（机械电子工程专业论文）钢材表面热处理智能控制站.pdf

西南交通大学研究生学位论文 y 啦3 7 7 第1 页 擒要 在金属材科热处理顿域 表耐渗氦技术作为最常用的化学热处理f 艺 能够 提离钢铁零p 健潮性能番l 寿命 充分发挥钢铁榜精满力 瓣丽在瑶代梳槭锱造鼗中 褥划了j 泛的廊瑚 j 本文以多元共渗低温发面巍化处理技术为依托 好发r 铡材 表面热处理智能控制站 可以实现对渗氮过程的精确控制 提高渗氮 l 的质姑 文章首先介绍了集散控制系统的设计思想 整体结构以及功能分层体系 其 次 文章霹集数控制系统的分级除梯结构秘纵囱分按体系 乍了深入纲毁的豁辑 弗结合钢材表面热处理控制站的霞要 将该智能控制站分织为操作站虱l 现场控制 单元两层结构 i 文章详细讨论了现场控制单元的硬件组成 直接控制层的信号流 动 现场控伟i 擎元与操作站的通信协议及实现等闻联 在系统软件部分的讨论中 文章给出了软 嬲功能模块鬻 劳黠务个模块逐一为瑟鞋奔绍 还提供了具体静程 序实现漉程幽 最后 文章引入了模糊专家系统的控制恩想 使埘一个具体倒f 描述了从知识的模糊表示 报理规则的建立 刘产生模糊输出调话表的糍个过辩 使控蒂 站能够利绡在i 艺处理过稀中积累越来的经验 产生簸优化的控制方素 提离钢孝葶熬袭嚣处理性能n 在本控制站中 现场控制单元采 l p i d 数字调悔器 操作站则使埘i 业级控 制计算机 系统通过操作站与现场单元之间的通讯米实现控制要求 首充 芝 控翻软件瑷定所器采瑚的l 艺 并糇糖专象系统知t 冀库选择最优化方案 在l 芝 进行的过科中 i 业控制计算规根据确定鲍方案 避过遴讯鲻嚣囱智能p i d 溺l 器发出实时命令 调憋其控制参数 p i d 调节器则向i 业控制计算机发嗣实时i 艺 参数状态值 反馈给控制软件 控制软件对这蝗i 芑数据进行存储行加以处理 最螽补充到系统的知鼋 库中 控稍站遴过这种模式 实现对渗氮炉渝度和氨势的 糖确控制 笑键字l势散控翻镭链控截荤元模糊专家系统 c h 0 0 i 4 0 8 0 9 7 j j 堡塞塞墨点兰鐾窒兰篓鳖篓塞笙 壅 a b s t r a c t i nt h ea r e ao fm e t a lh e a lp r o c e s s s u r f a c en i t r i d i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tw i d e l y u s e dc h e m i c a lh e a tt r e a t m e n tt e c h n i c s l te n h a n c e sac o m p o n e n t sp e r f o r m a n c e e x t e n di t s a g el i m i t a n dm a k ef u l l u s eo fp o t e n t i a l i t yo fs t e e lm a t e r i a l a n di ti st h e r e f o r ew i d e l y e m p l o y e di n m o d e r nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gt h i sp a p e ri sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f m u l t i e l e m e n tc o i n f i l t r a t i n gs u r f a c en i t r i d i n g a n dd e v e l o p sai n t e l l i g e n tc o n t r o ls t a t i o no f s t e e ls u r f a c eh e a tt r e a t i n g w h i c ha c h i e v e sp r e c i s ec o n t r o lo fn i t r i d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s a n dt h e r e b yb o o s tt h eq u a l i t yo fw o r k e dp a n s i ti sf i r s td i s c u s s e di nt h i s p a p e rad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s sd e s i g ni d e a o v e r a l l s t r u c t u r e a sw e l ta s i t sf u n c t i o n l a y e re d i f i c e t h ep a p e ra l s od e a l sw i t hd c s sl a d d e r f r a m e w o r ki nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n nc o n s i d e r a t i o no fd e m a n di ot h es t e