基于DCS的造紙廠紙機(jī)配漿監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西安建筑科技大學(xué) 課程設(shè)計(jì)(論文任務(wù)書專業(yè)班級:學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師 (簽名 :一、課程設(shè)計(jì)(論文題目基于 DCS 的造紙廠紙機(jī)配漿監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、本次課程設(shè)計(jì)(論文應(yīng)達(dá)到的目的本次課程設(shè)計(jì)是自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng) 和過程控制及儀表兩門專業(yè)必修課程及單片機(jī)原理與應(yīng)用 、 可編 程控制器等相關(guān)專業(yè)選修課程之后進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練,其主要 目的是加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相關(guān)理論和知識的理解,進(jìn)一步熟悉計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的基本理論、方法和技能;掌握工程應(yīng)用的基本內(nèi) 容和要求,整合各專業(yè)課程的理論知識和方法,做到理論與實(shí)際的統(tǒng)一; 培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和獨(dú)立完成

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力,并按要 求編寫相關(guān)的設(shè)計(jì)說明書、技術(shù)文檔和總結(jié)報(bào)告等。三、本次課程設(shè)計(jì)(論文任務(wù)的主要內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、 技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求等以造紙廠紙機(jī)配漿系統(tǒng)為背景, 利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 具體要求如下:1.熟悉造紙廠紙機(jī)配漿系統(tǒng)的工藝,進(jìn)行 I/O節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì);2. 掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 DCS 現(xiàn)場控制站和操作員站的設(shè)計(jì)方法, 進(jìn) 行上下位硬件設(shè)計(jì)與選型;3.學(xué)習(xí) KingView 組態(tài)軟件,紙機(jī)配漿上位監(jiān)控系統(tǒng)流程畫面,分組 畫面、報(bào)警畫面和趨勢畫面、歷史記錄的設(shè)計(jì);4.繪制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖;5.撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告一份,要求字?jǐn)?shù) 30005000字。四、應(yīng)收集的資料及

3、主要參考文獻(xiàn):1.王再英等 . 過程控制系統(tǒng)與儀表 . 機(jī)械工業(yè)出版社 ,20062.潘新民 , 王燕芳 . 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) . 高等教育出版社 ,20013.王錦標(biāo) . 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) . 清華大學(xué)出版社 ,20084.組態(tài)王 Version6.53用戶手冊 .2006 五、審核批準(zhǔn)意見教研室主任(簽字目錄摘 要 . . 4 1緒論 . 5 1.1概述 . 51.2造紙廠的工藝 . 72紙機(jī)配漿系統(tǒng)的工藝及 I/O節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) . . 9 2.1紙機(jī)配漿系統(tǒng) . 9 2.2配漿過程自動控制 . 92.3I/O節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) . . 113 DCS控制系統(tǒng)及上下位硬件 . 12 3.1DCS 系

4、統(tǒng)簡介 . . 12 3.2 DCS現(xiàn)場控制站 . 13 3.3DCS 操作員站 . . 14 3.4下位硬件設(shè)計(jì)及選型 . 15 3.5 硬件設(shè)計(jì) . 15 3.5.1 電源模塊 . 15 3.5.2 中央處理器模塊 . 163.5.3 S7-300模擬量模塊選擇 . 164 KingView組態(tài)軟件設(shè)計(jì) . . 17 4.1 KingView組態(tài)軟件簡介 . . 17 4.2紙機(jī)配漿上位監(jiān)控系統(tǒng) . 18 4.3紙機(jī)配漿上位監(jiān)控系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì) . 18 4.3.1監(jiān)控系統(tǒng)流程畫面設(shè)計(jì) . 18 4.3.2報(bào)警畫面和趨勢畫面設(shè)計(jì) . 19 4.3.3歷史記錄設(shè)計(jì) . 19總 結(jié) . . 19參

