（计算机科学与技术专业论文）吉化化肥厂30万吨合成氨装置生产管理系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，管控一体化己成为石化企业提高自身管理水平和生 产效率的一种趋势。本文以吉化化肥厂为实例。从理论和实践两 方面讨论了管控一体开发过程中的相关技术问题。 在这篇文章里我们采用多层分布式的方式进行系统的开发， 利用i e i p h i 5 0 语言开发数据的采集、存储和应用。采用专用服 务器h ps e r v e r 作为过程数据服务器，利用o l e d b 这种接口技 术，从d c s 的o r a c l e 数据库中读取组态信息。利用o l e 从d c s 的内存实时数据队列读取生产系统实时生产数据并将其保存至 s q ls e r v e r 数据库中，利用s o ls e r v e r 中的数据进行管理信息 系统的开发。 本管理信息系统，重点实现厂内及各部门的生产运营、没备 维护、安全运行等关键业务，采用先进的管理、统计、分析手段， 优化生产流程，减少消耗，为各级领导提供生产决策重要的数据 为提高生产效率服务。 本系统主要包合有：物资管理子系统、安全监察管理子系统、 生产运行管理子系统、财务管理子系统、综合查询子系统等。 关键词：生产管理系统，生产数据采集，生产数据存储， 生产数据应用 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c i m s ( c o n t r o li n t e g r a t e dm a n a g e m e n t s y s t e m ) h a s b e c o m et h ed e v e l o p m e n t t r e n df o r p e t r o l c h e m i c a le n t e r p r i s et oi m p r o v et h e i rp r o d u c e r se f f i c i e n c y a n dm a n a g e m e n tl e v e l t h i sp a p e ru s e sj i l i nc h e m i c a l f e r t i l i z e rf a c t o r ya sa ne x a m p l e ，d i s c u s s e ss o m et e c h n i q u e s a b o u td e v e l o p i n gac i m sf r o mt h e o r ya n dp r a c t i c e t w o s i d e s i nt h i st h e s i s w ea d o p tm u t i l a y e rd i s t r i b u t e dw a yt o d e v e l o pt h es y s t e m ，a n dh p s e r v e rc a l l e dp r o c e s sd a t a s e r v e ri su s e da sd a t a b a s es e r v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m s e r v e r d e l p h i 5 0 i su s e df o r c o l l e c t i o n ，s t o r i n g a n d a p p l y i n g t h er e a lt i m ed a t a t h ei n d u s t r i a l c o m p u t e r s e x c h a n g er e a l t i m e d a t aw i t hd c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) o r a c l ed a t a b a s et h r o u g ho l e d b ，t h e n s t o r e t h e mi ns q ls e r v e rd a t a b a s ef o rm i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) a n dg e tt h ec o n f i g u r ei n f o r m a t i o n f r o md c s r e a lq u e u e s t h i sm a n a g e m e n ts y s t e mm a i n l yr e a l i z e sm a n u f a c t u r i n g r u n n i n g ，e q u i p m e n tm a i n t a i n i n ga n ds e c u r i n gf u n c t i o n i n g e t c t h ek e yb u s i n e s sb e t w e e nt h ed i f f e r e n td e p a r t m e n t si n t h e f a c t o r y ；a d o p t s a d v a n c e dm a n a g e m e n t ，c o u n t i n g ， a n a l y s e m e t h o d st o o p t i m i z em a n u f a c t u r i n gf l o w ，r