（控制理论与控制工程专业论文）工业控制系统综合训练平台的设计与研究.pdf

硕士论文 了 为 姑 山 璐 1 5 址。此 d eslg 山 n g &n 洛 灯 c h ons 押th 韶 15 吮 血 山 g pl a tfon 刀 ofin d u striaicon t r o ! sy s tem asback gr o u n d . thispl a i fo n nai ins tofi nthe n e e d s ofour co untrysm 浏e n 五 劝 d oninady 朋 e d a u to 兹 ia ti on如e n 仪l b c o bj ect of而s p 】 a ifo训 istom ake thecou e g e stud e n t l l laj o 在 月 in胡 1 0 立 口 t l onand s o m e co n l ationcan get th e tr ai 正 n g w hi chlikean 级 i con tr 。 】 s y s te m . 八 习 dw ri 谕 田 吐es面5 比 ai ni n gtobe rr l0 r es 加 口 ds 川， 立 幻 r e likeen邵n e 已 n 刀 9. w ri 吐丘 岛 u y did a to tald es l gnfor 此 的 血访 g p l a 苗 笼 mofi n d u striaic o n ti 劝 l sy s t er 几w ri terh a d c h o s enthe m oda 刀 c ontrol d e v i c es切 h l chw el w i l d l y usedinin d u s tri a l s pots 协田 业e up this c o n tr o l s y s t e m . at the ， ” n e ti m e ， by u s m gth e c o n c e p ti on ofc o m p u terernu fati姐， wnter c n 汾 沈 dth econ 仃 o l object an dcon 立 u erw hi 比 w 改 eelnu l a l ed by即 丘 w 别 吧 th盯h el p e de x l e n d th e fij 刀 c ti on o f 面s p 招 叮 man d m a d e th e p r oc es s ofd esignin g con v 呱印 t l y ， w 行 teraiso d es l gneda n . 叮 a g e sy s 沈 mfor 面s s y n th es is忱 缸 ni n gpl a d 沁 n 力 tol lr 甲 ro vethe e ffid ency ofth e d e v i ces. b as edonthe p r o o 改 粥 ofdesi g 山 n g a 众 汾 i c onti d l s y s t e ln ， u sing p r oc es s in g 别 边 ti onasae x a m p lew hi chisina m edu lep r( k 已 粥 i n g s ys te m ， 认 了 1 政s l arted叭ththe anai ys isofc o n 扛 。 1。 bj ec t ， 翻 dd es i gnedthe so ftware v i 血 田c o n 。 1 o bj e c landw ri ter a c c o m p l i s h ed 面5s ys t 曰 盯 u s in g the engine e n n g th o u g h l inth i s th es i s w 行 tergi v e a d e b u g gi n g lt 比 t h odinth eto tal】 y son w ar e v 止 tu alenv l r d 钊 口 e n tk e y 钾 ords: 加 d u s 。 口 alc ontr o l syst e m ， m a n age s ys t 曰 n ， 5 砚rr， so f tware si mulation，。 分 山 jl l g p l a d b n n 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的研究成果， 尽我 所知， 在本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或公布过的 研究成果， 也 不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文中作了明 确的说明。签 名 准 .一。 价 阵 加 旧学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅或上网 公布本学位论文的部分或 全部内容， 可以向 有关部门 或机构送交并授权其保 存、 借阅或上网 公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密论文，按保密的 有关规定和程序处理。