plc毕业设计论文 高炉防灌渣自动控制系统的设计

摘 要随着国家工业的发展，在冶金企业中炼铁技术的提高，高炉容积的不断大型化，对高炉的稳定性的要求越来越高，而作为高炉炼铁系统中的鼓风系统是高炉炼铁当中重要的辅助工艺之一，鼓风系统中的拨风系统的自动化设置又是关系到整个鼓风系统稳定的关键因素，在高炉冶炼过程中如果一旦出现高炉鼓风机故障停机，供风中断等情况，就极易会造成高炉“坐料”、“风口灌渣”等恶性事故，严重影响高炉生产，不仅会造成设备的损失，也会对高炉的使用寿命、高炉的稳定性产生很大影响，阻碍整个企业的生产经营，直接和间接损失巨大,因此，自动拨风控制系统的开发对于整个高炉安全稳定生产和企业高效率的运转具有重大安全保障和经济效益。本论文所设计高炉防灌渣自动控制系统的设置的目的是当一台风机出现故障断风，影响高炉生产时，自动控制系统及时动作，利用拨风系统判断出符合拨风要求的风机，通过控制拨风阀的开启，将满足条件的正在向其它高炉供风的风机的风量调拨一部分分给故障停风的高炉，以保证出现故障的风机所供应的高炉不至于灌渣从而维持高炉正常生产，同时不影响提供拨风的机组的正常工作。本文首先介绍了组态软件的发展和组态软件的基本组WinCC组态软件应用的系统 拨风控制系统的原理、系统设计、阀门的选择和拨风量的控制机算.此外,本文从拨风控制系统出发,应用西门子组态软件来设计并制作拨风控制画面.最后,将所设计的拨风控制系统及监控画面投入实际生产来检验其是否符合生产需求,并作出总结.关键词：高炉 防灌渣 PLC 拨风控制Abstract Along with the development of national industries, in metallurgical enterprise in the improvement of the ironmaking technology, the stability of the blast furnace of demand is higher and higher, and as a blast furnace ironmaking system of airing system of blast furnace ironmaking is one of the important auxiliary process, the automation of airing system relates to the stability of the system, wind supply interruption, extremely easy will cause the blast furnace malignant accident, the serious influence blast furnace production, it will cause the blast furnace damaged, and have a great effect on the stability of the blast furnace, influence the whole the production and operation of enterprises. The automatic dial the air control system development for the safety and stability of blast furnace production and enterprise high efficiency of the operation has the great security and economic benefits.The purpose of the setting of the switch control system designed in this paper is a timely action when a wind turbine failure off the wind, influence the blast furnace production, use of airing system to determine the requirements of the the fan. By control dial wind valve opening, to ensure that the fault blast furnace can maintain the normal production . The safety and stability of blast furnace production and enterprise high efficiency of the operation system has the great security and economic benefitFirstly, the development of configuration software, the fundamental constitution for configuration software and characteristics are analyzes, and the configuration software system construction is also introduced. This paper considers that building a process control system with configuration