（控制理论与控制工程专业论文）组态软件在mdf热磨工段微机监控系统中的应用研究.pdf

摘要 我餮静中密度纤维板( m d f ) 生产发震禳快，盘子其应甭范瑚十分7 一泛，而 且具有一些其它板材没有的优点，越来越受到用户的喜欢。我国的m d f 行业， 和发达国家生产线的技术水平相差较大。生产线尚存在一些不足之处，与引进生 产线裙眈，国产兹m d f 生产线缓少醒袭设诗计算穰监控系统，哭是近见年来部 分工段采用了p l c 控制，计算机控制技术的应用则相对落后。 针对这些情况，本课题旨在利用先进的控制系统的基础上，建立一个m d f 热毖工段麴实融监控系统，馒之最终成为中密泼纾缝扳整条生产线全瑶综合囊勘 化系统的一个子系统，为构建中密度纤维板管控一体化的目标打下基础。 在全面考虑到了靛控系统中软件设计的可蘧用毪稻霹扩展注的要求后，本论 文主要运爨了实对系统的开发技术、恧向对象的设计策略和菠接操作的界砸风格。 并针对m d f 生产的实际要求，首次提出了一种以局域网与现场总线混合式网为 基础静企垃网络方寒，完成m d f 生产线盗控系统结梅帮稔淳豹模块设诗。鑫惹 利用大庆三维公司的力控组态软件对上饿机软件系统进行开发，为用户提供友好、 简单、方便的动态显示界面，使操作者可以一鼯了然地对熬个纤维分离过程避行 黢控，班涛是照户对绥维分离工艺豹特欢要求。 关镳词：中密度终维扳( m d f )热膳缀态软件l a n i f i e l d b u s u m l a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ep r o d u c t i o no fm e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r dh a sd e v e l o p e dg r e a t l yi n o u r c o u n t r y b e c a u s eo f i t se x t e n s i v er a n g eo f a p p l i c a t i o na n di t sg o o dq u a l i t i e s ，m d f h a sb e e na c c e p t e dw i d e l yb yu s e r b u ti no u rc o u n t r nt h et e c h n i q u el e v e lo fm d f p r o d u c t i o ni sr e l a t i v e l yl o w e rt h a nt h a to ff o r e i g n s c o m p a r i n gw i t ht h ei n t r o d u c e d p r o d u c tl i n e ，t h el i n e o fo u rc o u n t r yh a ss o m ew e a kp o i n t ss t i l l a n dt h ed o m e s t i c p r o d u c tl i n es e l d o md e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m 0 n l yi nr e c e n ty e a r s ，s o m es e c t i o nh a su s e dp l c ，b u tt h ec o m p u t e rc o n t r o ll e v e ld r o p s b e h i n d a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l p r o b l e mo fp r o d u c t i o n ，t h i sp a p e r i n t e n tt ob u i l da r e a l t i m em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mf o rd e f i b r a t o ri nm d fb a s e do nt h ea d v a n c e d c o n t r o ls y s t e m ，w h i c h ，f i n a l l y , b e c o m e sas u b s y s t e mo ft h ew h o l e p r o d u c t i o n t h u s ，i t l a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ee n t e r p r i s e a f t e r a u s i d e d l yc o n s i d e r i n g t h e r e u s a b i l i t y a n d e x p a n d a b i l i t y o fs o r w a r e p l a t f o r mi nt h em o n i t o r i n gs y s t e m ，i nt h i sp a p e r , w em a i n