实用资料plc毕业设计论文高炉防灌渣自动控制系统的设计

摘要随着国家工业的发展,在冶金企业中炼铁技术的提高,高炉容积的不断大型化,对高炉的稳定性的要求越来越高,而作为高炉炼铁系统中的鼓风系统是高炉炼铁当中重要的辅助工艺之一,鼓风系统中的拨风系统的自动化设置又是关系到整个鼓风系统稳定的关键因素,在高炉冶炼过程中如果一旦出现高炉鼓风机故障停机,供风中断等情况,就极易会造成高炉“坐料”“风口灌渣”等恶性事故,严重影响高炉生产,不仅会造成设备的损失,也会对高炉的使用寿命高炉的稳定性产生很大影响,阻碍整个企业的生产经营,直接和间接损失巨大,因此,自动拨风控制系统的开发对于整个高炉安全稳定生产和企业高效率的运转具有重大安全保障和经济效益本论文所设计高炉防灌渣自动控制系统的设置的目的是当一台风机出现故障断风,影响高炉生产时,自动控制系统及时动作,利用拨风系统判断出符合拨风要求的风机,通过控制拨风阀的开启,将满足条件的正在向其它高炉供风的风机的风量调拨一部分分给故障停风的高炉,以保证出现故障的风机所供应的高炉不至于灌渣从而维持高炉正常生产,同时不影响提供拨风的机组的正常工作本文首先介绍了组态软件的发展和组态软件的基本组成特点及组态软件体系结构进行了较全面的阐述,通过分析,肯定了组态软件作为生产过程控制系统编程工具的意义其次介绍本文西门子WINCC组态软件应用的系统拨风控制系统的原理系统设计阀门的选择和拨风量的控制机算此外,本文从拨风控制系统出发,应用西门子组态软件来设计并制作拨风控制画面最后,将所设计的拨风控制系统及监控画面投入实际生产来检验其是否符合生产需求,并作出总结关键词高炉防灌渣PLC拨风控制ABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFNATIONALINDUSTRIES,INMETALLURGICALENTERPRISEINTHEIMPROVEMENTOFTHEIRONMAKINGTECHNOLOGY,THESTABILITYOFTHEBLASTFURNACEOFDEMANDISHIGHERANDHIGHER,ANDASABLASTFURNACEIRONMAKINGSYSTEMOFAIRINGSYSTEMOFBLASTFURNACEIRONMAKINGISONEOFTHEIMPORTANTAUXILIARYPROCESS,THEAUTOMATIONOFAIRINGSYSTEMRELATESTOTHESTABILITYOFTHESYSTEM,WINDSUPPLYINTERRUPTION,EXTREMELYEASYWILLCAUSETHEBLASTFURNACEMALIGNANTACCIDENT,THESERIOUSINFLUENCEBLASTFURNACEPRODUCTION,ITWILLCAUSETHEBLASTFURNACEDAMAGED,ANDHAVEAGREATEFFECTONTHESTABILITYOFTHEBLASTFURNACE,INFLUENCETHEWHOLETHEPRODUCTIONANDOPERATIONOFENTERPRISESTHEAUTOMATICDIALTHEAIRCONTROLSYSTEMDEVELOPMENTFORTHESAFETYANDSTABILITYOFBLASTFURNACEPRODUCTIONANDENTERPRISEHIGHEFFICIENCYOFTHEOPERATIONHASTHEGREATSECURITYANDECONOMICBENEFITSTHEPURPOSEOFTHESETTINGOFTHESWITCHCONTROLSYSTEMDESIGNEDINTHISPAPERISATIMELYACTIONWHENAWINDTURBINEFAILUREOFFTHEWIND,INFLUENCETHEBLASTFURNACEPRODUCTION,USEOFAIRINGSYSTEMTODETERMINETHEREQUIREMENTSOFTHETHEFANBYCONTROLDIALWINDVALVEOPENING,TOENSURETHATTHEFAULTBLASTFURNACECANMAINTAINTHENORMALPRODUCTIONTHESAFETYANDSTABILITYOFBLASTFURNACEPRODUCTIONANDENTERPRISEHIGHEFFICIENCYOFTHEOPERATIONSYSTEMHASTHEGREATSECURITYANDECONOMICBENEFITFIRSTLY,THEDEVELOPMENTOFCONFIGURATIONSOFTWARE,THEFUNDAMENTALCONSTITUTIONFORCONFIGURATIONSOFTWAREANDCHARACTERISTICSAREANALYZES,ANDTHECONFIGURATIONSOFTWARESYSTEMCONSTRUCTIONISALSOINTRODUCEDTHISPAPERCONSIDERSTHATBUILDINGAPROCESSCONTROLSYSTEMWITHCONFIGURATIONSOFTWAREISIMPORTANTSECONDLY,THESYSTEMUSINGWINCCCONTROLSOFTWARE,WHICHPRINCIPLE,DESIGN,CHOICEOFVALVEANDTHECONTROLCALCULATIONOFVOLUMEOFTHEWINDFURTHERMORE,ONTHEBASISOFAIRINTAKESYSTEM,IEMPLOYTHEWINCCCONTROLSOFTWARETODESIGNANDMAKETHEDRAWINGOFAIRINTAKESYSTEMFINALLY,PUTTHESYSTEMANDDRAWINGTHATHAVEBEENDESIGNEDINTOUSEINFACTORYTOTESTTHEIRPERFORMANCETHENSUMMARIZETHERESULTKEYWORDSWINCCCONTROLCONFIGURATIONSOFTWAREBLASTFURNACEAIRINTAKECONTROLSYSTEMSWITCHCONTROLSYSTEM目录摘要1ABSTRACT10引言31绪论511组态软件应用在工控领域的重大意义512组态软件在当前工控领域的现状613高炉炼铁工艺概述814高炉供风系统概述1115本论文选题的背景及意义1516本论文完成的主要工作162组态软件1721监控组态软件的发展18211组态软件产生的背景18212组态软件在我国的发展19212主要组态软件产品介绍2022组态软件的任务及功能特点发展方向23221组态软件的应用前景23222组态软件的功能特点28223组态软件的发展方向303拨风控制装置及拨风系统的设计3631拨风装置的原理设计3632拨风系统的设计4033拨风管道与阀门的设计选择4234拨风系统拨风量的控制机算454拨风装置计算机控制画面设计5341拨风装置计算机控制逻辑条件的确定及检测点分布5342拨风装置计算机控制逻辑的设计5643应用WINCC组态软件制作拨风控制画面59431工程参数设置59432工程图形界面的设定62结束语66谢辞68参考文献690引言经过四年时间的学习,随着对测控技术与仪器这门专业的深入学习认识,我们已经具备了一定的独立的工业设计基础,在学业的最后部分毕业设计当中,为了将我们四年所学的知识与真正的工业生产相联系起来,正确的应用到工业的生产生活当中去,我选择了高炉防灌渣自动控制系统的设计这个题目,结合实际应用来锻炼自己全面的分析问题解决问题的能力,深入的了解当前工业控制当中所必须的基本的专业素质专业技能,从而为自己步入社会提供良好地机遇高炉冶炼生产过程中,拨风系统通过管道风口进入高炉,为冶炼提供必要的燃烧空气,同时对炉料起到支撑作用,如果冷风突然降低或者消失,高炉内部的压力将致使铁炉料倒灌甚至堵住风口,必须停产更换新的风口,这样不但造成设备的损失,对工厂的连续化生产也产生巨大的阻碍,如果在风机停机造成高炉煤气的倒流发生爆炸,对人身和设备的安全产生巨大影响,因此,高炉防灌渣系统的设计对于改善高炉稳定生产具有重大意义西门子的STEP7SIMATICMANAGER与SIMATICWINCCEXPLORER组态软件在工业上应用很广,该软件是自动控制系统监控层面的软件控制与开发平台,STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7M7C7和基于PC的WINAC,是供它们编程监控和参数设置的标准工具,是SIMATIC工业软件的重要组成部分WINCC运行于个人计算机环境,可以与多种自动化设备及控制软件集成,具有丰富的设置项目可视窗口和菜单选项,使用方式灵活,功能齐全用户在其友好的界面下进行组态编程和数据管理,可形成所需的操作画面监视画面控制画面报警画面实时趋势曲线历史趋势曲线和打印报表等它为操作者提供了图文并茂形象直观的操作环境,不仅缩短了软件设计周期,而且提高了工作效率这次设计采用STEP7与WINCC进行编程与组态,通过上位机对现场实时操作和监控,及时的将现场的信息反馈到管理人员,方便管理人员管理控制1绪论11组态软件应用在工控领域的重大意义自动控制在二十世纪三四十年代出现,发展到今日已经获得巨大成就,在工业生产和科学发展起到积极的推动作用,日益成为工业生活中不可缺少的重要组成部分,当今大型生产过程无一不是大规模采用自动化控制装置,极大地提高工业企业的现代化水平和生产水平早期控制仪表是气动PID调节器,后来发展成为气动单元组合仪表,在50年代后出现电动单元组合仪表70年代中后期随着微处理器的出现,诞生了第一代DCS,到目前为止,DCS和其它控制设备在全球范围内得到了广泛应用每一套DCS都是比较通用的控制系统,每个DCS厂商在DCS中都预装了系统软件和应用软件,而其中的应用软件,实际上就是组态软件监控组态软件是面向监控与数据采集SCADA的软件平台工具,具有丰富的设置项目,使用方式灵活,功能强大监控组态软件最早出现时,HMIHUMANMACHINEINTERFACE或MMIMANMACHINEINTERFACE是其主要内涵,即主