水泥生料生产过程计算机监控系统设计与研究

1、 可修改 欢送下载 精品 Word 可修改 欢送下载 精品 Word 可修改 欢送下载 精品 Word武汉理工大学硕士学位论文(lnwn)题目：水泥生料生产过程(guchng)计算机监控系统设计与研究Monitor&ControlComPuterSystemDesignandResearehinMaterialsofCementProductionProeess研究生姓名(xngmng) 吴强学科专业名称(mngchng) 控制(kngzh)理论与控制工程2006年5月武汉理工大学硕士学位论文摘要水泥企业要适应水泥市场日益剧烈的竞争,除了不断提高水泥质量外,还应该加强生产管理自动化和设备平安监

2、控的故障诊断。水泥生料的生产是整个水泥生产中的重要环节,它决定着水泥成品质量的好坏,所以对其监控方案的设计就显得尤为重要。本文针对水泥生料生产过程,设计开发了一套基于Porfibus一DP现场总线的分布式监控系统,实现水泥生料的输送、喂料、粉磨、选粉、收尘、入仓储存、计量输送等生产过程的实时监测和控制。在充分比较了多种监控方案的优缺点后,结合水泥生料生产的实际情况,决定采用工业控制机+PLC+现场总线的整体架构。在底层的信号检测层,采用交流变频器、软启动器等实现各传动点的调速和起动控制。通过现场总线通讯适配卡,将这些装置接入Porfibus一DP现场总线作为DP从站。现场的温度、压力等测量变送

3、设备那么通过RS485现场总线进行数据传输。中间控制层由一台S7.300PLC组成,它既是Porfibus一DP主站,又是MPI从站。它除了完成根本的逻辑控制功能外,更重要的是通过Porfibus一DP现场总线通讯来实现各从站之间的高度协调以及(yj)一些特殊的控制算法的实现。系统管理与监控层由一台研华的工控机组成,作为(zuwi)MPI主站,通过(tnggu)与57315ZDP通讯来获取(huq)生产过程的数据,显示工艺流程、历史曲线、实时曲线、报等画面(humin)、生成数据库等,实现远程监控。水泥生料配料过程是一个复杂的过程,采用常规的控制方法难以到达满意的控制效果,所以须选择一种不依赖

4、于对象数学模型的控制策略,设计一种新的控制器,能在线跟踪被控对象的动态特性,及时修正控制参数,实现人工智能控制。本文针对这一情况,根据原料的化学成分以及对熟料的要求,采用模糊控制技术,通过控制生料的总下料量和生料的配比,使水泥生料的质量和产量得到显著的提高。关键词:水泥生料,现场总线,可编程控制器,模糊控制ABSTRACTCemententeprrisestoadaPttoeomPetitivemarket,inadditiontoeontinuouslyimProvethequalityofeement,shouldalsostrengthenthemanagementofProduetio

5、nautomationandseeuritymonitoringequiPmentafilurediagnosis.MaterialsofCementandcementProduCtionasaWhole15exPeetedProduetionoftheimPortantlink,itdetemrinesthequalityofeementProductsgoodorbad,onthedesignofitsmonitoringProgrammeit15PartieularlyimPortant.Inordertorealizethemonitornadocntrolduringthemater

6、ialofeementltransPortion,efeding,milling,PowderseParation,storage,weihgtingnadefeding,aeontrolsystembasedonProfibusDPwasdeveloPedofranewmaterialofeementProduetionPoreess.InauflleomParisonoftheadvantagesanddisadvnatagesofvariouseontrolPorgrammes,wemadedeeisiontoadoPtaIPC&PLC&fieldbusstureturetosolvet

7、heocntrolProblemswhieheffieientlyresultedfromtheeomPlexityofthemanuafeturingflow,multiPlieityofequiPments,exeessivenessanddisPerseofFO.Intheloeate,ACtransdueersandsoftstartersofmrtheDPslavesbyfield一buseommunieationeardinthefieldtorealizethedriverandeontrol.DataofaetualtemPeratureandPressuremeasuredb

8、ydevieesweretrnasefrredwithRS485bus.A57300PLC,whiehactedasaDPmasterandMPIslave,ofmrthemiddleocntrollaye.rBesidesfinishingthebasielogiealufnetion,theimPortaneewasithamronizedtheWorkmaongtheseDPslavesviafieldbuscommuniaction.AADVANCHIPC,whiehactedasaMPImaste乙wasusedtodisPlayParameters,dealwithalamrino

9、fmration,PrintrePortofmrsand50on.MixPorPortioninmaterialsofeementProduetion15aeomPlexProeess,theelassiealandmodenreontorltheoryeouldnotealeulateit.50ehooseamathematiealmodeloftheobjeet15notdePendentontheocntrolstrategy.50itwasneeessarytofindaneweontorltheorywhihchasnoneedofrexaetmathematiemodeltodes

10、ignaneweontrolle.rThedissertationadoPtedaufzzyPIDParametersel-fadaPtivealgorithmtotunethePIDParmaetersonlineaccordingtothedieffrentdemandofrPIDParametersatdieffrentresPonsePhases.AeeordingtotheehemiealeomPositionofrawmaterialsandthedemandsofelinker,usingufzzyeontrolteehnology,throuhgtheeontrolofthee