e d u c e c o n s u m i n g ；p r o v i d es o m ei m p o r t a n td a t af o rt h ed i f f m e n t l e v e l sl e a d e r st om a k ed e c i s i o n st oi m p r o v em a n u f a c t u r i n g e f f i c i e n c y t h i ss y s t e mi n c l u d e s ：m a t e r i a lm a n a g e m e n t s u b s y s t e m ， s e c u r i t ys u p e r v i s i o ns u b s y s t e m ，f i n a n c i a lm a n a g e m e n t s u b s y s t e m ，c o m p r e h e n s i v ec o n s u l t i n gs u b s y s t e m k e y w o r d s ：p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ， p r o d u c t i o nd a t ac o l l e c t i o n ，p r o d u c t i o nd a t as t o r a g e p r o d u c t i o nd a t a a p p l i c a t i o n 大连理工太掌硕士学位论五 第一章前 言 第一节课题的主要研究目的和意义 企业管理控制一体f l g 统是企业面向生产、经营全生命周期的管理 控制和优化信息系统。它将企业的市场信息、生产过程数据与管理系统 有机连接起来，是管理层合理利用信息资源，把庞大的生产过程信息、 企业内部管理信息、外部环境快速分类、统计、分析，为决策层的决策 提供必要的依据；把生产过程信息、原料消耗、过程产品产量、产品产 量、能源消耗量、设备状态、原材料供应信息、客户信息、产品需求信 息等科学地分类，提供给管理层数据库，从而减少人为干预，提高了管 理层数据库的准确性；把管理层的生产作业调度指令、生产计划、能耗 指标等快速准确地反映到生产过程控制层。使各部门之问有机协调，消 除企业内部的信息孤岛，提高管理效率。提供辅助分析工具使决策层科1 学地调整生产方案和市场测略，把企业效益提高到理想境界。实施此项 i i ，还可以使生产层提高企业产品质量和产量，有效进行节能、降耗， 能够使生产层实时了解管理层和决策层信息，并实现企业的先进控制、 优化控杀一l 。 目前，企业间竞争e l 益激烈，如何合理分配资源，提高生产效率、 降低生产成本，使企业在市场竞争中立于不败之地是各企业的最终目标。 许多生产企业都使用了先进的计算机控制并建设了厂级管理网，但将生 产监控系统和管理信息系统有机结合起来的还不多。这两方面的结合仍 然采用传统的方式，效率、标准化、准确度等仍较低。将生产数据与管 理结合起采，及时把生产实时，历史数据提供给管理、供应、销售、生 产技术、维修维护等部门，提高企业管理生产水平，使企业适应市场 竞争，求得最大的经济效益，是s 见4 - k 4 d k & 产发展的趋势。吉4 1 4 1 1 e ) - - 第1 页 3 0 万吨合成氨项目，随着吉化化肥厂管理网络和m i s ( 管理信息系统) 的 逐步建设，其监控系统，主要是d c s ( 分散控制系统) 生产数据采集与管 理网络系统连接的开发工作也提到了日程上。通过对吉化化肥厂生产管 理系统的开发，力求将生产和管理有机结合起来，将d s o 与m l s 相互渗 透，彼此结合，形成一个多层次、网络化，融生产监控、管理、调度和 决策一体化的综合自动化系统，从而全面提高工厂自动化水平，从真正 意义上对生产实施计算机化管理。同时，这一项目的开发还可为老企业 改造和新企业建设提供方法和借鉴。 本文将详细介绍吉化化肥厂3 0 万吨合成氨项目生产管理系统开发 中生产数据的采集、存储和应用。 第二节本论文的3 - 作 因d c s 系统存储数据的数量、时间有限，要求将重要的生产数据从 d c s 系统中取出，并根据生产数据性质的不同( 如：数据类型、采样频率、 实时历史、重要性等) 对生产数据进行分类存储、提供给管理网络系统 使用，为管理、决策等提供第一手的生产数据资料，做好数据存储。再 通过不同的方式，如浏览器、桌面办3 - 系统、数据分析系统、生产决策 系统等，将生产数据按使用者不同级别提供给吉化化肥厂的各个部门。 我们的开发工作主要分为三大部分： i 、数据采集 这里我们选择并利用d c s 提供的接口，以d e ip h i 语言等为开发工具， 从d c s 数据库中提取组态信息和生产数据，主要包括利用o l ed b 从d c s 的o r a c l e 数据库中读取生产系统组态信息，利用o l e 从d c s 的内存实时 数据队列中读取生产系统实时生产数据。 第2 酉 2 、数据存储 将由d c s 采集来的生产数据存储到管理信息系统数据库中，以供管 理各子系统使用。我们将从d c s 采集的数据存储于内存表中，历史数据 又分为月历史数据和年历史数据，分别存储在s o ls er v e r 数据库中。 3 、数据应用 数据应用的开发是将生产数据应用到管理信息系统的各个子系统 中。我们利用从d c s 系统中采集的存储在s q ls e r v er 数据库中的数据并 利用c o m d c o m 技术开发了生产运行管理子系统。 