研 究 生 签 名 伙 彝 上 仁一 二夕 年 ， 月 二南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的设计与研究1 绪论. 1课题的背景 在工业自 动化新技术迅猛发展的今天，如 何培养工程技术人员， 使其迅速掌握新技术、 新设 备并有效地应用于生产实际当中， 是自 动化行业面临的课 题之一。 长期以来， 我国的 高等教育( 尤其 是工 科教育) ，基本上遵 循了一 条 “ 应试教育”的 路线。 因此， 学校所培养出 来的 大学生， 大多 数与现代化工厂 企业以 及现代 化建 设工程相脱节，大学生毕业 后， 不能 很好的 履行工程师的职责， 有的 甚至要重新 进行工程师教育与培训， 这就极大 地影响了 我国 工程技术人员的培养质量， 以 及国家 对人力资源的开发利用， 一定 程度上影响了我国国民经 济的 发展. 我们从社会需求的实际出发， 根据从事自 动化行业的技 术人员 需要进行 培训 和锻炼， 由 此我们 从控制系统的 角度出 发， 设计了 这套控制系 统综合训练平台， 可以 有效地对自 动化专 业的 工科学生 进行针 对性较强的 实际动手能 力的 培训和测试。 工 业控制系统综合训练平台 选用当前国际上比 较先进且在工业现场应用较为普遍的真实系统和设备， 以 使得培训测 试者真 正掌 握工业控制这一领域内 较为 全面的 技术， 并 且能够系统地了解现场系统和控制产品。， . 21 业控制系统概述 工业控制自 动化 技术作为20世纪现代制造领域中 最重 要的 技术之一，主要解决生产效率与一致性问 题。 无论高速大批量制造企业 还是 追求灵活、 柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的应用。 自 动化系统本身 并不直接创造效益， 但它 对企业的生产过程起着明 显的提升作用: ( 1) 提高生 产过程的 安全性; ( 2 )提高生 产效率; ( 3 ) 提高产品的质量: ( 4 ) 减少生 产过程中的 原材料和能源的 消耗。 据国际 权威咨 询机构统计， 对自 动 化系统的投入和企 业效率方面 提升产出比约 为1 : 4 至1 : 6 之间。 特别在资 金密集型企业中， 自 动化系统占 设备总 投资1 0 %以 下， 起到“ 四 两拨千斤”的作用。第1 章 绪论硕士论文1 么1 工业控制系统的 分类 工业控制系统是指对工业生产过程及其机电设备、 工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具( 包括自 动测量 仪表、 控制装置) 的总称。 工业自 动化系统以 构成的 软、硬件可分类为:自 动 化设备、 仪器仪表与测量设备、自 动 化软件、 传动设备、 计算机硬件、通信网络等。 ( 1) 自 动化设备: 包括可编程序控制器 ( p l c ) 、传感器、 编码器、 人机界 面、开关、断路器、继电器等工业电 器及设备; (2)仪器仪表与测量设备: 包括压力 仪器仪表、 温度仪器仪表、 流量仪器仪 表、物位仪器仪表、阀门等设备; (3) 自 动化软件:包括计算机辅助设计与制造系统 ( c a d i c a m) 、 工业控 制软件、网 络应用软件、数据库软 件、 数据分析软件等: ( 4 ) 传动设备:包括调速器、伺服系统、运动控制、电源系统、马达等; (5)计算机硬件: 包括嵌入式计算机、 工业计算机、工业控制计算机等; ( 6 )通信网络:网络交换机、视频监视设备、 通信连接器、网桥等。i j j工业 控制系 统的 发展 工业控制系统从20世纪40年代就开始被使用， 采用只具备简单测控功能的现场基地式气动仪表， 即第一代过 程控制系统 直动式或pcs)。 气动控制一直沿用到20世纪60年代才结束它的主导地位， 而在一些特殊的场合仍然发挥着不可替代的作用，如防爆场所。 接着， 4 一z q m a模拟信号标准使得模拟控制延续了25年， 即第二代过程控制系统 ( 模拟式或a c s)，但是， 并非所有的 传感器和执行器都使用相同的 信号， 大量仪器仪表 使 用其 它 类型的 信号， 这限 制了 控制系统的 规 模和 性能 ， 增加了 系 统 集 成的 难度。 7 0年代，数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中式控制，即第三代过程控制系统 ( c c s ) 。 它采用单片机、 p l c或微机作为控制器，控制器内 部传输的是数字信号， 因 此克服了 模拟仪表控制系统中 模拟信号精度低的缺陷， 提高了 系统的 抗干扰能力， 易于根据全局情况 进行控制计算和判断， 在控制方式、控制时机的 选择上可以 统一调 度和安排。 但集中 式计算机控制系统可靠性低， 集中 控制把危险也集中了，一旦计算机发生故障， 将导致生产全面瘫痪。 1 叨5 年， 美国h o n e y w ell公司 首先发明了以 微处理 器为 基 础的吸 又2 侧 沁集散型控制系统，即第四代过程控制系统 ( d c s ) 。其核心思想是集中管理、分散控制，这种分布式的控制系统体系结构有力 地克服了集中 式数字控制系统中 对控制器处理能力和可靠性要求高的 缺陷， 因 此， 优5 在冶金、 电力、 石油、 化工、 轻工等工业过程2南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的设计与研究控制应用中 得到迅猛发展。 