11、stimateandtheexPeetedtotalalloeationofrthethreeexPeetedtoeement,theexPeetedqualityandoutPutwillbesignifieantlyenhaneed.KeyWords:Materialofeement,field一bus,PLC,ufzzyeontrol武汉理工大学硕士学位论文(lnwn)目录(ml)第1章绪论.11.1概述(i sh).11.1.1课题(kt)的题目及来源.11.1.2研究的背景(bijng)及意义.11.2国内外相关技术研究现状.21.2.1水泥生产过程控制的特点和开展.21.22分布式

12、计算机监控系统(DCS)的开展及现状.41.23现场总线(zn xin)控制的开展(kizhn)趋势(qsh).81.3主要(zhyo)研究内容.13第2章系统(xtng)总体架构设计.152.1水泥生产工艺流程与设备配置.巧2.1.1水泥生产工艺.巧2.1.2水泥生料生产工艺.162.1.3系统生产设备介绍.20.22总体架构设计和控制方案选择.24.22.1系统设计思想.24.2.22监控系统方案.26.23.3控制方案的优点.27第3章监控(jin kn)系统硬件设计.293.1现场信号(xnho)检测层硬件设计.293.2中间控制(kngzh)层硬件设计.333.3系统管理与监控(ji

13、n kn)层硬件设计.36第4章监控系统软件(x tn run jin)设计.384.1水泥生料生产过程监控系统的软件环境.38.42PLC软件设计.39.42.1PLC编程软件.394.2.2PLC硬件组态.,.40.4.23PLC程序的总体结构.41.43人机界面(HM)I设计.454.3.1人机界面(rn j ji min)(HM)I描述(mio sh).454.3.2水泥生料生产过程计算机监控(jin kn)系统人机界面设计.48第5章模糊控制算法(sun f)在生料配料系统中的仿真.535.1常规(chnggu)PID算法.545.1.1常规PID控制原理.545.1,2常规PID控

14、制算法.55/武汉理工大学硕士学位论文月/了,fQ了Q了,11.1.1产b护6月zR口勺勺、以勺勺677771/775.2九点控制算法5.2.1九点控制器5.2.2九点控制原理.53模糊PDI算法5.3.1模糊(m hu)PDI控制(kngzh)原理.5.22模糊(m hu)PID算法在水泥(shun)生料配料控制中的运用.53系统(xtng)仿真5.3.1仿真工具.5.3.2系统仿真模型的建立及仿真效果分析第6章总结与展望6.1全文总结.62存在的问题及展望参考文献作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文.81致谢.82武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1概述1.1.1课题的题目及来源课题的

15、题目:水泥生料生产过程计算机监控系统设计与研究课题来源:企业委托研究工程1.1.2研究的背景及意义水泥是极其重要的建筑和工程材料,它是建筑工业三大根本材料之一。随着国民经济(gumnjngj)的开展(kizhn),水泥获得越来越广泛(gungfn)的应用,在国民经济(gumnjngj)中具有举足轻重的地位。在水泥(shun)生产中,生料的质量直接影响甚至决定着熟料质量的优劣,因此,合理而又稳定的生料成分是保证熟料质量和维持正常锻烧的前提。所以,为了获得合格的生料,必须加强对生料生产过程的质量控制。可以说,生料的质量控制,是水泥生产全过程中的一个十分重要的控制环节。在水泥生产过程中,计算机监控起

16、着非常重要的作用,它能保证水泥生产的稳定可靠,消除人为因素对生产造成的不利影响;减少人力投入,降低人工本钱,大大减轻工人劳动强度:控制质量,增加产量,降低能耗,提高劳动生产率。而且,现代新型水泥生产线工艺复杂,生产连续性强,只有通过先进的计算机控制系统准确地监控设备的运行状况,及时地调整工艺参数的扰动,才能促进水泥生产的稳定、协调和优化,保证整个系统的高效运转。同时,先进的水泥生产(shngchn)管理,也要求(yoqi)有可靠的计算机监控系统和完善的控制技术,以适应(shyng)当前(dngqin)剧烈(jli)的市场竞争的需要。因此,在水泥生料生产过程计算机监控系统的设计过程中,学习国外先

17、进经验,消化吸收国内外己有的技术建立类似的国产生产线,对于企业提高产品产量和质量,增强企业在市场中的竞争力,具有现实的经济意义。/武汉理工大学硕士学位论文1.2国内外相关技术研究现状1.2.1水泥生产过程控制的特点和开展随着水泥工艺技术的改良,水泥工业生产控制水平得到逐步提高,由过去传统的控制方式逐步转变为现代的水泥生产线自动化。现代水泥工业自动化的核心是计算机控制技术。它是计算机记数、网络技术和传统的自动化技术相结合的产物Il。1)水泥工业的开展(1)传统的调节仪表模拟控制该阶段如用“电耳试图自动控制磨机的粉磨过程。(2)计算机对简单生产过程控制20世纪(shj)60年代(nindi)计算机

