（控制理论与控制工程专业论文）隧道窑控制系统的设计及温度模型的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 隧道窑控制系统的设计及温度模型的研究 摘要 隧道窑的控制水平是制约耐火材料质量提高的一个重要因素。现代窑车式隧 道窑是耐火材料制品生产的重要设备，其自动控制策略是过程控制领域内的一个 研究课题。如何设计一个能够满足工艺要求的隧道窑自动控制系统来提高制品的 质量和成品率、减少环境污染，成为该研究课题要致力解决的问题。 首先根据隧道窑工艺特点和工艺要求，在进行详细的需求分析的基础上，设 计了一个集回路控制、过程监控和生产管理于一体的隧道窑计算机控制系统。控 制系统采用三级控制结构，包括基础控制级、过程龄控级和生产管理级。基础控 制级由s 7 3 0 0 控制单元和2 4 0 8 单回路控制器组成，实现温度、压力和流量等参数的 采集和控制。过程监控级采用西门子公司的w n c c5 0 为开发平台，实现了流程图 监视、参数实时和历史趋势监视、控制参数修改和实时报警等功能。生产管理级 采用v b 6 o 编程实现了用户管理、台车基本信息管理、历史数据记录查询、报表打 印等功能。监控系统和管理信息系统都具有简便易行的操作环境和良好的用户界 面。 为了研究更为先进的隧道窑自动控制策略，首先必须研究并建立隧道窑烧成 带温度的数学模型。在测得隧道窑大量实时数据的情况下，利用集多元线性回归 分析、典型相关分析和主成分分析的基本功能为一体的偏最小二乘法初步建立了 烧成带温度的数学模型，并将得出的结果与现场的实际数据进行比较，分析了试 验数据和现场数据的偏差及产生原因。研究和分析结果表明初步建立的烧成带温 度数学模型具有一定的实用价值。 关键词：隧道窑，计算机控制系统，偏最小二乘回归，温度模型 1 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前，国内隧道窑的控制还大多停留在常规仪表控制的水平上，并且实现自 动控制的并不多，控制水平相对较低，基本仅有显示功能，其控制方式还是凭人 的经验，基本靠人工调节；只有日本、法国等国家的隧道窑实现了真正意义上的 计算机自动化控制，而且少数由国外高价引进的全套控制系统，也由于缺乏必要 的维护措施，运行效果并不理想。 1 2 隧道窑工艺特点 隧道窑是目前耐火材料工业生产中比较先进的窑炉，为便于研究，将隧道窑 分为窑体结构( 主要包括窑墙、窑顶和刚架结构) 、预热带结构( 主要包括排烟系 统) 、烧成带结构( 主要包括燃烧系统) 、冷却带结构( 主要包括冷却系统) 及其它结 构( 包括窑车结构及车下冷却结构等) 。如图1 1 为隧道窑的工作结构图【2 1 。 出窑 图1 1 隧道窑的结构 f i 9 1 1t h es t m c t u r eo f t u l l l l e lk i l n 窑体由窑墙、窑顶和窑车衬砖围成了码烧砖坯的空问，也就是隧道。在这里 燃料进行燃烧将热传给砖坯，使其焙烧成产品。所以隧道窑主要是传热和砖坯进 行物化反应的场地。 燃烧设备包括燃烧室( 又称火箱) 和烧嘴，在这里燃料燃烧，燃烧产物进入隧 道，将热送给制品。 通风设备包括排烟系统，气幕和气体的循环装置以及冷却系统。它们是由排 烟机、烟囱、鼓风机及各种烟道、管道组成。其作用是使窑内气体按一定的方向 流动，排除烟气，供给空气，抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气氛和压 力制度 3 】。 它具有以下几方面的优点： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 操作环境良好，装卸窑车均在窑外，常温下进行。 ( 2 ) 使用寿命较长。建一座质量较好的隧道窑可以使用十年或者十年以上， 而倒焰窑每年需要大修一次。 ( 3 ) 热效率高。由于利用燃料燃烧的热量预热砖坯和空气以及具有固定的段 带，因此不需消耗用于砌砖加热和蓄热的热量，从而使燃料单位消耗低。 1 2 1 隧道窑的具体结构 隧道窑是由耐火砖和其他材料砌筑而成的一条长的封闭隧道( 见图1 1 ) 。隧 道内铺设供窑车行驶的钢轨，窑车底部两端以凹凸形式相互衔接，构成隧道窑窑 室平面。为了使窑密封，在窑墙下部设置有砂封槽，窑车衬板插入砂封槽内的砂 子中，以达到密封的目的。 隧道窑属于逆流操作的热工设备，即载有砖坯的窑车，在隧道内与沿着与气 流依相反方向作连续或间歇移动，并沿窑车前进方向依次完成预热、烧成和冷却 过程。 ( 1 ) 隧道窑预热带的结构 窑车刚开始进入隧道窑的前面部分：预热带在内窑墙上设有废气孔，窑墙内 中空，置有排废气管道。废气孔的数量根据排出的废气量来设定，保证预热带第 一号车位至第三号车位废气温度不能超出规定的温度，其数量为1 0 对，从窑头的 1 1 0 号车位，每个车位布置一对。 ( 2 ) 隧道窑烧成带结构 隧道窑中间制品被烧成的区域，烧成带烧嘴的数量多少主要根据烧成制品的 种类以及制品在烧成带需要的高温时间的多少来决定，隧道窑中共有1 0 对烧嘴。 同时，把烧成带划分为5 个区间，依次为： 1 9 、2 0 号车为第个区间；2 1 、2 2 号车位为第二个区间：2 3 、2 4 号车位为第 三个区间；2 5 、2 6 号车位为第四个区间；2 7 、2 8 号车位为第五个区间。 ( 3 ) 隧道冷却带结构 隧道窑末端冷却的部分，从冷却带鼓入冷空气( 生产上叫集中风) 的量比燃 料燃烧所需要的量要大若干倍，这些冷空气将制品冷却而本身被预热。