software is important. Secondly, the system using Wincc control software , which principle ,design ,choice of valve and the control calculation of volume of the wind. furthermore, on the basis of air intake system, I employ the Wincc Control software to design and make the drawing of air intake system. finally, put the system and drawing that have been designed into use in factory to test their performance. Then summarize the result.Keywords: Wincc Control configuration software；blast furnace； air intake control system switch control system 目 录摘 要1Abstract10引 言31绪 论51.1 组态软件应用在工控领域的重大意义561.3 高炉炼铁工艺概述81.4 高炉供风系统概述111.5 本论文选题的背景及意义151.6 本论文完成的主要工作162组态软件172.1 监控组态软件的发展182.1.1 组态软件产生的背景182.1.2 组态软件在我国的发展192.1.2 主要组态软件产品介绍202.2 组态软件的任务及功能特点发展方向232.2.1 组态软件的应用前景232.2.2 组态软件的功能特点282.2.3 组态软件的发展方向303拨风控制装置及拨风系统的设计363.1 拨风装置的原理设计363.2 拨风系统的设计403.3 拨风管道与阀门的设计选择423.4 拨风系统拨风量的控制机算454拨风装置计算机控制画面设计534.1 拨风装置计算机控制逻辑条件的确定及检测点分布534.2 拨风装置计算机控制逻辑的设计564.3 应用WinCC组态软件制作拨风控制画面594.3.1 工程参数设置594.3.2 工程图形界面的设定62结 束 语66谢 辞68参考文献690引 言经过四年时间的学习，随着对测控技术与仪器这门专业的深入学习、认识，我们已经具备了一定的独立的工业设计基础，在学业的最后部分毕业设计当中，为了将我们四年所学的知识与真正的工业生产相联系起来，正确的应用到工业的生产生活当中去，我选择了高炉防灌渣自动控制系统的设计这个题目，结合实际应用来锻炼自己全面的分析问题、解决问题的能力，深入的了解当前工业控制当中所必须的基本的专业素质、专业技能，从而为自己步入社会提供良好地机遇。高炉冶炼生产过程中，拨风系统通过管道风口进入高炉，为冶炼提供必要的燃烧空气，同时对炉料起到支撑作用，如果冷风突然降低或者消失，高炉内部的压力将致使铁、炉料倒灌甚至堵住风口，必须停产更换新的风口，这样不但造成设备的损失，对工厂的连续化生产也产生巨大的阻碍，如果在风机停机造成高炉煤气的倒流发生爆炸，对人身和设备的安全产生巨大影响，因此，高炉防灌渣系统的设计对于改善高炉稳定生产具有重大意义。西门子的Step7 SIMATIC Manager 与SIMATIC WinCC Explorer组态软件在工业上应用很广，该软件是自动控制系统监控层面的软件控制与开发平台，STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。这次设计采用Step7 与WinCC进行编程与组态，通过上位机对现场实时操作和监控，及时的将现场的信息反馈到管理人员，方便管理人员管理、控制。1绪 论1.1 组态软件应用在工控领域的重大意义自动控制在二十世纪三四十年代出现，发展到今日已经获得巨大成就，在工业生产和科学发展起到积极的推动作用，日益成为工业、生活中不可缺少的重要组成部分，当今大型生产过程无一不是大规模采用自动化控制装置，极大地提高工业企业的现代化水平和生产水平。早期控制仪表是气动PID调节器，后来发展成为气动单元组合仪表，在50年代后出现电动单元组合仪表。70年代中后期随着微处理器的出现，诞生了第一代DCS，到目前为止，DCS和其它控制设备在全球范围内得到了广泛应用。每一套DCS都是比较通用的控制系统，每个DCS 厂商在DCS中都预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监控组态软件是面向监控与数据采集（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，HMI（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、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O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。 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。世界上第一个把组态软件做为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于八十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发展，目前世界上的组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。 