18、应用于水泥工业。该时期只是水泥生产线上的各个生产车间(chjin)内部相对独立并且较为简单的生产过程控制,车间(chjin)与车间之间联系相对较少。(3)数字指导(zhdo)下的模拟控制20世纪70年代即进入数字控制与模拟控制相结合的阶段,又称数字指导下的模拟控制(DDAC)阶段。70年代末、80年代初是以数字直接控制取代模拟控制的阶段,即DDC控制。(4)中央控制室集中操作控制80年代初,我国分别从日本、丹麦全套引进了新型干法水泥生产线,其生产控制要求设立中央控制室,把过去分散的车间控制集中到中央控制室进行集中操作与监督。(5)集散型控制80年代中期,基于分散控制、集中操作管理的集散型控制系

19、统(DCS)在水泥厂中逐渐得到应用。该控制系统的推出克服了集中式计算机控制系统的灵活性受限制、故障影响面大、导线电缆费用(fi yong)高等缺点。用体积小、功能全、价格低的小型(xioxng)计算机,以集中管理,分散控制。武汉理工大学硕士学位论文(lnwn)(6)现场总线控制(kngzh)和智能控制90年代(nindi)中后期,DCS系统的价格在下降,各种小型PCL在各种单机控制装置上被广泛采用,现场总线的问世,使微机在其价格成倍下降的同时,性能成倍地提高,这些都对水泥工业的自动化产生着巨大影响,并且开展了智能控制系统,该系统是将人工智能与常规集散控制系统紧密地结合在一起,并由硬件、软件两局

20、部组成。该系统可使生料、熟料以及水泥质量可以实现在线预测、预报。2)现场总线控制系统与水泥工业自动化当前自动化的热点是现场总线。现场总线是一个计算机网络,是用于现场仪表或控制装置与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的通信系统。它可以把来自不同厂商而遵循同一协议标准的现场仪表、传感器、执行器和其他(qt)自动化设备,通过(tnggu)现场总线网络连接成系统,实现(shxin)综合自动化控制功能;同时(tngsh)把DCS集中与分散相结合(jih)的集散系统结构变成了新型的全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场,由现场智能仪表本身来实现根本根本控制功能,如PID等。目前,现场总线控制系统

21、在水泥生产线的过程中已经有了一些应用。例如在国内成功安装并运行在云南红塔滇西水泥工程,该工程采用以现场总线为根底的新型控制系统,现场总线采用PROF工BUS以标准,系统主通信网络采用标准TCPI/P协议以太网。该工程共配置6个ACSOOF控制器,每个控制器配4条PROFBIUS总线,其中一条总线配远程站,其余的那么配RPOFIBUSAP总线现场仪表,如温度,压力,差压传感器等;雷达料位计、定量给料控制、变频器、电动执行机构及在线气体分析仪均采用PROFIBUS总线接口,并且所有设备能够与Dcs系统通信和组态。工0/模件主要应用于电气控制,也采用PRoFBIus总线.份远程(yunchng)I0

22、/模件。随着现场总线技术(jsh)不断开展(kizhn)和完善(wnshn),信息技术与网络(wnglu)技术的普及,水泥工业将会有越来越多的工程采用现场总线控制系统。3)水泥生产的智能化控制现代化的水泥生产工艺设备单机容量大,生产连续性强,生产过程要求稳定性和协调性。因此水泥厂智能化计算机控制系统的实时监视与控制必不可少。智能控制系统是将人工智能与常规集散控制系统紧密地结合在一起,并由硬件、软件两局部组成zll。硬件包括现场控制站FCS及工程师站、操作员站、智能控制武汉理工大学硕士学位论文站。现场控制站FCS实现数据采集、常规控制和智能控制功能、直接和现场传感器、执行机构等相连,并采用先进的

23、现场总线方式。工程师站用于系统组态;操作员站实现画面监控;智能控制站开发系统的全部控制功能并将其下放到基础控制站中,同时运行智能控制软件,为FCS提供参数优化和设定,给予操作工实时帮助、指导、预测、预报等。智能控制软件(模糊控制、神经元网络、专家系统(zhun ji x tn)、智能软件用户功能模块生成器)用于编制智能(zh nn)控制应用程序并生成用户功能模块嵌入(qin r)到常规控制应用程序中,从而实现(shxin)智能控制,同时(tngsh)又可作为上位参数设定和优化。例如神经模糊技术,建立产品工况和其最终质量的关系,就可以在产品还没有完全生产出来就估计出其质量,为及时调整生产工艺参数

24、做出指导,在生产水泥的过程中,质量可以实现在线预测、预报。1.2.2分布式计算机监控系统(Ocs)的开展及现状人们往往将计算机数据采集系统和计算机控制系统统称为计算机控制系统。无论是哪种计算机控制系统,就其系统体系结构本身,都可分为集中控制系统(CCS)和分布控制系统(DCS)两种。集中控制系统的主要特点是由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制。其功能主要包括过程数据输入输出、对控制回路的闭环控制、实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存(bocn)、人机界面的处理、报警与日志记录、报表以及系统本身的监督管理等。从1959年3月在美国(