5、 考 文 獻(xiàn) . . 21摘 要紙?jiān)谌嗣裆钪械淖饔糜?載體文化、信息載體;工農(nóng)業(yè)材料、 產(chǎn)品載體。保護(hù)、裝飾材料日常生活使用、建筑使用;加工材料 充當(dāng)特殊條件下的加工、工具材料。造紙技術(shù)水平是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展標(biāo)志:1、紙的消耗量與國內(nèi)生產(chǎn)總值 增長呈同步趨勢。 2、 紙的消耗量與人民生活水平提高呈同步趨勢。 2005 年 我國紙產(chǎn)量達(dá) 5600萬噸,居世界第 2 位。目前我國有造紙企業(yè) 3500余 家。但大多造紙業(yè)存在問題是:設(shè)備落后、能耗、物耗高、產(chǎn)品質(zhì)量差、 檔次低、進(jìn)口量大等原因。近年來,我國造紙業(yè)速發(fā)展:僅 2010年總產(chǎn) 量達(dá) 5115.18萬噸,表觀消費(fèi)量 5184.96萬噸,人均消

6、費(fèi)量 33.9 kg/人 . 年 本次課程設(shè)計(jì)主要是對于機(jī)制造紙中的配漿系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì), 以達(dá)到合 理 配 比 、 智 能 控 制 、 節(jié) 約 成 本 的 效 果 。 采 用 HOLLSYS 公 司 的 HOLLYSYS-MACS 多級分布式集散控制系統(tǒng) (DCS , 對紙生產(chǎn)線中的控 制環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化處理。 本設(shè)計(jì)利用 KingView 組態(tài)軟件對其進(jìn)行了編 程,編寫了配漿,液位高停泵、液位高報(bào)警等程序。關(guān)鍵詞 :集散控制系統(tǒng), HOLLYSYS-MACS ,控制軟件 , KingView 組態(tài)軟件1緒論1.1概述計(jì)算機(jī)的應(yīng)用促進(jìn)了控制理論的發(fā)展。 先進(jìn)控制的理論和計(jì)算機(jī)技術(shù) 的發(fā)展推動了工業(yè)

7、控制的微機(jī)化、 智能化和網(wǎng)絡(luò)化, 也推進(jìn)了先進(jìn)控制理 論的應(yīng)用。 同時, 先進(jìn)控制理論的成功應(yīng)用也促進(jìn)了控制理論的持續(xù)和深 入的開展。 因此, 計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和理論研究中發(fā)揮的作用是無法估量 的。 同時采用計(jì)算機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程連續(xù)化、 大型化和精密化的要 求, 可以進(jìn)行在線運(yùn)算, 完成一些比 PID 更靈活的控制。 計(jì)算機(jī)控制是關(guān) 于計(jì)算機(jī)技術(shù)如何應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的一門綜合性學(xué)問。 計(jì)算機(jī) 控制的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的, 從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā), 工業(yè)自動化是 其重要的一個領(lǐng)域; 而從工業(yè)自動化的領(lǐng)域來看, 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又是其 主要的實(shí)現(xiàn)手段。 可以說, 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與用于科

8、學(xué)計(jì)算及數(shù)據(jù)處理的 一般計(jì)算機(jī)是兩類不同用途、不同結(jié)構(gòu)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是融計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)過程控制于一體的綜合性技 術(shù),它是在常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 圖 1-1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖1 主機(jī)由中央處理器 (CPU、內(nèi)存儲器 (RAM、 ROM 和系統(tǒng)總線構(gòu)成的主機(jī) 是控制系統(tǒng)的核心。 主機(jī)根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的實(shí)時反映生產(chǎn)過程工 況的各種信息,以及預(yù)定的控制算法,做出相應(yīng)的控制決策,并通過過程輸出通道向生產(chǎn)過程發(fā)送控制命令。主機(jī)所產(chǎn)生的各種控制是按照人們事先安排好的程序進(jìn)行的。這里, 實(shí)現(xiàn)信號輸入、 運(yùn)算控制和命令輸出等功能的程序已預(yù)先存入內(nèi)存, 當(dāng)系 統(tǒng)

