毕业设计（论文）磨矿溢流浓度控制系统设计

磨矿溢流浓度控制系统设计摘 要本文研究课题为磨矿溢流浓度控制系统。磨矿自动控制系统主要用于冶金、水泥、电力等行业球磨机的自动控制，它能提高选矿厂球磨设备自动化程度，保证磨矿浓度、溢流浓度和粒度的合格率。本文中介绍了一种磨矿过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。重点介绍了集散控制系统的硬件系统设计方案实现整个系统的控制。详细论述了集散控制系统的硬件。关键词：溢流浓度，组态王，可编程控制器，集散控制系统，现场总线The design of Mill Overflow Concentration Control SystemAbstractThe essay is about Mill Overflow Concentration Control System. The mill automatic control is used to the Industry of metallurgy Cement and Electricity. It can improve automatic control to the milling factory Equipments To ensure the passing rate of mill concentration, overflow concentration and the dranularity. The essay introduces a kind of Computer Control System which is used to control Process of milling 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: Overflow Concentration, Kingview, PLC, DCS, PROFIBUS 第 53 页目录1 绪论11.1 前 言11.2 课题的来源和背景12 磨矿工艺流程32.1磨矿工艺流程简介32.2控制原理32.2.1给矿自动控制32.2.2磨矿浓度自动控制42.2.3溢流浓度控制53 磨矿溢流浓度工艺的控制思想设计73.1 磨矿溢流浓度流程图73.2 控制思想73.3 系统的集散控制硬件设计83.3.1 溢流浓度系统监控参数点83.3.2控制系统硬件设备93.4控制系统设计分析103.5集散控制系统的简介123.5.1集散系统的概念123.5.2集散控制系统的基本构成133.5.3开放系统143.5.4集散系统的特点153.6 DCS的体系结构173.6.1 DCS的硬件结构183.6.2 DCS的集中监控194 上位机监控系统234.1 上位机监控系统主要功能234.2 组态王软件234.2.1 组态王组态软件的应用现状及发展前景244.2.2 组态王的优点254.2.3 组态王的工作原理264.2.4 应用程序设计过程274.2.5 组态王组态软件的具体设计335 系统通信方案385.1 PLC的通信设计385.1.1 PLC通信网络385.1.2 PLC通信网络概念405.1.3 PLC网络各级子网络通信协议配置规律415.2 SIEMENS数据通信415.2.1 ModBus协议通信415.2.2 PPI通信方式435.2.3 MPI通信方式445.2.4 自由口通信方式445.2.5 Profibus-DP通信方式455.3 下位机PLC可编程控制器的设计系统网络设计与实现466 结论49参考文献50致谢511 绪论1.1 前 言从矿山开采来的扩石，在冶炼之前，除富矿外，一般都裹进行富集矿石中的有用成分即选矿，因为矿石，中金属含量都很低，选矿更具有重要意义。选矿后的精矿品位，直接影响冶炼产品的产量和能源消耗量，例如铁精矿的品位提高1%，则高炉生铁产量可提高2.5%，焦比下降1.5%。选矿方法有:重选、浮选、磁选和电选等等。不管那种方法，都包括破碎、磨矿、选别和脱水等几种作业。磨矿是选矿最重要的工序，它由选矿厂的球磨工段执行。球磨工段设有给矿、磨机和分级机等设备。磨机有多种型式，如球磨机、棒磨机和自磨机等，球磨机是最常用的一种。磨矿作业投资大，生产成本高，它决定着选矿厂的生产技术指标和经济指标。研制磨矿自动控制系统，可以：稳定生产，提高选矿过程作业指标，节能降耗。因此，在选矿生产作业中，磨矿分级居首要地位,是选矿厂最重要的生产环节。实现对磨矿分级关键工艺参数的自动控制，对现场实时在线监控，不仅能减轻操作工的工作强度，减少事故发生率，更重要的是能稳定和提高选别指标，产生巨大的经济效益。1.2 课题的来源和背景我国铁矿由于贫矿多（占总储量的97.5）和伴(共)生有其他组分的综合矿多（占总储量的13），所以在冶炼前绝大部分需要进行选矿处理。酒钢选矿厂现有22座100立方米竖炉、8个磨矿系列、10台Shp-3200型强磁选机、5台50m浓缩机，18台过滤机以及配套的矿石输送和动力控制系统，形成了块矿还原焙烧磁选和粉矿强磁选两大生产工艺流程，设计年处理原矿500万吨，生产精铁266万吨。本扩能改造方案设计处理铁矿石为650万吨，年生产铁精矿为333万吨。