f u n c t i o n ss u c ha ss ig n a lc o l l e c t i o n ，t r e n da n a l y s i s ，f o r e c a s ta l a r m a n a l y s i s a s s i s t a n tf u n c t i o n h e l ps y s t e ma n ds oo i 3 s oltf u lf i1 lt h em a i n n e e d o fu s e r t h es y s t e mc a na c h i e v ed y n a m i cs u p e r v i s o r ya n dm a n a g e m e n tf o rp u m ps t a t i o na n dc a n i m p r o v e t h ea u t o m a t i o n1 e v e lo fs u p e r v is o r y k e yw o r d s ：p u m ps t a ri o n ，c o m p u t e rs u p e r v is o r yc o n t r o ls y s t e m d is t r i b u l ：e dc o n t r o is y s t e m ， i p c ，p l c ，k i n g v i e ws o f t w a r e t h e s ist y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n 声明 y ，6 1 6 8 0 3 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 、论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 关于论文使用授权的说明 日期：驯z 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 做作者躲榭导师娩烨嗍卅 i v 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 在钢铁企业中，泵站是钢的核心动力设备，其正常运转对钢铁厂具有重要意义。目前国 内大部分的泵站监控和管理还处于相当落后的状况，本文针对太原钢铁公司泵站实际情况，探 讨泵站的计算机监控和管理系统的实施。 1 1t 泵站微机监测的研究现状及研究意义 、 1 1 1 泵站在钢铁企业中的重要作用3 泵站是钢铁企业钢厂的主要设备，在钢铁冶炼过程中，高炉、轧钢、连铸等等设备在运转 过程中，离开水的供应就不可能正常运行，生产过程中也不断地产生废水，企业生产和管理者 的生活和生产也离不开水，这些工作都需要泵站完成。因此泵站的正常运转对产品质量、安全 生产十分重要。 1 1 2 泵站监测控制的研究现状”4 水泵站在钢铁企业中担负着钢铁冶炼中确保高炉正常运转的任务。目前国内大部分的泵站 控制和管理机制与国外相比还是处于相当落后的状况。泵站自动化监控程度低，大部分泵站的 管理记录和统计都是手工操作，泵站控制和管理没有形成区域化的网络。 在泵站计算机监控建设或者改造中，由于没有泵站计算机监控系统设计的国家规范可以遵 守，建设单位、设计单位、工程管理单位对泵站i i 算机监控系统应该具有的功能、技术指标以 及当前计算机控制技术的现状和发展趋势等方面内容的理解各有不同，因而各泵站的计算机系 统结构形式、系统功能、性能指标等方面差别很大。主要表现在如下几个问题： 标准不一、缺乏统一的功能和技术指标、系统扩展和功能重组难。 采用的技术和设备层次多。差距大，不能充分利用代表当前技术发展水平和发展趋势的 成熟、先进的技术，不能保证先进性，甚至有的系统，f i 能安全可靠运行。 缺乏系统概念，设计、施工、验收分离，不能实现和其他系统的互联，通信接1 3 不标准 或者遵循的标准不统一等。 纵观国内泵站计算机监控系统的发展，监控系统体系结构经历了以工业控制计算机为基础 的集中式数据采集系统和监控系统、以集散型控制系统( d c s ) 或者p l c 为基础的分布式泵站计算 机监控系统和能够实现测量、控制、管理体化的综合自动化系统。功能由单一的监测功能发 西安建筑科技大学硕士学位论文 展到能够实现测量、控制、管理一体化的综合系统。其应用路径从作为科研项目研究到走向采 用市场上成熟的计算机测控领域主流产品的工程化应用阶段。系统构建方法从作为研究课题到 利用各种硬件和软件模块组态，用户根据泵站具体的要求和特点构建自己的系统。 1 1 3 泵站微机监测的研究意义 随着国民经济的飞速发展，对钢铁冶炼提出了更高的要求。必须对现有泵站监控和管理进 行改造和完善。向先进的泵站监控管理方向发展，以达到减员增效，提高管理水平及经济效益 的目的。， 本系统以太原宅阿铁公司泵站为实施对象，进行整个泵站的自动化监测和管理的改造。