但是不同的戊5 厂家为了达到垄断经营的目 的 而对其控制通信网络采用各自 专用的封闭形式，不同厂家的 戊5系统之间以 及 现5与上层工 ntr anet、inter n et 信息网 络之间 难以实现网 络互联和信息共享，因此集散控制系统从这个角度而言实质上是一种封闭 专用的、不具有可互操作性的 分布式控制系统。 80 年代后期以来，随着控制、计算机、通信、网络等技术的飞速发展，自 动化工业控制系统结构发生了深刻的变革， 逐步形成以网络集成自 动化为基础的企业信息系统。 这是一种新型的、 开放的、 数字化的、 容易 进行数据交换的 工业控制系统， 即现场总线控制系统 ( f cs) 。 按i ec和现场总线基金会的定义， 现场总线是连接智能现场设备和自 动化系统的数字式、 双向传输、 多分支结构的通信网络。 现场总线不仅是当今3 c 技术 ( c o o p u t e r 、c o n t r o l 、c o 二uni c ati o n ) 发展的结合点，也是过程控制技术、自 动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点， 是信息技术、 网络技术的发展在控制领域的集中 体现， 是信息技术、网 络技术延伸到现场的 必然结果17. 现场总线技术作为一种网 络通信技术经过几十年的发展， 国际上出现了几个具有代表性的 现场总线标准川 t2 : ( 1 ) 基金会现场总线 ( f o u n dat i o nf i e l dbu s ) 在现场总线标准的研究制订过程中， 出现过多种企业集团 或组织， 通过不断的竞争， 到1994年在国际上基本上形成了两大阵营， 一个以f ishe卜ros 阅ount公司为首，联合f o x b o r o 、 横河、 abb 、 西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议: 另一个以h o n e y w e l l公司为首， 联合欧洲1 50家公司制订的价rid f i p 协议。这两大集团于 1 9 94年合并，成立现场总线基金会( f i e l dbusfound ation ， ff) ， 致力于开发国际上统一的现场总线协议。 (2) pro fib u s 现场总线 p r o r i b u s 是p rocesspield b us的 缩写， 是一种国际性的开放式现场总线标准， 目前世界上许多自 动化生 产厂家都为它们生产的设备提供p r o f i b us接口。它是作为 德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的，目前占据了现场总线市场的相当份额。 ( 3 ) l o n w o r k 现场总线( l o c a lo p e r a t i n gn e t ， o r k :局部操作网) 它是由 美国e chelon公司于1 9 90年正式推出的。 它采用工 5 0/05工 模型的全部七层协议， 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 . s m b ps， 传输距离为2 . 7 恤， 传输介质可以 是双绞线、 光缆、 射频、红外线和电力线等. ( 4 ) c an总线( c o n t r o 1are an e t 和r k :控制局域网) 最早由 德国bos ch公司推出， 用于汽车内 部测量与执行部件之间的数据通信。 c an结构模型取工 5 0 / 0 51模型的第一、二、七层协议，即物理层、数据链路层和应用层。 3第1 幸 绪论硕士论文 ( 5 ) 拟r t总线 ( h i s h ， a y a d d res s abl erem o t e t r ans duc e r :可寻址远程传感器数据公路) 它是由 美国rosemount 公司最早推出的一种兼容4 2 伽a 模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。其数字通信由 于采用调制/ 解调方式， 属于模拟系统向 数字系统转变过程中的过渡产品。 ( 6 )p r o f i n e t p r o f 工 net 源自p rof i b us现场总 线国际组织 ( p l ) 的开放的自 动化总线标准， 是新一代基于以太网技术的工业通信解决方案。 它实现了从现场控制层到管理层的无缝集成，并提供一个开放的基础构架. 现场总 线不单单是一种通信技术， 它有效地实现了 智能 仪表、 通信网 络和控制系统的集成，其本质原理和技术特征集中表现在: ( 1)现场通信网 络， 实现过程控制、 加工制造现场仪表或设各的 现场数字化通信。 (2) 现场设备互连，仅仅用一对传输线 ( 如 双绞线、同 轴电 缆、 光纤或电 源线等)将传感器、变送器和执行器等现场仪表和设备互连起来。 ( 3 ) 互操作性， 在遵守同一 通信协议的前提下， 现场总线允许选用各制造商性能价格比 最高的 产品集成在一 起， 实现对来自 不同 厂商的 设备的 互相连接、 统一组态。 (4) 功能分散， 将控制功能分散到工业控制现场，因此现场仪表多为 智能型多功能仪表。 (5) 通信线供电， 对于本质安全要求的低功耗现场仪表， 允许直接从通信线上摄取能源。 ( 6) 开放式互连，现场总线作为开放式互联网络，既可与同层网络互连，也可以 通过网 络互联设备与不同层次的控制级网络和信息级网络互 联， 共享资源， 统一调度。 