（控制理论与控制工程专业论文）组态软件在中密度纤维板调施胶生产中的应用研究.pdf

摘要 本课题主要针对目前国产中密度纤维板生产过程中调施胶环节自动化 程度低、效率差的问题，综合分析了国际先进中密度纤维板生产线的技术、 方法及其在调施胶控制方面的经验，提出了将工业控制组态软件应用于我国 中密度纤维板调旋胶生产过程中的思想。通过对调施胶控制方法的分析与设 计，结合工业控制组态软件的系统结构设计与编程，建立了一个基于工业控 制组态软件的中密度纤维板调旌胶自动控制系统。 本课题模拟企业的实际生产环境，运用组态软件开发了监控系统，在控 制方面采用了比较成熟的p i d 算法，并用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真工 具箱对系统参数进行了仿真整定。 系统通过动态直观的现场状态显示界面，方便快捷的对现场情况进行监 控，使系统动态的跟随现场条件而变化：降低了对操作人员的技术要求，完 善了控制过程，实现了自动控制；在调胶过程能够按照配方比的要求调制胶 液：在施胶过程保证了纤维与旆胶量的工艺配比要求；并能实现趋势曲线分 析，动态数据记录、报警报表的浏览、打印等功能。 研究结果表明，工业控制组态软件在中密度纤维板调施胶生产过程的应 用是实际的、可行的，它不仅可以用于调施胶过程，也适用于中密度纤维板 生产过程的其他工段，并将其连为一体，构成中密度纤维板板生产线集散控 制系统。 关键词：中密度纤维板调施胶 组态软件p i d 控制仿真 a b s t r a c t t h r o u g hs y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n gt h et e c h n o l o g y ，m e t h o da n de x p e r i e n c eo f i n t e r n a t i o n a lm e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ( m d f ) p r o d u c t i o n ，t h ep a p e rp u t f o r w a r da ni d e aa b o u tu s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eonm d fg l u em a k i n ga n d a p p l y i n g ，o w i n gt oo url o w e ra u t o m a t i ce x t e n ta n de f f i c i e n c yoni t c o m b i n i n g t h es y s t e m i ca n dp r o c e d u r a ld e s i g no fm d fg l u em a k i n ga n da p p l y i n gw i t h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，ac o n t r o ls y s t e mi se r e c t e d t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ep r a c t i c a l l yc o n d i t i o no fp r o d u c t i o n ，a n du s e st h e k i n g v i e w 6 0 1 a st o o lt ob u i l dc o n t r o ls y s t e m i nc o n t r o la s p e c t ，t h em a t u r e t e c h n i q u e - - p i di sa d a p t e d ，t h es y s t e mp a r a m e t e risc o n f i r m e db ys i m u l a t i o n s o f t w a r e m a t l a b t h es y s t e mc a nc h a n g es t a t ei t s e l fa l o n gw i t hf o l l o w i n gc o n d i t i o na n ds h o w s u p e r v i s o r yc o n t r o li n t e r f a c e s i tr e d u c e st h er e q u e s to fo p e r a t o r s ，p e r f e c t st h e c o n t r o lp r o c e d u r e ，m a k e sc o n t r o lp r o c e d u r em o r ea u t o m a t i c ，a n dt h e nc o n t r o l g l u em a k i n gc o m p l y i n gw i t hb l e n dr a t i o ，s p r a yf i b e r w i t hg l u ee q u a b l yt o o m o r e o v e r ，t h es y s t e mc a n a l s or e a l i z ea n a l y z i n gc u r v e ，w r i t i n gd o w nd a t a ， g i v i n ga na l a r m ，b r o w s i n gr e p o r ta n dp r i n t i n g f r o ms t u d y ，t h er e s u l tp r o v e dt h a t ：i t sf e