（动力工程及工程热物理专业论文）基于现场总线的热工控制系统研究及其组态程序开发.pdf

撼要 摘要 当今社会，信息技术的迅猛发展已经深入到各个领域，对传统的监控模式产 生了极大的影响。现场总线技术以其结构简单、费用低、易于维护、可靠性高、 丌放性等多种优势目渐成为鸯动化领域的热点。纂于现场总线的控制系统以其诸 多优点在工业监控领域引起了一场划时代的变革。热工控制系统自动化一直是工 业鼗控领域的一个热点，本文介缨了篓子p r o f i b u s 现场总线的热王控制系统 的基本结构及实现方法。 传统豹p i d 控制在热工控制系统中一直占有主导地位，骧因在于它的结构 简单，易于设计。但是，传统的p i d 控制也在控制过程中遇到了不少问题，例 如系统超调鬃大、震荡周期多、在控制具有较大时延的对象时稳定性能差等。 最近几年里，大量的先进控制技术得到了发腱，模糊逻辑控制就是其中之一。 它在工业实际应用中非常引人注目。因为模糊逻辑控制能模仿人思考和处理问题 的方式，抓住对象的不镌切信惠，所以模嬲逻辑控制往往能够取得令人满意的控 制效果。 本文通过对以空气水为介质的换热器控制系统的设计，说明了模糊控制在 热工控制系统中的应用前景。在换热器出口水温控制中，本文运用m a t l a b 语 言对p i d 控制、模糊控制以及模糊一p 1 d 双模控制进行了仿真。仿真结果表明， 模糊控制能有效地抑制超调、减少震荡周期，劳能提高系统的稳定性能。 在控制算法的实现方面，本文采用了工业控制中常用的可编程控制器 ( p l c ) ，并分翔对p i d 算法和模期控制算法编刮t 裙形图程序。 最后，本文还运用组态软件对控制系统进行了组态，以使操作更加简单、友 好。控制软待采用国产豹“组态王”，实现现场数据的实时数据采集、实时数据 与历史数据的显示、实时曲线与历史曲线的绘制、实时控制参数的修改等，完成 系统的实时监测与控制。 关键谪：现场总线，p r o f i b u s ，模耧控制，p l c ，组态王 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，a st h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a lw a yo f m o n i t o ra n dc o n t r o lh a sb e e ni n f l u e n c e dd e e p l y f i e l d b u st e c h n o l o g yi s b e c o m i n g m o r ea n dm o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t ss i m p l e n e s si ns t r u c t u r ea n de a s i n e s si nm a i n t a i n a n dh i 曲r e l i a b i l i t ya n do p e n n e s s c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u sh a sc a u s e da n e p o c h m a k i n gc h a n g ei ni n d u s t r yc o n t r o lr e a l m t h ea u t o m a t i o no ft h e r m a lc o n t r o l s y s t e mh a sa l w a y sb e e nah o tp o i n ti ni n d u s t r yc o n t r o lr e a l m t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o no ft h e r m a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s c o n v e n t i o n a lp i d t y p ec o n t r o l l e r sh a v ep l a y e dad o m i n a n tr o l ei nt h eh e a t e x c h a n g e rs y s t e m sd u et oi t ss i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r ea n de a s eo fd e s i g n h o w e v e r , p i d t y p ec o n t r o l l e r sm a ye n c o u n t e rp r o b l e m ss u c ha sl a r g eo v e r s h o o ta n de v e np o o r s t a b i l i t yi nt h ec o n t r o lo f p l a n t sw i t h t i m ed e l a y i nr e c e n ty e a r s ，p l e n t yo fa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u e sh a v eb e e nd e v e l o p e d f u z z yl o g i cc o n t r o li so n eo ft h e s en e wp a r a