要解决人机图形界面问题随着它的快速发展,实时数据库实时控制SCADA通讯及联网开放数据接口对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容,随着技术的发展,监控组态软件将会不断被赋予新的内容12组态软件在当前工控领域的现状监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的世界上第一个把组态软件做为商品进行开发销售的专业软件公司是美国的WONDERWARE公司,它于八十年代末率先推出第一个商品化监控组态软件INTOUCH此后监控组态软件在全球得到了蓬勃发展,目前世界上的组态软件有几十种之多,总装机量有几十万套伴随着信息化社会的到来,监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色,每年的市场增幅都会有较大增长,未来的发展前景十分看好下表列出了国际上比较知名的十二种监控组态软件一般的组态软件都由下列组件组成图形界面系统实时数据库系统第三方程序接口组件控制功能组件在图形画面生成方面,构成现场各过程图形的画面被划分成几类简单的对象线填充形状和文本每个简单的对象均有影响其外观的属性这些属性可以是静态的,也可以是动态的静态属性在系统投入运行后保持不变,与原来组态时一致而动态属性则与表达式的值有关,表达式可以是来自I/O设备的变量,也可以是由变量和运算符组成的数学表达式在图形界面上还具备报警通知及确认报表组态及打印历史数据查询与显示等功能,各种报警报表趋势都是动画连接的对象,其数据源都可以通过组态来指定,这样每个画面的内容就可以根据实际情况由工程技术人员灵活设计,每幅画面中的对象数量均不受限制实时数据库是更为重要的一个组件,因为PC的处理能力太强了,因此实数据库更加充分地表现出了组态软件的长处实时数据库可以存储每个工艺点的多年数据,用户既可浏览工厂当前的生产情况,也可回顾过去的生产情况,可以说,实时数据库对于工厂来说就如同飞机上的“黑匣子”工厂的历史数据是很有价值的,实时数据库具备数据档案管理功能,工厂的实践告诉我们现在很难知道将来进行分析时哪些数据是必须的,因此,保存所有的数据是防止丢失信息的最好的方法通讯及第三方程序接口组件是开放系统的标志,是组态软件与第三方程序交互及实现远程数据访问的重要手段之一,它有下面几个主要作用1用于双机冗余系统中,主机从机间的通讯2用于构建分布式HMI/SCADA人机接口/数据采集与监控系统应用时多机间的通讯3在基于INTERNET或BROWSER/SERVERB/S应用中实现通讯功能通讯组件中有的功能是一个独立的程序,可单独使用,有的被“绑定”在其它程序当中,不被“显式”地使用监控组态软件投入运行后,操作人员可以在它的支持下完成以下各项任务1查看生产现场的实时数据及流程画面2自动打印各种实时/历史生产报表3自由浏览各个实时/历史趋势画面4及时得到并处理各种过程报警和系统报警5在需要时,人为干预生产过程,修改生产过程参数和状态6与管理部门的计算机联网,为管理部门提供生产实时数据13高炉炼铁工艺概述高炉生产是连续进行的一代高炉从开炉到大修停炉为一代能连续生产几年到十几年生产时,从炉顶一般炉顶是由料种与料斗组成,现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶不断地装入铁矿石焦炭熔剂,从高炉下部的风口吹进热风10001300摄氏度,喷入油煤或天然气等燃料装入高炉中的铁矿石,主要是铁和氧的化合物在高温下,焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来,得到铁,这个过程叫做还原铁矿石通过还原反应炼出生铁,铁水从出铁口放出铁矿石中的脉石焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣,从出铁口和出渣口分别排出煤气从炉顶导出,经除尘后,作为工业用煤气现代化高炉还可以利用炉顶的高压,用导出的部分煤气发电高炉冶炼过程高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程铁矿石焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉,并使炉喉料面保持一定的高度焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构矿石料在下降过程中逐步被还原熔化成铁和渣,聚集在炉缸中,定期从铁口渣口放出高炉冶炼工艺炉前操作1利用开口机泥炮堵渣机等专用设备和各种工具,按规定的时间分别打开渣铁口,放出渣铁,并经渣铁沟分别流人渣铁罐内,渣铁出完后封堵渣铁口,以保证高炉生产的连续进行2完成渣铁口和各种炉前专用设备的维护工作3制作和修补撇渣器出铁主沟及渣铁沟4更换风渣口等冷却设备及清理渣铁运输线等一系列与出渣出铁相关的工作高炉冶炼主要工艺设备简介高炉横断面为圆形的炼铁竖炉用钢板作炉壳,壳内砌耐火砖内衬高炉本体自上而下分为炉喉炉身炉腰炉腹炉