e ls u r f a c eh e a t t r e a t m e n tc o n t r o ls t a t i o n i ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s t h a t s o p e r a t i o ns t a t i o na n dl o c a l e c o n t r o lu n i t l m a k ei tm o r ec l e a r t h ep a p e rd i s c u s s e ds u b s e q u e n t l yt h eh a r d w a r ec o m p o s e i nal o c a l ec o n t r o iu n i t t h es i g n a l sf i o w a g ei nd i r e c tc o n t r o ll a y e r a n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sb e t w e e nt h el o c a l ec o n t r o lu n i ta n do p e r a t i o ns t a t i o n i ns y s t e ms o f t w a r es e c t i o n t h ef u n c t i o nm o d u l ed i a g r a m sa sw e l la sf l o wc h a r t so f r e s p e c t i v em o d u l e sa r ep r e s e n t e d i n t h ee n d t h ep a p e rg i v e sas p e c i f i cc a s e u s i n gt h ei d e ao ff u z z ye x p e r ts y s t e m t od e s c r i b e t h ew h o l ep r o c e s so fk n o w l e d g e sf u z z ye x p r e s s i o n e s t a b l i s h m e n to fr e a s o n i n gr u l e s a n d t h ed e v e l o p m e n to ff i n a lo u t p u tv a l u ec h a r tt h i sm e t h o dp r e s e n t sap r a c t i c a lw a yt ot a k e t h ea d v a n t a g eo fm a n u a le x p e r i e n c et og e n e r a t ea no p t i m a lc o n t r o ls c h e m ea n di m p r o v et h e s u r f a c eq u a l i t yo f w o r k e dc o m p o n e n t s u l t i m a t e l y i nt h i sc o n t r o ls t a t i o n t h el o c a l ec o n t r o lu n i t e m p l o y sa p i dd i g i t a lc o n t r o l l e r a n da n i n d u s t r i a lc o n t r o c o m p u t e rt a k e st h er o eo fa n o p e r a t i o n s t a t i o na na p p l i e dc o n t r 0 1 s o f t w a r er u ni nt h ei n d u s t r i a l c o m p u t e rf i r s td e t e r m i n eao p t i m a ls c h e m eo fap r o c e s s o p e r a t i o n a n dt h e nt h eo p e r a t i o ns t a r t su p i nt h eh e a t i n gp r o c e s s i n d u s t r i a lc o m p u t e rs e n d s r e a l t i m ec o m m a n d s1 0p 1 dc o n t r o l l e rt oa d j u s tt h ep r o c e d u r ep a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h e s c h e m e o nt h eo t h e rh a n d p l dc o n t r o l l e rc o l l e c t sr e a l t i m et e m p e r a t u r ea n dg a st h i c k n e s s d a t a t h e ns e n dl tb a c kt o n d u s t r i a lc o m