（工程热物理专业论文）小型实时热工监控系统的开发和应用研究.pdf

浙江大学硕 ：学位论文 摘嘤 摘要 本课题的主要任务是对小型实时热工监控系统的开发流程和应用情况进行 研究。具体包括监控系统的总体设计、软硬件选择和构成、编程的思想方法、系 统优化、安装调试等内容。课题结合了杭州乔司垃圾焚烧炉脱硫监控系统的改造 和湖州医疗垃圾焚烧炉监控系统的开发这两个项目进行研究。 小型实时热工监控硬件系统一般采用上位机和下位机相结合的方式。上位机 采用适合工业现场应用的工控机，下位机采用可编程控制器( p l c ) ，另外还包 括通信线、电缆、各类仪表等配套设备。上位机软件开发采用可视化编程软件， 利用面向对象的开发思想方法设计，程序包含数据处理、界面显示、控制调整、 系统安全等模块。下位机程序编制使用p l c 自带软件包，程序主要完成数据采集、 转换、传递任务以及实现各种工艺控制、连锁保护等控制回路功能。 乔司垃圾焚烧炉脱硫监控系统的改造任务是将3 # 炉监控内容嵌入到原l # 2 # 炉监控系统中，并改善人机界面、增加多项自动控制功能；上位机开发软 件平台为v i s u a l c + + ，下位机采用西门子的s t e p 7 ：改造的结果提升了3 # 的监控 品质并保持了与1 # 2 # 兼容性。湖州医疗垃圾焚烧监控系统上位机程序采用组 态软件一“组态王”编制，下位机程序采用s t e p 7m i c r o w i n 软件编写：组态 软件的应用，提高了系统开发效率，获得较好的人机界面。 在分析以往项目的程序编制过程和监控系统品质分析的基础上，文章提出了 在软件编制方面优化的方向：总体设计上的程序架构多样化：人机界面；面向对 象发计方法和组态化程度使用程度；软件开发工具选择的多样性。 监控系统的安装和调试是一项不可缺少的工作，文章总结阐述了安装调试的 过程和规范，提出了调试安装中的可能问题以及解决方案。 通过本课题的研究工作，我们希望能为开发性能良好的小型实时热工监控系 统提供一条有效的参考途径。 关键词：热工监控系统人机界面优化控制回路 浙江人学顿 一学位论文 摘坚 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri st h er e s e a r c ho f r e a l t i m em o n i t o r i n g - c o n t r o l l i n g s y s t e m sd e s i g na n di t sa p p l y i n gc o n d i t i o nf o rs m a l lt h e r m a le n g i n e e r i n gp r o j e c t t h e w h o l es y s t e mc o n c l u d e so ft o t a l d e s i g n ，m a k e - u po f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， p r o g r a m m i n gm e t h o d ，s y s t e mo p t i m i z i n g ，s e t t i n g a n dd e b u g g i n g t h ep a p e ri s c o m b i n e dw i t hd e s u l f u r i z a t i o nm o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mo fh a n g z h o uq i a o s i p o w e rp l a n ta n dh u z h o um e d i a lw a s t ec o m b u s t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h i s s y s t e m i s u s u a l l y m a d e u p o fp e r s o n a l c o m p u t e r ( p c ) a n d p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t h eo t h e r a s s i s t a n t e q u i p m e n t ss u c h a s c o m m u n i c a t i n gl i n e ，p o w e rc a b l ea n di n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n ga r ea l s oi n c l u d e d w e u s eo b j e c t o r i e n t e dp a r a d i g mf o o p ) a sam e t h o df o rp cp r o g r a m m i n g t h ep c p r o g r a mb l o c k sc o n s i s to f d a t ad e a l i n gb l o c k ，i n t e r f a c eb l o c k ，c o n t r o la d j u s t i n gb l o c k ， s y s t e m s a f eb l o c k t h ep r o g r a mo fp kf u