l yu t i l i z et h ed e v e l o p m e n t t e c h n i q u e o fr e a l t i m e s y s t e m ，o b j e c t o r i e n t e dd e s i g n m e t h o da n dd i r e c t m a n i p u l a t i o nf e a t u r e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n di nm d fp r o d u c t i o n ，w ep u tf o r w a r da k i n do fa ne n t e r p 6 s e sn e t w o r ks c h e m eb a s e do nl a na n d 蠡e 】d b u sf o rt h ef i r s tt i m e ， w h i c ha c c o m p l i s h e st h em o d u l ed e s i g no ft h es y s t e ms t r u c t u r ea n dp r o g r a m a n d f i n a l l y , w ed e v e l o pt h es o f t w a r es y s t e m b a s e do nf o r c e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e w e p r e s e n tt h ed y n a m i c v i s i o nt ou s e rf r i e n d l y , w h i c hm a k e st h eo p e r a t o rm o n i t o rt h e w h o l e p r o d u c t i o np r o c e s s k e y w o r d ：m e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ( m d f ) d e f i b r a t o r c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r el a n f i e l d b u su m l 绷态软什庄m d f 热摩i ：段微机临控系统一卜阿j 节j t j d 究 1 绪论 1 1 国内外中密度纤维板生产线的现状与发展趋势 中密度纤维板( m e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ，m d f ，据我国标准，其密度为 o 5 0 8 8 9 e m 3 ) 是高效利用木材和节约木材资源的支柱产业之一【22 1 ，是林业可持续 发展的重要组成部分。由于中密度纤维板内部纤维组织均匀，其强度、握钉力、内 部胶着力、湿膨胀性能等都优于其它木质人造板，并且能被广泛应用于家具、音响、 室内装修等行业，这些都促使了中密度纤维板工业在近些年来得到了飞速的发展。 一般，中密度纤维板生产的主要工艺流程有备料、纤维分离、调施胶、干燥、 热压、成型、砂光等，其中纤维分离是最重要的关键工序之一。纤维分离有很多种 方法，在现行中密度纤维板生产中大多采用加热机械法，在热磨工段完成。由于分 离出来的纤维的质量直接关系到中密度纤维板产品的强度和性能，因而控制热磨工 段各种工艺参数，提高分离纤维的质量，有利于提高最终产品的质量。 l 、我国中密度纤维板工业现状 ( 1 ) 生产能力快速增长 由于中密度纤维板的应用面广，并且具有良好的加工性能和物理力学性能，市 场对其需求量也与日俱增。随着市场需求量的增加，中密度纤维板工业的发展突飞 猛进。据中国林科院北京林机研究所的“2 0 0 2 年综合调查”统计表显示，从2 0 0 0 年至2 0 0 2 年6 月，m d f 生产厂家已有2 0 7 个增加到3 1 3 个，生产线也由2 4 2 条增 加到3 9 6 条，年生产能力由6 3 9 5 万立方米增加到1 3 6 1 8 万立方米。近三年来的年 平均生产能力增长速度高达4 6 ，2 0 0 2 年比2 0 0 1 年增长7 1 5 1 ，年平均增长率均 高于同期国内生产总值( g d p ) 的增长率。根据世界粮农组织( f a o ) 统计资料表 明，2 0 0 0 年以来，我国的中密度纤维板产量已经超过原居于世界第一位的美国，成 为全球中密度纤维板生产第一大国。【3 】【9 】【2 5 】 2 6 l ( 2 ) 国内外设备并存 近些年，通过各种形式的国际经济技术交流，我国已经先后引进了多条m d f 生产线和大量的先进生产设备，这些装备大多达到发达国家先进技术水平，有的甚 至达到了世界最新水平，这使得我国m d f 工业装备的拥有量和技术水平都得到了 大幅度提高，与此同时，这些装备为我国人造板机械厂提供了借鉴和示范。通过消 1 化吸收、购买国外专利、合作制造、科技攻关、自主匈新歼发等形式，我国爵己制 造的人造叛成套设餐技术水平有了缀大灼提离，其中，m d f 设备的国产化( 以生产 能力汁算) 已达到了7 0 。