p u t e rf o rs u b s e q u e n tc o n t r o ls t e p st h e s ed a t aa r e s t o r e da n dp r o c e s s e d a n dt h e na d d e d1 0t h es y s t e m sk n o w l e d g el i b r a r y i nt h i sm e t h o d t h e p r e c i s ec o n t r o lo f t e m p e r a t u r ea n dn i t r o g e ns i t u a t i o ni nan i t r i d i n gs t o v ei sa c c o m p l i s h e d k e yw o r d s d i s t r i b u t e d c o n t r o l i n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i tf u z z ye x p e r ts y s t e m c h 0 0 i4 0 8 09 7 西南交通大学磷究生学位论文第5 璇 第一章集散控制系统介绍 1 1 概念 设计思想 特点 1 i 1概念 集散拄制系统 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s 是随着现代人删1 业生产 自动佬的不断 起秘过释控剁要求黔强蕊复杂癍遂焉生抟综台控制系统 它繁密 依赖了最新发腥的计锋机技术 网络通馈技术羊l l 过程控制技术 简要地说 它造 个为满足人掣j 业生产和日黼复杂的过样控制要求 从综合臼动化的角度u 发 按功能分散 管理集中的原捌构思 具育高可靠健指标 不断以新的技术成果充 实丽蛾割开发出米的 以擞处理器 微繁计算丰珏技术为核心躬 与数据遥信技术 c r t 提示 人机接口技术 输入输出接口技术相继合的 刖丁生产管理 数据采 集和释种过种控制的 处r 新技术前沿的新犁控制系统 1 1 2 设计思想及特点 集散州控制系统采用标准化 模块化和系列化设计 由过程控制级 控制管 理级和生产管理级所组成 是一个阻通信网络为辩带的集中显示操作管理 控制 攘怼分数 a 0 鹫灵懑蓝缀态方爱懿多级计冀祝网络系统结构 1 自j 性 系统上各l 作站是通过网络接口连接起来的 各 作站独立自主地完成分配 绘自蠢的勰定馁务 如数据采集 处理 计算 益视 操作和控制 等等 系统箨l 俘站都采煳最凝技术的擞计算投 杉德容量容易扩充 配套软纷功 能齐全 而且可以随着微处理器的发展而更新换代 是能够独立远 i 的离可铝性 子系统 系统搽作方便 显示直巍 提供了运行条件f 装置的可j 盔视性 控毒 功能莠全 舞法丰寨 集连续控割 矮黟控制弱批鼙控制 一体 还迸 实现串级 前镄 解耦永l 凸邂鹿等先进控制 系统的可控性高 控制功能分散 负荷分散 从而使危险分散 系统的可靠性高 2 协调性 各l 作站阀避过避信网络传送备墨申售息 并协调地l 器 完残控制系统的总 体功能和优化处理 采坍宴时饿强 安全可雅的j 业控制岗域网络 使粘个网络信息拱享 采掰m a p 睾 造自动仡协议 标准通信翻络协议 将集敬粥控割系统b 信息 管理系统逸援越采 可扩疑成为练台生产f l 动他襄缝 3 发蚶性 集散即控制系统软件是面向1 业控制技术人员 l i 艺技术人员乖 户 操什八 癸设计的 其搜 赛蘑赢i 之相遂癍 e 0 0 1 褐8 09 7 l 薅枣交通大学麟究生学位论文 第6 受 系缝往往爨鸯实崩磊篱捷的太撬会话功能 c r t 彩色离分辨率交互翻形显示 功能 复合窗 功能 实时菜单功能 彝1 日趋丰察的域嚣 妞综理 控剁 调整 趋势 流群剀 同路一览 报警一览 批量控制 计镀报表和操作指导画面 等 等 茹外 系统多采翊平面密封式薄膜操作谶盘 触馍式屏幕 鼠标器 躐踪球 操终嚣等输入设冬 方便操作员岛系统秘交互 系统提供的纽态软件包括系统组态 过程控制组态 蕊耍缎态 搬袭绲态嚣 组态软件是集敬型控制系统的关键部分 它解释用户的方案及显示方式 并生成 蜀被d c s 内部元素所理解的目标数撼 它是d c s 的 原科 加 处理软r 使嘲 缎态软纷霹以灵活生成楣疯的实翅系统 瞧方便翊户制定新的控毒 系统 4 适麻性 灵活性和可扩充性 硬件和软件采h j 开放式 标准化和模块化设计 系统采 l l j 积小式结构 具有 灵活的配饕 可透痛不闻的辩j 户的需疆 可根据生产要求 改变系统的人小配置 盔l 厂政变生产l 艺 生产浚瑶时 只霉要改变篥些配置帮控皋 方案 不需要修 故或重新群发软竹 5 在线性 通过人祝接口辅i o 接精 可对过释对象的数据进行实时采集 分析 记录 监视矧撵馋控制 还可实旄对系统缝樾剥缎态同路麴农线修改誊l 竭郄数簿的在线 维护 提商了系统的可州性 6 可靠性 高霹蒜性 高效率彝 高可并j 性楚集散壅系统的生命力新在 制造厂商在确定 系统结构的同时进行可靠性没计 采蹦可靠性保证技术 系统绵构采h j 释错殴计 使得在任一单元失效的情况f 系统仍然保撩 其完箍性 即健全硒性通信绒管理站失效 局部站仍能维持1 作 系统瓣掰奋疆镁 包括搡侉辩 控制站 通信链路都采增毅重化设计 为提离软 牛的可靠性 袋嬲程序分段与模块化设 