（计算机应用技术专业论文）基于plc的分布式系统在锅炉监控中的应用研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于p l c 的分布式系统在锅炉监控中的应用研究 摘要 锅炉是工业生产中能源动力供应的主要设备，也是我国北方大部分城 市集中供热和建筑采暖的主要设备。伴随着计算机应用技术与信息技术的 不断发展，以可编程逻辑控制器( p l c ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 为核心的计算机监控系统在工业锅炉控制中的应用越来越引起人们的广泛 关注。 锅炉作为将一次能源转化为二次能源的高耗能、高污染的设备，因自 动化程度不高而长期工作在非经济工况状态下，结果导致了我国能源消耗 的居高不下和环境污染。此外，我国目前的锅炉行业还存在着劳动力密集 以及生产与管理脱节的情况。为了充分发挥能源效能、减轻工人劳动强度、 提高企业信息化管理水平，设计一套安全、可靠、有效的系统来实现锅炉 生产的自动监控势在必行。 本文以三台工业热水锅炉及其相关辅助控制设备为研究对象，采用 s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 为核心控制器，结合p r o f i b u s 现场总线技术，利用变频 调速技术、网络技术和冗余技术，将现场所有控制设备构建为分布式监控 系统。通过对下位机与上位机的软件编程和软硬件组态，实现了三台热水 锅炉的全部监控。 p r o f i b u s 总线是工业自动化领域广泛使用的现场总线标准，e t 2 0 0 m 是 s i e m e n sp l c 用来实现分布式i o 的模块化从站，利用接口模块i m l 5 3 2 可 以方便地把e t 2 0 0 m 从站接入到p r o f i b u s 总线上，使s 7 3 0 0p l c 分布式锅 炉监控系统的实现成为可能。 变频器通讯控制是网络技术在变频器技术中的一项新的应用，该应用 有效地节约了系统的硬件成本，通过p r o f i b u s 总线上通讯报文的收发，使交 太原理工大学硕士研究生学位论文 流变频调速技术的实现更加简单、可靠。 软冗余技术是一种通过软件来实现的、低成本的冗余技术。结合支持 软冗余的硬件设备，系统可以在主系统发生故障的情况下自动切入到备用 系统中，极大地提高了系统的可靠性。 自动负荷调节是应工艺的要求通过软件编程的方式实现的对燃烧系统 各风机进行的自动调节，该技术在保证了锅炉安全运行的前提下，减少了 系统能量及能源的浪费，是节能环保的关键性技术。 此外，顺序控制及系统中的安全保护机制保证了系统的安全运行；信 息丰富、人机交互友好的上位机画面，实时显示了系统运行时的全部数据 和状态，方便了操作和信息管理。 关键词：p l c ，分布式监控系统，通讯控制，软冗余，锅炉 i l 太原里王奎堂堡圭竺壅生堂堡笙窒一 _ 一 a p p l i c a t i o nr e s e a r c h o fd i s t r i b u t e d s y s t e mb a s e do np l ci nb o i l e r s u p e r v i s o r 阑c o n t r o l a bs t r a c t t h eb o i l e ri st h em a i ne q u i p m e n tw h i c hp r o v i d e se n e r g ya n dp o w e ri n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n di sw i d e l yu s e di nt h en o r t ho fo u r c o u n t r yf o rc e n t m l h e a t i l l gp r o j e c ta n db u i l d i n gs u p p l yh e a t i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs u p e r v l s o r a n dc o n t r 0 1s y s t e mw h i c hi sb a s e do np l c a r i s e sm o r ea n dm o r ea t t e n t l o n1 n i n d u s t r i a lb o i l e ra u t o m a t i o n b e i n gak i n do fe q u i p m e n tw h i c h t r a n s f o r mt h ep n m a r ye n e r g y i n t o s e c o n d a l e n e r g ya n dh a v i n gc o n s u m e d m u c he n e r g ya n dc a u s e ds e n o u s p o l l u t i o n ，t h eb o i l e r sc a u s eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n a n ds e v e r ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n b e c a u s et h e yw