电气电子毕业设计97热处理工艺流程计算机控制系统设计
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电气电子毕业设计97热处理工艺流程计算机控制系统设计,毕业设计论文
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热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 1 1. 设计题目 设计题目 :热处理工艺流程计算机控制系统 2. 设计任务主要内容 学习、掌握组态王组态软件的应用； 设计热处理工艺流程总画面； 设计热处理工艺流程总貌画面； 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； 研究热处理工艺流程的控制策略； 采用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱进行系统仿真； 设计控制系统硬件结构，编写部分 PLC 控制程序 ; 写毕业论文。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 2 热处理工艺流程计算机控制系 摘 要 本文研究课题为热处理工艺计算机控制系统。热处理是改良金属性能的工艺方法， 它能使金属性能满足特定的工业要求。 本文中介绍了一种用以控制热处理工艺流程的计算机控制系统。本文给出了系统的总体设计：整个设计采用了集散控制系统对整个系统进行控制，上位机采用组态软件组态王进行实时监控，下位机采用可编程控制器 PLC进行现场数据采集，并采用 PROFIBUS现场总线实现上位机与下位机之间的数据交换。重点介绍了 Smith预估控制对整个系统的控制。详细论述了所用到的软、硬件及协议。 关键字 ： 热处理 ， Smith 控制算法 ， 组态王 ， 可编程控制器 ， 集散控制系统 ， PROFIBUS 总线。 Abstract The essay is about Heat Treatment Computer Control System. Heat treatment is used to improve metals function in order to satisfy the particular industrial request. The essay introduces a kind of Computer Control System which is used to control Heat Treatment. The structure of the system is described. The design adopts DCS which controls the whole system. The paper employs King View which monitors the whole system and PLC which collects data. Meanwhile, PROFIBUS exchanges data between King View and PLC. The stress of essay is Smith predict control which control the whole system. And the software and hardware configuration are detailed. Key words: heat treatment Smith predict control King View PLC PROFIBUS DCS nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 3 目 录 第一章 前 言 . 1 第二章 热处理工艺 . 2 2.1 钢的热处理原理 . 2 2.2 钢的热处理工艺 . 2 2.2.1 高温热处理 . 2 2.2.2 钢的回火 . 3 2.2.3 低温冷却热处理 . 3 第三章 热处理工艺的控制思想设计 . 4 第四章 现场总线 PROFIBUS 的简单介绍 . 6 4.1 现场总线 PROFIBUS 的概念 . 6 4.2 PROFIBUS 的基本特点 . 6 4.3 现场总线的优点 . 7 4.4 现场总线实施方案 . 7 第五章 系统的集散控制 . 9 5.集散控制系统的简介 . 9 5.1.1 集散控制系统的特点 . 9 5.1.2 集散控制系统的基本构成 . 9 5.1.3 DCS 的集中监控 . 10 5.2 组态王软件 . 12 5.2.1 组态王组态软件的应用现状及发展前 景 . 12 5.2.2 组态王的优点 . 13 5.2.3 组态王的工作原理 . 15 5.2.4 组态王组态软件的具体设计 . 