a s i b l et oa p p l yc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eo nm d fg l u em a k i n ga n da p p l y i n gp r o d u c t i o n n o to n l ycani tb eu s e d f o rg l u em a k i n ga n da p p l y i n gb u ta l s of o ro t h e rp a r t so fm d fp r o d u c t i o n ，s oa s t oc o m p o s ew h o l em d fp r o d u c t i o na sad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：m e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ( m d f ) g l u em a k i n ga n da p p l y i n g c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e p i dc o n t r o l l e rs i m u l a t i o n 1 绪论 中密度纤维板是以木质纤维或其他植物纤维为原料，施加脲醛树脂或其他 适用的胶粘剂制成密度在0 5 0 8 8 9 c m 3 的板材1 。 国际上的m d f 产业发展很快，据美国国际人造板一一w o r db a s e dp a n e l s i n t e r n a t i o n a l 杂志每年度的世界中密度纤维板( m d f ) 工业调查，1 9 9 9 年世界m d f 生产能力打破了历史最高纪录，总生产能力达2 5 7 3 万m ，比1 9 9 8 年的2 4 l3 万m 3 增加了1 6 0 万m 3 ，增长6 6 。据估计，到2 0 0 0 年及其后1 年 至2 年建成投产的新增产能力为3 0 5 5 万m ，其中南美洲为1 5 5 5 万m ，约 占l 2 ；欧洲为9 0 0 万m ，占l 3 ；北美澜为3 4 4 万m3 ，占1 2 ；亚洲太平 洋地区为1 9 万1 1 1 3 ，占6 。1 9 9 9 年欧洲最大的m d f 生产国是德国，其次是意 大利和西班牙，生产能力分别为2 8 4 5 万m 3 ，1 2 4 0 万m3 和11 0 7 7 万m ，。亚 太地区m d f 的主要生产国是中国、马来西亚和韩国，生产能力分别为2 9 4 5 万 m3 、1 1 7 5 万1 1 1 3 和9 3 万m ”1 。 我国人口众多、森林资源并不丰富，加之连年砍伐，林木数量急剧减少。 如何高效利用有限的森林资源，合理地对木材进行加工。制造出实用新型的木 质材料成为一个急待解决的问题。由于我国对板材的需求量不断增加，且先进 的生产技术不断应用于木材加工行业，使得人造板应运而生。这其中纤维板以 其木材利用率高、产品成本低、防腐、防虫等诸多特点脱颖而出，迅速占领市 场，成为人造板生产的主要方向。纤维板依据其密度不同，分为软质纤维板、 中密度纤维板和硬制纤维板。其中，中密度纤维板因其应用广泛，成为纤维板 生产的主要产品之一。 中密度纤维板( m d f ) 在我国起步较晚，但发展很快。八十年初期，福州 人造板厂从美国首家引进中密度纤维板生产线开始，二十年中，我国从国外引 进先进的成套设备生产线( 或主要生产设备) 已达5 0 多套，多数年产量为3 5 万m 3 ，年产l o 万m 3 有3 套。国内开发生产的中密度设各约1 8 0 多套，大部分 年生产能力为1 5 5 万m ，技术水平达到国际上八十年代初水平，产品质量 能够达到新实施的国家标准g b t 1 8 7 1 8 1 9 9 9 中密度纤维板的要求。国产 设备生产中密度纤维板已占总产量的6 5 。 据全国人造板设备和木工机械技术情报中心调查统计，截至2 0 0 1 年6 月， 令国中纤板厂已发展到2 3 6 家、2 8 9 条生产线，总设计年生产能力达7 9 4 万立 2 东北林业人学硕士学位论文 方米( 含部分在建、改造项目) ，2 0 0 0 年全国人造板生产情况调查统计为纤维 板5 1 4 4 3 ) j - 立方米年( 其中含2 0 j 立方米左右硬质纤维板，大多为m d f 一 中密度纤维板) ，丽实际上中纤板产量远不止于此，应接近或超过年总设计 生产能力。因为这些年所建成的新增生产线，其产品正在( 或逐步) 被市场吸 收。尽管有少部分生产线未形成或未达到设计能力，但有为数不少的生产线超 产能力达3 0 一5 0 ，乃至翻番。依据市场调查数据证明，无论从总设计生产能 力还是实际年生产量，中国目前已跨入全球中密度纤维板生产第一大国行列。 而全国人造板总产量在1 9 9 8 年就已跃居世界第二位( 美国居首位，年产量为 3 2 0 0 万立方米) 。中国的m d f 市场潜力很大，改变目前中国m d f 生产的现状， 提高自动化和管理技术水平，改善质量具有重要的现实意义”3 。 中密度纤维板的生产过程从总体上可以分为四个工段：备料工段、( 包括切 片、筛选、磁选、运输等) 、热磨干燥工段( 包括纤维分离、施胶、干燥等) 、 铺装热压工段( 包括板坯铺装、热压、分板等) 、后期处理工段( 包括纵横裁 边、砂光、堆放、检验等) 。 调施胶是中密度纤维板生产过程中的重要环节，直接影响中密度纤维板性 能与成本价格。合理的调胶与均匀的施胶对中密度纤维板的质量及成品性能影 响很大，所以，对调施胶的先进自动化控制也成为中密度纤维板生产控制的主 要部分之一。 1 1 国内中密度纤维板生产中调旌胶自动化现状及存在的不足 在中纤板生产中，胶的用量约占产品总成本的三分之一，因此采用先进的 调旌胶控制系统，使胶的配比及用量自动接近或达到最佳状态，对降低产品成 本，提高产品质量有着重要的现实意义。 