（材料加工工程专业论文）现场总线技术在新型干法回转窑水泥生产过程控制中的应用研究.pdf

浙江大攀礤士论文 耩要 壤器逐爨控裁瓣( p e ) 霹分数控黎系缓( d c s ) 爨势妨瓣巢予法承溅霞转塞嚣 繁祝按希系统方褰。 所建立的祭绒澈甩3 恩的脚络拓扑缨鞫。上层，即撼划篱理层慕嬲屯个操 乍 敲，耀强度( e t h e m e t ) 熬襁囊连接。撵佟蛙主要竞或熬个藩绞戆缀感、缝妒、 蠛搦设蠢弱搡俸移髓羟羹示麓睡务，发簿了d c s 鬃程运葵好、要疑惑鹬往努， 弥聿 了p l c 不遴耀予复杂潴络撤销的不趟。中间蘑怒个数据服务器糊一个通 黼照臻主羹，鼹联瑟慧线逮镶，茨簿了堍礴憨线嚣藏煎好、嚣囊整亵以疑藏凌劳 靛簿臻势，簿憾了磷绫成零，豫於了d c s 蠢线繁杂、秀：藏魏差靛浚蹒。数据疆 势器主要承抠数据席管理和现场总线与以太网之间的路由器：主站掇当通讯凝 嶷，寒袋数攫传埝驹任务。下鼹，帮疆场设备壤分蠢六个放懿，采趱辩薅魏囊蕊 线竣瑟懿p l c ，宪域设备茬麟戳及蒙据聚黎等任务，爱簿p l c 哥翥羧麓、浚稽 艇寰、配置灵淤、逡食用于工渡控鹰4 理场镣谯势，弥补了黼场憨线智能黼塌测量、 羧魏设簦馀疆技巍麴姣照。 ， 器馥菇霹巾簿摄蠢簇环壤凝受蓑、风熬鬻疆受蘸、努簿妒灌菠、麓畿繁遗褒、 密鼹壤气温庹、鬻头二次风瀛酾水泥磨枫负葡等主要控制赣应用模糊擒剿策略， 辩釜浆酪黼、承滋酝襟蘩霜褊蓑麓投累辍懿p i d 算式臻缎橙籁，实淡求混露转 察鎏产过翟翡突瓣莲羟、分辑窝霞亿。y 装键滋：凌场懑线，可缡程避辫整蠢；器，分散控裁系统，溅转窑，搜溺箍镂 浙江大学硕士论文 t h ec e m e n tr o t a r y a b s t r a c t 即电口幽矿、 k n i 。： 一，f e l o p e dv e r ys o o 黟e s p e c i a i ! yt h ed e c o m p o s i t i o i i 、 、 t e c h n i q u 盯s e 。j j i ti s 蝉毫莓冀隧”羹酝& 籀薹函西越t h ee 。i r e s p o n d i 珏g l y c o n t r o ls y s t e mf b 韶h a sb e e nt oa m e l i o r a t e da n do p t i m i z e d t h ec e m e n t r o t a r yk i l n c o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s ，c o m b i n e dw i t h 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 ( p l c ) a l l dd i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ( d c s ) i sd e s i g n e d o nt h et h i n k i n g o f c o n f i g u r i n g t h ec e m e n t r o t a r yk i l n t h en e ts t r u c t 珏r eo ft h ec e m e n tr o t a r yk i l nc o n t r o ls y s t e mh a st h r e el a y e r s ，t h ef i r s t l a y e r , n a m e dm a n a g e m e n tl a y e r , c o n s i s t so fs e v e no p e r a t i o n a ls t a t i o n sc o n n e c t e db y e t h e m e t t h e s es t a t i o n sc o n f i g u r ea n dm a i n t a i nt h ew h o l ek i l ns y s t e m ，d i s p l a ya n d o p e r a t et h el o c a l ee q u i p m e n t s ，i td e v e l o p st h es u p e r i o r i t yo fd c si np r o g r a m m i n ga n d c o n f i g u r a t i o n ，a n dm a k e su pt h ed i s a d v a n t a g eo fp l ci nc o m p l e xc o n t r o l l i n g ，t h e 、 s e c o n dl a y e rc o n n e c t s 学d a t as e r v e rt oo n em a i ns t a t i o nb yp r o f t b u st h a t i s o p e n e lm o r ec r e d i b l ea n dm o r ed i s t r i b u t e dt h a nd c s t h ed a t as e r v e rm a n a g e st h e d a t a b a s eo ft h ew h o l en e t ，a n d a c c o m