l f i l l st h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ， t r a n s f o r m ，t r a n s f e ra n dc o n t r o lf o rc r a f f w o r ka n di n t e r l o c k i nq i a o s ip r o j e c t ，w ea d dm o n i t o r i n gf u n c t i o nf o rd e s u l f u r i z a t i o no fb o i l e r3 群t o t h es y s t e mo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fb o i l e r1 # 2 # w ea l s om a k eb e t t e r m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dm o r ef u n c t i o no fs e l f - c o n t r o l l i n gb e t w e e nt h er e b u i l d i n g w eu s ev i s u a lc + + a sas o f tt o o lf o rp c ，a n ds t e p 7f o rp l c a sar e s u l t ，t h es y s t e m w o r k sb e t t e r i nh u z h o up r o j e c t ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei su s e d ，w h i c hc u tt h et i m ef o r c o m p l e t eo fs y s t e ma n du p g r a d et h ew h o l es y s t e m sq u a l i t y b a s e do na n a l y s i so ft h ep r o j e c td o n e ，w a y sf o ro p t i m i z i n ga r eb r o u g h tf o r w a r d ： m o r em e a n sf o rt r u n ko ft o t a ld e s i g n ；m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ；m o r eu s ew i t ho o p a n dc o n f i g u r a t i o n ；m o r ed i f f e r e n tk i n d so fs o f t w a r ef o ro p e n 叩 t h es e t t i n gm a td e b u g g i n gi st h ei r a p o r tw o r ka tt h ee n do ft h ep r o j e c t t h e p r o c e s sa n dr u l eo ft h i s i ss u m m a r i z e di nt h ep a p e r q u e s t i o na n da n s w e ra r e m e n t i o n e d t h e w o r kw ed i di nt h i sp a p e r ，i st os u p p l yag o o dw a yf o rb u i l d i n gag o o ds m a l l r e a l - t i m et h e r m a l e n g i n e e r i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m k e yw o r d s ：t h e r m a le n g i n e e r i n g ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ；m a r l m a c h i n e i n t e r f a c e ；o p t i m i z i n g ；c o n t r o ll o o p s 2 v2 0 扩l l 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名晰 y l 签字日期： 坷年月沁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢弘i 寸饧 签字同期： 俨厂年月- ) 。日 导师签名 移铋南 签字r 期：神j - 年 月肋同 学位论文作者毕业后去向： 工作靴 研汜春记锯怖多么司 通汛地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学他论史 第一章绪论 第一章绪论 本课题主要通过研究小型实时热工监控系统的组成和功能，结合杭州乔司垃 圾焚烧炉脱硫监控系统和湖州医疗垃圾监控系统两个工程的项目特点和开发过 程，研究探讨小型实时热工监控系统的开发、调试和优化方法。 i - i 实时计算机监控系统的概念及功能 伴随大规模集成电路技术的发展，数字计算机技术也有了很大的提高；微型 计算机不仅体积小、功耗低、成本低，而且也具有很大的可靠性。