增加的主要设备有：4台100立方米双层燃烧室竖炉；4台3235球磨机；9台Slon2000型高梯度强磁选机；6台旋流器组；2座25米高效浓缩大井等此次扩能改造工程由于新增的设备较多，原有控制系统预留部分已不能满足此次扩能改造的要求，需增加相应的网络及控制站。2 磨矿工艺流程2.1 磨矿工艺流程简介磨矿工艺中，矿石经破碎（一般在十几毫米以下）形成入磨矿，送入球磨机进行研磨。研磨过程中需要补加水和钢球，研磨后的矿浆给入分级机进行分级。分级返矿（粗矿）返回球磨机进行再磨，合格矿浆（细矿）溢流送入下道作业工序(如图2.1)。 图2.1 球磨工艺流程图2.2 控制原理在选矿生产作业中，磨矿分级居首要地位，是选矿厂最重要的生产环节。在磨矿分级过程中，根据结构简单，运行可靠，操作方便的原则，将整个系统分为给矿自动控制，磨矿浓度控制和溢流浓度3个模快。2.2.1 给矿自动控制磨矿工艺中，每个球磨系列往往有多台（一般4-5台）给矿机下矿，以前由人工观察给矿量，靠调整下矿口或起停给矿机来控制矿量，给矿量波动往往较大，难以稳定。 为稳定入磨矿量，在给矿皮带上安装电子皮带秤，根据检测的矿量对给矿机进行变频调节(如图2.2)。 图2.2 给矿自动控制2.2.2 磨矿浓度自动控制 一般而言，若矿量已基本稳定，系统按比例进行给水控制，可以初步稳定球磨机内的浓度。但在生产过程中，除给矿外，分级机还有返矿。目前国内大多数选矿厂受原工艺条件限制，无法安装流量计和浓度计对分级返矿量进行检测。若仅以固定比值进行给水控制，难以保证球磨机浓度，甚至会造成磨机“胀肚”，影响设备正常运行。磨矿系统要求矿和水两种物料流量的比值要随浓度的变化而变化，决定采用变比值控制方案。 系统工作时，按当前给矿量比例控制给水。在给水管路上安装电动阀和流量计，构成给水闭环控制。当浓度发生变化时，浓度控制器的输出将修改比例系数K，从而修改了给水闭环的给定值，给水闭环及时调节给水量，保证浓度相对稳定。 在刚换衬板后，正常工作时由于衬板较厚，磨音较低；随着时间的推移，衬板变薄，磨音渐高。控制中应根据磨音与时间的变化关系对浓。（如图2.3）图2.3 磨机浓度自动控制原理图2.2.3 溢流浓度控制溢流浓度与溢流粒度是直接相关的，根据球磨机声强信号和球磨功率信号，通过推理设定最佳分级溢流浓度范围。采用浓度计实现分级溢流浓度的检测，并将其与最佳分级溢流浓度设定值比较，如有偏差，则调节排矿水电动调节阀的开度，控制排矿水量的大小，直到偏差消除，过程稳定为止。液面控制相当重要，泵池对流入矿浆的波动虽有一定缓冲作用，但泵池的进浆量与泵抽出量应尽快实现平衡，否则将造成矿浆外溢或泵池吸空、渣浆泵喘气，严重破快旋流器正常工作。进入旋流器的矿浆浓度直接影响分级后的溢流浓度和细度，进而影响最终的选别指标，因此要稳定控制泵池内的矿浆浓度。具体控制方案：用超声波液位计检测泵池液位，在矿浆进入旋流器的上升直管道上安装一台核子密度计，检测进入旋流器矿浆的实时浓度。将两个参数分别用两个单独的控制回路进行模糊PID运算，控制电机频率和胶管阀开度，实现液位和浓度的控制(如图2.4)。 图2.4 泵池矿浆液位，浓度控制流程3 磨矿溢流浓度工艺的控制思想设计管路溢流槽电磁流量计浓度计PID控制器电动执行阀3.1 磨矿溢流浓度流程图图3.1 溢流浓度流程图3.2 控制思想本方案中进行系统设计和设备的选型时就本着高可靠性，准确性，先进行，开放性，安全性和易维护性的特点进行。一 高可靠性：本方案将系统安全，可靠的运行作为设计的首要原则，选用高可靠性的设备。二 准确性：本系统保证各监控点数据的实时，准确的采集，并且可以准确的控制现场各种设备，能够提供高速准确的运算。三 先进性：本系统使用国际上流行且可靠的成熟工业自动化控制产品，最新版的组态及编成软件和支持高速通讯的网络设备，以保证整套系统在各个方面都保持技术上的先进性。同时该系统的先进性还表现在功能全面，使用及维护容易，设计合理等方面。四 开放性：本系统选贼支持多种控制系统和仪表系统的接口协议。五 安全性：在软件方面支持密码保护和操作员身份认证及操作权限的设置，保证系统的运行和操作在一个安全稳定的环境下。六 易维护性：硬件设备具有在线的状态显示，模块支持热拔插，变成与监控软件易学易用，县城设备的运装和故障参数可在上位显示，并支持故障声光报警，保证维护人员准确发现问题，及时处理解决故障。 此次毕业设计主要采用集散型控制系统（DCS），其实质是利用计算机技术对磨矿溢流浓度过程进行集中监视、操作、管理，从而实现对工厂的监控。采用集散型控制系统（DCS），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的通信协议采用现场总线协议来实现，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。图3.2 溢流浓度系统结构框架3.3 系统的集散控制硬件设计3.3.1 溢流浓度系统监控参数点溢流浓度系统是磨矿过程的一部分，要监控的参数有：进料量，注水量，液位高度、矿浆浓度，这些参数能否得到稳定控制，对于提高磨矿效率，保证生产指标有极其重要的意义（如表3.1）。