被预热的 空气一部分作为助燃的二次空气使用，另一部分分别送到每一个烧嘴作一次空气 使用，或送至其他的地方作干燥制品的热源。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 抽热风的风口2 对，风口处的热风实际流速为4 6 米秒。 隧道窑冷却带的送风装置采用分散送风。在窑墙的两侧设置5 对分散送风口， 布置在最后几个车位上，每一个车位布置一对。 另外隧道窑的前后两端各装设窑门一个，两门通过卷扬传动机构，借助于终 点开关和相应的电气设备进行控制，使两端窑门工作协调一致，同时升降。安装 时必须调整好窑门下降的极限位置，使窑门下部的封口和窑门框上左右曲臂结构 的橡胶挡板分别与窑车台面和窑门混凝土基础面贴封良好，以免漏气。当窑门上 升以后，曲臂结构必须完全摆开，不得妨碍窑车通行。 1 2 2 隧道窑的工作原理 隧道窑是属于逆流操作连续作业的热工设备，整个隧道窑沿窑车的行进方向 分为预热、烧成、冷却三个带。正常生产时，按规定的时间将装好砖坯的一辆窑 车由前推车机推入窑内，同时在窑尾有一辆装有烧好的耐火制品的窑车被顶出。 装有砖坯的窑车一辆接一辆地在狭长的隧道内沿着与气流相反的方向移动。窑内 5 0 个车位共有5 0 辆窑车，窑车上的砖坯先被热空气所预热；而后缓慢地进入烧成 带，达到所需要的最高烧成温度，再经过一段时间的保温，砖坯被烧制成制品； 最后进入冷却带，同从窑尾鼓入的大量冷气进行热交换，制品将本身的热量传给 空气，使空气预热同时使制品本身的温度降低，经冷却的制品被推出窑外。 图1 2 隧道窑的工作原理 f i 9 1 2w b r kp r i n c i p l eo f t u n n e l “1 n 空气的流动方向：冷却耐火制品的空气用冷却风机从冷却带两侧窑墙和窑顶 鼓入窑内，空气在冷却制品的同时被加热。由于冷却制品用的风量较大，超出燃 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 料燃烧所需要的空气量，抽出的热风一部分可作一次空气，另一部分则可送至干 燥器作为干燥热源；而燃料在烧成带燃烧后所产生的高温气体，沿窑内隧道流入 预热带，在加热砖坯时被冷却，最后在预热带经排烟口、支烟道、主烟道、烟囱 被排出。 由于隧道窑中制品和气流按逆流方式运动，烧成制品及燃烧产物的热量都得 到较充分的利用。因此此种隧道窑炉热效率高、产量大、劳动条件好。多用于产 量大、品种较为单一的制品。 1 3p l c 控制技术发展概况 p l c 是以微型计算机为核心的工业控制装置，它集电控、电仪、电传三电于 一体，是现代工业三大支柱之一，由于它的功能强、可靠性高、适应性好，双模 块化结构等优点，在工业控制中得到了广泛的应用，p l c 装置已成为自动化系统 的基本装置。把个人计算机连入p l c 网络可以向用户提供诸如工艺流程图显示、 动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能， 作为底层单元的p l c 能完成对现场开关量、模拟量的输入输出的控制处理；而利 用微型计算机良好的人机对话界面和数据处理功能，实现对一台或多台p l c 进行 监控，充分发挥p l c 可靠、灵活的控制性能和计算机在管理、监控等方面的优势， 提高控制系统的整体自动化程度”。 1 3 1p l c 控制的特点 p l c 是专为工业环境应用设计的，具有面向工业控制的鲜明特点，主要体现 在以下几个方面【6 】： ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强 p l c 在设计生产过程中，除了对元气件进行严格的筛选，还对硬件和软件采 用屏蔽、滤波、光隔离、故障诊断、自动恢复等措施，有的p l c 还采用冗余技术， 进一步增强了p l c 的可靠性。 ( 2 ) 通用性强、灵活性好、功能齐全 p l c 是通过软件实现控制和组态的，其控制程序编写在软件中，实现程序软 件化，因而对于不同的对象可以采用相同的硬件进行配置。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前，p l c 产品已经系列化、模块化、标准化，能方便灵活的组成大小不同、 功能不同的控制系统，通用性好。组成系统后，即使控制程序发生变化，只要修 改程序就可以了，增强了控制系统的柔性。 ( 3 ) 编程简单、使用方便 p l c 在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种编程语言与继电器 控制电路图呼应，形式简练，直观性强，出错率也比汇编语言低的多。p l c 还可 以采用面向控制过程的控制系统流程图和语句表方式进行编程。 ( 4 ) 模块化结构 p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i 0 、等均采用模块化设计，由机架和电 缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可以根据用户的实际需求自行配置，从 而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，所以维护、扩展、调试比较方便。 ( 5 ) 网络通信方便 p l c 配置有标准通信接口，可以方便的进行网络通信。 1 3 2p l c 控制技术发展趋势 随着计算机网络技术的发展以及工业自动化程度的提高，为适应控制与信息 管理功能相结合的需要，用户对控制过程提出了越来越高的要求，不但要实现控 制过程，而且要实现对过程参数的监控、分析、统计、修改等要求。 