本课题涉及多方面的存储和应用技术。如：实时系统、o l ed b 、o d b c 、 c o m d c o m 、分布式系统等等。 本文将从设计与实现上着重对以上三个方面进行阐述。 第3 页 第二章计算机控制系统的发展及现状 第一节流程工业的c i m s 2 1 1c i m s 概念与c i m 哲理 c i m s 是英文缩写( c o m p u t e l i n te g r a t e dm a n l i f a c t u r i n gsys t e m s ) ， 直译为计算机集成制造系统19 7 4 年美国j h a rr i n g t o n 博士根据计算 机技术的发展，预测其对机械制造业生产方式的影响，在c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t i 1 r i n g ) ) 一书中首先提出计算机集成制造的概念， 认为企业经营、管理、产品设计和制造的全部活动是一个不可分割的整 体，要紧密连接，统一考虑。通过计算机技术实现企业全部活动的信息 集成，强化利用使企业获取最大的效益。但是，当时并没有引起人们的 注意，直到19 8 t 年，这一概念才被广泛接受，并将其丰富、扩展作为制 造业新一代生产方式来认识。 c i m 不是一种单纯的自动化技术，是现代化企业进行组织、管理生 产过程的新思想、新观念和哲理，c i m s 是c i m 哲理在企业中的具体体现。 c i m 5 的含叉是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有关生产技 术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控 制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合自动化系统，从而 达到提高企业经济效益和竞争能力的目的。可以看出，综合自动化系统 的核心是“综合”或者说是“集成”，其具体体现是通过多种技术的综合， 从而达到全厂或全企业的信息集成，也就是说把全厂或全企业与经营、 管理和生产活动有关信g 集成起来，以便强化利用，据此实现决策、管 理和控制功能的一体化，达到提高生产柔性，提高企业适应能力的目的。 2 1 2 流程c i m s c p s 及cl p s 的应用现状 1 、流程c i m s c 1 p s 第4 页 c i m $ 是从机械制造行业发展起来的，它包括市场研究、新产品开发、 计算机辅助设计( c a d ) 、3 - 艺工装设计( c a p p ) 、编制生严计划、原材料供 应管理( m r p ) 、计算机辅助制造( 生产流水线与数控机床) 、财务管理和销 售管理。目前c i m s 的应用已不仅局限于机械制造，m a n u f a c t ur h l g 这个 词本身含义就是广义的加工、制造，也包括连续或半连续生产的流程工 业。对于流程工业的c m s 也称为c i p s ( c o m p u t e rin t e r g at e dp r o d u c i n g s y s t e m s ) 。 化工企业的生产是一个连续的生产过程。在生产过程中必须做到物 料平衡与能量平衡，考虑设备的各种约束条件，采用各种控制方法使生产 过程平稳，充分发挥设备的潜能，以最小的消耗生产出最多的合格产品。 另外，化_ t - 生产过程的安全防范性要求很高，因为生产过程中温度和压力 都很高，化工产品又多具易燃、易爆、有毒的特点，所以在设计控制系统 的时候，必须首先满足安全上的要求。不仅如此，化工流程工业还具有多 组分、多相态和实时性的特点。所有这些决定了c i p s 在规划设计过程中， 必须根据流程工业的特点，进行有效的系统集成和信息集成，从而实现生 产的“安、稳、长、满、优”( 安全、稳定、长周期、满负荷、优质) 2 、c i p s 的应用现状 美、日各国大型石化企业都不同程度地向i c m s 迈进。如跨国的壳牌 石油公司、美国德州的c i t g o 大型炼油厂和日本兴亚石油公司( k o a o i l ) 等自8 0 年代后期就开始实现c i m s 计划。另外，国外石化行业成功应用 c l m s 的例子还有：英国和德国润滑油调合、贮存现代化系统，日本三菱 化咸水岛化工厂和黑崎化工厂的总体自动化系统，日本化工公司p i s 生 产一体化系统，美国威俄明天然气生产厂，奥地利o m v 炼油乙烯联合企业 等。国际上一些大公司如h o n e y w e ll 公司、s e t p e i n t 公司， b b 公司、 第5 页 k b c 公司等相继在4 艺s - & - ；化行业提出了先进控制、优化操作、计划调 度、专家系统及信息管理系统等几十项科研成果，并已在工厂中_ j f t f - 应 用。 我国石化总公司在19 9 1 年明确提出“八五”期间积极开展计算机综 合自动化系统( 即c i m s ) 的试点，并抓紧齐鲁胜利炼油厂的试点工作。 19 93 - 0 7 中国石化总公司八年科技发展规划中再次提出“适时选点开发 c i m s ”。199 4 - 0 3 总公司进一步呼吁“炼油、石化流程型工业向c i m s 迈 进”，把c i m s 看作未来石油化工企业内涵发展的技术支柱。 国内流程工业中已开始开发( 2 1 m s 的实践：齐鲁胜利炼油厂已部分建 成；茂名乙烯和辽化二期工程在建设过程的同时实施管控一体化系统：福 建炼, d ，4 e - z - 有限公司的计算机集成生产系统简祢f r - c i m s ，已于1 9 95 年 初列入国家8 6 3 c 1 m s 典型应用工程；兰州化纤厂和沧州化肥厂均已 列入国幂8 63 c l b t s 推广应用工厂。