缸5部分由于高炉炼铁技术经济指标良好,工艺简单,生产量大,劳动生产效率高,能耗低等优点,故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分高炉生产时从炉顶装入铁矿石焦炭造渣用熔剂石灰石,从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气在高温下焦炭有的高炉也喷吹煤粉重油天然气等辅助燃料中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧,从而还原得到铁炼出的铁水从铁口放出铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出产生的煤气从炉顶排出,经除尘后,作为热风炉加热炉焦炉锅炉等的燃料高炉冶炼的主要产品是生铁,还有副产高炉渣和高炉煤气高炉热风炉介绍热风炉是为高炉加热鼓风的设备,是现代高炉不可缺少的重要组成部分提高风温可以通过提高煤气热值优化热风炉及送风管道结构预热煤气和助燃空气改善热风炉操作等技术措施来实现理论研究和生产实践表明,采用优化的热风炉结构提高热风炉热效率延长热风炉寿命是提高风温的有效途径铁水罐车铁水罐车用于运送铁水,实现铁水在脱硫跨与加料跨之间的转移或放置在混铁炉下,用于高炉或混铁炉等出铁14高炉供风系统概述一高炉鼓风机的定义高炉鼓风机定义它是能将一部分大气汇集起来,并通过加压提高空气压力形成具有一定压力和流量的高炉鼓风,再根据高炉炉况的需要进行风压风量调节后将其输送至高炉的一种动力机械从能量的观点来看,高炉鼓风机是把原动机的能量转变为气体能量的一种机械鼓风机的作用向高炉送风,以保证高炉中燃烧的焦炭和喷吹的燃料所需的氧气另外,还要有一定的风压克服送风系统和料柱的阻损,并使高炉保持一定的炉顶压力高炉鼓风设备是为冶炼高炉提供足够的含氧空气,它是高炉生产的重要组成部分由于高炉冶炼的连续性,要求鼓风机均匀地供给一定量的空气,另外还应有一定的风压,以克服送风系统和料柱阻力,并使高炉保持一定的炉顶压力,在整个冶炼过程中,由于原料燃料操作等条件的变化,引起炉况经常改变,也相应地要求供风参数也要变化,所以要求高炉风机具有一定的稳定调节范围和可靠的安全控制系统2、鼓风机的工作原理常用的高炉鼓风机有三种类型固定静叶角度轴流式鼓风机带有中间冷却器的多级离心式鼓风机可调静叶角度轴流式鼓风机高炉鼓风机的驱动装置多选用变转速汽轮机纯凝式或抽凝式或同步电机,也有采用定转速汽轮机及小功率异步电机的机组常见鼓风机工作原理见下离心式鼓风机工作原理鼓风机在原动机带动下高速旋转,它利用旋转时产生的离心力,使流体获得能量,使流体通过叶轮后的压能和动能都能得到升高,从而能够将流体输送到高处或远处轴流式鼓风机工作原理风机在原动机带动下,利用旋转叶片的挤压,推进力使流体获得能量,升高其压能和动能气体从进风口轴向进入叶轮,由于叶轮的旋转,叶片对气体作功,使气体能量升高,然后流入导叶导叶的作用一方面将偏转的气流变为轴向的流动方向另一方面将气流的动能变为压力能此后,气体流过扩散筒及整流体,随着过流断面扩大,进一步将动能转换为压力能轴流泵的流动情况也与此类似由此可见,在轴流式风机中流体都是沿轴向流动的,它们没有沿叶轮半径方向的流动全静叶可调式轴流式鼓风机工作原理目前大型高炉鼓风机采用的是进口全静叶可调如4,5,6,7机利用调节进口静叶角度开关大小来改变风机的性能参数,当进口角度开度小时,轴流式鼓风机性能参数随角度的关小而变小,反之变大因为鼓风机的原动机是定转速运行,故只有改变进口条件,才能满足用户要求经济运行全静叶可调的调节原理静叶可调有较大的风量变化范围,可达到设计流量的72135当开大角度时,流量大幅度增加,压比上升,效率提高,开始喘振的流量增大,稳定范围扩大,最大轴功率正向大流量区方向移动当关小角度时,流量大幅度降低,压比下降,效率降低,开始喘振的流量减小,但小流量区稳定范围扩大,最大轴功率向小流量区移动鼓风机的防喘保护的作用鼓风机正常运行中,由于机组本身或外部原因可造成风压升高,风量下降,为防止风机的运行点进入不稳定工况区发生喘振,特设定了防喘振保护器,当风压风量达到放风线后,防喘保护器动作,适当开启放风门,保持风压风量在放风线的右下方运行喘振逆流保护的作用鼓风机的喘振逆流是鼓风机最危险的事故之一,如果不及时的消除,就会造成机组的损坏喘振逆流保护的作用就是当鼓风机发生喘振逆流时逆流时是指逆止阀失灵产生逆流,此时逆流保护动作,发出信号将放风阀打开,保护器立即动作,迅速开启放风门,降低风压,以防止再次喘振高炉供风统的结构高炉供风统的结构主要有两种单机单炉制和母管制单机单炉制即一台鼓风机单独对应一座高炉母管制,即通过阀门切换控制实现任意一台风机可以给任意一座高炉供风的形式采用母管制在供风选择上可以更加灵活,更能适应大型冶金企业的设备检修和正常生产的需要高炉鼓风机所送出的冷风主要用于高炉冶炼,高炉鼓风机所产生的压缩空气通过几十个风口进入高炉炉膛内,提供冶炼所需要的氧气,同时具有一定的风压,用于克服送风阻力和料柱阻力,并维持一定的炉顶压力在高炉内,冷风