软本式结构 采蹦 烈序卷同或指令复执等窬错设计 精心设计编构霸漪i 装f 艺 严格挑选元器件 降额使j j 加强质鼙控制 器可簸建降低数昧如袋的频率 采j 4 电磁蓑赛性 蹬计 所谓 电磁羲赛性 越据系统灼抗于捷旋办 系统内外的干扰相适应 并留有充分的余避 以保i 止系统可椎l 作 系统内外要采取的抗干扰措施包括 系统麻远离磁场 超声波嚣辐射源 过程羧裁信号 溅艇番l 信号电缆短傲好接造和屏蔽 采羽不问新供电磴 餐卸带屡敲的专 也缆供电 控划站 检测站的嬷入竣出信号声黄宠经 过隔离 辫与黻置的现场对象连接起米 在线快速排除故障的没计 采瑚硬稍 臼诊断和故际部什的门动1 i 离 r j 动恢复与熬枧臻拔鲍技零 系统内部发生麓异常 由谨怦臼诊断枫能和 测试机能检出群 汇总剑操作站 然 螽通过c r t 鼹示 声响报警或抒印 输出等方式 通知操作员 检测盘占 控制站备插什上都有状态信号灯 c 1 1 0 0 4 0 8 0 9 7 鞭南交透大学硪究生学位论文第7 燹 揍承故障擒 牛 1 2发袋概况 1 2 1集散控制系统的发展历史 集散控制系统是计算机系统 通信系统 控制论 信息论与自动化 系统i 稃等互相键进 互相渗透 综合麓展的典范 它自7 0 年代问世以来 发展异常迅 速 太致经历了矬f 二个阶段 1 计簿机控制系统阶段 i 计算机集中控制系统 数字计舞枫d d c 控制慈统赉现不久 由于它具有记圣乙 存储 数字延斡和逻 辑判断嚣能力 以及运算 处理速度快的特点 缀快艘发l 琏技本人爨联想刊删 一台计算机代替人精的常规模拟仪表 进行集中控制和检测 这种联想具有时代 性 并且狂当时的计算机接口技术及芯片相成配合r 4 t 之实施 起到了积极的作 嬲 箕计莽援挖制系统擒戏如图1 1 搿示 操作变豢掖测变量 计算机挎制系统 在这萃孛计舞枧艇制系统中 计算枧不 里竞残撵 乍处理 更主要楚可蠢接攒据 绘定值 过样变蛀莉l 过料中的其他测定值 通过p i d 的运算 褥出心丁控制执行 机构的操作变罐 哟计筇机得出控制决策直接作刚丁过程 这种控制模式即经常 搿说戆矗接数字拄铡td i r e c td i g i t a lc o n t r o l d d c 计算桃d d c 控割的基本恩怒是出一套诗舞搬实现若手个模拟调l l 器靛功能 早期的打党是由一宙计舞机控制至少氍十多个同路 这在肖时对小规模 岛劫化 稃度不高的系统 特制避对奠 有人鼙顺序控制羊f 判断逻辑的操仆控制系统米 抖 收鲻了爱好的馥聚 c h 0 0 1 4 髓0 9 7 ii 疆南交透犬学麟究生学位论文第8 受 紫砻一 1 1 6 i2 汁舅 机 模拟仪表混合 牵制系统 3 计算机监视控制系统 计算机监视控制系统实际上是分层化的两级拄制系统 只不过肖时的控制襄缝 c h i 4 0 8 0 9 7 薅南交通大学研究生学位论文第9 燕 都是采用小型计算虮秘微型计算搬覆如 其掏戏觅图1 3 第一缀计算梳完戒d d c 控制 第二级计算机则根据最优化数学模型 计算出被调参数的烩定僮 弗酶出绘 第一级计算机 s c c 或s p c 嚣l i 幸髯 税 ll l j 铨l l 绘 垒坠 定土f i 调节器i l 僻l 节器i l 渊节器 l 广 输1 r r 辘 甜 i到土矧土巍型 测 羹 s c c 或s p c 用计算机 幽13 计箅机髓撺系统 位楚良t 这些系统都没有解决价格性能比 危陵分散化以及商可靠性笛问题 爨姥它蜘经簇数控铡系绞茇鼹构掰变避程中只能是罢花一现镌骱段 2 集散控制系统阶段 随着生产过程嗣蘸复杂 犬规模集成芯片的集成度越采越离 徽处理器成本 大幅瑾降低共犬鼙姥涌商市弱 袋散控翻的思想磊益成熟 在 9 7 5 年前肝 u 瞄 界 上各主要仪表厂家都研制成功了集教型控割系绞 如美辫的鬟尾韦尔公霹的t d c 2 0 0 0 系统 日本横河电机公司的c e n t u m 系统 荧国的福克斯博罗公闭的 s p e c t r u m 系统等 遮些系统的特点是更完熬地体现了分散化和分胺化的思想 它粕邦攥过狴d d c 缓锻鲻了镯底分散 簿南一个徽娃疆器控铺一个两路 褊而充 分发挥了微处璎器的散心 由当初的多网路变为攀固路 设螽上的分数馊教簿产 生的危险性也分散了 辫附之以冗余措施 使系统的可靠性也得到了提斑 这一 点燕集敬控翱系统韵根本点所在 集教裂控剃系统盎发疑避群中 冬巍攫横囱分散纯构或鹩出发点不瀚 其最 初开发的产鼎形式分为组袈结构型霸l 尊同路控制仪表甄种 i 组装鼎构删 都插板柜装结构翠 这种绢装柜可以 一显示揲佧部分分开 直接安皴在被 i 对象黔近 另 耀场接线不毖避入控制定 使礤声于拢番 接线避 步减少 这 类系统的硬作结构霸i 功能插扳标准化攫度糍 通崩性强 控制爨功钱模块亿 钟 对不同的瑚户可以灵活的纽态实现各种控制功能 如美国贝利公闭的n e t w o r k 9 0 爵藤公司的w d p f 美萄肯特公两的p 4 0 0 0 法国贸克公司的m i c r o z 都属r e 鞠静1 4 0 8 09 7 两南交通犬学研究生学位论文 第l o 菇 这种系统 2 单同路控制仪表掣 这类仪表在外貌和使坍操作上都很像单元组合模拟调节器 所谓单同路控制 撑静楚可啦缓收 l 路输入信号 僵输出信号哭能控制一个执行器 它一般由功能 固定烈调节器 可编狴调誊器 复会运算器 组态器 