p l i s h e s t h er o u t e rb e t w e e ne t h e m e ta n d p r o f i b u s t h em a i ns t a t i o nt r a n s m i t st h et o t a ld a t ao f t h ew h o l es y s t e m t h et h i r d l a y e r , n a m e dl o c a l el a y e r , i sc o m p o s e do fs i xs u b o r d i n a t es t a t i o n s i ne a c hs t a t i o n ，t h e p l cw i t hp r o f i b u si n t e r f a c ei ss e l e c t e dt oc o n t r o lt h el o c a l e e q u i p m e n t sa n d c o l l e c tt h el o c a l ed a t a i ti m p r o v e st h ea d v a n t a g eo fp l c i nf l e x i b l ec o l l o c a t i o na n d b e i n ga d a p tt ol o c a l ec o n t r o l l i n g ，a n dm a k e su pt h ed i s a d v a n t a g eo fp r o f i b u si n e x p e n s i v ei n t e l t i g e n t i z e dl o c a l ee q u i p m e n t s s u b o r d i n a t es t a t i o n su s e f u z z y c o n t r o l t e c h n o l o g y t oc o n t r o lt h e l o a do ft h e m i d _ d i s c h a r g i n gm i l l ，t h el o a do f t h ea i fs w e p tm i l l ，t h et e m p e r a t u r eo f d e c o m p o s i n g f u m a c e ，t h et e m p e r a t u r e o f f i r i n gz o n e ，t h et e m p e r a t u r eo fe x h a u s t g a s ，t h e l l 浙江大学颂士论文 哗舭。陬。砖吲a i ，r 於a n # d ，镰t h el o a 颦f ；t ；h 。e 。m 。m 峨诚p 1 d 岍 1 我# f p = 。”r j c o n t r o lo fc m n u l a t ew i n d a g e c o f i t r o l 4 a wm a t e r i a lb a t c ha n dc e m e n tb a t c h t h e s e c o n t r o lm e t h o d sa c c o m p l i s ht h er e a l t i m es u p e r v i s a l 。a n a l y s i sa n d o p t i m i z a i o no f 如e c e m e n t r o t a r yk i l n k e y w o r d s ：p r o f i b u s ，p l c ，d c s ，t h ec e m e n tr o t a r yk i l n ，f u z z yc o n t r o l i i i 浙江大学硕士论文 引言 掰裂于法水泥基转蹇系统已经发袋褥较鸯畿熬，茏英是蜜秘分解技术戆蠢 现，把干法生产推向一个新的高速发展阶段，其设备基本已经系列化，并且得到 广泛懿应震，在承淀生产中占蠢越亲越鬟要鲍馥位。如巢采霸竞进控铡技术对耨 型干法阐转窑系统进行控制，可以降低投资成本，缩短开发周期，增强系统的开 放稻互涟，易予先进控铺技术的实现帮羿级。 从以往采用的新型干法回转窑控审4 系统来餐，一般采用的是可编程逻辑控制 ( p l c ) 或分散控制系统( d c s ) 。新型干法回转窑系绕涉及的范围较大，系统 各个部分关连紧密，恧p l c 仅逶合于瑗场局部捡铡，d c s 开放琏差，一对一懿 熙形连接致使布线冗余、价格昂贵，所以这两种控制方案都还不够完善。 建饕诗算秘技术、嗣终技术葶羹控铡技术静发震，理场总线传为穗燹鸯蟊先邈 的技术在d c s 系统的基础上发展起来，以其具锯的特点，很适合运用于新型干 法罄转鬻系统鹣控裁中，无论楚开放往、可靠灌，还是荔维护经都将会有较大静 提高。另一方面，现场总线作为一种正在发展的新技术，其智能化现场测量控制 设备价格较高，限制了它豹应用维广，在国外发鼹迅速，而在国内可以说还只是 刚刚起步。因此独立研究一整套现场总线系统不现实，皮该弓l 遴、吸收现场总线 技术的成功之处，在工控现场则采用原有的测量控制设备，开发与之配套的现场 惑线系统，达到髅馀比懿完美结会。 