泵站 监测控制系统的研制丌发，减轻了的工人的工作量及危险性，提高了监测参数的精确性和可靠 性，有利于提高工作效率、工作质量及管理水平。系统的实施将会保证泵站的运行可靠性，提 高平均输水效率，保证钢铁生产用水，提高经济效益。因此，泵站微机监测的研究无论对于太 原钢铁公司泵站本身还是对于太钢的生产、管理与发展都有着重要的意义。 12 课题的研究目的和内容 1 2 1 课题研究的目的 本文就目前国内泵站监测和管理的落后状况，以太原钢铁公司泵站为例，提出一种采用计 算机监测控制的系统。本系统根据泵站其体的要求和特点构建而成，采用市场上成熟的计算机 测控领域主流产品进行各种硬件和软件模块组态，从而可以及时掌握设备的运行参数及运行状 态，了解整个工程所发生的一切并能快速做出反映，从而实现监测、管理一体化，提高工作质 量与效率。 计算机监测控制系统的含义是指具有数据采集、监测、控制功能的计算机系统，加上检测 装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在这个系统中，计算机直 接参与被控对象的检测( m o n i t o r ) 、监督( s u p e r v js e ) 、控制( c o n t r 0 1 ) 。 1 2 2 课题研究的主要内容 内容 结合国内泵站监控系统的特点，结合太原钢铁公司泵站自身的特点，确定课题研究的主要 ( 1 ) 监测系统的总体设计 西安建筑科技大学硕士学位论文 泵站计算机监测与管理系统主要有连续及顺序控制系统一s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t ea c q u is i t i o i l ) 、集散型控制系统一d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、分布式控制 系统一i p c + p l c 系统( ： 业计算机+ 可编程序控制器) 及总线式控制系统。 根据太原钢铁公司泵站的地理位置分布、工艺特点等要求，拟采用分布式控制系统一i p c + p l c 系统。该系统设计的基本原则是：实时监控、动态管理；功能丰富，使用方便；效果良 好，稳定可靠。 ( 2 ) 以p l c 为核心的硬件设计 p l c 的选择及系统扩展根据系统设计的要求，确定p l c 的型号、c p u 类型、电源i o 接口的数鸯，进行合理、必要的扩展，完成选型和扩展接口的设计。 电源的选择 小型一体化可编程控制器内部有一个丌关式稳压电源。这电源一方面是为c p u 扳、i o 及 扩展单元提供工作电源( 5 v d c ) ：另一方面也为外部输入元件提供2 4 v d c 电源。电源容量取决于 c p u 型号。 输入接口的设计 输a 输出信号分为丌关量、模拟量。可编程控制器的一个重要特点就是所有输a 输出信 号与内部电路之间都隔离。输入输出方式会有变化，但必须经过光电耦合或继电器将信号传入 传出。 输出接口的设计 输出通常有三种形式：第一种是继电器输出型，c p u 驱动继电器线圈，令触点闭合，而外 部电源通过闭合的触点驱动外部负载：第_ 种是晶体管输出型，c p u 通过光耦使晶体管通断， 以控制外部直流负载；第三种是可控硅输出型，c p u 通过光耦使三端双向可控硅通断，以控制 外部交流负载。 扩展接口的设计 扩展接口用于连接扩展i o 单元，它使可编程控制器的点数规模配置更灵活。 s 7 - - 2 0 0 p l c 的扩展接口是总线形式的，可以酣接丌关量i 0 单元，也可配接模拟量单元。 通信接l i 的设计 用于连接编程器、人机接l j 设备或其它p l c 。通过通信方式，实现编程、监控、联网等功 能。 ( 2 ) 监测系统软件设计 根据实际需要，选取合适的监控软件，实现一ia - m 水站状态和运行参数检测、接收故障报警 信息、分级报警功能、操作权限管理功能、数据库查询、趋势曲线显示、报表统计和打印功能 等 ( 3 ) 数据采集的方式 西安建筑科技大学硕士学位论文 选取合适的数据采集方式，确保满足系统需求。 ( 4 ) 传感器、变送器的选型 根据用户功能需求进行系统设备选型配置和系统结构及应用软件设计，解决产品与系统之 间的接口问题以及进行系统的整体优化和协调。 运用工控机和可编程序控制器p l c ，结合太原钢铁公司泵站应用的特性，研制泵站自动化 临测控制。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 、泵站计算机监测与管理系统总体方案 2 ，1 泵站的监测系统的功能要求 泵站的监控系统是在泵站管理所内的监控中心的控制台实现对各泵站设备的监测、控制功 能，实现监视泵站状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端设备下达控制信号，并 具有分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。 ( 1 ) 状态采集功能： 能动态采集下列信号：电机有功功率；电机无功功率：电机电压：电机电流：清水及循环 水水温；清水及循环水水位：清水及循环水水压：水流量； 水泵的开停。 ( 2 ) 状态数据的处理与分析 能对采集数据进行存储；能对监控参数进行趋势分析：能对监控参数进行趋势预报： 能对监控参数的异常状态进行关联分析。 ( 3 ) 报警功能 对监控参数能实施报警功能，能进行记录( 包括发生时间、监测参数数据，相关参数数据 等) ，自动生成异常状态数据库。 ( 4 ) 集中显示功能 主要设备的运行状态显示：工艺流程的动态显示：主要参数的历史曲线及趋势显示； 相关参数的历史曲线及趋势显示；历史数据及特种记录显示。 ( 5 ) 存储功能 各种监控参数的动态存储：各种监控参数的异常动态存储：控制行为的动态存储。 ( 6 ) 查询功能 各种监控参数的历史数据：各种监控参数的曲线及趋势；异常状态查询：控制行为 查询。 ( 6 ) 报表及打印功能 各种监控参数的报表自动生成：各种监控参数的的指定区段数据打印：各种监控参 数的报表打印：异常状态及控制行为的报表打印。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 泵站监控系统的总体方案设计m ”9 2 2 1 泵站监控系统的一般结构 泵站计算机监控系统的体系结构从大的方面来看主要分成两种：集中式和分布式。 ( 1 ) 集中式泵站计算机监控系统 集中式式早期的应用形式，主要用在泵站的数据采集和监督上。它是用以s t d 总线或者 p c 总线为基础的工业控制计算机来进行泵站数据采集和监督报警。图2 1 为以工业控制计算机 为基础的泵站测控系统结构框图。它是在工业控制计算机内插入若干块卡件f 如：a i 卡一 a d 数据采集卡，d 1 卡一开关量输入卡、d o 卡一开关量输出卡等) 、在机箱外通过信号条理单 元将来自泵站现场的测温热电阻、压力传感器等物理信号转换成电压或者电流信号，然后送入 a i 数据采集卡，由计算机完成数据采集一 作，其他信号如电压、电流、功率、转速、各种开 关状态的输入也通过同样的方法实现。需要控制时，由计算机通过d o 卡件输出控制信号，通 过功率驱动电路驱动后送到被控对象。 从图中可以看出，由于工业控制计算机和信号调理单元都集中在控制室内，而且所有工作 主要集中在一台计算机中，所以集中式系统存在以下缺点： 量信号电缆要从现场引进控制室，且这些电缆中传送的大多数是非电量的物理信号或者 微弱的电信号，故抗干扰能力差、误差大、电缆成本高、安装维护不方便。 由于数据采集、控制、图形画面显示等所有工作都由一台计算机完成，c p u 主板负荷重， 可靠性要求高，一旦c p u 主板出现错误整个系统瘫痪。由于采用总线式总线接口出现故障， 则整个系统不能正常工作。 工程化水平低，大多数系统由研制单位作为研究成果提供，不能保证质量，系统无开放 性，系统可扩展性和可维护性差。 ( 2 ) 分布式泵站计算机监控系统 集中式监控系统存在的问题，使得它的应用受到了很大的局限性，随着微电子技术、通信 技术的发展，在工业控制领域推出了集散控制系统( d c s ) ，集散控制系统就是集中显示操作、 分散采集控制。它将整个系统的目标和任务按一定方式分配给若干个子系统，各个子系统都由 各自的计算机来控制或管理，而子系统之间可以有信息交换。 传统的d c s 及应仟 图2 2 是以传统集散控制系统( d c s ) 为基础的泵站分布式监控系统结构框图，系统分 西安建筑科技大学硕士学位论文 机 ：1 1 分合闸、 图2 1以工业控制计算机为基础的测控系统结构框图 成三级结构。泵站分布式监控系统是在泵站分布着若干台功能独立的采集控制站，分别负责泵 站各种数据采集，或者对变电所、主机、泵站辅机等进行现场控制。这些采集控制站利用屏蔽、 总线式双绞线互连起来，可以相互或者与上一级网络进行数字通信，从而可以协调工作。第二 级监督控制级设置在泵站控制室内，完成现场监测，控制功能的管理。可以设置采集控制操作 站、系统管理操作站，各操作站功能独立又能互为备用。它对第一级现场采集的所有数据进行 处理、分析、存储、报表；完成所有控制指令的收集和发布：以各种方式( 如流程图、趋势图、 模拟图等) 表达整个泵站的运行状态和数据，进行机组等设备的启动准备工作；收集和分析机 组启动数据。对系统的功能组态、流程图的制作、控制模型修改等工作也是在这一级的操作站 上完成的。第三级泵站管理级是泵站管理单位的计算机网络。它接受监督控制级送来的各种实 时数据或者历史数据，以便各部门的管理人员都可以随时观察泵站的运行状态。可以对泵站管 理单位所有的事务进行管理。