下表列出了国际上比较知名的十二种监控组态软件。一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件、控制功能组件。在图形画面生成方面，构成现场各过程图形的画面被划分成几类简单的对象：线、填充形状和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。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，表达式可以是来自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。在图形界面上还具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功能，各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源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。 实时数据库是更为重要的一个组件，因为PC的处理能力太强了，因此实数据库更加充分地表现出了组态软件的长处。实时数据库可以存储每个工艺点的多年数据，用户既可浏览工厂当前的生产情况，也可回顾过去的生产情况，可以说，实时数据库对于工厂来说就如同飞机上的“黑匣子”。工厂的历史数据是很有价值的，实时数据库具备数据档案管理功能，工厂的实践告诉我们：现在很难知道将来进行分析时哪些数据是必须的，因此，保存所有的数据是防止丢失信息的最好的方法。 通讯及第三方程序接口组件是开放系统的标志，是组态软件与第三方程序交互及实现远程数据访问的重要手段之一，它有下面几个主要作用：1.用于双机冗余系统中，主机从机间的通讯。2.用于构建分布式HMI/SCADA(人机接口/数据采集与监控系统)应用时多机间的通讯。3.在基于Internet或Browser/Server(B/S)应用中实现通讯功能。 通讯组件中有的功能是一个独立的程序，可单独使用，有的被“绑定”在其它程序当中，不被“显式”地使用。监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成以下各项任务： 1.查看生产现场的实时数据及流程画面;2.自动打印各种实时/历史生产报表;3.自由浏览各个实时/历史趋势画面;4.及时得到并处理各种过程报警和系统报警;5.在需要时,人为干预生产过程,修改生产过程参数和状态;6.与管理部门的计算机联网,为管理部门提供生产实时数据。1.3 高炉炼铁工艺概述高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（10001300摄氏度），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。 高炉冶炼过程: 高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。 高炉冶炼工艺-炉前操作:1.利用开口机、泥炮、堵渣机等专用设备和各种工具，按规定的时间分别打开渣、铁口，放出渣、铁，并经渣铁沟分别流人渣、铁罐内，渣铁出完后封堵渣、铁口，以保证高炉生产的连续进行。2.完成渣、铁口和各种炉前专用设备的维护工作。3.制作和修补撇渣器、出铁主沟及渣、铁沟。4.更换风、渣口等冷却设备及清理渣铁运输线等一系列与出渣出铁相关的工作。 高炉冶炼主要工艺设备简介：高炉 ： 横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。由于高炉炼铁技 术经济指标良好，工艺 简单 ，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁 ，还有副产高炉渣和高炉煤气。 高炉热风炉介绍 :热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风管道结构、预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。理论研究和生产实践表明，采用优化的热风炉结构、提高热风炉热效率、延长热风炉寿命是提高风温的有效途径。铁水罐车:铁水罐车用于运送铁水，实现铁水在脱硫跨与加料跨之间的转移或放置在混铁炉下，用于高炉或混铁炉等出铁。1.4 高炉供风系统概述 一、高炉鼓风机的定义高炉鼓风机定义：它是能将一部分大气汇集起来，并通过加压提高空气压力形成具有一定压力和流量的高炉鼓风，再根据高炉炉况的需要进行风压、风量调节后将其输送至高炉的一种动力机械。从能量的观点来看，高炉鼓风机是把原动机的能量转变为气体能量的一种机械。鼓风机的作用：向高炉送风，以保证高炉中燃烧的焦炭和喷吹的燃料所需的氧气。另外，还要有一定的风压克服送风系统和料柱的阻损，并使高炉保持一定的炉顶压力。高炉鼓风设备是为冶炼高炉提供足够的含氧空气，它是高炉生产的重要组成部分。由于高炉冶炼的连续性，要求鼓风机均匀地供给一定量的空气，另外还应有一定的风压，以克服送风系统和料柱阻力，并使高炉保持一定的炉顶压力，在整个冶炼过程中，由于原料、燃料、操作等条件的变化，引起炉况经常改变，也相应地要求供风参数也要变化，所以要求高炉风机具有一定的稳定调节范围和可靠的安全控制系统。