25、mi u)德克萨斯州Txeac。炼油厂投入运行(ynxng)的第一套计算机控制系统(kn zh x tn),一直(yzh)到七十年代中期以前,各个计算机控制系统均为这种集中式的体系结构。集中式控制系统的优点是结构简单、清晰、集中式的数据库很容易管理,并容易保证数据一致性。但其缺点也很多:(1)各种功能集中在一台计算机中,使得软件系统相当庞大,多功能、多任务的实现导致系统开销增大,计算机运行效率下降。(2)由于集中式系统需要庞大而复杂的软件体系,使得系统软件可靠性下降,现场运行时出现的故障许多是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的。(3)系统的可扩展性差。(4)集中式的系统将所有的功能、所有的处理

26、集中在一台计算机上,大大增加计算机失效或故障对整个系统造成的危害性,所有实时信息、闭环控制、历史数据和处理功能集于一身,一旦出现问题(wnt),造成(zo chn)的后果都是全局性的。武汉理工大学硕士学位论文显然(xinrn),这种结构对计算机本身的要求极高。首先它必须有足够(zgu)的处理能力和极高的可靠性,以保证功能(gngnng)的实现和系统的平安。集中系统的好处是系统的整体性、协调性好。中央计算机可以根据全面情况进行控制计算和判别,在控制方式、控制时机的选择上可以进行统一的调度和安排。但是,随着计算机应用的不断深入,系统功能越来越复杂,系统规模也越来越庞大,集中式控制系统己越来越无法满

27、足应用需求了。鉴于集中式控制系统存在的种种问题,人们开始针对这些问题寻求解决方案,其中有几点思路是非常具有建设性的,事实上,这也成了日后DCS设计的根本原那么:()l针对过程量的输入、输出及控制过于集中的问题,设想使用多台计算机分担过程量的输入、输出和控制等功能,各台计算机处于平等地位,在运行中互相之间不存在依赖关系。这样每台计一算机的失效只会影响到自己所处理(chl)的那一局部(jb)功能(gngnng),不至于造成整个(zhngg)系统的失控。(2)用不同(b tn)的计算机去实现不同的功能,使每台计算机的处理尽量单一化,以提高每台计算机的运行效率,而且单一化的处理在软件结构上容易做得简单

28、,提高了软件的可靠性。(3)用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题,与计算机的内部总线相比,计算机网络具有设备相对简单、可靠、可扩一展性强、初期投资较小的特点,只要选型得当,一个网络的架构可以具有极大的伸缩性,从而使系统的规模可以在很大范围内实现扩充并不增加额外的费用。事实上,被控制过程本身具有层次性和可分割性,上述设想符合被控制过程自身的内在规律,因此在1975年由Hnoyewell公司率先推出基于上述设想的DCS后,很快地得到了广泛的成认和普遍的应用,其后有许多家公司如日本的横河、瑞士的ABB、德国的51emens、加拿大的Bailey等纷纷推出各自的DCS。DCS就是(jish)一种以分

29、散的数据采集、控制和集中的监视管理为主要结构特征的计算机控制系统(kn zh x tn)。经过短短的二十几年,目前(mqin)DCS已成为(chngwi)计算机控制系统的主流产品(chnpn)。DCS分布式控制系统,是在集中式控制系统的根底上开展、演变而来的,为闭环系统。DCS一般要由四个根本局部组成,即系统网络、现场1/0控制站、操作员站和工程师站。在DCS中,现场1/0控制站、操作员站和工程师站都是由独立的计算机构成的,它们分别完成数据采集、控制监视、报警记录、系统组态、系统管理等功能,这些完成特定功能的计算机都被称为“节点,而所有这些节点武汉理工大学硕士学位论文又都通过系统网络连接在一起

30、,成为一完整统一的系统。首先,是DCS的骨架系统网络,它是DCS的根底和核心。网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性起着决定性的作用,它必须满足实时性的要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送。系统网络必须非常可靠,无论在任何(rnh)情况下,网络通信都不能中断。为了满足(mnz)系统扩充性的要求,系统(xtng)网络上可接入的最大节点数量应比实际(shj)使用的节点数量大假设(jish)干倍。第二,是DCS的现场1/0和AD/控制站。其主要功能有三个:(1)将各现场发生的过程量(流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等)进行数字化。(2)将本站采集到的实时数据通过系统网

31、络送到操作员站、工程师站及其它现场1/0控制站,以便实现全系统范围内的监督和控制,同时现场工/0/控制站还可接收由操作员站、工程师站下发的信息,以实现对现场的人工控制和对本站的参数设定。(3)在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。一般一套DCS中要设置多个现场工0/控制站,用以分担整个系统的I0/和控制功能。这样就可以防止由于一个站点失效造成整个系统的失效,提高系统可靠性。第三,DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点。第四,是DCS的工程师站,它是对DCS进行离线的配置、组态工作(gngzu)和在线的系统监督、控制、维护的网络(wnglu)节点。D