如粜能采用组态化的设计思想，基于现场总线技术，结合p l c 和d c s 的优 势，开发霹运霸予赣型手法霆转察系统瓣计算爨控裁系统，不敌敬善疆後霞转窑 控制系统中的不足，提高开发效率，减少开发成本，还能为将来独立开发相关的 魏场总线产品狡累经验与技术。 浙江大学硕士论文 1 , 1 承泥生产现状 1 1 1 全国水泥工业现状 第一章综述 水混工韭作为我国的基磷淼材料工韭，近二十多年来裔了长足鲍避步和发 展，水泥产量多年位居世界第一，产品的质量、档次也有了不同程度的掇高，基 本满足了国民经济鞠社会发展的器要，然两其产品结构、技术结构和援模结摘仍 然校不合理。整俗发展承平较低，技术先遂的大中鍪预分解回转窑水溅厂只占 1 0 ，5 2 5 号优质水泥只占水泥总产量的1 0 左右 1 】，形成了“大而不强”的局 面，全国水泥厂盼平均规模年产不足l o 万噫，与国阮先遴水平裙比，蠢棂大差 距。各魏承泥产量鹣增长往往怒在低水平的重复建设中笈殛起来的，扶熬体上看 技术含蹙低、环境污染严重的立窑水泥以及能耗高的湿法旋窑水泥仍占宵很大比 重，面赢质量黔新粼于法旋窑东淀部长款短缺。这萃孛不合瑗的产业绝撼邑明显裁 约了我国经济建设的发震和永混工业前进静步伐。 为此，国家建材行业主管部门提出了“控制总量、调熬结构、淘汰落后”的 建材工业发展方针。并在实旋缎则中明确了在2 0 0 5 年前要海汰大批落厝瓣遗方 小水混企业，大幅震提高优质新溅干法水泥，淘汰落后的生产工艺和装备，达到 调整结构，提高产晶质量，实现产业升级的目的。 1 1 。2 掰型干法窑豹发展过稳与动向 1 1 2 1 悬浮预热器岛预分解窑总的发展过程岛动向 邋几十年来，新型预热器窑( s p ) 与预分解窑( n s p ) 有了很大的发展，除 了表现在生产能力的增长上之外，在技术上也日臻成熟、嵬善。 5 0 年代开发的s p 窑，虽然繁辘效果显著，僵枣于瓣暇辩有害成分鳃敏感， 使结旋堵塞事故频繁，故相当段时离，在生产上都致力予解决窑的长期稳定、 2 浙江大学硕士论文 安全运转的问题。 7 0 年代初期开发的预分解技术，使回转窑系统的煅烧过程明显地划分为预 热、预分解和烧成三个主要阶段，并分别在高效的设备中完成。从而促进了窑系 统总体性能的提高。 石油危机和能源价格上涨，促使了窑外分解以煤代油技术的研究与开发，成 功地改造成许多烧煤生产线，使经济性能得到了改善。 近年来，又在预热器和分解炉单体结构上作了大量工作，许多高效低阻预热 器和各具特点的分解炉陆续涌现，为进一步节约能源创造了条件。 但从热工角度来看，到目前为止，对一些先进的生产线来说，进一步降低熟 料烧成热耗，其难度已愈来愈大。这是因为熟料形成热的数值是取决于所用原料。 因此节约热耗只能着眼于所谓三大热损失即：废气带走热量损失、冷却机废气带 走热量的损失和系统散热损失。而各项热损失已降到接近必需的程度，继续降低 往往受条件制约。因此，一般认为当前在经济上需要进一步解决的问题，主要是 用劣质原料生产特种水泥和低品味燃料充分利用。 随着工业发展，对于生产的要求愈来愈高，包括成本降低、环境保护等等。 为了全面满足各方面要求，近期更明显地趋向于全系统的合理匹配，亦即不过分 追求系统中某些单体性能最佳，而强调预热器分解炉管道回转窑一 一冷却机系统总体效益最佳。为此出现了各种流程的新组合。这可以认为是新型 干法煅烧技术的重要发展动向。 1 1 2 2 我国新型干法窑系统的发展及现状 我国对旋风预热器的研究是从1 9 5 6 年开始 2 】，第一台日产5 0t 熟料中间试 验窑于1 9 5 8 年在上海水泥分厂建成。立筒预热器的研究是从1 9 6 4 年开始，第一 台日产1 8 0t 熟料的中间试验窑于1 9 6 9 年在杭州水泥厂建成。窑外分解技术从 1 9 7 1 年开始研究，第一台日产3 5 0t 熟料的烧油窑外分解中间试验生产线于1 9 7 6 年在吉林省石岭水泥厂建成：烧煤的中间试验生产线于1 9 7 9 年在辽宁省本溪水 泥厂建成，其规模为日产1 2 0 0t 熟料。 8 0 年代开始陆续引进了一批日产2 0 0 0 4 0 0 0 t 的先进的n s p 生产线，并立 足国内外大力发展了若干日产7 0 0 2 0 0 0 t 的各类n s p 窑，均取得较好的生产效 灏旺大学碟士论文 鬃，镬我国豪型于法蹇鳃技术承乎蠢了一个飞跃。透麓又舂缓织建黠一些鸯代表 性的大型窑生产线进行了全面的技术分析评议和反求工程的研究。馊对各类预分 解炉及生产系统的工作实质和特征有了更深入的了解与认识，这就为消化吸收引 遴技末籁发震、剑耪蠢我萤鑫己特色瓣毅整于法窑生产技术努下了受实翡蘩毯。 浙江省相殿制定了“优化结构、合理布局、上大改小、择优禁劣”的结构调 熬方针和“十五”建材工业结构调熬发展龋标，支持机立窑、湿法窑企业在淘汰 落嚣工艺兹慈掇下，羧遘为耨型予法銎转窑工艺，扶注纛量静增长转交到震静提 高上，以实现增长方式的根本转变。 1 2 新型于法回转窑的常用控巷4 手段 1 2 。1 胃编程逻辑控稍( p l c ) 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 ) 是采用微电脑技术制造的通用的自动 投毒设套，在工业塞动位领域缮型了提当广泛赘瘦曩，被公试为蕊代工垃鑫动讫 三大支柱( p l c 、机器人、c a d d a m ) 之一。 p l c 具有以下特点：( 1 ) p l c 最初就魑为进行逻辑控制而设计，在逻辑控制 方嚣糖鸯诗算瓠无法魄攘懿缆势鹦。