15 5.3 下位机 PLC 可编程控制器的设计 . 20 5.3.1 PLC 的简介 . 20 5.3.2 PLC 控制系统设计的内容和步骤 . 23 5.3.3 应用程序的具体设计 . 25 第六章 系统仿真与施密斯预估控制 . 33 6.1 快速加热环节的系统仿真 . 33 6.1.1 系统数学模型的建立 . 33 6.1.2 控制算法的确立及初步整定 . 34 6.1.3 该环节的系统仿真及参数修正 . 37 6.1.4 本节小结 . 39 6.2 回火段的系统仿真 . 39 6.2.1 回火段中各个环节数学模型的建立 . 39 6.2.2 回火段控制算法的确定 . 40 6.2.3 施密斯补偿原理 . 42 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 4 6.2.4 施密斯预估补偿控制系统 . 44 6.2.5 回火段各环节控制 及仿真 . 46 6.3 冷却段的系统仿真 . 53 6.4 本章总结 . 55 后 记 . 57 附 录 . 58 参 考 文 献 . 60 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 1 第一章 前 言 金属材料是以金属元素为主而构成的并具有一般金属特性的材料，它广泛的应用于现代人类生活和生产中，是现代工业和科学技术等方面不可缺少的重要材料，金属材料之所以被广泛的应用，是由于它具有优良的使 用性能和工艺性能，而金属性能取决于它的内部组织和结构，而组织和结构又取决于它的化学成分和处理条件。 因此热处理这门古老而又年轻的学科，古往今来在人们的生活实践中产生，在人们的实践中发展，也对人们的生存产生了重要的影响，早在春秋战国时期，人们通过热处理使得宝剑更锋利，通过化学处理保持金属不锈，在 2000 多年前的汉代就有热处理方法的记载，在三百多年前的明代，人们能将淬火退火和渗碳技术等工艺方法熟练的被广泛地运用于实践中。 进入现代热处理对于近代工业的贡献 -更为突出，热处理并不改变零件的外形，却能使其寿命成倍的增 加，随着科学技术的进步，人类在宇航事业原子能以及现代兵器领域，对金属材料的制造的零件提出了更高的要求，如高强度高抗腐蚀耐高温抗疲劳等，要满足这些特殊性能的要求，通过热处理这种工艺方法改变金属内部的组织结构，从而得到预期的强化的目的是非常有效的。 进入 20 世纪以来，热处理这门学科得到了突飞猛进的发展，随着检测手段的进步，人们应用定量技术，电子显微技术和 x 射线与俄歇谱仪等揭示出金属及金属更微观的结构，对金属学及热处理的一些基础理论的研究发挥了巨大的作用。为了适应现代技术的要求，热处理的研究同样也是方兴未艾，尤其 值得一提的是热处理的工艺方法已经完全改变了古老热处理的面貌，在当今的热处理的实践的活动中涌现的新的技术是氮基气氛热处理、真空热处理、可控气氛热处理、离子热处理、形变热处理、流态化热处理、电子束热处理、各种化学热处理复合参数及强韧化技术它们均已进入了实用化阶段。 计算机及电子技术的发展，也带动了热处理设备及监测仪器的智能化，使得热处理的工艺的参数的控制更精确更合理。现代热处理技术的广泛地运用有效的解决了变形开裂淬火及脆裂等三大难题，而且成倍的提高了机器零件及工模具的寿命。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 2 第二章 热处理工艺 2.1 钢的热处理 原理 热处理是改变金属材料的组织结构从而获得预期性能的重要手段，它可以几倍、几十倍的提高工件寿命。热处理讨论在各种不同冷却条件下的组织结构变化。主要研究钢在加热、冷却时的组织结构与性能的变化规律，以作为热处理工艺的理论基础。 钢的热处理，是通过一定规范的加热、回火、保温、冷却方法，来改变钢的内部组织结构，从而获得预期性能的操作工艺。热处理工艺可以用温度时间曲线表示，称为热处理工艺曲线。具体的热处理工艺曲线，要在图中标出加热的温度、保温时间、加热冷却速度以及冷却介质等等。 从热处理的变化和操作特点划分，钢的 热处理包括普通热处理、表面热处理和特殊热处理。从热处理的目的及其在生产流程中的位置，又可分为预先热处理（或称中间热处理）是为了改善工艺性能以便随后的机械加工或者为进一步热处理做好组织准备的热处理，如铸、锻件在机加工前为了消除应力，调整硬度而进行的退火、正火等等。最终热处理是为了达到使用性能而进行的热处理，淬火回火多属于最终热处理。 形变热处理是在金属材料上有效的综合利用形变强化和相变强化，将压力加工与热处理操作相结合，使成型工艺同获得最终性能统一起来的一种复合方法。这种方法不但能够得到一般加工处理所达不到的 高强度与高塑性（韧性）的良好组合，而且还能大大简化金属材料或工件的生产流程，因而得到了冶金工业、机械制造及尖端技术部门的普遍重视。 