毕业设计（论文）-工厂蒸发车间监控系统设计（组态软件编写）.doc

毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 1 页 西安建筑科技大学西安建筑科技大学 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 课题名称 课题名称 工厂蒸发车间监控系统设计工厂蒸发车间监控系统设计 组态软件编写 组态软件编写 学学 院 院 信控学院信控学院 专专 业 业 自动化自动化 姓姓 名 名 学学 号 号 201051112 201051112 教师教师 签字签字 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 2 页 一 一 毕业设计 论文 的目的与要求毕业设计 论文 的目的与要求 1 设计目的 通过工厂蒸发车间监控系统的设计 使学生总结四年来所学知识 通过毕业设计得 到综合训练 使得理论教学与生产实践相结合 培养大学生的科研创新能力 实践能力 和创业精神 2 要求 认真努力 勤于实践 独立完成毕业设计 论文 任务 充分发挥主观能动性和创 造性 实事求是 不弄虚作假 不抄袭他人成果 严格遵守纪律 按时按要求 包括形式要求与撰写要求 完成指导教师安排的工作 凡不按要求完成且在规定时间内无改进的 不得进行下一步的设计工作 毕业设计 论文 设计 须符合形式要求及撰写要求 请参照学校有关规定 所有要求提供的文档材料 除实习日记及已有要求的 一律按学校对毕业设计 论文 撰 写格式的要求撰写 二 毕业设计 论文 的主要内容 含主要技术参数 二 毕业设计 论文 的主要内容 含主要技术参数 设计蒸发车间生产工艺流程总画面 设计蒸发车间生产工艺流程总貌画面 设计主要工艺参数报表 实时曲线 历史曲线 设计主要工艺参数报警画面 编写通信程序 设计系统主要参数的虚拟仪表显示 棒图以及流程动态画面 写毕业设计论文 三 毕业设计 论文 题目应完成的工作三 毕业设计 论文 题目应完成的工作 设计蒸发车间生产工艺流程总画面 设计蒸发车间生产工艺流程总貌画面 设计主要工艺参数报表 实时曲线 历史曲线 设计主要工艺参数报警画面 编写通信程序 设计系统主要参数的虚拟仪表显示 棒图以及流程动态画面 写出自己的心得体会 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 3 页 四 毕业设计 论文 进程的安排四 毕业设计 论文 进程的安排 序号序号 设计 论文 各阶段任务设计 论文 各阶段任务 日日 期期 备备 注注 1 收集有关毕业设计的参考资料第1 4周 2设计蒸发车间生产工艺流程总画面 设计蒸发车间生产工艺流程总貌画面 第5 6周 3设计主要工艺参数报表 实时曲线 历史曲线 设计主要工艺参数报警画面 第7 8周 4编写通信程序 第9周 5设计系统主要参数的虚拟仪表显示 棒图以及 流程动态画面 第9 11周 6正确调试通信及监控程序 完成系统通调 第12 13周 7写毕业设计论文 第14 15周 五 应收集的资料及主要参考文献 五 应收集的资料及主要参考文献 氧化铝生产工艺参考书 西门子S7系列PLC使用说明书 测量仪表手册 控制网通信原理 DCS系统设计方案 有关自动控制系统方面的参考资料 组态王使用说明书 六 六 任务执行日期 任务执行日期 自自 05 05 年年 3 3 月月 9 9 日起 至日起 至 05 05 年年 6 6 月月 20 20 日止 日止 七 七 审核批准意见审核批准意见 指导教师 签字 指导教师 签字 教研室主任 签字 教研室主任 签字 主管院长 主主管院长 主 任 签字 任 签字 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 4 页 工厂蒸发车间监控系统设计 组态软件编写 专 业 自动化 指导老师 席爱民 本 科 生 白 云 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 5 页 工厂蒸发车间监控系统设计 组态软件编写 摘 要 本文研究课题为工厂蒸发车间监控系统 在拜耳法生产氧化铝工艺中 母液蒸发过 程是保持生产系统液量平衡 浓缩溶液 排除生产过程中积累的碳酸钠 硫酸钠等杂质 以及配置合格循环碱液的一道重要工序 母液蒸发过程工艺复杂 要检测 控制的参数 主要有压力 温度 密度 浓度 液位 流量等 整个设计采用了集散控制系统对整 个系统进行控制 本文主要论述了应用力控监控组态软件 实现对山西铝厂氧化铝三厂铝的生产工艺 过程的实时监控 此应用软件主要控制其压力 温度 密度 浓度 液位 流量等模 拟量 从而实现其安全生产 并达到监控要求 关键词 铝厂 集散控制系统 监督与控制 组态 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 6 页 Supervisory and Control System Design of Evapotranspiration Workshop on Factory Configuration Software Composes Abstract The subject study the task and evaporate the supervising system in workshop of the plant the Bayer method used in AL O technology and the mother solution evaporation process is maintaining the product system fluid amount