在工业控制中通常可以通过4 种装置为p l c 网络配置人机界面：编程器、显 示终端、工作站及个人计算机【”。编程器主要用于编程与调试，其监控功能相对较 弱；显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示；工作站系统很受欢迎，它功 能全面、使用简单，但价格较贵；把个人计算机连入p l c 网络，可以向用户提供 诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以 及生产管理等多种功能，为p l c 网络提供良好的人机界面。因此用个人计算机为 p l c 网络提供人机界面是一种物美价廉的做法，在工业控制中常构成以个人计算 机为上位机，数台p l c 为下位机的小型集散系统，充分利用p c 机强大的人机接 口功能、丰富的应用软件和低廉的价格来共同实现管理控制一体化。 p l c 发展势头迅猛，是当今发展速度最快的控制器，而且还要继续发展。现 代p l c 的发展有两个主要趋势【6 ，8 j ： 一是面向小型化的方向，向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前，p l c 产品已经系列化、模块化、标准化，能方便灵活的组成大小不同、 功能不同的控制系统，通用性好。组成系统后，即使控制程序发生变化，只要修 改程序就可以了，增强了控制系统的柔性。 ( 3 ) 编程简单、使用方便 p l c 在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种编程语言与继电器 控制电路图呼应，形式简练，直观性强，出错率也比汇编语言低的多。p l c 还可 以采用面向控制过程的控制系统流程图和语句表方式进行编程。 ( 4 ) 模块化结构 p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i 0 、等均采用模块化设计，由机架和电 缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可以根据用户的实际需求自行配置，从 而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，所以维护、扩展、调试比较方便。 ( 5 ) 网络通信方便 p l c 配置有标准通信接口，可以方便的进行网络通信。 1 3 2p l c 控制技术发展趋势 随着计算机网络技术的发展以及工业自动化程度的提高，为适应控制与信息 管理功能相结合的需要，用户对控制过程提出了越来越高的要求，不但要实现控 制过程，而且要实现对过程参数的监控、分析、统计、修改等要求。 在工业控制中通常可以通过4 种装置为p l c 网络配置人机界面：编程器、显 示终端、工作站及个人计算机【”。编程器主要用于编程与调试，其监控功能相对较 弱；显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示；工作站系统很受欢迎，它功 能全面、使用简单，但价格较贵；把个人计算机连入p l c 网络，可以向用户提供 诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以 及生产管理等多种功能，为p l c 网络提供良好的人机界面。因此用个人计算机为 p l c 网络提供人机界面是一种物美价廉的做法，在工业控制中常构成以个人计算 机为上位机，数台p l c 为下位机的小型集散系统，充分利用p c 机强大的人机接 口功能、丰富的应用软件和低廉的价格来共同实现管理控制一体化。 p l c 发展势头迅猛，是当今发展速 x 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 小型方面发展，向增加i o 点数发展；目的是为了占领广大的、分散的、中小型的 工业控制场合，使p l c 不仅成为继电器控制柜的替代物，而且具有超过继电器系 统的功能。 另一方面是面向大型化的方向，向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多 功能方面发展。 ( 1 ) 大型网络化：主要是朝d c s ( 集散控制方式) 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功能。网络化和通信能力强是p l c 发展的一个重要方面，向下可将多 个p l c ，i o 框架相连：向上与工业计算机、以太网、m a p 网等相连构成整个工 厂的自动化控制系统。 ( 2 ) 多功能：随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出 现，使p l c 控制领域更加宽广。 如西门子公司早在8 0 年代就研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模 块、仿真模块和通信处理模块等。