32、CS自1975年问世(wnsh)以来,已经(y jing)经历了二十多年的开展(kizhn)历程。在二十多年中,己经经历了屡次重大改良和开展,系统结构和根本功能都己趋于稳定,产品也到达了成熟实用的程度。近年来,为了使DCS更加适应工业生产现场,新一代DCS系统还具有以下几个特点:(1)系统开放化开放是指它可以与其它控制系统或计算机系统相连进行信息交换。早期DCS一般都采用专用控制网络将自家的工作站或PCL等产品连接起来,在网络中不容许连接其它厂家的产品或不同型号的产品。新近推出的DCS系统大多采用了国际标准化组织开放系统互联(工50/051)标准模型,通讯规程遵循MAP/TOP协议,从而在局域

33、网内可连接其它厂家的符合该标准的产品。大多数DCS还采用了直接(zhji)容纳PC机的配置(pizh)方案,使CP机及其上的软件(run jin)均可在DCS系统(xtng)上运行,武汉理工大学硕十学位(xuwi)论文并且通过工业级CP也可实行不同系统间的连接,打破了DCS系统以个别厂家自成一体的封闭局面。(2)采用通用工作站早期DCS系统的工作站(如工程师站、管理计算机、操作员站等)均采用各自的专用管制站,使软件系统及其管理都不能实行通用和标准化,造成开发周期长、调试工作量大、操作管理培训学习量大,可靠性不高等。近年来新推出的DCS系统大多采用通用工作站(如SNU工作站),有效地克服了上述弊

34、端,提高了可靠性和工作效率。(3)超大型化和微型化早期DCS系统主要考虑完成厂级生产控制任务,如过程控制,批量控制等,一般不涉及管理任务;由于规模和价格等因素使其不适于中小型企业生产过程及设备的控制。近年来,随着技术的开展和广阔用户的要求,许多厂家在DCS系统(xtng)中参加(cnji)适于企业管理的计算、计量(jling)、统计、规划、优化、调度等管理功能软件包及其工作站,使其成为融控制(kngzh)、调度和管理于一体的超大型管控一体化系统(xtng)。(4)通讯介质多样化早期DCS系统的局域网络大多采用同轴电缆或双绞线,在传输速率、传输距离及抗干扰性能上均有一定的限制。近年来许多DCS都

35、增加了光纤接口,使其可以采用光纤作为局域网通讯介质,其传输速率可高达10OMBPS以上,通讯距离上百公里,且抗于扰能力强。(5)DCS与PLC相互融合早期DCS系统以处理模拟量为主,而PLC那么主要实行批量控制、顺序控制等。80年代DCS开始强化逻辑控制功能或直接接纳PLC于控制局域网内以实行批量控制和顺序控制;同时PCL亦向模拟控制领域和网络化方向迈进,其结果是相互渗透并融合于一体,都是DCS系统。武汉理工大学硕士学位论文(6)软件(run jin)不断丰富随着(su zhe)DCS系统应用的广泛和深入(shnr)以及世界范围内软件产业的高速开展(kizhn),其成熟(chngsh)的软件功

36、能模块越来越多,并不断趋于标准化、标准化,可靠性越来越高。主要表现在以下几个方面:操作系统一般都采用实时多任务视窗操作系统,可支持VB,VC、梯形图语言等;组态软件提供了各种常用功能软件及算法库;操作管理站上配有绘图软件、数据库管理软件、流程图显示及统计计量管理软件等;不断开展先进控制软件包,如自适应调节、智能控制等软件包,利用它们可实行非线性、多参数预估控制以及自整定、自适应、模糊等控制,使控制水平越来越高。(7)应用大屏幕显示技术目前,DCS系统的操作员站上己普遍采用大屏幕彩色显示器,图像准确、清晰、便于操作管理人员监视、分析和操作。总之,DCS至今己开展得相当成熟和实用,可满足工业生产过

37、程所要求的稳定性(dng xng)、可靠性,针对(zhndu)不同的应用领域,可以有针对性地选择(xunz)其成熟的DCS产品(chnpn)。1.2.3现场总线(zn xin)控制的开展趋势1)现场总线的提出现场总线是针对仪表和其它自动化设备所建立的数字化、双向和多支的通信系统。80年代开始,智能变送器和其它智能仪表的开展和广泛应用,使得有必要采用数字通信取代原有的4mA一20mA信号传递。许多厂商采用了专用的数字通信协议,如要将其产品接入其它厂商生产的系统,需要采用网关进行转换,这给使用和维护带来很多麻烦。美国仪表协会(siA)和国际电工委员会(EI)c早在1985年就认识到制定一个统一的现

38、场总线标准的必要性,接着商定了IECSP50现场总线通信规约。该规约采用4层模型结构,取0517层模型中的物理层、链路层和应用层,外加用户层。同时,法国推出FIP,德国推出Porfibus送交EIC审议。现场总线一出现,就引起了极大重视,用户和制造厂商都希望有一个统一(tngy)的现场总线标准。由于国际标准EICsiA进展(jnzhn)缓慢,完成日期(rq)一再推迟,各制造厂商基于(jy)自身的利益,现场总线产品开发出现了两个(lin )组织siP和WordlFIP。ISP成员主要包括FisherRosemount公司,西门子公司,Foxboro公司,ABB武汉理工大学硕士学位论文公司和横河公