equilibrium and enriches liquor and clean the impurity such as CaCO3 and Na2SO4 and so on which in the production process accumulated along with deploys competent cycle lye side by side significant sequence Mother solution evaporation process technology is complex the parameter will examined and dominate chiefly include pressure temperature thickness concentration and fluid and rate of flow and so on The entire design adopted DCS and the control system adjust entirely systematically domineering Chiefly introduce the Kingview manufacture technology used in process real time supervision which achieved to NO 3 aluminum plant in the Shanxi Main control of this application software such as pressure temperature thickness concentration and fluid and the rate of flow and so on the analog thereby achieves such safe production and attains the supervision demand Key words Aluminum Distributed Control System DCS Supervisory and Control Configuration 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 7 页 目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 课题的来源和背景 1 1 2 拜耳法种分母液蒸发过程控制国内外发展现状 1 1 3 课题研究的目标和主要内容 2 2 2 山西铝厂三分厂蒸发车间监控系统设计方案山西铝厂三分厂蒸发车间监控系统设计方案 3 2 1 蒸发车间工艺流程概述 3 2 2 蒸发工艺监控系统整体设计 5 2 2 1 监控系统对控制的要求 5 2 2 2 监控系统方案简介 6 2 2 3 蒸发器监控参数点 8 3 3 监控组态软件监控组态软件 9 3 1 监控组态软件简介 9 3 2 监控组态软件及其发展 10 3 3 组态软件成长的历史背景 11 3 4 组态软件的发展趋势及现状 12 3 4 1 总的发展趋势 12 3 4 2 组态软件功能的变迁 12 3 4 3 推动组态软件发展的动力 13 3 4 4 用户对组态软件的需求变化 13 3 4 5 未来技术走势 13 3 5 组态软件的应用 特点及性能要求 14 4 4 监控组态设计监控组态设计 17 4 1 组态王 6 5 17 4 1 1 组态王软件的结构 17 4 1 2 组态王怎样和下位机通讯 17 4 1 3 怎样产生动画效果 18 4 1 4 建立应用程序的一般过程 18 4 2 一个新项目 19 4 2 1 项目的含义 19 4 2 2 项目简介 19 4 2 3 建立新项目 20 4 3 设计画面 21 4 3 1 建立新画面 21 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 8 页 4 3 2 使用图形工具箱 22 4 4 外部设备和数据库 23 4 4 1 定义外部设备 23 4 4 2 数据库的作用 24 4 4 3 定义变量的方法 24 4 4 4 变量的类型 27 4 5 让画面运动起来 28 4 5 1 动画连接的作用 28 4 5 2 建立动画连接 28 4 6 趋势曲线与实时报警窗口 29 4 6 1 趋势曲线的作用 29 4 6 2 报警窗口的作用 30 4 6 3 设置实时趋势曲线 30 4 6 4 设置实时报警窗口 32 4 7 历史数据 34 4 7 1 历史曲线的作用 34 4 7 2 绘制历史趋势曲线 34 4 7 3 建立历史报警窗口 37 4 7 4 退出程序的控制 37 4 8 参数报告 38 4 8 1 报告的用途 38 4 8 2 制作报告 38 4 9 增强系统的安全性 39 4 9 1 访问权限与操作权限 39 4 9 2 设置图形对象的访问权限 39 4 9 3 配置用户 39 4 9 4 登录 39 4 9 5 禁止退出应用程序 39 结束语结束语 41 致谢致谢 42 参考文献参考文献 43 附录附录 44 一 测量点说明 44 二 一组蒸发器测量点具体要求 47 三 需要报警的量 49 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 1 页 1 绪论 1 1 课题的来源和背景 本文以山西铝厂三分厂蒸发车间的自动化改造工程为背景 以具有典型 性的工业对象蒸发器为研究对象 进行预估模糊控制方法的研究 这一控制 方法对具有检测大滞后慢时变及非线性特点的类似系统具有较好的推广价值 1 2 拜耳法种分母液蒸发过程控制国内外发展现状 