2.2 钢的热处理工艺 2.2.1 高温热处理 高温形变热处理是将钢加热至 Ac3 以上，在稳定的奥氏体温度范围内进行变形，然后立即淬火，使之发生马氏体转变并回火至需要的性能。从工艺过程看，形变温度较高，形变过程容易进行，但形变温度远高于再结晶温度，形变强化效果易于被再结晶过程所削弱，故应严格控制变形后至淬火前的停留时间，形变后立即淬火冷却。 形变温度和形变量显著影响高温形变热处理的 强化效果。形变温度高，加速了再结晶软化过程，故一般变形温度 (终轧温度 )以 9000C 左右为宜。形变量增加，强度增加，塑性下降。但当形变量超过 40以后，反而强度降低，塑性增加。这是由于明显的变形热效应使钢温度升高，加快再结晶软化过程，故高温形变热处理的形变量控制在 20 40之间。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 3 2.2.2 钢的回火 回火是将淬火后的钢在 c1 温度以下加热保温，再以适当方式冷却至室温，使其转变为稳定组织并获得预期性能的热处理工艺。生产中实际采用的回火有以下几种： 2.2.2.1 低温回火 回火温度为 150250OC，回火后的组织为回火马氏体。其目的是保持工件的高硬度，高耐磨性，并适当降低马氏体的脆性和淬火应力，使之具有一定的韧性。 低温回火主要用于高碳的碳钢及合金钢工模具、量具、滚动轴承和渗碳工件等。 2.2.2.2 中温回火 回火温度为 350500O，回火后的组织为回火屈氏体，中温回火的主要目的是获得高的弹性和足够的硬度，同时保持一定的韧性。 中温回火主要用于各种弹簧，也应用于某些模具（如热锻模）的处理。 2.2.2.3 高温回火 回火温度为 500 6500C，回火后的组织为回火索氏体习惯上将淬火和高温回 火的双重处理称为调质，其目的是使零件获得较高的强度与韧性相配合的综合机械性能。 高温回火用于各种连接和传动的结构钢零件，如曲轴、半轴、机床主轴、连杆螺栓等。 此外，还有在 6006800C 的回火，称为高温软化回火，得到回火珠光体（粒状），用于高碳高合金钢的淬火返修品（代替球化退火）及其他场合。 经淬火、回火后的力学性能常以硬度来衡量。回火后的硬度主要取决于回火温度。在各个回火温度下，硬度变化最剧烈的时间一般是最初半小时内，回火时间超过 2h 后，硬度变化很小。因此生产上一般工件的回火时间均为 13h，按工件尺寸 及装炉量进行调整。 2.2.3 低温冷却热处理 工件回火后的冷却一般采用空冷，一些重要的机器零件和工模具，为了防止重新产生内应力和变形开裂，通常采用缓慢冷却的方式。对于有高温回火脆性的钢种，回火保温后应进行油冷或水冷，以防止回火脆性出现。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 4 第三章 热处理工艺的控制思想设计 此次毕业设计是针对一根粗铁丝通过几道高温（如： 1100 摄氏度， 800 摄氏度， 650摄氏度， 500 摄氏度等）加热而变成细铁丝。通过对各道高温的温度控制，而实现对铁丝的热加工处理，从而满足加热后，铁丝的性能要求：铁丝的韧性、强度、硬度。 控制 思想： 采用 CS 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 的总线系统用现场总线profibus 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。 系统结构框架为： profibus 下位机 图 3-1 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。 集散控制系统的好处： 一、 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。 PLC PLC PLC PLC PLC 上位机 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 热电偶 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 5 二、 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 。 三、 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。 四、 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。 五、 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。 六、 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该热处理系统，可用组态王软件来模 拟现场热处理工艺流程，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 profibus 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。 