9、啟動后, CPU 就從內(nèi)存中逐條取出指令并執(zhí)行,以達(dá)到控制目的。 2 常規(guī)外部設(shè)備常規(guī)外部設(shè)備由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲器等組成。常規(guī)的輸入設(shè)備有鍵盤、 光電輸入機(jī)等, 主要用來輸入程序、數(shù)據(jù)和 操作命令。常規(guī)的輸出設(shè)備有打印機(jī)、繪圖機(jī)、顯示器 (CRT顯示器或數(shù)碼顯示 器 等,主要用來把各種信息和數(shù)據(jù)提供給操作者。外存儲器有磁盤裝置 (軟盤、硬盤和半導(dǎo)體盤 、磁帶裝置,兼有輸入 /輸出兩種功能,主要用于存儲系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。這些常規(guī)的外部設(shè)備與主機(jī)組成的計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng) (即通常所言的計(jì) 算機(jī) ,用于一般的科學(xué)計(jì)算和管理是可以滿足要求的,但是用于工業(yè)過 程控制,則必須增加過程輸入 /輸出設(shè)備。

10、3 過程輸入 /輸出設(shè)備過程輸入 /輸出設(shè)備是在計(jì)算機(jī)與工業(yè)對象之間起著信息傳遞和轉(zhuǎn)換 作用的裝置, 除了其中的測量變送單元和信號驅(qū)動單元屬于自動化儀表的 范疇外,主要是指過程輸入 /輸出通道 (簡稱過程通道 。過程輸入通道包括模擬量輸入通道 (簡稱 A/D通道 和數(shù)字量輸入通道 (簡稱 DI 通道 ,分別用來輸入模擬量信號 (如溫度、壓力、流量、液位等 和開關(guān)量信號 (繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)、按鈕等 或數(shù)字量信號 (如轉(zhuǎn)速、流 量脈沖、 BCD 碼等 。過程輸出通道包括模擬量輸出通道 (簡稱 D/A通道 和數(shù)字量輸出通道 (簡稱 DO 通道 , D/A通道把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后再輸出, D

11、O 通 道則直接輸出開關(guān)量信號或數(shù)字量信號。4 操作臺操作臺是操作員與系統(tǒng)之間進(jìn)行人機(jī)對話的信息交換工具,一般由 CRT 顯示器 (或 LED 等其他顯示器 、鍵盤、開關(guān)和指示燈等構(gòu)成。操作 員通過操作臺可以了解與控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。操作員分為系統(tǒng)操作員與生產(chǎn)操作員兩種。 系統(tǒng)操作員負(fù)責(zé)建立和修改控制系統(tǒng), 如編制程序和系統(tǒng)組態(tài); 生產(chǎn)操作員負(fù)責(zé)與生產(chǎn)過程運(yùn)行有 關(guān)的操作。 為了安全和方便, 系統(tǒng)操作員和生產(chǎn)操作員的操作設(shè)備一般是 分開的。5 接口電路主機(jī)與外圍設(shè)備 (包括常規(guī)外部設(shè)備和過程通道 之間,因?yàn)橥庠O(shè)結(jié) 構(gòu)、信息種類、傳送方式、傳送速度的不同而不能直接通過總線相連,必 須通過其間

12、的橋梁接口電路來傳送信息和命令。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有各 種不同的接口電路, 一般分為并行接口、串行接口、 管理接口和專用接口 等幾類。6 通信設(shè)備現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程的規(guī)模一般比較大, 其控制與管理也很復(fù)雜, 往 往需要幾臺或幾十臺計(jì)算機(jī)才能分級完成控制和管理任務(wù)。 這樣, 在不同 地理位置、 不同功能的計(jì)算機(jī)之間就需要通過通信設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò), 以進(jìn) 行信息交換。1.2造紙廠的工藝造紙廠, 是通過機(jī)制流水線的形式進(jìn)行造紙的工廠。 造紙分有機(jī)制和 手工兩種形式。機(jī)制是在造紙機(jī)上連續(xù)進(jìn)行,將適合于紙張質(zhì)量的紙漿, 用水稀釋至一定濃度,在造紙機(jī)的網(wǎng)部初步脫水,形成濕的紙頁, 再經(jīng)壓 榨脫水,然后烘干成紙