因此， 现场总线控制系统既是一个开放的通信网 络，又是一种全分布控制系统，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， 并进一步 构成自 动化系统。 它在制造业、 流程工业、 交通、 楼宇等方面的自 动化系统中具有广泛的应用前景。 随着f cs的不断推广， 近几年出现了一种新型的自 动化系统控制策略， 即由工业计算机( 工业p c)、 1 /0装置、 监控装置、 控制网络等组成的基于pc的控制系统( p cbcs) ，它正迅速进入工业控制领域， 成为实现低成本工业自 动化的 重要途径。 pcbcs 控制系统的优点可概括为: 对各种控制及业务应用、 信息的 存取均很简单; 软件向 新的硬件平台的可移植性优良; 控制、 人机界面及编程功能易于集成; 易于将过程控制、 逻辑控制、 批量控制以 及运动控制等合为一体; 不依赖于各种专有的控制系统。目 前， 采4南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的设计与研究用pc一 basedcontrol 控制思想的产品比 较多，如:sie 施n s叭叭c基本型 ( b asis)/ 实时型 ( rtx ) / 插槽型 ( s l o t ) ， w i ncat， v i s u a 1 l o g i c c o n t r o l l e r ， s o f t l o g i x ，p act o r y s u i t e 八n c o n t r o l ， p a ra d 翔一 3 1 等。1 2 ) 工 业控 制 系 统 发 展 趋势 目 前， 工业控制系统正向智能化、网络化和集成化方向发展， 形成了功能强大的工业控制网络， 实现了设备的大规模互联，此外性能优越的基于网络的交互式控制、视觉控制、 声音输入等技术也被引入了控制网 络， 使人们可以随时随地以多种途径参与自动化系统控制和管理.因此，21 世纪工业控制系统将是一个网络化的、全集成自 动化 ( t o t a l l y l n t e gtate d a u t 伽a t i o n ， t i a ) 的 全方位的一体化系统， 必将在全球范围内 带来新的 变革3 。1 。 3设计工业控制系统综合训练平台的目 的 和意义 进入20世纪80年代以来， 随着大规模和超大规模集成电 路等微电子技术的迅猛发展， 以16位和32位微处理器构成的微机化plc 得到了 惊人的发展， 使p lc 的概念、设计、 性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。 不仅控制功能增强， 功耗、 体积减小， 成本降低， 可靠性提高， 编程和故障检测更为灵活方便，而且远程1 /0和通信网络、 数据处理以及图像显示也有了长足的发展， 所有这些已经使p lc应用于连续生产的过程控制系统，使之成为今天自 动化技术的 三大支柱之一。 随着工控技术的飞速发展， p lc在自 动化领域发挥着越来越重要的作用，p lc教学作为高等学校一门工控基础课也日益显出其重要性。 该课题的任务就是在学生掌握可编程序控制器的基本组成和工作原理的基础上， 掌握可编程序控制器系统的设计方法， 能够按照可编程序控制器系统设计的步骤去分析、 设计一般的控制系统。 并利用该系统对学生加强的实践的培养， 同时给学生具体控制对象和元件的接触来加深可编程序控制器控制系统的了解， 以培养适合各种行业各种技术层次的技术人才， 满足社会的需要。 本课题的意义在于研制了一套以 可编程序控制器为核心的控制系统培训平台， 着重于学生的能力的培养， 并且给学生留有足够的发挥空间， 系统的设计具有很好的开发柔性和扩展性。目 前国内 外的一些厂家和大中专院校在p lc 的开发、 实验和人员培训方面做了一些工作， 例如天津职业技术学院开发的t vt90系列的实验模板， 清华大学开发的电 梯模拟实验台 等。 但目 前所用的实验装置都是模拟性质的实验台， 实验装置的可扩展性和开发的柔性不大， 限制了学生自 主能力的发挥， 难以 得到更多的实践和创新提高训练. 本文利用西门 子的57系列p lc为控制器，配 合真实的 和虚拟的 被第 1 章 绪论硕士论文控对象， 开发了 更具有工程 应用实际意义和价值的 控制系统培训 平台， 为 学生创造一个接近工程实际 应用的 环境和综 合实践 锻炼的 机会.4 本课题的主要任务 本课题主要任务是 对工业控制系统综合训 练平台 进行总体 设计， 选用当前国际上比 较先进且在工业现场普遍 使用的控制设备， 组成接近 于实际 的控制系统， 并借助计算 机仿真 的思想， 设计了软 件仿真被控对象， 扩展控 制系统综合训 练平台的 功能， 为综 合平台 训练实例的开发提 供了 软硬件平台 ; 同 时为了 提高设 备的利用率， 论文设计开发了综 合训练平台 的管理系 统。 总体说 来， 整个工 业控制系统综 合训练平台 开发与设 计 包括 以 下 几 点 任 务 :、 ( 1) 控制系统培训平台的 技术功能 分析和总体设计; ( 2 ) 控制系统训练平台的 硬件结构和软件系统结 构设计; (3) 控制系统管理软件的 设计与研究; ( 4 ) 控制系统实验评分软 件的 设计研究; (5) 控制系统上训练实 例的设 计与研究。南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的设计与研究2工业控制系统综合训练平台的总体设计2. 