许多企业正积极准备条件等等。 2 1 3 实现流程c i m s 的关键技术 c i m s 涉及到多方面，是一f 1 蓬勃发展的新兴技术，目前国内外的研究 和应用热点主要有并行工程、面向对象技术、仿真技术、集成平台、质 量保证技术、cr m 体系结构、p d e s s t e p 、局部c i m s 、离散事件动态系统 理论等。其实现中，需要解决两大类的技术问题，其一是建立集成的环境， 其二是实现前一部分所述各功能的相关技术。下面分别阐述。 1 计算机网络系统是整个系统集成的物质基础，采用什么样的计算 机体系结构，是主从结构还是c li e l q t s e r v e r 结构；采用什么样的网络系 统、网络拓扑、通信协议、通信传输速率、传输介质等，均是建立计算机 集成环境必须解决的f o - i 题。弛须从技术的先进性和成熟程度、系统的开 第6 万 大连理工大学硼士学位论文 放性、可扩展性、网络传输响应的快速性、可靠性、实用性以及经济性 等多方面考虑来确定。 2 数据库管理系统。信息集成是c i m s 的核心，而数据库管理系统州 是信息集成的基础，由于流程工业本身的特点，有大量的反映生产过程状 态的实时测量的数据需要进行处理管理，以便有效的利用实时数据对生 产过程进行监督控制、生产状态分析、评价的基础。因而流程工, _ t k - f 言息 集成环境中需要同时设置关系数据库和实时数据库管理系统，作为全系 统的信息的集散地，这两个数据库既可独立操作，叉可协调动作，及时并 行或交又地处理来自全厂的各种信息，真正做到信息集成与共享。 3 ，各种接口技术，诸如关系数据库的接口、各种应用软件( 管理软件 和先进控制软件等) 与数据库的接口、各应用软件之间以及异种计算机和 异种网络互连的接口等都是集成系统成败的重要环节。 以上三方面技术均属于计算机技术范畴，是建立集成环境必须解决 的问题。而以下三个方面叙述的是监控系统的功能和需要的技术支持。 4 ，生产计划调度的科学化是连续性生产过程实现在一定限度的生 产柔性的关键，是一被学术界和工业界广泛重视的研究课题。由于连续性 生产过程的高度复杂性的特点，必须从将生产工艺机理建模与系统工程 理论紧密结合起来，去寻找解决这一问题的办法。实践结果表明，基于全 流程模拟，结合应用线性规划非线性规划或动态规划的方法建立计算机 辅助生产计划调度系统，实现优化排产和优化调度是一有效的途径。 5 ，过程操作优化是流程工业适应市场原料供应和产品需求变化， 使生产工具具有柔性的另一关键，因此受到广泛的重视。技术难点首先是 建立过程稳态数学模型，由于工艺技术复杂，不同的装置机理不同，有些 复杂的反应过程机理尚不清楚，而且建模涉及到工艺机理和信息处理技 术，是跨学科的，因此建立工业应用的模型是极其困难。常用的建模方法 第7 页 有机理法、统计法以及人工神经元网络等方法。为适应过程优化操作的 需要，国际上出现许多相应软件么 - 0 3 和生产过程的仿真软件产品。技术难 点还有过程优化算法，必须针对不同装置不同生产过程的特点去寻求合 适的算法，在常规的各类规划算法的基础上引入根据人们的经验形成的 启发式规则，往往是解决计算量过大和加快收敛速度的途径。现在亦有人 研究将神经元网络的随机寻优算法( 如遗传算法、趋化性算法、模拟退火 算法等) 用于过程优化。 6 先进控制，针对流程工业中关键的难控对象研究各种控制算法， 如推理控制、预测控制、智能控制等。由于生产过程的动态特性往往是 非线性的、大t 嚣 生和大滞后的，多变量相互关联的，甚至是时变的，所以提 高控制品质并非易事。然而如果没有良好的控制品质，过程操作优化将是 没有意义的，先进控制和过程优化二者是相辅相成的，因而多年来先进控 制被广泛地重视，国外早已有许多成熟的、商品化的先进控制软件，我国二 已开始引进并组织力量开发。 其中，神经网络技术的研究在近年来得到了越来越多的关注和重视。 它在控制中的应用也是其中的一个主要方面，由于神经网络在许多方面 试图模拟人脑的功能，因此神经网络控制并不依赖于精确的数学模型，而 显出具有自适应和自学习的功能，因此它也是智能控制的一种典型形式。 目前利用神经网络组成自适应控制以及它在机器人中的应用研究方面均 取得了很多成果，显示了广泛的应用前景。 模糊控制是又一类智能控制的形式。现代计算机虽然有着极高的计 算速度和极大的存储能力，但却不能完成一些人看起来十分简单的任务。 一个很重要的原因是人具有模糊决策和推理的功能，模糊控制正是试图 模仿人的这种功能。 第8 页 第二节控制系统的网络化发展及现状 随着计算机技术和网络技术的不断发展，工业生产过程的控制系统 正在向智能化、数字化和网络化的方向发展。 2 2 1 计算机控制系统的发展 计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在5 0 年 代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。6 0 年代初，出现了由计 算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制( 0 ir e a c t ， d i g i t _ a l c o n t r o l ，d d c ) 。7 0 年代中期，随着微处理器的出现，计算机 控制系统进入一个新的快速发展的时期。