这些年西门子又成功地开发出了s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 、 s 7 4 0 0 系列，它具有t d2 0 0 和c o r o s0 p s 操作模板( o p s ) 为用户提供了方便人 机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，m p i 接口和 通过工业现场总线p r o f i b u s 以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能， 全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进 电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了 x 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文的主要内容 我国的隧道窑计算机控制系统的研究和应用技术处于发展阶段，研制高水平 控制系统是提高我国耐火材料产品质量和企业管理水平的必由之路。 针对目前隧道窑的自动控制现状，致力于寻求一种能较好解决隧道窑存在的 大惯性、纯滞后、强非线性及温度、气氛等多种变量耦合等问题的控制策略，并 研制开发出一套多功能、可靠性高的控制系统。 在深入地了解了隧道窑特点、热工过程及系统需求的基础上，开发了基于 p r o f i b u s 的集散式隧道窑控制系统，采用了p l c 和单回路控制器相结合的控制 方式，完成回路控制、过程监控和生产管理功能。论文的主要内容如下： 首先简要介绍了隧道窑系统结构及其工作原理、流程，同时阐述了隧道窑控 制系统的技术特点与发展趋势。 对隧道窑计算机控制系统进行了系统总体设计。整个系统采取了三级控制结 构，包括生产管理级、过程监控级和基础控制级；同时，进行了软硬件及其开发 工具的选择与介绍；并重点分析了控制系统的上位机和下位机的相互通信的模式。 对控制系统进行了硬件组态、软件开发和各方面的功能实现，实现了隧道窑 的温度、压力、流量等参数的控制，以及流程图监视、实时和历史趋势监视、参 数修改、实时报警监视等功能。并进行现场调试，使系统得以可靠安全运行。 为了建立隧道窑烧成带温度的数学模型，介绍了适用于日趋复杂的工程实际 问题建模理论：偏最小二乘法。针对隧道窑烧成带温度的重要性，根据偏最小二 乘法建立了数学模型，并将得出的数据与采自现场的实际数据进行比较，分析了 试验数据和现场数据的偏差及产生原因，证明初步建立的烧成带温度数学模型具 有一定的实用价值。 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 2 4 0 8 单回路控制器实现隧道窑烧成带的温度、压力和流量控制。上位机系统监控 软件采用德国西门子公司的w i n c c5 o ，完成流程画面组态编程、诊断、工况显 示、各种参数、曲线显示、打印、监控报警。还有一台工控机属于完成各种管理 功能的过程优化级的设备( 用于优化管理和实现打印报表等功能) 。两台工控机连 接到同一个工业以太网上；基础自动化级的p l c 通过基于p r o f i b u s d p 的现场 总线技术与上位机进行通信；1 0 个单回路控制器通过m o d b u s 与上位机进行通 信。 各硬件设备的具体选择如下： 控制单元选用德国西门子公司的s 7 3 0 0 ，其主要用于数据采集、处理、运 算、分析等，包括台车位置计算，并将数据送到计算机中。 1 0 个控制器选用英国欧陆的2 4 0 8 单回路控制器，其中5 台用于烧成带的 5 个区间温度控制，另外5 台用于其他压力和流量控制。 过程监控机的开发平台选用德国西门子公司的w i n c c5 0 ，它是德国西 门子公司2 0 0 0 年发布的新一代工业控制软件，可以方便设计具有友好的人机界面， 除了实现系统的监视功能和数据管理功能以外，还可以进行基于用户自定义的高 级语言开发接口，允许用户进行各种高级算法的编程工作。 生产管理机除了完成系统的监视功能外，还可完成系统的生产管理功能， 方便用户对台车的信息管理和报表进行打印，并具有对系统进行技术管理等功能。 2 1 2 控制系统的功能设计及模块划分 整个控制系统为三级控制结构，包括生产管理级、过程监控级和基础控制级。 生产管理级的功能包括：负责生产的日报表、月报表、年报表，并对物料、 设备、信息等进行管理。生产管理系统的总体目标是利用计算机网络通信和数据 库等先进技术，实现集成化计算机管理。 过程监控级的功能包括：负责对过程参数的监视、控制，进行数据的归档及 提供友好的用户界面，并通过o p c 将生产管理级所需要的现场数据传送到生产管 理级。 基础控制级的功能包括：通过p l c 实现对过程数据的采集，累计量的计算， 上、下限监视报警及历史数据存储、逻辑控制等功能的实现；还有1 0 个单回路控 制器对烧成带温度、压力和流量的控制，实现了对主要工艺参数的直接调节控制。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 整个隧道窑监控系统的功能设计如下： 现场控制站的功能设计 现场控制系统是个智能控制系统，它接收监控机下传的控制参数、运行指令， 并以预定的方式对系统进行控制。这样，既保证了全系统的集中监控管理，又保 证了各控制回路的分散性，真正做到了分散控制、集中管理。 s 7 3 0 0 控制单元主要用于数据采集、处理、运算、分析和逻辑控制等，并将 数据送到上位机。现场控制系统分为自动和手动两种控制方式。在自动控制方式 时，单回路控制器和p l c 同时运行，完成温度、压力和流量的自动控制，并通过 p l c 向上位机传送实时数据。在手动控制方式时，通过单回路控制器给定温度、 压力和流量等控制量的控制输出值。 