d i g m sa n dh a sb e c o m ev e r ya t t r a c t i v ei n i n d u s t r i a lp r a c t i c e s b e c a u s eo fi t sc a p a b i l i t yt oe m u l a t eh u m a nt h i n k i n ga n dh u m a n i l f f e r e n c ea n dt oc a p t u r et h ei n e x a c ti n f o r m a t i o no ft h ep l a n t ，f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ( f l c ) o f t e ny i e l d ss a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e s t h i sp a p e rd e s i g n st h ec o n t r o ls y s t e mo fac r o s s - f l o wa i r w a t e rh e a te x c h a n g e r , i no r d e rt oi n d i c a t et h eu s eo ff u z z yl o g i cc o n t r o l i nt h e r m a lc o n t r 0 1r e a l m i nt h e w a t e ro u t l e tt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h i sp a p e ru s e sm a a bt os i m u l a t et h ep i dc o n t r o l ， f u z z yc o n t r 0 1 a n da l s ot h ef u z z y p i dt w o m o d ec o n t r 0 1 s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t e t b a tt h ef u z z yc o n t r o l l e ri se f f e c t i v ei ns u p p r e s s i n gt h em a x i m u mo v e r s h o o tm a di n r e d u c i n gt h ed e c a y i n go s c i l l a t i o nc y c l e s i no r d e rt or e a l i z et h ec o n t r o la r i t h m e t i c ，t h i sp a p e ru s e st h ep l c ，a n dd e s i g n st h e p r o g r a m so f b o t hp i dc o n t r o la n df u z z y c o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h i sp a p e ru s e st h ec o n f i g u r a b l es o f t w a r ek i n g v i e wt oc o n f i g u r et h e w h o l ec o n t r o ls y s t e m t h es o f t w a r ec a na c h i e v ed a t ac o l l e c t i o ni n s i d e ，r e a l - t i m ed a t a a n dh i s t o r yd a t ac a nb ed i s p l a y e d ，r e a l t i m ec u r v ea n dh i s t o r yc l l r v ec a nb ep i c t u r e d ， r e a l t i m em o d i f yt h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e r , b yt h ef o l l o wu pt oa c h i e v er e a l - t i m e m o n i t o ra n dc o n t r o lo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，p r o f i b u s ，f u z z yc o n t r o l ，p l c ，k i n g v i e w 第l 章绪沦 1 1 前言 第1 章绪论 从蒸汽机转速自动控制算起，热工设备自动控制的历史已有二百多年了。随 着热工系统在化工、电力、冶金、航天航空、建筑等领域应用的飞速发展，对自 动控制系统的要求也不断提高。热工过程的高度自动化，不仅有助于热工系统的 优化设计，提高产品质量和劳动生产率，降低成本；而且可以使人们从繁重的体 力劳动、高温高压、有害的工作条件中彻底解放出来f 捌。 计算机技术、控制技术和通信技术的飞速发展，使得热工自动化发生了深刻 变革，并逐渐形成了用于热工控制系统的开放系统互连通信网络和全分布网络集 成自控系统。而代表这场重要变革的重要成果是现场总线技术【l 】。因此，本论文 便以基于现场总线技术的热工控制系统作为研究对象。 