19 7 5 年世界上第一套以微处理 为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制， 并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统( d is tr i b u t e d c o n t i - 0 l s y s t e m ，d c s ) 。 进入8 0 年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式 仪表以取代模拟仪表，这种i ) d c 的控制方式提高了系统的控制精度和控 制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法 比拟的性能价格比。 8 0 年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多， 单一的d d c 控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管 理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是， 由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。 进入9 0 年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得d c s 系统 得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控书1 领域d c s 仍然占据着主导地位，但是d c s 不具备开放性，布线复杂，费 第9 页 苎兰兰垄! 璺主兰堡堡三一 _ ，一_ _ _ 用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。从八十年代后期开始， 由 于犬规模集戍电路的发展，许多传感器、执行机构，驱动装置等现场设 备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信 接1 3 的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是i 0 ( 4 2 o m a 2 4 v d c ) 信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的 自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的 发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出 自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。 2 2 2 企业信息网络与控制系统的关系 从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有 相似之处。企业信息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段： 1 、基于主机的集中模式 由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的 交互很少。 2 、基于工作组的分层结构 微机和局域网技术的发展使工作 生质相近的人员组成群体，共享桌 些公共资源，用户之间的交流和协作得到了加强。 3 、基于i n t e r n e t i n tr a n e t e x tr a n e t 的网络化企业组织 计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是 i n t er n e t 的发展和普及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏 形。采用i n t er n e t 成熟的技术和标准，人们提出了i n tr a n e t 和e x tr a n e t 的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于是便形成了以 i n tr a n e t 为中心，以e x tr a n e t 为补充，依托于i n t e r n e t 的新一代企业 信息基础设施( 企业网) 。 第1 0 页 是连理工赶学坝士学位论疋 一一 计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的 网络控制等几个发展阶段，它们的发展过程是非常相似的。 2 2 3 信息一控制一体化的必要性和可能性 随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息 网络实现实时监控是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益， 许多企业都在尽力建立全方位的管理信息系统，它必须包括生产现场的 实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，使企业管理决策 科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信息一控制一体化将为 实现企业综合自动化c i p a ( c o a l p u t e ri n t e g r a t e dp l a n ta u t o l l a ti o n ) 和 企业信息化创造有利条件。 