1 工业控制系统综合训练平台的 培训目 标 控制系统综合训练平台的 主要作用是: 为自 动化专 业学生 建立有利的 环境， 便于其进行专业知识的学习与训 练， 把 课堂上所学的 知识转 化为实际的 动手能力， 使其更加适应社会的需求。 针 对学生学习的 特点， 我们制定了不同层次的 培训目 标。 首先强调正确的工程 执行能 力， 主要包括: 根据控制系统的设 计， 能 进行简单的p l c 控制系统软件组态和硬件连 线， 正确地判断 控制系统的 信号的 输入与输出， 正确操作控制系 统使 之稳定 运行; 其次强调控制系统的设计与应用能力，主要包括:根据对被控对象的分析， 选择合适的仪表和控制执行器， 并针对常见的控制问题， 做出正确的控制方案的选择和设计， 能准确、 快 速的 对控制 系统的 进行组态， 能够快 速、 准确地进行单回路和复杂控制系统的p d 参数整定; 最后强调对控制系统的优化， 主要包括: 在之前的 基础上进一步掌握复杂控制方法和安全控制方法， 深层理 解被控对象动态特性 包括非线性特性， 能够采用实用的方法测试系统特性， 能够从理论 上给出 分析， 能 够准确 判断 控制系统的性能瓶颈， 并给出解决方案，进一步了解优化控制等先进的控制方法，并合理的应用。2. 2 工业控制系统综合训练平台的设 计原则 根据培训目 标我 们大致已 经确定了 培训平台的总 体任务， 而要实 现培训系统， 我们需要考虑实现系统的每一个小模块，因此系统设计是系统实现的关键。 在这里我们从训练的要求及客观因素给出培训系统的设计原则，并以此作为设计方向。 考虑到 现在高 校学生的 实践机会少， 许多 工科学生 得不到 实际 训练， 培养出来的学生与社会的需要有相当的差距， 为了给培养工程技术人员提供良好的环境， 我们从多年设计控 制系统的经验， 一 切从工业控制的 现场出发， 给学生“ 工 程化” ， “ 规范化” ，“ 标准化” 的 训练。 于是， 我 们在开发过程中总结了 一些必须遵循的设 计原则作为我们的设计准则和设 计方向， 综合训练平台 设计应 遵循以 下原则: ( 1)选取一个与当前工 业自 动化技术接轨的， 具有先 进的自 动化站， 工程师站，操作员站及强大网 络功能的 控制系统平台; (2) 培训平台 应该能够满 足各种层次的 培训测试需 要， 通过丰富的 实验内 容设计来锻炼学生发现问题，分 析问 题，解决问 题的能 力; (3) 为了 补充实物仿真设备的 不足， 研究被 控对象建立软件仿真模型库， 满足第2 幸 工业控制系统综合训练平台的总体设计硕士论文教学和科研的需求。2. 3 1业控制系统综合训练 平台的 总体结构 根据以上的 分析 和相应的 设计原 则， 我们提出了如 下图 所示的控制系统培训平台的结构示意图:控制平台管理系统测试评价系统监控 与编程 计算机软件控制器硬件控制器软件仿真被 控对象实物仿真被 控对象实物加软件仿真被控对象 图2. 3 . 1综合训练平台总体结构 自 动控 制技术用 于各个不同的 行业中， 所以 控制系 统的 类型也是多种多样的， 因此， 在控制 系统的 技能 培训时 尽量避开各种行业的 差异， 寻求 控制工 程的 共同 点， 是本工业控制 系统综合训练平台首 先要考虑的 问题。 但控制系统是为了实 现复 杂的 控制任务， 将被 控对象和控制装置 按照一定的方式 连接起来， 组成一 个有机整体。 所以 我们把工业控制 系统综合训 练平台 按照控制系统的组 成分成了 被控 对象 模型站、 自 动化站和工程师站 三个层次， 被 控对象部分设计了 各种各 样的仿 真被控对象， 第 二层的 控制器包括西门 子的s7 3 00p l c 和pcs7b o x ， 第三层的是组 态监 控系统， 完成数据分析、 存储， 各 种状态的 显示以 及相关 信息的打印 输出， 还有最上层管 理系统， 完 成人员的 管理和实验的调度管 理等功能。 另外贯穿 整个系统的 还有测试评价系统， 主要完成整个操作过 程的评价，并 给出 相应的 结果。 工 业控制系统综合训练 平台 可以 通过实 物、 半实 物、 虚拟来仿真 被控 对象。 实 物仿真形 象直观， 具有其他两 种方 式没有的真实感， 但 是所模拟的系统一般 尺寸比 较小，过程相 对简单， 实验介质比 较 单一， 实验内 容相 对固定， 变化很少， 难以 进行复杂 过程的 控制训练。 虚拟仿真是 三种方 式中最经 济的 方式， 同时 通过系统建 模， 能 模拟各南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的 设计与研究种类型的控制系统， 但仿真人员只能依靠自己的经验来想象整个系统的运行， 没有实物仿真“ 所见即 所得” 的真实感。 半实物仿真吸取了 前两种方式的 优点， 通过建立过程的数学模型， 达到能模拟各 种类型过程系统的 功能， 同时把过程系统用实体模型构建出来， 增强仿真人员的系统真实感，提供友好的 人机界面。 为了 加深学生对于被控 对象的 认识， 我们也设计了 一套实物仿真的被控对象， 使用的是fes i o的模块化加工系 统 ( m p s)， m ps 是一个模拟工业生产过程实验装置系统，可以 任意组合成多种工业生产过程，具有模块化、组合柔性化的 特点。 