计算机具有精 度高、速度快、存贮容量大的特点以及具有逻辑判断功能，所以，它具有较强的 信息处理能力，可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。计算 机所具有的信息处理能力能够把过程监控和生产管理有机地结合在起来，对工 厂、企业或企业体系的管理实现自动化，从而产生巨大的经济与社会效益。 1 1 1 实时监控系统的概念 实时监控系统是c i m s ( 计算机集成制造系统) 下的一个子系统，主要实现 实时数据采集和集中监测，实现生产过程的自动控制和管理，实现产品品质的自 动检验，实现整体目标的优化管理等，对于提高产品品质、降低成本和能耗、改 善生产安全和工作条件，有着极大的作用，已成为企业c i m s 建设的重要部分。 我国从确立8 6 3 c i m s 主题以来，经过十几年的发展，c i m s 在企业中的得到 了广泛应用。此间，实时监控系统也得到了长足的发展，目前更发展出一种新型 实时监控系统的概念一一实时监控系统r t m s ( r e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m ) 。 实时监控系统( r t m s ) 以多目标对象作为应用背景，是一个开放式柔性集成系统， 应用的对象是相关的设备群体、复杂的生产过程、未来模式的柔性制造车间乃至 整个工厂、全球范围内的分散部门。 下面介绍几个与实时监控相关的内部概念： 0 实时( r e a l t i m e ) 实时包含两种含义：及时性及准确性。及时性可由截止时间来描述，指要求 系统对外界发生的变化做出及时响应；准确性指系统在某时刻从外部获取的信息 必须与客观世界的状态相一致。 硬实时事务和软实时事务( h a r da n ds o f tr e a l t i m et r a n s a c t i o n ) 浙江火学帧士学位论文 第一章绪论 对于硬实时事务而言，有其实时约束条件，即系统的f 确性不仅取决于事务 计算的结果，而且取决于结果产生的时间，这些实时约束的条件一旦得不到满足， 则会带来灾难性的后果。与之相对应的是软实时事务，也有时间约束，但这些事 务未能在截止时间之前完成，不会引起灾难性后果。 时态一致性( t e m p o r a lc o n s i s t e n c y ) 指数据满足与时序有关的一些约束条件。它由两部分组成：其一为绝对一致 性，指数据的环境状态和数据在数据库中的表示之间的一致性；其二为相对一致 性，指数据库中用来导出其它数据的数据之间的一致性。时态一致性的需求可转 换成对事务时态约束。 进程( p r o c e s s ) 进程本质是指正在执行着的程序，在基于进程的多任务环境下，两个至多个 进程可以并发地执行。 线程( t h r e a d ) 线程指进程中的一个执行流，多个线程可以并发地运行于同一个进程中。 实时调度( r e a l t i m es e h e d u li n g ) 实时调度分为抢占式( p r e e m p t i v e ) 和非抢占式( n o n p r e e m p t i v e ) 调度。抢占 式调度使个任务在更高优先级到达时挂起，在没有高优先级任务时继续运行： 非抢占式调度时当前任务在运行期间不能被其它任务打断，必须等到任务结束， 让出c p u 。 1 1 2 一般监控系统功能特点和设计原则 计算机有很强的信息处理能力，它除了能高速地进行计算外，还具有记忆、 比较、判断等多种逻辑功能，如果配合合适的外部设备和过程输入通道，再加上 丰富的软件系统的支持，计算机监视系统便会根据各种需要，实现自动监视。计 算机监视系统与常规仪表监视系统相比有以下几个优点： ( 1 ) 计算机运算速度快，且具有分时操作功能所以一台计算机能代替多台常 规仪表； ( 2 ) 计算机的监视方法比较灵活，对于常规仪表难以达到的监视质量，计算机 监视系统却很容易达到； ( 3 ) 由于计算机具有记忆和判断功能，所以在过程参数发生变化时，能及时综 合各方面情况，而对此，常规仪表不能胜任： ( 4 ) 计算机监视系统c r t 显示终端，可以实现多种参数的集中显示，同时还可 以实现各种画面、相关图形，给分析问题和操作控制带来很大的方便。 浙江人学硕i 二学位论文 第一章绪论 尽管计算机控制的生产过程多种多样，系统设计方案和具体的技术指标也是 千变万化，但在设计过程中应该遵守共同的设计原则：可靠性高，操作性好，实 时性强，通用性好，经济效益高。 o 可靠性高 过程控制计算机的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时威胁它的正常运 行，而且它所担当的控制重任又不允许它不正常运行。因此，设计过程中要把安 全可靠放在首位。 首先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常 运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事放 处理、不间断电源等。 为防止计算机故障，还需设计后备装置。对于一般的控制回路，选用手操 器作为后备；对于重要的控制回路，选用常规的控制仪表作为后备。对于特殊的 控制对象，设计两台计算机，互为备用地执行控制任务，称之为双机系统。 0 操作性好 操作性好表现在两个方面，一是使用方便，二是维修容易。 