序号变量名变量说明类型参数范围单位1L1进料量模拟量输入76-84t/h2L2注水量模拟量输入38-42/h3L3矿浆浓度模拟量输入48-52%4L4液位高度模拟量输入0-1.5m表3.1 溢流浓度系统监控点3.3.2 控制系统硬件设备为了保证整个控制系统的高可靠性，工业PC、检测仪表和执行机构选用曾在大量程中被证明有效可靠、性能价格比较好的成熟产品，以保证整个控制系统的高可靠性。其中上位机及软件清单如表4.2所示：设备名称、型号台件数生产厂家操作站监控软件组态王6.51操作员站主机HPCompaq DX20001UPS电源山特C3KS 3000VA1 交换机S2403H 24口1华为 打印机LaserJet 10201惠普显示器109S21寸CRT纯平1 飞利浦PLCS7-2001西门子表3.2 上位机及软件清单其中组成S7-200的主要组成部分有电源模块（PS）、中央处理单元CPU模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）以及导轨（RACK）等，通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其他S7 PLC 相连。设备名称型号台件数生产厂家CPU CPU312 2 西门子公司电源 PS307 2西门子公司I/O模块（模拟量输入） SM331 1西门子公司I/O模块（数字量输出） SM332 1西门子公司通讯处理器1 CP340 1西门子公司通讯处理器2 CP342 1西门子公司表3.3模块选型下位机设备清单如表4.3所示设备类型台件数监控点取自电振给矿机开关量 63DPS电磁站旋流器给矿泵开关量 63DPS电磁站加压泵开关量13DPS电磁站磁选机开关量143DPS电磁站脱磁器开关量10现场核子秤模拟量 1仪表室电磁流量计模拟量 4仪表室超声波液位计模拟量 4现场仪表核浓度计模拟量 4现场仪表压力变送器模拟量 1表3.4 下位机设备清单3.4 控制系统设计分析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。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，是精度可以从提高到。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。二.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。三.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，可用组态王软件来模拟现场磨矿溢流浓度工艺流程，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，通过现场总线进行数据交换。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。3.5 集散控制系统的简介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。3.5.1 集散系统的概念集散控制系统（Total Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。自70年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流，在计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）或计算机集成作业系统CIPS(Computer Integrated Production System )中，集散控制系统将成为主角，发挥它们的优势。集散控制系统的主要特性使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，系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以相互连接，而且使得它们可以方便的进行数据交换，系统的开法也使第三方的软件可以方便的在现有的集散控制系统上应用。因此，集散控制系统早已在原有的概念上有了新的含义。我国已引进的不同型号集散控制系统的数量多达几百套，应用的工业控制领域也已遍及石油化工、冶金、炼油、建材、纺织、制药等各行各业。为了使集散控制系统应用得更好，对集散控制系统进行认真和细致的分析，研究集散控制系统的共性和各个制造厂商产品的不同点，了解集散控制系统的选择、设计和应用的方法，是十分必要的。3.5.2 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。虽然集散控制系统的发展已经经历了三代，但是，从它的基本结构来看，它们有相同的特性，在研究和分析各制造厂的众多产品时，要要了解各自产品的个性，也要了解它们的共性。在了解共性的基础上，分析它们各自的个性，可以达到事半功倍的效果。下面是集散控制系统的三大基本部分。3.5.3 开放系统开放系统是第三代集散控制系统的主要特征。