在拜耳法生产氧化铝工艺中 母液蒸发过程是保持生产系统液量平衡 浓缩溶液 排除生产过程中积累的碳酸钠 硫酸钠等杂质以及配置合格循环 碱液的一道重要工序 由于母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备以 及后续流程的生产过程 对增加产量 节能降耗 保证产品质量具有重要意 义 所以实现母液蒸发生产过程自动化一直是冶金行业倍加重视的研究问题 研究目标是对该过程的各种操作条件进行优化控制 以稳定生产过程 同时 最大限度地提高热能利用率 以减少蒸发的能量消耗 母液蒸发过程工艺复杂 要检测 控制的参数主要有压力 温度 密度 浓 度 液位 流量等 早在 20 世纪 80 年代 世界上有色冶金发达的国家如澳 大利亚 加拿大 美国 英国等在氧化铝生产的蒸发工序中就已经较完整地 采用或部分的采用集散控制系统 分层控制的体系进行自动控制 最低层采 用 PID 控制器控制一些操作变量 其上层是多变量控制器或计算机监控 由 他们设定 PID 控制器的给定值 以控制蒸发过程的气压 液位 密度 浓度 流量等参数稳定在他们相应的要求值上 最上层是优化层 提供个参数的最 佳给定值 在我国 20 世纪 90 年代中后期 少数氧化铝生产企业在拜耳法种分母 液蒸发过程中先后采用了只能调节器 工控机或小型集散控制系统 对某些 蒸发战的生产实现了一定程度的自动控制 如 1998 年 全国最大的氧化铝生 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 2 页 产基地山西铝厂与沈阳铝镁设计合作对铝厂的五蒸发站实现了计算机集散控 制 各工艺参数的控制都是采用 PID 控制 取得了一定的经济效益 在此之 前 广西的苹果铝业公司就已经对母液蒸发过程实现了 DCS 控制 较大程度 的提高了拜耳法生产循环效率 但其控制策略也还是 PID 精度较低 目前 国内氧化铝生产中 大多数蒸发车间的现状是各工艺参数的检测都要靠人工 到现场读取和记录 然后层层传颂 不能对生产过程及时进行调控 指标优 化空难极大 而且工艺所要求的参数由人工操作控制 精度差 现场跑冒滴 漏现象严重 给安全生产带来隐患 同时 也极大的影响了产品质量和产量 因此 对由人工控制的蒸发站建立自动监控系统 以减少工人劳动强度 提高工作效率 保证产品质量 对生产中用传统控制方法难以获得满意效果 的控制难点如蒸发器出料密度的控制 采用高级控制策略如模糊控制以提高 系统运行的可靠性 减少能耗 保证生产正常高效运行是非常必要的 1 3 课题研究的目标和主要内容 为了促进工业生产技术的发展 提高我国氧化铝生产过程的自动化水平 对拜耳法生产氧化铝的蒸发工序进行调查研究 建立起一个运行可靠 操作 方便灵活 功能适用 维护简单的监控系统 该系统的控制应实现下述目标 采用现场总线 FCS 控制方案实现对拜耳法种分母液蒸发过程的监测和控制 集中显示监测数据 稳定蒸发器的汽室蒸汽压力 实现恒压蒸汽真空蒸发 蒸发器设备规模庞大 每个效直径 3 米 高 9 3 米 内部结构复杂 监测时 滞大 采用预估模糊控制方法对蒸发器出料密度 浓度 进行在线监测和控 制 使出料密度 浓度 平稳 对蒸发器出料密度预估模糊控制系统进行仿真和分析 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 3 页 2 山西铝厂三分厂蒸发车间监控系统设计方案 2 1 蒸发车间工艺流程概述 山西铝厂三分厂采用烧结 拜耳混联法进行氧化铝生产 蒸发车间是拜 耳法氧化铝生产工艺中水量平衡的重要环节 用来浓缩溶液和分离在过程中 积累的杂质 纯碱 硫酸盐大部分有机物等 图 1 为拜耳法工艺原理示意图 种分车间送来的原液 主要成分为氢氧 化钠 碳酸钠 硫酸钠和氧化铝等的混合溶液 在原液槽经原液泵打入蒸发器 组 在新蒸汽加热下 进行逆流自然蒸发 从蒸发器组出来的高浓度混合溶 液 即蒸发母液由出料泵打至沉降槽中 碳酸钠 硫酸钠和氧化硅等杂质在 沉降槽自动析出 并沉降浓缩 底流经底流泵送到过滤机以滤饼形式排除杂 质 沉降槽溢流和过滤机出来的滤液一同流迸入溢流槽 经隘流泵送其它工 序调整成为符合生产要求的循环母液供给矿浆制备车间配料 工艺流程中 蒸发器组是拜耳法生产的一个重要环节 也是蒸发车的主要设备 蒸发车间是 1994 年新建日前需要改造的工程 共有 16 台蒸发器 分为 5 组 其中 1 2 3 5 组三效作业 第 4 组四效作业 多级蒸发装置中蒸发 器的专用术语称为效 组蒸发然流程示意图如图 2 所示 该组蒸发器由 效 效 效和 级闪蒸发器组成 原液经原液泵依次被打入 效 效和 效 各效之间由导料泵过料 图中实线所示方向 加热蒸汽按照效 效 效 效的方向迸入各效加热 图中虚线万问所示 并且 前一效 的二次汽作为后一效的热源使用 效出来的二次汽经水冷器冷却后 冷凝 成水进入热水池作循环水使用 由于料液流经的方向与蒸汽进入各效的方向 相反 这种蒸发方式称为逆流自然燕发 效出来的料液再经过 级闪 蒸器降温减压后 送往沉降糟分离 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 4 页 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 5 页 2 2 蒸发工艺监控系统整体设计 2 2 1 监控系统对控制的要求 经现场调查了解 蒸发车间的改造工程首先要建立自动监控系统 实现 各工艺参数的集中显示 以便对生产过程及时进行调控 从而改变目前人工 到现场读取和记录数据再层层传送 指标优化困难大的现状 另外 由于蒸 发作业存在着很大的监测滞后性 即蒸发过程发生后 较长一段时间内如三 