在先进控制技术飞速发展的同时，各种先进控制理念也纷纷涌现，模糊逻辑 控制就是其中之。它在工业实际应用中非常引人注目。因为模糊逻辑控制能模 仿人思考和处理问题的方式，抓住对象的不确切信息。所以模糊逻辑控制往往能 够取到令人满意的控制效果。 控制系统的软件是整个系统的灵魂。以往计算机控制系统的软件功能是靠软 件人员通过编程实现的，工作量大得惊人。这样设计出来的软件通用性极差，对 于每个不同的应用对象都要重新设计或修改程序，这种方法实现的软件功能可靠 性也比较低。近年来，工业控制组态软件得到了广泛的重视，它是一种基于计算 机操作系统的软件平台，现已成为工控领域中的关键性产品，我国在该领域也发 展迅猛。 1 2 现场总线简介 现场总线是上个世纪八十年代中期发展起来的一种先进的控制技术，它将当 今的网络通信与管理观念融入控制领域。从本质上说，它是一种数字通信协议， 是连接现场智能设备和自动化系统的数字式、全分布、双向传输、多分支结构的 通信网络，是通信技术、仪表工业技术和计算机网络技术结合的产物。现场总线 是当今自动化领域的热点之一，它的出现标志着工业控制技术又进入了一个新的 时代。 现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具 第1 章绪论 有了数字计算和数字通信能力，使得通信延伸到现场生产设备成为可能。并采用 可进行简单连接的双绞线等作为总线，连接现场设备与远程监控计算机，形成适 应现代需求的、可以相互沟通信息的、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。 它给自动控制带来的变化，正如互联网把众多分散的计算机用网络联在一起，使 得计算机的功能、作用发生的变化。现场总线使现场设备与控制系统有了通信能 力，使它们连接成了网络系统，因此现场总线被誉为自动控制领域的计算机局域 网。 由于目前国内主要的热工控制系统一分布式控制系统( d c s ) 的现场测控设 备和控制室的输入输出设备采用对一连线，通过电压、电流的模拟信号进行测 控，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信 息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就需要设计一种能在 工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成 现场设备之间的多点数字通信，实现现场底层设备之间以及生产现场与外界之间 的信息交换。现场总线就是在这种需求下孕育而生的。它作为过程自动化、制造 自动化、楼宇、交通等领域的现场智能设备的互连通信网络，沟通了生产现场设 备之间及其与高层控制管理网络之间的联系，为彻底打破自动控制系统的信息孤 岛创造了条件。 现场总线控制系统既是开放的通信网络，又是全分布的控制系统。它以现场 各个智能设备为节点，以总线为纽带连接成为网络系统，并进一步构成自动化系 统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及管控一 体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网 络为主要内容的综合技术。 1 3 热工控制系统特点及其对现场总线的要求口8 3 今天的工厂主要还是由一系列自动化孤岛组成的，要有效利用自动化资源， 需建立通信系统将它们连接起来。现场总线被认为是解决这一问题的有效方案。 但要实现企业范围内的综合自动化，单靠现场总线是难以想象的，现场总线本质 上是一种控制网络，信息的性质和通信量与信息网存在差异，在完整的企业网络 构架中，现场总线控制网络应涉及从底层现场设备到上层信息网络的数据传输过 程。综合考虑企业范围内的各种需求，工厂网络通信模型从低到高分别为现场控 制层、监控层和企业管理层。 本文主要考虑的热工控制网络属于通信层次结构的监控层。， 热工过程所涉及的工业对象主要是流程工业，生产过程是连续的或按一定的 2 第1 章绪论 有r 数字计算和数字通信能力，使得通信延伸到现场生产设备成为可能。井采用 可进行简单连接的双绞线等作为总线，连接现场设备与远程监控计算机，形成适 应现代需求的、叫以丰u 互沟通信息的、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。 它给自动控制带来的变化，正如互联网把众多分散的计算机用网络联在一起，使 得计算机的功能、作用发生的变化。现场总线使现场设备与控制系统有了通信能 力，使它们连接成了网络系统，因此现场总线被誉为i e 动控制领域的计算机局域 阔。 由于目前国内主要的热工控制系统一分布式控制系统( d c s ) 的现场测控设 备和控制室的输入输出设备采用一对一连线，通过电压、电流的模拟信号进行测 控，难以实现没各之间以及系统与外界之问的信息交换，使自动化系统成为“信 息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就需要设计一种能在 t 业现场运行的、。| ：聿能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成 现场设备之间的多点数字通信，实现现场底层设备之间以及生产现场与外界之目 的信息交换。现场总线就是在这种需求下孕育而生的。它作为过程自动化、制造 自动化、楼宇、交通等领域的现场智能设备的互连通信网络，沟通了生产现场设 备之间及其与高层控制管理网络之间的联系，为彻底打破i h 动控制系统的信息孤 岛创造了条件。 