1 1 i 调胶 在调胶阶段，主要实现对各种胶料的比例添加控制。根据检测设备不同， 控制方法也有差异，大致有以下几种方法： ( 1 ) 液位控制法：即利用电磁流量计或椭圆齿轮流量计，对胶泵输出的胶 液进行直接检测： ( 2 ) 计量简检测法：即对胶泵泵完计量简内的固体体积的胶量进行计时检 测，从而推算出胶液流量，所以此神办法又称为体积计量法； ( 3 ) 减重计量法：它是利用现代的微电脑( 包括单片机和工业计算机) 对 施胶罐进行连续重量检测，重量在单位时间内的减少量即为胶液的输出量： ( 4 ) 探极计量法：用计量筒作为检测单元，由探极发出液位信号： ( 5 ) 浮子计量法：用计量简作为检测单元，由浮子带动旋转脉冲转换器发 出电脉冲信号： ( 6 ) 计量泵法：通过控制计量泵的转速控制原料的加入量”“。 以目前国内应用的、较先进的德国k a r e v a n a 公司中纤板生产线调胶过程为 例。其调胶过程由计算机控制，首先依据即定配方自动计算多种原料的比例加 入量，然后依次打开进料阀分别加入原料，并顺序检测各个原料罐的液位信号， 控制各原料的投料量。当胶料投入后，则启动调胶罐中的搅拌器搅拌均匀。 虽然整个系统基本实现了自动控制，但仍存在一些不足之处。如调胶控制 配方固定不变，不能根据工厂生产需求的变化及胶料成分的改变而调整：调胶 时间、原料加入量控制不够精确等。 1 1 2 旅胶 在施胶阶段则主要控制纤维与胶的施加量，胶量适宜并能均匀的分布在纤 维上。早期的时候，主要依靠技术人员的经验来不断调节胶的施加量，使胶尽 可能均匀的分布在纤维上，有的把胶量与纤维量按比例固定，不在生产过程中 进行动态调节，使纤维的施胶均匀性波动很大，影响中纤板的质量。 目前，先进国家在施胶方面，主要通过不断检测纤维的出量来动态的调节 施胶量。例如：德国k e r v a n a 公司生产的中纤板生产线施胶过程为例说明施胶 的控制过程。它采用的是干燥前管道施胶，即用压力将纤维喷入干燥管道，完 成胶液与纤维混合施加，这里用计算机从热磨机卸料螺旋的接地开关处返回一 个脉冲值，此脉冲值与电机转数有对应公式：电机的转数又与纤维的出量相关， 因此得到了脉冲数就能通过计算得出相应的纤维数量。因为纤维数量与施胶量 需按照工艺要求的比例进行，所以可以得出应施加的胶量。施胶量的测量与纤 维量的测量方法类似，也将控制量最终转化成电机转数，从而达到根据纤维出 量的变化自动调节最佳施胶量的目的，降低了胶的用量，并能得到均匀的施胶 效果。 虽然此过程采用计算机进行控制，控制过程在短时间内即可完成，并快速 4 东北林业大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = e = ! ! 一 做出反应，基本达到生产工艺要求，但仍需人为干预某些控制过程：且引进设 备操作台均采用英文注释，数据显示皆是频率值、电压值等数据形式，不利于 操作人员的熟练掌握，对控制现场的监控带来了一定困难。 1 1 3 其他的不足之处 除了上面分别介绍的系统不足之处，目前，在我国的多数中密度纤维板厂 中，主要依赖操作人员按照工艺参数、凭经验人工控制、或少量采用国产和进 口设备半自动或全自动控制中密度纤维板生产过程的调施胶工序，其控制较为 落后且采用的生产线，自动化程度低，对工人的技术水平要求高，现场的控 制数据及参数大多采用电压或电流的表示方式来显示，不利于工人技师的及时 管理和调控。使生产线很难达到设计的最大生产能力生产。随着我国对中密度 纤维板需求量的不断增加，必将要求自动化程度不断提高。因此，在引进国外 先进生产设备的同时，自主研制开发符合我国国情的，具有先进水平的中密度 纤维板调施胶控制系统，具有十分重要的意义。既为企业创造了经济效益，又 推动了调旌胶控制技术的发展。 1 2 国外中密度纤维板调施胶控制情况一组态软件的应用 国外的调旖胶过程已经采用了组态软件技术并已取得了良好的效果实现 了自动控制的智能化。如意大利的意玛公司( i m a l ) 、芬兰的美卓公司( m e t s o ) 等公司制造的中密度纤维板生产线，它们应用了组态软件在中纤板生产线以及 调施胶过程；这不仅，使调胶配比及箍胶都达到了全自动控制，而且还保证纤 维的出量与施胶的配比，减少了胶液用量，提高了旖胶的可靠性，降低了成本。 增大了经济效益。由于使用组态软件使控制画面实时显示现场的实际生产情 况，并能够进行必要的人机交互，实时存储现场数据以及提供图表、报表等数 据形式，提供分析与调整的依据，具有稳定性好，可靠性高，使用安全等特点。 但引进的生产线控制设备庞大，以其开发国家的操作语言为主，使操作人员灵 活掌握难度加大；且缺乏符合我国地域气候等条件的设计，因此，必须开发一 套适应我国国情的中密度纤维板调施胶系统。 综合现今国内的调施胶控制现状和国际知名的中纤板生产线( 如意大利的 意玛公司( i m a l ) 、芬兰的美卓公司( m e t s o ) 等) 的调施胶控制情况，今后我 组态软件在中密度纤维板调施胶生产中的应用研究 国的中密度纤维板调施胶控制的发展趋势有如下几个方向： ( 1 ) 加强对引进设备调施胶控制部分的消化吸收，自行开发适合我国国情 及发展状况的调施胶全自动控制系统： ( 2 ) 合理选取调施胶过程机械设备，提高可靠性，增大精确度，减少故障 率；根据计算机软、硬件技术的发展而完善调施胶控制系统，增强在线检测和 监控手段，完善自动控制过程； ( 3 ) 提高调施胶控制过程的智能化、人性化、简单化程度，将调施胶控制 与工业自动化的先进控制技术相结合，如利用工控组态软件或集散控制系统来 实现调施胶过程的高效、稳定和自动控制。 1 3 组态软件在中密度纤维板调施胶生产中应用的必要性 近些年来，由于工业控制组态软件的不断兴起和发展，使工业领域的自动 化控制程度得到了逐步提高，而且组态软件用途广泛，易于开发，其功能与用 途的不断扩充和完善，为在林业行业中的应用打下了良好的基础。