13、。手工則用有竹簾、聚酯網(wǎng)或銅網(wǎng)的框架,將分散 懸浮于水中的纖維抄成濕紙頁,經(jīng)壓榨脫水,再行曬干或烘干成紙。 造紙機(jī)械的基本組成部分按照紙張形成的順序分為網(wǎng)部、 壓榨、 前干 燥、后壓榨、后干燥、壓光機(jī)、卷紙機(jī)等。其工藝為流漿箱輸出的紙漿在 網(wǎng)部脫水成型,在壓榨部進(jìn)行壓縮使紙層均勻,經(jīng)過前干燥進(jìn)行干燥, 接 著進(jìn)入后壓榨進(jìn)行施膠, 再進(jìn)入后干燥器烘干處理, 然后利用壓光機(jī)使紙 張平滑,最后通過卷紙機(jī)形成母紙卷。造紙工藝流程圖如下所示: 圖 1-2造紙廠紙機(jī)配漿系統(tǒng)的工藝2紙機(jī)配漿系統(tǒng)的工藝及 I/O節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)2.1紙機(jī)配漿系統(tǒng)配漿的目的是通過配漿的機(jī)械作用, 處理水中的紙漿纖維, 使其發(fā)生 物理

14、化學(xué)變化而獲得一些特定的性質(zhì),以滿足紙或紙板生產(chǎn)的質(zhì)量要求。 針葉木漿配漿過程:針葉木漿由 4雙圓盤磨漿機(jī)和高位箱組成的串聯(lián) 連續(xù)循環(huán)配漿系統(tǒng)。 在正常工作時,系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)連續(xù)循環(huán)配漿。 但在有 些情況下, 如:剛開始配漿時, 需要進(jìn)行循環(huán)配漿。 成漿送入針木成漿池。 闊葉木漿配漿過程:闊木漿由 2雙圓盤磨漿機(jī)和高位箱組成的串聯(lián)連 續(xù)循環(huán)配漿系統(tǒng)。在正常工作時,系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)連續(xù)循環(huán)配漿。 但在有些 情況下,如:剛開始配漿時,需要進(jìn)行循環(huán)配漿。成漿送入針木成漿池。 損紙配漿過程的其他要求:在有些配漿過程中需要間歇的對配漿設(shè)備 進(jìn)行清洗工作。2.2配漿過程自動控制(a 自動控制回路。配漿過程的流量

15、自動控制回路;配漿過程差壓控制及內(nèi)循環(huán)量的控制。(b 配漿設(shè)備恒功率控制 (通過對成線盤磨的功率自動 /手動的分配, 實(shí)現(xiàn)進(jìn)、退刀,調(diào)整配漿設(shè)備動刀和靜刀間隙 ,保證配漿質(zhì)量的連續(xù)穩(wěn) 定以及設(shè)備的正常運(yùn)行。(c 配漿機(jī)設(shè)有漿壓、水壓、油溫等連鎖控制裝置,保護(hù)設(shè)備正常 運(yùn)行。(d 系統(tǒng)設(shè)有清洗水壓力手動遙控系統(tǒng),在配漿過程結(jié)束時用一清 洗配漿設(shè)備,為下一次配漿作好準(zhǔn)備工作。(e 系統(tǒng)設(shè)有配漿過程三通控制功能,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)配漿和循環(huán)配 漿的切換功能。(f 配漿質(zhì)量控制,質(zhì)量控制是配漿控制的最后一個環(huán)節(jié),用配漿 度軟測量技術(shù)測得配漿度(用化驗(yàn)值校正 ,用以控制配漿設(shè)備穩(wěn)定配漿 質(zhì)量。(g 保存幾組配

16、漿過程最佳參數(shù),可直接調(diào)用。(h 順序停、開車控制,緊急停車控制。 圖 2-1 生產(chǎn)線流程簡圖針木漿板或闊木漿板經(jīng)水力碎漿機(jī)碎漿后,形成 4%5%濃度的原 漿,分別經(jīng)過各自的雙盤磨配漿線配漿,形成約 3.6%濃度的成漿,分別 儲存在各自的成漿池中。 由干損紙碎漿機(jī)來的損紙漿經(jīng)盤磨配漿后, 加上 網(wǎng)部回收的濕損紙漿, 儲存在損紙成漿池中。 三種漿按一定比例配成生產(chǎn) 用的混合漿,濃度調(diào)到 2.5%左右,經(jīng)沖漿池稀釋后到紙機(jī)流漿箱抄造。 在此過程中還要控制加入各種助劑。 漿料從流漿箱出來后上紙機(jī)網(wǎng)部、 真 空系統(tǒng)、白水回收系統(tǒng)以及蒸汽系統(tǒng),最后到卷紙機(jī)。2.3I/O節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)控 制 系 統(tǒng) 選 用