e r ew o r k i n g u n d e rn o n e c o n o m i c a lc o n d i t i o na l l dl o w a u t o m a t i o nl e v e lf o ral o n gt i m e f u r t h e r m o r e ，a tp r e s e n t ，t h e r e a lec o n c e n t r a t i o n o fl a b o rf o r c ea n dt h es e p a r a t i o no fm a n u f a c t u r i n ga n da d m i n i s t r a t i o n i nt h e b o i l e ri n d u 吣i no r d e r t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fe n e r g yu t i l i z a t i o n s u 伍c i e n t l v ，r e d u c et h el a b o ri n t e n s i t yo fw o r k e r s ，a n di m p r o v e t h em a n a g e m e n t l e v e lo fi n f o m a t i o ni nt h ee n t e r p r i s e ，as e to fs u p e r v i s o ra n d c o n t r o ls y s t e mw i t h e n o u g hs a f e t y , l i a b i l i t y a n dh i g he f f i c i e n c yw h i c hc a ng u a r a n t e et h e b o i l e r s a u t o m a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y t h ep a p e rt a k e st h r e ei n d u s t r yh o tw a t e rb o i l e r sa n dt h e i rr e l a t e da s s i s 协t c o n t r o ld e v i c e sa so b j e c to fs t u d y u s i n gs i e m e n ss 7 - 3 0 0p l c a st h e i rc o r e c o n t r 0 1 1 e ra n dm a k i n gu s eo fp r o f i b u s f i e l d b u sp r o t o c o l ，s p e e dr e g u l a t l o n t e c h n 0 1 0 9 y o f f r e q u e n c y c o n v e r t e r , n e t w o r kt e c h n o l o g y a n dr e d u n 。d a n t t e c h n 0 1 0 9 y , t h es y s t e m c o n s t r u c ta l lo fc o n t r o l d e v i c e st ob ed i s t r i b u t e d s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h ep r o j e c tr e a l i z e ds u p e r v l s o 巧 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dc o n t r o lo ft h r e eh o tw a t e rb o i l e r sb ys o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dh a r d w a r e b u i l d i n g t h ep r o f i b u si st h ef i e l d b u ss t a n d a r dt h a ti su s e dw i d e l yt h ei n d u s t r i a l a u t o m a t i o nf i e l da n de t 2 0 0 mi su s e da sas l a v eu n i tt ob eu s e dt or e a l i z e d i s t r i b u t e di os t a t i o ni ns i e m e n sp l c s y s t e m s e t 2 0 0 mu n i tc a nb ei n s e r ti n t o p r o f i b u sf i e l d - b u sc o n v e n i e n t l yb ym a k i n gu s eo fi n t e r f a c em o d u l ei m 15 3 - 2 ， t h u s ，s 7 - 30 0p l cd i s t r i b u t e ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi nb o i l e rg e t s