在林业中应 用组态技术，不仅可以便于生产控制，更为高效的管理带来了方便，其在林业 生产中的探索与研究已经成为未来的发展方向之一。调施胶环节引入组态软件 进行控制，不仅易于实现调施胶过程的自动控制，提高了林业生产的自动化水 平，而且，对于实现现代化技术，对于整个林业行业的全自动化控制过程有一 定的现实意义。 中密度纤维板生产是一个目前比较热门的行业，很多企业引进国外设备也 给生产企业带来了良好的经济效益。但是，随之而来的问题是新技术对操作人 员的高要求与熟练工人缺乏之间的矛盾，设备完不成其预定产量，使设备利用 率降低。我国原有一些设备自动化程度低，尤其在调施胶环节，控制不够精确， 施胶量大，使得产品成本增加；并且生产的工艺流程仅有文字框图表示，没有 实现在线动态显示以及交互操作。因此，为了提高中密度纤维板生产中调施胶 的质量，减少产品生产成本，增加经济效益，采用计算机组态软件监控中密度 纤维板生产中的调施胶环节刻不容缓。 提高中密度纤维板调旌胶过程的控制水平，实现真正意义的全自动控制， 制造我国自己的中密度纤维板控制系统是我国中密度纤维板生产行业一个急 待解决的问题。因为调胶与施胶的好坏将直接影响到中密度纤维板的质量与性 6 东北林业大学硕士学位论文 = = = = = 2 2 = = = = = j 2 = = = = = = = = = = = = = 。： 能所以加强对调施胶过程的控制，利用先进的计算机技术与组态技术，真正 地实现生产过程的全自动控制十分必要。当今国虑的中密度纤维板生产线自动 化程度低，几乎没有一套完整的自动控制生产设备，完全依赖进口设备进行生 产。因此自主研制开发套适合国情的全自动中密度纤维板调施皎生产控制 系统是很有意义的。 目前，国外的中密度纤维板自动控制生产线已经普遍采用了组态软件作为 控制平台的开发工具，其强大的功能设置、稳定的运行状态，可靠的现场控制 使其成为工业生产自动控制的重要开发工具之， 本课题的目的便是为了建立个调施胶过程的组态软件监控系统。对调胶 过程，能按比例自动控制符合工艺要求的胶液；在施胶过程中，根据木材纤维 输出量的变化，自动调整施胶量的多少，能实时地蓝铡调旖胶现场的运行情况， 便于整个生产过程的直观控制。 由于中密度纤维板生产已逐步形成规模化的行业。对于操作，要求不断地 趋于自动化、简单化；原有的手工、半自动的生产控制已远远不能满足高效现 代化生产的需要。调施胶过程作为影响中密度纤维板物理性能与价格成本的重 要环节更对自动化程度提出了更高的要求。因此，设计一个简单有效的控制系 统，使操作人员在不要求较多的专业知识的前提下，便能够完成系统的状态监 控，实时调旌胶现场跟踪及自动控制，这对于提高中密度纤维板的生产质量及 自动化程度是相当重要的。而且，应用组态软件提升了调旌胶的自动化水平， 也保证了中密度纤维板的质量。这不仅给企业带来经济效益，也为林业生产实 现自动化上了一个台阶。 当今，组态软件己成功的应用于石油、化工、水利等众多大型行业，其强 大的功能、可靠往及连结组网能力已经得到了充分的验证。且从国外的开发应 用情况来看，在中密度纤维叛的调施胶过程引入组态软件是十分可行的，它不 仅使调施胶的自动控制过程简单易行，稳定可靠，同时也为林业生产在自动控 制方面水乎的提高起到了一定的推动作用， 1 4 本论文的研究内容 本课题主要以国内中密度纤维板生产过程中调施胶环节自动化程度低、效 率差为研究目标，结合国外先进的中纤板生产线调施胶方面的实践经验，将组 态软件应用于中密度纤维板调施胶生产中，探讨组态软件的系统结构、系统整 壁软件垄中密度纤维板调施胶生产中的应用研究 7 体开发过程，设计出调藏胶环节的上位组态控制系统，并把研究结果直接用于 系统实现。使工人在无需有过多的操作经验及专业知识的情况下，运用组态软 件，通过动态直观的现场状态显示赛面，方便快捷的对现场情况进行监控，使 控制参数动态的跟随现场条件而变化；使调胶过程，符合工艺要求；使施胶稳 定、提高效益、降低成本；并能实现生产工艺参数的在线修改，实时报警，生 产现场数据显示，实时、历史趋势曲线分析，动态数据记录，报表生成，配方 管理，数据库管理及打印等功能。 8 东北林业大学硕士学位论文 2 组态软件及其在工业控制系统中的应用 2 1 组态软件 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机 及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特 定任务，满足使用者要求的目的“。 过去的工业控制计算机系统的软件功能( 如实时数据库、历史数据库、数 据点的生成、控制回路以及图形、报表功能) 是靠软件人员通过编程实现的， 工作量大。这样设计出的软件通用性极差，对于每个不同的应用对象都要重新 设计或修改程序。由于几乎每次系统应用都是新软件，软件功能可靠性也较低。 随着集散控制系统( d c s ) 的发展，人们越来越着重系统的软件组态和配 置功能，即系统中有一套功能十分齐全的组态生成工具软件。这套组态软件的 通用性很强，可以运用于一大类应用对象，而且执行程序的代码部分一般是固 定不变的，为适应不同的应用对象只需改变数据实体( 包括图形文件、报表文 件和控制回路文件等) 即可。这样，既大大提高了系统的成套速度，又保证了 系统软件的成熟性和可靠性”。 因为每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中，为 了使用户在不需要编代码程序的情况下，便可生成适合自己需求的应用系统， 每个d c s 厂商在d c s 中都预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实 际上就是组态软件，但一直没有人给出明确定义，只是将使用这种应用软件设 计生成目标应用系统的过程称为“组态( c o n f i g u r e ) ”或“做组态”。 