17、北 京 和 利 時 系 統(tǒng) 工 程 股 份 有 限 公 司 的 HOLLIAS-MACS 。該系統(tǒng)采用 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線技術(shù),具有可靠、 先進(jìn)、高性價比的特點(diǎn)。在硬件上,系統(tǒng)的電源、主控單元、 I/O設(shè)備、 網(wǎng)絡(luò)都采用冗余技術(shù),提高了硬件的可靠性。而且,采用特殊保護(hù)措施, 系統(tǒng)的所有模塊 (AI、 AO 、 DI 、 DO 都可帶電插拔,對系統(tǒng)的運(yùn)行不產(chǎn)生 影響。根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場情況,設(shè)置兩個 DCS 主控室,分別位于紙間和 漿間,主控柜和 1#擴(kuò)展柜以及漿間操作站位于漿間 DCS 室, 2#擴(kuò)展柜和 紙間操作站位于紙間 DCS 室,三個 OMRON 可編程控制器分別安裝在現(xiàn)

18、 場操作臺內(nèi),通過 PROFIBUS-DP 總線和主控單元 FM801交換數(shù)據(jù)。主 控柜內(nèi)安裝有互為冗余的 150W 電源模塊 FM911共 2個,互為冗余的主 控單元 FM801共 2個, 8路模擬量輸入模塊 FM148A 共 6個, 6路模擬量 輸出模塊 FM151共 4個, 16路開關(guān)量輸入模塊共 4個, 16路開關(guān)量輸出 模塊 FM171共 3個; 1#擴(kuò)展柜內(nèi)安裝有互為冗余的電源模塊 FM911共 2個, AI 模塊 FM148A 共 7個, AO 模塊 FM151共 5個, DI 模塊共 5個, DO 模塊 FM171共 3個; 3#擴(kuò)展柜內(nèi)安裝有互為冗余的電源模塊 FM911共

19、2個, AI 模塊 FM148A 共四個, AO 模塊 FM151共 3個, DI 模塊共 1個, DO 模塊 FM171共 1個。系統(tǒng)圖如圖 4-2所示。 圖 2-2生產(chǎn)線控制系統(tǒng)圖功能化分為以下幾種。主控柜:針木配漿線、闊木配漿線、損紙線、配漿系統(tǒng)。1#擴(kuò)展柜:助劑、真空系統(tǒng)、白水回收系統(tǒng)。2#擴(kuò)展柜:蒸汽系統(tǒng)、表面施膠。PLC :各盤磨的連鎖控制、恒功率控制。3 DCS控制系統(tǒng)及上下位硬件3.1DCS 系統(tǒng)簡介隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,信息量的增多,控制和管理的關(guān)系日趨密切。 對于大型企業(yè)生產(chǎn)的控制和管理,不可能只用一臺計(jì)算機(jī)來完成。于是, 人們研制出以多臺微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的分散控制系統(tǒng) (D

20、istributed Control System , DCS 。 DCS 采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和 綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則,自下而上可以分為若干級,如過程控制級、 控制管 理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級等。 DCS 又稱分布式或集散式控制系統(tǒng)。 MACS 是北京和利時(Hollysys 開發(fā)的分層分布式的大型綜合控制 系統(tǒng), 用以完成大、 中型分布式控制, 大型數(shù)據(jù)采集監(jiān)控, 具有數(shù)據(jù)采集、 控制運(yùn)算、控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通信、實(shí)時數(shù)據(jù) 處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事故順序識別,事故追憶、圖形 顯示、 控制調(diào)節(jié)、 報(bào)表打印、 高級計(jì)算, 以及所有這些