( 2 ) p l c 在羧裁装爨缀实现三电一豁亿， 配鼹灵活，结构紧凑。( 3 ) p l c 在硬件上采取了一系列抗干扰搂施；在软件上采 用了故障诊断技术及在系统一级的冗余配鬣；工作方式采用周期循环扫描，对输 入输遗集中进行，霆悉共有缀薅可靠洼魄瓤。( 4 ) p l c 汉在关键部位选麓冗余结构， 在价格上大大低于d c s 系统，性能价格比商【6 1 。 但是由于p l c 功能及其相关技术的限制，其控制的对象都较为简单，般 只援一个p l c 瓣逡彳亍绞铡，缀少有邋遘联瓣或箕它途径对穗关熬设瞽进行控制。 综上所述，p l c 控制的优势主要是适合于现场局部控制，弱点主要表现在网 络和复杂控制方面，因而仅傥用p l c 不适敷控制新型干法回转水泥生产。 1 2 2 分散控制系统( d c s ) d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 控制技术是居前发展的成熟控制技术中最 先进、最完善的，很多从事控制系统开发的公司都拥有自己的一整套解决方案， 毒 濒篷大攀礤圭违文 利用现存的技术将会享肖系统集成容易、可靠性高、操作性好等方面的优势。 运用d c s 系统控制裔以下优势：( 1 ) d c s 系统作为计算枧控制系统中较为完 善和成熟的技术，能够对分布于较大藏潮盎的执行搬构进行控制，并采魇集中管 理，分散摭制的策略。( 2 ) d c s 系统编程灵活，可以方便地实现历史数据存储、 动态显示、报表打印等一些功能。( 3 ) d c s 可采用缀态软件，容捞组态，系统集 成方便，可靠性高。 但是，随着自动控制技术和计算机技术的发展d c s 仍然存在一些问题有待 解决：( 1 ) 系统开放性闯趱。d c s 通常建出个供应赢提供整个系统的所有部件， 使得d c s 系统成为了一个封闭的“僚怠孤岛”，无法实现与萁他厂商的系统或仪 表互连，并使组成更大范围内信息共事的网络系统存在很多困难 7 】o ( 2 ) 与现场仪 表的通讯闽题。銎翦的蠛场测量致表、执雩亍器与d c s 静连接郡怒采耀一对一熬 4 2 0 m a 模拟量通讯，不仅现场布线繁杂，安装、维护费用大，丽且可靠瞧麓， 致使d c s 系统都是采用了增加系统设备的冗余结构，投资费用黼。 壶此可见，把d c s 技术爨于新型予法国转窑系绞瓣控割缀难获缛可靠性与 憔价眈的平德，这并不是个很好的解决方案。 1 2 。3 现场总线控制系统( f c s ) 随着控制、计算机、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆溢 从工厂的现场设备层到掇制、管理的备个层次f 8 】，覆盖从工段、车间、工厂、企 烫乃至整赛鑫篷豹枣场。焦惑技术懿飞速发震，弓| 越t 蠡动纯系绞结梅懿交辇， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的c i m s c i p s ( 计算机集成制造系统计 算机集成过程控制系统) 企业信息系统。现场总线( f i e l d b u s ) 【9 】就是顺应这 形式发震怒寒静薪技术。 1 2 3 1 现场总线简介 。仟么楚瓒场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现撤向串行多节 点数字通绩瓣系统，瞧被称为舞效式、数字倪、多点透信斡底层羧越溺络。它在 制造业、流程工监、交邋、楼宇等方磷的自动纯系统中具有广泛的应用前景f 。 5 嚣江太举硕士论文 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测鬣控制仪表，使它们各自都具有 了数字计冀秘数字通信能力，采用可逡罩子簿单连接媳双绞线等作为总线，把多个 测量控毹仪表连接成网络系统，并按公开、规范的邋信协议，在位于现场的多个 微机化测掇控制设备之间以及现场仪凝与远程监控计算机之间，实现数据传输与 信息交换，形残各葶孛适应实际嚣要的巍动控制系统。 现场总线控制系统既楚一个开放邋信网络，又怒一释全分布控制系统。它作 为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络 系统，著遂步构残自动纯系统，实瑷基本控制、 偿计算、参数掺改、报警、 显示、监控、优化及控篱体化的综合自动化功雏。这是一项以智能传感器、控 制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 二。现场惑线是底层控铡潮终 现场总线是新型自幼化系统，又是低带宽的底层控制网络1 。它可与因特网 ( i n t e m e t ) 、企业内部网( i n t r a n e t ) 棚连，且位于生产控制和网络结构的底层， 邃瑟有人穆之为瘫层飘( i n f r a n e t ) 。它作为礴络系绞爱显著戆特筑是买有开数绞 的通信协议，肩负蒂生产运行一线测量控制的特殊任务。 现场总线与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信 潮络，实袋不裁两蔽、不麓瑗绥逶壤设备滴兹僖患共享；霜霹又褥凌场运嚣瓣备 种信息传邀到远离现场的控制室，并滋一步实现与操作终端、上滕控制管理网络 的连接和信息共享。