二、 鼓风机的工作原理常用的高炉鼓风机有三种类型:固定静叶角度轴流式鼓风机:带有中间冷却器的多级离心式鼓风机;可调静叶角度轴流式鼓风机高炉鼓风机的驱动装置多选用变转速汽轮机(纯凝式或抽凝式)或同步电机，也有采用定转速汽轮机及小功率异步电机的机组。常见鼓风机工作原理见下：离心式鼓风机工作原理 鼓风机在原动机带动下高速旋转，它利用旋转时产生的离心力，使流体获得能量，使流体通过叶轮后的压能和动能都能得到升高，从而能够将流体输送到高处或远处。轴流式鼓风机工作原理 风机在原动机带动下，利用旋转叶片的挤压，推进力使流体获得能量，升高其压能和动能。气体从进风口轴向进入叶轮，由于叶轮的旋转，叶片对气体作功，使气体能量升高，然后流入导叶。导叶的作用一方面将偏转的气流变为轴向的流动方向；另一方面将气流的动能变为压力能。此后，气体流过扩散筒及整流体，随着过流断面扩大，进一步将动能转换为压力能。轴流泵的流动情况也与此类似。由此可见，在轴流式风机中流体都是沿轴向流动的，它们没有沿叶轮半径方向的流动。全静叶可调式轴流式鼓风机工作原理 目前大型高炉鼓风机采用的是进口全静叶可调。如：4，5，6，7机。 利用调节进口静叶角度开关大小来改变风机的性能参数，当进口角度开度小时，轴流式鼓风机性能参数随角度的关小而变小，反之变大。因为鼓风机的原动机是定转速运行，故只有改变进口条件，才能满足用户要求经济运行。 全静叶可调的调节原理：静叶可调有较大的风量变化范围，可达到设计流量的 72135。当开大角度时，流量大幅度增加，压比上升，效率提高，开始喘振的流量增大，稳定范围扩大，最大轴功率正向大流量区方向移动；当关小角度时，流量大幅度降低，压比下降，效率降低，开始喘振的流量减小，但小流量区稳定范围扩大，最大轴功率向小流量区移动。鼓风机的防喘保护的作用：鼓风机正常运行中，由于机组本身或外部原因可造成风压升高，风量下降，为防止风机的运行点进入不稳定工况区发生喘振，特设定了防喘振保护器，当风压、风量达到放风线后，防喘保护器动作，适当开启放风门，保持风压、风量在放风线的右下方运行。喘振、逆流保护的作用：鼓风机的喘振、逆流是鼓风机最危险的事故之一，如果不及时的消除，就会造成机组的损坏。喘振、逆流保护的作用就是当鼓风机发生喘振逆流时（逆流时是指逆止阀失灵产生逆流，此时逆流保护动作，发出信号将放风阀打开），保护器立即动作，迅速开启放风门，降低风压，以防止再次喘振。高炉供风统的结构：高炉供风统的结构主要有两种:单机单炉制和母管制。单机单炉制即一台鼓风机单独对应一座高炉;母管制，即通过阀门切换控制实现任意一台风机可以给任意一座高炉供风的形式。采用母管制在供风选择上可以更加灵活，更能适应大型冶金企业的设备检修和正常生产的需要。高炉鼓风机所送出的冷风主要用于高炉冶炼，高炉鼓风机所产生的压缩空气通过几十个风口进入高炉炉膛内，提供冶炼所需要的氧气，同时具有一定的风压，用于克服送风阻力和料柱阻力，并维持一定的炉顶压力。在高炉内，冷风通过热风炉被加热到1000以上形成热风，使铁矿石、焦炭、石灰石三种原料进行充分的还原反应，生成铁水并产生炉渣，沉入炉缸内。到一定的时间,利用炉渣比重轻于铁水，分别出铁水和炉渣一次。如果未到出铁时间，由于鼓风机出现故障而停止送风时，将导致冷风压力急剧下降，未分离的铁水和炉渣的混合物将下沉灌入风口并凝结，即为风口灌渣。尤其在高炉即将出铁前(或出铁后40分钟后)，风机突然停风往往导致高炉风口、直吹管、弯头大灌渣等重大生产事故。一旦风口灌渣，处理一次灌渣事故约10多个小时，加L高炉恢复正常的时间，以及恢复风口的费用，将使企业产生重大损失。高炉供风系统的供风是否正常将直接影响高炉的正常生产。如果冷风供应系统可靠，满足高炉顶压需求，那么高炉利用系数将增加，高炉将稳产、高产。如果高炉供风系统工作失常，即向高炉供应的冷风由于事故突然中断，那么高炉必将发生风口灌渣的严重事故，给企业造成巨大损失，并对高炉木身产生很大的损伤。因此对高炉供风系统工作的可靠性要求较高。1.5 本论文选题的背景及意义随着国家工业的发展，在冶金企业中炼铁技术的提高，高炉容积的不断大型化，对高炉的稳定性的要求越来越高，而作为高炉炼铁系统中的鼓风系统是高炉炼铁当中重要的辅助工艺之一，鼓风系统中的拨风系统的自动化设置又是关系到整个鼓风系统稳定的关键因素，在高炉冶炼过程中如果一旦出现高炉鼓风机故障停机，供风中断等情况，就极易会造成高炉“坐料”、“风口灌渣”等恶性事故，严重影响高炉生产，不仅会造成设备的损失，也会对高炉的使用寿命、高炉的稳定性产生很大影响，阻碍整个企业的生产经营，直接和间接损失巨大,因此，自动拨风控制系统的开发对于整个高炉安全稳定生产和企业高效率的运转具有重大安全保障和经济效益。为尽量减少和避免由于风机故障而造成的高炉灌渣事故，本论文选择了两高炉鼓风机供风系统拨风装置及其自动控制系统研究与开发为论文选题。设置拨风系统的目的就是:当一台风机出现风机故障断风情况时，利用拨风系统将正在向其它高炉供风的风机的供风量调拨一部分供给故障停风的高炉，以保证该故障风机所供风的高炉不致灌渣，而维持该高炉的极限生产。所选高炉鼓风机基本技术参数表：编号原动装置产地形式型号转速(转/分)吸风量(m3/min)排风压力(Mpa)1#,2#(6000风机)气轮机瑞士静叶可调轴流式VAS-9018335038605765(绝)3#,4#(5500风机)气轮机捷克静叶可调轴流式12AVA99B300037005000(绝) 所选高炉鼓风机基本技术参数表1.6 本论文完成的主要工作本论文是运用所学的自动控制理论基础，结合针对当前中小型钢铁厂的生产实际中存在的高炉灌渣事故而设计的一套可行的防灌渣拨风控制系统，采用西门子系列组态软件对其生产过程进行自动化控制。