39、司等。WorldFlp成员主要包括Hone卿ell公司、ABB公司、Bailey公司等。这两个组织都开发了自己的现场总线产品,二者不能兼容。1994年9月,ISP和worldF正合并成立TFieldbusFoundation(FF,即现场总线协会)。FF是一个非盈利性的国际组织,这将有助于开展一个单一的、国际间的、可互操作的现场总线。其技术将是现存几个组织的某些规约的融合,即FF的技术将基于己有的EICSIA的物理层、数据链路层,siPRve3.0版本的应用层和用户层,结合SIP和WordlFPI的网络和系统管理层来组成。可互操作性那么由设备描述语言来支持。其现场总线的体系结构如图1一1所示3

40、l。系统管理功能块l设备描述语言DDL现场总线信息标准(FMS)网应用层络一丁(y dn)一一一一曰管厂一一一二二忿二厂一一门(y mn)先廖歌藏图1一1现场(xinchng)总线体系结构由以上(yshng)可以看出,现场总线(zn xin)不是简单的替代4mA20mA信号传递,现场总线协议使得用户只要进行物理连接,就可用最优的方案将各种智能仪表和控制装置组成所需要的数字控制系统,而不必再为不同厂家的产品互连制作专用的网关或桥路,给用户带来很多方便。2)现场总线的优势现场总线不单单是一个通信标准,而是试图包含全部领域,作为一个过程控制的开放的、集成的测量控制系统。采用现场总线,具有许多优点:(

41、)l大大武汉理工大学硕士学位论文缩减了铺线费用。(2)简化了线路的安装与维护。(3)能传送多个过程变量,可以实现(shxin)在线故障诊断及线路故障检测。(4)用数字信号取代(qdi)4mA一20mA模拟(mn)信号(xnho),可提高系统(xtng)精度,而且可把一些功能(如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等)赋于现场仪表,提高了现场仪表的自主性和可靠性。(5)因现场总线是双向的,故可从控制室对现场仪表进行标定和调整。(6)现总线采用国际标准后,用户可以优选各仪表厂商的产品组成系统,而不必考虑总线接口是否匹配问题。计算机集成技术和现场总线的开展,将对DCS的结构产生重大影响。目前DCS

42、的结构将受到上下肢解。上层工作站将与CMIS紧密结合。DCS将演变成CIMS的低层局部;在现场级,现场总线的应用将使传统的DCS刀0结构彻底改变。现场总线将对自控领域带来深刻影响,工业控制系统的体系结构将以统一的现场总线为纽带构成,即现场控制系统F(CS)将是21世纪的开放控制系统。3)当今主要几种现场总线技术目前较流行的现场(xinchng)总线主要有FF、Frofibus、助nwokrs、CAN、HART、WOrldFIP。(1)助nwokrs现场(xinchng)总线助nwokrs现场总线(zn xin)采用了150/051模型(mxng)的全部七层通信协议,采用(ciyng)了面向对象

43、的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通信速率从300hist/一1.SMbist/不等,直接通信距离可达2700m(78kbit/s,双绞线);支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质,并开发了相应的本质平安防爆产品,被誉为通用控制网络。功nwokrs技术所采用的助nTalk协议被封装在称之为Nuerno的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU,一个用于完成开放互连模型中第1层和第2层的功能,称为网络处理器,进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理,并负责网络通信控制,收发数据包等。第3个是应用处理器,执行操作系统效

44、劳(xio lo)与用户代码。芯片中还具有(jyu)存储信息缓冲区,以实现(shxin)CPU之间的信息(xnx)传递,并作为(zuwi)网络缓冲区和应用缓冲区。(2)FF现场总线基金会现场总线以150/051开放系统互连模型为根底,取其物理层、数据链武汉理工大学硕士学位论文路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规那么,采用了设备描述语言规定了通用的功能块集。FF分低速Hl和高速HZ两种通信速率。Hl的传输速率为31.25kbist/,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质平安防爆环境

45、。HZ的传输速率为IM和2.SMbist/两种,其通信距离分别为75m0和SOOm。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合EICI巧8一2标准,物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。(3)HART现场总线HART现场总线被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现(shxin)数字信号通信,属于(shy)模拟系统向数字系统转变过程(guchng)中的过渡性产品,因而(yn r)在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到(d do)了较快开展。HART规定了一系列命令,按命令方式工作。它有三类命令:第一类称为通用命令,这是所有设备都理解、执行的命令

46、;第二类成为一般行为命令,所提供的功能可以在许多现场设备中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令既可在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可以发现同时存在这三类命令。HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合(hnh)信号制,导致难以开发(kif)出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。严格(y