效作业为 1 小时 监测仪器无法监测到料液的密度值 再加上环境温度的干 扰 给蒸发作业的自动控制带来困难 同时 在现场生产中 系统往往连续 长期运行 控制系统是否可靠 直接关系到财产安全及经济效益 因此 对 蒸发车间的自动控制设备和系统提出以下要求 可靠性 可靠性是控制系统设计的最基本原则 要求控制系统在长时间连续 工作情况下不出现故障 实时性 即能够在对象允许的时间间隔内对系统进行控制 计算和处理 一 般控制系统采集和控制的参数是比较关键的 这些参数的变化可能会影响到 正常生产或经济运行 因此这就要求控制系统能够及时地反映出这些参数的 变化 并加以处理控制 保证生产正常高效运行 安全性 要求系统中有专用的监控装置 用于监视系统的工艺设备 电源等 工作情况 故障出现时将系统自动切换到安全装置并发出声光报警 系统中 还要有安全连锁以防止误操作 控制系统能进行软手操和紧急手操 能实现 双向无扰动切换 在任何情况下 都有操作手段 防止操作失灵 抗干扰能力 蒸发过程中现场条件差 因此要求控制设备必须要采用光电隔 离 防爆 防尘等技术措施 使用维护方便 要求控制系统原理易于掌握 具有模块化的组件和功能 易 于检验维修 人机界面友好 要求界面系统简单明了 实用方便 易于操作 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 6 页 2 2 2 监控系统方案简介 根据总体设计方案和铝厂蒸发车间的实际工艺对过程控制的要求 并考 虑当前自动控制技术的新发展及企业发展的需要 选用运行可靠 功能强大 的 DCS 控制系统 采用 DCS 控制系统 上位机使用组态王 实现实时监控 下位机采用智能模块 PLC 采集现场数据 而连接上位机组态王与下位机可 编程控制器 PLC 的总线系统用 MOD BUS 来实现 实现上位机与下位机之间的 数据交换 从而实现了上位机对现场的实时监控 监控系统结构图如图 2 3 所示 上位机上位机打印机 PLC S7 300 温度变送器压力变送器密度计流量计液位变送器 MOD BUS 下位机 图 2 3 监控系统结构图 集散控制系统已发展成为工业过程自动控制的主流 随着大规模 超大 规模集成电路技术 计算机数字技术 通行技术 网络技术 控制技术 显 示技术 软件技术 安装布线技术等系统技术的应用 集散控制系统也不断 发展和更新 各制造厂商相继推出和更新各自的集散控制系统商品 在系统 的开放性 功能的综合性和先进性 操作的方便性和可靠性等方面都有不同 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 7 页 程度的改进和提高 产品的应用范围已不仅仅是工业控制领域的各个行业 而是向制造过程自动化和过程自动化的综合管理方向发展 并且集散控制系 统的功能分层是集散控制系统的体系特征 它充分反映了集散控制系统的分 散控制 集中管理的特点 集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散 控制 而且 随着计算机技术的发展 网络技术已经使集散控制系统不仅主 要用于分散控制 而且向着集成管理的方向发展 系统的开放不仅是不同制 造厂商的集散控制系统产品可以互相连接 而且使得他们可以方便的进行数 据交换 系统的开放也使得第三方的软件可以方便的在现有的集散控制系统 上应用 集散控制系统的好处 减少 等装置 由于可以将在现场相邻的一些仪表用一条现场总线相连再通往控制室 这样 就可以将隔离器 端子柜 终端及 卡件的数量减少 因而还可减少 装置及装置室的空间 免去了数字与模拟的转换 由于现场总线是实现了全数字化 所以可免去了像 那样需要进行的 数字 模拟 与 模拟 数字 转换 是精度可以从 5 0 提高到 1 0 减少了电缆 由于电缆的大幅减少 费用 还包括安装几调试在内 可以节约 或更 多 可以产生智能化的现场仪表 一台多变量的变送器可以同时测出管道内流体的压力 温度及流量 因此一 台多变量的变送器能顶上 台变送器之用 如此等等 改善调节的性能 集散控制系统中由于将 调节功能下放到现场仪表去以后是控制周期大 为缩短 从而改善了调解的功能 又由于主机的负荷得以减轻 集散控制系 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 8 页 统可以从事与系统更复杂 更先进的工作 如过程的优化等任务 降低了工程费用 采用了集散控制系统以后 不但减少了工程设计的工作量与图纸 而且也减 少了安装与调试的工作量 这些都意味着费用的降低 因此 在本次设计中我们选用了集散控制系统的思想进行设计的 本设计为了实现实时监控及修改或初始化系统 可用组态王软件来模拟现场 工艺流程 同时 设置实时曲线 历史曲线 报表及报警系统 实时监测现 场的变化情况 而现场中的变化情况需要通过智能模块可编程控制器 PLC 上 传到上位机组态王来实现 通过 MODBUS 协议进行数据交换 为了满足系统的 性能要求 需要对系统进行控制 所以对控制算法有一定的要求 这就用到 系统仿真 simulink 来判断系统是否达到性能要求 2 2 3 蒸发器监控参数点 蒸发器是蒸发过程的主体设备 要监控的参数很多 例如 液位 汽室 压力 液室压力 真空度 溶液温度 汽室温度 出料密度和进出料量等 这些参数能否得到稳定控制 对于提高蒸发效率 保证生产指标有极其重要 的意义 以 I 效为例 蒸发器监控参数点如图 2 4 所示 其它效基本相同 图 2 4 I 效监控参数点 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 9 页 3 监控组态软件 3 1 监控组态软件简介 监控随着工业自动化水平的迅速提高 