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代虽然 计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过 程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓漫。7 0 年代 初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高 计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很 多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控 制系统。这一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出的 世界上第一套d c st d c 一2 0 0 0 。丽随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术日 趋成熟，得到了广泛应用，此时的d c s 已具有较丰富的软件，包括计算机系统 组态软件在中密度纤维板调旖胶生产中的应用研究 软件( 操作系统) 、组态软件、控制软件、操作站软件以及其他辅助软件( 如 通信软件) 等。 这一阶段虽然d c s 技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的，除了 在功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成d c s 在中小型项目上的单 位成本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用d c s 。8 0 年代中后期，随 着个人计算机的普及和开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广，基于个人计算 机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组态软件作为个人计算机监控系统 的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为， 第一，很多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议，加入“p c 监控”的阵营。目 前，几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都使用p c 作为操作站。第二，由于p c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视( 如 防盗报警、江河汛情监视、环境监控、交通管制与监控、矿井报警等) 、数据 采集与计量( 如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等) 、数据分 析( 如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数 据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等) 到过程控制，几乎无处不用。第 三，各种智能仪表、调节器p c b a s e d 设备可与组态软件构筑完整的低成本自 动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突 起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自 动化系统中的灵魂。” 目前大多数的组态软件是一种分布式监督控制和数据采集系统 ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) ，s c a d a 系统是一 套功能全面、可大可小、伸缩自如的系统，即可以是单机集中式控制或分布式 控制系统，也可以是带远程通讯能力的远程测控系统。它集中的先进技术较多： 控制技术、计算机软硬件、图形显示技术、局域网络技术以及通信技术等。分 布式的过程控制监控系统适用于上位机、下位机形式的硬件结构：集中式的过 程控制监控系统适用于单机结构。用户在完成各种组态操作，并生成、启用分 布式系统后，下位机便充当现场站，不断地实时采集、整理数据，并激活通讯 系统将实时数据传送给上位机。上位机一方面实现实时数据处理，将求解的控 制结果实时送往下位机；另一方面也可将这些数据以各种图表的形式直观地显 示给用户。当生成、运行集中式监控系统时，系统一方面充当仿真终端，不断 地在后台实时采集、整理数据，另一方面在前台实时地实现监控功能。 用户应用组态软件进行系统组态后，只需把生成的有关参数通过数据通讯 i o 东北林业大学硕士学位论文 向下传到各个现场控制站下位机，就可以具体实施。如果运行中需要做某些修 改或扩充，可以在上位机上在线重新组态，不影响其它各下位槐的连续正常工 作。 系统下位机的任务首先是从现场采集实时数据，一方面用于操作入员进行 实时监视，另一方面将数据传输到上位机进行先进控制运算和优化计算。另外 下位机也接收上位枫计算得来的设定值进行相应的值的设定。 绝大多数组态软件都运行在w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 环境下。其较理想的环境 是w i n d o w sn t 或w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，其可靠性和实时性都好于w i n d o w s 9 8 。 