47、ng)地说,HART协议(xiy)不能算作总线,只是(zhsh)提供了一种智能工业终端的通信协议和接口标准。但由于其具有相当大的开放性,并且是以智能终端为根底的技术标准,所以80年代以来得到了广泛应用。(4)WorldFIP现场总线WordFIP的特点是具有单一的总线,可用于过程控制及离散控制,而且没有任何网桥或网关;低速与高速局部的衔接用软件的方法来解决;已有较完整的系列产品,不象FF目前只有低速局部Hl的产品;己准备与Iniemet、Extrnaet*nIrtanet互连网相连接。WorldFIP的战略措施是一方面保持其独立的产品地位,并先使自己成为欧洲标准,尽快推出产品,占领市场;另一方

48、面也做好准武汉理工大学硕士学位论文备,一旦EIC标准得到通过,马上与EIC靠拢。这样两方面都已考虑到,可使自己立于不败之地。(5)CAN现场总线表1一1典型现场总线(zn xin)产品及特性对照表产产品特特现场(xinchng)总线产品品性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性CCCCCANNNLOn认brksss认brld凡PPPPoffibuSSSHARTTT即即应应用(yngyng)对对离散控制制所有方面面过程控制制过程控制制一次仪表表所有方面面象象象象象象象象象00051层次(cngc)次1,2,77717771,2,7771,2,7771,2,

49、7771,2,777系系统类类总线(zn xin)线网络络总线线总线线总线线总线线型型型型型型型型型介介质访访CSMA/CDDDCSMA/CDDD主从、令牌牌主从、令牌牌主从、令牌牌主从、令牌牌问问问问问问问问问错错误校校CRCCCCRCCCCRCCCCRCCCCRCCCCRCCC正正正正正正正正正通通信介介双绞线、同轴电缆、双纹线、双绞线、双绞线线双绞线、质质质光纤纤电源线、光光光纤纤光纤纤纤光纤、红外外纤纤纤纤、无线线线线线发射射电电电电、红外线线线线线线寻寻址方方单点、多多(du du)播送(b sn)播播送(b sn)播单点、多点、单点、多多(du du)单点、多点、式式式点、播送(b

50、 sn)播播播播送播点、播送播播送播传传输速速skbPs一一30()bPs-2.SMbPsss9.6kbPs一一3uPdatessss/31.25kPSb-率率率IMbPsss1.SMbPsssss12MbPsssss2.SMbPSSS传传输距距10kmmm.27kDDDDDI100mIOkmmm3kmmm500m1.gkmmm离离离离离离离离离网网络供供不是是是是是是是是是是不是是电电电电电电电电电优优先级级支持持支持持支持持支持持支持持支持持系系统控控命令令命令、状态态命令、状态态状态态命令、状态态命令、状态态制制武汉理工大学硕士学位论文CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连根底上

51、的,不过,其模型结构只有3层,即只取051底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达IMbist/,直接传输距离最远可达10mk(skbit/)s。可挂接设备(shbi)数量最多可达110个。CAN的信号(xnho)传输采用短帧结构,每一帧的有效(yuxio)字节数为8个,因而(yn r)传输时间短,受干扰的概率低。当节点(ji din)严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该节点的信息,支持点对点、一点对多点和全局播送式收/发数据。它采用总线仲裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点那么主动停止发送,从

52、而防止了总线冲突。(6)Profibus现场总线Porfibus现场总线由Porfibus一DP、Profibus.FMS和Profibus一PA组成。DP型用于分散外设间的高速传输,适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息标准,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。而PA型那么是用于过程自动化的总线类型。Porfibus采用了051模型的物理层、数据链路层,由这两局部形成了其标准第1局部的子集。DP型隐去了第37层,而增加了直接数据连接拟合(n h)作为用户接口;FMS型那么(n me)只隐去了第36层,采用(ciyng)了应用层,作为(zuwi)标准的第2局部(

53、jb);PA型的标准目前还处于制定过程中,其传输技术遵从于Hl标准,可实现总线供电与本质平安防爆。Porfibus的传输速率为9.6kbit/s12Mbit/s,最大传输距离在12Mbit/s时为100m,1.SMbit/s时为40m0,可用中继器延长至10mk。其传输介质可以是双绞线和光缆l。表1一1对上述几种现场总线产品及性能进行了介绍。1.3主要研究内容1)论文所做的主要工作有:(1)研究了分布式监控系统的结构体系。介绍了分布式控制系统的研究与开展,分析了当前的开展趋势,分析了广泛应用的DCS系统根本思想。(2)进行水泥生料生产过程计算机监控系统的总体结构设计,确定控制系统结构为PIC+

54、PCL+Porfibus一DP现场总线方式。此控制系统功能分布明确,既武汉理工大学硕士学位论文表达了分布式控制系统“分散控制、集中管理的思想,更表达了现场总线控制系统全数字通讯、高度(god)开放性、互操作性、互换性的技术优势。(3)将Profibus一DP现场总线技术(jsh)应用到控制现场底层设备与主控PLC的通讯(tngxn),实现测控(c kn)信息处理的现场化,大大减轻(jinqng)了主控制器的程序设计负担,减少控制电缆数量、提高系统的可维护性。(4)针对水泥生料生产线的工艺要求设计开发了基于Siemnes57一300PLc的控制软件和基于组态软件MCGS的人机界面软件。(5)将模