孰懿混合调节器及辅劫仪 表等部分组成 革同路调 1 器本身可以单独构成一个小犁控制系统 也可以与具有屉示 揲 佟秘姨视份措的徽聚祝搡 乍茹缀成中疆或人搿控稍系统 肇葡路谪诲器通过本琦 的通信接口可与操作站连接 鞋这绅方式缎成的系统是裔别 模拟谖铬器的 3 分散型综台信息管理控制系统阶段 隧蓑生产搋模扩人 许葬杌斑 技术豹发展 入们不仅仅芙心单纯的过程控 制及生产矗动化方蕊 惩更多把注意力转囱l 厂的生产效率 能源游耗淡及剩满 指标等信息管理方丽来 把生产过程的监控与科学化的企业管理结台起米 使集 散系统无论执结构 性能 还是府 j 功能上都达到了很i 离i 的水平 1 2 2集散控制系统的发展趋势 集敞系统的发腮依赖丁两个条俐 一是米臼环境的激励 即以信息年 白动化 为中心疆群静技术霸 经济市场静激烈竞争 二楚来自支撑集散系统发展的技术本 隽蜘冲南 即计纂桃赢燃技术蜘发鼹 鬃数控裁戆茇藏方 筠 久致表现在如f j l 个方面 1 入r 智熊专家系统的s f 入 第夏代计算规的发展为专家系统的癍爝提供了客躞条秘 薪一代计算机将能 模仿专家的经验思维 作出判断决策 以代替操作人员及l 糕师的操作与败控 近几年来 入f 智熊专家系统在监控机能 确定故障 诊断设备等方面受到 r 泛关注 其宠瑚镁域涉及戮能登管瑷 过程控铜管理 维修 设备等诸多方面 例如在过稃控制领域 可以改善建模缳难的过程控制滠程 在入橇接日鬏域 可 以对因操作指南引起的错误加以预防 对异常事件作出恰当处理 或者对训练模 拟g i 起的异常作出修止 维修方面 能在短时间内发现设备机器的故障点 尽可 能譬地窑瑗修复 例如 荧国t e x a c o 化学公司所使埘的专家系缝把l 入 毽班疑 艺i 群嫦 和控制i 科师的经验 判断 决策存储在知识库里 以实现夜班生产完成同内班 一样的劳动生产率 例如 夜班生产出故障 专家系统能承担起象闩班值班k 1 艺 释烯幕l 控制 释瓣熬委任 辛毛找出现敬辕的琢两 律出分析剐断 最肝提 出排错的措施 以保证生产的顺 h 避 专家系统还将向更高阶段发展 例如把人的感知 分惦 推理 运算 削娅 决策等功能移植蒯计箨机系统中 预计今后1 0 年 川r 生产过利控制平 方案决策 的专家系统会越来越多 2 未米集散系绒具有二维显示的操作 在传统礤控制室厦 操作员和管理人员主要利用疵裟成c r t 指示器 报警器 c 酾0 1 4 鹳0 9 骶南交通大学研究生学位论文第1 1 炎 打印毫氇以及控刳装嚣来避杼操作 逐j l 年 义日l 入了多遥道扫擒显示 多级报警 管理和文字 幽象摄示铸方式 朱来的控制 将在一事巾新的概念f 塞实现 贝 体 地讲 它将运用以r 技术 采埘全怠光显示和仿真立体装置 2 采崩激光技术与全息必曩示 接燃窆闷 3 采用集中特大型扫描显示系统产生图象和信息 4 运用青频输入技术 操作人员可以使埘语音直接平 控制系统进行对话 在这一级上 过程控制计算机真接与现场各类装鬣 如变送器 执行器 记 录仪表 篇笛 相连 对所连接的装置实施检测 控制 同时它还向上与第 层 的计舞杭抬连 接收上甚静管理信怠 并商主砖递装踅的特性数据和采集剑韵实 时数撼 2 过样管理级 在这一级上的过程管理计算机主臻包括监控计算机 操作站和j 稃师站 它 综合监视避程嚣站的翳蠢信惫 集中显示操 乍 控靠 翻路纽态和参数修馥 优化 过程处理 3 产品管理级 生产镑理级 在这一级上的管理计算机根据产黼再部件的特点 协调得单元级的参数殴定 它是产蒜的总体贽调爨靼控裁器 4 j 厂总体鹫理和经萤管理级 这一级居于中央计算机上 并与办公室自动化连接起来 担负起全厂的总体 挤调管理 包描各娄经营活动 人事管理 等簿 i 3 2 集敲带控制系统体系编构中各鼷纳功能 敲翻14 中可阻看出 新邵弁勺集散础控制系统烂开放刑的体系结构 叮方便地 与生产管理躲上侮诗筹辊相互交换信悫 形戒计算撬一俸纯生产系统 进丽实琨 j 厂的信息管理一体他 幽i5 列出了备层所实现的功能 1 轰接控制级 i 枣场和用户分辑 汀赞狂销售统诤 l i 销售计划 产黯制造蚺调 i i 台f 可事宜 期限检测 等等 l i 规划产品结构和规模 产品监视 l l 产品报告 t j 生产监视 i i 过程操作淫l 试 装鐾闻捡测 l i 优化过程控制 自适戍控制 l i 错谈榆测 数掘1 竿档 l i 进行过程敷据采集 数据榆盘 f i 进行数 开环翔闭斟 摔制 l i 驶蒜捻测靼系缝瀑 斌秘诊颓 l l 实施立争性 j c 余化措施 i 车闯设豢l i 厂 经营管理 生产管理 过稃管理 直接控制 酗l5集敞型系统体系结构的嚣层助能 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 鼹南交通大学研究生学位论文第1 3 页 蠢接控制艨是集教型控囊4 系统的基础 其主要l 壬务鸯 1 进行过程数据采集 即对被控设备中的每个过程凝和状态信息进行 快速采集 使进行数字控制 开环控制 设备检测 状态报告等过稃获得所需要 的输入信惑 2 进 懿接数字过程控制 擞据控制缀态数据露 控制藓法模块采实 施实时的过f 龄 如开关颦 模拟昔簿 的控制 3 避 j 设备检测及系统的测试羊f f 诊断 把过祥变错萃 状态信息取出肝 分拆楚香i 以接受以及楚否冒娃允许囱高瑶传输 避一步确定造否对坡弪装置安德 