p o s s i b i l i t yt ob er e a l i z a t i o n c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lf o rf r e q u e n c yc o n v e r t e ri so n en e wa p p l i c a t i o nt h a t m a k e su s eo fn e t w o r kt e c h n o l o g yi n 行e q u e n c yc o n v e n e rt e c h n o l o g y t h e t e c h n o l o g y c a ns a v em u c hh a r d w a r ec o s t s e f f e c t i v e l y a n dr e a l i z e s p e e d r e g u l a t i o ns i m p l y a n d r e l i a b l yb yt h e a i d o f 行e q u e n c yc o n v e r t e ra n d t r a n s m i t r e c e i v eo fc o m m u n i c a t i o nm e s s a g e si np r o f i b u sf i e l d b u s s o f t w a r er e d u n d a n c yi so n ek i n do fl o wc o s t sr e d u n d a n c yt e c h n o l o g yb y u s eo fp r o g r a m m i n g t h et e c h n o l o g yc a ni m p r o v er e l i a b i l i t yo fs y s t e mg r e a t l y o nt h eb a s i so fh a r d w a r et h a ts u p p o r t sr e d u n d a n c yr e a l i z a t i o n w h e nm a s t e r s y s t e m sf a i l u r eh a p p e n e d ，t h es l a v es y s t e mc a ne n t e ri n t ow o r k i n gs t a t e v o l u n t a r i l yt ot a k eo v e rw o r k i n gt a s k l o a da d j u s t i n ga u t o m a t i c a l l yi su s e dt oa d j u s ts p e e do fa l lw i n dm a c h i n e s t os u i t a b l ev a l u eb yu s eo fp r o g r a m m i n gf o rt h ep u r p o s eo fm e e t i n g r e q u i r e m e n t o fs y s t e mt e c h n i q u e s t h et e c h n o l o g yr e d u c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d r e s o u r c ew a s t eu n d e rt h eg u a r a n t e eo fb o i l e rb u m i n g s a f e l y i t i sak e y t e c h n o l o g yo fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b e s i d e s ，s e q u e n t i a lc o n t r o la n ds a f e t ym e c h a n i s mo fs y s t e me n s u r et h a tt h e s y s t e mc a nw o r ks a f e l y h m ip i c t u r e st h a ti n c l u d er i c hi n f o r m a t i o na n df r i e n d l y m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ns h o wa l l s y s t e md a t aa n ds t a t er e a l - - t i m e l y a n d p r o v i d ec o n v e n i e n c eo fo p e r a t i o na n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t g r e a t l y k e yw o r d s ：p l c ，d i s t r i b u t e ds u p e r v i s o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l ，s o f t w a r er e d u n d a n c y ，b o i l e r l i 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文储签名：樊鱼垒! 