以WinCC开放式体系结构的组态软件为开发工具，设计形象直观，实时有效的人机接口，实现画面、信息、控制理论的集中组态与管理，控制分散的过程控制系统。 具体内容安排如下:第二章: 组态软件第三章: 拨风控制装置及拨风系统的设计第四章: 拨风装置计算机控制画面设计2组态软件“组态”的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System 简称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。组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置自动完成特定任务，达到使用者要求的目的。组态软件是面向监控与数据采集(Super-visory Control And Data Acquisition SCADA)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方便灵活，功能强大。 早期控制仪表是气动PID调节器，后来发展成为气动单元组合仪表，在50年代后出现电动单元组合仪表。70年代中后期随着微处理器的出现，诞生了第一代DCS，到目前为止，DCS和其它控制设备在全球范围内得到了广泛应用。每一套DCS都是比较通用的控制系统，每个DCS 厂商在DCS中都预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监控组态软件是面向监控与数据采集（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，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、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O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。2.1 监控组态软件的发展2.1.1 组态软件产生的背景伴随着计算机技术的突飞猛进的发展，监控组态软件兴起。60年代计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制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Honeywell公司推出的世界上第一套DCS TDC2000，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，此时的DCS已具有较丰富的软件，包括：计算机系统软件（操作系统）、组态软件、控制软件、操作站软件、其它辅助软件（如通讯软件）等。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统（Open System)概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组态软件做为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。很多DCS和PLC厂家主动公开通讯协议，加入“PC监控”的阵营，PC监控成本大大降低，市场空间逐渐扩大，从无人值守的远程监视、数据采集与计量、数据分析到过程控制，几乎无处不用。与此同时，可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统的各类智能仪表、调节器和PCBased设备的发展和各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，使得组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。2.1.2 组态软件在我国的发展组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点:国内用户还缺乏对组态软件的认识;在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件(早期的组态软件多为国外厂家开发)，很少有用户愿意去购买正版，甚至在多数项目预算中不包含软件费用;当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS(管理信息系统，management information system)和CIMS(计算机集成制造系统，computer integrated manufacturing system)的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。2.1.2 主要组态软件产品介绍 (1)国外专业组态软件 WinCC: 德国Simens的WinCC是一套完备的组态开发环境，Simens提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂.WinCC 集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。 Fix: 美国Intellution公司以Fix组态软件起家，Fix6.x 软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序(需单独购买)。