21、信息的組態(tài), 調(diào)試、 打印、下裝、診斷等功能。該系統(tǒng)采用了目前世界上先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù) (ProfiBus-DP 總線 ,對控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控,具有可靠性高、適用 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是一個完善,經(jīng)濟(jì)、可靠的控制系統(tǒng)。MACS 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖。它是由網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、管 理網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、 通信控制站、 現(xiàn)場控制站、 系統(tǒng)服務(wù)器、 工程師站、 操作員站、 高級計(jì)算機(jī)站等組成。一個最基本的 DCS 應(yīng)包括四個大的組成部分:至少一臺現(xiàn)場控制站, 至少一臺操作員站一臺工程師站 (也可利用一臺操作員站兼做工程師站 , 一條系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。一個典型的 DCS 體結(jié)構(gòu)如圖 2-3所示,圖中表明了 DCS各主要組

22、成部分和各部分之間的連接關(guān)系。除了上述四個基本的組成部分之外, DCS 還可包括完成某些專門功 能的站、擴(kuò)充生產(chǎn)管理和信息處理功能的信息網(wǎng)絡(luò)。以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)字化的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。圖 3-1 DCS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.2 DCS現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站是 DCS 的核心,系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成。系統(tǒng) 的性能、 可靠性等重要指標(biāo)也都要依靠現(xiàn)場控制站保證, 因此對它的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)及安裝都有很高的要求。 現(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級 計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 其中除了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所必需的運(yùn)算器 (即主 CPU 、 存儲器外, 還包括了現(xiàn)場測量單元、 執(zhí)行單元的輸入 /輸出設(shè)備, 即過程量 I/

23、O或現(xiàn)場 I/O。在現(xiàn)場控制站內(nèi)部,主 CPU 和內(nèi)存等用于數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算和存儲 的部分被稱為邏輯部分,而現(xiàn)場 I/O則被稱為現(xiàn)場部分,這兩個部分是需 要嚴(yán)格隔離的, 以防止現(xiàn)場的各種信號, 包括干擾信號對計(jì)算機(jī)的處理產(chǎn) 生不利的影響。 現(xiàn)場控制站內(nèi)的邏輯部分和現(xiàn)場部分的連接, 一般采用與 工業(yè)計(jì)算機(jī)相匹配的內(nèi)部并行總線, 如 Multibus 、 VME 、 STD 、 ISA 、 PCI04、 PCI 和 Compact PCI等。由于并行總線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 用其連接邏輯部分和現(xiàn)場部分很難實(shí)現(xiàn) 有效的隔離,成本較高,很難方便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充, 現(xiàn)場控制站內(nèi)的邏輯部分和現(xiàn)場 I/O之間的連接方式

24、轉(zhuǎn)向了串行總線?，F(xiàn)場控制站是 MACS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的重要特點(diǎn),主 要完成數(shù)據(jù)采集、工程單位變換、控制和聯(lián)鎖算法、控制輸出、通過系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果船送到系統(tǒng)服務(wù)器等功能, 它由電源單元、 主控單 元、智能 I/O單元和專用機(jī)柜四部分組成。現(xiàn)場控制站內(nèi)部采用了分布式 的結(jié)構(gòu),與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連接的是現(xiàn)場控制站的主控單元,可冗余配置。 主 控單元通過控制網(wǎng)絡(luò)(C-NET 與各個智能 I/O單元實(shí)現(xiàn)連接。硬件配置:可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模 , 配置多個控制器 ; 每個控制器最大配置 128個 I O 通道;單點(diǎn) I O 模塊可帶電插拔 , 即插即用 ; 模擬量與數(shù)字量可任 意組合; 100M

25、bps 通訊速率;支持 TCP IP 協(xié)議 ; 電源模塊與控制器可冗余 熱備份;提供一個 RS232端口備用。3.3DCS 操作員站操作員站(OPS 操作員站由高可靠工業(yè)微機(jī)及專用工業(yè)鍵盤、軌跡 球或觸摸屏等設(shè)備和人機(jī)對話、 畫面顯示等專用軟件組成。 主要完成人機(jī) 界面的功能, 一般采用桌面型通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 如圖形工作站或個人計(jì)算 機(jī)等。其配置與常規(guī)的桌面系統(tǒng)相同,但要求有大尺寸的顯示器 (CRT或 液晶屏 和性能好的圖形處理器,有些系統(tǒng)還要求每臺操作員站使用多屏 幕,以拓寬操作員的觀察范圍。為了提高畫面的顯示速度,一般都在操作 員站上配置較大的內(nèi)存。MACS 專用的操作員站軟件是運(yùn)行在中文