使用方便体现在操作简便，直观形象，便于掌握，并不强求操作人员要掌 握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。 维修容易体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模块板式 结构，便于更换故障模块模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点， 便于维修人员检查。另外，配置诊断程序，用来查找故障。 实时性强 过程控制计算机的实时性表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出相 应地处理，不丢失信息，不延误操作。 对定时事件，如数据定时采集，运算控制灯。系统设置时钟，保证定时 处理。 对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急预先分配中断级 别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。 0 通用性好 通用性表现在两个方面： 硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便在扩充 功能时，只需增加功能模板就能实现： 软件或是控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要进行二次丌发， 只需要选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。 经济效益高 体现在两个方面： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 系统设计的性价比，在满足设计要求的情况下，尽量采用廉价的元器件； 投入产出比，应该从提高产品质量与产量，降低能耗，消除环境污染，改 善劳动条件方面进行综合评价。 1 - 2 实时计算机监控系统的发展历史及应用现状 生产过程自动化水平的高低是衡量企业生产技术的先进与否和企业现代化 的重要标志。现代化生产企业的生产管理要求：现场的生产情况能够及时地再现 于远离现场的决策人员和管理人员面前，现场的实时数据能够提供给各级职能部 门使用，形成图表，使生产控制和现代化管理溶为一体，确保企业安全、优质、 经济地运行。伴随计算机技术发展而来的监控系统为实现企业生产的优化带来强 大优势，现代实时计算机监控系统的发展极大地提高了企业生产的高效、安全和 经济性。正是基于此，实时计算机监控系统得到了长足的发展。 1 2 1 监控系统发展历史和现状 在生产和科学技术的发展过程中，自动控制起着重要的作用，目前已广泛应 用于工农业生产、交通运输和国防建设。国外开始研究用计算机进行生产过程的 监视和测量，始于1 9 5 8 年，并且获得了初步成功。 以电厂监控为例，美国是最早应用计算机的。1 9 5 8 年9 月，在美国l o u i s i n a 公司的s t e r l l a g 电厂安装了第一台计算机监视系统。日本于1 9 6 1 年开始在北海 道泷川电厂设置计算机，但由于当时硬件和计算机元件制造技术方面的缺陷，整 个计算机系统达不到生产应用的水平。此后，日本也开始进行计算机控制在电厂 方面的研究。欧洲及前苏联在之后的1 2 年，也开始了相应的研究。 电厂热工自动控制的发展，经历了以下几个阶段： 初级阶段 本世纪5 0 年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验，局限于一般的 控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独 立的分散的局部自动控制。各控制系统之间没有或很少有联系。过程控制的目的 主要是几种热工参数，如温度、压力、流量和液位的定值控制，以保证电力生产 的稳定，所应用的理论为古典控制理论。 仪表化阶段 5 0 年代末及以后十年间，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，因而 实现了把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘装在一起监视，从而使 机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生 产设备同益大型化于连续化的需要。此时所用的仪表有电动及组装仪表所应用 浙江人学硕上学位论文 第一章缔论 的理论依然为古典控制理论。 综合自动化阶段 7 0 年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，由分散的机组或车 间控制，向全车间甚至全企业的综合发展，实现了过程控制最优化与管理调度自 动化相结合的分散计算机控制。对电厂而言，则是把火电厂的生产过程( 包括主、 辅机，全厂各个辅助车间) 作为一个整体来进行控制，此时所用的仪表有气动仪 表、电动组合仪表、组装仪表及计算机，所用理论大多为古典控制理论，少量为 现代控制理论。 随着计算机技术的迅速发展，电厂计算机过程控制又经历了以下几个发展 阶段： o 集中型计算机控制 它是用一台计算机对整个生产过程进行整体控制，因而对计算机的可靠性要 求很高，一旦计算机出现故障，将使整个生产受到影响。 分散型计算机控制 随着微机的大批生产，成本的不断下降，逐渐把集中控制改为用微机进行局 部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各个系统之间很难协调起来。 