现场总线控制系统既是开放的通信网络，又是全分布的控制系统。它以现场 各个智能设备为节点，以总线为纽带连接成为网络系统，并进一步构成自动化系 统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及管控一 体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网 络为土要内容的综合技术。 1 3 热工控制系统特点及其对现场总线的要求”3 今天的工厂主要迩是由一系列自动化孤岛组成的，耍有效利用自动化资源， 需建立通信系统将它们连接起来。现场总线被认为是解决这一问题的有效方案。 但要实现企业范围内的综台自动化，单靠现场总线是难以想象的，现场总线本质 上是一种控制网络，信息的性质和通信量与信息网存在差异，在完整的企业网络 构架中，现场总线控制网络应涉及从底层现场设备到上层信息网络的数据传输过 程。综合考虑企业范围内的各种需求，工厂网络通信模型从低到高分别为现场控 制层、龄控层和企业管理层。 奉文主要考虑的热工控制删络属于通信层次结构的监控层。 热工过程所涉及的工业对象主要是流控工业，生产过程是连续的或按定的 热工过程所涉及的t 业对象主要是流程工业，生产过程是连续的或按一定的 2 第1 章绪论 程序周期进行，过程参数是变化的。要求通过对热工过程的控制，保持过程中的 有关参数为定值或按一定的规律变化。由于生产过程中外界条件的影响及参数 之间的相互作用，热工过程控制一直是控制领域最为复杂和困难的自动化领域。 1 3 1 热工控制系统的特点 ( 1 ) 被控对象的多样性 热工系统中，生产过程和规模存在较大差异，这就使得对被控对象的认识带 来困难，不同生产过程要求控制的参数也存在差异，且某些参数变化的规律和引 起参数变化的因素各不相同，并且往往互相影响，要正确描绘这样复杂多样的对 象特性还不完全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂 多样的控制对象，还只能采用简化的方法来近似处理。虽然理论上有适应不同情 况的控制方法，由于对象识别的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍 非易事。 ( 2 ) 对象存在滞后 由于热工生产过程大多在比较庞大的设备内进行，对象的存储能力和惯性较 大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡 的趋势。因此，当流入或流出对象的物质或能量发生变化时，由于存在阻力，被 控参数不可能立即反映出来，滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同研 究它的流入量与流出量的特性有关。显然生产设备的规模越大，物质传递的距离 越大，热量传递的阻力越大，造成的滞后就越大。般来说，热工过程大多是具 有较大滞后的对象，对控制十分不利。 ( 3 ) 对象特性非线性 对象特性是随负荷而变的，当负荷不同时，其动态特性有明显的差别。如果 以较理想的特性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，难以达到控制目的。 ( 4 ) 控制系统比较复杂 由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会 产生震荡，作为被控对象就具有非震荡环节的特性。热工对象往往具有自动趋向 平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具 有惯性环节的特性。也有无自动趋向平衡能力的对象，被控量会一直变化而不能 稳定下来，这种对象就具有积分特性。 ( 5 ) 控制系统运行环境恶劣，可靠性要求高 热工生产过程大多在比较危险的场合进行，存在易燃、易爆或有毒等情况， 需要最大程度地保证系统的安全性，三层冗余设计已被自动化领域认为是安全系 统的基准。在工业现场需要工业强度的产品，网络设备需达到的工业强度包括： 3 第1 章绪论 设备能在0 4 0 。c 环境中正常运行；使用低压电源，例如1 8 2 4 v d c ；具有抗噪 声干扰能力。 由于对象特性不同，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制 方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定，这些都要以对 象的特性为依据，而对象的特性正如上述那样复杂且难以充分认识，要完全通过 理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。目前已设计出的控制系统，如位置 式控制、单回路及多回路控制、前馈控制、计算机控制等，都是通过必要的理论 计算，采用现场调整的方法，才能达到过程控制的目的。 1 3 2 设备特征 用于热工过程自动控制的传统设备包括4 ，3 6 ，3 7 】： ( 1 ) 用于温度、流量、压力、物位测量的转换器或变送器； ( 2 ) 电动执行阀、气动执行阀、定位器； ( 3 ) 电机控制器或热流监视器； ( 4 ) 用于泵、风机、电机、加热器、电源的o n o f f 丌关和连续执行器； ( 5 ) 状态指示器； ( 6 ) 计数器或积算装置。 传感器和执行器的特性如表1 1 所示。设备传输或接受的数据在1 1 6 位之内。 响应时间随功能和设备的类型而变化；控制回路在l m s 之内；事件报警小于 1 0 m s ；o n o f f 功能小于5 0 m s ：温度、流量、物位等物理参数一般在几秒之内。 