监控系统功能设计 隧道窑监控系统设计了登录界面、流程图界面、操作界面、告警界面、趋势 图界面等界面。通过这些界面能够监视现场设备的运行状态和隧道窑每个区域的 温度、压力及流量状态，并且在上位机上能对现场各工艺参数进行设置。同时， 以各种鲜艳的警示标志来表示断线、高报警、低报警的情况，从而使操作人员清 楚现场设备的状态，在故障时能很快的查明原因，迅速排除故障，恢复生产。 此外，在上位机上还能对系统的各工艺设定参数和控制参数作修改、调整， 然后下传到p l c 和单回路控制器。 上位机 图2 2 隧道窑控制系统模块 f i 9 2 2t h em o d e lo f c o r l 仃0 1s y s t e mf o rt u n n e lk i l n 根据隧道窑控制系统的功能要求，整个监控系统可分为以下四个模块，具体 如图2 2 所示： 一1 1 东警垂玛蠢萼莓 葛鬟妻 簦妻摹至妻霉 引i 蛐强爨攀娶释袭非班靴毡篱j 融髫纠秉劳墓赢挲等掣臻遵管 ； j 型哥霉珊鹫兽引器剡甄挞黯嗣鬟薹誊f 驰驯鲤髓醣静。霪鬟 囊茎餐篓囊薹蓑；鎏攀妻薹霎萋萋；囊薹要塞蚕荔莛妻嚣涛淘嗨湛鐾 集i 蜡鞭滞罚峙瞢靠豁越萄臀蒯繁缔鼙器! 臻籍拜匍茧寺 器疆熬籀 韩菲雌鹱箍剀契醛酽警。 划篇拶篱? 罐灌埔哮淄蕃匣1 沌囊垂鏊萌纛，黔髓匪辩 籼引攀 葑彭制群引爿扎氮矧涔诵漏搬茎萋学虑醛誊型套f - 蚓捌翻争蠢 萄辎攀i 薯j j 蕊8 ；孽篓：遵高强潦诣澎卜劐训訇争赢m 商基贷絮子信 号输孵疆掭窨蕊稚； 薹：萋，；馨鋈薹医羹萋 澄域耄蓄婚撙匪婆述瑕港吲晦渺趣毯印瑚嚆獭懈1 捷汪撩? 蔫 7 喜骗般坯翟必鹱摹捌荜击拦巯揣玲圭 舅揖西门予的；坦用组态软件堑羹萋嚣目轨剧型5o作为监控软件 的开发环境，利用该软件组态过程监控、数据存档、流程显示以及人机交互等界 面。为了在plc和监控机之间实现通信，选择了西门子的通信适配器cpl613。生 产管理级的实现是在软件vb的开发环境下实现的，用予实现生产管理与过程 优化程序的设计与调试运行工作，并实现对数据库的操作和管理(数据库软件使用的是s q l s e r v e r 2 0 a n ) ，依据此数据可提供多种报表的统计和打印，并同时将 历史统计数据提供给工厂的管理层为后续生产进行科学的决策。22 1 s7300控制单元随 着plc的推广普及，plc产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善 。近年来，产品已有几十个系列，上百种型号。plc的品种繁多，其结构形式、性 能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此 ，合理选择plc，对于提高plc控制系统的技术经济指标起着重要作用。系 统选择的是西门子公司的s73aa控制单元，适用于模块化、中小型的系统：它 能满足中等性能要求的应用，实现了模块化、无排风扇结构，具有易于实现分布 ，易于用户掌握等特点，使得体积小巧，功能强大的s73自a成为各种从小规模到 中等规模性能要求控制任务的方便又经济的解决方案； i 。5 ，i 2 】。一 x 东北大学硕士学位论文 第二章隧道窑控制系统设计 口管理模块； 口系统场景仿真( 人机界面) 模块； 口下位机与上位机的通信模块； 口控制模块( p l c 与单回路控制器) 。 2 2 控制系统设备及开发工具简介 系统采用了集散控制方式，复杂的控制功能及数据采集由控制单元s 7 3 0 0 及 2 4 0 8 单回路控制器完成，显示界面及设定控制参数由上位机w i n c c 组态完成。 其中下位机选用德国西门子公司的s 7 3 0 0 系列的p l c 产品，共需要1 5 个模 拟信号输入模块，2 个数字信号输入模块，2 个模拟信号输出模块，1 个数字信号 输出模块；其软件开发环境为s t e p 7 ，用于实现p l c 系统组态、程序设计与调试 及软件与数据的下载与上传。为了实现过程监控，基于w i n d o w s2 0 0 0 的上位 机( p 2 4 g 工业控制机) 主要将西门子的通用组态软件w i n c c5 o 作为监控软 件的开发环境，利用该软件组态过程监控、数据存档、流程显示以及人机交互等 界面。为了在p l c 和监控机之间实现通信，选择了西门子的通信适配器c p l 6 1 3 。 生产管理级的实现是在软件v b 的开发环境下实现的，用予实现生产管理与过 程优化程序的设计与调试运行工作，并实现对数据库的操作和管理( 数据库软件 使用的是s q l s e r v e r2 0 0 0 ) ，依据此数据可提供多种报表的统计和打印，并同时 将历史统计数据提供给工厂的管理层为后续生产进行科学的决策。 2 2 1s 7 3 0 0 控制单元 随着p l c 的推广普及，p l c 产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完 善。近年来，产品已有几十个系列，上百种型号。p l c 的品种繁多，其结构形式、 性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，适用场合也各有侧重。因 此，合理选择p l c ，对于提高p l c 控制系统的技术经济指标起着重要作用。 系统选择的是西门子公司的s 7 3 0 0 控制单元，适用于模块化、中小型的系统： 它能满足中等性能要求的应用，实现了模块化、无排风扇结构，具有易于实现分 布，易于用户掌握等特点，使得体积小巧，功能强大的s 7 3 0 0 成为各种从小规模 到中等规模性能要求控制任务的方便又经济的解决方案【1 0 ，1 3 ，1 4 】。