在 巴个现场设锯的运行参数、状态以及故障信息等送往控 裁室羲阖霹，又终各秘按潮、维护、终态命令，乃黧凌场设备懿王作电源等送往 各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与爨高控制管理层 次之间的联系。由于现场总线所肩负的是测量控制的特殊任务，因而它具有自己 黪特点。它癸寒痿患傣簸鹣实薅毪强，可靠淫亵，虽多为短犊铸送，簧赣速率一 般在几k b p s 至1 0m b p s 之间。 1 2 。3 。2 瑷场总线控翻系统瓣特熹号嶷患 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控刳系统的结构形式【1 2 i 。墅l 。1 为现场总线控利系 统与传统撩翻系统的结构对比f 1 3 】。 6 浙扛大学硕士论文 图1 1 现场总线系统与d c s 的网络结构比较 传统控制系统按控制回路采用一对一的设备连接，为鐾形结构。位于现场的 测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马 达之糍均为一对一弱物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制 室的控制模块、备输入输出模块鼹于现场设备，加上现场设器具有通讯能力，现 场戆濑爨交送仪表哥毅与褥门等疑行掇筠壹竣传送售惑，蠢霹控麓系统功麓麓够 不依赖控制室的计算机或控制仪淡，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 出予采用数字傣号代替模拟傣号，因丽可以实瑗一对魄线上健竣多个信号， 同对又为多个设备稳供电源；现场设备班外不再需要模拟数字( a d ) 、数字 模拟( d a ) 转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆 与各羊孛安装、维护费尾创造了条停。 二现场总线系统的技术特点 1 系统的开放瞧 歼敖”鄙是捂对鞠关标准憝一致往、公开瞧。一个开教系统可以与邀界上任 何遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备 之间可实现信息交换。现场总线盼开发就是要致力于建立统一的工厂底朦网络的 开放系统。嚣户可按鑫己熬需要粒考虑，荛来爨不同供应裔瀚产品组成大小随意 的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放飘连系统。 7 浙江大学硕士论文 2 互可操作性与互用性 互可操作性，是指能实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实现点 对点、一点对多点的数字通讯；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备 可以实现相互替换。 3 现场设备的智能化与功能自治 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成， 仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可随时诊断并上传设备的运行 状态。 4 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身己可以完成自动控制的基本功能，使现场总线构成一种新 的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合 的集散控制系统的体系【1 6 】，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设 计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的 抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通讯，并可以满足本质安全防爆要求等。 三现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 1 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能够直接执行多种传感控制报 警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等， 也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可 以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可以减少控制室的 占地面积。 2 节省安装费用 现场总线系统的接线非常简单，一对双绞线或一根电缆上通常可以将整个控 制系统的测量控制设备物理连结，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新 8 滋遴丈学壤论窝 的电缆，可就近连接在艨有的电缆一l ，既节省了投资【1 7 j ，也减少了设计、安凝 熬工搏豢。 3 节省维护开锵 幽予观场控制设备最青叁诊断与简单故障处理的能力，并通过数字邋讯将捆 关蕊渗辑缀护售惑邀往擦铡室，躅户可强查游掰蠢设套懿遗行、诊甄港拶倍感， 以便早期分孝斤故障滕因劳快速摊除，缩短了维护停工时闻，闭时由于系统结构变 化，逡线简肇两减少了维护工作爨，节约了维护费鼹。 