开放系统的定义还未统一，根据X/OPEN协议的定义，开放系统是以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统，这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性。作为第三代集散控制系统的标志，开放系统已渐为人知。开放系统的基本特征如下：可移植性（Portability） 第三方的应用软件能很方便的在系统所提供的平台上运行，有时可能有小的修改，但从系统的应用来看，各个制造厂集散控制系统的软件有了可互相移植的可能。但是，软件的可移植性也带来了安全性的问题，为此，应有相应的安全措施。可移植性能保护用户的已有资源，减少应用开发、维护和人员培训的费用，可移植性包括程序可移植性、数据可移植性和人员可移植性。互操作性（Interoperability）网络上的各个节点，例如：操作监视站、分散过程控制站等，由于网络的连接，使得在网络收那个其它节点的数据、资源和处理能力等被它所应用。开放系统的互操作性质不同的计算机系统与通信网能相互连接起来；通过互连，能正确有效地进行数据的互通；并在数据互通的基础上协同工作，共享资源，完成应用的功能。集散控制系统在现场总线标准化后，将使符合标准的各种检测、变送和执行机构的产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造厂的产品。可适宜性（Scalability）系统对计算机的运行要求变得更为宽松，在某些较低级别的系统中能运行的应用软件也能在高级别的系统中运行，反之，系统软件版本高的能适用于版本地的系统。可得到性（Availability）系统的用户可对产品进行选择，而不必考虑所购买的产品能不能用在已购的系统上。由于各制造厂商的产品具有统一的通信标准，因此，对用户来说，选择产品的灵活性得到增强。为实现系统的开放，对系统的通信系统也有了更进一步的要求，即通信系统应符合统一的通信协议。国际标准化组织对开放系统互连已提出了一个参考模型，即OSI参考模型。在此基础上，各有关组织已提供了几个符合标准模型的国际通信标准，例如，MAP制造自动化协议、IEEE802通信协议等，在集散控制系统中已得到了应用。3.5.4 集散系统的特点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、显示方便灵活、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，在各行各个领域得到了应用。分级递阶控制集散控制系统是分级递阶控制系统。它在垂直方向或水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为两级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，他们把数据向上送达操作管理级，同时接受操作管理级的指令，各个水平分级间互相也进行数据的交换，这样的系统是分级的递阶系统。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围就越广。现在常见到的CIMS是集散控制系统的一个垂直方向和水平方向的扩展。目前，集散控制系统把管理级仅限于操作管理级，单从系统的构成来看，分级递阶是它的基本特征。分级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协调是通过上一分级来完成的。上下各分级的关系通常是下面的分级把该级及它下层的分级数据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调，并给出相应的指令即数据，用过数据的通信系统，把数据送到下层的有关分级。在集散控制系统中，过程控制级采集过程的各种数据信息，把它们转换成数字量。这些数据经过计算获得作用到执行机构的数据输出量，然后，经转换为执行机构的输入信号，送到执行机构去。可以看到，在集散控制系统中，各个分级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间既有分工又有联系，在各自的工作中完成各自的任务，同时它们相互协调，相互制约，使整个系统在优化的操作条件下运行。分散过程分散过程是集散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。在计算机控制系统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监督和过程的控制。国外对集散控制系通常称为分散控制系统，即DCS。其原因是把分散控制放在十分重要的位置。分散的含义不单是分散控制，它还包含了其它意义。例如，人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散及操作分散等。分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。集中式的计算机控制系统是在中央控制室集中控制的基础上发展而来的。在中央控制室，各种过程的参数经检测、变送集中送到中央控制室，并在控制室的仪表盘上显示或记录，对要调节的参数则通过控制器的运算，输出信号到相应的执行机构。