表i i 传感器和执行器特性 参数量位数( b i d响应时问 快变模拟量 1 2l m s 慢变模拟量 1 2l s 事件型逻辑输入 ll m s 状态型逻辑输入 1 2 0 1 0 0 m s lo n o f f 执行器 l 2 0 m s 1 s j 计数器积算装置 】6l m s 热工控制系统是通过现场设备( 例如传感器、执行器等) 来实现与外部物理 过程的不间断的相互作用，其中包括从传感器中读取数据、计算新的命令和发送 新的命令等。一般来说，这些步骤是周期性进行的，响应时间在毫秒级，因此， 常被称为时间关键性系鲥1 ，2 1 。 1 3 3 信息类型 4 第1 章绪论 在热工过程数字控制及专用通信系统中，所涉及到的信息一般可分为三类： ( 1 ) 循环数据：必须准时且重复传送的信息，通常是闭环控制的一部分； ( 2 ) 事件数据：偶尔发生时必须传输的信息，如报警信号； ( 3 ) 一般报文：偶尔传输且信息量较大的数据。例如新设定值的下载、诊 断结果的上载等。 1 3 4 通信需求 当传感器和执行器是由可编程控制器( p l c ) 、d c s 控制时，p l c 、d c s 的 工作过程是周期性的：采样传感器状态，估计系统的新状态，对执行器作出相应 的更新。采集、处理和更新的循环周期是固定的。若将通信系统插在控制设备和 被控设备之间，须在以下两种类型的通信之间作出选择： ( 1 ) 状态通信。通信实体之间循环传递信息。 ( 2 ) 事件通信。一个通信实体向另一个通信实体报告状态变化。现场总线 系统中，传感器的状态发生变化时，需要利用总线向有关设备报告这种变化。这 种通信产生密度高度变化的通信量；在设备不改变状态时，网络是空闲的；同时 发生状态改变的设备数量增多时，网络传输量增大。事件通信的最大缺点是，当 发生传输错误时，不能保证固定的循环时间。最坏的情况是所有传感器同时发生 状态变化，事件通信的通信量变得比状态通信更加重要。实际上，在事件通信中， 立即重传是必须的。 因此，现场总线中比较乐于使用状态通信方式。建立在状态通信基础上的通 信常称为同步通信。但是，没有必要使用同步通信处理所有的信息，一般用来处 理周期性数据。事件数据和一般报文是典型的不同步信息，若通过循环方式重复 进行证实，会造成总线带宽损失。图1 1 给出了一个典型的现场总线循环，它分 为同步和不同步两个阶段，不同步阶段的长度由循环周期和同步时间长度决定。 萧焉2 ；簖丢蒜餐譬 _ 哑变；嚣匿塑嚣耋嘉髹 图1 1 现场总线循环 第l 章绪论 1 4 自动控制理论的发展 自动控制理论发展至今已有1 0 0 多年历史，随着现代科学技术的飞速发展， 各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性等自适应能力的要 求越来越高，应用范围也越来越广泛 3 9 1 。 ( 1 ) “经典控制理论”阶段 十九世纪5 0 年代前后的控制理论也被称为“自动控制原理”。它主要研究的 自动控制系统为线性定常系统。被控对象几乎全部是单输入单输出的。经典控制 理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德 到法 和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。 ( 2 ) “现代控制理论”阶段 上个世纪6 0 年代末发展起来的现代控制理论主要研究多输入多输出的被控 对象。系统可以是线性或非线性的，定常的或时变的。它用一组一阶微分方程( 状 态方程) 代替经典理论中的一个高阶微分方程来描述系统，并且把系统中各个变 量均取为时间t 的函数，因而属于时域分析方法。 主要内容包括： a 系统运动状态的描述和能控性、能观性的分析 b 李亚普诺夫稳定性理论和李亚普诺夫函数 c 系统识别和卡尔曼滤波理论 d 系统最佳控制 e 自适应控制 ( 3 ) “大系统理论”和“智能控制理论”阶段 上述前两个阶段的控制理论的发展与应用，对于存在数学模型的自动控制系 统领域发挥了非常大的作用，但是对于那些不具有数学模型的被控对象，往往显 得无能为力。另外，由于计算机技术的快速发展，包含有人类思维的复杂操作由 计算机替代的领域不断增加，这在广义自动化，特别是在大规模系统的管理控制 中，脑力工作远远比体力作业来得重要，从这个意义上来说，也许是到了控制理 论应该让位与人工智能的时期了。 人工智能是用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计 算机来模仿人的智能的学科。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理 解、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解，是高度脑力行为客体运行的综 合。人工智能大发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和 具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个具有广泛应用前景的研究领域。 7 0 年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制论 在深度上和广度上的开拓，因此受到各国著名学者的极大关注，并在专家系统、 6 第l 章绪论 神经嬲终和模糊控制、遴黔控制等方葱取锝了可喜的进步。 