计算机在工业领域的广泛应用 人们对工业自动化的要求越来越高 种类繁多的控制设备和过程监控装置在 工业领域的应用 使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求 在 开发传统的工业控制软件时 当工业被控对象一旦有变动 就必须修改其控 制系统的源程序 导致其开发周期长 已开发成功的工控软件又由于每个控 制项目的不同而使其重复使用率很低 导致它的价格非常昂贵 在修改工控 软件的源程序时 倘若原来的编程人员因工作变动而离去时 则必须同其他 人员或新手进行源程序的修改 因而更是相当困难 通用工业自动化组态软 件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法 因为它能够很好 地解决传统工业控制软件存在的种种问题 使用户能根据自己的控制对象和 控制目的的任意组态 完成最终的自动化控制工程 组态 Configuration 为模块化任意组合 通用组态软件主要特点有 1 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序 当现场 包括硬 件设备或系统结构 或用户需求发生改变时 不需作很多修改而方便地完成 软件的更新和升级 2 封装性 易学易用 通用组态软件所能完成的功 能都用一种方便用户使用的方法包装起来 对于用户 不需掌握太多的编程 语言技术 甚至不需要编程技术 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所 有功能 3 通用性 每个用户根据工程实际情况 利用通用组态软件提供 的底层设备 PLC 智能仪表 智能模块 板卡 变频器等 的 I O 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 10 页 Driver 开放式的数据库和画面制作工具 就能完成一个具有动画效果 实 时数据处理 历史数据和曲线并存 具有多媒体功能和网络功能的工程 不 受行业限制 最早开发的通用组态软件是 DOS 环境下的组态软件 其特点是具有简单 的人机界面 MMI 图库 绘图工具箱等基本功能 随着 Windows 的广泛应 用 Windows 环境下的组态软件成为主流 与 DOS 环境下的组态软件成为主 流 与 DOS 环境下的组态软件相比 其最突出的特点是图形功能有了很大的 增强 国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的 它具有应用时间 长 用户界面不理想 不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备 组态 软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素 这些也正是国内通用组态软 件在国内不能广泛应用的原因 随着国内计算机水平和工业自动化程度的不 断提高 通用组态软件的市场需求日益增大 近年来 一些技术力量雄厚的 高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件 这里特别推荐北京亚控自动化软件有限公司开发的组态王 Kingview 该软件由中国科技大学学士 清华大学硕士林伟总设计 经数十位工程师历 时五年开发成功 是最优秀的国产组态软件 全国同类软件产销量第一 目 前的版本是 6 5 组态王是一个具有易用性 开放性和集成能力的通用 组态软件 应用组态王可以使工程师把主要精力放在控制对象上 而不是形 形色色的通讯协议 复杂的图形处理 枯燥的数字统计 只需要进行填表式 操作 即可生成适合于你的 监控和数据采集系统 它可以在整个生产企业 内部将各种系统和应用集成在一起 实现 厂际自动化 的最终目标 3 2 监控组态软件及其发展 组态 的概念是伴随着集散型控制系统 distributed control system DCS 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的 在控制系统中使用的各种仪表中 早期的控制仪表是气动 PID 调节器 后来 发展为气动单元组合仪表 20 时记 0 年代后出现电动单元组合仪表和直接数 字控制系统 direct digital control DDC 70 年代中期随着微处理器的 出现 诞生了第一代 DCS 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 11 页 由于每一套 DCS 都是比较通用的控制系统 可以应用到很多领域中 为 了不需要便代码程序的情况下 便可生成适和自己需求的应用系统 每个 DCS 厂商在 DCS 中都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 只是将这种应用软件设计生成 目标应用系统的过程称为 组态 configure 或 做组态 监控组态软件是面向监控与数据采集 supeivisory control and data acquisition SCADA 的软件平台工具 具有丰富的设置项目 使用方式灵活 功能强大 监控组态软件最早出现时 HNI human machine interface 或 MMI man machine interface 是其主要内涵 即主要解决人机图形界面问 题 随着它的快速发展 实时数据库 实时控制 通信及联网 开放数据接 口 对设备的广泛支持已经成为它的主要内容 随着技术的发展 监控组态 软件将会不断被赋予新的内容 直到现在 每个 DCS 厂家的组态软件仍是专用的 即与硬件相关的 不扣相 互替代 从 80 年代末开始 