集散型计算机 它把各系统之间、厂级管理、调度等用一台功能很强的计算机进行上位管理； 而把各子系统用微机管理，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种 比较合理的新型计算机控制系统。 集散型计算机控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简记t d c s 或d c s ) 也称为分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s ， 简记d c c s ) 的，是计算机( c o m p u t e r ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、阴极射 线管( c r t ) 显示技术和控制( c o n t r 0 1 ) 技术的结合。集散型计算机控制系统能够完 成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解耦合控制以 及最优控制等功能，在先进的集散型控制系统中，还包含有生产的指挥、调度和 管理的功能。 到了九十年代，为了尽量满足应用需要，d c s 系统正逐渐与管理信息系统 ( m i s ) 结合，构成管理控制一体化的计算机集成过程系统( c i p s ) 。同时也发展 缩小化的微型集散控制系统( m i c r od c s ) ，以满足中小企业的应用。c i p s 系统 着重于信息的集成及信息的共享，即通过网络连接和数据库把生产过程中分散的 各种计算机结合所形成的各个孤立系统( 如过程控制系统d c s 、p l s 等，计算机 辅助工程c a e ，管理信息系统m i s ，决策支持系统d s s 等) 集成起来，称为相互 协调，总体优化的集成系统，是c i p s 长期稳定于最优状态下运行，具备充分的 柔性和应变能力。d c s 系统向着集成化、综合化和智能化的方向发展。 浙江人学坝 ：学位论史 第一章结论 i 重i # i - d c s 系统经过几十年的发展，计算机集敖控制系统已被广泛应用f 包 括电厂在内的诸多工业部门。目前，世界上约有4 0 多家公司生产近百种简单控 制系统的商业产品。比较有名的，如美国的a b b 、h o n e y w e l l 、t a y e r 、f o x b o r o ： 以及日本的横河北辰、日立、东芝；德国的s i e m e n s 等多家跨国公司。 1 2 2 国内监控系统在热工上的应用历史和现状 我国动力行业在五十年代中起步，到六、七十年代已迅速发展起来。同期， 火电站的自控装置也得到相应的发展。 五十年代主要是引进苏联和东欧2 3 0 t h 以下的机组，自动控制装置也主要 是仿制苏联b t n 系列仪表。随着我国发电机组制造业的崛起，配套的自控装置也 走上了国产化的道路。 六十年代初，已开始使用国内自行研制的电子管式电动单元组合仪表d d z i 型。六十年代中期，电动单元组合仪表已改型为晶体管式的d d z i i 型仪表， 并同时开发出q d z 型气动单元组合仪表。随着集成电路的问世，六十年代末，七 十年初又开发出集成电路型的d d z i i i 电动单元组合仪表。这些装置成为我国电 站、冶金，化工、轻纺等工业部门自动化装备的“主力军”。随后，仪表行业又 开发了组件组装式控制装置，由于元器件性能不稳定，可靠性不高，维护工作量 大，很快被引进的可编程调节器和部分单元组合仪表所代替。在这同时我国引 进的发电成套设备，把i 垂i # i - 七十年初刚用于火电厂的微机数据采集系统和组装式 数字控制装置带入国内市场。 六十年代中期，曾将国产小型电子计算机用于电站数据采集、制表打印。均 由于计算机硬件可靠性不高，系统难于正常运行，致使试点工作末取得好的效果。 1 9 8 0 年前后，动力行业引进了美国g e 公司和w h 公司的主机主产技术和配 套的自控技术。阿城继电器研究所按g e 技术试制了锅炉安全保护监视系统 ( f s s s ) ，新华电站控制工程有限公司按西屋( w h l 公司技术试制汽轮机数字式电 液调节系统，通称“d e h ”系统。东方锅炉厂采用可编程控制器( p l c ) ，也开发出 自己的锅炉安全保护监视系统( f s s s ) 。这些技术推进了微处理器在电站控制中 的应用。 国外在七十年代中期开发出集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示 技术于一体的新型控制系统d c s ，这种系统到八十年代得到进一步发展。完成相 同的功能，硬件配置减少了，软件功能增强。随着火力发电机组的引进，d c s 系 统带入了我国。国内仪表行业在引进的自动化设备冲击下，纷纷引进国外仪表技 术，并配合部分国产单元组合仪表组成了1 2 5 m w 、2 0 0 m w 机组的自动控制系统。 尽管这几年热工自动化水平有了很大提高，但和国# l - b l ：尚有一定差距。最大 浙江人学顼卜学位 奁义 第一帝绪论 的差距是自动装置投入率低，原因除了主设备可控性差外，另一个是测量装置( 如 风、煤测量) 与执行机构( 如阀门) 存在一些问题，这些都影响到热工自动化的进 展。 目前，我国有中小型电厂2 0 0 0 多家，多数控制水平落后，自动化程度低， 锅炉的操作和监控仍然靠人工加常规仪表，不仅难以做到平衡操作，安全生产也 没有确实保证。