虱 日期 v 魄。i 、弓 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内， 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签缸：丝盗! 塾 日期妒8 、6 、 导师签名： 涩堕2 翅邋 日期：堕星：垒：兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 锅炉是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备，其工作 过程是根据工艺及负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸汽或者热水。锅炉 监控系统是对锅炉热工参数进行检测与显示、对锅炉的运行进行控制并实施保护 与联锁、保证锅炉运行的安全性和经济性的计算机监控系统。基于p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的分布式锅炉监控系统就是利用现代先进的计 算机技术、自动控制技术、网络及通信技术实现工业热水锅炉全方位监控的实用 新型系统，具有提高锅炉输出参数的稳定性、保障操作人员及设备的安全、改善 锅炉房的生产条件、减轻司炉人员的劳动强度、节约能源等优点。 1 1课题背景 1 1 1 锅炉监控系统概述 锅炉在国民经济建设以及人民生活中的重要作用是人所共知的，它是火力发 电的三大设备之一，是工业生产中能源动力供应的主要设备，也是我国北方大部 分城市集中供热、建筑采暖的主要设备。 锅炉是一个多输入、多输出、多回路、且非线性相互关联的复杂系统，且扰动源比 较多，这些特性是由锅炉本身的物理特性决定的，而且它们与整个锅炉系统的热效率、 安全性、节能环保等都有着密切的关系【1 3 】。为了保证锅炉本体的安全经济运行，要求 锅炉的控制系统具有完善的自动检测、自动程序控制、自动保护等功能。这样，当锅炉 的运行状况发生变化或受到某一扰动后，锅炉监控系统就应该做出协调动作，改变其调 节量，使所有的被调量都具有一定的调节精度，所以，在锅炉运行过程中的各主要工艺 参数必须严格控制。 锅炉监控系统的发展在很大程度上取决于工业自动化技术的发展。伴随着计 算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、c r t 显示技术、通信和网络技术 的高速发展，人们越来越多地用计算机来实现各种控制系统。利用这种技术可以 完成常规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标，使 得过程自动化发展到了前所未有的水平【4 ，5 1 。在此基础上，以p l c 为核心的计算 机监控系统在锅炉监控中的应用研究也取得了飞速发展。 对于工业热水锅炉监控系统来说，最重要的也就是利用先进的自动化控制技 太原理工大学硕士研究生学位论文 术，将锅炉系统的工艺设备结合通用、专用的工业控制计算机或p l c 等相关硬件 集成为专用系统，再通过相应的软件对系统的重要参数( 包括出水温度、回水温 度、出水压力、回水压力、给煤量、鼓风量、炉膛负压等) 和运行状态进行实时 准确的检测，同时利用一些控制算法和控制原理实现系统的自动调节和控制，以 满足用户对锅炉使用的需求。 一个完整的锅炉监控系统复杂且涉及面广，其中的上煤系统、燃烧系统、给水系统、 辅机系统等都要求严格控制，如果各系统运行匹配不好，就会造成大马拉小车或者小马 拉大车的现象，就会使得热效率和能源利用率显著降低。锅炉燃烧后的烟气如果处理 不好还会造成严重的环境污染，所以，在研究锅炉的运行特性和动态特性的基础 上，充分利用计算机技术、现场总线技术、先进控制技术，设计并实现完善的、 以节能降耗、减污增效为目标的锅炉监控系统正是本课题的目的和意义所在。 1 1 2 国内外研究现状 自二十世纪六十年代美国推出p l c 取代传统继电器控制装置以来，p l c 得到 了快速发展，在世界各地得到了广泛应用，同时，p l c 的功能也不断完善。随着 计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断 提高，国内外对锅炉的监控也逐渐从传统的继电器控制系统转移到以p l c 为核心 的控制系统上来。特别是近些年来，随着信息技术在全球范围内的研究与普及， 工业信息化在自动化方面也得到了广泛的应用，要求在工业的生产、管理、经营 过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息的采集( 传感器及仪器仪 表) 、信息的传输( 通信) 、信息的处理( 计算机) 以及信息的综合应用( 自动化、 管理、经营等功能) 等，这也对锅炉的监控提出了新的要求【6 ，7 1 。 国内对锅炉控制的研究始于8 0 年代初期。最初，大多数系统是在引进国外 成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。经过多年的研究与应 用，目前，我国在锅炉监控方面的技术、产业和应用都有了很大的发展，而且正 在向智能化、网络化、信息化和集成化方向发展。国内研究锅炉控制比较成熟的 企业有上海杜比公司、南京仁泰公司，广州迪森公司等。此外，还有一些科研院 校联合企业也开发各种智能锅炉控制系统。 