通过热风炉被加热到1000以上形成热风,使铁矿石焦炭石灰石三种原料进行充分的还原反应,生成铁水并产生炉渣,沉入炉缸内到一定的时间,利用炉渣比重轻于铁水,分别出铁水和炉渣一次如果未到出铁时间,由于鼓风机出现故障而停止送风时,将导致冷风压力急剧下降,未分离的铁水和炉渣的混合物将下沉灌入风口并凝结,即为风口灌渣尤其在高炉即将出铁前或出铁后40分钟后,风机突然停风往往导致高炉风口直吹管弯头大灌渣等重大生产事故一旦风口灌渣,处理一次灌渣事故约10多个小时,加L高炉恢复正常的时间,以及恢复风口的费用,将使企业产生重大损失高炉供风系统的供风是否正常将直接影响高炉的正常生产如果冷风供应系统可靠,满足高炉顶压需求,那么高炉利用系数将增加,高炉将稳产高产如果高炉供风系统工作失常,即向高炉供应的冷风由于事故突然中断,那么高炉必将发生风口灌渣的严重事故,给企业造成巨大损失,并对高炉木身产生很大的损伤因此对高炉供风系统工作的可靠性要求较高15本论文选题的背景及意义随着国家工业的发展,在冶金企业中炼铁技术的提高,高炉容积的不断大型化,对高炉的稳定性的要求越来越高,而作为高炉炼铁系统中的鼓风系统是高炉炼铁当中重要的辅助工艺之一,鼓风系统中的拨风系统的自动化设置又是关系到整个鼓风系统稳定的关键因素,在高炉冶炼过程中如果一旦出现高炉鼓风机故障停机,供风中断等情况,就极易会造成高炉“坐料”“风口灌渣”等恶性事故,严重影响高炉生产,不仅会造成设备的损失,也会对高炉的使用寿命高炉的稳定性产生很大影响,阻碍整个企业的生产经营,直接和间接损失巨大,因此,自动拨风控制系统的开发对于整个高炉安全稳定生产和企业高效率的运转具有重大安全保障和经济效益为尽量减少和避免由于风机故障而造成的高炉灌渣事故,本论文选择了两高炉鼓风机供风系统拨风装置及其自动控制系统研究与开发为论文选题设置拨风系统的目的就是当一台风机出现风机故障断风情况时,利用拨风系统将正在向其它高炉供风的风机的供风量调拨一部分供给故障停风的高炉,以保证该故障风机所供风的高炉不致灌渣,而维持该高炉的极限生产所选高炉鼓风机基本技术参数表编号原动装置产地形式型号转速转/分吸风量M3/MIN排风压力MPA1,26000风机气轮机瑞士静叶可调轴流式VAS9018335038605765046绝3,45500风机气轮机捷克静叶可调轴流式12AVA99B300037005000044绝所选高炉鼓风机基本技术参数表16本论文完成的主要工作本论文是运用所学的自动控制理论基础,结合针对当前中小型钢铁厂的生产实际中存在的高炉灌渣事故而设计的一套可行的防灌渣拨风控制系统,采用西门子系列组态软件对其生产过程进行自动化控制以WINCC开放式体系结构的组态软件为开发工具,设计形象直观,实时有效的人机接口,实现画面信息控制理论的集中组态与管理,控制分散的过程控制系统具体内容安排如下第二章组态软件第三章拨风控制装置及拨风系统的设计第四章拨风装置计算机控制画面设计2组态软件“组态”的概念是伴随着集散型控制系统DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM简称DCS的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的组态的概念最早来自英文CONFIGURATION,含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置,达到使计算机或软件按照预先设置自动完成特定任务,达到使用者要求的目的组态软件是面向监控与数据采集SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITIONSCADA的软件平台工具,具有丰富的设置项目,使用方便灵活,功能强大早期控制仪表是气动PID调节器,后来发展成为气动单元组合仪表,在50年代后出现电动单元组合仪表70年代中后期随着微处理器的出现,诞生了第一代DCS,到目前为止,DCS和其它控制设备在全球范围内得到了广泛应用每一套DCS都是比较通用的控制系统,每个DCS厂商在DCS中都预装了系统软件和应用软件,而其中的应用软件,实际上就是组态软件监控组态软件是面向监控与数据采集SCADA的软件平台工具,具有丰富的设置项目,使用方式灵活,功能强大监控组态软件最早出现时,主要解决人机图形界面问题随着它的快速发展,实时数据库实时控制SCADA通讯及联网开放数据接口对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容,随着技术的发展,监控组态软件将会不断被赋予新的内容21监控组态软件的发展211组态软件产生的背景伴随着计算机技术的突飞猛进的发展,监控组态软件兴起60年代计算机开始涉足工业过程控制,但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识,导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢70年代初期,微处理器的出现,促进了计算机控制走向成熟很