综上，本设计所涉及到的软件有：组态王，系统仿真 simulink,可编程控制器plc,profibus 总线等。而这些软件和硬件的设计在下面的章节中进行详细介绍，在这里就不再 赘述了。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 6 第四章 现场总线 PROFIBUS 的简单介绍 进入世纪年代，工业生产的规模越来越大，生产的过程也日益强化；并且人们对环境保护和生产安全的意识也更加提高，国家也制订了与之有关的规程或法令。此外，随着经济的国际化，企业之间的竞争不可避免，这就迫使企业的生产向着稳产、高效、优质、节能、环保与安全的方向发展。因此对生产过程进行监测与控制的点数与质量要求也越来越高。因此，寻求现场仪表的数字化、智能化，使大量的一般控制功能下放到现场去解决，以减少主机的负担：同是通向控制室的电缆数量也要求减少。因此，现场 总线就充当了这种角色，而解决了此问题。 现场总线控制系统是采用现场总线作为通信系统的控制系统。现场总线控制系统将使控制得到最终的分散，从而使 D系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行对整个系统的优化、信息管理和调度等工作。现场总线控制系统把控制功能移到现场，减少了系统所需的空间，减少了输入输出的接口，减少了机柜的空间和附属设备，例如安全隔离栅、接线端子等。 4.1 现场总线 PROFIBUS 的概念 PROFIBUS 现场总线是上位机与现场进行数据交换的协议，是用于现场仪表与控制室系统的一种开放、全 数字化、双向、多站的通信系统。它是一种在制造业自动化和过程自动化领域有着广泛应用的、与设备制造商无关的、开放的现场总线标准。 PROFIBUS 协议通常用于实现与分布式 I/O（远程 I/O）的高速通讯。可以使用不同厂家的 PROFIBUS 设备。这些设备包括普通的输入 /输出模块、电机控制器和 PLC。 4.2 PROFIBUS 的基本特点 PROFIBUS 定义串行现场总线系统的技术特征。串行现场总线可以从现场级到单元级，使分散的数字可编程的控制器形成网络。 PROFIBUS 是一个多主站系统，他允许若干个带各自从站的分散外 设的自动化系统、工程系统或可视化系统在一条总线上联合运行。 PROFIBUS 分为主站设备和从站设备两类。 （） 主站设备（ Master device）决定总线上的数据通信。当主站持有总线存取权（令牌， token）时，它可以发送报文而不需要有外部请求。主站也称为主动站。 （） 从站设备（ Slave device）时外围设备，如设备、阀门、驱动器和测量变送器等。它们没有总线存取权，他们只能应答所接收到的报文或当主站请求时向主站回发报文。从站称为被动站。由于它们只需要实现nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 7 总线协议的一部分功能，因此其实现特别经济。 4.3 现场总线的优点 用户对产品的选择权增至最大。采用现场总线标准的智能仪表不仅具有强大的各种功能，而且，由于具有可互操作性，使得用户不必为所选仪表是否能与原有的仪表、接口互配而烦恼。 消除了 mA 模拟以表通信的瓶颈现象。 降低现场安装费用和减少相应的设备。 为用户提供更多的功能。由于采用双向通信，因此，用户可以在控制室通过现场总线对位于现场的智能仪表进行标定、校验和进行故障的诊断等，用户可以得到仪表的更多信息，例如仪表位号、最近一次标定的时间等。此外，由于控制功能下移到变送器或执行器，是采样周期缩 短，控制质量提高。 增加了系统的自治性。采用现场总线标准的智能仪表后，操作人员可以在控制室方便地对生产过程进行监视、操作和控制。原分散过程控制装置的功能在现场仪表中实现，从而增加了系统的自治性。 提高了系统的监测精度和鲁棒性。 系统组态简单，安装、运行和维修方便。现场总线仪表的组态可以在控制室进行，它的调试也比模拟仪表方便和快捷。自诊断的功能是维修变得十分方便。 4.4 现场总线实施方案 PROFIBUS 现场总线是当今国际上比较流行的一种现场总线 ，具有很好的灵活性和可靠性，在性能价格比上也占有很大的优 势。 PROFIBUS-DP 具有快速、即插即用、效率高、成本低等特性。 SIEMENS-S7 系列可编程控制器 S7-200 完成现场采集，通过冗余的双环光缆PROFIBUS 现场总线与中央管理控制系统的冗余通信、数据服务器相连接，并使用组态王软件进行所有可编程控制器的集中管理、组态和维护、利用法国 ARC 公司 PCVUE32人机界面图形控制软件进行人机交互，实现整个隧道机电系统的控制、协调和管理，由此提高了系统的可靠性、可用性、灵活性，优化了系统结构和性能。