不仅工人的劳动强度大，条件差，而且运行热效率低，耗煤量大， 浪费能源，污染环境。不改变现有的控制手段，锅炉的运行很难有满意的效果。 为了提高锅炉的运行效率，降低能耗，确保安全生产，改善劳动环境，利用计算 机的快速性、可靠性、准确性和多种特殊功能，代替常规仪表实现锅炉的监测和 控制是发展的必然趋势。采用计算机监控系统代替老的人工操作和大部分部分常 规仪表，具有如下优点： ( 1 ) 保证机组的稳定运行，提高运行效率； ( 2 ) 减少事故，保证安全性，延长设备的使用寿命； ( 3 ) 控制方式灵活，控制质量提高； ( 4 ) 减轻劳动强度，提高管理水平。 总之，采用计算机监控系统，对于提高机组安全、经济运行水平，提高运行 管理水平，减轻运行人员劳动强度等都具有明显效果。 在现代热工控制工程项目中，一般采用工业控制计算机为上位机，进行数据 采集与控制；或者采用单片机集散系统。这两种系统开发周期一般比较长，程序 复杂，在上位机与下位机的通讯中也时常发生数据丢失的情况。可编程控制器 ( p l c ) 作为传统继电接触控制装置的替代产品已广泛应用于工业控制的各个领 域。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装灵活、编程简单、 抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用，故自 6 0 年代末第一台p l c 问世以来，已很快被应用到各个领域，大大推进了自动化 进程。 卜3 课题的主要研究内容 综合考察多年来本实验室对热工监控系统的设计、开发研制、安装调试、维 护等各方面经验，并参考国内外实时热工监控的开发研究和应用情况。总结一整 套设计开发热工监控系统的流程，包括调试、安装等方法。课题主要结合杭州乔 司垃圾电厂脱硫监控系统的改造和湖州医疗垃圾焚烧监控系统的丌发和应用，分 析研究如何提高监控系统开发方法、，i ：发效率和设计良好的人机界面、提高系统 安全稳定性的方法，从而保证系统能长时、高效无故障运行，并完善开发思想， 促成监控系统更好的发展方向。 浙江人学碳。l 学位论文 匏一章结论 杭州乔司垃圾焚烧炉脱硫监控系统的改造项目要求是在原来1 # 2 # 集成 脱硫监控系统的基础上，加入3 # 脱硫监控系统，并在人机画面和自动控制方面 有所改善。这种嵌入式程序开发，需对原系统构架和特点做深入的了解，在嵌入 并提高新内容的同时不影响原系统的讵常工作。本课题对新系统l # 2 # 3 # 的 开发过程和改善提高因素做了详细阐述，在人机界面、组态化等方面提出了改进 优化监控系统的思路和方法。 为提高监控系统开发效率，利用软件的组态化特性，我们开始尝试使用组态 软件作为上位机软件开发工具。结合湖州医疗垃圾焚烧监控系统的具体项目开发 过程和功能特点，分析了组态软件的应用特点。课题尝试为热工监控系统开发探 索多种途径，完善优化监控软件系统。通过安装、调试方法的总结，为热工监控 系统的顺利投入运行提供指导性帮助。 课题研究内容可概括为如下几点： ( 1 ) 热工监控系统的体系架构和软硬件组成； ( 2 ) 嵌入式程序开发的过程和功能实现： ( 3 ) 软件的优化途径和组态软件的应用； ( 4 ) 监控系统的调试和安装。 综上，课题的主要任务是研究实时热工监控系统开发途径，探索提高和改善 系统品质的方法。 浙江大学坝士学位论文 第二章实时热丁懿拧系统总体设计和软硬件纽成 第二章实时热工监控系统总体设计和软硬件组成 2 - 1 引言 在实际工业生产中，除集控室外，一般环境是比较恶劣的，环境温度高、湿 度大、灰尘飞扬、振动、噪声、电流干扰等各因素都有可能存在，这就需要计算 机热工监控系统具有可靠稳定、强抗干扰能力。因此，在进行系统总体设计时就 必须考虑到相应的软硬件支持，以报证系统安全、稳定、经济地运行。另外，生 产过程中的参数变化迅速、操作十分频繁、启停状态、设备异常和故障等情况， 也应列入设计考虑范围。 2 2 实时监控系统总体设计依据和功能分类 2 2 1 实时监控系统的总体设计依据 根据以往实践经验，工程具体情况对监控系统的运行要求是多方面的，不过 一般大的可以分三项要求，即安全性、经济性和稳定性。 安全性 安全性是指在整个系统运行过程中，确保运行人员和设备的安全，这是最重 要的也是最基本的要求。一般系统采用参数越限报警、事故报警和联锁保护等措 施加以保证。 经济性 企业生产肯定要考虑运行费用问题，在保证安全有效的前提下，需考虑到系 统的设计成本和运行成本。好的监控系统必须考虑能保持安全高效长时运行，以 减少维护费用和不必要的生产损失。 稳定性 稳定性是衡量一套监控系统性能的重要指标。在设计中，我们必须根据运行 环境考虑选用相应的软硬件，保证系统整体上具有抑制外部干扰的能力。 因此，在进行系统总体设计时，我们必须对生产的整个运行环境、生产经济 性等进行综合考察，列出可能影响系统准确稳定运行的因素和相应保证方法，以 便系统运行投产后能按要求运行。 根据以往经验，应用于一般生产现场的热工监控系统具备如下特点：能够在 环境温度一5 一6 4 ，相对湿度不大于9 5 ，有少量粉尘、震动、电磁场、腐蚀 性气体等干扰因素的环境下工作：控制实时性好，即信息的输入、处理、运算、 浙江人学颂j 二学位论文第二章实时热工航拄系统总体设计和软碗件组成 判断和输出都要在一定的时间内完成；具备完善的人机联系方式，在生产过程或 监控系统出现异常时，运行人员能手动操作生产过程或者采取紧急措施；注重软 件的丰富完备性，因为生产过程中系统是由随机的一些外部事件驱动的，除了满 足实时性，系统一般还要求有较好的操作系统、文件管理系统和数据管理系统。 