企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然 白勺。在计算机控制系统的发展过程中，每一种结构的控制系统的出现总 是滞后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算 机领域一种新技术出现以后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于 控制领域。鉴于两种应用环境的差异，其中的技术细节作了适当修改和 补充，但关键技术的原理及实现上，它们有许多共同的地方。正是由于 二者在发展过程中的这种关系，使得实现信息一控制一体化成为可能。 2 2 4 现场总线技术的研究现状 在4 0 年代，过程控制是基于3 15 p s i 的气动标准信号。其后，由于 4 2 0 m a 模拟信号的使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不 是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的4 2 0 m a 信号( 如使用0 10 v 等) 。 7 0 年代，由于在检测、模拟控制和逻辑控制领域率先使用了 计算机，从而产生了集中控制。进入8 0 年代，由于微处理器的出现，促 第l i 而 使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，4 20 m h 模拟信号传输逐步 被数字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进了 控制、调度、优化、决策等功能一体化的发辰。然而由于检测、变送、 执行等机构大都采用模拟信号连接，其传送方式是一对一结构，这使得 接线复杂，3 - 程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪 表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥。另一方面，由于智能仪 表的功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪 表工作状态实现自诊断，能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由 此可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现 数字通信。 为了解决上层系统与现场仪表之间数字通信问题，8 0 年代初现场总 线技术问世。198 4 年美国仪表学会i s a 开始制定i s a s p 5 0 现场总线标 准。19 8 6 年德国开始制定过程现场总线p r o f ib u s ，19 9 0 年完成了 p r o f i b u s 的制定，1 9 94 年又推出了用于过程自动化的现场总线 o f i b u s p a 。19 8 6 年由r o s e m o u n t 提出h a r t 通信协议，它是在4 20 m a d c 模拟信号上迭加f s k 数字信号，即可以用作4 20 m a 模拟仪表，也可以 用作数字通信仪表。显然，这是现场总线的过渡性协议。 19 9 2 牟由 s i e l l l e l s 、f o x b o r o 、y o k o g a w a 、a b b 等公司成立i s p ( 互可操作规划组织) 。 i s p 以p r o f i b u s 为基础制定现场总线标准，i 9 9 3 年成立了i s p 基金会 i s p f 。19 93 年由h o n e y w e | 1 、b a i l e y 等公司牵头成立了w o r l d f i p ，约 12 0 多个公司加盟，以法国f i p 为基础制定现场总线标准。由于标准众 多，又代表各大公司利益，致使现场总线标准化工作进展缓慢。1994 年， 世界两大现场总线组织i s p f 和w o r l d f i p 合并，成立了现场总线基金会 ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 。f f 总部设在美国t e x a s 州的a u s t i n 。f f 聚集 了世界著名的仪表，d c s 和自动化设备制造厂商、研究机构和最终用户， 第12 页 现有成员1 20 余家。中国j 台金部自动化研究院在l 9 9 5 年4 月参加了f f ， 19 9 6 年4 月华远自控公司也参加了f f 。与此r q 时，在不同行业还陆续派 生出一些有影响的4 - 线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成， 并得到其他公司、厂商用户以及国际组织的支持。如德国b o s c h 公司 推出c a n 、美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 等。 2 2 5 目前存在的问题 通常我4 i 考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在 一起。目前在控制领域较有影响的现场总线系统f f ，l o n w or ks ，p r o f i b us ， c a n ，h a r t ，以及r s 4 8 5 的总线网络等。现场总线基金会已经制定的统一 标准( f f ) ，其慢速，4 - 线标准h 1 已得到通过成为国际标准，其高速总线标 准h 2 还在制订中。