还能上一级管理部门发送各种数据或接受上一级管理部门的命令 和指示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 瞥 理 缎 黼 控 缀 j 弛 场 过 程i 控 制 绂 潮溢热l 乜戳、【h j f t = 蝤器，水纰，转 速曾价； i u i k 、f u 机瓠【分渖l 、 流w 也疑袋刍o r 辅挑i 5 2 播，m f 】等 控列 图22以集散控制系统( d c s ) 为基础的泵站分布式测控系统结构框图 与集中式监控系统相比，集散系统有以下优点：采集控制站就地安装在泵站现场，测点 到采集控制站之间的距离很短，采集控制站到控制室采用数字通信，故抗干扰能力强、误差小、 电缆成本低、安装维护方便。各采集控制站功能独立，即使某一采集控制站失效，值影响局 部功能，故障范围不会扩大。另外，在控制室的监控操作站退出运行时，各采集控制站仍然能 够继续工作。系统采用模块结构、根据用户的要求，系统规模可以灵活组态，系统操作画面、 操作方式由用户自己定义。成熟的软件、硬件技术。商品化的硬件和组态监控软件的质量有 着可循的标准和开放性，服务质量有保证。系统可靠性高。通信网络的冗余技术、采集控制 站中的主控制卡的冗余技术、f o 卡件的冗余技术等使得系统具有很高的可靠性和容错能力。 以p l c 为基础的d c s 及其应用 d c s 是从过程控制工业发展起来的大系统概念产品，随着技术的发展，它已经成为一种普 西安建筑科技大学硕士学位论文 遍使用的系统模式。除传统的d c s 产品外出现了以p l c 为采集控制站的集散控制系统和以工 业控制计算机( i p c ) 作为采集控制站的集散控制系统。 涣9 温鬻l l u l ； 【、j i i ，j 佧感器水位、转 速、开父佗谶等f 膏蟹 l gj i ；、i 乜机纲分台问、 流锋l l 醢 泉站辅规玟备、 闸| j 等控潮 图23以p l c 为基础的泵站分布式测控系统结构框图 可编程控制器( p l c ) 具有结构紧凑、模块化、编程方便、使用灵活和耐恶劣环境等优点， 广泛用于离散控制场合。近年来，p l c 技术迅速发展，不断增加p l c 模拟控制和监视管理功能， 采用d c s 系统的分级分散体系结构，将应用范围扩展到连续过程控制和批量过程控制。从而形 成了以p l c 为基础的分散型控制系统。在p l c 为基础的d c s 中，控制站由各类p l c 控制器组 成。通常控制站包括一个主机箱和几个g o 机箱。为了增加模拟量控制功能，一般在主机箱内 增加一块特殊功能的c p u 板，用于完成p i d 控制算法。 监控级为具有监视和操作功能的显示操作站( o p s ) ，通常选用工业p c 机。监控级通信采 用专用的工业局域网( i l a n ) 。 p l c 为基础的d c s 系统适用于批量控制过程和丌关量点数较多的连续控制过程，其性能 价格比优于传统的d c s 系统。但是p l c 控制器的模拟控制功能块没有仪表型d c s 丰富，这就 望室塞苎型垫奎生翌主堂堡笙墨 一 对系统的软件编制人员提出了较高的要求。 图2 3 是以p l c 为基础的泵站分布式测控系统结构框图。由于p l c 本身的局限性，可以将 - 些n n t m , 2 、水压、电量的智能仪表通过r s 4 8 5 总线连接起来后，连接到控制室内的监控 操作站上去，在利用商品化的监控软件提供的编程能力，将这些数据传送到泵站监控系统中去。 2 2 2 泵站监控系统的总体方案 如前所述，泵站计算机监测与管理系统主要有连续及顺序控制系统s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o m r b la n dd a t ea c q u i s i t i o n ) 、集散型控制系统一d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、分布式控制 系统一i p c 年p l c 系统( ： 业计算机+ 可编程序控制器) 及总线式控制系统。 根据太原钢铁公司泵站的地理位置分布、工艺特点等要求，拟采用分布式控制系统一i p c + p l c 系统。 其主要优点是： 可实现分级控制； 可靠性高、组网方便： 编程方便、开发周期短、维护方便： 可灵活方便地实现系统内配置和调整： 能与现场信号直接相连，易于实现机电一体化： 易于实现“集巾管理、分散控制”功能。 系统的基本原则是：实时峪控、动态管理；功能丰富，使用方便；效果良好，稳定可靠。 其中工业控制计算机( i p c ) 采用研华i p c 6 1 0 l ，可编程控制器( p l c ) 采用西门子s 7 - 2 0 0 系列，硬 件可靠，稳定性好。监控软件采用组态王系统，陔系统可以方便地构造需要的“数据采集系统”， 具有强大的网络功能，可靠性高，界面一致性好使用方便。接口采用p c p p i 串口通信方式， 以实现可编程控制器与远程i o 连接。系统具有良好的可靠性、兼容性及扩展性。 