调节 并根据状态信息划断计算机系统埂p l 二莉l 控制扳你的性能 功黢 丧必爰时 对错误进 报警戚诊断 4 安臆安全往 冗余化方面的措施 一口 发现计算机系统硬仆或控制 援毒数障 立酆实蕤器 l 蜉的甥按 绦证整个系统安全运行 2 过程管理级 在过稃管理级主要怒应付单元内的整体优化 并对其卜联产生确切的命令 拄 遮一盛上亮戎戆功麓包括 1 优化过程控制 根据过程的数学模型以及腰绘定的控裁对象进行优 化控制 2 自适赢同路控制 当现场条件发生改变时 经过过程管理级计算机 的运算处理 褥到耩酶蹬定俊葺 l 调l 俊 岁 把灞 箝 矗传送翻矗绥过程控制瑶 3 优化单元内锌装置 使它们密切配台 根据单元内的产蜗 摄耪 库存毗段能源的使川情况 阻优化准则来协调它们的相甄关系 4 通过获取赢接控制据的窿时数据 进行单元内的活动监视 故住章榆 测存楼 髓变数据的存档 状态搬告莆l 备越等撵忭 例如 钢材表面热处理缎能控制单元的过科管理级由一蠹操作站鹄 成 受囊完 成数据 图形 状态的显示 历史数据的存档 故障声响报警 故障记录打印 故 障状态显示 撒表打印 动态调整嗣潞参数 优化控制参数等过程控制功能 3 生产管理级 产晶规划羊 控制级要求有比系统和控制i 程更宽的操作和逻辑分析功能 它 稚据拜j 户的订货情况 淬存情况 能源情况来规划备革元中的产品绱构和规模 势且霹缱产燕委掰 划 蘧彗孝雯渡产赫籀擒 这一点楚 f 一鑫劫纯系统离瑶新需 要的 有了产黼重新组纵罩 鬃性制造的功能 就可以廊 寸由 燃户订货变化辨造 成的不可预测的事什 往中小企业的自动化系统中 这一层可能就充当墩高 级 管理屠 4 t 厂经 管理级 经营管理级居丁l 厂臼劫化系统的壤高 层 它管理的范嘲很 乜辐iw 技术 经济 商业事务 人事活动以及其它方面的功能 把这些功能都集成刘软 系统中 缝过练台麴产晶计划 结合多萃孛多样静橱辩拳l 麓鼙溺配 以形成解决 问题的撮t j c 方案 c 渤l4 0 8 0 9 7 鞠南交通大学研究生学位论文第1 4 员 1 4 系统的硬件体系 1 4 1d c s 的过程控制级 1 过程控制级的功能 在集散控制系统中 各种现场检测仪表 如各种传感器 变送器笛 送来的 过程信号均由避狴控餐级舞单元进行实时的数据采集 噪音信号滤涂 一l 线性校 正及并种补偿延冀 并折算成相廊的i 抖姑 根据掘态要求还可进 上f 限搬警 及累积培计算 所有测蟥值和报警值经通信网络传送剑操作站数据库 供实时显 示 优化计算 报警打印 等等 在过程控翻单元 椴据过程控箭纽态还可进行 备荦孛潮坪反馈控制 批鲑控制与蹶序控制磐 舅二可掇援撵捧站发采的蔷羊孛手动搽 作命令进行手动控制 实现对生产过穰的赢接调节控制功能 在集散控制系统中 显示与操作功能集中f 操作站 过程控制单元一般不设 置c r t 显示器和搛作键赢 遁育的系统备有袖珍麓现场璨作器 在安装蛾裣修时 可壹接连接过糕控制单元进行操作 也有的系统裘翦端瑟援上鸯 l 秘按键开芙冬 数字显示器 可进行一些简单的揲作 在不同的集散控制系统中 过程控制帮元的名称各异 例如 过科接口单元 p r o c e s si n t e r f a c eu n i t 基本控制器 b a s i cc o n t r o l l e r 多功能控翩器 m u l t i f u n c t i o nc o n t r o l l e r 等 健楚它们辑采蝴的缝丰 形式犬数据嬲 可以根据 过程监测 控制的需要哭活配制成由儿个监控点到数苴个监控点组成的规模不甾 的过年 l 控制单元 若从萁具有的功能角度米划分 过稃控制单元义可分为功能卉 全的现场控制辩 缏员有数据采集功麓的检铡辅或仅具有獭序控铜功能的颓守控 制站 等等 为叙述方便起她 f 文中一搋豫之为现场控制瓣 现场控制站与操作站仅需通过一条通信电缆 或光缆 相连接 而输入 输 出信号线却可能有数自条之多 为减少信母电缆长度 以减少长距离传输的干扰 提离哥靠瞧 封 降低系统造徐 现场控罱 站一艘均艘登在靠近过程控制装置的地 方 为适魔l 业生产环境 嚣广家对其产晶均进露了加因处理 使奠具鸯糖 q 防潮 防电磁干扰 抗冲击 震动及耐高低温笛能力 2 籍 j j 过耗控痞 级的数字调霄器与p l c 除上述振攒维秘的现场控割站 d c s 过程控割级越来越多地采增了鑫秘謦 能数字凋1 器与可编程序控制器 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 p l c 新型的数 字调前器与p l c 不仅释鼙人 述度快 而且都增戤了较强的联网通信能力 可以 采瑚敬骧份的载绞线为佟输介震韵现场总线两 将作为主缔点的现场控制鞯与朴 为从坌鑫点的数十个数字调骆爨 p l c 妓数字化毁能变送器连接龟一起 也可以蜷 数台p l c 通过网p 直接按入高速数据公路 纲成过徉控制绒的顺序控制站 这 t 一来 d c s 的控制功能进一步分散 控制速度与功能及系统的i j 丁靠性义得到进 步熊提高 在一些小列嶷毂系统中 也蠢一些是以数字调l 器bp l c 为过榉级褥瑚个人 c h o o t 鹅09 7 11 强南交通大学磷究生学位论文第1 5 受 谤冀极或l 业计算极为管理缀椽成戆系统 1 4 2毯场控制站的结梭 现场控 l 站是一个可强立运行鹃计算祝监涮与控制系统 由丁 它是擎为篷秣 测控i i i i 设计的通州型设备 所以其机框 电源 输入输出邂道翔控捌计舞桃嚣与 一般的计算机系统相比义有所不同 分述如f 1 撬柜 现场控制站的机柜内部均装有多层机架 以供安装电源及嚣种模p 之划 冀 外壳均采 金属材料 如钢扳或铝材 活动部分 如丰臣门与机柜土体 之间府保 证有照好的电气连接 从而为内部的电子设备键 完善的电磁辫蔽 为保证电磁 屏蔽敛聚 也为了揲作人员的安全 桃桎还要求可靠接地 接缝电阻膨夺j 4 0 为保证柜内电子设簧的散热降温 一般橙出均装有风扇 以提供强制城冷气 流 为防i r 灰二i 侵入 在与柜外进行空气交换时 最好采削止雁送风 将柜外低 溢空气经过滤潮过滤示疆入柜内 在灰尘多 潮澄或有腐蚀性气体的场合 例如 安装在室终馒燃时 一些厂家提供存密封式梳蛙 冷去 空气投在框肉循环 通过 机柜外壳与外界交换热镶 闪此在这种机柜岁卜壳上增设了诲多纵向的散热b l 片 为保证在特别冷或热的盔外环境f 土e 常l 作 还为这种密封式机柜设计了专 j 的 空调装萱 以保证糨肉潞度维持铉正常值 现场控制站枧梃如人多没有温度是动检测装譬 当规糍浅瀑度越过正常范嗣 时 产生报警馈号 2 电源 1 态效 稳定 无干扰斡交 蕊供电系统楚琥场控制赫正卷l 捧的重要保证 丽 要做到这 点 首先需德让供给现场控制站的交流电源的稳定可靠 一般采墩以 卜儿种措施 每一现场控制辩均采用般相交流电源供电 两相且为冗余 撼累附近有经嚣开芙蟾火功搴崩电设备 癍采掰超级鞴离变压器 将其 初级 次级线湖间的屏敲层可靠接地 以削弱共模干扰 若电喇电f 芎波动很严重 麻采用交流电子调压器 快速稳定输入电乐 寇l i 油 纯l 等对控制连续往要求特剐高的场台 麻装设不问断供电屯 源u p s 2 柜内阿流稳压也源 现场控制上占内粹功能模件所需直流电源一般有 5 v 15 v 或 1 2 v 一l5 v 藏一t 2 v 2 4 v 等等 丽对主梳供电的电源一般要求与对现场检溯仪表或执行 枫掏供电的电源在l 乜气上相互疆寒 以减少相堑予拢 避常采嬲鞋f 绝种形式鹃 直流稳压电源 采瑚集成电源 向释模什提供所需的商流电源 如采h 冗余的舣电滁0 式 羽每 静电环离存输出微漏装蓝 以调箝并鞍的两电源创负载均衡状态 再路 电源输出端晦 蛙隔离二极蛰 往劳联l 馋黠 援护撑电铡稳慝添麓安全 c h o o i 4 0 8 0 9 西南交通大学研究生学位论文第1 6 受 由统一蜂主电源单元将交漉电源整滚成蠢滤电 一般为2 4 v 供给轾逸 点流母线 备联机架内设有予电源单元 采用d c d c 变换方式将母线上送采的尊 一电艨的离流电转交成本层机架所需的各种电压 主电源单元采用j 1 冗余配置 孑电滁单元可采瑁1 i 戏n 1 的冗余方式 机枢内各层枧絮按模l 牛使用量的多少 灵活配置器自驰电源单元 遥常 采用体积小 轻便离效的开关电源 赢接将交流电转变成各模件所需的直流电压 3 控制计莽枕 现场控割站是一个蛰能化的磁独点运行的数据采集与控铡系统 佟为其核心的 控制计算机 由c p u 存储器 输八 输出通道笆基本部分组成 8 0 年代以米由丁p c 机的j 泛流行 积累了极丰寓的软竹资源 冈此p c 机住 过程控制领域祭到了较f 泛舶菠掰 p c 总线 i s a 总线 在中规模集散控制系统 的过秘站中亦襁到了究心 由丁现场控制站中的控制计算机最多要连接数百个过糕量输入点与控制培输 出点 其模件个数可能多达数十个 而单一机架内一般只能插入十儿块模板 冈 戴必须对憨线逃 了 扩襞 劳逸接到数个税架 农这馥扩疆税絮肉 只插入i o 楼板 所使删的总线傧号比主机总线要少 因此鹰些厂家的产撼中i o 扩展总线震瑚了1 f 标准的简化的形式 仅提供了i o 模件所必需的数据线 地址线与控制线 4 智能溺裕器 以微处理器技术为基础发展起来的铿娩仪表 包撼单颤路 多网路数字调豁 器 使用范围已日蔬广泛 近年来 由于它们的功能越来越强 并且普遍增设了 数字通信功能 冈此在集散系统中得到了j 泛的应用 智能调节器的外表类似r 一般鹃纛装仪表 稀内郝却燕由徽处理器 可能楚8 i 的c p u z 8 0 8 0 8 5 亦可能是备融饕片机 例如 8 0 5 1 系列 8 0 9 8 系列 r a m r o m 模拟鼙 与数字苗i o 通道与独立的电源等基本组成部分所构成的一个微型计掉机系统 般有单同路 2 同路 4 同路或8 同路的调节器 至于控制方式 除 股p i d 之外 还可缀残串级控铡 信号选择控案 及祷馈控制帮按预定曲线进行稚謦控制 等等 本文主要讨论的钢材表魏热处理锻能控制单元中艇使用的p i d 数字控制器 裁楚 这种智能调1 器的一个例子 1 5 系统的组态软件 d c s 的绸悫功能已成为1 业界镁热悉的瞻赛 一个d c s 的2 r 态功能瓣支持烤 况 如虑h j 的方便烈度 h j 户界武友好程度 功能的齐全程度等 是影p r 自 个d c s 是否受阁户欢迎的重要闲素 几乎所商的d c s 都谯不同样度上 或咀不同的表现 方式 支持缌态功熊 d c s 纠态功能包括抿l 泛的范畴 从人的方联 共 主要可以分为惩个廖蠢 硬什编态 义叫配置 和软仆组态 d c s 的埂件结捣也琏采h j 模块化的结构 冈为硬件模块的选择与系统的价格 笑系较为密埂 特捌造对蓬肉崩户 船上埂9 