由于个人计算机的普及 国内开始有人研究如何 利用 PC 进行工业监控 同时开始出现 PC 总线的 A D D A 计数器 DIO 等 各类 I O 板卡 应该说国内组态软件的研究起步时不晚的 当时有人在的 MS DOS 基础上用汇编语言或 C 语言编织袋后台处理能力的监控组态软件 有 实力的研究机构则在实时多任务操作系统 IRMX86 或 VRIX 上做文章 均未形 成有竞争力的产品 随着 MS DOS 和 IRMX86 用户数量的萎缩和微软公司 WINDOWS 操作系统的普及 给予 PC 的监控组态软件才迎来了发展机遇 以利 空软件为代表的国内软件也经历了这一复杂过程 世界上第一个把组态软件 作为商品进行开发 销售的专业软将公司是美国的公司 它与 80 年代末率先 推出第一个商品化监控组态软件 Intouch 此后监控组态软件在全球得到了 蓬勃的发展 目前世界上的状态软件有几十种之多 总装机量有几十万套 伴随着信息化社会的到来 监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越 重要的角色 每年的市场增幅都会有较大增长 未来的发展前景十分看好 3 3 组态软件成长的历史背景 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 70 年代初 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 12 页 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 计算机能力的基础上 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一直都从事工业开展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 1975 年美国公司 Honeywell 提出的世 界上第一套 DCS TDC 2000 而随后的 20 年间 DCS 及其计算机控制技术日趋 成熟 得到了广泛应用 这一阶段虽然 DCS 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 造成了 DCS 在中小型项目 上的单位成本过高 使一些中小型项目不得不放弃使用 DCS 80 年代中后期 随着个人计算机的普及和开放系统概念的推广 基于个人计算机的监控系统 开始进入市场 发展并壮大 组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成 部分 比监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间 组态软件之所以得到用户和 DCS 厂商的认可 主要有以下两个原因 1 个人家算机系统日趋稳定可靠 实时处理能力增强且价格便宜 2 个人极端机的软件及开发工具丰富 是组态软件的功能强大 开发周 期相应缩短 软件升级和维护也较方便 目前 多数组态软件都是在 Windoes3 1 和 Windows3 2 操作系统下慢慢 成熟起来的 国外少数组态软件可以在 OS 2 或 Unit 环境下运行 目前绝大 多数组态软件都运行在 Windows98 XP NT 环境下 组态软件开发工具以 C 为主 也有少数开发上使用 Delphi 或 C Builder 一般来讲 使用 C 开发的产品运行效率更高 程序代码更短 运行速度更 快 但开发周期要长一些 其他开发工具则相反 3 4 组态软件的发展趋势及现状 3 4 1 总的发展趋势 组态软件是工业应用软件的一个组成部分 其发展受到很多因素的制约 归根结底 应用的带动对其发展起这支为关键的推动作用 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 13 页 用户要求的多样化 决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有要求 直接用户对监控系统人机接口的需求不可能固定为单一的模式 因此直接用 户的监控系统始终需要 组态 和 定制 的 这就导致组态软件不可能退 出市场 因为需求是存在的 3 4 2 组态软件功能的变迁 由单一的人机接口朝数据处理机的方向发展 管理的资料越来越大 最 早的组态软件涌来支撑自动化系统的硬件 那时候 硬件系统如果没有组态 软件的支撑将很难发挥作用 甚至不能正常工作 现在的情况有了很多的改 观 一方面软件部分的与硬件发生分离 大部分自动化系统的硬件和软件现 在不是由同一个厂商提供 这样就为自动化软件的发展提供了可以充分发挥 作用的舞台 实时数据库的作用将进一步加强 实时数据库存储和检索是连 续变化的过程资料 它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘 现在越来 越多的用户通过实时数据库来分析生产情况 汇总合统计生产资料 作为指 挥决策的依据 3 4 3 推动组态软件发展的动力 需求是推动发展的第一动力 市场会逐步扩大 组态软件市场的崛起一 方面为最终用户节省了系统投资 另外也为用户解决了实际问题 社会信息 化的加速是组态软件市场增长的强大推动力 随着经济发展水平的提升 信 息化社会将为组态软件带来更多的市场机会 3 4 4 用户对组态软件的需求变化 目前的组态软件均生产于过程工业自动化 很多功能没有考虑其它应用 领域的需求 例如 化验分析 虚拟仪器 测试 信号处理 这些领域大量 的使用实时数据库软件 而且需要人机接口 但是由于现有组态软件为这些 应用领域考虑得太少 不能充分满足系统的要求 因而目前这些领域仍然是 专用软件占统治地位 