26、 Windows NT上的實(shí)施監(jiān)控 軟件。該軟件包含的任務(wù)主要由模擬流程圖顯示、趨勢顯示、參數(shù)列表顯 示、 工藝報(bào)警顯示、 日志和事件查詢顯示及控制調(diào)節(jié)和參數(shù)整定等操作功 能。操作員站監(jiān)控軟件是最重要的人機(jī)界面,支持專用工業(yè)鍵盤, 軌跡球 或觸摸屏等外部設(shè)備。操作站硬件配置要求 :奔騰 100以上工業(yè) PC 機(jī); 16M 以上內(nèi)存 ;540M 以上高速硬盤;支持 800*600、 256色以上的顯示 卡和顯示器; 10M 100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)卡。3.4下位硬件設(shè)計(jì)及選型上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī), 屏幕上顯示各種信號變 化 (液壓, 水位, 溫度等 。 下位機(jī) 是直接控制設(shè)備獲取

27、設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī), 一般是 PLC /單片機(jī) 之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給 下位機(jī) ,下位機(jī)再根 據(jù)此命令解釋成相應(yīng) 時序信號 直接控制相應(yīng)設(shè)備。 下位機(jī) 不時讀取設(shè)備狀態(tài) 數(shù)據(jù)(一般為模擬量 ,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。簡言之如此,實(shí) 際情況千差萬別,但 萬變不離其宗 :上 下位機(jī) 都需要編程,都有專門的開發(fā) 系統(tǒng)。在概念上,控制者和提供服務(wù)者是上位機(jī),被控制者和被服務(wù)者是 下 位機(jī) ,也可以理解為主機(jī)和從機(jī)的關(guān)系,但上位機(jī)和 下位機(jī) 是可以轉(zhuǎn)換的。 通常 工控機(jī) ,工作站,觸摸屏作為上位機(jī),通信控制 PLC ,單片機(jī)等 作為 下位機(jī) ,從而控制相關(guān)設(shè)備元件和驅(qū)動裝置。設(shè)計(jì)與選擇 :SI

28、EMENS SIMATIC運(yùn)行時要進(jìn)行一系列的操作,大致 可分為四個階段, 以故障診斷通信處理為主的公共操作, 聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場的 數(shù)據(jù)輸入輸出操作,執(zhí)行用戶程序的操作以及服務(wù)于外部設(shè)備的操作。 S7-300PLC 與其它可編程序控制器一樣都是采用分時操作的原理, 即循環(huán) 掃描方式, 也就是說首先掃描輸入模塊的狀態(tài), 并更新輸入過程映像區(qū)寄 存器, 接著執(zhí)行用戶程序, 最后從輸出過程映像寄存器將值輸出到輸出模 塊,一次循環(huán)下去。S7-300PLC 功能強(qiáng)、速度快,擴(kuò)展靈活,它具有結(jié)構(gòu)緊湊、無槽位限 制的模塊化結(jié)構(gòu)。并且可以通過 MPI 網(wǎng)的接口與可編程器 (PG、操作員 模塊 (OP、和其它 S7

29、系列相連。S7-300主要組成部分有:導(dǎo)軌 (RACK、電源模板 (PS、中央處理單 元 (CPU、信號模板 (SM、模板功能 (FM,還可加上接口模板 (IM和通信 處理器 (CP 。3.5 硬件設(shè)計(jì)3.5.1 電源模塊選擇電源要考慮:PS 307電源模塊的特點(diǎn)為:連接單相交流系統(tǒng) (輸 入電壓 120/230VAC,50/60HZ , 輸出電流 2A/5A/10A, 輸出電壓 24V DC,防短路和開路保護(hù),可靠的隔離特性,符合 EN60950,可用做負(fù)載電源。 本設(shè)計(jì)選用的是 PS307 5A為配漿控制系統(tǒng)的 CPU 提供電源。3.5.2 中央處理器模塊S7-300的 CPU 模塊種類有