控制系统划分为三个技术层次，即现场控制层（包括中央控制器）、数 据库服务层、中央管理层。 （ 1）低层（现场控制层）：现场控制层按功能可分为交通检测与诱导控制子系统、通风检测与控制子系统、照明检测与控制子系统以及中央控制子系统等几部分。其中每个子系统区域由区域控制器（ SIEMENS S7 系列可编程控制器）实现各部分相关信号的检测与控制。 （ 2）中间层（数据库服务层）：作为现场控制层与中央管理层之间的数据接口。一方面，数据库服务器通过 PROFIBUS 总线实现现场控制的数据记录与管理，另一方面，服nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 8 务器中的数据库又是上层即中央管理系统的数据来源。 （ 3）最高层（中央管理层）：负 责实时监视系统状态，并根据需要控制现场设备动作、统计系统运行信息、调整系统功能等。 PROFIBUS 是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线。各个控制点相对集中处分别设置区域控制器，进行分散控制。某一控制点或控制器的故障或失效，不会影响整个系统的安全运行。中央管理系统和现场控制系统之间，配置了冗余的、可靠性高的通信、数据、数据库服务器，使系统的可靠性大大提高。冗余的环形光缆 PROFIBUS 总线系统，保证在灾难情况下系统的有效性；贯穿整个控制区域的 PROFIBUS 现场总线技术，是 当前应用最广泛的现场总线技术，对于来自任何厂家的设备都是开放的。 整个控制系统采用德国西门子公司的全集成自动化技术，由于硬件、软件之间的充分协调，以及在整个系统内完全一体化，使得系统的整体性非常高。各个区域控制器通过冗余的环形光缆 PROFIBUS 总线而成为一个整体，任何控制器都可以透明、快捷的访问系统中任一个输入 /输出点和进行信息交换如同人体血液流动一样自然通畅。 使用 EM277 将 S7-200CPU 作为 DP 从站连接到网络 通过 EM277PROFIBUS-DP 扩展从站模块，可将 S7-200CPU 连接到 PROFIBUS-DP网络。 EM277 经过串行 I/O 总线连接到 S7-200CPU。 PROFIBUS 网络经过其 DP 通信端口，连接到 EM277PROFIBUS 模块。 作为 DP 从站， EM277 模块接受从主站来的多种不同的 I/O 配置，向主站发送和接受不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多 DP 站不同的是， EM277 模块不仅仅是传输 I/O 数据。 EM277 能读写 S7-200CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到S7-200CPU 中的变量存储器，就 可将输入、计数值、定时器值或其他计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在 S7-200CPU 中的变量存储器内，并可移到其他数据区。 主站通过将其输出区来的信息发送给从站的输出缓冲区（称为“接受信箱”），与每个从站交换数据。从站将其输入缓冲区（称为发送信箱）的数据返回给主站的输入区，以响应从主站来的信息。 EM277 可用 DP 主站组态，以接受从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。输出和输入数据缓冲区驻留在 S7-200CPU 的变量存储器（ V 存储器）内。当用 0 户组态DP 主站时，应定义 V 存储器内的字节位置。 从这个位置开始为输出数据缓冲区，它应作为 EM277的参数赋值信息的一个部分。用户也要定义 I/O配置，它是写入到 S7-200CPU的输出数据总量和从 S7-200CPU 返回的输入数据总量。 EM277 从 I/O 配置确定输入和输出缓冲区的大小。 DP主站将参数赋值和 I/O配置信息写入到 EM277 PROFIBUS-DP模块，然后， EM277 将 V 存储器地址和输入及输出数据长度传送给 S7-200CPU。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 9 第五章 系统的集散控制 集散控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统 。它融合自动控制技术、计算机技术与通信技术为一体的，具有技术先进、功能完备、应用灵活、运行可靠等优点。它凝结着高科技成果，是实现全工厂自动化集中综合管理、功能及位置分散的最新过程控制系统。自 70 年代以来，世界各大仪表公司、控制系统公司都各自相继开发出具有各自特色的集散控制系统。