但是由于商业利润、技术垄断等原因，目前现场4 - 线 产品仍然是百花齐放的局面，这对降低系统戍本，扩大应用范围产生不 利影响。 以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度已经达到10 0 m b p s ， 千兆以太网也已经投入使用，其网络产品和软件发展速度很快。以太网 以成本低、组网方便、软硬件丰富、可靠性高等特点得到了广泛的认可。 i n t e r n e t 飞速发展的主要原因在于以太网和t c p i p 协议的广泛应 用，t c p i p 协议是极其灵活的，几乎所有的网络底层技术都可用于传 输t c p i p 的通信。应用t c p i p 的以太网已经成为最流行的分组交换 局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。 由此，我们考虑将t n t e r n e t 及其相关技术集成到现有控制系统中， 利用i n t e r n e t 上开放的、并且已经成熟的技术对现有的控制系统进行升 级改造，加快工业企业的信息一控制一体化进程，不失为一种较为可行 的问题解决方案。 第13 页 第三章管理和监控系统概述 第一节背景 3 1 1 、行业背景 自7 0 年代至今，中国化工工业取得了长足发展，满足了国民经济e l 益发展和人民生活水平不断提高对化工的需求。 近几年，随着国家经济结构的调整，化工产品出现了供大于求现象， 化工3 - 业面临着严峻挑战，但化工行业发展仍有相当大的潜力和市场。 特别是经济体制改革使整个化_ t - s - 业的运行机制发生了很大的变化。现 在，化工行业提出了管控一体化思想。所谓管控一体化就是将管理与监1 控有机结合起来，使管理和监控相互渗透，形成一个多层次，网络化， 融控制、管理、调度和决篆于一体的综合自动化系统。通过将有关生产 过程、物料消耗、设备状态、产品指标等生产数据存储并加工成为新的 信息资源，提供给管理、供销、技术操作等各层人员，帮助他们做出 有利于生产要素优化组合的决策，使企业适应市场竞争，求得最大的经 济效益。 3 1 2 、企业背景 吉化化肥厂是我国“一五”期间兴建的15 6 项重点工程之一，195q 年开始基建施工，l957 年建成投产，经过4 0 多年的改造、扩建，已经 发展成为能够生产5 大类40 余种产品的现代化综合化工企业。 作为大型国有企业，吉化化肥厂具有设备先进、生产自动化程度高， 第1 4 百 职工技术水平过硬的特点。采用国际先进技术，年产i3 万吨的丁辛醇装 置、年产3 0 万吨的合成氨装置，为企业的发展奠定了坚实基础。 3 1 3 、技术背景 吉化化肥厂引进了先进的监控系统b c s ，同时吉化公司化肥厂的管 理信息系统m i s 也正在建设和完善中，这些为生产管理系统的开发提供 1 基础条件， 1 、先进的监控系统 吉化化肥厂生产监控设备是引进美国h o n e y w e l l 公司先进的d c s 系 统t p s ( t o t a lp 1 8 n ts y s t e m ) 。这一系统同样也是9 0 年代的先进产品。 d c s 提供了对生产设备等全过程的监控和数据存储。包括p c s ( 过程控制 系统) 、d a s ( 数据采集系统) 、s c s ( 顺序控制系统) 、s o e ( 事故追忆系 统) 、b m s ( 燃烧管理系统) 等各个生严系统。而其它一些系统如化学制 水程控系统也可以通过网络与d c s 相连接，向d c s 系统提供生产数据。1 因而d c s 系统几乎包含了全厂所有的重要生产数据。 2 、建设中的管理信息系统 吉化公司化肥厂于2 0 0 0 年6 月开始建设自己的管理信息系统。吉化 公司化肥厂建设管理信息系统首先是遍布整个厂内的计算机网络。管理 网络的建立，使生产数据可以在全厂统一的数据平台下使用，并可及时 准确地提供给各有关部门。 第二节生产监控系统概述 吉化化肥厂主要生产流程大多数都采用先进的计算机监控系统进行 监控。其中最主要的是合成氨装置的监控系e l - - - - d c s ，它是全厂生产监 第15 页 测和控制的核心。合成氨d c s 采用美国h o n e y w e l l 公司的t p s ( t o t a p 1 a n ts ys t e m ) 系统，用于生产全过程的监控，包括p c s ，d a g ，$ c s s o e ，b m s 等。 3 2 1 、d c s 系统概念 d c s ( d is tr i b u t e dc o n tr o ls ys t e l l l ) ，即分散控制系统，又称集散 控制系统。是为克服以前模拟仪表控制系统和集中计算机控制技术缺点 而发展起来的。它是4 c 技术( 计算机c o m p u t o r 技术，通讯c o m m u n jc 3 t i o n 技术，控制c o n t l - o l 技术，c r t 图形技术) 相结合的产物。i ) c s 将大量信 息处理和功能控c a 4 等任务分配给各微处理器完成，并通过数据通讯网络 实现监控任务及信息管理。其思想是控制分散，管理集中。d c s 系统功 能包括监视功能和控制功能。监视功能包括数据采集，数据处理，性能 计算，屏幕显示，打印制表等。控制功能包括模拟量控制，开关量控制、 报警，联动及保护等。d c s 的功能分散，冗余技术和白诊断技术极大地 提高了系统可靠性，避免了系统单一设备故障造成整个系统的瘫痪，达 到危险性分散的目的。