上述是系统总体设计时的一般依据，当然涉及具体项目还需要具体分析。 2 2 2 实时监控系统的功能要求及分类 根据不同的生产要求，总体设计必须考虑不同的系统以实现相应功能。计算 机监控系统根据对象的不同控制要求、所实现的控制功能和基本特点，可以分为 下列四种类型：数据采集和处理系统；直接数字控制系统；计算机监督控制系统 和集散型控制系统。 计算机数据采集与处理系统 计算机数据采集与处理系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 又称计算机监 视系统，是以计算机为核心对生产过程进行智能化、全工况开环监视的系统，其 主要功能包括：信息输入、信息处理、报警处理、操作指导、人机联系与信息输 出等，缺点是不直接参与设备的控制，没有充分发挥计算机控制系统的能力，其 系统构成如图2 1 所示。 传恐佰亏 被输 订显示 控入 对通 算打印 机报警 象道 图2 1 计算机数据采集与处理系统 直接数字控制系统 直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 系统的构成如图2 - 2 所示。 被计 设定值 控算 对机 显示 象 ( 堕堕) 至堕妇一 - - - - - - - - - 打印 图2 - 2 计算机直接数字控制系统 浙江大学硕j j 学位论文 第二章宴时热工脏控系统总体设计和软硬件纽成 d d c 由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产 过程的控制装置，对控制规律进行数值计算，经过程输出通道( d a 和d o ) 直 接控制生产过程。d d c 是计算机应用于过程控制的典型系统，现常用来泛指计 算机控制系统。 计算机监督控制系统 计算机监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，s c c ) ，由计算机根据 生产过程工艺参数和数学模型，计算出最佳设定值和相应的控制指令，送给模拟 调节器或d d c 计算机。由模拟调节器或d d c 计算机控制生产过程，使其处于 最优工况。s c c 系统不仅可以进行顺序控制、最优控制及自适应控制等，它是 d a s 和d d c 系统的综合和发展。其系统原理图如图2 3 所示。 被 叫模拟数1 计 控 + _ 一 字r 算 ， 输入参数 对机 图2 3 计算机监督控制系统 集散型控制系统 集散型控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，t d c s 或d c s ) 又称为整 分布式计算机控制系统，是以多台微型计算机为基础，采用数据通信和c r t ( 阴 极射线显示器) 显示技术，对生产过程进行分散控制、集中操作、分级管理、分 而自治和综合协调的系统。其基本组成如图2 4 所示。 图2 4 计算机集散型控制系统 浙江人学硕士学位论文 第二章实时拍i i = 脏控系统总体设计和软碰件剐战 2 - 3 实时热工监控系统硬件组成 在生产过程控制中越来越需要大量使用复杂、先进的控制器，当前的趋势i f 朝向集中分散式自动控制的方向发展。可编程控制器( p l c ) ，由于可靠的性能， 并可通过软件改变控制过程，完成各种复杂的控制功能，非常适合于要求高可靠 性及恶劣工业环境的应用系统，而在图形、数据处理等方面的处理能力相对较弱。 工业控制计算机具有一般计算机的优良性能，同时具有很强的工业环境适应性， 并对图形、数据等有较强的处理能力。因此我们一般选用上位机( 工控机p cj 和下位机( p l c ) 相结合的硬件结构，从而达到良好的监控目的，当然中间还包 括合适的仪表、数据线、通讯线等的配套选择。以下分别介绍各硬件组成和原理。 2 3 1p l c 的基本组成 p l c 是微机技术和继电器常规控制概念结合的产物，是一种以微处理器为核 心的用做控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似，它主要 由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口、电源部件等部分组成， c p u 是p l c 的核心，它通过输入装置读入外设豹状态，由用户程序去处理， 并给根据处理结果通过输出装置去控制外设； i o 部件是连接现场设备与c p u 之间的接口电路，p l c 通过i o 模块与工业 生产过程现场相联系，通过t o 接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参 数，以这些现场数据作为p l c 对被控对象进行控制的信息依据。同时p l c 又通过 i o 接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制，i 0 单元主要 类型有：数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等。 通信接口用于与编程器和上位机连接，p l c 的通信模块大多带微处理器，用 来完成与其它p l c 、智能控制设备或主计算机之间的通信。 电源部件为p l c 提供可靠的稳压电源，供内部电路使用。与普通电源相比 p l c 电源稳定性能好、抗干扰能力强。 此外p l c 还必须有相应的编程装置和编程软件。