组态软件的开发工具以c + + 为主，也有少数开发商使用d e l p h i 或v c 等。 一般来讲，使用c + + 开发的产品运行效率更高，程序代码较短，运行速度更快， 但开发周期要长一些，其他开发工具则相反。 2 1 i 监控组态软件的特点及其设计思想 ( 一) 组态软件的特点： 1 组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据 处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时 通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。 2 强大的画面显示组态功能。强前，组态软件大都运行于w i n d o w s 环境 下，充分利用w i n d o w s 的图形功能完备，界面美观的特点，提供给用户丰富 的作图工具，可随心所欲的绘截出各种工业画面。并可任意编辑从丽璃开 发人员从繁重的画面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，使画面生动、 直观。 3 组态软件提供了良好的人机交互界面，它可提供各种图形工具、参数 组态界面等，使系统功能易于实现，从而加快了系统开发速度，简化了编程 工作，而且系统维护简单。 4 丰富的功能模块。提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场 要求。利用各种功能模块，完成实时监控、产生报表、显示历史曲线、实对曲 线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作。 系统既可适用于单机集中式控制。d c s 分布式控制，也可以是带远程通信 能力的远程测控系统， 5 良好的开放性。开放性是指组态软件能与多种通讯协议互联，支持多 组态软件在中密度纤维扳调旅胶生产中的应用研究 种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能 与低层的数据采集设备通讯，向上能与管理层通讯，实现上位机和下位机的双 向通讯。 6 组态软件提高了系统的可靠性。若系统的某一部分发生故障时，利用 未发生故障部分仍可使系统继续工作。另外，冗余技术和自诊断功能的采用， 也是系统高可靠性的保障。” 工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些设定的、完成特定设置的表 格，再利用图形功能把被控对象( 如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表 等) 形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与i o 设备的实时数 据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连 的i 0 设备发生变化会直接带动被控对象的属性变化。如果要对应用系统进行 修改，也十分方便。 对于一般的d c s 系统，尤其是中小型企业的低成本自动化系统，系统的结 构框架基本固定，若要适合于不同企业复杂的工艺流程，更多的要依靠软件的 灵活性。组态软件提供了灵活的组态工具和模块，更适合于不同的工艺流程。 综合以上，可以看出组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功 能多样、运行可靠的特点。 ( 二) 组态软件的设计思想： 在多任务操作系统环境下，由于操作系统直接支持多任务，组态软件的性 能得到了全面加强。因此组态软件般都由若干组件构成，而且组件的数量在 不断增长，功能不断加强。各组态软件普遍使用了“面向对象”( o b j e c t o r i e n t e d ) 的编程和设计方法，使软件更加易于学习和掌握，功能也更强大。 一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、系 统设置管理、通信及第三方程序接口组件。下面将每一类组件的设计思想分别 予以讨论。 在图形画面生成方面，构成现场各过程图形的画面被划分成3 类简单的对 象：线、填充形状和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。对象的基 本属性包括：线的颜色、填充颜色、高度、宽度、取向、位置移动等。这些属 性可以是静态的，也可以是动态的。静态属性在系统投入运行后保持不变，与 原来组态时一致。而动态属性则与表达式的值有关，表达式可以是来自i o 设 备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数学表达式。这种对象的动态属性 随表达式值的变化而实时改变。例如，用一个矩形填充体模拟现场的液位，在 1 2 东北林业大学硕士学位论文 组态这个矩形的填充属性时，指定代表液位的工位号名称、液位的上下限及对 应的填充高度，就完成了液位的图形组态。这个组态过程通常叫做动画连接， 在图形界面上还具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与 显示等功能。各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源都可以通 过组态来指定。这样每个画面的内容就可以根据实际情况由工程技术人员灵活 设计，每幅画面中的对象数量均不受限制。 在图形界面中，各类组态软件普遍提供了一种类c 语言的编程工具一一脚 本语言来扩充其功能。用脚本语言编写的程序段可由事件驱动或周期性地执 行，是与对象密切相关的。