针 对顺序逻辑控制，我们选用了西门 子的s im开 仿真软件来实 现软件仿真被控对象，这种方式下系统的扩展只需要在接口的配置上增加和修改相应的数据就可以了， 使得开发更加快速和方便， 大大提高了系统的可扩展性， 同时使用计算机的仿真对象， 我们可以 任意模拟各种故障和意外， 使得学生能得到更全面的锻炼; 我们也己经开发了 一套基于fes to 公司m p s 加工 系统的 软 件仿 真 被控 对象。 本控制系统培训平台根据实际的情况使用了以 上的 三种仿真方式， 首先针对复杂的过程实验， 为了防止因为仿真人员的经验不足而造成学生认识上的误差， 同时为了增加实验的真实感， 我们选用了 半实物仿真的方式， 主要的 被控对象是北京化工大学的多功能过程与控制仿真实验系统mpce 一 1 0 00; 另外， 现在工业现场一般采用d c s ， p lc 等控制装置进行控制，本着 “ 高度接近工业现场”的设计理念，本平台采用真实p l c和pcs7 b o x自 动化站和工程师站来搭建基础硬件平台，大大增强了 真实感。2. 4 1业控制系统综合训练平台的硬件结构 培训平台的硬件主要由实物被控对象，p l c控制器，编程计算机组成，p l c控制器和被控对象使用输入输出信号连接，编程计算机和 p lc 之间的连接通过pro f ib us 总线和工业以 太网 连接，现场总线控制系统是大型控制系统的发展方向，现场总线既是一个开放的通信系统， 又是一个全分布控制系统。 我们选用现场总线来扩展控制的规模， 同时， 这种总线式的连接可以免去接线的麻烦， 给实验室的 布线带来方便.如图2. 4.1 所示，图中紫色线条代表的是pro f ibu s 总线，绿色线条是工业以太网总线， 黄色线条是普通的以太网总线， 工业以太网具有很好的屏蔽性能， 适合在恶劣的工业环境下使用。南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练乎台的设计与 研究 图2. 反 i s t 它 p 7 标准软件包主要工具5 花p 7 有以下功能: 硬件配置模块参数设置; 为 输 入 输出 信 号 、 位 存 储 、 块 设 定 符 号 名 和 注 释， 符 号 全 局 有 效 ; 对p l c站的各硬件模块进行在线状态诊断，显示相关的故障信息和状态信 息; 支持梯形逻辑图、语句表和功能块三种编程语言的编辑、编译和调试。 p l c si m是西门子提供的p lc 仿真软件，它能够在个人计算机上模拟5 7 一 3 00、57. 4( 刃系列c p u的运行。 它可以 像真实的硬件一样， 对模拟c p u进行程序下载、 测试和故障诊断， 具有方便和安全的 特点， 因此非常 适合前期的工程调 试。 另外， p lcs im也可供不具备硬件设备的学生学习时使用。 p l c si m与真实的p l c相比，它的灵活性更高，提供了许多p l c硬件无法实现的功能， 但是同时软件还是无法完全取代真实的硬件， 不可能实现完成的仿真， 所以学生在使用p l c si m进行模拟调试时，必须了解它与真实p l c系统的差别。 p lcsi m的下列功能在实际p lc 上无法实现: 程序暂傲继续功能: 单循环执行模式; 模拟c p u转为s t o p 状态时，不会改变输出; 通过显示对象窗口 修改变量值，会立即生效，而不会等到下一个循环; 定时器手动设置; 过程映像区和直接外设是同步动作的， 过程映像f o会立即传送到外设f o 。 另外，p l c s im 无法实现下列实际p l c具备的功能: 少数实际系统中的诊断信息， p l c si m无法仿真，例如总线故障; 当从r u n变为s p 0 p 模式时，f o不会进入安全状态; 不支持特殊功能模块;第2 幸 工业控制系统综合训练平台的总体设计硕士论文 p l c s ha只模拟单机系统， 不支持多c p u的网 络通讯模式功能。 3 . 平台的组态监控软 件对应于监控组态层， 主要是v 丙 。 c c软件监控组态软件。 组态软件w inc c 是一个集成的人机界面( hmi)系统和监 控管理系统， 它是结合西门子公司在过程自 动化领域中的先进技术和hmi m i crosoft pc软件技术的强大功能的产物。 w i n c c是视窗控制中 心( w i n d o ， s c o n t r o 1 c e n t e r ) 的 简称， 它提供t适用于工业的图形显示、 消息报警、 过程值归档以 及报表打印 等模块， 具有高性能的过程祸合、快速的画面更新、以 及可靠的 数据管理功能。 其 特性之一是 全面开放， 各系统集成商可用肛ncc 作为其系统扩展的基础， 通过开放接口 开发自己 的 应用软 件。另外， 肛ncc中的洲5 1 一语言脚本， 及其提供的与数据库之间的接口更增加了 其应用功能， 充分满足用户的 复杂要求。 可 工 n cc几乎拥有先进人机界面产品的所有功能， 其集成的 功能己包 括 27: 图 形系统: 用于自 由 地组态画面，并完 全通过图形 对象进行操作，图 形对 象具有动态属性并可对属性进行在线组态。 报警信息系统:记录和存储事件并予以显示，可自由 选择信息分类、信息 显示和报表，操作非常简便。 变量存档:接收、记录和压缩测量值， 用于曲 线和图 表显示及进一步的编 辑功能。.: 报表系统:用户自 由 选择一定的 报表格式，按时间 顺序或事件触发来对信 息操作、文档当前数据进行用户报表输出。 数据处理:对图 形对象的动作使用c 语言及c 编译器进行编辑。 标准接口:通过od鱿和s ql 访问用于组态和过程数据的s ybase 数据库。 