其中，模糊控制的发展尤为突出，9 0 年代初期，大量的基于模糊控制的消 费产品问世，如洗衣机、空调、驾驶操作系统等。于此同时，各种各样的工业模 期控铆系统也被研制成功，如核能发电供水系统、枫器人控制系统等。本文将对 模糊控制理论作详细的介绍。 1 5 组态软件概述 1 5 1 组态软件的产生 在二十一世纪的今天，组态软件在工业界已不陌生，并鼠越来越受到工程师 们的认可和欢迎。熟悉工控领域的人们，无一不知编制工业控制软件的令人头痛 的特点丌发瘸期欧，低水平鬟复，适应性差。正楚基予这群的实际翊题，习 产生了一种可以称得上是“解放”的工业控制系统的设计工舆组态软件。 从市场角度看，现代= e 业控刳中无论怒大型的d c s 、f c s ，还是小怒模的现 场控制，无不与当今最新的技术4 c 技术( 计算机技术、控制技术、通信技 术、c r t 显示技术) 栩结合。由此我们可以看到控制系统的发展趋势：硬件小 型化、标准化、可组合化；通信系统标准化、开放化；软件通用化，功能更强大。 事实上，通用的工具性软件的市场越来越大，组态软件可谓应运而生。 1 5 2 组态软件的概念 缀态一词源于c o n f i g u r a t i o n ，“组态软件”作为一个专业术语，并没有绞一 的定义。但我们可以通过各种说法来解释这一概念。文献【5 】认为组态软件是指 存软件领域内，操作人员根据应翅对象及获剑任务静要求，酲置用户应嗣软件豹 过程，简占之，组态软件是“应用程序生成器”，这种说法比较准确地阐述了组 态软件妁内涵。文献嘲撰出“鳃态软件是工业自动亿系统转入极界面，是一张 软件平台”，这一说法说明了“组态软件”的外延，即它主疆用在人机界面的设 计上。由于研究的需要，我们认为组态( c o n f i g u r a t i o n ) 是一种手段，即它是主 要应用在入机界面的设计上，允许用户根据应用需娶而对软件进行配置的一种方 法，使用这一手段的软件都可以称为组态软件。这就是说组惫软件不仅仅应用于 工业自动纯领域，宅适嗣于其 氇领域。在本文中，“组态软件”一词均是指应用 于工业自动化领域”。 图l ，2 解群了组态软 譬的作用。在工l k 过程控制系统中可交医素是很多的p j ： 一是人为需要的不同；二是对象的不同或对象的变化及工控系统硬件的变化( 注： 7 第1 章绪论 这里的“对象”跫指工控系统中最主要的组成环节；如火力发电过程中的锅炉炉 膛、锅炉汽包、气轮机，热工生产过程中的热交换器、反应塔等) 。而以不变应 力变的正是组态软件，其执行代码一般是固定不变的，为适应不同的应t | ；j 对象只 需改变数据实体( 控制圈路文件、图形文件、报表文件等) 邸可，这样甄提高了 系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而 羁便予修改和缀护涸。 _ i = i 。曩：- j r = l _ l 系统组成卜； 一，叭机界面 本f ! 三兰兰型 匕1 争一蒺卜一彗! ! ! 堕：- 1 一! 最终b 户屿 卜匮塑曼望刘t 一 l i 0 一 设，工业对象 一_ _ 图1 2 组态软件功能示意图 从图中我们可以看到，在工业控制组态软件的帮助下，控制系统的设计工程 师弼通过分孝厅工、歉被控对象及应箨环境，使羯工业控创组态较 譬送行“组态”， 从而将工业控制组态软件“升级”为一个专用的、面向具体对象的工业控制系统 软件。在使用过程中，该软件将通过人机界面与最终用户，即生产操作员进行实 时交互，并通过硬件系统对工业对象进行实时监控。因此，工业控制组态软件实 际上是一釉能由用户根据自己的需要进行二次开发的软件开发平台一j 。 1 ，5 3 组态软件的现状 组态软件的硬件平台之一是个人计算校( p e ) 或者工业阁个人计尊祝( i p c ) ， 早些年组态软件基本是基于d o s 的产品，如a b 公司的c o n t r o l 、i n t e c 公司的 p a r a g o n 等；随蕃w i n d o w s 成为令人计算枫的主导操作系统，嚣前缎态软件大多 支持w i n d o w s 平台。另外，不少产品还支持混合平台( d o s 、w i n d o w s 、o s 2 、 u n i x 等各种混合平台) 的组态方式。 曰| j 百，国内使用的工控软件可以分为三类：其一是国外原版组态软件，由于 其价格昂贵且没有汉化，不太适合中国用户使用，只是随着成套系统的引入而得 到一定的应用。其二是经改造的国外组态软件，其改造工作主要是汉化，勇外龟 8 第1 章绪论 开发一些接口，以扩展其功能并使之能与其它硬件互联。这些软件已能适应国内 的应用，且成熟性、先进性、实用性俱佳。其三是国内自行开发的组态软件，由 于其价格低廉，比国外早期的组态软件更具先进性，能够较好地适应国内的硬件， 因此具有良好的应用前景，僵晓起黼外先逶的组态软件，其功能还需避一步完善。 目前国内外开发的主要组态软件产品如下： 国外：i n t e l t u c t i o n 公司f l x d m a c s ；w o n d e r w a r e 公司i n t o u c h ；a l l e n b r a d l e y 公司c o n t r o l v i e w ；i n t e c 公嗣p a r a g o n ：h e u r i s t i c s 公司o n s p e c ；澳大利亚c i 公司 c i t e c t 。 国内：康拓公司e a s yc o n t r o l 、c o n t r o ls t a r ；亚控“组态王”；虎翼组态软件。 