例如，当按下某个按钮时可指定执行一段脚本语言 程序，完成特定的控制功能，也可以指定当某一变量的值变化到关键值以下时， 马上起动一段脚本语言程序完成特定的控制功能。 实时数据库是更为重要的一个组件。因为p c 的处理能力太强了，因此实 时数据库更加充分地表现出了组态软件的长处。实时数据库可以存储每个工艺 点的多年数据，用户既可浏览工厂当前的生产情况，又可回顾过去的生产情况。 工厂的历史数据是很有价值的，实时数据库具备数据档案管理功能。工厂的生 产实践告诉我们：现在很难知道将来进行分析时，哪些数据是必需的。因此， 保存重要的数据信息是防止丢失信息的最好方法。 系统设置管理将进行系统运行及开发系统的设置、用户权限设置、历史 实时记录属性特性等的设置，成为系统管理完善、功能齐备的有利保障。 通信及第三方程序接1 2 1 组件是开放系统的标志，是组态软件与第- - ：y f 里序 交互及实现远程数据访问的重要手段之一。它主要作用是：用于双机冗余系统 中，主机与从机问的通信；用于构建分布式h m i s c a d a 应用时多机间的通信； 在基于i n t e r n e t 或b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 应用中实现通信功能a 通信组件中有的功能是一个独立的程序，可单独使用；有的被“绑定”在 其他程序当中，不被“显式”地使用。 2 1 2 组态软件的结构划分及可扩展组件 ( 一) 组态软件的结构划分： 1 使用软件的工作阶段划分 以使用软件的工作阶段划分，也可以说是按照系统环境划分，从总体上讲， 组态软件在中密度纤维板调麓胶生产中的应用研究1 3 组态软件是由系统开发环境和系统运行环境2 大部分构成的。 ( 1 ) 系统开发环境。它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态 软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立 一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时 使用。 系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库 组态程序等。 ( 2 ) 系统运行环境。在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并 投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、 实时数据库运行程序等。 组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接 进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。 自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量 的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成 一个工程项目。 2 ，按照成员构成划分 组态软件因为其功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因 此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。 组态软件必备的典型组件包括如下6 个部分。 ( 1 ) 应用程序管理器。应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、 解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组 态软件进行工程设计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备 份；经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果( 如画面) ；经常需要 迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。虽然这些要求可以用手工方式实现， 但效率低下，极易出错。有了应用程序管理器的支持，这些操作将变得非常简 单。 ( 2 ) 图形界面开发程序。它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案， 在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立 一系列用户机数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供图形环运行时使用。 ( 3 ) 图形界面运行程序。在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形 界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。 ( 4 ) 实时数据库系统组态程序。有的组态软件只在图形开发环境中增加 1 4 东北林业大学硕士学位论文 了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。目前比较先进的 组态软件都有独立的实时数据库组件，以提高系统的实时性，增强处理能力。 实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库 的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各耪参数。 ( 5 ) 实时数据库系统运行程序。