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 它的主要特点有【1 l 2 5 j ：( 1 ) 速度快，指令处理速度仅为o 1 o 6 s ，具有内容 丰富，功能强大的指令集，极其快速的指令处理大大缩短循环周期。( 2 ) 存储器容 量大。( 3 ) 功能强，具有极强的计算性能、强劲的内部集成功能、全面的故障诊断 功能、用户程序的多级口令保护；采用不同性能级别的c p u ，适用于任意应用场 合。( 4 ) 起好的扩展性能，一个系统除个主机架外，根据需要最多可扩展至3 个 扩展机架，最多可安装3 2 个模块，每个机架可以插入8 个模块；主机架与扩展机 架之间通过接口模块连接；每个机架可以远距离独立安装，两个机架间最长距离 可达1 0 米( 如图2 3 ) 。( 5 ) 极强的网络通信能力。可以通过通信处理器连接 p r o p i b u s 和工业以太网总线系统和点到点的通信系统。( 6 ) s 7 3 0 0 实施的是无 槽位限制模块化的组合，紧凑的设计。具有高密度的i 0 模块，每个模块最多可 达3 2 个通道；导轨卡安装方便可靠，水平或者垂直安装皆可，适用于各种复杂的 工业现场。 扩 展 直 一 兀 中央控制器 图2 3s 7 3 0 0 扩展的示意图 f i 醇3t h es k e t c hm 印o f s 7 3 0 0e x p a n d e r 一台s 7 ，3 0 0 可编程控制器系统由下述部分组成 1 2 1 ： 中央处理单元( c p u ) ：各种c p u 有各种不同的性能，例如，有的c p u 上集成 有输入输出点，有的c p u 上集成有p r o f i b u s d p 通信口。 信号模块( s m ) ：数字量和模拟量的输入输出，用于使用不同级的过程信号 电平和s 7 3 0 0 的内部信号电平相匹配。 通讯处理器( c p ) ：用于连接网络和点对点的连接，解脱了中央处理单元的通 】3 一 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 2 4 0 8 单回路控制器在系统中实现无计算机情况下的隧道窑的烧成带温度、压 力和流量的自动和手动控制。 2 2 4 组态软件w i n c c w i n c c ( w 证d o w sc o i 血o ic e n t e r ) 是西门子公司专门为其工控产品配套编制的 工业生产过程组态软件，是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业 技术中心系统，具有开放型、全图形化的人机操作界面，组态方便，操作简单， 提供给用户直观的人机交互界面( h m i ) ，并可以通过界面形式模仿跟踪实际的生 产流程；具有监测，显示生产过程中参数、消息、报警、归档以及报表的功能模 版【1 8 ，19 1 。 w i n c c 组态软件具有以下特点： w i n c c 提供了大量的工业图库，如阀门、反应罐、模拟传统显示仪表、 管道等，可以方便的组态工程画面( 如图2 4 ) 。同时提供内嵌的c 语言编译器， 并可通过d l l ( 动态链接库) 直接调用w i n d o w sa p i 函数，极大的方便了工程技术 人员的使用。代码直接编译后生成机器代码大大提高了效率，与解释执行的组态 软件相比，具有更好的效率【2 0 。 栝硅对象 蛙，回一 数芋值。捧囝 囝蒯蒙 ( b h p 州m f ，e m f ) 酥准懈i n b 删s 控拌 按钿，瀚泉， w j n d 洲s 对象 魏扣- 糟述区- f 肯悬蘸醋势督口 0 l e 毫自l 拄伴c 。c 为 毗帼x 控沣 例如，# 尺 0 l 三应用程穿 例童口，从e 地e l 最w a d 鞭敷前数据 动喀 例如，通过酏；对象对菜 蛲功亩2 诗墒女麓 图2 4w i n c c 的组态 f i 9 2 4c o n 行g u r a l i o no f w i n c c w n c c 为用户提供了基于开放式接口的解决方案( 图2 5 ) 。这些接口将 w i n c c 集成到复杂的、公司级的自动化解决方案中。使用w c c 通过d d e 、 一1 6 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 o l e 、o d b c 和a c t i v e x ，使用现有的w i n d o w s 应用程序，就好像它们是真正的 w 烈c c 对象一样；非常方便的开发嵌入w 跗c c 中用户自己的应用程序( 如s u a l c + + 、v b ) ，对象和文件的插入可通过o l e 2 0 和0 l e 常规控制来集成；同时支 持o p c ，t c p i p ，网络d d e 等多种标准。这些技术使w n c c 具有良好的开放性 f 2 0 l 。 w 玳c c 提供了强大的驱动程序接口，支持以太网、p r o f m u s 、m p i 等多 种通信方式，支持多种传感器、p l c 、智能仪表等现场设备。 w n c c 基于3 2 位操作系统m sw i l l d o w s9 ) ( 2 0 0 0 n t 。它们均具有优先多 任务能力，它保证了对过程事件的快速反应，并将防止丢失数据的安全性提高到 了一个高的水平。w i n c c 系统管理采用最新的分级权限管理，满足了系统安全性 的要求。 