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统,这一历史时期较有代表性的就是1975年美国HONEYWELL公司推出的世界上第一套DCSTDC2000,而随后的20年间,DCS及其计算机控制技术日趋成熟,得到了广泛应用,此时的DCS已具有较丰富的软件,包括计算机系统软件操作系统组态软件控制软件操作站软件其它辅助软件如通讯软件等80年代中后期,随着个人计算机的普及和开放系统OPENSYSTEM概念的推广,基于个人计算机的监控系统开始进入市场,并发展壮大组态软件做为个人计算机监控系统的重要组成部分,比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间很多DCS和PLC厂家主动公开通讯协议,加入“PC监控”的阵营,PC监控成本大大降低,市场空间逐渐扩大,从无人值守的远程监视数据采集与计量数据分析到过程控制,几乎无处不用与此同时,可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统的各类智能仪表调节器和PCBASED设备的发展和各类嵌入式系统和现场总线的异军突起,把组态软件推到了自动化系统主力军的位置,使得组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂212组态软件在我国的发展组态软件产品于80年代初出现,并在80年代末期进入我国但在90年代中期之前,组态软件在我国的应用并不普及究其原因,大致有以下几点国内用户还缺乏对组态软件的认识在很长时间里,国内用户的软件意识还不强,面对价格不菲的进口软件早期的组态软件多为国外厂家开发,很少有用户愿意去购买正版,甚至在多数项目预算中不包含软件费用当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高,组态软件提供了对大规模应用大量数据进行采集监控处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据,这些需求并未完全形成随着工业控制系统应用的深入,在面临规模更大控制更复杂的控制系统时,人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式对项目来说是费时费力得不偿失的,同时,MIS管理信息系统,MANAGEMENTINFORMATIONSYSTEM和CIMS计算机集成制造系统,COMPUTERINTEGRATEDMANUFACTURINGSYSTEM的大量应用,要求工业现场为企业的生产经营决策提供更详细和深入的数据,以便优化企业生产经营中的各个环节因此,在1995年以后,组态软件在国内的应用逐渐得到了普及212主要组态软件产品介绍1国外专业组态软件WINCC德国SIMENS的WINCC是一套完备的组态开发环境,SIMENS提供类C语言的脚本,包括一个调试环境WINCC内嵌OPC支持,并可对分布式系统进行组态但WINCC的结构较复杂WINCC集生产自动化和过程自动化于一体,实现了相互之间的整合,这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明,包括汽车工业化工和制药行业印刷行业能源供应和分配贸易和服务行业塑料和橡胶行业机械和设备成套工程金属加工业食品饮料和烟草行业造纸和纸品加工钢铁行业运输行业水处理和污水净化FIX美国INTELLUTION公司以FIX组态软件起家,FIX6X软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面,并提供完备的驱动程序需单独购买INTELLUTION将自己最新的产品系列命名为IFIX,在IFIX中,INTELLUTION提供T强大的组态功能,原有的SCRIPT语言改为VBAVISUALBASICFORAPPLICATION,并且在内部集成了微软的VBA开发环境在IFIX中,INTELLUTION的产品与MICROSOFT的操作系统网络进行了紧密的集成INTELLUTION也是OPCOLEFORPROCESSCONTROL组织的发起成员之一IFIX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买CITECH澳大利亚CIT公司的CITECH也是较早进入中国市场的产品CITECH具有简洁的操作方式,但其操作方式更多的是面向程序员,而不是工控用户CITECH提供了类似C语言的脚本语言进行二次开发,但与IFIX不同的是,CITECH的脚本语言并非是面向对象的,而是类似于C语言,这无疑为用户进行二次开发增加了难度INTOUCH美国WONDERWARE的INTOUCH软件是最早进入我国的组态软件在80年代末90年代初,基于WINDOWS31的软件曾让我们耳目一新,并且INTOUCH提供了丰富的图库但是,早期的INTOUCH软件采用DDE方式与驱动程序通信,性能较差,最新的INTOUCH70版已经完全基于32位的WINDOWS平台,并且提供了OPC支持RSVIEW32美国ROCKWELL公司生产的标准PC平台上的RSVIEW32组态软件,它是以MFC微软基础级COM元件对象技术为基础的运行于WINDOWS9X,WINDOWSNT环境下的HMI人机接口软件包2国内专业组态软件国产化的组态软件产品正在成为市场上的一支生力军,近年来已有一定影响力国内也己形成了不少的组态软件组态王北京亚控公司的组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司更早的品牌多数己经湮灭组态王提供了资源管理器式的操作主界面,并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持组态王也提供多种硬件驱动程序组态王是国内目前应用较广的组态软件CONTROX开物华富计算机公司的CONTROX2000是全32位的组态开发平台,为工控用户提供了强大的实时曲线历史曲线报等数据报表及报表功能作为国内最早加入OPC组织的软件开发商,CONTROX内建OPC支持,并提供数十种高性能驱动程序提供面向对象的脚本语言编译器,支持ACTIVEX组件和插件的即插即用,并支持通过ODBC连接外部数据库CONTROX同时提供网络支持和WEBSERVER功能MCGS北京昆仑通态成功推出MCGS组态软件的三大系列产品分别是MCGS通用版组态软件MCGS网络版组态软件和MCGS嵌入版组态软件MCGS工控组态软件功能全面应用灵活,提供从设备驱动流程控制到数据处理动画及报表显示报警输出等一套完整的系统软件,并且具有开放性结构,用户可以挂接自己的应用程序模块,具有良好的通用性和可维护性真正的32位多任务应用系统,该系统支持WINDOWS的多任务技术,有效地优化了计算机资源,打印任务作为一个独立工作而运行于后台,实现多任务的并行处理FORCECONTROL力控从时间概念上来说,力控也是国内铰早出现的组态软件之一大约在1993年左右力控就已形成了第一个版本,只是那时还是一个基于DOS和VMS的版本后来随着WINDOWS31的流行,又开发出了16位WINDOWS版的力控但直至WINDOWS95版本的力控诞生之前,主要被用于公司内部的一些工程项目32位WINDOWS下的10版的力控,在体系结构上就己经具备了较为明显的先进性,其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构,而且其实时数据库结构为可组态的但10版的力控尚存在明显的不足如I/O驱动程序较少界面和产品包装不够美观等最新推出的26版在功能的丰富性易用性开放性和I/O驱动数量,都得到了很大的提高其他常见的组态软件还有GE公司的CIMPLICITY,NI公司的LOOKOUT,PCSOFT公司的WIZCON,意大利PROGEA公司的MOVICON,以及国内的SYNALL天工虎冀等组态软件,也都各有特色22组态软件的任务及功能特点发展方向221组态软件的应用前景1组态软件做为单独行业的出现是历史的必然市场竞争的加剧使行业分工越来越细,“大而全”的企业将越来越少企业集团除外,每个DCS厂商必须把主要精力用于他们本身所擅长的技术领域,巩固已有优势,如果他们还是软硬件一起做,就很难在竞争中取胜,今后社会分工会更加细化,表面上看来功能较单一的组态软件,其市场才刚被挖掘出一点点,今后的成长空间还相当广阔组态软件的发展与成长和网络技术的发展与普及密不可分,曾有一时期,各DCS厂商的底层网络都是专用的,现在则使用国际标准协议,这在很大程度上促进了组态软件的应用例如,在大庆油田,各种油气处理装置都分布在油田现场,总面积约3000平方公里,要想把这些装置的实时数据进行联网共享,在几年前是不可想象的,而目前通过公众电话网,用MODEM或ISDN将各DCS装置连起来,通过TCP/IP协议完成实时数据采集和远程监控就是一种可行方案,力控组态软件已经在该项目中投用成功,成为国内规模最大的HMI/SCADA应用范例2现场总线技术的成熟更加促进了组态软件的应用应该说现场总线是一种特殊的网络技术,其核心内容一是工业应用,二是完成从模拟方式到数字方式的转变,使信息和供电同在一根双线电缆上传输,还要满足许多技术指标同其它网络一样,现场总线的网络系统也具备OSI的7层协议,在这个意义上讲,现场总线与普通的网络系统具有相同的属性,但现场总线设备的种类多,同类总线的产品也分现场设备耦合器等多种类型,在未来几年现场总线设备将大量替代现有现场设备,给组态软件带来更多机遇3能够同时兼容多种操作系统平台是组态软件的发展方向之一可以预言,微软公司在操作系统市场上的垄断迟早要被打破,未来的组态软件也要求跨操作系统平台,至少要同时兼容WINNT和LINUX/UNIXUNIX系统是计算机软件最早的程序开发环境,整个UNIX系统可以粗略地分为三层最下层是一个与具体硬件相联系的多进程操作系统内核,中间一层是可编程的SHELL命令解释程序,它是用户与系统内核的接口,是整个UNIX环境中灵活使用与扩展各种软件工具的工具,最外层是用户的实用工具,有多种程序语言数据库管理系统及