30、 CPU312 IFM、 CPU313、 CPU314、 CPU315、 CPU315-2DP 等。 CPU 模塊除了執(zhí)行用戶程序外,還為 S 7-300背板總線 提供 5V DC電源,并通過 MPI 接口與其它中央處理器或編程裝置通信。 S 7-300的編程裝置可以是西門子專用的編程器, 如 PG 705、 PG 720、 PG 740、 PG 760等,也可以用通用微機(jī),配以 STEP 7 軟件包,與 MPI 卡和 MPI 編程電纜構(gòu)成。S7-300的 CPU 有很多種類型,可以分為以下幾種:(a標(biāo)準(zhǔn)型:CPU 312、 CPU 313、 314、 315、 315-2DP 和 316-2

31、DP 。(b緊湊型 CPU :CPU 312C 、 313C 、 313C-PtP 、 313C-2DP 、 314C-PtP 和 314C-2DP 。各 CPU 均有計(jì)數(shù)、頻率測量和脈沖寬度調(diào)制功能。有的有 定位功能,有的帶有 I/O。(c戶外型:CPU 312IFM 、 314IFM 、 314戶外型 , 在惡劣的環(huán)境下使用。(d高端 CPU :317-2DP 和 CPU 318-2DP 。(e故障型 CPU :CPU 315F 。本設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)型 CPU 模塊:CPU 314。3.5.3 S7-300模擬量模塊選擇S7-300有多種型號的模擬量模塊可供選擇。本設(shè)計(jì)選用了 1個 SM -3

32、31模擬量輸入模塊, 2個 SM 332模擬量輸出模塊。 SM-331模塊主 要完成濃度、流量以及整個系統(tǒng)中其他模擬量的采集功能, SM 332主要 處理濃度、流量的輸出信號。(1模擬量輸入模塊 SM -331模擬量輸入(簡稱模入, AI 模塊 SM 331目前有多種規(guī)格型號,如 8AI 12位模塊、 2AI 12位模塊和 8AI 16位模塊,分別為 8通道的 12位模擬量輸入模塊、 2通道的 12位模擬量輸入模塊、 8通道的 16位模擬 量輸入模塊。它們除了通道數(shù)和轉(zhuǎn)換精度不一樣外,其工作原理、性能、 參數(shù)設(shè)置等各方面都一樣。SM 331模塊中的各通道可以分別使用電流輸入或電壓輸入,并選用不

33、同的量程 (量程可通過量程卡來設(shè)置 ; 沒有量程卡的模塊時也可以通過 不同的端子接線方式設(shè)置 ,有多種分辨率可供選擇 (9-15位 +符號 , 與模 塊有關(guān) , 分辨率不同,轉(zhuǎn)換時間也不同。 模擬量轉(zhuǎn)換是順序執(zhí)行的,每個 模擬量通道的輸入信號是被依次輪流轉(zhuǎn)換的。(2模擬量輸出模塊 SM-332模擬量輸出(簡稱模出, AO 模塊 SM 332目前有三種規(guī)格型號,即 4AO 12位模塊、 2AO 12位模塊和 4AO 16為模塊,分別為 4通道的 12位模擬量輸出模塊、 2通道的 12位模擬量輸出模塊和 4通道的 16位模擬 量輸出模塊。 用于將 CPU 送給它的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號或電

34、 壓信號,對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制,其主要組成部分是 D/A轉(zhuǎn)換器, 可 以用傳送指令“ TPQW. ”向模擬量輸出模塊寫入要轉(zhuǎn)換的數(shù)值。SM 332可以輸出電壓,也可以輸出電流。在輸出電壓時,可以采用 2線回路和 4線回路兩種方式與負(fù)載相連。 采用 4線回路能獲得比較高的輸 出精度。4 KingView組態(tài)軟件設(shè)計(jì)4.1 KingView組態(tài)軟件簡介KINGVIEW 中文名叫作組態(tài)王 , 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工 業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、 硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代 傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng),它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā) 周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、 監(jiān)控層、管理層三 個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層, 對上連接管理層,它不但實(shí)現(xiàn) 對現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)測與控制, 且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、 組態(tài)開發(fā) 的重要作用。尤其考慮三方面問題:畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí) 現(xiàn)功能的分析, 采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提 供了可視化監(jiān)控畫面,有利于試驗(yàn)者實(shí)時現(xiàn)場監(jiān)控。而且, 它能充分利用 W