在本设计中，我们选用的是国产的“组态王”软件。 1 6 本课题的主要任务 本次课题中，需要完成的主要任务： 通过与传统控割技术豹比较，分手居现场总线技术的特点和优点，并具体 介绍应用比较广泛的p r o f i b u s 现场总线技术； 构建基于p r o f i b u s 现场总线的热工控制系统整体结构，并具体以换热 器控制为例，搭建控制实验台，分析其软硬件结构； 介绍模糊控制的原理，并以换热器控制系统的模糊控制算法为例，来说 明模糨控制在热工过程控翻中的应用； 对模糊控制算法和常用的p i d 算法进行仿真对比，以显示模糊控制的优 越性； 运用p l c 的梯形图语言对p i d 算法和模糊控制算法进行编程实现； 运用组态软件对控制系统进行组态，以提供友好的人机界面a 设计时，主要采用m a t l a b 编程语言，特剐应用到其中的仿真集成环境 s i m u l i n k ，模糊逻辑工具箱f u z z y t o o l b o x ；欧姆龙可编程序控制器( p l c ) 的梯形闺编辑软件c x p r o g r a m m e r ；亚控科技的“缀态王”软件。在绘图时i = l 到 a l l t o c a d 绘图软件。 9 第2 章现场总线的基本概念 第2 章现场总线的基本概念 现场总线是用于过程自动化和制造自动化的最底层现场设备互连的通信蚓 络，是现场通信网络和控制系统的集成。 本章先讲述现场总线的定义，然后讲述它的结构和特点，最后比较详细地介 绍了一种实际中广泛应用的现场总线p r o f i b u s 总线。本文后续介绍的热工 控制系统就是基于p r o f i b u s 总线平台的。 2 1 现场总线的本质含义 根据困际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、 多分支结构的通信网络“。开放系统互连模型和通信协议是现场总线的核心。 使用具有现场总线通讯能力的智能现场设备是现场总线系统的本质特征之 一。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们都具有了数 字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量 控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机 化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息 交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 2 2 现场总线的网络体系结构 从本质上说，现场总线就是一种通信协议，是适用于工业控制要求的通讯网 络。工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零散地 分布在一个较大的范围内。对于它们各自的工业控制底层网络来说，单个节点的 信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时胜、快速性的要求较高。如 果按照七层模式的参考模型，由于层间操作和转换的复杂性，网络接口的造价与 时问开销过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采 用的通信模型大都在开放系统互连( o s i ) 模型的基础上进行了不同程度的简化。 典型的现场总线协议模型如图2 1 第二列所示。它采用o s i 模型的三个典型 层：物理层、数据链路层、应用层，在省去了3 6 层后，考虑到现场通信的特点， 设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点， 也满足工业现场应用的性能要求。它是o s i 的简化形式，其流量与差错控制在 1 0 菊2 章现场总线的基本概念 数据链路层进行。因此与o s i 模型不完全保持一致。总之，开放系统互连模型 是现场总线技术的基础，现场总线参考模型既要遵循开放系统集成的原则，又要 充分兼顾测控应用的特点和特殊要求。 i s o o s i 槎型 现场总线协议f f 模型p r o f i b u s d pp r o f i b u s f k l s 应j ； j 磋 表示屡 会话屡 传输层 网络层 数摧链路层 物聪层 应用层接日 l 用户接口 应用罄 信息规范 抵层接l _ _ i l 酶去第3 至隐去帮3 至 第7 层第6 层 f 数据链路芸数据链路层 物理屡物理屡 图2 1o s i 与部分现场总线通信模型的对应关系 2 3 现场总线的特点和优点 h a r t 模型 i a r t 指令l m r t 逆售截砖 b e l l 2 0 2 现场总线控制系统采用数字仪表代替传统的模拟仪表，实现现场仪表的互操 作性和信息互用；另一方砸把集散系统变成现场总线控制系统，在现场建立开放 的通信嗣络，实现全数字通信网络。因而使琥场总线具有以下特点和优点 1 1 , 1 2 , 4 0 】。 ( 1 ) 全分布式结构，危险分散 由于现场总线系统采罪了智麓现场设备，能季巴缘先d c s 中处予控制室的控 制模块、输入输出模块置入现场设备，加上现场设备的通信能力，现场的测攥变 送仪表可以与执行机构煮接传送信号，因两控制可以直接在现场实现，实现了彻 底的分散控制。每台现场设备是网络上的一个节点，节点之间可采用各种通信方 式。即具有多功能的现场设备可以互相交换数据、互相操作、相互取代，很多控 制功能可直接在现场设备中完成，构成分散i 0 、分散控制和分散运算的分布鼹 络。