操作人员在中央控制室通过仪表盘上的仪表监视和操作。这种集中控制的方式大大方便了操作，对过程参数的信息管理也有较好的效果。计算机的出现使人们自然而然的把它应用到过程的控制领域，集中控制式的计算机控制系统因此而产生。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、记录、运算、转换等功能集中在一起，也产生了一系列的问题。首先是一旦计算机发生故障，将造成过程操作的全线瘫痪，为此，危险分散的想法就提了出来，冗余的概念也产生了。但是，要采用一个同样的计算机控制系统作为原系统的后备，无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功能的分析表明，在过程控制级进行分散，把过程控制于操作管理进行分散时可能的和可行的。自治和协调性集散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它们完成各自的功能，相互间又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。在集散控制系统中，分散过程控制装置是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算机数据输出等功能。操作管理装置完成数据的显示、操作监视和操纵信号的发送等功能。通信系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置间的数据通信。集散控制系统的各部分是各自独立的自治系统，但是，在系统中它们又是相互协调工作的。由于整个系统是一个相互协调的系统，因此，虽然各个组成部分是自治的，但是，任何一个部分的故障也会对其他部分有影响。应该指出，不同部件的故障对整个系统影响的大小是不同的，为此，在集散控制系统的选型和系统配置时应考虑重要的部位设置叫高可靠性的部件或有必要的冗余措施等。分散的基础是被分散的系统应是自治的系统。递阶分级的基础是被分级的系统是相互协调的系统。在集散控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。分散数据库、分散控制功能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等，它们的分散是相互协调的分散，因此，在分散中游集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等，为分散作协调和管理。各个分散的自治系统是在统一集中管理和协调下各自分散工作3.6 DCS的体系结构新型的DCS开放型的体系结构，可方便的与生产管理的上位计算机相互交换信息，形成计算机一体化生产体系，实现工厂的信息管理一体化。1直接控制级是DCS的基础，其主要任务有：（1）进行过程数据采集（2）进行直接数据的过程控制（3）进行设备监测和系统的测试和诊断（4）实施安全性，冗余化方面的措施。2过程管理级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层可完成的功能有：(1)优化过程控制（）自适应回路控制（）优化单元内各装置，使它们密切配合（）通过获取直接控制层的实时数据已进行单元内的活动监视，故障检测存档，历史数据的存档，状态报告和备用。3生产管理级 产品规划和控制级完成一系列的功能，要求有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，根据用户的订货情况，库存情况，能源情况来规划各单元中的产品结构和规模，并且可使产品重新计划，随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了产品重新组织和柔性制造的功能，就可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测的事件。4工厂经营管理级经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它的范围很广，包括工程技术方面，经济方面，商业事务方面，人事活动方面以及其他方面的功能。3.6.1 DCS的硬件结构DCS 的一个突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。DCS 的硬件系统是通过网络系统将不同数目的现场控制站，操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集，控制，显示，操作和管理功能。DCS的过程控制级1过程控制级的功能在DCS 中，各种现场检测仪表（如各种传感器，变送器等）送来的过程控制信号均由过程控制级个单元进行实时的数据采集，滤除噪声信号，进行非线性校正及各种补偿运算，折算成相应的工程量，根据组态要求还可以进行上下限报警及累计量计算。所有测量值和报警值经通信网络传送到操作战数据库，供实时显示，优化计算，报警打印等。在过程控制单元中，根据过程控制组态还可以进行各种闭环反馈控制，批量控制与顺序控制等，并可接受操作站发来的各种手动操作命令进行手动控制，从而提供了对生产过程的直接调节控制功能。