图2 5w i n c c 的接口 f i 9 2 5i n t c r f a c eo f w 州c c w 矾c c 支持客户机服务器模式。通过w i n c c 里所集成的客户机服务器 功能，多个用户能同时访问某个项目的同一个数据库。 w c c 的缺省数据库为s y b a s es q la n y w h e r e ，该数据库用于存储所有的组 态数据( 例如变量列表和消息文本) ，以及当前过程数据( 例如消息、测量值和用 户数据记录) 。该数据库具有服务器的功能，w i n c c 可以通过0 d b c 或作为客户 通过开放型编程接口( c a p i ) 来访问其数据库【2 0 l 。 w i n d o w s 电子表格或w 协d o w s 数据库都可以直接访问数据库的数据资源。在 数据库查询语言s q l 和相关连接工具( 例如o d b c 驱动程序) 的帮助下，其他客 户端程序( 例如u n i x 数据库，如o r a c l e 、i n f o m i x 等) 也可以访问w i n c c 数据 一】7 一 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 资源。当然反之亦然。 图2 6w i n c c 的数据管理系统 f i 9 2 6d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mo f w i n c c w i n c c 软件的主要组成如下【2 1 ： 计算机设置：设置计算机名，选择项目运行所附带的运行数据库，选择随 项目运行时同时启动的外部应用程序，选择项目运行语言、屏蔽键、起始画面等 项目通用属性。 变量标签管理：分为外部变量标签管理和内部变量标签管理。外部变量标 签是取自外部设备的，如系统中通过p r o f u s d p 或s 7p r o f u s 驱动程序所 传入的各p l c 的变量；内部变量标签由编程人员自定义，相当于中间变量。 数据类型：可查看各个数据类型下的标识表，并可自定制结构类型中各元 素的数据类型。 编辑器：分为画面编辑器，报警存档编辑器，变量存档编辑器，全局脚本 编辑器，报表定制编辑器，用户权限管理编辑器。 2 3 系统的通信方式 从系统的网络结构( 如图2 1 所示) 可以看出，由于大量的数据的传输，系 统的通信极其重要。在监控机与p l c 之间的数据交换过程是这样的，从现场通过 各种仪器仪表采集上来进入p l c 的数据( 模拟量输入通常为4 2 0 m a 电流或者 一1 0 v + 1 0 v 电压信号，模拟量输出为通常为4 2 0 m a 电流或1 0 v + 1 0 v 电压信 1 8 查些查竺塑主堡奎 查耋茎垫 2 0 l 2 0 8 【2 钉 【3 0 3 l 】 【3 2 】 【3 3 】 【3 4 】 3 5 】 【3 7 】 【3 8 1 【3 9 】 【4 0 】 d n l i l u n o n d ，m s ，d e 胁t m j a 盯州e lf o r 廿o n 咖e 咖i c t o n a l i t 鲥丑c i t eg 曲c s i s 卸dc m s t a lg r o 州hv i as i 砒 m e l 矗n g ：衄h e 瞄t or r d e mc o 呷a r i s o n s 【nj g t o p h y s r ，1 9 9 0 ，9 5 ：2 1 5 0 3 2 0 5 2 1 a t h e 咖n mp p e 渤r d n - g c n e m d o no f s o d i 啪矗c h m 4 9 i i l a s 劬mn e w l y u n d e 巾l a t e d b 嬲a l t i c c m 砸田，加毗 1 9 9 3 3 6 2 ：1 4 4 1 4 6 m u l r ，r j ，w e a v e ls d ，b 州s ha w ，j d ，e ta 1 g c o c h e m i s t r yo fm ec r c t a c e o u ss e p 眦t o np 1 i n t b a i h o l i l h ，n e wz e a i 卸d ：g r 锄i t o i dr r m 印1 鹊f o n n e db ym e l h n go f m a f i cl i m o s p h e r e 明，jc k o ls o cl 呻d ，1 9 9 5 ， 1 5 2 ：6 8 9 7 0 1 p e a c o c k ，sm ，w h n gk s e i s r l l i cc o n 8 。q u c e so fw a n nv e r s u sc o o ls u b d u c t i m e t a m o r p h i s m ：e x a r 叩i 既 矗蜘u t h 雠s f 柏d n 砷瞰j a p 蜘四，s c 把n c 8 s ，1 9 9 9 ， 2 8 爱9 3 7 9 3 9 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 号) ，p l c 经过逻辑判断、数据运算后，将信号通过数字量输出模板和模拟量输出 模板输出到执行器，同时，p l c 将这些数据通过驱动程序s i m a t i cs 7p r o t o c 0 1s u i t e 传送到监控机中，这样就能实时监视和跟踪现场的数据；监控机通过o p c 将管理 机所需数据传送到服务器的数据库中，并通过d d e 嵌入管理机里所开发的管理系 统程序。 