当前，节能与环保己成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以煤为 主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业 污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，严重降低了能源 利用率，同时进一步加重了环境污染的程度。像锅炉设备这样的高耗能、高污染 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的设备长期工作在非经济工况状态是造成我国能源消耗屠高不下和环境污染的 重要原因1 8 - 1 0 1 。而在欧美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占 能源消费6 0 左右，燃油和燃气锅炉的己逐步取代燃煤锅炉【狂l 。 从行业发展现状来说，尽管我圈对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进 震，但仍然存在问题较多，概括起来有以下些特点： 1 利用效率低、能源消耗大，系统在节能降耗方面还有待于进一步加强。 近些年来，虽然供热锅炉实行自动控制系统的应用己越来越多，彻底改变了 原始落后的生产状态，但系统的循环水流量调节依然是依靠增加系统的阻力，消 耗泵( 或风枫) 提供的多余的压头，来达到藏小流量的墨的。对燃烧系统风枧的 控制大多数情况仍然只停留在对启停动作的控制上，用变频调速技术减少电能损 耗的应用还不是很多。 2 系统成本相对较高，下降幅度还有很大空间。 利用先进的控制技术和采用p l c 控制系统代替原始的继电器接触器控制系 统以来，虽然系统成本已经降低了很多，但是如果利用目前的现场总线技术和网 络技术并结合变频器通讯控制技术，将原来硬件实现的一郝分功能通过软件实 现，还可以进一步节约很多的硬件成本。另外采用“一机多炉 模式还可以减少 昂贵的p l c 系统的数量，也能节约很大一部分硬件系统开支。 3 系统对先进控制技术的使用停留在系统局部控制上，在综合系统中体现 不足。 目前，工业自动化方面的技术主要体现在微机和网络的应用上，现场总线技 术、工业以太网和先进的p l c 控制器的结合应用基本上能代表该行业技术方面的 先进水平。而现有的大部分锅炉系统都是在其中的子系统上使用了这些技术，很 少有综合利用这些技术的大型系统。 4 企业信息化管理水平不高。 企业的信息化管理程度是衡量一个企业技术管理的重要指标，主要体现在工 业生产和工业过程中历史数据的保存，以便用来分析产晶质量和进行生产事故追 忆等【1 2 14 1 。虽然该项技术已经相对成熟，但在锅炉控制系统中应用的也不是很多。 1 。1 。3 课题研究的意义 随着全球能源消耗量的不断加大以及社会环保意识的不断增强，锅炉系统在 节能环保方面的要求也越来越弓l 起人们的关注，上煤系统的合理控制、给永系统 和燃烧系统的自动调节，都是节能降耗的关键性技术，锅炉燃烧产生的烟气在排 太原理工大学硕士研究生学位论文 入大气之前的处理以及燃烧后煤渣的处理都是减少环境污染的重要环节。 我国是以煤作为主要能源的国家，其中工业锅炉对煤炭的消耗量占很大的比 例，这些工业锅炉大多热效率都很低，不但白白地浪费燃料，而且污染了环境， 有的地区污染已相当严重。过去工业锅炉大多数采用继电器逻辑和现场仪表进行 运行监控，而且对负荷的调节全部是凭借经验进行人工干预。这种系统控制线路 复杂、系统硬接点较多、可靠性差、维护和系统扩容很不方便；采用常规的仪表 显示并通过人工抄写的方式记录下来的实时数据，实时性差、精确度也很低，事 故追忆功能欠缺；系统负荷的人工调节使得系统的自动化程度有所降低，而且不 能够很好地协调整个系统各部分的功能，系统的整体性能根本不能达到满意的效 果【l5 1 。其原因是由于工业锅炉系统是一个多变量输入输出的系统，一般仪表的 p i d 控制虽然已经达到了器件本身的最佳状态，但实际效果还是不够理想；大量 依靠人工干预的操作要受到人为因素( 经验、责任心、白夜班) 的影响。利用先 进的计算机监控系统却能弥补常规仪表及人力影响的不足，大大提高锅炉的平均效 率，从而节省了能源，减少了环境污染。 多年来，随着科学技术的迅猛发展，计算机控制系统的发展也达到了前所未 有的高度，多项新技术已经广泛应用到了关系国计民生的各行各业。当然，计算 机技术在锅炉行业的应用也不能例外，锅炉监控技术必须要求跟上现代技术发展 的步伐，采用先进的过程控制自动化技术，既要求节省人力资源，减少工人的劳 动强度和操作难度，又要求符合现代化的过程控制管理水平。近些年，锅炉的计 算机控制在国内外虽然已经得到了广泛的应用，但绝大多数采用“一机一炉模 式，即一台锅炉通过一台p l c 来进行控制，或者是对锅炉系统的子系统( 包括上 煤系统、给水系统、燃烧系统、管理系统) 进行局部监控，对整个锅炉系统的全 方位监控的系统为数不多，“一机多炉 的控制系统还是寥寥无几。 因此，技术的发展对整个锅炉监控的全系统提出了新的要求：保证锅炉良好 的燃烧工况、系统必须安全可靠、具有节能降耗功效、全自动负荷调节、系统参 数实时准确、历史数据记忆、故障安全保护和报警、系统状态在线分析、现场工 况模拟、人机界面友好等。 针对以上问题和要求，本课题以三台热水锅炉及其燃烧、给水、上煤等辅助 系统构成的锅炉全系统为主要研究对象，采用西门子p l c 为核心处理器，结合现 场总线技术、系统冗余技术、变频调速技术，将现场所有控制设备构建为分布式 系统，通过软件编程和软硬件组态技术实现锅炉的现代化监控与管理。