2用于过程控制级的可编程控制器(PLC) 构成DCS过程控制级越来越多地采用了各种智能数字调节器与可编程控制器，新型的数字调节器与PLC不仅容量更大，速度更快，而且都增设了较强的联网通信能力。可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线网，将作为主节点的现场控制站与作为从节点的数十个数字调节器，PLC或数字化智能变送器连接在一起，DCS的控制功能进一步分散，控制速度与功能及系统的可靠性又得以进一步的提高。在小型的DCS中，是以数字调节器与PLC为过程级而用个人计算机为管理机构成的系统。DCS 现场控制站电源：是具有效率高、稳定性无干扰得交流供电系统。有的采用冗余的双电源供电方式。控制计算机：是一个智能化的可独立运行的数据采集与控制系统，必须由CPU、存储器、总线、I/O通道等基本部分组成。3可编程控制器可编程控制器是一种以微处理器为核心的过程控制装置，它主要配置的是开关量I/O通道，用于执行顺序控制功能。各厂家生产的PLC均以标准化，系列化，模块化。PLC主要用于生产过程中按时间顺序控制或逻辑顺序控制的场合，以取代复杂的继电器控制装置。在专用编程器上输入全部梯形图后，编程器即自动将其编辑成微处理器可执行的内部程序，经过试运行考验合格后，固化到EPROM中，安装到PLC上就可以执行输入的程序，实现工业生产线的自动化控制。PLC在运行过程中不停的巡回检测个接点的状态，根据其变化和预定的时序与逻辑关系，相应的改变个内部及电气化启动定时器，最终输出开关信号以控制生产过程。程序运行周期由程序长短和CPU指令执行实践所确定，一般为数十毫秒。在较新型的PLC中，也提供了模拟量控制模板，同时也提供了PID等控制算法，PLC所特有的高可靠性和它不断增强的功能，使它在DCS的过程控制级中得到了越来越广泛的应用。3.6.2 DCS的集中监控DCS的集中操作监控级（组态）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。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。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。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。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。4 上位机监控系统4.1 上位机监控系统主要功能1工艺流程画面显示，设备状态描述及过程参数的动态显示功能。2报警显示（按时间顺序，按优先级别，按故障点所处区域等）功能。3实时报警/时间信息打印功能。4工艺参数设定及PID回路控制参数在线设定功能。5工艺参数趋势曲线（实时趋势及历史趋势）显示功能。6按操作员，系统工程师，管理人员的不同级别进行注册，实行用户控制权限管理功能。7实现操作方式（联动/单动）选择功能。8设备的启动，停止控制功能。9历史数据采集与自动归档存储功能。10事件记录（操作员操作记录，工艺参数或设备状态与控制方式改变，报警产生，确认等）功能。11生产报表自动或随时此生成打印功能。12监控系统硬件故障诊断与状态监视功能。13系统在线组态与维护功能。4.2 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。4.2.1 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。1OPC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。2OPC数据的通讯与OPC之间的通讯是以变量为单位的，在OPC服务器上定义相关的变量和需要采集的硬件进行连接，并生成唯一表示此变量的ID标识。此变量中保存着变量的数值，变量相关的信息，外部的程序能够访问的就是此变量的所有信息，即OPC服务器与外部的数据的传输是通过变量进行对应的。组态王作为服务器其所有变量都可以被外部的客户端进行访问，访问的对象是变量或变量的域。而且对于可读写变量的可修改的域，用户可以通过对组态王OPC服务器的访问得到相应的数值并能够修改相应的数值。另外，为了方便用户的对组态王OPC功能的使用，组态王提供了一个动态连接库-kingvewcliend.dll。该接口支持VB、VC等编程语言，用户可以很方便的使用该动态库访问组态王的实时数据。组态软件的数据流组态软件通过驱动程序从现场设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。已经组态历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给与响应。当发生报警时将报警以声音、图像的方式通知给操作人员，并记录报警的历史信息，已被检索。直观地表示出了组态软件的数据处理流程（图4. 1）。