西安建筑科技大学硕士学位论丈 3 、计算机监控系统及监控软件 3 1 计算机监控系统删睁”m 3 3 1 1 计算机监控系统的功能 计算机监控系统是以监测控制计算机为主机，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的 对象( 生产过程) 共同构成的整体。在这个系统中，计算机直接参与生产过程的检测( m o n i t o r ) 、 监督( s u p e r v i s e ) r l 控n i j ( c o n t r 0 1 ) ，或者说应具有下述三方面的功能； ( 1 ) 采集与处理功能主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定 的形式输出( 如打+ 印制表和c r t 屏幕显示) 、为生产人员提供详实的数据，以便于他们分析、 了解生产情况，监视生产过程的进行。 ( 2 ) 监督功能 将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并 制成实时和历史数据库加以存储。根据实际生产过程的需求及生产进程的情况，进行工况分析、 故障诊断、险情预测，并图、文、声等多种形式及时作出报道，以进行操作指导、事故报警。 ( 3 ) 控制功能 在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产 过程。 完整的计算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成，它利用计算机高速度、大容量和 智能化的特点，呵以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、高效的自动化整体。 在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上述一项或两项功能；或是以某一 项为主，而辅以其它的功能。这样可以更针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增 强可维护性。 根据需要，本文只用到采集与处理功能和监督功能。 3 1 2 计算机监控系统的特点 计算机监测拄制系统具有如下特点： ( 1 ) 实时性 实时性是计算机监测控制系统区别于普通( 通用) 计算机系统的关键特点，也是衡量计算 机监测控制系统性能的一个重要指标。实时性有下述几层涵义： 实时性是系统对外界激励( 事件) 及时作出响应的能力，即系统能在多长时间内响应 西安建筑科技大学硕士学位论文 夕 部事件的发生。 系统在所要求的时间内完成规定的任务的能力。 实时是与分时相对应的。 ( 2 ) 可靠性 可靠性是指计算机监测控制系统的无故障运行的能力。工业生产在连续运行，计算机系统 也必须同步连续运行，对过程进行监测和控制。即使系统由于其他原因出现故障错误，计算机 系统仍能作出实时响应并记录完整的数据。可靠性常用“平均无故障运行时间”，即平均的故障 间目和州司m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 来定量地衡量。 ( 3 ) 可维护性 可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。计算机监测控制系统的故障会影响工业生 产过程的正常操作，有时会大面积地影响生产过程的进行，甚至使整个生产瘫痪。因此，方便 地维护计算机监测控制系统的难常运行，在最短时间内排除它的故障成为计算机监测控制系统 的重要特点。 ( 4 ) 过程量采集及输出 监测控制系统的一个突出特点是具有强大的i o 功能，即大量的现场信息要直接从工业现 场采集并送入计算机中。从当前已有的应用来看，有两大类信息： 数据信息主要有三种类型的数据输入信号：模拟量输入( a i ) 、丌关量输入( s i ) 、脉 冲量输入( p i ) 。模拟量输入通道接受现场连续变化的信息( 如电压、电流、电阻等) ，其输入 要经过放大、隔离、模数变换等处理后，变成数字量才能进入计算机。开关量输入通道接受现 场“通断”两个状态信息( 如表示阀门开关、设备启停、刀闸分合等状态的无触点开关或继电 器开关) 。脉冲量输入不是开关状态，也不是连续变化的模拟量，而是脉冲序列。脉冲量输入通 道通常具有计数功能以接受脉冲序列信息，这种信息有时直接代表某些物理量( 如传递) ，有时 是它的累计值表示某些物理量( 如电量) 。 对应于三种类型的数据输入信号，有三种类型的数据输出信号：模拟量输出( a o ) 、开关 量输出( s o ) 、脉冲量输出( p o ) 。它们用来控制执行机构，或送到有关的显示、报警、记录 设备中。 图像信息由于多媒体技术和信息处理技术的进步，近年来，图像信息也进入到工业监 测控制领域，而且起着数据信息不能替代的作用。最常用的获取图像信息的设备是工业摄像机， 它摄取的视频图像通过视频处理卡后可直接进入计算机。在常规的使用中，视频图像是直接输 出到屏幕上作显示的。最近的技术发展中，视频图像经图像处理后再进行显示：或再与数据信 息进行融合作为控制信号使用。 ( 5 ) 人机交互功能 在计算机监测控制系统中，人机交互的方式比较丰富。特别是复杂、大型、综合、连续的 西安建筑科技大学硕士学位论文 生产过程中，操作人员要在短时间内接受多个信息，进行分析判断，完成有关操作，因此要求 监测控制系统具有多种而不是单一的人机交互方式。除常规的键盘、鼠标、c r t 显示器外，通 常还有触摸屏、专用键盘、大屏幕显示、语音等。 ( 6 ) 通信功能 主要是指在监测控制系统中，计算机互计算机之间、相同类型或不类型总线之间以及计算 机网络之间的信息传输。在实际应用中，往往有多种类型的多台监测控制计算机在一起联合工 作，这时就需要在计算机之间进行通信，实时、町靠地传递信息。特别在分级计算机监测控制 系绕、分布式计算机监测控制系统中，通信是一个非常重要的问题。 ( 7 ) 信息处置和控制算法 在设计计算机监测控制系统中，信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核心的内 容，也是最花费m 寸i b j 的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理和控制算法主要是 软件工作，这些软件的开发编制除了和采用的操作系统、软件开发工具有关外，还和硬件( 特 别是接口部件) 以及生产工艺要求有密切关系。正因如此，监测系统的软件开发往往难度更大， 它要求开发设计人员具有更全面和广泛的知识。 3 1 3 计算机监控系统的分类 根据对象的不同监测控制要求、系统所完成监测控制功能和基本特点，可分为下列四类： ( 1 ) 计算机监测系 计算机监测系统( c o m p u t e rm o n i t o rs y s t e m ) 又称计算机数据采集与处理系统( c o m p u t e r d a t aa c q u is i t i o ns y s t e m ) 它的主要功能是以计算机为核心对生产过程的参数和工况进行巡回 检测。监测系统的输出不直接作用于生产进程的执行机构，不直接影响生产进程的进行，它是一 个开环监测系统。生产进程的控制和调节由人工完成。 ( 2 ) 计算机监督系统 计算机监督系统( c o m p u t e rs u p e r v i s o r ys y s t e m ) 以具有分析决策功能为特点。它在检测 系统的基础上，发挥计算机智能的特点，充分利用计算机快速计算、大容量记忆、综合分析、逻 辑判断等功能，对预处理后的信息进行= 次加 二。 ( 3 ) 计算机控制系统 计算机控制系统( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 又称直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a l c o n t r o l ，d d c ) 。它的特点是具有自动控制功能，即由计算机直接对生产过程进行控制。它是在 监测系统的基础上根据事先决定并存储在计算机中的一种或多种控制策略，输出控制信息，直接 作用在执行机构上，完成自动控制和调节功能。它是一个闭环系统，不仅有从生产过程送至计算 机系统的检测信息通道，而且有从计算机系统送至生产过程的控制信息通道。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 计算机监控系统 计算机监测控制系统( c o m p u t e rs u p e r v is o r yc o n t r o ls y s t e m ) 综合了上述三种系统的 功能，由计算机完在输入处理、信息加工、分析决策以及输出控制调节。 3 1 4 计算机监测控制系统的设计要求 对于不同的应用对象有不同的具体要求 靠、技术上先进、使用上方便、应用上灵活、 ( 1 ) 运行可靠 但对大多数监测控制系统的设计来说，运行上可 喇间上节省、经济上合理是共同的基本要求。 工业计算机监测控制系统的运行环境相对恶劣，能否适应这种环境是系统不可避免要面临 的考验。而且计算机监测控制系统往往负担着重要的任务，一旦出现故障，将造成整个被监控 过程的混乱引起严重的后果，由此造成的经济损失往往远非计算机监测控制系统本身的造价 所能比拟。所以，能否确保长期亓靠地运行成为计算机监测控制系统中首要考虑的问题。特别 是对一些影响面大的重要应用系统，如连续生产过程的控制、电力系统的监控等，均不允许故 障率高的系统存在。 ( 2 ) 技术先进 计算机监测控制综合了计算机技术、自动控制、信息处理和通信、检测技术和仪表以及生 产过程和管理方面的知识，足一个综合性、交叉| 生强的技术领域，其技术先进性概括来说体现 在硬件设备、软件平台和工具、信息处理和控制策略这三方面。计算机监测控制系统设计的一 个原则应当是不盲目追求新技术，而在技术成熟的6 u 提下尽量采用先进的技术，其原因如下： 先进的技术可以获得更好的监测控制效果，从而可能获得更高的经济效益，因此在保 证可靠性和经济上允许的前提下，应尽可能采用先进的技术： 计算机技术发展十分迅速，硬件和软件更新换代的周期越来越短，采用进的技术意味 着延长系统的生命期限； 计算机监测控制系统大多作为整套生产设备的一部分出现，而高技术含量往往又体现 在控制系统上，先进技术的采用可以大提高整套设备的附加值，带来可观的经济和社会效益。 ( 3 ) 使用上方便 操作方便系统应尽可能降低对操作人员的业技术知识的要求，操作的内容尽可能简单 明了，操作的顺序清晰简明，便于记忆。 排错方便系统中硬件的排列和安装合理，配有明显的指示或信号，并有查错、诊断、 故障报警程序，在故障出现时能及时对它定位排除。 维护方便系统应尽量采用标准零件部位，便于硬件的更换。 ( 4 ) 通用性好 西安建筑科技大学硕士学位论丈 一个优良的计算机监测控制系统应具有良好的通用性，能灵活地扩充、修改和升级。当应 用对象不同时，只需在基本系统中作适当的改动，增减某些硬件模块，便可满足对象的要求。 因此，在系统的总线结构、通信规约上要标准化，采用国际国内的统一标准和规范：设计指标 要有一定余地，如输入输出通道数不应用满。软件的设计也应规范化、模块化。模块要易于连 接、组织。程序应可读性强，清除多余语句，并有适量的说明注释，以便于修改。 ( 5 ) 节省时间 系统设计( 包括生产、安装、调试、投运等环节) h i 司应尽量短，其原因如下： 便于以更快的速度满足用户的要求，更快产生经济效益，这在市场竞争的环境下尤为重 要。 ! 计算机硬软件的技术发展十分迅速，更新换代很快，而其价格又呈下降趋势，要保持性 能价格比高的优势，时川是一个重要的因素。 尽量缩短设计周期，可以降低整个系统的丌发费用。 ( 6 ) 经济合理 系统应根据应用对象的要求和当前的市场情况进行具体分析进行全面的经济技术权衡，这 与具体应用对象有密切的关系。 3 1 5 从常规监测控制到智能监测控制 ( 1 ) 智能监测控制问题的提出 2 0 世纪8 0 年代以来，监控过程向着大型、连续、综合化发展，形成了复杂监控过程，监测控 制的要求越来越高，需要组成更高性能的系统和采用更优秀的控制手段，面临着一系列不能用传 统方法解决的新问题： 不确定性广泛存在 不确定性包括对象的不确定性和环境不确定性。在这些生产过程中，往往不只是一种单一 的运动，而存在多种物质的运动，甚至同时进行着物理、化学、生物的反映。过程的内部机理 不甚清楚，系统往往是多变量、强耦合、高维数的，且存在着非线性、时变性、不确定性和不 完全性，难于用常规的数字工具建模并研究这些对象。即使经过各种人为假设后建立了数字模 型，也与实际情况相差甚远而难于得到好的效果。 这些生产过程往往处于复杂的、动态变化的、难于预先知道的环境中。存在大量的不确定 因素，如环境的动态变化、输入输出信息中的噪声、人为的和自然的干扰与误差等。 信息形式式多样化，信息量庞大 输入输信息方式样化，包括图像、图形、文字、声音、数字等多媒体形式，所需采集和处理 的数据量庞大。 西安建筑科技大学硕士学位论文 系统功能要求越来越高 控制任务不只限于反馈系统的调节( 定值) 、伺服( 跟踪) 问题，而且要求监控、优化、诊 断、调度、规划、决策以及适应环境变化。系统往往是具有多层次、多目标的控制要求。控制 中的计算复杂性增加，且不限于数学公式的表达和数值计算，而要将人们的经验、知识容纳进去。 这就导致了智能监测控制系统应运而生，出现从常规的计算机监制系统向智能监测控制系统发 展。 ( 3 ) 计t 算机智能监测控制的含义 褂能监测控制系统包括两方面的含义：其一，在传统监测控制系统的基础上，引入人工智能 方法，实现智能监测控制，提高传统监测控制系统的性能：其二，利用人工智能的思想，构成新型 的监测控制系统。从控制理论的角度说，智能监控是智能控制的一个重要方面，工业智能监测 控制系统是智能控制在工业控制中的一个实际应用。从工业应用的角说，计算机智能监测控制 系统是计算机监测控制系统和人工智能的结合。智能监测控制系统可以认为是自动控制、人工 智能( 专家系统、模糊逻辑、神经网络) 、现代信息处理( 模式识别、聚类分析、信息融合) 以 及计算机等多门学科的集合和交叉 自动控制与人工智能的结合产生了智能控制。智能控制结构理论有多种，其中a s t r o m 提出 的“模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是三种典型的智能控制方法”为大多数人接受，也较确 切在反映了智能控制的研究和应用情况。从内容卜看，在监控制系统中，应用模糊逻辑、神经网 络和专家系统等技术，构造某些系统功能以模仿和实现人类( 熟练操作工人、技术人员、专家) 在监控过程中的某些思维和行为，使系统的性能和自动化程度等得到进一步提高，都可视为智能 监控制系统。近年来，人们发现一些现代化信息技术、如模式识别、聚类分析、信息融合等也从 不同角度模仿了人类对处理信息的思维和行为，并将它们引入智能监测控制系统中，取得了很好 的结果。因此，智能监测控制系统可以认为是自动控制、人工智能( 专家系统、模糊逻辑、神经 网络) 、现代信息处理( 模式u 别、聚类分析、信息融合) 以及计算机技术等多门学科的集合和交 叉。 3 2 计算机监控软件的选择“2 7 3 叫。” 3 2 1 系统监控软件的选择 目前的微机监控系统中，制作上位机的监控程序方法有多种，；n v b 、v c 等可视化编程工具 制作控制界面，调用m s c o 控件或利用w i n d o w sa p i 函数进行上下位机串口通讯；或直接利用工 业组态软件来制作上位机程序。由于本系统涉及变量较多，功能要求齐全，所以选用工业组态 软件来开发。当前流行的组态软件很多，立h i n t o u c h 、h x e 态王、虎翼、开物2 0 0 0 等，其中组 态：e 6 o 性价比高，网络通讯功能比较完善，能满足本系统要求，故采用之。 西安建筑科技大学硕士学位论文 “组态王”是在流行的p c 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以 w i n d o w s 9 8 w i n d o w s2 0 0 0 w i n d o w sn t 4 0 中文操作系统作为其操作平台，充分利用了 w i n d o w s 图形功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。它使采用p c 机开发的系统工程比 以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性大大减少了工控软件开发者的重复性工作， 并可运用p c 机丰富的软件资源进行二次开发。 组态王60 完全基于网络的概念，支持真f 客户服务器模式和i n t e m e t i n t r a n e t 浏览器技 术，并且是一种可伸缩的柔性结构，根据网络规模大小，可以将不同站点设计成i o 服务器、 报警煅务器、数据服务器、登录服务器、校时服务器、客户机等，在系统扩展和变化时，有着 极大的灵活性。组态j e6 0 设计成全冗余结构，在五个层面上提供了冗余：i o 通道冗余、双设 备冗余、双网冗余、双机冗余、双系统冗余。 组态王6 0 设计成一个完全意义上的软件平台，允许用户进行功能扩展和发挥，它是一个 a c t i v e x 容器，无须编程即可将第三方控件直接连入组态王中：组态王6o 不仅是o p c 客户， 还是o p c 服务器，可向任意支持o p c 客户的软件提供数据：组态王6 0 中的报警信息可直接 输出到带o d b c 接口的数据库中，象a c c e s s 、s q l s e r v e r 等：我们还提供了一套动态连接库， 允许用户用v b 、v c 直接访问组态王的数据库，构筑功能更加强大的工控系统 组态王6 0 设计了报表系统和图库系统。可与e x c e l 相媲美的内嵌式报表，功能强大，使 用方便；所有图库全部更新，具有动态改变图形外观的动画精灵：图形系统增加了无限色和过 渡色；通讯系统中增加在线连接、故障珍断、远程拨号以及许多实用的辅助工具。组态王60 已达到或超过国外高档进口软件几乎所有的功能，而且在许多方面更加适合中国用户的特点和 需求。如，累计算法，多段线性化、内嵌式报表、远程拨号、动画连接向导、特殊动画效果等。 组态王的主要功能如i - ： ( 1 ) 基本人机界面功能 组态王作为1 种应用软件，有很好的人机界丽，为用户提供了丰富的快速应用设计的工具， 便利的集成丌发环境。 ( 2 ) 强大通讯功能 “组态王”把每+ 台与之通讯的设备看作是外部设备，目前能连接p l c 、智能仪表、板卡、 模块、变频器等几百种外部设备，为实现和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作 为组态王与外部设备的通讯接口。如下图所示，住运行期川，组态王就可通过驱动接口和外部 设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。 组态王的大部分驱动程序采用组件( c o m ) 技术，这种方式使驱动和组态王构成一个完 整的系统，即保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。 组态王与i o 设备之间的数据交换采用以下五种方式：串行通讯方式、d d e 方式、板卡方 式、网络节点方式、人机接口卡方式。 西安建筑科技大学硕士学位论文 串行通讯方式 这是组态王与i 0 设g t 2 _ 1 1 司最常用的一种数掘交换方式。串行通讯方式使用“组态王计算 机的串口，“o 设备通过r s 2 3 2 串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。可以同时与 多个i o 设备。组态王最