Intellution将自己最新的产品系列命名为iFix，在iFix 中, Intellution提供T强大的组态功能，原有的Script语言改为VBA(visual basic for application)，并且在内部集成了微软的VBA开发环境。在iFix中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC(OLE for process control)组织的发起成员之一。iFix的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。 Citech: 澳大利亚CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似C语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于C语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。 InTouch: 美国Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的软件曾让我们耳目一新,并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。 RSView32: 美国Rockwell公司生产的标准PC平台上的RSView32组态软件，它是以MFC(微软基础级)、COM(元件对象)技术为基础的运行于 Windows 9X ，Windows NT环境下的HMI(人机接口)软件包。(2)国内专业组态软件国产化的组态软件产品正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响力。国内也己形成了不少的组态软件。组态王:北京亚控公司的组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司(更早的品牌多数己经湮灭)。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持.组态王也提供多种硬件驱动程序。组态王是国内目前应用较广的组态软件。ControX(开物):华富计算机公司的ControX2000是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报等、数据报表及报表功能。作为国内最早加入OPC组织的软件开发商，ControX内建OPC支持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持ActiveX组件和插件的即插即用，并支持通过ODBC连接外部数据库。ControX同时提供网络支持和Web Server功能。MCGS:北京昆仑通态成功推出MCGS组态软件的三大系列产品、分别是MCGS通用版组态软件、MCGS网络版组态软件和MCGS嵌入版组态软件。MCGS工控组态软件功能全面、应用灵活，提供从设备驱动、流程控制到数据处理、动画及报表显示、报警输出等一套完整的系统软件,并且具有开放性结构,用户可以挂接自己的应用程序模块，具有良好的通用性和可维护性。真正的32位、多任务应用系统，该系统支持Windows的多任务技术，有效地优化了计算机资源，打印任务作为一个独立工作而运行于后台，实现多任务的并行处理。Force Control(力控)。从时间概念上来说，力控也是国内铰早出现的组态软件之一。大约在1993年左右、力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于DOS和VMS的版本。后来随着Windows3. 1的流行，又开发出了16位Windows版的力控。但直至Windows95版本的力控诞生之前，主要被用于公司内部的一些工程项目。32位Windows下的1. 0版的力控，在体系结构上就己经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构为可组态的。但1. 0版的力控尚存在明显的不足、如I/O驱动程序较少、界面和产品包装不够美观等。最新推出的2. 6版在功能的丰富性、易用性、开放性和I/O驱动数量，都得到了很大的提高。其他常见的组态软件还有GE公司的Cimplicity,NI公司的Lookout,PC Soft公司的Wizcon，意大利Progea公司的Movicon，以及国内的SYNALL、天工、虎冀等组态软件，也都各有特色。2.2 组态软件的任务及功能特点发展方向2.2.1 组态软件的应用前景1. 组态软件做为单独行业的出现是历史的必然市场竞争的加剧使行业分工越来越细，“大而全”的企业将越来越少（企业集团除外），每个DCS厂商必须把主要精力用于他们本身所擅长的技术领域，巩固已有优势，如果他们还是软硬件一起做，就很难在竞争中取胜，今后社会分工会更加细化，表面上看来功能较单一的组态软件，其市场才刚被挖掘出一点点，今后的成长空间还相当广阔。组态软件的发展与成长和网络技术的发展与普及密不可分，曾有一时期，各DCS厂商的底层网络都是专用的，现在则使用国际标准协议，这在很大程度上促进了组态软件的应用。例如，在大庆油田，各种油气处理装置都分布在油田现场，总面积约3000平方公里，要想把这些装置的实时数据进行联网共享，在几年前是不可想象的，而目前通过公众 网，用modem或ISDN将各DCS装置连起来，通过TCP/IP协议完成实时数据采集和远程监控就是一种可行方案，力控组态软件已经在该项目中投用成功，成为国内规模最大的HMI/SCADA应用范例。