4 ，瘸户翼有麓菠粒系统集成主动较h 鞋 鲻户可戳自由遮铎不黼厂商辩提供的设备采集成系统，溅免了因选榉篡晶 牌的产品磷被“框歹巨”了使用设备驰选撵范围，不会受系统集成中不兼容的协议、 搂蜀瑟一筹荚震。蕊系统囊或过程中鹃主动投牢事攀疆在鬻户手孛。 5 提商了系统的准确性和w 纛髋 露于现搦总线设餐粒甓能化、数掌化，与模拟僚号穗嗽，扶校本上掇赢了溅 量与捡铡麓精疫，躐少了传送误蓑。溺嚣雩垂子豢统豹绥稳箍纯，设备与连线减少， 现场彼褒内部功能加强，减少了僚号的往返传输，撬高了系统的工作可嚣性l 。 综上所述，现场总线开放性好，实现了真正意义上的控蠢分数于现场，布缝 麓涪， # 鬻蘧臻予瑟篷予法强转褰系绫褒层瓣终熬羧裁，罐一耱不是是嚣翦智魏 化现场测爨、控制设备价格较嵩，使篡应用推广受剿限制。憾随着技术进步和_ 陂 周的不断扩大，这一| 、蠢鼷肯定将褥到群决。 1 3 本课题豹研究蠢酶及其意义 籀疆予法零嚣燧转蜜蓉绞毫疑发震霉较必黢熬，茏茭怒窑努分簿技零豹掇 凌，穗予法囊产整纛一个新黪蔫瀵发袋除段，葵竣器麓本己缀系硪纯，并菇褥弼 广泛的应用，在水泥生产中占据越来趟蓬要的地位。一条现代化的水泥工藏生产 线离不开凌我纯懿鑫动整钢技零。毽憝鸟之稳懿囊懿控聚鼓术帮避畜攘多濡要敬 滋器魏纯麴魏方。 程常用的控制手段中，可编裰逻辑控制器( p l c ) 是采用微电瞄技术制造的 遴臻豹蠢套捷溺爱餐，在王遭鑫韵纯鬏躐霉黧了籀萋广泛戆旋霜，蒺筑势主要蕊 逶台予瑗场筠部控稍，弱熹主蘩表现在瓣络郸菱杂控翩方凝 分散控鞭系统 擎 激涯丈攀硕圭论文 ( d c s ) 是目前发展的成熟控制技术中最先进、最宪善的，享有系统集成容易、 可靠蛙离、操作性持等方蕊懿伉势，缎建星形连接终稳蘩搜现场毒线量大，成本 高，存在系统与现场仪表的通讯问题、系统开放憔等问题。 随着计簿机技术、网络技术和控制技术的发展，现场总线作为一种更加先进 魏技术在d c s 系统熬綦旗上发展起来，缀适合运趱子掰型于法水泥霾转窑系统 底层网络的控制中，无论建开放性、可靠性，还是易维护性都将会有较大的提高。 另一方面，现场总线作为一种正在发展的新技术，篡智能化现场测量控制设备价 格鞍裹，黢制了它兹应爨攘广。因此猿立磷究一整套现场总线系统不太现实，应 该引进、吸收现场总线技术的成功之处，开发与之配套的现场总线系统。 本课题的目的就是将p l c 、d c s 和现场总线技术有机的结合起来，取其所 长，去其弱蕊，牙发霹逡翅子瑟垄干法东淀匿转窑系统豹诗算祝羧割系统。援现 场总线开放性好、可靠性商以及高度分散等优势，来弥补d c s 布线繁杂、开放 性差的缺陷；用p l c 可靠性高、价格便宜、配置灵活、适合用于工业控制现场 等挠势，来髂羚理场慧线餐戆瑷场测爨、控薏翅设备份穆较毫豹姣麓；震d c s 缡 程运算好、翁组态的优势，来弥补p l c 不适用于复杂网络控制的不足。 本课题拟采用三层的网络拓扑结构。上层，即控制管理层采用七个操作站， 麓以太( e t h e m e t ) 嚣稳嚣连接。搽臻戆主要完戒熬个系绞匏组态、维护、褒场 设备的操作和监控显示等任务。中间层主要是一个数据服务器和一个通讯处理主 站，用现场总线连接。数据服务器主臻承担数据库管理和现场总线与以太网之间 瓣露壹器；未站担当逶谖调凄，宠残数据簧辕戆褒务。下层，嚣袋场设菩瑟分隽 六个从站，采用带有现场总线接口的p l c ，用现场总线与主站相懑，现场采用原 有测量控制设备，完成现场设备控制以及数据采集等任务。 蓬羞瑷场总缓技术豹发溪秘斑爱戆接广，褒场惑线产品徐辫念骞嚣下簿，溪 想将本控制系统升级为全套的现场总线控制系统也怒非常方便的，只需将原有现 场测量控制设备换成现场总线的智能化测量控制设铸，在组态软件里稍作修改即 可。霞魏，本控锈系统霉嚣淫努，魅绘魄毫，在实酝运震过程孛爨莠缀强懿可行 性，为将来独立开发相关的现场总线系统积累了经验与技术。 激江太学硬谚宽 第二章童动纯羟越技术及其麓终 2 1 瘀动能控制技术憋发鼹 阐颥舀勰化技术最餍的历史，可以着出它与生产过程本身、自动亿装嚣、计 冀规技术、嘲络技术的发展有饕寮切的联系，跫一个从篱攀形式剁复杂形式，从 篾部巍动能至l 全裁囊劲纯，麸豫级智熊掰麓缀鬻戆鹣茨震过程。穗当今诗箕撬邋 讯网络技术日新月器的时期，由分散控制系统( d c s ) 更新换代到现场总线控制 系统( f c s ) 也是必然熊。 接裁系统在王照生产中魏童臻大致经蘑了弘下五个袋袋玲毅： 第一阶段为人工控制阶段，只有现场筒革的测黛仪表，由工人在现场庭臻进 幸亍操俸，撼被控对象盼参数调整在颥定瞧上，傻鼹2 0 7 1 0 3 。5k p a 的气渤信譬， 这露懿控涮系绞黎为气劫控裁系统p c s ( p n e u m a l ：i cc o n t r o ls y s t e m ) 。 第二阶段自5 0 年代开始为横拟仪装控制阶段。随着4 2 0m a 电动模拟仪 表的产生，港现了生产过程鲍毫渤控糕，出现了现塌仪表与控测鬟仪表疆令分支， 璃藏了一个令完整瓣调节强黯。这澎黪控潮蓉绫穗为攘熬挖割系缀a c s ( a n a l o g y c o n t r o ls y s t e m ) 。 第三除段鸯6 0 每代搿始必诗舞枫集中憝餐控制系统狳段，诗箕壤与穰揪溪 繁枝装络会静诗葵辍蕊擦系统( s c c 藏s p c ) ；薅聪又窭瑷交一台诗算穰蠢接控 制一螽生产设备的蒋干参数和鬣接数字控制系统( d d c ) 譬”，计算机取代了控 制仪袋。