55、糊控制算法应用到水泥生料配料系统中,大大改善了现场的实际控制效果,并建立模糊仿真模型,给出仿真结果。2)全文共分6章,各章主要内容如下:(1)第1章引言。首先介绍课题的来源、背景、意义以及国内外研究现状。接着引入现场总线的概念,接着介绍了当今主要几种有影响的现场总线技术各自的特点。(2)第2章系统总体架构设计与控制方案选择。通过分析现有常用于工业现场的控制系统的体系结构,以及现场总线技术与现有监控系统的融合方式,结合具体(jt)的工艺特点,最终确定控制系统的整体(zhngt)结构为PIC+PCL+Profibus一DP现场总线(zn xin)方式;最后(zuhu)详细介绍了水泥生料生产过程计算

56、机监控系统的硬件设备选型情况(qngkung)。(3)第3章监控系统硬件设计。按照信号检测层、中间控制层、系统管理与监控层的体系结构详细介绍了各层的硬件设计。(4)第4章控制系统软件设计。首先介绍了软件的运行环境,然后详细介绍了水泥生料生产过程计算机监控系统中的PLC软件、人机界面软件等的设计编制思想,并给出相应的程序流程图。(5)第5章模糊控制算法在水泥生料配料系统中的仿真。首先介绍了常规PDI算法的缺点,然后引入模糊自整定PID算法,并详细介绍了如何将模糊自整定PID算法应用到水泥生料配料系统中,并给出仿真实验的结果。(6)第6章总结和展望。对全文进行总结,并指出了系统设计中存在的问题和今

57、后进一步研究的方向。武汉理工大学硕士学位论文第2章系统总体架构设计2.1水泥生产工艺流程与设备配置2.1.1水泥(shun)生产工艺整个水泥生产工艺流程大致由原料烘千与破碎、生料(shnglio)制备、熟料缎烧及收尘、窑头冷却及煤粉制备(zhbi)、水泥制备和水泥包装五局部(jb)组成(z chn)151。(1)原料烘千与破碎原料包括石灰石、粘土、铁粉、页岩。石灰石经过破碎送入石灰石予均化库,粘土、铁粉烘干后分别送入相应的原料库。(2)生料制备四种原料通过皮带进入生料磨,然后通过选粉机,合格的生料入生料均化库,不合格的返回生料磨。(3)熟料锻烧及收尘生料由均化库通过计量皮带秤到预热器,经由分解

58、炉到达回转窑内进行锻烧。窑尾有增湿塔、电收尘等收尘设备。(4)窑头冷却及煤粉制备从回转窑内出来的高温熟料下到蓖冷机冷却,通过输送设备到熟料库。风扫煤磨磨出的煤粉供应窑头和窑尾分解炉用。(5)水泥制备和水泥包装熟料、矿渣、炉渣、激发(jf)剂、粉煤灰通过大皮带到分级机和打散机入熟料磨,然后(rnhu)通过选粉机,合格(hg)的水泥到成品库,不合格(hg)的水泥回熟料磨。水泥通过库底卸料装置(zhungzh)到包装机,包装后运走。武汉理工大学硕士学位论文2.1.2水泥生料生产工艺水泥生料生产是将石灰石原料,粘土质原料与少量校正原料(铁粉)经破碎后,按一定比例配合、细磨,并配合为成分适宜,质量均匀的

59、生料过程。水泥生料生产过程整个系统由配料系统、粉磨系统和均化系统组成。按物料流向来说,生料成分中的石灰石、粘土经破碎机破碎后进入储存库,与铁粉和其他辅助原料按一定配比混合后由皮带输送机送入生料磨(生料成分中各组分所占比例由配料计算公式算出),在采用生料磨进行粉磨作业时,由于磨机利用了热风炉的热气流预热生料,因此不须经烘干机烘干后再粉磨,否那么那么需经烘干机烘干后再粉磨,出磨物料经斗式提升机输送到离心选粉机进行选粉,粗粉送回生料(shnglio)磨重新粉磨,细粉那么(n me)通过螺旋输送机送到生料(shnglio)均化库进行生料均化。出磨的生料粉其化学成分总是(zn sh)难免有波动,因此生料

60、(shnglio)应在均化库进行均化,均化后的生料再经斗式提升机进入窑中锻烧。整个水泥生料生产流程如图2一1所示16。石土粉煤粘铁灰石气一一爪王遥出磨料物,已选粉机生田粉一区画粗粉选丛一画画巫图2一1水泥生料生产流程图(1)水泥生料原料的破碎与烘干生产水泥的原料,大局部都要经过预先破碎,因为从矿山开采来的石灰石、砂岩、石膏、混合材料以及煤等原、燃料块度均较大,给运输、存储及粉磨带武汉理工大学硕士学位论文来一定的困难。物料经过破碎后,其粒度减小,外表积增加,在一定程度上可提高烘干和粉磨的效率,给物料的正确配比和均匀喂料创造条件,提高磨机产量,降低电耗。破碎是用机械方法(fngf)缩小物料粒度的过