和发达国家的设备相比，国产设备最大的优势在于价廉， 瓣嚣仅为遂嗣价格匏l ，5 1 1 0 1 l 。 但是，我国国产m d f 设备与世界先进水平相比还存在差距。国产线的单机生 产规模大多为5 万8 万立方米，而引进线的则高达1 5 万、2 0 万立方洙乃至3 0 万 立方米。荚主要差黥在于我国大塑豹m d f 生产线主粳还不能生产，热大型热蘑极、 连续热压机等，而且生产线的在线自动监测仪表性能和可靠性还不能满足工慧过程 监测和控制的需要，生产线的机电体化自动控制的技术水平诫急需掇高。 载纾维分离生产线上豹主要设备热瘗规嚣言，裙摁的做法是一条生产线上选配 一台热磨机，以保 i 难浆料质量的均匀一陡和后续工序的控制及成品板的质量。整体上 着，有近三分之一的热磨税是从美莺、德国、臻典等舀矫引进豹，其余为鑫产静， 鹱以整体水平参差不齐。从国夕 辱f 进的热磨机的主要工艺参数和机构全部实现了计 算机自动控制、监测和调艇，具有加工精度离、磨出的纤维质量好、故障少、自动 纯东平嵩等俊点，莠躯够傲弱毽受蔚、瞧润黻、毽魄靛裁囊产。毽是萼| 进豹设蚤徐 格昂贵，例如一台年产3 万立方米中密度纤维板的热磨机要1 4 0 万美元，而如果引 进技术自己生产大约只要4 0 万美元左右即可。因此，应税极借舔、引滋、吸收消化 著创赣热磨槐戆制造技本，提毫藿产装备技术瘩平，敬逐步取代部分进妇设餐。 ( 3 ) 控制手段有待于进一步提高 舀前，p l c 在m d f 艇产中的应嗣已经稚常广泛了，毽是蕊生产线上各搽作台 黢选用豹p l c 多为小型的( 即2 0 0 点以下) 。由于客观上m d f 生产线前后工段的操 作台要求保持通信联系，以便前后衔接，而小型p l c 不具备通信功能，无法进行串 行通篱，霞稀给系统翡设计带来缀多不便。凌于m d f 生产线燕一令分散系统，随 着工、业生产规模的不断提商，控制管瑷的需求也不断提高，过稷参数曰益增多，控 制回路也越加复杂，因此过程控制的方式最好是分散迸行，而旅褫、潦作和袋佳纯 管理瘦爨集审为爵。嚣姥，弓| 入先遴舱控到手段是= 燕m d f 生产中急嚣解决的闯题。 2 、发展趋势 ( 1 ) 依靠世界上最裔活力的国内带场继续发鼹，产赫结构褥虱谖整 我基本楗霉求淘题是处于经滂离遥发展釉生态环境恶化的双重压力之下的a 近 1 0 年来，一方面国民经济高速发展，必然拉渤木材消费市场，特别是住房制度改革 以后，对建筑装修秸耧帮岽买熬需求逐猛增长。露另一方嚣，我嚣煞淼栋蠡愿承擐 著保持生态平衡和供给木树的双重任务，不可能再增加木材采伐量。实际上，四、 2 细态软什n ：m d f 热雕l 。段微机蚧控系统内麻j h j 1 ：究 五年之前全国计划内木材采伐餐已维持在6 5 0 0 力h 立方米左右，1 9 9 8 年实施“天保， 工程盾，谤翔内采伐量逐年f 醛，2 0 0 1 年虽然赂鸯回嚣 完成正常的生产任务。 ( 2 ) 第二屡过稳监控朦 这瑟一觳是出担经监控任务熬p c 秘撵为弼络节点褥或始局域网段。现场总线 一2 s 网络通过专门的现场总线通信按阴与设备控制层相逢。各个控制部分的过程计算机 除了数攥的采集、数据处理、工艺流程动西显示积对控铡系统毂缒态努，还执行对 控制系统的监视、报警、维护等功能，而且要承担各种先进控制、优化计算等任务， 簸终达到对参数酶按销、生成历史记录粒生产缀表的譬静，然后遴过阏络发布软件， 可以把生产的实际情况反映到厂内的局域网上，实现更高联次的控制要求。 该层向上通过计算机网络与企业管理层进行数据通讯，向企业领导和各职能部 门发布生产和工艺数据，为企韭戆决策提供袋据，并接受众韭弱指令等；向下逶遥 控制网络与监控和控制执行层进行数据通讯，对车间生产线进行监控以及对车间生 产线发布生产计划等，以实现集中监控和管理。它怒实现企业信息集成和管、控一 体兹重要组袋部分。 ( 3 ) 第三层企业管理层 这层又被称为信息朦，主嫠功能包括；查看警产报寝，生产指令髂下达，迸 雩亍生产管理，协调生产，燮产准螽，原材料的管理等，这烂都是通过查看网络测览 器信息或数据库中的存储资料实现的。它的网络节点主要莉高性能计算机、工作站、 p c 辊等，包括各类管理、诗算麓客户梳、鼹务器、数据库等，势与外器静i n t e r n e t 互连网连接。企业篱理层w 以通j 遘i n t e m e t 实现与奄业内逸程网点( 如商业网点) 的信息集成。 4 3 2 采用三层系统结构的特点 m d f 热磨工段监控系统采用上述三层系统结构，主要具有以下特点： 1 、控制主机的人机界面有幂 j 于操作人员监视耩操作，画瑟形象、壹蕊。阕醒 剩用计葵攫强大豹嚣贮能力帮打露极的记录功能取代原有的记录仪，减少了操作人 员的劳动量，并且封利于相关人员对生产数据的查询和管理。 2 、与常撬的仪表褶魄，本系统具寄更好静扩麓往。院籍增勰或修教一个整控 信号时，只要通过简单的软件定义和组态，两不用像传统的方法那样对二次袋盘大 幼干戈。 3 、由予计算橇矮有楚毽速发浚、计雾熊力强豹特点，获恧保证了艘熟豹生产 工艺得到完全的贯彻，以及高级控制算法的实现，使生产夜较为优化的状态下进行。 4 、整个系统具有更强的自诊断能力和抗干扰能力。 5 、爨键盘囊鬣标健蘩原来的手工澡馋，既降低了工人的势勘强度，又提高了 生产的自动化水平。 。2 6 纽态软仆侄m d f 热磨1 ：段微机 | 矗控系统中的麻川f i j l _ 究 6 、整个系统的设计是借鉴了集散控制系统的设计思想，采用模块化思想先对 m d f 生产的各个工艺环节分别进行设计，组成各部分的子集散控制系统，然后将它 们连到一起组成最终的集散控制系统。而组态软件部分的设计则采用了面向对象的 设计方法，因此升级容易，维护方便。 7 、本系统利用现场总线和基于t c p i p 通讯协议的以太网连接整个控制系统， 这样使得数据传输速度快，信息流量大，网络开放性好，兼容性强，扩展容易，利 于与其它控制系统的联网。 4 4 热磨工段监控系统的总体功能设计 m d f 热磨工段的微机监控系统是参考现场总线的通信协议，利用先进的系统集 成方法，构造的现场总线式监控系统。其目的是对m d f 热磨工段的生产情况进行 全面的监控管理，保证生产的正常进行和提高生产率。 鉴于该系统的特性，我们设计系统时，实现以下五项主要功能。 1 、网络通信功能生产过程实时监控系统支持现场总线p r o f i b u s 通信方式， 实现生产过程数据的点到多点传送；采用以太网协议进行控制局网与管理局网的互 连，实现生产过程实时数据的传输。 2 、数据采集功能通过下位机p l c ，支持各实时现场网点的生产过程数据的 采集和发送，实现各个现场站之间以及现场站与监控站之间的信息交换，产生实时 数据库和生产记录历史数据库，以便进行生产过程实时数据的动态监控和相应的数 据处理。 3 、动态监控功能生产过程实时监控系统提供清晰完整的生产过程动态监测 功能，支持生产过程实时数据的接收，工艺流程图的动态显示，生产过程数据显示， 实时趋势动态显示以及事件报警功能。通过屏幕画面及图表的配合使用，从整体和 细节的两个方面对生产过程进行全面监控。同时，在系统运行中能实时进行事件报 警检测，以便及时反映各工位点的工作状态，保证装置安稳运行和控制的质量。厂 级调度的实时监控，又可以采集所有操作站的数据，并对整个工艺生产流程进行管 理与决策。 4 、信息处理功能生产过程实时监控系统不仅提供生产过程动态监控功能， 还支持生产记录的存储、加工和输出功能。利用系统动态生成的生产记录历史数据 库，对生产记录进行加工处理，产生相应的文件与报表，以便为各相关部门提供数 据和信息，利于用户查询与打印输出。 2 7 5 、过程组态功能 生产过程实时监控系统为组态型应用系统，通过组态软件 提供操作方便的系统生成和维护环境。系统在使用中可以及时增、删、改监控对象 及相应的数据属性，改变监控对象之间的相互关系。具有画面绘制和编辑以及对采 集点的工位号、数据属、数据长度、显示位置进行定义等功能，以提高系统的实用 性、可维护性和可扩展性。 基于以上功能，在设计中充分考虑各功能的特点和它们之间的相互关系，系统 逻辑功能结构图见图4 2 。 实时数据 实时数据采集模块 实时数据发送模块 实时数据接收模块 动态监控生产记录处过程组态 图形编辑 模块 理模块模块模块 图4 2 生产过程实时监控系统逻辑功能结构 f i g u r e 4 2t h el o g i cf u n c t i o ns t r u c t u r eo f m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mi np r o d u c t i o np r o c e s s 4 5 监控系统硬件配置 ( 1 ) p l c 系统配置 热磨控制部分由一台s 7 3 1 5 2 d p 可编程控制器带四个扩展机架组成。其主要 功能是实现对热磨料缸料位控制，一道、二道转速控制以及各种电机、阀门的逻辑 顺序控制，和完成数据采集功能。s 7 3 1 5 2 d p 的基本指令执行速度为0 3 9 s 0 6 斗s ， i o 地址空间为1 0 2 4 1 0 2 4 点，具有m p i 和p r o f i b u s - - d p 两个通讯端口，两个端 口均可用于编程或组成网络，m p i 可构成3 2 个站点的多点通讯网络，通讯速率可 设定为1 9 2 、3 8 4 或1 8 7 2 k b i t s ，p r o f i b u s - - d p 则是可以最多控制1 2 6 个站点的 现场总线网络，通讯速率可设定为9 6 k b i t s 1 2 m b i t s 。其性能完全可满足m d f 生 产的控制要求。 ( 2 ) 操作员站的软硬件配置 操作员站采用一般的工控机、微型计算机或l c d 技术的高性能平面显示一体 机，以及硬盘、键盘、鼠标、应用软件等配套装置。作为人机接口安装在主操作台 2 r 绸态软什曲：m d f 热磨l 段微机监控系统中的庸川研究 上，实现热磨过程的调用、动态显示、设备运行状态监视及数据处理等功能。 4 。6 监控系统的软件平台 ( 1 ) 监控缀态较 夸力控 目前，应用较广的组态软件有很多种，在考虑选用何种组态软件的时候，首先 考虑到的怒系统设计的骚求，其次燕组态软件的分布性( 即支持网络化的结构) 、模 块纯、开放纯( 缝提供器秸盛建程廖的接嬲) 及嶷好的霪形化组态能力。在本论文 中采用的是力控组态软件，力控2 0 是基于w i n d o w s 9 5 9 8 n t 的3 2 位应用软件，采 用面向对象的软伴技术开发。它不仪提供了在工娩上用于图形显示、信息疑理、数 据露技术魏摄表的基本功能模块，还提供了控制策略编辑和趱彳亍、使用通信程序、 数据库接口等扩展组件。 ( 2 ) p l c 编程软箨s t e p 7 s t e p7 是基于w i n d o w s 9 5 9 8 n t 的s 7 3 0 0 4 0 0 p l c 标准软件包。通过s t e p7 ， 用户可以进行配鬣和程序的编写、调试、在线诊断p l c 硬件状态、控制p l c 的运 特状态窝y o 逶邋豹获态等。 1 7 通信黼络的总体设计 目前的情形是，我国大多数中小型生产企业还没有d c s ，大型众业已经使用了 d c s ，面谈用现场总线控嗣系统在：l 露忍年肉羹 l 难蔽实袋。在巍蓠这耱薅形下，本文 采用了一种适合我国国情的作为过渡阶段w 行的控制系统方案，即一种d c s 与f c s 相结合的拄制系统模式。这种模式采用智能i o 模件作为仪表上网的桥梁，同时节 省成本；馒罴瑷场总线瓣络逶应分鑫式、开放式嬲发展趋势：使黑好敲式的控制器 硬件及开放式的组态软件代替d c s 中专用的控制器，保留d c s 的冗余技术及组态 技术等优点，使用标准的开放往网络黻太阏作为厂级网络，蔼不是d c s 静专雳网络。 睫蓉技术魏进步、成本的进一步降低，全开放式的现场总线控制系统必将是未来的 趋势。 本论文采蔫了力控缝态软件幸# 蔸上霞税篮控软 孛，实瑰系统西嚣显示、投表羟 印和报警输出等功能；利用西门子s 7 3 0 0 系列的p l c 作为下位机，进行现场数据 采集。上位机和下位机之间使用p r o f i b u s 现场总线协议进行通讯；操作站与管瑾 j 罢羯瘸弱汉太弱寒交换售惠。 ，2 9 5 软件系统的设计与开发 计算机监控功能的实现必须依赖于系统硬件支持下的软件，随着超大规模集成 电路技术的不断发展，使计算机监控系统的硬件成本迅速下降，而软件成本在整个 系统投资的比重不断上升。软件设计在整个计算机监控系统中的地位变得越来越重 要了。本控制系统的软件主要是针对上位机p c 机的界面显示程序的设计，本章主 要介绍了m d f 热磨工段监控系统软设计的总体思想、方法和主要特点。 5 1 软件系统的分析方法 m d f 生产中对纤维分离的监控系统是一种典型的过程控制系统，对其进行监控 软件设计时多采用结构化的分析设计方法，从需求分析到设计实现是呈“瀑布”型 的，这种设计方法的优点是模块化，可重用性高。但是，随着对控制管理质量要求 的提高，结构化设计方法缺点也越来越明显：系统开发周期长，系统的后期维护成 本高，可扩充性差，难以适应软件与硬件技术发展的潮流。 当前，面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ，简称o 一0 ) 技术代表了软件工程发展的方向。 面向对象方法是分析问题和解决问题的新方法，其基本出发点就是尽可能地按照人 类认识世界的方法和思维方法来分析和解决问题。客观世界是由许多具体的事物或 事件、抽象的概念、规则等组成的。因此，我们将任何感兴趣或要将以研究的事、 物、概念都统称为对象。面向对象的方法正是以对象作为最基本的元素，它也是分 析问题、解决问题的核心。由此可见，o 。o 方法很自然地符合人们认识规律，这样 就使o o 方法更易于为人们所理解、接受和掌握。这种方法具有模块性、继承性、 封装性的优点，因此被广泛应用着。而且人们提出了面向对象技术的工业标准，即 统一建模语言u m l 。 u m l 是一种可视化的建模语言，全面体现了面向对象的设计思想，是一种用来 为使用面向对象技术开发的系统进行说明、可视化和编制文档的方法。u m l 由视图、 图、模型元素和通用机制等几部分组成。视图用来表示被建模系统的各个方面，它 又分为用例视图、逻辑视图、组件视图、并发视图、展开视图等五种。图存在于视 图之中，用于对系统进行具体描述和建模。u m l 包括用例图、类图、对象图、状态 图、序列图和协作图。可以说，设计各种图是使用u m l 进行系统开发的核心内容。 3 0 鲥态软什在m d f 热磨i 段微机监控系统中的应j ，t | 0 r 究 并且它贯穿于系统开发的需求分析、设计、 统的开发标准化，同时具有很强的扩充性。 进行了u m l 分析建模。 5 2 软件系统的功能设计 5 2 i 总体设计原则 构造以及测试等各个阶段，从而使得系 本文对m d f 热磨工段监控系统的设计 对监控系统的组态软件来说，就是操作站完成运行功能，工程师站( 或控制站) 负责组态( 或配置、开发) 系统。由于组态软件不独为该类结构的系统而专有，而 且实际应用中为提高可靠性，运行节点常常需要有冗余的要求，因此，具体应用中 组态与运行功能的分布可以有多种方案，而各种方案又有其连接和功能上的各自特 点，都将影响到组态软件的设计。运行功能由多个任务构成也可以分布在不同的节 点中。就功能的分布而言，除组态与运行可进行结构上的功能分布外，对于各种连 接方式，组态软件的运行功能也可进行分布，即同是运行节点，功能上也可以有差 别。但无论如何，最终设计出的软件系统，既应满足实时连续运行的需要，叉能符 合组态化设计的要求，即以高效、通用为原则。因为组态工具的设计主要面向的是 用户及系统维护的接i ：1 ，所以应以直观、简单和友好为原则。同时，除了系统固有 的功能外，不少组态软件还允许用户编写或定义自己的任务，该功能称为开放性， 为实现用户的某些特殊功能要求提供了很大的方便。 5 2 2 软件系统功能的u m l 分析 从软件设计的角度，再结合组态软件设计的特点，本文首先从需求开始进行软 件系统开发的全过程。要开发一个系统必须先确定系统应该具有的功能，即要进行 需求分析。在热磨监控系统的软件设计中，不同的角色对应不同的功能。对于系统 工程师站来说，使用的功能有：过程控制、顺序控制、系统功能的扩展与重组、算 法库的建立、历史库和数据库的生成、图形组态功能和报表功能等；而对于操作员 站，有历史库和数据库的生成、图形显示功能和报表功能、设备巡检等；对于现场 控制站有设备巡检和通讯控制等功能。在u m l 中，用用例视图来表示系统的功能， 用例视图包括用例图、序列图等，附录中的图一是热磨监控系统功能的用例图a 其 中用例是用于描述系统功能的，也就是从外部用户的角度观察，系统应支持哪些功 3 l 一 能，它是对系统功能的宏观描述。而角色是与系统进行交互的外部实体，它可以是 系统的用户，也可以是其它系统或硬件设备，总之，凡是要与系统交互的任何东西 都可以称为角色。在此系统中，工程师站、操作员站和现场控制站均为角色。这种 方法仅考虑系统功能的定义，而没有考虑系统的实现，所以这使得系统功能的扩展 非常容易，而这对于系统的二次开发是很重要的。 u m l 的核心是面向对象的分析与建模，因此还必须确定系统的对象。根据面向 对象的方法学，系统的每个功能都是由对象来完成的。例如在附录的用例图中，在 操作员监视系统运行情况的时候，当有设备出现异常情况时，就会自动产生报警， 然后并将报警送入历史库中进行自动记录。这里控制过程的系列动作都是由一定 的实体来完成的，这些实体在面向对象分析里称为对象。而所谓的对象就是控制和 操作的实体，它可以是一个设备、一个组织或一个事物等。在热磨监控系统中涉及 的对象有各种电机、垂直预热缸、热磨室、数据采集、计算方法、报表打印等。然 后经过更高层次的抽象，将要处理的数据抽象成类的属性，将处理数据的方法抽象 成操作，进而形成类。可以看出，用例图不仅可以从功能上全面分析系统的功能， 而且分析具体的某一用例，可以得出系统的对象。这样，既加强系统分析员与需求 方的沟通，也为后续的建模分析提供了基础。 5 2 3 软件系统的内容 本论文的上位机编程主要采用高档微机，利用组态软件为数据采集与过程控制 功能进行组态。它们是在自动控制系统监控层一级的软件开发环境，采用灵活多样 的组态方式与编程方式相结合，最终提供良好的用户操作界面和简捷的使用方法。 操作站完成运行管理功能，工程师站负责系统维护和开发。 系统具体要实现的主要功能如下： ( 1 ) 实时画面显示：热磨过程图形系统处理过程操作中所有屏幕上的输入、 输出信号，是操作站了解和修改热磨过程数据的最直观的界面。其主要功能是实时 动态地显示流程图画面，根据检测到的数据，对画面进行动态更新。与此同时，监 视节点可以显示当前系统运行的全部状态参数并能实时打印，包括预热缸和热磨室 的压力、温度、预热缸里料位的高度、各种电机的温度、液位、阀门当前开度、手 动自动状态等等。显示方式为热磨工艺显示图，软件具有画面友好、直观等特点。 ( 2 ) 实时数据处理和记录：按工艺要求实时采集全部工艺参数，并建立一个 实时数据库。通过记录单个测量点或一组测量点的值，系统对重要的过程数据采用 3 2 纽态软件在m d f 热培l ：段微机监控系统中的廊i h 研究 周期性记录方式记录，其它需要记录的数粥采用搿件触发方式记录，并将这些数据 写入到实时数据霹亵历史数撬瘴中去。逶_ i 建这秘方式，实瑷数据共攀，提簿控制瓣 实时性。 ( 3 ) 其有历史数掰库：程生产过程中，将整个生产周期的数稻存入硬盘的历 史数据瘴，对重要数据设置历史麴线，以一个周期为例，这些数据可以用魑线方式 重演，并能打印照温曲线，这样可以在生产中或生产结束后查阅，便于工装人员对 生产过程遗彳亍敖障分橱、工艺敬迸及工艺俊亿。 ( 4 ) 故障报警：系统对熬要工芑参数设置报警，即设定被测爨参量的上、下 限制，当越限时，以故障颜色( 红色) 及声音报警。当某个控制器税序跑飞或网络 逶专羲中瑟黪，爨纂会凄蠛报警，班掇醒揉撵久虽及嚣维护。 ( 5 ) 在线打印：报表系统可以按照用户要求将在过程中记录的数据打印输出 到打印纸或打印剜文件，也可以根据用户攀先定义的打印任务按小时、天、星期及 胃掇表等形式锤臻竣出记录驰数据。 图5 1q - 业控制软件的内容 琢g w e5 1 t h ec o n t e n t so f i n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r e 5 3 几个关键程序的具体实现 5 3 1 热魔圭画礤 人一执爨嚣设计是王业控制软传的主要组成郏分，通过c r t 、键盘和鼠标，实 一3 3 尔北林业人学顾十学化论文 现“人机对话”功能，实施操作人员列控制系统的操作和干预。通过使用t 。菜单， 和带有图标的“按钮”，提供友好而易用的用户操作。 在热磨主窗口的图形界面中，这部分内容主要显示了热磨工段的工艺流程图画 面以及过程控制系统中实时数据的显示。这里，对垂直预热缸、管道、螺旋等部分 的处理采用了动态画面的形式，其它画面显示形式多模拟实际仪表操作面板，以符 合操作人员的习惯，如图5 2 所示。 5 3 2 定义i 0 设备 图5 2 热磨主窗口 f i g u r e5 2 t h em a i nv i e wo f d e f i b r a t o r 在此系统中，现场i 0 设备有很多种，如可编程控制器p l c 、智能模块、板卡、 智能仪表、控制器、变频器等。这些设备在力控中都可以进行i o 设备驱动。例如， 由于本文下位机采用西门子的s 7 3 0 0 系列的p l c ，所以要在上位机进行设备的添 加。在d r a w 导航器中双击“i o 设备驱动”项使其展开，在展开项目中选择“p l c ” 项并双击使其展开，然后继续选择厂商名“西门子”并双击使其展开后，选择项目 “s 7 3 0 0 ”。然后出现“i 0 设备定义”对话框，在“设备名称”输入框内键入一个 名称，并要设置p l c 的采集参数，即“数据更新周期”、“超时时间”等，如图5 _ 3 3 4 ：兰坠墅鬯堕垒尘竺兰垫垒! ：壁塑塑堕丝墨竺! ! 塑生型塑塞 所示。 5 3 3 实时数据库的组态 图5 3 定义i o 设备 f i g u r e5 3 d e f m et h ef od e v i c e s 对于一个好的完整的监控系统来说，实时数据库是整个系统数据处理、数据组 织和管理的核心，有时也被称为数据词典。在热磨监控系统中，实时数据库可以存 储每个工艺点的多年数据，用户既可以浏览工厂当前的生产情况，又可查询过去的 生产情况。可以说，实时数据库中的历史数据对于工厂来说就如同飞机上的“黑匣 子”。在此系统中，本文首先定义了多个实时数据库变量，如图5 4 所示。对于每个 变量可以设置其报警限值、基本参数及其数据连接等内容。 5 3 4 双机热备 图5 4 实时数据库的组态 f i g u r e5 4 t h ec o n f i g u r a t i o no fr e a l - t i m ed a t a b a s e 力控的运行系统具有双机热备功能，即可以指定一台机器为主机，而另一台作 3 5 为从机，从机内容与主机内容实时同步，从机实时监视主机状态，一旦发现主机停 盎l 蠢应，矮接管控翻。开始运嚣时麸枫蓦先两主瓤数据瘁注穗，缀告本援建蛙。自 主机发送时钟同步请求、数据库组态信息同步请求、异地历史存储数据同步清求、 组态画面同步请求。当主杌正常工作时，从梳不断向主机发送实时数据阍步请求， 并显铁撬中懿d b 数据库不进行经露运算，i o 驱动程序不进行采集，键是可以接受 用户操作，搽做结果直接送往主机。假当主机在一定时间内( 超时时间) 不响应从 税的同步请求时，觚祝便矮管控希，停止离主视发送同步请求，君动i o 驱韵程序 采集。这时从枧糁变为主枧。当故障的主机繁耨启动后，主机将与从机信息同步： 同步完成后，从机停止控制工作，将控制权还给主机。从机除了与主机实时数据、 掰史数据、辩镑霹多努，麸税每当开始运行辩，还将与主穰缰态瘫容溺步。 在没有设置，即系统缺省情况下以“独立方式”运行，即各机器之间没有主从 关系。在热磨系统中我们采用双机热备方式，方法憝在导航器中选择“配置，敞杌热 备”，_ 黢老“双褪热备”矮出理“双援热蚕参数”对话框，如图5 5 赝示。在本枧类 逛选项中选择“主站”，然后保存文档，进入遮行态。对于从站的设置同理，只是本 缀类蛩选为“从站”。 5 3 ，5 安全管理 基5 5 双执热备 f i g u r e5 5b a c k u po f t h em a c h i n e 对于m d f 生产，安全是其重要保证。作为保证安全生产的措施之，对监控 系统的安全篱理也是十分有必要的。程本文设计的间时考虑到逡点，所以选糟了力 控整羧维态软俘，弱为梵了保谖整控系统鹃安全运行，力控软传为用户提供了一系 列的安全保护功能，通过进行安全管理方面的设置可以防止因意外或非法关闭系统、 3 6 细态软什住m d f 热磨i ：段微机监控系统中的麻州研究 非法进入丌发环境修改参数或者对未授权的数据进行更改等操作。 l 、系统保护 在“配置系统参数”项中通过设置“禁止退出”、“禁止a l t 及右键和“禁 止c t r l + a l t + d e l ”选项后，即可以防止在未经容许的情况下非法关闭系统、非法进 入开发环境修改参数。其具体的设置方法如图5 6 所示。 图5 6 系统保护设置 f i g u r e5 6 s e tt h es y s t e mp r o t e c t i o n 2 、用户管理 在此监控系统中，可以创建四个操作级别，即操作工级、班长级、工程师级和 系统管理员级。在四个操作级别中操作工的级别最低，系统管理员的级别最高。通 过“配置用户管理”项可进行相关的用户创建，并为不同的用户分配口令。 3 、变量操作管理 变量是本文监控系统的重要组成部分。在系统的运行环境下，工业现场的生产 状况将实时地反映在变量的数值中，操作人员在计算机前发布的指令也将通过变量 迅速传达到生产现场。在力控中，有窗口中间变量、中间变量、d d e 变量、实时数 据库变量、宏变量、系统变量等类型。不同的变量可以被不同级别的操作者使用， 这样避免了许多误操作。 3 7 东北林业人学硕十学位论文 6 中纤板监控系统的通信方案 随着网络技术的不断发展，i n t e r n e t 正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐 集成起来，形成信息高速公路，构成公用数据网络。但是工业过程控制网络中的数 据通讯技术不同于以传递信息和共享资源为主要目标的管理型信息网络，因为工业 过程控制网络所传递的信息主要是生产过程中的各种参量和现场设备的状态，因而 特别强调可靠性、安全性和适用性。而且，当今自动化系统的效率不只是依靠各个 元器件，除了对设备的观察、操作和监视外，更需要高性能的通讯系统。作为人造 板主要板种中发展速度较快的m d f 企业也正朝着这个方向发展着，力图通过企业 网络将管理、经营、控制协调为一个整体，实现产品开发、生产加工、原料供应及 产品储存、市场信息、企业管理、决策过程等。因此，网络建设已经成为企业与企 业之间及企业内部信息交换的连接纽带，是不可缺少的一部分。它使得生产现场的 运行数据能够方便地提供给各级相关人员，为科学管理、安全运行和有效维护提供 了必要的基础。本章主要是从网络的角度，分析和阐明m d f 生产线的网络组成。 6 1 中纤板控制系统的网络结构 在本论文的第四章中简要地介绍了从系统功能角度分析的m d f 控制系统的结 构。下面将从网络结构的角度分析整个系统。从图4 1 可以看出，整个系统可分为 两级，第一级为基础自动化网络层，它主要包括现场设备层网络和车间监控层网络； 第二级为控制管理层网络。 上层负责完成高层管理功能，包括各种控制功能之间的协调、系统的优化调度、 信息的综合管理和组织以及总体任务的规划等。底层网络则负责完成各种现场级的 控制任务，如参数调节的回路控制、过程数据的采集和显示、现场控制的监视以及 故障诊断和处理等等。因此，从网络角度看，m d f 计算机监控系统具有两层网络的 系统结构，这使得系统的整体形态出现了扁平化趋势，即所有的高层次控制、管理 和调度任务均在上一层完成，而所有的具体控制、显示、记录和诊断任务均在下一 层完成。这种系统的优势是：简化了系统的结构和层次，缩短了上层控制任务到下 层单元实施过程，实现了较大规模的信息交换公共平台，加强了上层子系统与下层 子系统或单元之闯的联系。 5 8 1 3 8 。 组态软什住m d f 热磨1 段微机监控系统中的应川研究 根据m d f 生产线的特点，我们选用了一种混合式l a n f i e l d b u s 的网络结构。 在过程监控层与企业管理层之间采用以太网，这样企业管理层向下可以读取各车间 里各个控制子系统的状态信息。而在过程监控层与现场设备层之间及在现场设备层 内部采用p r o 邸u s 一种现场总线( f i e l d b u s ) 技术，并且过程监控层与现场设备 层之间的现场总线与以太网之间通过专用的网关连接。这种方案最大限度地利用了 以太网和现场总线所能提供的通信功能。 6 2 基础自动化层 6 2 1 网络通讯标准的确定 当前世界上比较流行的现场总线有f f 、p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 、c a n o p e n 等，它 们在我国也都有广泛的应用，其中有些总线已经在某些特定的行业中得到了广泛的 认同。在比较了几种总线协议并结合m d f 生产厂的特点后最终选定p r o f i b u s 。 一方面由于它是目前数据传输率最快的一种现场总线，传输率最高可达1 2 m b p s ； 另一方面它能够很好的与西门子的传动设备相配合，并与西门子p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) 结合紧且组态简便。 p r o f i b u s 现场总线技术是随全数字控制系统的发展而产生的，是于1 9 8 7 年 由德国西门子公司和其它十几家企业联合开发的，1 9 9 6 年成为欧洲工业现场总线标 准之一( e n 5 0 1 7 0 v o l 2 ) ，1 9 9 9 年成为国际现场总线标准i e c6 1 1 5 8 的组成部分。 p r o f m u s 协议是基于i s o 的标准o s i 七层参考模型的，但它只定义了第一、 第二和用户层( 如p r o f i b u s d p ) 或第七层( 如p r o f i b u s f m s ) ，而第三层到第 六层未加定义。另外，它的3 个组成部分( f m s 、d p 和p a ) 可以满足不同的应用 对象和通信速率场合的要求且开放性很好。 p r o f i b u s 现场总线的数据链路协议是带主从方式的令牌传递，主站与从站之 间以主从方式通讯，各主站之间由令牌协议决定总线数据发送权。物理介质通常采 用双绞屏蔽电缆，总线接头采用9 针d 型插头，接线方便简单，容易扩展，网络上 最多可连接1 2 7 个站点，若采用光缆最大传输距离可达9 0 公里。 由于大多数m d f 生产厂家的大量现场控制、监测设备和传感器已经安装就绪， 并已投入实际生产运行，为保证已有的投资得到继承，尽量在已有的基础上实现实 时监测系统的功能是本项目的出发点。为此本