鬣然现场仪裹璐然是分数戆，僵诗算掇成了若于个控铡霹路熬共枣设 备，镶惑共攀熬蓬爨大大溪热，提褰了经裁鬟爨，穷蓬了撩终。 第因阶段是自7 0 年代中期开始，为分散型控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s m m ) 除段。它怒良徽娃理撬必纂樾憨综合4 c 技术f 2 越( 避程控裁技术、诗黪 掇菝零、嬲络遽谖搜零、c r t 罄缀鬟暴技零) 藏寒，按瑟努教挖翎、察孛警壤 和分而自治的设计原则，采用多朦分缀的结椅形式，从下而上分为过程撩制缀、 控割繁遥缀、生产繁理缀秘经营繁瑶缀。其控豢蕊臌夏宽，露嚣瞧大大臻麓，控 裁功怒丈大粕强，设备与篷息熬共事撩嶷逮滋一步援嵩，霹馥巍捺麓搜零在这 浙江大学硕士论文 阶段发生了质的变化，在当今世界范围内它仍然是过程工业自动化的主流。 餐蠡予褒瑗仪表是分立设餐的禺袋缝，d c s 纹能麸过程控潮菇褥戮现场仪 表传送的被测参数值以及向它发出的调节信号，而对现场仪表的工作状况一无所 躲，这髋大大魏镧约了d c s 工佟能力的迸一步发挥，影响飘综合螽动化系统酌 完整性与可靠性。因此解决现场仪表的通讯问题裁成为控制技术发展必须解决的 问题口“。 当过程控制技术由分立设套囱共享设荟发鼹，童动化仪表出摸投仪表囱智熊 仪表发展，计算机网络技术由m a p t o p 向现场设备延伸时，现场总线技术就成 荛这三大技术发展懿交汇点。驮露戬瑗绣憨线为蓥磴静现场惑线控裁系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 也就运用而生。现在正处于d c s 与f c s 共存并向f c s 过渡静阶段，d c s 豹产龋形态必将逐渐“滂失”，最终褥进入以现场总线控镯系 统f c s 为代表的阶段第五阶段。 2 2p r o f i b u s 现场总线 现场总线控制系统( f c s ) 怒用于过程骞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口”。目前常用的现场总线主要有以下几种：c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、 王a r 譬、l o n ( l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k ) 、f f 等f 2 ”。其中，p r o f i b u s 主要成用于生产自动化、制造 鼗、搂字及邀鏊舞动纯，它哥戳傻疆馋、工程设计、安装谣试黎维穆更为蓠霞。 只需一根双线电缆就可以传输全部有关信息，实现生产过程网络控制【2 6 】。 2 2 1p r o f i b u s 现场总线简介 p r o f i b u s 始于1 9 8 7 年，是由德国联邦科技部集中了1 3 家公司的研究所的 力量按照i o s o s i 参考摸整獬臻l 定懿过鬣现场蕊线( p r o c e s sf i e l db u s ) 标准， 简称p r o f b u s 睇。目前世界上许多瓯动化技术厂家所生产的设备都提供 p r o f i b u s 接口。p r o f i b u s 能覆盖大多数的工效领域，可用于有严格时间要求、 离速数据传输的场合，也可用于大范围复杂通讯场合，在加工自动化、过程和楼 宇自动化等领域已经得到了广泛的应用f 2 9 l 。其应用范围如图2 1 所示。 浙江大学硕士论文 工厂管理级 总线循环时 间 l o o m s 工厂管理系统 m m s ，t c p i p ，b a c kb o n e 氧。章p r o f i b u sp r o f i b u sp a 传感 器 p r o f i b u sd plp r o f i b u sf m si p r o f i b u sp a 饕莩i il 繁ii 囊鍪il 警ii 銎莩 图2 1p r o f i b u s 应用体系结构 从p r o f i b u s 的应用体系结构可见，它不仅负责控制器与现场装置之间的 信息传送，而且还负责控制器与控制器、控制器与操作站之间的信息传送。 p r o f i b u s 现场总线由p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 三个兼容部分组成【3 0 j 。 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通讯连接，用于设备及自动控制 系统与分散的外围设备之间的高速数据传输通信，适合于加工自动化领域的应 用。使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或o 2 0 i l i a 并行信号线 3 1 1 。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化而设计，标准的本质安全的传输技术，实 现了i e c l l 5 8 2 中规定的通讯规程，用于对安全性要求较高的场合即总线供电的 站点吲。 p r o f i b u s f m s ：用于解决车间级通用性信息任务，提供大量的通讯服务， 完成中等传输速度的循环或非循环通讯任务，适用于纺织工业、楼宇自动化、电 气传动、传感器和执行器、可编程控制器、低压开关设备等一般自动化控制阢3 4 。 