l 的酝饕b 现场的娶求联系鞍綮 闲 c h l4 锵0 9 7 辑南交进大学研究生学位论文 第1 7 x 鼓埂p 躲茶本酝置在台同谈判黔段裁已确定 常毙的嫒臀配鳘链括f 矧j l 方面抟 内容 i 聪师站的选择 包括机型 c r t 尺寸 瞻存 硬盘 打印丰几等 操作受 站的选择 包括操作员站的个数羊 操作员站的配置如c r t 尺寸及是否舣厨 i 机 型号 肉存配鼙 磁盘容鼙的配鬣 打印机的台声速和型号等 现j 而控制立 的配 置 包括现场接裁站款个数 地域分毒 每个现场控剁站中掰粥的备种模投的秘 类及块数 电源的选择 等等 磷件的配谶对不同的系统差别其人 而盥一般是根据现场的具体要求而定 鞫对来说选择t 忤鼙不入 d c s 的软骷一般楚蛟为戏熟靛模块他结翱 系统的瑙形显示功能 数据霄管 理功能 控制遴算功能 历史存储功能等全都有成熟的软t 模块 一般的d c s 提 供一个 或一统 功能搬强的软什i 其包 即组态软件 该组态软什具有友女r 的 嗣户器蘸 使掰户在不需要编仟么代码稀痔的情况下便可生成臼己需要的府朋软 件 但遵常不圆的廊燃对象瓣这些出器的要求奄较太弱甄崩 软t 1 绢态的内容比硬什配置更丰寓 它一般包括基本配置绲态鞠i 商j h 软竹的 缡态 基本配苜的编态继给系统一个配置信息 如系统的释种站的个数 它们的 索g l 标忐 每个现场控制站的最入点数 最短执行周期 谶人内存配蓝 每个操 作员站的内存配置惯息 以投碰摄容铤信息铃等 嚣戍崩软p 的缀态鲻具有更专 富的内容 如数据群的生成 历史庠 包括趋势瞰 的生成 燃形 e 成 控制继 态等 薅蓑分夺式计算撬控制系统鹣发展 入 豫 来越着重系统f 勺软稍 纷态和配鹫 功能 h 口系统中曩己奄一套功能十分齐全的缀态生成l 一其软p 这套缎态软纷逶 j 性很强 可以通应丁一人批廊 l i j 对象 而且系统的执行程序代码部分一般是嘲定 不变韵 为适麻不间的赢翔对象只需改变数据实体 包括图形文件 报表文f 1 和l 控剿鼹鼹文键 等 鞋器霹 这样 溉犬夫提离了系统的戒套速度 父保证了系统软 件的成熟性萃 可靠性 几年以前 国外流行的分布式控制系统 如两艨的w d p f 横河的c e n t u m h o n e yw e l l 的t d c 3 0 0 0 f o x b o r o 的s p e c t r u m 和i a 系列等等 以及各 控软 厂褒推出携绸态软4 1 如c o n t r o l e g 等 豁具有截丰富的编态功麓 呵以说 分布式控制系统的组态配置功能是它能否受埘户欢迎魄一个燕要闲素 霄9 的d c s 系统的锕态软件功能很搬 但有一个通病 不支持汉字功能 如果要处理汉字显 示笨i 打印 娜必须辩j 相尚复杂的方法才能实现 例如直接川点陴描述汉字币 h j 高 级语袁编聪实现汉字打0 等 近儿年米 1 业控制系统的组态软r l 褥剑了r 泛的霾视嗣l 迅速嬲发斌 强翦 我国已开发出彳捷多很成功的组态软什 而且技术发展很快 与国际水平卡h 筹不入 人多数鹃缴态 生成功藐楚离线进行的 即在庸埘系统的波计开发阶段完成 系缝蛇织态秘溅割 特铡是绒秘 最人点数等一般不能在线修菽 徵篷 黢的i 业控制计算机系统提供往线参数修改稠l 控制参数整定功能 人部分 业控制计算机系统的耋凡态生成软仆的功能如 芏l1 6 所示 c h o o l4 0 8 0 9 7 i j 职南交通大学研究生学位论文第1 8 页 系统组态功能 数据库生成 扔史露生成 圈形生成 搬表生成 连接 成 接 能 编辑 编辑 史点的连接 生成 躁亭控制堡战 鼷亭拧制记录生娃 贼序拄制5 点记录连接 连续调节功能 连接酬路生成 l 碍珞与点记录连接 图i6 下业控制计算机系统组态软件功能 c b o o l4 0 8 0 9 7 l l 辑 生连功 瞄蛉弛 蛉 编印挠接 辑的点簧 械点域 德 录扣转连 编录时配 萄小艄 录 记最采条 的记安的 确蛙 辚记 点记记记 录行 线 程态拘 编点 麾库痒痒 记执瘁曲 流幼影 耱艨 量数宦趋e动台 一 一 一 一 西南交通大学磷究生学位论文鳃1 9 爽 第二章金属材t l 表面处理控制单元的组成及应用 2 1工艺背景 化学热处理楚提裹钢铁件僮耀犍辘 延妖零 牛使潮寿命 充分发拜钢铁瓣辩 潜力的重要l 艺手段 住现代机械制造业中褥到了厂泛的成州 该项技术 已经 成为热处理l 芝学的一个重要分支 作为最常用的化学热处理j 艺 渗氢技术经 掰了七十多年的发糕历史 典蘩韵渗氮i 艺 主要是将含有铝 铬 铜 钒和镰 等成分螅台金钢l 置 氨气中避抒若予小时的热处理 这种渗氮处理会投变钢 材料的组纵状态 闭丽也改变了 r i 在静载苟以及交变应力f 的强度 垮擦性 成形性及抗腐蚀性 然而 传统的气体氮仡 一般制注水式氨分解仪测鼙氨的分解率来控制渗氮 璺它采理手动调搭 不能连续检测 更不能实现氮势懿鑫动调裕控傣 焉量生产 周期k 能耗人 污染严重 可靠性 准确性低 同时往往易产生农许多服投状 态f 不允竹存在的具有较人脆性的表面向亮厦 般j l j 磨削或化学的方法去除 嚣两费1 赞时 荔产 生较久变形 特辅楚肉部谈粥无法消除 蕊鼙难以稳定 渊 此 必须采取能够糖确拄案g 气体渗氮过程及缝累f 冬接施 建 渗氯娃以人鼙魑互 相联系的物理化学参数为特征 具有 定的复杂性 臆断某张使蛸性能所需耍嬲 工