在系统运行环境下，目标实时数据库及 其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存，并执行预定的各种数 据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据 库系统运行程序中完成的。 ( 6 ) i o 驱动程序。它是组态软件中必不可少的组成部分，用于和i o 设备通信，互相交换数据。d d e 和o p cc 1 ie n t 是2 个通用的标准i o 驱动程 序，用来和支持d d e 标准和o p c 标准的i 0 设备通信。多数组态软件的d d e 驱 动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而o p cc 1 i e n t 则多数单独存 在。8 3 ( 二) 组态软件扩展中的可选组件包括 ( 1 ) 通用数据库接口( o i ) b c 接口) 组态程序。通用数据库接口组件用来 完成组态软件的实时数据库与通用数据库( 如o r a c l e 、s y b a s e 、f o x p r o 、d b 2 、 m i c r o s o f ta c c e s s 、s q ls e r v e r 等) 的互联，实现双向数据交换。通用数据 库既可以读取实时数据，又可以读取历史数据；实对数据库也可以从通用数据 库实时地读入数据。通用数据库接口( o d b c 接口) 组态环境用于指定要交换 的通用数据库的数据库结构、字段名称及属性、时间区段、采样周期、字段与 实时数据库数据的对应关系等。 ( 2 ) 通用数据库接口( o d b c 接口) 运行程序。已组态的通用数据库连接 被装入计算机内存，按照预先指定的采样周期，对规定时闻区段按照组态的数 据库结构建立起通用数据库和实时数据库间的数据连接。 ( 3 ) 实用通信程序组件。实用通信程序极大地增强了组态软件的功能， 可以实现与第三方程序的数据交换，是组态软件价值的主要表现之一。实用通 信程序具有以下功能： 可以实现操作站的双机冗余热备用； 实现数据的远程访问和传送： 通信实用程序可以使用以太网、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、p s t n 等多种通信介质 望查软件在中密度纤维板调施胶生产中的应用研究 1 5 或网络实现其功能。实用通信程序组件可以划分为s e r v e r 和c l i e n t 两种类型， s e r v e r 是数据提供方，c 1 ie n t 是数据访问方。一旦s e r v e r 和c l i e n t 建立起 了连接，二者间就可以实现数据的双向传送。 2 ，1 3 几种主要的组态软件 随着祖国社会进步和信息化速度的加快，组态软件将赢得巨大的市场空间。 这极大地促进了国产优秀组态软件的应用，为国产优秀组态软件创造了良好的 成长环境。目前国产组态软件品牌众多，包括f i x 、w i n c c 、组态王( k i n g v i e w ) 、 开物2 0 0 0 ( c o n t r o x 2 0 0 0 ) 、m c g s 全中文工控组态软件、力控( f o r c e c o n t r o l ) 等；另外还有功能更为强大的集散控制系统，如浙大中控等。 f i x ：i n t e l l u t i o n 公司是以f ix 组态软件起家的，1 9 9 5 年被爱默生收购， 现在是爱默生集团的全资子公司，f i x 6 x 软件提供工控人员熟悉的概念和操作 界面，并提供完备的驱动程序( 需单独购买) 。i n t e l l u t i o n 将自己最新的产品 系列命名为i f i x ，在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 提供了强大的组态功能，但新版本与 以往的6 x 版本并不完全兼容。原有的s c r i p t 语言改为v b a ( v is u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n ) ，并且在内部集成了微软的v b a 开发环境。遗憾的 是，i n t e l l u t i o i 3 并没有提供6 1 版脚本语言到v b a 的转换工具。在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 的产品与m i c r o s o f t 的操作系统、网络进行了紧密的集成。 i n t e l l u t i o n 也是o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 组织的发起成员之一。i f i x 的o p c 组件和驱动程序同样需要单独购买。 w i n c c ：s i m e r s 的w i n c c 也是一套完备的组态开发环境，s i m e n s 提供类c 语 言的脚本，包括一个调试环境。w i n c c 内嵌o p c 支持，并可对分布式系统进行组 态。但w i n c c 的结构较复杂，用户最好经过s i m e n s 的培训以掌握w i n c c 的应用。 组态王( k i n g v i e w ) ：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司， 已在钢铁、化工、电力、邮电通讯等9 0 0 0 多例工程中得到应用，并作为首家 国内组态软件应用于国防，航空航天等重大领域。组态王是一个完全意义上的 软件平台，允许用户进行功能扩展和发挥。组态王采用开放的程序接口，可以 自由地存取数据；全面支持a c t i v e x 控件；全面支持o p c 标准；支持远程监控 和管理；完美实现o d b c 接口：提供了报警、检测、冗余、网络等管理功能；