2. 现场总线技术的成熟更加促进了组态软件的应用应该说现场总线是一种特殊的网络技术，其核心内容一是工业应用，二是完成从模拟方式到数字方式的转变，使信息和供电同在一根双线电缆上传输，还要满足许多技术指标。同其它网络一样，现场总线的网络系统也具备OSI的7层协议，在这个意义上讲，现场总线与普通的网络系统具有相同的属性，但现场总线设备的种类多，同类总线的产品也分现场设备、耦合器等多种类型，在未来几年现场总线设备将大量替代现有现场设备，给组态软件带来更多机遇。3. 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可以预言，微软公司在操作系统市场上的垄断迟早要被打破，未来的组态软件也要求跨操作系统平台，至少要同时兼容Win NT和Linux/Unix。Unix系统是计算机软件最早的程序开发环境，整个Unix系统可以粗略地分为三层：最下层是一个与具体硬件相联系的多进程操作系统内核，中间一层是可编程的Shell命令解释程序，它是用户与系统内核的接口，是整个Unix环境中灵活使用与扩展各种软件工具的工具，最外层是用户的实用工具，有多种程序语言数据库管理系统及一系列进行应用开发的实用工具。Unix系统主要有以下几个方面特点： 具有一组丰富的实用软件开发工具； 具有方便装卸的分级结构树形文件系统； 具有功能完备、使用简便灵活、同时可编程的命令解释语言Shell； 支撑整个环境的系统内核紧凑、功能强、效率高； 整个系统不限定在某一特定硬件上，可移植性好； 仍在发展中，不断完善实时控制功能。Unix是唯一可以在微、超微、小、超小型工作站，中大、小巨、巨型机上“全谱系通用”的系统。由于Unix的特殊背景，它强有力的功能，特别是它的可移植性以及目前硬件突飞猛进的发展形势，吸引了越来越多的厂家和用户。Unix在多任务、实时性、联网方面的处理能力优于Win NT，但图形界面、即插即用、I/O设备驱动程序数量方面赶不上Win NT。90年代以来Unix的这些缺点已得到改进，现在的Unix图形界面Xwindow和Unix的变种- Linux已经具备了较好的图形环境。4. 组态软件在嵌入式整体方案中将发挥更大作用前面已讲过，微处理器技术的发展会带动控制技术及监控组态软件的发展，目前嵌入式系统的发展速度极为迅猛，但相应的软件尤其是组态软件滞后较严重，制约着嵌入式系统的发展。我们从使用方式上把嵌入式系统分为两种：带显示器/键盘的和不带显示器/键盘的。.带显示器/键盘的嵌入式系统又可分为：带机械式硬盘和带电子盘的嵌入式系统二种。带机械式硬盘（如PC/104可外接硬盘）的嵌入式系统,可装Windows98/NT等大型操作系统，对组态软件没有更多的要求。不带机械式硬盘(带电子盘)的嵌入式系统,由于电子盘的容量受限（也可以安装大容量电子盘，但造价太高），因此此类应用只能安装Windows3.2、WindowsCE、DOS或Linux操作系统。目前支持WindowsCE或Linux的组态软件很少，用户一般或自己亲自编程，或使用以前的DOS环境软件，但一般都存在2000年问题。此类应用规模都不大，但数量却有很大潜力。另外价格是一个重要因素，如果嵌入式系统的软硬件价格得到进一步降低，其市场规模将是空前的。.不带显示器/键盘的嵌入式系统：这种嵌入式系统一般情况都使用电子盘，只能安装Windows3.2、WindowsCE、DOS或Linux操作系统，此类应用有的会带外部数据接口（以太网、RS232/485等），目前面向此类应用的组态软件市场潜力巨大。5. 组态软件在CIMS应用中将起到重要作用美国Harrington博士于1973年提出了CIM（Computer Integrated Manufacturing-计算机集成制造）的概念，主要内容有：企业内部生产各环节密不可分，需统筹协调；工厂的生产过程，实质就是对信息的收集、传递、加工和处理的过程。CIMS所追求的目标是使工厂的管理、生产、经营、服务全自动化、科学化、受控化，最大限度地发挥企业中人、资源、信息的作用,提高企业运转效率和市场应变能力、降低成本。CIMS的概念不仅适用于离散形生产流程的企业，同样适用于生产连续型的流程行业，在流程行业也有人叫做CIPS（Computer Integrated Process System）。自动化技术是CIMS的基础，目前多数企业对生产自动化都比较重视，他们或采用DCS(含PLC)或以PC总线为基础的工控机构成简易的分散型测控系统。但现实当中的自动化系统都是分散在各装置上的，企业内部的各自动化装置之间缺乏互联手段，不能实现信息的实时共享，这从根本上阻碍了CIMS的实施。组态软件在企业CIMS发展过程中能够发挥下面几方面的作用：.充当DCS(含PLC)的操作站软件，尤其是PC-based监控系统。.以往各企业只注重在关键装置上舍得投资，引进自动化控制设备，而在诸如公用工程(如能源监测、原材料管理、产成品管理、产品质量监控、自动化验分析、生产设备状态监视等）生产环节则重视程度不够，这种一个企业内部各部门间自动化程度的不协调也将影响CIMS的进程，受到损失的将是企业本身，组态软件在这方面，即技术改造方面也会发挥更大的作用，促进企业以低成本、高效率地实现全厂的信息化建设。. 由于组态软件具有丰富的I/O设备接口，能与绝大多数控制装置相联，具有分布式实时数据库，可以解决分散的自动化孤岛互联问题，大幅节省CIMS建设所需的投资。伴随着CIMS技术的推广与应用，组态软件将逐渐发展成为大型平台软件，以原有的图形用户接口、I/O驱动、分布式实时数据库、软逻辑等为基础将派生出大量的实用软件组件，如先进控制软件包、数据分析工具等。6. 信息化社会的到来为组态软件拓展了更多的应用领域组态软件的应用不仅仅局限在工业企业，在农业、环保、邮政、电信、实验室、医院、金融、交通、航空等各行各业均能找到使用组态软件的实例。随着祖国社会进步和信息化速度的加快，组态软件将赢得巨大的市场空间，这将极大地促进国产优秀组态软件的应用，为国产优秀组态软件创造良好的成长环境，促进国有软件品牌的成长和参与国际竞争。组态软件事业的发展也加剧了对从事组态软件开发与研制的人才需求，以往我们国内的组态软件经历了从无到有的曲折过程，而目前则面临着如何在未来的竞争中取胜，如何制订未来的发展战略，如何开拓国际市场等一系列新的课题。组态软件涉及自动控制理论及技术、计算机理论及技术、通讯及网络技术、人机界面技术(即所谓的CRT技术)等多个学科，对开发人员的软件设计、理论及实践经验都有很高的要求，广大在校的相关专业大学生、研究生面临着从事该项事业的难得机遇，盼望更多的人才加入到组态软件的开发队伍中来，为我国的国民经济信息化做出历史性贡献。2.2.2 组态软件的功能特点组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通讯等多个任务要在同一台计算机上同时运行。组态软件的使用者是自动化工程设计人员，组态软件的主要目的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点、集中解决共性问题。下面是组态软件主要解决的问题：1.如何与采集、控制设备间进行数据交换；2.使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；3.处理数据报警及系统报警；4.存储历史数据并支持历史数据的查询；5.各类报表的生成和打印输出；6.为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；7.最终生成的应用系统运行稳定可靠；8.具有与第三方程序的接口，方便数据共享。自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象（如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等）形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备数据发生变化后直接会带动被控对象的属性发生变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。从以上可以看出，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠的特点。2.2.3 组态软件的发展方向 实时多任务：实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件作出反应的特性。工业控制计算机及监控组态软件具有时间驱动能力和事件驱动能力，即在按一定的周期时间对所有事件进行巡检扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。 实时性一般都要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加速程序执行速度。高可靠性：在计算机、数据采集控制设备及正常工作的情况下，如果供电系统正常，当监控组态软件的目标应用系统所占的系统资源不超负荷时，则要求软件系统的平均无故障时间MTB(Mean Time Between Failures)大于一年。如果对系统的可靠性要求得更高，就要利用冗余技术构成双机乃至多机备用系统。冗余技术是利用冗余资源来克服故障影响从而增加系统可靠性的技术，冗余资源是指在系统完成正常工作所需资源以外的附加资源。说得通俗和直接一些，冗余技术就是用更多的经济投入和技术投入来获取系统可能具有的更高的可靠性指标。以力控软件运行系统的双机热备功能为例，可以指定一台机器为主机，另一台作为从机，从机内容与主机内容实时同步，主从机可在同时操作。从机实时监视主机状态，一旦发现主机停止响应，便接管控制。从而提高系统的可靠性实现双机冗余可以根据具体设备情况选择如下几种形式： 如果采集、控制设备与操作站间使用总线型通讯介质如RS485、以太网、CAN总线等，两台互为冗余设备的操作站均需单独配备I/O适配器，直接连入设备网即可，如图1-2所示。 开始运行时从机首先向主机数据库注册，向主机发送同步请求。 当主机正常工作时，从机不断向主机发送请求。 当主机正常工作时，从机不进行任何运算，I/O SERVER 不起动，但是可以接受用户操作，操作结果直接送往主机。 当主机在一定时间内（超时时间）不响应从机的同步请求时，从机便接管控制，停止向主机发送同步请求，启动I/O SERVER 。这时从机将变为主机 当故障的主机重新启动后，发现从机已经转为主机，将自行转为从机，并以从机方式工作，也可以手工切换回主机方式。 如果采集、控制设备与操作站间通讯使用非总线型通讯介质如RS232，在这种情况下，一方面可以用RS232/RS485转换器使设备网变成总线型网，前提是设备的通讯协议与设备的地址、型号有关，否则当向一台设备发出数据请求时会引起多台设备同时响应，容易引起混乱。标准化：尽管目前尚没有一个明确的国际、国内标准用来规范组态软件，但国际电工委员会IEC1131-3开放型国际编程标准在组态软件中起着越来越重要的作用，IEC1131-3用于规范DCS和PLC中提供的控制用编程语言，它