随着计算机技术的飞速发展 组态软件应该更多地总 结这些领域的要求 设计出符合应用要求的开发工具 更好的满足这些行业 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 14 页 对软件的需求 进一步减少这些行业在自动测试 资料分析方面的软件成本 提高系统的开放程度 3 4 5 未来技术走势 很多新的技术将不断地被应用到组态软件中 组态软件装机总量的提高 会促进在某些专业领域专用版软件的诞生 市场被自动地细分了 为此 一 种称为 软总线 的技术将被广泛采用 在这种体系结构下 应用软件一种 间或插件的方式被 安装 在总线上 并支持热插拨和即插即用 XML 技术 将被组态软件厂商善加利用 来改变现有的体系结构 它的推广也将改变现 有组态软件的某些使用模式 满足更为灵活的应用需求 3 5 组态软件的应用 特点及性能要求 组态软件作为单独行业的出现是历史的必然 其发展和成长与网络技术 的发展和普及密不可分 一 应用 现场总线技术的成熟更加速了组态软件的应用 另外 能够同时兼容多 种操作系统平台是组态软件的发展方向之一 未来组态软件也要求跨操作系 统平台 至少同时兼容 WinNT 和 Linux Unix 组态软件的应用不仅仅是局限在工业企业 在农业 环保 邮政 电信 实 验室 医院 金融 交通和航空等各行业均能找到使用组态软件的实例 1 组态软件设计思想及特点 1 设计思想 在多任务环境下 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 地加强 因此 姿态软件一般都有若干组件构成 一般的组态软件都有下列组态软件构成 图形接口系统 实时数据库系统 第 三方程式接口组件 控制功能组件 下面将分别讨论每一种组件的设计思想 1 在图形画面生成方面 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 15 页 构成现场和过程图形的画面被划分成三类简单的对象 线 填充形状和文 本 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 表达是可以是 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 在图形接口上还具备报警通知及确认 报表组态及打印 历史资料查询与显 示等功能 各种报警 报表 趋势都是动画连接的对象 其资料都可以通过组 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 在图形接口中各类组态软件普遍提供了一种 BASIC 语言的编程工具 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的执行 是 与对象密切相关的 2 实时数据库 实时数据库是更为重要的一个组件 PC 的处理功能太强了 因此实时数据库 更加充分的表现了组态软件的长处 实时数据库可以存储每个工艺点的多年资 料 用户既可以浏览工厂当前的生产情况 又可回顾过去的生产情况 可以说 实时数据库对于工厂来说如同飞机上的 黑匣子 工厂的历史资料是很有价 值的 实时数据库具有资料档案管理功能 工厂的时间告诉我们 现在很难知道 将来进行分析时 哪些资料是必需的 因此 保存所有的资料是防止丢失信息的 最好的方法 3 通信及第三方程式接口组件 这是开放系统的标志 是组态软件与第三方程式交互实现远程资料访问的重要 手段之一 它有下面三个主要方面 用于双机冗余系统中 主机与从机件的通信 用于购建分布式 HMI SCADA 应用时多吉坚的通信 在 Internet 或 Browser Server B S 基于或应用中实现通信功能 通信组件中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 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 16 页 序当中 不被 显示 地使用 2 对组态软件的性能要求 实时多任务 高可靠性 标准化 二 监控组态软件在自动监控系统中所处的地位 在一个自动监控系统中 投入使用的监控组态软件是系统的数据收集中 心 远程监视中心和数据转发中心 处于运行状态的监控组态软件与各种控 制 检测设备共同构成快速响应 控制中心 控制方案和算法一般在设备上组 态并执行 也可以在 PC 机上组态 然后下装到设备中执行 根据设备的具 体要求而定 如图所示 当监控软件投入运行时 操作人员应可以在他的支持下完成下面几个任务 察看生产现场的实时数据及流程画面 自动打印各种实时 历史报表 自由浏览各个实时 历史趋势画面 及时得到并处理各种过程报警和系统报警 在需要时 人为干预产生过程 修改生产过程参数和状态 与管理部门的计算机联网 为管理部门提供生产实时数据 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 17 页 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 18 页 4 监控组态设计 4 1 组态王 6 5 4 1 1 组态王软件的结构 组态王 是运行于 Microsoft Windows 98 NT 中文平台的全中文界面 的组态软件 采用了多线程 COM 组件等新技术 实现了实时多任务 软件 运行稳定可靠 组态王具有一个集成开发环境 组态王工程浏览器 在工程 浏览器中您可以查看工程的各个组成部分 也可以完成构造数据库 定义外 部设备等工作 画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统 