应用程序接口 : 允许用户编写可用于扩展win c c 基本功能的标准应用程序。训练平台的软件还包括训练平台管理软件，管理软件维护正常培训工作的需a卜 4。要，管理系统的功能主要完成学生的信息管理，实验内容的设置，实验平台的管理，测试评分，以 及远程信息交互功能等。 训练平台 管理软件是为了 提高训练平台的 管理水平， 合理 使用训练平台 上的 各种资 源， 使训练平台能发挥出 它的最大效能， 提高设备的利用率。 训练平台 管理系统主要功能和设计研究过程将在第三章中 介绍。2. 6 1业控制系统功能站的 设计 从硬件结构上讲， 本控制系统培训平台共分为三个模块: 被控对象模型站、自 动化站和工程师站。 每个模块具有独立的功能， 并通过通讯实时地交换信息， 下面分别l 4南京理工大学硕士学位论文工业控制系统 综合训练平台的设计与研究2 . 7工业控制系统综合训 练平台的 工作方 式 本培训平台根据 被控对象模型 站、自 动化站、 工程师站的组合 方式的 不同， 构成了不同的工作方式。2 .7.1 1业控制系统综合 训练平台的工 作方式 一 软件控制 器+ 软件仿真 对象 + 监控软件 综合训练平台工作方式一 软 件控制器 +软 件仿 真对象 十监控软件ll!l1 叫 1- - - 叫 卜1软件控制器一ll软件仿真被控对象plcs i ml_ _ _ _1曰衬il_ _ 二p c 机平台 图2. 7. 1训练平台 工作方式一示 意图 方式一是在一台pc 上同时运行被控对 象仿 真软件，p l c仿真 软件和win c c软件， 5 现仃实现被控对象的仿真， p l c s 血 运行控制 程序， 控制系 统监控软件实现对p lc 控制系统的 监控: 5 飞p7软件完成 p l c控制程序的编写， 下载控制程序到p l c si m中， 由 此组成一个与实际相 似的p lc 仿真 控制系统; s im仃仿 真对象、 p l c si m和v 六 n c c 监控软件之间的 数据交换是通过v 石 n d o w s 操作系统的 进程间的数 据交换实现的。 工作方式一的特点是:非常适合对初次接触 p lc 控制系统的学生进行培训，简化了 控 制系统的 硬件设计， 系统设计中硬件设计部 分只要分配f o的 地址就可以， 而不需要 进行实际的 连线， 5 砚开可以 根据配置文件自 动连 接到p l c s 血。因 其为软 件仿真过程， 可以避免初学者损坏设备的情况发生。 工作方式一下仿真控制系统与实际控制系统之间的对应关系如图 2. 7 2所示:第2 章 工业控制系统综合训练平台的总体设计硕士论文 综合训练平台的工作方式四硬件控制器 十软件仿真对象 +监控软件硬件控制器 .-_一一 一 一 一 一 j p c 机 图2 7 .5训练平台 工作方式四示惫图 工作 方式四在工作方式 二的基础上进行了改 进， 保留了工 作方式二的 特点， 即 仍然使用真 实的 p 比 和经 济方便的模拟被控对 象， 方式二的被控 对象和控制器 之间的输入输出 信号交互是使 用的州 田 1 总线， 在实际的 工程是通过硬件接 线来完成的，工作方式四 为了 更好的 模拟现场的情况， 使用了 信号 采集板来完成控 制器和模 拟对象之间的 信号 传递，控制器 和v 而 n c c监控之间的交 互使用西门 子的现场 总线。 工作方式四的 特点 是: 控制器和被控对象间 的信号 传递更加的 真实， 同时 保留了模拟仿真 被控 对象的 灵活 性。 例如: 现实中输 入信号 不可避免的存 在千扰， 而 在工作方式二时， 信息是通过的总线传递的，不能完全模拟现场的情况，工作方式四可以很好的 解决 这个问 题， 另 外， 在工作方式四下， 调试过的程序就可以 在真实的 设备上运行而不做进行任何的修改。2 . 8工 业控制系统综合训练 平台的 特色 控 制系统综合培训 平台 具有以 下的 特色: ( 1) 同 时具有多种工作 方式， 可以 满足不同层次的实验 要求， 培训 平台的设置上全面 考虑了 培训的层次， 所以 在每台 学生 用的代 机 上都配有s e 吐 rr虚拟 仿真被 控对象， 虚 拟仿真的p l c si m ， w i n c c监 控软件， 可以 组成一 个完 整的控 制系 统. 同时配备了一台 真实的过程控 制对象可以 训练先进的控制 策略功能。 把学生 用pc 机和公用机通过以 太网连接起来， 并且只有公用机 才能和 真实的设备 交换 信息， 这样保证了实验设备的 安全性。 同时也 提高了 设备的 使用效率。南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的设计与研究 ( 2 )通过计算机来实现对常见被控对象的仿真，在一定程度上解决了实验器材短缺的问 题， 同时有助于学生对控制系统形成一 个整体的 概念。该功能使系统具有开放性、 友好性、 重用性及实现复杂系统仿真的 优点， 节约了p l c实验系统设备投资。 (3) 本培训平台使用了 控制系统的 各种控制网 络技术， 包括 应用于不同 场合的现场总线如工业以 太网、 p rofib u s 、 把1 . ( 4 )主要体现在系统的软硬件两方面。首先，在该系统的软件平台上允许学生添加自 己设计的软件模拟被控对象; 其次， 在硬件方面可以在实验箱的预留 位置灵活地添加各种p l c模块，构建出较复杂的p l c控制系统， 从而使学生学习掌握较高级的p l c软硬件知识。 ( 5) 控制系统综合训练平台加上了一个管理评分模块，完成对受训人员的信息管理、 实验内容设置、 测试评分和远程信息交换等。同时管理系统还有帮助系统， 供受训人员熟悉平台性能和实验操作过程。第3 章 工 业控 制系 统综合训练 平台 管理 软件的 设计与 研究3工业控制系统综合训练平台 管理软件的 设计与 研究硕士论文 在社会对教育质量越来越重视的 今天， 对实验的 要求也越来越高. 由 于高校扩招，学生人数越来越多， 实验 教学的压力随之增大， 上实验课的学生数目 也日 益增多， 随之而来的问题是实验管理的压力增大， 以往采用手工方法来登记考勤情况、 记录实验成绩的方式所面临的困 难也越来越大。 同时现在计算机成为 人们工作和学习必不可少的工具， 使用计算机进行信息管理， 不仅提高了 工作效率， 而 且大大地提高了 信息的安全性。 该管理系统利用基于面向 对象技术的 标准建模语言u k l进行建模， 解决了以 往采用传统的开发方法所导致的分析模型与设计模型不一致的问 题， 具有系统需求分析彻底、 稳定性好、 可维护性强、 支持代码重用等特点， 能 适应实验管理方面不断出现的新需求。 同时， 针对不同 人员设计的控制系统之间 差异， 给出 一个评价标准和评价方法，目 的 在于找出 差距， 尽快提高 所有人员的水平。本章研究了 软件评分的 方法。5. 1 统一 建棋语誉2 1 u ml是一种建模语言，它是软件系统开发的一个组成部分，本身没有关于开发过 程的 定 义和 表示符号。 u m l 是美国r 而 叨 习公司的b ooch 、 jacob s on、 rumbau gh创造的面向 对象开发的一种通用的、 统一的图形模型语言。 它于1997年n月被美国o m g批准为面向 对象开发的行业标准语言。 u 侧 l标准的树立统一了 对象建模差别。3 . 1 . i t 欣几建模过程 u 翻 l是标准的建模语言，而不是标准的开 发过程，因为u m l中没有过程的概念。然而，使用u ml建模仍然有着大致统一的过程框架，该框架包含了u m l建模过程中的共同要素。 u 侧 l建模是一个迭代增量式的开发过程: 先选择一些功能点，然后完成这些功能; 之后再选择别的功能点， 如此循环往复。 整 个建模过程由多次 迭代组成， 每次迭代都包含了 软 件生命周期的 所有阶段， 所得产品 应满足项目 需求的 某一子集， 或提交给用户， 或纯粹是内部提交。 同时， 每次迭代都要增加一些新的功能， 解决一些新的问 题。 不是在项目 结束时一次性提交软件， 而是分块逐次开发和提交. 每次迭代都分为以下几个阶段: ( 1) 分析阶段。建模的目 的是捕捉系统的 功能需求， 分析、提取所开发系统的“ 客观世界” 领域的类以 及描述它们的合作概貌; (2) 设计阶段.建 模的目 的是通过考虑实 现环境， 将分析阶段的模型扩展和转化为可行的技术实现方案:南京理工大学硕士学位论文工业控制系统综合训练平台的设计与研究 (3) 实 现阶 段一 具 体工作 就是进行编码， 同 时 对已 构 造的 模型 作相 应的 修正; (4) 配置阶 段。 通过模型描述所开发系统的软硬件配置情况; (5) 测试阶 段。 使用前几个阶段所构造的 模型来指导和协助测试工作。 u m l提供的九种视图 从不同 应用层次和不同角度为系统从系统分析、设计直到实现提供有力支持。 在系统开发的 不同阶段， 可以 利用这些视图建立不同的模型从不同的视角、以不同的详略程度对系统进行描述。 u m l建模是很灵活的过程，用户在遵循迭代增量开发的原则下， 完全可以根据自 己 所开发系统的 特点， 在每次迭代的 微过程( 分析、设计、 实现、 测试和配置) 中， 灵活地选用u m l 所提供的 各种图。3. l z u m l语言的主要内 容 作为一种建模语言， u m l的定义包括u m l 语义和u m l 表示法两个部分。 ( 1 ) u m l语义。描述基于u m l的精确元模型定义。元模型为u m 工的所有元素在语法和语义上提供了 简单、 一致、 通用的定义性说明， 使开发者能在语义上取得一致，消除了因人而异的 表达方法所造成的影响。 此外u ml 还支持对元模型的扩展定义。 (2)u ml表示法。定义 u ml符号的表示法，为开发者或开发土具使用这些图形符号和文本语法为系统建模提供了标准。 这些图形符号和文字所表达的是应用级的模型， 在语义上它是u m l 元模型的实例。 统一建模语言u m l 的 重要内 容可以由 下列五类图 ( 共9 种图 形 ) 来定义: ( 1) 第 一类是用例图 ( u secase di 理 ” 叨 ) . 从 用户角 度描 述系统功 能， 并指出 各功能的操作者。 (2) 第二类是静态图 (s tatic d in a m ) 。 包括 类图、 对象图 和包图。 其中类图描述系统中类的静态结构。 它 不仅定义系统中的 类， 表示类之间的联系如关联、 依赖、 聚合等， 也包括类的内 部结 构( 类的 属性和操作 ) 。 类图 描述的 是一种静态 关系， 在系统的整个生命周期都是有效的; 对象图是类图的实例， 几乎使用与类图 完全相同的标识。由于对象存在生命周期， 因此对象图只能在系统某一时间段存在; 包可以由其他的包或对象类组成， 表示包与包之间的关系。包图 用于描述系统的分层结构. (3) 第 三类 是 行为 图 (b e h a v iordi a 脚m ) 。 描 述 系统的 动 态 模 型 和 组 成 对 象间 的交互关系， 包括状态图 和活