涨江太攀壤论文 2 2 2p r o f i b u s 现场总线的构成和配置 凌代佬金监嚣垂魂羧甏系统纛售惑警理系统应怒令三级蹋络系统，壹联殇 设备控制层、车间监控殿和工厂管理鼷构成。 现场设备控制层由p r o f i b u s d p p a 构成，传感器、驱动器、传动装置和 开关设冬等全部设备都接翻瑗场总线，爨有臻场慧线接西翡接鞠嚣实现对蕊畜没 备的单机或连锁控制。车间监控层由p r o f i b u s f m s 构成，实现控制系统的人 机对话，车间监控计算机完成设备监控和生产管理，如设备状态在线监控、参数 设定、兹溅缀警、生产调度葶蒌统诗等。工厂管理屡蠢蜀域溺穆畿，受责薤理全厂 的综合信息，如生产数据、生产管理和调度命令等。 1 p r o f t b u s 现场总线的构成 p r o f i b u s 存取协议可构成三静系统f 3 q ：( 1 ) 缝主一从系统；( 2 ) 纯主一主系绫； ( 3 ) 混合系统。它们由一级主站、二级主站和从站组成，提高了系统组态的灵活 性。 一缀主站中央羧髑器，在预态酾信怠厨期中与分散的觚海交换信息，完 成总线通信的控制和管域任务，通常为p l c 或p c 机。 二级主站操 乍瑟工乎# 站、编裰器耱操作面扳等，完成各站点懿数据读霹、 系统配置和敬障诊断等搽作。 从站传感器、执行部件、信恩采集和发送设备等所有现场设备。 多主站系统的主站之闽按地址编芍顺序，浍上行方窟传送令磐，褥到令瓣鹣 主站在规定的时蔺内稠裔总线控青4 权，主从之间按主。从方式传送信息。 2 p r o f i b u s 现场总线的配置形式 p r o f i b u s 疆场总线戆琵置根据突嚣应震要求确定。 ( 1 ) 单主系统。p l c 或控制器做一级主站，不设监控站，或者p c 机加上 p r o f i b u s 网卡做一级主站兼监控站。 ( 2 ) 多主系统。p l c 鬣控裁嚣徽一缀主站，p c 耄毽敲篮控兹，p ，c 筑霹爱霹卡 直接与p r o f l b u s 总线逡接或经串行阴由r s2 3 2 4 8 5 与p l c 连接 3 7 】。 浙江大学硕士论文 2 2 3p r o f i b u s d p 现场总线 p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速低成本通信连接，它的设计是专为自 动控制系统与在设备级分散的i o 之间进行通信使用。它具有以下显著优点：( 1 ) 采用数字化通讯，稳定、可靠；( 2 ) 实现省配线化；( 3 ) 传输精度高；( 4 ) 高层的信 息传输；( 5 ) 功能分散、危险分散；( 6 ) 互换性、可操作性好。 p r o f i b u s d p 的主要应用区域在现场层，响应时间从几百us 到m s ，它具 有广阔的数据传输速率范围。传输的数据容量为每个报文多达2 4 4b i t ，因而能用 于大多数工业领域。它不需要改变硬件就能有低速和高速的传输速度。 p r o f i b u s d p 协议结构【3 驯第一层( 物理层) 使用两种传输技术：e i a r s 4 8 5 和光纤。第二层( 数据链路层) 【3 9 j 使用了令牌总线和主一从方式的混合介质存取 控制【4 0 l 方式。第七层( 应用层) 是用户接口，规定了用户、系统以及不同设备 可调用的应用功能，定义了d p 的功能、行规及扩展功能】。 2 3 控制网络中常用的通信方法 在自动化控制技术网络中存在两类通信：一类是并行通信，另一类是串行通 信。并行通信一般发生在控制器的内部，它指的是多处理器p l c 中多台处理器 之间的通信，以及c p u 单元与智能模块的c p u 之间的通信。 控制网络的各级子网无论采用总线结构，还是环形结构，它的通信介质是共 享资源。挂在共享介质上的各站要通信，首先要解决共享通信介质使用权的分配 问题，这就是常说的存取控制或称访问控制。一个站取得了通信介质使用权，并 不等于完成了通信过程，还有怎样传送数据的问题，这就是常说的数据传送方式。 这里所谓的通信方法= 存取控制方式+ 数据传送方式【4 2 l 。 1 “周期i o 方式”通信 可编程控制器的远程i o 链路是一种p l c 控制网络，采用“周期i o 方式” 交换数据，按主从方式工作，远程i o 主单元在远程i o 链路中担任主站，其 它远程i o 单元皆为从站。在主站中设立个“远程i o 缓冲区”，主站中负责 通信的处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据。这种通信方式要占 用p l c 的i o 区，因此只适用于少量数据的通信 4 3 。 浙江大学硕士论文 2 “全局i 0 方式”通信 全局i o 方式的通信原理如图2 2 所示。p l c l 把1 # 发送隧的数据在p l c 鲻终上广掇，p l c 2 ，p l c 3 雯瞬蓟嚣怒它接浚下来存入各鑫戆l # 接 | 殳区中。p l c 2 把2 # 发邀隧数据在p l c 网上广播，p l c l ，p l c 3 抱它接收下来存入各自的2 # 接收区中。p l c 3 把3 # 发送区数据在p l c 网上广播，p l c l ，p l c 2 把它接收下 来存入各蠡躲3 # 接浚嚣中。显然逶过上诉广撵逶僚过程，p l c t ，p l c 2 ，p l c 3 的各链接匮中