c r t 显示及操作方便了运行人员运行监控和管理 工作。另外很重要的一点是，3 c s 不仅可以实现常规控制技术，而且解 决了各种先进控制技术应用实现手段上的困难。正是因为d c s 的种种优 点，目前已成为大多数4 9 z - 厂首选的自动化控制设备。实践也证明，d c s 的使用很大程度上提高了化工厂生产自动化水平。同时，d c s 对计算机 技术的大量使用也为生产数据可以为管理所使用提供了可能性。 3 2 2 、吉化化肥厂d c g 系统 吉化化肥厂3 0 万吨合成氨装置d c s 系统是采用美国h o n e y w e ll 公司 的t p s ( t o t a lp l a n ts y s t e m ) 系统。根据吉化化肥厂的实际情况，这 第1 6 而 大连理x - 托学硕士学住论丈 一一 套系统配置如下：( 参见图3 一1 ) 系统主要由两个网络及其上的节点设备组成。这两个网络分别是l c n 网和u c n 网。、 图3 1d c s 系统配置图 1 、l c n 网( l o c a lc o n tr o ln e t w or k ) 即局域控制网。在l c n 网上可挂接具有不同功能的l c n 网络节点， 实现对现场控制过程的监控、文件管理、实时数据采集及与其他计算机 网络的通讯等。 l c n 网络节点： ( 1 ) g u s ：( g l o b a lu s e rs t a t i o n ) 通用用户站。 是用户和系统的接口，既是操作员对生产过程进行监控的窗口，又 是工程师进行组态的3 - 作站。根据吉化化肥厂3 0 万吨合成氨装置的实际 情况，我们共使用7 台g u s ，编号从1 到7 ，用途分别为：l 号g u s 用于 第17 页 苎兰兰兰查! 竺兰兰堡堡墨 监控10 0 单元，2 号g u s 用于监控20 0 单元、3 号g i j s 监控3 0 0 单元、4 号g u s 用于监控4 0 0 单元，5 号g u s 用于监控5 0 0 单元，6 号f j u s 用于监 控6 0 0 单元，7 号6 u s 用于自控工程师对系统组态、监视、修改等。 ( 2 ) h m ：( h is t o r ym o c l u l e ) 历史模件。 历史模件h m 可以与l c n 网上的所有设备进行数据通讯，它的主要 功能是存储系统数据、操作记录、过程数据事件记录。其中系统数据包 括软件映象、系统组态、历史记录点的数据、历史数据的长度，历史报 告的数量和系统数据库。 ( 3 ) p h d ：( p r o c e ssh is t o r yd a t a b as e ) 过程历史数据库。 p i - i d 是h o n e y w e l l 公司为其d c s 提供的与厂级管理网的接1 3 。在现 在h o n e y w e l l 公司提供的系统中，都建议用户通过p h d 将d c s 与厂级管 理网进行连接。它也是我们连接管理网络与生产网络的接口。 硬件配置：c p u ：i n t e lp e n t i h i l li i i 内存：12 8 m 硬盘：1o g 软件配置：操作系统：英文w i n d o w sn t4 o w o r k s t a “o n 数据库服务器：o r a c l es er v er 7 4 3 p h d 系统：p h ds e r v e f 软件 ( 4 ) n i m ：( n e t w o r ki n t e r f a c em o d u l e ) 网络接口模件。 n i m 是l c n 网和u c n 网的接口模件。与其它模件不同的是，n i m 既是l c n 网上的模件，又是u c n 网上的模件。它通过l c n p 板与l c n 网相 连，通过m o d e m 与u c n 网相连。3 0 万吨合成氨装置的n i m 也采用冗余配 置。 2 、 j c n 网：万能控制网。 u c h 网络是面向过程控制的网络，在u c n 网上挂接h p m 、l m 等过程 第18 页 控制装置，可实现对压力、温度流量等进行数据采集和实时控制。 u c n 网络节点： ( 1 ) h p m ：( i g hp r o c essm o d u le ) 高性能过程管理站。 i t p m 具有灵活的数据采集输八输出和控制功能。控制功能包括： 常规控制、逻辑控制和顺序控制。适用范围包括：连续过程、批量过程、 顺序控制以及这些过程的综合应用。h p m 可通过组态和编程来满足高度 安全和高性能的数据采集和控帝1 要求。该装置主要使用h p m 做数据采集 和相对简单的逻辑、控制等。 ( 2 ) l m ：( l o g i c a lm o d u l e ) 逻辑控制站 l m 是一个连接过程的控制器，用于控制过程的快速逻辑、顺序、 联锁等场合。l m 实现的功能：事件触发器功能，可在工况发生异常时， 自动无扰切换；多处理器结构，可把任务进行分割；提供从简单到复杂 的电机、泵、电磁阀等的控制和联锁；梯形图指令集可完成多种运算。 3 0 万吨合成氨装置主要使用l m 做开关量数据采集和快速逻辑、联锁。 ( 3 ) n 1 m ：见l c n 网n i m 。 第三节管理信息系统概述 3 3 1 、管理信息系统 吉化公司是吉林市的大型企业，随着生产经营的迅速发展，如何对 各公司、实体、部门实施更有效的管理被提到日程上来。近年来，吉化 公司已经开始了管理信息系统的筹划工作，从2 0 0 0 年6 月份，开始建设 自己的管理信息系统。吉化化肥厂是公司的一个分厂，吉化化肥厂建设 管理信息系统的目标是建设遍布整