本课题的 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究，是过程控制与现代先进科学技术的有机结合，使得现代新技术在传统的锅 炉控制中得到推广和应用。在计算机技术飞速发展、网络技术快速普及、自主知 识产权越来越引起人们的高度重视的今天是十分必要的。 1 2 课题来源及本文所作的工作 1 2 1 课题来源 本课题的选题来自太原三剑综合技术有限公司所承接的内蒙古神华锅炉房 监控系统项目，该锅炉房由两台2 0 t 和一台1 0 t 的热水锅炉组成，要求利用i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) + p l c 的上、下位机构成的集成系统对锅炉的燃烧、 给水、上煤等全套设备进行运行监视和相应控制。 1 2 2 本文所做工作 整个项目需要完成的工作内容有：监控系统方案制定、电器原理图设计、 低压电器选型、控制系统选型、电气控制柜安装与布线、上下位机程序编制、系 统调试、项目资料整理等。 本文主要完成了系统方案制定、控制系统选型、程序编制与系统调试，同时 对一些关键性的技术环节进行了深入研究，其具体内容如下： 1 根据工艺要求和设备现场的实际情况进行系统划分，统计现场开关量以 及模拟量的具体点数，选择p l c 及其扩展模块的类型，根据工艺和用户要求以及 现场设备的分布情况确定整个系统的自动化监控方案； 2 根据选定的系统方案及p l c 类型对p l c 及其对应扩展模块以及其它通信 设备等的具体型号和数量进行确定，同时确定所要用到的上位及下位软件，包括 上位机、下位机编程软件以及支持系统软冗余的软件包等： 3 在全面分析系统功能和系统软硬件设备的基础上，确定控制系统各硬件 及模块的连接方式和整体结构，设计出系统的网络架构，并对系统主、从站地址 和i o 地址进行分配； 4 通过编写上位机与下位机程序来实现整个热水锅炉系统的所有基本监控要 求，包括上煤系统、燃烧系统、给水系统、辅机系统的设备运行状态监视及其控 制，现场模拟量数据的采集、处理与显示，控制回路负荷自动调节以及系统p i d 控制等； 5 为了满足系统低成本、节能及可靠性的要求，本课题还对变频器通讯控 制技术进行了研究； 6 前些年好多工程项目大都是利用s 7 2 0 0 实现的，近几年的工程中也有不 太原理工大学硕士研究生学位论文 少系统采用s 7 2 0 0 和s 7 3 0 0 的混合系统，考虑到以后系统扩容及改造等技术问 题，课题对两种异构设备问的通信进行研究； 7 对系统冗余技术做了研究，采用该技术在更大程度上保证了系统可靠性； 8 对整个系统进行调试，解决调试过程中出现的相关问题。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章p l c 分布式监控系统理论 p l c 分布式监控系统是在p l c 技术和计算机监控技术的基础上发展和演化 而来，是p l c 技术、自动控制技术、自动检测和传感技术、变频调速技术、接口 技术、通信技术以及现场总线技术的综合应用。近年来，p l c 分布式监控技术在 许多领域里得到了广泛的应用。 2 1p l c 及其p l c 监控技术 2 1 1p l c 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 是以微处理器 为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的、 数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的 存储器，用以在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等 操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生 产过程【1 6 ，1 7 l 。 p l c 作为一种工业控制装置，其组成主要由中央处理单元c p u 、存储器、输 入输出( i 0 ) 单元、电源、外部接口和各种功能模块组成。典型的p l c 结构如图 2 1 所示。 输 入 信 号 p l c 主机厂翮 丁 输 _ - 输 入 l 中央处理单元i - 出 单 单 兀 i 兀 1 | 外 存储器 扩 一 设展 r 、 l 亡= q 接 系统程序用户程序笪 _ 1 口 兀 输 出 信 号 图2 - 1 典型的p l c 结构 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo ft y p i c a lp l c 上述结构的机型通常称作“一体机”，随着p l c 技术的发展，近年来随着各 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 行各业生产规模的不断扩大，这种硬件资源有限的“一体机”机型逐渐被分体式 的p l c 机型所取代。分体式的p l c 采用模块化的硬件结构，把电源、中央处理 单元、输入输出单元、接口和通讯单元等从原来的“一体机中分离出来，做成 单独的模块单元，使用时采用积木式的拼装方式或者采用现场总线进行连接，把 被分离出来的中央处理单元通常称作c p u ，它仍然是p l c 的核心单元。 p l c 一般采用循环扫描的工作方式。