我国也早已注视并引进了这一技术及系统，开始有成效地应用到一些重点工程及大型石油、化工、电力、冶金、轻工等企业中。 5.集散控制系统的简介 5.1.1 集散控制系统的特点 集散控制系统的主要特点是它的集中管理和分散控制。而且，随着计算机 技术的发展，网络技术已经是集散控制系统不仅只要用于分散控制，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商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放也是第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。 集散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性与模拟电动仪表比较，它具有连接方便，采用软连接的方法连接容易更改，显示方式灵活，显示内容多样，数据存储量大等优点；与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便，危险分散，功能分散等优点。因此，在各行各业各个领域得 到了应用。 5.1.2 集散控制系统的基本构成 集散控制系统大致是由五大部分组成的。 第一部分，现场控制单元 现场控制单元包括基本控制器、多功能控制器及可编程控制器等。他的功能主要是将输入到端子板的过程输入信号各自连接到基本控制器或其它控制器上，由控制文件和用户自选的公式或算法或者一个选择算法的有关代码分别加以处理计算。模拟输出信号输出到端子板分别控制各自的控制元件，并把结果输出信号以数字的形式存储于控制器文件区。可编程控制器的主要功能是实现离散数字量的逻辑控制。 第二部分，人机接口 它应 包括操作员接口和工程师接口两个部分。其主要功能是过程的模拟量和数字量控制或检测变量的组态，包括预置点、方式、输出和两位或多位开关和选择器的控制回nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 10路的运算，信息的趋势记录，报警点的记录，经过高速公路自动诊断和保证系统的运行，检测高速公路的状态，用户图形的构造，报告和历史趋势的记录，系统的诊断和报告等。总之人机接口是实现对整个工艺过程、整个工厂的系统组态和运行状态的监视及操作等人机交互功能。 第三部分，通信网络 通信网络部分各自系统将以不同的网络拓扑结构，实现各自系统设备间的信息通信。 第四部分，通信 计算机的接口 通用计算机接口的功能就是通过硬件接口和软件接口实现通用计算机与现场控制单元，人机接口的信息交换，完成更高层次的管理和控制。 第五部分，通用计算机系统 通用计算机的功能主要是实现高层次的优化管理，使大型工业生产具有柔性生产线的灵活能力。 5.1.3 DCS 的集中监控 DCS 的集中操作监控级（组态王）主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报警等功能。它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站的数据进行采集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能。显示操作站的另一功能是系统组态，因此可进行控制系统的生成、组态。 显示操作站主要是由监控计算机、键盘、 CRT 显示器、打印机等几部分构成。 （ 1） 监控计算机 当今的 DCS 的显示操作站功能强、速度快、记录数据大，因此对显示操作站的监控计算机提出了很高的要求。一般 DCS 的显示操作站的监控计算机都采用 16 位或 32 位的微机，内存一般在 416MB。目前许多新推出的 DCS 采用工业 PC 机（通常为 486、 586计算机）来做显示操作站的监控计算机。 （ 2） 键盘 在 显示操作站中，有两种类型的键盘，一种为操作员键盘；另一种为工程师键盘。工程师键盘通常利用标准 ASCII 代码 101 键盘；操作员键盘则是面向操作工操作键盘，力求操作简单、直观、易掌握。 显示操作站为用户提供仪表化的操作环境，通过 CRT 操作来实现整个分散型控制系统的高效率运转。它是信息集中分配中心，也是显示操作的中心。具有控制系统的生成、组态、集中监视操作、报警、显示、报表、通信等功能；显示操作站主要是和操作员以及工程师有关的系统的功能；操作员在运转整个系统时作必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时作必 要的工程师功能。 （ 3） 操作员功能 操作员功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由画面指示构成。 DDC 标准三画面 总貌画面：用来监视分散型控制系统的运行状态，可指示出仪表的位号，测量的光nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 11柱图形。