p l c 是以顺序执行存储器中 的程序来完成其控制功能的。根据生产过程要求编制出的控制程序，通过一定的 方式输入p l c ，并通过调试修改后成为可执行的控制程序。编程装置的主要任务 就是编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试p l c 的内部状态和 参数，与p l c 进行人机对话。因此，编程装置是开发、应用监控运行和检查维护 p l c 不可缺少的设备。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件 包的通用计算机系统。现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，p l c 厂家可只向用户提供编程软件和相应的硬件接口装置，而由用户自己选择价格较 浙江大学碗十学位论文 第二章实时热r 监抟! 系统总体设计和软碘件匀1 成 便宜的、功能很强的、通用的个人计算机。用户可以用较少的投资得到高性能的 p l c 程序开发系统。 p l c 从组成结构形式上可分为两类： 一类是一体化整体式p l c ，其特点是电源、c p u 中央处理系统、i o 接口都 继承在一个机壳内，整体式p l c 系统逻辑框图如图2 5 所示。 i i 0 扩 o 。 展 l 嫱积蝽詈l i 矧 扩 监兀 外 设r o m 计算机 i 接 口展 l 其它外设卜_ 输 c p u 输 入 出 驱动受控元件、 接收现场信号 部 部 件电源 件 图2 5 整体式p l c 系统逻辑框图 另一类是模块式结构化的p l c ，它们的电源模块、c p u 模块、开关量i o 模 块、模拟量i o 模块等在结构上是相互独立的，可根据具体的应用要求，选择合 适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一个完整的p l c 应用系统。模块式 p l c 系统逻辑框图如图2 6 所示。 理 图2 6 模块式p l c 系统逻辑框图 无论那种结构类型的p l c ，都可根据用户需要进行配置与组合。模块式p l c 则在i o 配置上更方便、更灵活，其装有c p u 模块的机架，称之为基本机架其 它为扩展机架。 塑垩查堂丝! ：兰些笙兰 苎三兰壅堕垫三堕丝墨堕壁堡垡! 塑竺婴壁丝堕 2 3 2p l c 的基本工作原理 p l c 的工作原理可以用下图来表示 图2 7p l c 工作原理示意图 1 4 浙江大学硕f ：学位论史 第二章实时热工监控系统总体设订和软碰件! t l 他 p l c 运行时，内部进行一系列的操作，大致可分为四大类：故障诊断、通信 处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和输出操作。执行用户程序的操 作，以及服务于外部设备的操作( 如果外部设备有中断请求) 。 p l c 的c p u 是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延 伸一个动作接一个动作顺序执行。这种分时操作进程称为c p u 对程序的扫描。p l c 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。c p u 从第一条 指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后返回第一条指令 开始新的一轮扫描。p l c 就是这样周而复始地重复上述地扫描循环。 除了执行用户程序之外，在每次扫描过程中还要完成输入、输出处理等工作。 扫描一次所用的时间称为扫描周期。扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有 关，典型值为l 。1 0 0 m s 。 p l c 接通电源后，在进行扫描循环之前，p l c 首先确定自身的完好性，这是 起始操作的主要工作。p l c 进行清零或复位处理，消除各元件状态的随机性：检 查i o 单元连接是否正确：启动监控定时器t o ，执行一段涉及到各种指令和内 存单元的程序，如果所用的时问不超过t 0 ，则可证实自身完好，否则系统关闭。 此后，将监控定时器t o 复位，允许扫描用户程序。 2 3 3 上位机系统硬件要求和p c 机选用 在一般的热工监控系统中，上位机是处理信息的主要设备，也是人机交互的 主要界面，总体上有如下主要功能： o 过程监视实时显示试验台运行工程中的温度、流量、压力等参数，动态描 述参数的变化曲线，以及运行过程中的报警信息。 o 显示机组运行状态图为了便于监视运行过程中各部分的运行情况，在计算 机上实时地、动态地显示当前试验台运行处于什么样地状态。 o 数据记录和报表打印运行数据的对试验台考核各方面指标、考察机组运行 状况都是十分必要的，本系统要求有很高的自动化程度，所以各种数据的记 录和报表将由计算机来完成，计算机将这些数据存入数据库，并可根据用户 需要打印所需报表。 与p l c 的通讯上位机不断地从p l c 获取机组运行数据。在系统启动前，将 初始化参数送入p l c ，以及控制参数地设定都要求参数地传输能够及时正确。 工业应用的需要为保证试验台安全、稳定运行的需要，计算机应具备比常 用计算机更强的抗干扰能力与可靠性。 上述要求显示，计算机处理的内容较多，所以我们一般宜选用具有主流配置， 处理速度较快，可靠性较好的工业控制计算机，如研华、研硕等各系列，具体配 浙江人学顺士学位论文 第二章实时热】= 监控