2 3 1 监控机与p l c 的通信 为了完成控制系统的功能，必须建立起监控计算机与p l c 之间的通信连接。 这部分的主要任务是建立外部变量标签，使监控程序与p l c 以变量标签为桥梁建 立起对应关系。 系统是通过p r o f i b u s d p 现场总线实现监控计算机与p l c 之间的通信的。 系统采用的是单主站的组态结构，d p 网的组态先在s t e p7 中完成，然后将组态 配置下载到p l c 的c p u 中【2 2 l 。为了使w n c c 与各种不同类型的p l c 进行通信， 所以采用通讯驱动程序。本项目采用s 7 3 0 0 系列的p l c ，其驱动程序为s i m a t i c s 7p m t o c o ls u i t e 。 w i n c c 应用程序( 人机界面系统) 1w i n c c 数据管理 ls i m a t i cs 7p r o t o c o ls u i t e l1 通道单元( t c p i p ) l 硬件驱动( c p l 6 1 3 ) p l c ( p r o f i b u s ) 图2 7w i n c c 与p l c 通信 f 远2 7c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nw r n c ca n dp l c w i n c c 与p l c 交换数据的过程如图2 7 所示，数据管理器从过程中取出请求 的变量值，它通过集成在w i n c c 项目中的通讯驱动程序来完成这个过程。通讯驱 1 9 素姜莹妻巍蠹琴童 耍基孽囊 莓= 害塞| = _ ? ! ! ；：一l 量 塑垂朝萋i 鬻曩，蠹囊蠹囊嘉嚣墓霉囊辇霪毳墓篷娄薹豫孽i 薹誊苎囊囊番誊囊薹羹誊蓉薹；叁露喜要： i | 霎：誊| j i ；j 二一i i 耋 ；自g ；疆警薹j话兰囊； ；誊一差翼夔萋窭翼蘩冀童善蓦 墓器羹誓窭萋翁璧蠹专? j 磊鎏蔓耋爵萋藿娄 ! l ；霉囊量i 女i 一 ! ；霎荤i 荔螽委，婆雾囊? 蠹荤垂萎篓襄囊冀委喜蔓丑蓦萋囊薹蛋震蓦。差誊蠢耋葵篓塞i 蠹罄藜墓：；i i j 皇薹i l i j l q j i 至；越蓑；蚕蚕囊? 孽美甍霎冀蠹誊誊害蒌蠢誉羹翼髻复转羹；= 妻l 一亭 要蠹耋墨篓夏罄蠹! 壬：篓季幕 薹；i ? i l ；i ji j i j 毛i 一l i 宇j i囊曩= ! i ：量? 呈? ；量；i ；i ! u i ! ! j 霁二! ii ；毒i 蔑i i i i 3 i i 哮g ! i 主l 薹型垂；j 智i i ；il i ! t i | 攀二毛二萋；j ；l 睁l 争i i = ；j b 5 型二 ；g 是孽占霉专妻；! 至嚣目e ! j i 薹l ：i | j ! ；i 鬟妻嚣；墓昏塞i 霉鏊耄。羲嚣藿蠹耋喜一荨芟；姜蘸坠酐娶蕊薹嚣誊霉薰攀莺蒂强占囊= 萎薹塞薷鐾 髓苇我刊i 套、藿l ；警三? 囊萎季篓墓!； 。；l 一；i i i ；! 蠹：娄琶霉毒誊董孽蒌潦! 磊i ：妻囊i 囊鎏薯垂暮i ；j l ；i i ! ；i ；l 鋈噬薹； 霎嚣善! 摹囊受? 产芦卜囊蒌蠢_ 萋璧誊褒萎奏菩毫錾垂搴疆一囊誊霎霉誉囊芎出j 讳蠛冀蓉j j 薹誊il ll 套；! l ! 一l 鬟； | i 囊蒡蒂= x 型荔霪鏊霸薯蠹萼奏萋蕃妻冀雪薹搿可篓攀罄i i ；i 耋坠妻璧l 星l i 二j 孛i ；iq ；一 主薯 i | 里l 霉囊罄i 篓蠢莩= 薹墓。蓼餮孽鏊凳蛙罱錾霪羹孥薹嚣n 要塞蠹薹l 舔罄蚕薯墓曩蠹宣j i i j 鋈荦蜓荔 蠹爵；燕窭囊望委 ：i # “? j li ；：i i l 一| 二 ；￥；l 霉薹翼圣墓篓蠢囊叫鼻孽垂誊鍪誉圳囊鐾攀囊i 蠡鍪耄冉。 ；i i ；j 妻喜1 0 i ii i l l l 基 i i ；i 奠l l 霎譬? 囊羹蠹：蓦警蓦童，襞耋孽善墓嚣墨器薹釜型煮耄霭一囊囊魏主羹薹显荔警嘉：霉同蠹饕： 茎蔓蕃 奠；醛鞋? 一蠹i i l ；鏊要妻：fbt ；百 j 奠蘩萋j 委蠹蠢喜冀蘩茸j 蠢篓囊鏊翼茎萋薛畦蘸鐾蕈囊；：薹甍篓誓? 室 ! 皇字li 垂； l ：i l 誊囊羹j 蓬妻纛，霉荣鬈二謇璧嚣蕈荔蠢罄蠹簦蠹璧錾委雾羹鬻匮篓鎏莽蛙氇崔x 囊i ! ! ：摹耋蘸萋! 妻 篓； ! i ij ；i ；i | 一；i i j ! i i ! 琴妻耋：凑薹j 萋蓉囊? 萎善n 芦扣囊簿妻薹羹壁琶登蠢羹基蠹姜：委蚕茧嚣鎏l j j 。ii ；i = i i | i毒 = l | | 嚣；j 至；咖露：差| ! 擒 i 高目目：誊肼程差薯 ；l 霪雾垂：爹；引譬i ；b = i 列喜r ? ? 耍辇! 器i ；舅l l 蠹；i j 二! 量 ；i 二专言j 嚣i r 蟊；x 墓 三抽? 品雪t 纂掣；塞；i i 蠢蠢；i ；= ；i 主呈? l l ；i n i l l ! ；! l妻；i 毒：孽! 髦；臻睦二毛i i i 甍毫至重j i “j ；毛i i e 善i 目i 黪硼莳i 捕w l ； ￥由耋骨! ；i # 妻；p 驯一骜 蔓掣 东北大学硕士学位论文第二章隧道窑控制系统设计 必须创建一个连接，这样w i n c c0 p c 客户机就可以作为中央控制和监控站【9 1 。 图2 8w i n c c 作为客户机的网络连接 f i 9 2 8n e tc o r h l e c t i o n sw h e nw i n c ca sc l i e m 图2 9w 矾c c 作为服务器的网