其控制全部分散到现场，控制回路可在现场实现，彻底实现了危险分散。 ( 2 ) 全数字亿，可靠性霉曩精度高 采用数字信号代替模拟信号，因而可以在同一传输介质上传输多种信号，提 裹了信号的传输速度与糖度，增强了铸输信号的抗予扰能力，简化了系统结枣勾。 同时，由于系统的结构简化、设备连线少，现场仪表的内部功能加强，减少了信 号的往返传输，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 用户有高度的系统集成主动权且组态方便 第2 章现场总线的基本概念 用户可根据需要随意集成不同厂商的通信网络，既可与同层网络互联，也可 与不同层次网络互联，还可方便地共享网络数据库。不同厂商不同品牌的仪表可 实现互换互连，使系统集成的主动权牢牢掌握在用户手中。 由于现场总线设备都引入了功能模块概念，要求所有制造商都使用相同的功 能模块，并采用统一方法组态。这就使组态变得非常简单，可避免培训和学习多 种组态方法和编程语言。 ( 4 ) 现场设备的智能化利功能自治 现场总线将传感器测量、补偿运算和控制等功能分散到现场设备中完成，仅 靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂底层网络的现场总线，是专为现场环境设计 的。可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。具有较强的抗 干扰能力，能采用两线实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 ( 6 ) 节省投资和安装费用 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备直接执行多种传感控制、报警和 计算功能，因而可以减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等， 也= = ：i i 需要d c s 系统中的信号调理、转换、隔离的功能单元及复杂接线，从而节 省了一大笔硬件投资，并可减少控制室面积。 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设 备，因而电缆、端子、槽盒、架桥的用量大大减少，连线设计与接头校对工作量 也大大减少。当要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电 缆上。由于现场设备具有自诊断和简单故障处理功能，并通过数字通信将相关信 息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断、维护信息，以便早期分析 故障原因并快速排除，减少了系统维护工作量。 2 4 现场总线的发展现状和几种典型的现场总线 现场总线的国际标准虽然从1 9 8 4 年开始就着手制定，但目前仍然是多种总 线标准共存的现状。但是，遵从统一的标准规范，真正形成开放互连系统是大势 所趋。下面介绍几种典型的现场总线，它们在各自的领域中形成了自己的优势 d 3 i 。 ( 1 ) 基金会现场总线【1 4 l 基金会现场总线得到了广泛支持和应用，它是由美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司 和h o n e y w e l l 为首，联合欧美等几百家公司制定的现场总线协议。 1 2 第2 章现场总线的基本概念 t 2 ) l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝共同倡导，予1 9 9 0 年正 式公布形成。 ( 3 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d m l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标 准。 ( 4 ) c a n c a n 是由德国b o s c h 公司推出的用于汽车内部测量与执行部件之间的数 据通讯协议。 ( s ) h a r t 最早由r o s e m o u n t 公司开发的可寻址远程传感嚣高速通遂的开放遥讯协议。 以上几种现场总线技术有一定的相似之处，但都形成了自己的标准和应用领 域。其中p r o f l b u s 现场总线在现场总线标准中具有较高豹遗位，得囊了嗣户 的广泛支持，特别是在过程控制领域具有相对的优势，下面将作比较详细的介绍。 2 5p r o f i b u s 现场总线技术 p r o f i b u s 蹙p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，作为一种现场总线标准，p r o f i b u s 在世界上已经被普遍接受并得到广泛应用。它能满足对时间要求苛刻的使用环 境，能逶应本璜安全防暴的要求，可以遥过传输数据的总线为现场设备供宅。挺 p r o f i b u s 国际组织统计，截止2 0 0 3 年底，工厂和过程自动化应用系统所安装 豹p r o f i b u s 设冬已经历史性建突破了l 千万，比其它任何现场总线躬决方案 高出许雾【1 7 】。 2 5 1p r o f i b u s 技术概虢 p r o f i b u s 是一秘涸际化、开放式、不依赖于设备生产简的现场总线标准。 它由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm