毕业设计（论文）基于组态的煤气生产控制系统设计

1、 基于组态的煤气生产控制系统设计系 部： 机 电 工 程 系 学生姓名： 许子清 专业班级： 电气 10c2班 学 号： 1010412333 指导教师： 王 熙 2012年11月9日声 明 本人所呈交的基于组态的的煤气生产控制系统设计，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 【摘要】 一种由计算机控制的技术我们称之为组态技术，在计算机系统基础上进行控制系统设计，可以不必单独去设计电路，很大程度上节约

2、了时间和成本。当前许多的自动控制企业采用组态控制技术。本课题使用plc实现对现场的控制与采集，采用组态技术作为控制系统，通过对煤气生产线的现状调查，进行了总体方案的设计并设计了数据处理与报警功能，通过系统测试与运行结果显示，并且对历史数据进行分析，该系统可以很好的实现煤气系统的自动化生产。【关键词】 ：煤气生产系统；组态 ；测试目录引言1（一）组态技术的研究与应用1（二）研究背景及内容1一、组态王简介2（一）“组态王”的组成2（二）“组态王”的特点2二、煤气生产线控制系统方案设计3（一）系统设计要求3（二）系统设计方案3三、煤气生产线控制系统设计5（一）数据采集系统5（二）数据库设计5（三）系

3、统画面设计7（四）其他系统的设计9四、系统调试10（一）数据采集系统分析和调试10（二）数据分析系统的调试11总结12参考文献：13谢辞14引言煤气生产线控制系统利用组态，实际上就是一种由计算机来控制，利用组态技术从而形成的一种计算机系统，除了在硬件设备上使用pc机之外，各种通用的i/o接口设备以及现场设备均被系统利用，利用比较成熟的专用的组态软件来进行的设计，来实现我们煤气生产的系统自动控制。这种自动化的控制系统利用pc机中的a/d转换模块来实现对现场温度、压力、流量、料位等一些数据的采集，数据的远程传送是通过串口从而实现的，一切均由计算机来控制，通过plc（可编程控制器）来实现对现场的控制

4、。该系统还有报警、实时曲线和报表,而工作人员则通过曲线以及报表的反馈,就可以对历史的数据进行电脑处理和分析；系统发生的异常情况可以通过报警从而检测出来,若是出现紧急情况, 为起到保护的作用，系统还可以自动断电,。（一）组态技术的研究与应用现今计算机控制技术应用广泛，组态控制技术就是其中一种应用，与传统的计算机控制技术类似，基于组态的控制技术，也是由计算机、控制对象、传感器、i/o接口、执行机构这几部分组合而成的。模块间的任意组合其实就是组态。一般情况下，系统只要是基于ipc的，并且是通用接口以及组态软件控制的，那么这些系统均可称为组态系统。生产组态软件的厂家在国内外还是较多的，比如中国时利和、

5、日本的三菱、德国的西门子公司、台湾研华等。这些厂家的组态系统均提供各种专门针对自己系统的组态软件以及工业pc机、i/o板卡、模块。上述的专用组态软件之外，还有其他的通用组态软件：kingview(组态王）、国内成产的mcgs、微控可视组态。现今随着计算机的不断更新以及自动化技术的不断进步，我国组态软件快速发展，组态软件在工控计算机中的作用也越来越大。（二）研究背景及内容我国现今的煤气生产线系统是人工手动与继电接触器的半自动化生产的形式，在操作时人员必须要到现场，较大的负面影响就会出现在工人的健康上，而且由于很多的原因，煤气的生产效率极其低下，很难满足现今的需要。出于以上原因以及考虑，本文现提出

6、了利用组态技术，形成自动化的煤气生产控制技术。文中具体的对该系统的硬件以及软件都做了介绍，并且重点阐述了基于组态技术的管理软件以及他的设计方案。利用该方案使得开发工作量与系统维护成本可以得到很好的控制和降低，最有利的条件是为今后的升级提供了便利。自动化控制的范围内也有煤气的生产系统的存在，因为plc具有较强的抗干扰能力，对现场的环境比较适合该。出于煤气生产系统的运行环境相对恶劣，干扰信号存在较多的原因，本文将重点放在生产系统的稳定性方面。一、组态王简介由我国的北京亚控科技发展有限公司开发生产的“组态王”组态软件，使构造以及计算机监控系统可以快速的进行生成。该组态软件的成长运行是在windows

7、平台上的，使用简易、功能齐全：现场数据进行实时的采集，动画方式显示警报，对流程的监控、数据报表的绘制以及实时趋势曲线均可以生成，为用户提供了便利，并对工程问题提出了实际解决方案。该软件的主要功能如下：拥有丰富的图库与妥善的图形编辑功能，促使更加丰富的显示图像、格式更加的新颖。强大的动画功能，可以使用填充色连接、位置连接、按键连接等基本功能，让图形更加有活力。提供后台语言的二次开发。与一般编程语言比较，该语言直接使用、简单易学，可以满足组态软件的开发需求。（一）“组态王”的组成“组态王”是一种在pc机上实现工业控制的智能软件，它是以windows系列中文操作系统作为他的操作平台，该系统对wind

8、ows的图形功能进行了充分的利用，易学易用，界面设计一致性好。比起使用专用机开发的通用性基于该组态软件开发的系统工程更强，很大程度上的减少了工控软件开发者的工作量，二次开发还能运用pc机的软件资源来实现。工程管理器、工程浏览器、画面运行系统是“组态王”的三部分。工程管理器用来进行工程的新建与管理；工程内嵌画面的开发系统是由工程浏览器来运行的。组态王中画面开发与工程浏览系统是相互独立相互依存的，单独的使用也是可以的，但只有画面运行系统中才能运行的是工程浏览器内内嵌的画面开发系统设计、开发的画面应用程序。软件的实时运行环境就反映在画面运行系统内，可以显示换面开发系统建立的动态图形画面，以及报警、趋

9、势曲线监视等功能。（二）“组态王”的特点“组态王”是一种监控与数据采集的软件。系统监控层处于自动控制中，灵活多样的组态方式(不是编程方式）得以使用，为广大用户供应了开发界面与使用方法，支持多家的硬件，并可同时运行，高可靠性。其具有的特点如下：1.工程管理。工程管理器功能强大（组态王内提供的），能够方便的对所有工程进行管理，进行新建、删除、备份等相关操作。（用户机上的）2. 画面制作系统非常的强大。该系统提供丰富的图库，并同时支持无限色与过渡色，而且可视化的动画连接向导也拥有。3.具有易用的报表系统。一套不同于以往的报表系统在组态王中体现出来了，包含了丰富的报表函数，以内嵌形式存在，很方便的多种

10、报表可以由用户轻松创建。4.具备了优良的报警与事件系统。该系统灵活、方便、可靠、扩展方便，并提供了多种报警管理功能。5.支持控件丰富。组态王几乎所有的执行windows标准的activex控件均能够支持，除了微软的标准activex控件，用用户自定义的activex控件也能很好地支持。6. 双重保护策略：组态王的安全系统采用的是分级与分区的，完全是基于网络的概念，可以真正的实现客户服务器模式。二、煤气生产线控制系统方案设计（一）系统设计要求现有的煤气生产系统的流程大致如下，是一种基于继电器与手工的半自动系统。而且由于煤气生产现场环境恶劣，会对员工的身体健康造成很大的伤害。而且皮带撕裂与跑偏就会

11、经常发生，煤气系统范围大，很大程度上降低了煤气的生产效率。出于对以上现状的考虑，在现有的工艺流程的基础上，使用计算机对现场工作的情况进行控制与监控，本文试图建立一个综合控制机构，利用组态技术。1.控制功能对于下料功能，有两种控制方法。一是设定下料时间和下料间隔来控制下料；二是根据料仓的料位进行判断，低于一定值时进行下料操作，高于一定值时停止下料。进行下料操作时将插板阀、盲板阀、胀圈阀从上到下依次打开，结束后从上到下依次关闭。下料时料管阀都关闭，下料结束后打开。2.监测功能煤气发生炉中产生的煤气在旋风除尘器中除尘、净化、冷却之后，排入进余热锅炉，将过多的热量回收，并产生蒸汽，将产生的蒸汽传送进入

12、半净管与竖管，在半净管与竖管中煤气冷却和净化就可以进行，冷却成为水，利用煤与煤气并流或是逆流的方法，高温的煤气可以直接冷却，被洗涤下来是煤气中含有的粉尘、硫化氢等一些杂质，部分的冷却水也吸收热量变成水蒸汽也在此时进行，进入煤气当中。整个生产过程中，整个系统的温度、压力、流量、料位等都必须进行实时的检测，确保煤气的生产要求得到保障。及时的进行报警在发生异常时，可以人工调节的是系统第一次出现报警，第二次则会自动断电，停止工作。这就要求监控的数据实时的显示在操作界面中要体现出来，方便监控的进行，设定功能是必需要的，在发生警报时为了消除异常状态可以及时的通过设定参数来实现。（二）系统设计方案1.系统组

13、成设计一套开放式的监控操作站是本系统控制室需要配置的，另外一台plc设配，一台打印机，24v电源均需要，需将整个系统使用rs485/rs232连接，数据的集成管理与完全共享得以实现，较远的数据传输能力将得到保证。其配置图2-1所示：图2-1系统控制组成图图中的ai是模拟量输入，di是数字量输入，ao是模拟量输出， do是数字量输出。通过传感器转化为标准电信号的模拟量是温度、压力等数据（0-20ma或0-5v），经i/o模块进行转换，变为数字量，通过模块串行接口输入计算机进行相关的处理，之后再经i/o系统进行转换，以模拟量输出，依靠控制命令执行机构动作，完成控制任务。经plc采集后送入上位机的阀

14、门、开关等状态的数字量，在操作画面中显示，对于现场的状况操作人员将会拥有一个全面的了解。阀门或开关需要进行相关操作时，下达的指令可以通过操控画面来实现，plc控制继电器来完成控制，避免人在现场健康受损。2.系统参数设计排入压力在系统中范围是500pa士100pa，超过范围则警报。设定后允许误差为1度，饱和温度40-60度之间，超出警报。料位计进料高于料仓的料位，低于则关阀停止进料，超限报警。炉出的温度范围为300-500度，允许误差10度，由产量大小具体设定，超限警报。炉出压力范围为700-1000pa，允许误差100pa，依照生产量设定，超限警报。鼓风机压力在7000-8000pa之间，低于

15、6000pa警报。排出压力12000pa以上，10000pa一下便会警报。循环水总管压力大于0.1mpa，小于时便警报。三、煤气生产线控制系统设计（一）数据采集系统数据采集系统的构成图如下，由五部分组成：压力传感器、温度传感器、流量传感器、料位计、plc。各传感器的模拟信号经转换后传入计算机与plc，进行双重控制。在硬件选定好后在组态王中选择相应的硬件接口，进行设置即可。选用设备不同的话其设置页也不同，这里不做过多阐述。数据采集系统构成图如图3-1所示：6个压力节点模拟量输入模块压力传感器串口转换模块工控系统（显示系统）（控制系统）（数据库）热电阻/热电偶输入模块温度传感器4个温度节点模拟量输

16、入模块流量传感器1个流量节点模拟量输入模块料位计1个料位节点plc模块开关量节点图3-1 数据采集系统构成图（二）数据库设计数据库可以说是整个组态王软件的核心。系统运行时，变量的数值将实时地反映出生产的状况，数据库负责将现场的生产状况实时转化为数据，并将计算机上的操作者指令迅速的传递到生产现场，所有的实时数据库都是这一切的中介环节。数据库承担着上位机之间的联系与现场设备作用，变量的当前值在数据库中保存，包括了系统变量与用户自定义的变量。fx2n指的是其中的plc型号，xi为plc输入地址，yi为输出地址，模拟量的输入模块是adaln4017。热电偶的输入模块是adam4011，完成a/d转换是

17、由adam4018热电阻的输入模块实现的。如表3-1：表3-1 数据库表变量名变量类型数据类型读写属性设备地址数值插板阀i/o离散bit读写fx2ny1盲板阀i/o离散bit读写fx2ny2胀圈阀i/o离散bit读写fx2ny3料管阀1i/o离散bit读写fx2ny4料管阀2i/o离散bit读写fx2ny5料管阀3i/o离散bit读写fx2ny6料管阀4i/o离散bit读写fx2ny7油泵开关i/o离散bit读写fx2ny11油泵压力i/o实型float只读adan4017ai1鼓风总压i/o实型float只读adan4017ai2炉出煤气压力i/o实型float只读adan4017ai4余热

18、锅炉后压力i/o实型float只读adan4017ai6半净管煤气压力i/o实型float只读adan4017ai5空气流量i/o实型float只读adan4017ai3炉出温度i/o实型float只读adan4017ai1饱和空气温度i/o实型float只读adan4017ai1余热锅炉后温度i/o实型float只读adan4017ai2半净管煤气温度i/o实型float只读adan4017ai2胀圈阀状态指示i/o离散bit只读fx2nx3插板阀状态指示i/o离散bit只读fx2nx1盲板阀状态指示i/o离散bit只读fx2nx2料管阀1状态指示i/o离散bit只读fx2nx4料管阀2状态

19、指示i/o离散bit只读fx2nx5料管阀3状态指示i/o离散bit只读fx2nx6料管阀4状态指示i/o离散bit只读fx2nx7通过对逻辑设备的命名是组态王管理设备功能之一，存在唯一的逻辑名称是每一个设备都必须在组态王中体现出来的，逻辑名称与该设备的信息必须是相一致的，如名称、成产厂家、通信方式、地址、与上位机的通信方式等。该系统的设备管理如图3-2所示：计算机寄存器1现场设备变量1寄存器2寄存器1变量2寄存器2寄存器3寄存器3实际设备逻辑设备变量3变量4寄存器4寄存器4组态王寄存器n变量n寄存器n图3-2 逻辑设备管理图（三）系统画面设计1.系统主画面设计计算机可以通过组态软件，设计出被

20、控制对象的外观界面以及动画，实现现场控制功能，该部分也是设计中较为重要的部分。使用组态王的内置图画工具箱，设计的系统主画面如图3-3所示：图3-3系统主画面设计图包含了一下几个部分：#炉的个点参数，每秒自动更新，按照现场的实际位置，进行实时的测量显示。画面右下方的两排按钮中，5#炉、4#炉、3#炉、2#炉、实时线、历史曲线、工艺参数、报警都可以用来进行画面的切换的，切换到对应的画面可以使用鼠标右键进行单击就可。画面左上部的三个阀门: 胀圈阀、插板阀、盲板阀，分别对应产中的阀门，阀门下边，还有料管阀，两种状态在这些部件上体现出来，绿色代表打开，红色代表关闭。画面右上方的立即开始下料、立即停止下料

21、、下料时间、下料间隔时间这四个按钮均具时间显示，每次下料的持续时间指下料时间，下料间隔时间则是说炉两次下料的时间间隔。2.数据分析界面设计作为一个控制系统不可或缺的功能便是数据分析功能，数据分析最重要的方式之一是趋势曲线，具有直观、便于比较的特点，本文采用的就是利用实时曲线的数据分析模式。坐标纸的外形可以类似趋势曲线的，其中变量值由y轴表示，时间由x轴表示，变化趋势就可以通过观察变量反映出来。实时趋势曲线在画面运行时系统自动进行数据更新，由右向左移动进行显示。我们通过在趋势曲线中对时间间距的规定、数值范围在数据中的反映、网络当中分辨率、时间坐标数目、数值坐标数目以及由颜色属性而绘制的曲线。本系

22、统的实时趋势曲线如图3-4，其中可以设定字体颜色和曲线的颜色，不可以更改显示时长，时长30秒，该曲线实时更新。图3-4实时趋势曲线图（四）其他系统的设计1.报表功能本功能的程序如下：已经打印=0；if($时=0时&$分=0&$秒=0)if(己经打印=0)reportprint2(“报表”);己经打印=1;if($时=o时&$分=10&$秒=0)己经打印=0;if($时=6时&$分二二0&$秒=0)if(己经打印=o)reportprint2(“报表”);已经打印=1;if($时=6时&$分=二10&$秒=0)己经打印=0;if($时=12时&$分=o&s秒=0)if(己经打印=0)peport

23、print2(“报表”);已经打印=1;if($时=12时&$分=10&$秒=0)已经打印=0;if($时=18时&$分二=o&$秒=0)if(已经打印=0)peportprint2(“报表”);已经打印=1;if($时=18时&$分=10&$秒=0)已经打印=0;2.报警功能任何一个程序不可或缺的就是报警功能，当系统出现异常，必须能够迅速的进行报警，以便处理及时。在组态王中进行报警的数据结构设计时，可以定义报警属性，即报警条件、报警事件所在的报警组以及报警的优先级。这些事件存于内存中的报警事件缓冲器中，当在发生报警事件的时候，把画面如图3-5：图3-5 报警数据结构图四、系统调试主要对该系统

24、的数据处理功能以及数据采集功能进行了分析，其过程和结果如下。（一）数据采集系统分析和调试本系统目前处于自动运行的状态，料管阀都已经关闭将要进行自动上料，其中盲板阀与胀圈阀已经打开。如图4-1所示图4-1系统主画面运动图参数与画面的对应比较是运行是主要部分，确定真实数据与显示数据是否相同。检测结果表明是否正确的显示。（二）数据分析系统的调试测试系统画面所反映的数据分析的结果，两个画面中包含了六条曲线，包括空气流量曲线、温度曲线以及压力曲线，用不同的颜色来表示，可以快速的准确的将煤气生产线的运行情况的各种参数反映出来，30分钟的画面数据可以表达出来，并移动（从右向左），其中变量值则通过y轴来表示，

25、 x轴表示每次调试的时间，可以用来反映变量的变化观察趋势。在测试曲线图中我们可以规定数值范围的数据变化、网络的分辨率、时间坐标数目、数值坐标数目以及由颜色属性从而绘制曲线。其中横坐标显示的是每次测试的时间，纵坐标显示的是数据的百分比。运行了30分钟，结果显示该系统运行正常，且较为稳定。如图4-2所示图4-2数据分析调试图总结本文基于组态技术，利用组态王软件，对煤气生产系统进行了设计。继电器被plc取代，因此具有了很强的抗干扰能力，煤气生产环境恶劣的问题就可以很好的解决，系统的稳定性得以保证，煤气生产系统的稳定运行被实现。使用组态技术进行控制系统设计，可以解决工人离不开生产现场的问题，可以便捷、

26、简单的对生产中各部分温度、压力、流量的监测以及针对各个参数监控和设定，可以达到节约人力、提高工作效率和运行效率的目的。通过实际运行显示，本系统实现了稳定的运行，大大的降低了开发的工作量，维护的工作量得以减少，完全可以实现煤气的生产自动化管理。时间过于仓促，且作者水平有限，本文还存在很多需要改进的地方和不足之处，恳请专业人士的批评指正。参考文献：1袁秀英.组态控制技术.北京:电子工业出版社.2003.2胡寿松.自动控制原理m.3版.北京:国防工业出版社.1994.3马国华.监控组态软件及其应用.北京:清华大学出版社.2003.8.4王兆义编著.可编程控制器教程.北京:机械工业出版社.2001.5陈宇编著.可编程控制器基础及编程技巧.广州:华南理工大学出版社.1999.6吴明亮.蔡夕忠.可编程控制器实训教