图形界面系统报警通知画面显示第三方程序接口通信程序组态实时数据库系统数据库冗余控制计算与控制实时数据库内核报警检查与处理数据连接第三方程序接口设备驱动I/O ServerI/O设备现场设备历史数据处理图4.1 组态软件的数据处理流程图4.2.2 组态王的优点组态王可用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。无论任何应用场合都可以使用组态王构造有效的监控和数据采集系统。使用组态王可以：使用清晰准确的画面描述工业控制现场；使用图形话的控制按钮实现单任务和多任务；设计复杂的动画线时线长的操作状态和数据；显示生产过程的文字信息和图形信息；为任何现场画面指定键盘命令；监控和记录所有报警信息；显示实时趋势曲线和历史趋势曲线；使用多样而灵活的方式查询历史数据；时间驱动和事件驱动的报表的打印；设计多级安全控制和访问权限。组态王采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。4.2.3 组态王的工作原理组态王与现场的I/O设备直接进行通讯，其原理如图4.2。图4.2 组态王与现场的I/O设备通讯I/O设备的输入提供现场的信息，例如产品的位置、机器的转速、炉温等等。I/O设备的输出通常用于对现场的控制，例如启动电动机、改变转速、控制阀门和指示灯等等。有些I/O设备(例如PLC)，其本身的程序完成对现场的控制，程序根据输入决定各输出的值。输入输出的数值存放在I/O设备的寄存器中，寄存器通过其地址进行引用。大多数I/O设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端口或数据通道，组态王通过这些通讯通道读写I/O设备的寄存器，采集到的数据可用于进一步的监控。不需要读写I/O设备的寄存器，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了I/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。4.2.4 应用程序设计过程要建立一个新的应用程序，首先为程序指定工作目录，即工程路径，组态王用工作目录标识应用程序，不同的应用程序应置于不同的目录下.工作目录下的文件由组态王自动管理。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，要仔细规划项目，主要考虑三方面问题：图形 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。一项目的含义 在“组态王”中，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。 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。二. 使用工程浏览器工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，它们以树形结构表示（如图4.3）。图4.3 工程浏览器三. 建立新项目首先启动组态王工程浏览器。工程浏览器运行后，将打开上一次工作后的项目。如果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：双液位监控,在工程描述中输入：毕业设计,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。可以在每一个项目下建立数目不限的画面（如图4.4）。图4.4 建立新项目四.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“主画面”的画面（如图4.5）。图4.5 建立新画面五. 使用图形工具箱接下来在此画面中绘制各图素。绘制图素的主要工具放置在图形编辑工具箱内。当画面打开时，工具箱自动显示，如果工具箱没有出现，选择菜单“工具显示工具箱”或按F10键打开它。六.定义外部设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、仪表、板卡等），它们一般通过串行口和上位机交流数据；其他 Windows 应用程序，它们之间一般通过 DDE 交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。为方便定义外部设备组态王设计了“设备配置向导”引导一步步完成设备的连接。假设PLC连接在计算机的COM1口。在组态王工程浏览器的左侧选中“ COM1”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。选择“西门子”的“S7200系列”，单击“下一步”；为外部设备取一个名称，输入“PLC200”，单击“下一步”；为设备选择连接串口，假设为COM1，单击“下一步”；填写设备地址，假设为1，单击“下一步”；检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC200”。在定义数据库变量时，只要把IO变量连接到设备上，就可以和组态王交换数据了（如图4.6）。图4.6 设备配置七. 数据库的作用