TOUCHMAK 和画面运行系统 TOUCHVEW 来完成的 TOUCHMAK 是应用程序的开发环境 您 需要在这个环境中完成设计画面 动画连接等工作 TOUCHMAK 具有先进完善 的图形生成功能 数据库中有多种数据类型 能合理地抽象控制对象的特性 对变量报警 趋势曲线 过程记录 安全防范等重要功能都有简单的操作办 法 TOUCHVEW 是 组态王 软件的实时运行环境 在 TOUCHMAK 中建立的图 形画面只有在 TOUCHVEW 中才能运行 TOUCHVEW 从工业控制对象中采集数据 并记录在实时数据库中 它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出 来 同时完成变量报警 操作记录 趋势曲线等监视功能 并生成历史数据 文件 4 1 2 组态王怎样和下位机通讯 组态王 把第一台下位机看作是外部设备 在开发过程中您可以根据 设 备配置向导 的提示一步步完成连接过程 在运行期间 组态王通过驱动程序 和这些外部设备交换数据 包括采集数据和发送数据 指令 每一个驱动程序 都是一个 COM 对象 这种方式使通讯程序和组态王构成一个完整的系统 既保证了运行系统的高效率 也使系统能够达到很大的规模 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 19 页 4 1 3 怎样产生动画效果 开发者在 TOUCHMAK 中制作的画面都是静态的 那么它们如何以动画方式 反映工业现场的状况呢 这需要通过实时数据库 因为只有数据库中的变量 才是与现场状况同步变化的 数据库变量的变化又如何导致画面的动画效果 呢 通过 动画连接 就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系 这样 工业现场的数据 比如温度 液面高度等 当它们发生变化时 通过驱动程 序 将引起实时数据库中变量的变化 如果画面上有一个图素 比如指针 您规定了它的偏转角度与这个变量相关 您就会看到指针随工业现场数据的 变化而同步偏转 动画连接的引入是设计人机接口的一次突破它把程序员从 重复的图形编程中解放出来 为程序员提供了标准的工业控制图形界面 并 且有可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能 4 1 4 建立应用程序的一般过程 建立应用程序大致可分为以下四个步骤 1 设计图形界面 2 构造数据库 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 20 页 3 建立动画连接 4 运行和调试 需要说明的是 这四个步骤并不是完全独立的 事实上 这四个部分常 常是交错进行的 在用 TOUCHMAK 构造应用程序之前 您要仔细规划您的项目 主要考虑三方面问题 图形 您希望用怎样的图形画面来模拟实际的工业现场的相应的工控设备 用组态王系统开 发的应用程序是以 画面 为程序单位的 每一个 画面 对应于程序实际运行时的一个 Windows 窗口 数据 怎样用数据描述工控对象的各种属性 也就是创建一个实时数据库 用此数据库中的变量来反映工控对象的各种属性 比如 电源开关 您的规 划中可能还要为临时变量预留空间 动画 数据和图形画面中的图素的连接关系是什么 也就是画面上的图素 以怎样的动画来模拟现场设备的运行 以及怎样让操作者输入控制设备的指 令 4 2 一个新项目 4 2 1 项目的含义 在 组态王 中 您开发的每一个应用系统称为一个项目 每个项目必 须在一个独立的目录中 不同的项目不能共用一个目录 项目目录也称为工 程路径 在每个工程路径下 组态王为此项目生成了一些重要的数据文件 这些数据文件一般是不允许修改的 4 2 2 项目简介 建立一个工厂蒸发车间的监控中心 监控中心从车间现场采集生产数据 并以动画方式直观地显示在监控画面上 监控画面还将显示实时趋势曲线和 报警信息并提供查询历史数据的功能 最后完成一个数据统计的报表 使用 工程浏览器程浏览器是组态王的集成开发环境 在这里你可以看到工程的各 个组成部分 包括画面 数据库 外部设备 系统配置等 它们以树形结构 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 21 页 表示 工程浏览器的使用和 Windows95 的资源管理器类似 不再详述 4 2 3 建立新项目 假设你已经正确安装了 组态王 首先启动组态王工程浏览器 工程浏 览器运行后 将打开你上一次工作后的项目 如果你是第一次使用工程浏览 器 默认的是组态王示例程序所在的目录 为建立一个新项目 请执行以下 操作 在工程浏览器中选择菜单 工程 新建 出现 新建工程 对话框 在 对话框中输入工程名称 myproj 在工程描述中输入 工程路径自动指定为当 前目录下以工程名称命名的子目录 如果你需要更改工程路径 请单击 浏览 按钮 单击 确定 组态王将在工程路径下生成初始数据文件 至此 新项 目已经可以开始建立了 你可以在每一个项目下建立数目不限的画面 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 22 页 4 3 设计画面 4 3 1 建立新画面 在工程浏览器中左侧的树形视图中选择选择 画面 在右侧视图中双击 新建 工程浏览器将运行组态王开发环境 TOUCHMAK 弹出如下对话框 在 新画面 对话框中设置如下图 在对话框中单击 确定 TOUCHMAK 将 按照你指定的风格产生一幅名为 监控中心 的画面 毕业设计 论文 报告纸毕业设计 论文 报告纸 共 58 页 第 23 页 4 3 2 使用图形工具箱 接下来在此画面中绘制各图素 绘制