在本画面中可指示出一些运行状态发生异常时，相应的仪表位号指示变成红色，在闪光的同时，发出报警声音。 组貌画面：将 DDC 控制回路分成小组，通常每组 8 个回路，在操作时操作对应的键，就可选择出相应的组貌画面。 DDC 组貌画面每幅显示 8 个 DDC 回路。 回路画面：也称调整画面。回路画面显示单个 DDC 回路的各参数，利用此画面 可进行控制参数的修改、设定，完成单个回路的控制作用。在回路处于串级状态下，在回路画面上可同时显示出相关回路的状态及参数。 图形显示功能 可进行工艺流程图的显示，一幅工艺流程图由二部分组成：一个是不随工作状况变化的基本图形，称之为静态图；另一个是随工作状况的变化而变化的数据、曲线、图形等，称之为动态图，并且定时刷新其变化部分。工艺流程图可利用彩色 CRT 显示器的多种颜色予以组合，从而做到显示美观，醒目。 趋势曲线画面 趋势曲线可被存储起来，以便具有历史趋势曲线的显示功能，一般可达到一天或一个月，必要时还可以将趋 势曲线存储起来在软盘中加以保存。操作员可通过趋势曲线的变化及时掌握过程变化情况。也可以通过历史趋势曲线分析控制系统运行状态，分析事故原因，产品质量好坏的原因，有助于分析和管理。 操作指导画面 为了指导操作员准确及时地操作，帮助操作员记忆众多的操作项目，而设计了操作指导画面。如果按画面要求操作正确，则能正常进展；否则，非但不接受错误操作，而且工序无法前进，从而保证了安全生产。 报警画面 报警画面按时间顺序记录过程数据发生上、下限报警和设备异常等，并且用颜色变化、闪光文字和声响来区分报警级别，以引起操作员注意， 立即采取相应措施。在实时报警窗口中，为报警窗口规定报警窗口变量名、报警窗口的外观等信息。 为按钮建立命令语言连接程序来更新报警窗口。 （ 4） 工程师功能 工程师功能主要包括系统的组态功能、系统的控制功能、系统的维护功能、系统的管理功能等。 系统的组态功能：构成一个应用系统，需进行系统的组态工作，系统工程师可依照给定的运算功能模块进行选择、连接、组态和设定参数，用户无须编制程序。 系统的控制功能：执行由系统组态功能所生成的系统控制。包括：反馈控制功能，完成预定的开关量输入输出顺序控制功能。 系统的维护功能：用于定期检验 各个作业，且在系统的建立、修改时，把内容保存在盘中。 系统的管理功能：对系统进行管理，包括监视功能和控制功能的管理、制表、事故报警、打印等管理。 nts热处理工艺流程计算机控制系统 陈国华 第 页 125.2 组态王软件 组态王软件是用来模拟现场实现远程实时监控，实时观看现场的运行情况，及时发现异常，找到问题，及时解决。 今天，随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要， “ 监控和数据采集系统” 越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用。 组态王是运行在 Windows98/NT/2000 上的一种组态软件。使用组态王，用户 可以方便地构造适应自己需要的 “ 数据采集系统 ” ，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。 5.2.1 组态王组态软件的应用现状及发展前景 如今， 随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控 装置之间的通讯的需要，“监控和数据采集系统”越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用甚至不可或缺。 使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的 “数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。由于组态王的网络功能、 多样灵活和直观的特性，它将在今后的工业领域起到越来越重要的作用，其间伴随着工业自动化要求的不断提高，它的简便直观也会愈加受到用户的青睐，监控和数据采集的作用将会得到更大程度的发挥。 组态王的 OPC服务器简介及功能 组态王在原有的 OPC客户端的基础上添加了 OPC服务器的功能，实现了组态王对 OPC的服务器和客户端的统一。通过组态王 OPC 服务器功能，用户可以更方便的实现其他支持 OPC客户的应用程序与组态王之间的数据通讯和调用。 1、 OPC 通讯技术上的实现： OPC 实现的是系统中进程间的通讯，其采用 VC 中的 COM和 DCOM技术实现了接口，调用非常方便。 2、 OPC 数据的通讯 与 OPC 之间的通讯是以变量为单位的，在 O
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