p l c 上电后，执行系统程序规定的任务、 周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次 循环过程可归纳为五个阶段，依次为：公共处理一执行用户程序一扫描周期计算 一输入输出刷新一外设端口服务。完成上述各阶段的处理后，又返回公共处理阶 段，周而复始地进行扫描。 2 1 2p l c 监控技术 所谓p l c 监控技术，就是利用p l c 及其功能模块将工业现场中被监控对象 的实际运行状态( 如运行、停止、报警等) 和物理参量( 如温度、压力、流量、 液位等) 进行采集，并将物理参量转换为标准的电压或电流信号，然后将这些表 示状态的开关量以及代表实际物理参量的模拟量输入控制器，在用户程序中将这 些信号处理以后，通过现场通讯总线传送到上位机中，并且在上位机中以数字、 图形、指示灯或曲线的方式显示出来。如果出现异常情况，则及时用声光报警， 提醒有关工作人员注意，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的 变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、 统计和显示并制作各种报表。如果需要对被监控对象进行控制，则由计算机中的 应用软件根据采集到的物理参量和状态量的变化情况进行分析判断，然后在输出 装置中输出相应的电信号并且推动执行装置( 如调节阀、电动机等) 动作从而完 成相应的控制任务。 2 2p l c 监控系统的结构 p l c 监控系统近年来有了较大的发展。从整个发展过程来看，硬件结构从集 中式向分布式发展。集中式结构是指由单一的p l c 单元完成控制系统的所有功能 以及对被控对象实施统一控制的一种系统结构。而分布式结构是相对于集中式结 构而言的一种新型p l c 控制系统，由于采用了现场总线技术，所以更适用于控制 对象多而复杂的大型系统，现在它已成为计算机监控系统的主流结构。 2 2 1 集中式结构 集中式结构比较简单，通常在下位机中采用一个p l c 单元将过程数据或状态 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行采集和处理，当c p u 本体中的i o 点数不够用时，采用该系列p l c 的扩展 模块进行扩展，系统中的c p u 本体及其所有扩展模块紧凑连接，并且都放在一 个控制柜内，但扩展能力随p l c 的不同有异，扩展能力有限。 p l c 集中式监控系统的结构如图2 2 所示。 困 遴讯接西 c p u 本体 一扩震零元 善 土 设备对象及执行机构 图2 - 2p l c 集中式监控系统的结构 f i g 2 - 2a r c h i t e c t u r eo fp l cc o n c e n t r a t e ds u p e r v i s o ra n dc o n t r o ls y s t e m 2 2 2 分布式结构 虽然不同的p l c 分布式监控系统存在羲许多差异，但其核心结构基本上是一 致的，它们都是分布式控制系统( 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 ) 的范畴。p l c 分布式系统一般由系统网络、c p u 本体、现场i o 控制站、操作员站和工程师站 等部分组成f 1 8 ，挎1 。在p l c 分布式系统中，各现场i o 控制站都是相对独立的， 这些完成特定功能的i o 站点称为“节点 。p l c 分布式监控系统中c p u 本体的 主要功能是： 1 收集各i o 站点采集到的现场模拟量和状态量； 2 执行用户程序； 3 与上位机进行数据通信； 4 向各i o 站点输出控制信号。 p l c 分布式监控系统的结构如图2 3 所示。 目前除了少数系统因监控对象少，位置又相对集中，采用集中式结构外，许 多p l c 监控系统为适应现代化规模较大的监控对象，都采用分布式结构。特别是 当滥控对象数目较多，位置相对分散，距离主控室较远时，分布式系统就更能体 现出其较高的性价比和优越性【2 0 1 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 3p l c 分布式监控系统的结构 f i g 2 3a r c h i t e c t u r eo fp l cd i s t r i b u t e ds u p e r v i s o ra n dc o n t r o ls y s t e m 2 3p l c 分布式监控系统的功能组成 p l c 分布式监控系统可以用在不同的行业和企业生产过程中，虽然监控的对 象有所不同，但其一般都包括以下几个功能组成部分2 1 ，2 2 】： 1 数据采集部分 p l c 分布式监控系统具有数据采集和变换的部件，用来采集现场的实时数 据，如温度、流量、压力、液位、电压、电流、功率等需要监测的运行参数，还 包括一些表示现场设备运行状态的开关量。通常把这些采集到的模拟量或开关 量，实时地变换成计算机能够处理的代码形式。 2 通信总线部分 通信总线连接整个系统各个站点，是下位机各站点之间以及上位机与下位机 之间进行数据通信的线路，同时也是p l c 分布式监控系统的核心组成部分。 3 实时监视部分 上位机通过通信总线接收到现场各种实时数据和状态以后，以运行管理人员 习惯使用的图标形式通过显示器实时显示出来，使运行人员、管理人员能从显示 的图表或数据中，及时地了解和掌握现场的情况。 4 超限报警部分 上位机在对现场的实时运行数据和状态进行监视的同时，还将各项实时数据 与预先设定的该项数据的上限值和下限值逐个进行比较，如果发现某些数据超出 上限或低于下限，则以醒目的颜色或动态图形显示出来，也可以同时用声音提醒 工作人员注意并及时处理，以使这些工作数据尽快回到正常状态的数值范围内。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 数据报表部分 为了便于分析监控系统的监控对象，接收监控对象的运行情况和工作效益， 计算机将收集到的监控对象的运行数据进行统计和整理并生成报表，以便进行数 据分析使用。 6 集中控制部分 p l c 分布式监控系统根据实际运行情况的需要，可以通过上位机对监控对象 进行控制，以便改变和调整控制对象的工作状态。 2 4 现场总线技术 2 4 1 现场总线的概念 现场总线( f i e l d b u s ) 是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现 场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。 现场总线控制系统既是开放的通信网络，又是全分布的控制系统，它把现场 各个节点以总线为纽带连接成为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本 控制、补偿计算、参数修改、报警、显示以及管控一体化的综合自动化功能【2 3 彩】。 2 4 2 现场总线的协议模型 从本质上说，现场总线就是一种通信协议，是适用于工业控制要求的通讯网 络协议。一般来说，工业现场实时性、快速性的要求较高，如果按照常规的i s o 七层结构的参考模型，由于层间操作和转换的复杂性，网络接口的造价与时间开 销过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通 信模型大都在开放系统互连( o s i ) 模型的基础上进行了不同程度的简化。两种 协议模型的对应关系如图2 4 所示。 现场总线协议模型采用o s i 模型的三个典型层：物理层、数据链路层、应用 层，考虑到现场通信的特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执 行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求，它是o s i 模型 的简化形式2 4 ，2 6 1 。 2 4 3 几种流行的现场总线 工业控制领域的现场总线标准主要是国际电工委员会指定的2 个协议簇 i e c 6 1 1 5 8 和i e c 6 2 0 2 6 。目前国际上几个有代表性的现场总线标准和几个系列产 品，主要有f 1 4 ，2 1 1 ： 太原理工大学硕士研究生学位论文 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 总线访问子层 数据链路层 物理层 图2 - 4o s i 模型与现场总线通信协议模型的对应关系 f i g 2 - 4c o r r e s p o n d e n c er e l a t i o no fo s la n df i e l d b u sp r o t o c o lm o d e l 1 基金会现场总线 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 分为h 1 和h 2 两种通信速率，h i 的速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离为1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境， h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。目前，低 速总线已进入实用，高速总线正在被增强的t c p i p 协议所取代。 2 c a n 总线 c a n 是c o n t r o l l e ra r e an e t 的缩写，即控制器局部网，它是一种有效支持分 布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 是由德国b o s c h 公司为汽车的监测、 控制系统而设计的。现在，c a n 已经成为一种国际标准( i s o 1 18 9 8 ) ，在自动化 电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，c a n 的速率可到 1 m b p s 。 3 l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 是局部操作网络l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 的缩写，它是由美国 e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年正式推出的。他采用了面向对象的设计方法，通过网络变 量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1 2 5 m b p s ( 通信距离不超 过1 3 0 m ) ，最远通信距离为2 7 0