一系列进行应用开发的实用工具UNIX系统主要有以下几个方面特点具有一组丰富的实用软件开发工具具有方便装卸的分级结构树形文件系统具有功能完备使用简便灵活同时可编程的命令解释语言SHELL支撑整个环境的系统内核紧凑功能强效率高整个系统不限定在某一特定硬件上,可移植性好仍在发展中,不断完善实时控制功能UNIX是唯一可以在微超微小超小型工作站,中大小巨巨型机上“全谱系通用”的系统由于UNIX的特殊背景,它强有力的功能,特别是它的可移植性以及目前硬件突飞猛进的发展形势,吸引了越来越多的厂家和用户UNIX在多任务实时性联网方面的处理能力优于WINNT,但图形界面即插即用I/O设备驱动程序数量方面赶不上WINNT90年代以来UNIX的这些缺点已得到改进,现在的UNIX图形界面XWINDOW和UNIX的变种LINUX已经具备了较好的图形环境4组态软件在嵌入式整体方案中将发挥更大作用前面已讲过,微处理器技术的发展会带动控制技术及监控组态软件的发展,目前嵌入式系统的发展速度极为迅猛,但相应的软件尤其是组态软件滞后较严重,制约着嵌入式系统的发展我们从使用方式上把嵌入式系统分为两种带显示器/键盘的和不带显示器/键盘的带显示器/键盘的嵌入式系统又可分为带机械式硬盘和带电子盘的嵌入式系统二种带机械式硬盘如PC/104可外接硬盘的嵌入式系统,可装WINDOWS98/NT等大型操作系统,对组态软件没有更多的要求不带机械式硬盘带电子盘的嵌入式系统,由于电子盘的容量受限也可以安装大容量电子盘,但造价太高,因此此类应用只能安装WINDOWS32WINDOWSCEDOS或LINUX操作系统目前支持WINDOWSCE或LINUX的组态软件很少,用户一般或自己亲自编程,或使用以前的DOS环境软件,但一般都存在2000年问题此类应用规模都不大,但数量却有很大潜力另外价格是一个重要因素,如果嵌入式系统的软硬件价格得到进一步降低,其市场规模将是空前的不带显示器/键盘的嵌入式系统这种嵌入式系统一般情况都使用电子盘,只能安装WINDOWS32WINDOWSCEDOS或LINUX操作系统,此类应用有的会带外部数据接口以太网RS232/485等,目前面向此类应用的组态软件市场潜力巨大5组态软件在CIMS应用中将起到重要作用美国HARRINGTON博士于1973年提出了CIMCOMPUTERINTEGRATEDMANUFACTURING计算机集成制造的概念,主要内容有企业内部生产各环节密不可分,需统筹协调工厂的生产过程,实质就是对信息的收集传递加工和处理的过程CIMS所追求的目标是使工厂的管理生产经营服务全自动化科学化受控化,最大限度地发挥企业中人资源信息的作用,提高企业运转效率和市场应变能力降低成本CIMS的概念不仅适用于离散形生产流程的企业,同样适用于生产连续型的流程行业,在流程行业也有人叫做CIPSCOMPUTERINTEGRATEDPROCESSSYSTEM自动化技术是CIMS的基础,目前多数企业对生产自动化都比较重视,他们或采用DCS含PLC或以PC总线为基础的工控机构成简易的分散型测控系统但现实当中的自动化系统都是分散在各装置上的,企业内部的各自动化装置之间缺乏互联手段,不能实现信息的实时共享,这从根本上阻碍了CIMS的实施组态软件在企业CIMS发展过程中能够发挥下面几方面的作用充当DCS含PLC的操作站软件,尤其是PCBASED监控系统以往各企业只注重在关键装置上舍得投资,引进自动化控制设备,而在诸如公用工程如能源监测原材料管理产成品管理产品质量监控自动化验分析生产设备状态监视等生产环节则重视程度不够,这种一个企业内部各部门间自动化程度的不协调也将影响CIMS的进程,受到损失的将是企业本身,组态软件在这方面,即技术改造方面也会发挥更大的作用,促进企业以低成本高效率地实现全厂的信息化建设由于组态软件具有丰富的I/O设备接口,能与绝大多数控制装置相联,具有分布式实时数据库,可以解决分散的“自动化孤岛“互联问题,大幅节省CIMS建设所需的投资伴随着CIMS技术的推广与应用,组态软件将逐渐发展成为大型平台软件,以原有的图形用户接口I/O驱动分布式实时数据库软逻辑等为基础将派生出大量的实用软件组件,如先进控制软件包数据分析工具等6信息化社会的到来为组态软件拓展了更多的应用领域组态软件的应用不仅仅局限在工业企业,在农业环保邮政电信实验室医院金融交通航空等各行各业均能找到使用组态软件的实例随着祖国社会进步和信息化速度的加快,组态软件将赢得巨大的市场空间,这将极大地促进国产优秀组态软件的应用,为国产优秀组态软件创造良好的成长环境,促进国有软件品牌的成长和参与国际竞争组态软件事业的发展也加剧了对从事组态软件开发与研制的人才需求,以往我们国内的组态软件经历了从无到有的曲折过程,而目前则面临着如何在未来的竞争中取胜,如何制订未来的发展战略,如何开拓国际市场等一系列新的课题组态软件涉及自动控制理论及技术计算机理论及技术通讯及网络技术人机界面技术即所谓的CRT技术等多个学科,对开发人员的软件设计理论及实践经验都有很高的要求,广大在校的相关专业大学生研究生面临着从事该项事业的难得机遇,盼望更多的人才加入到组态软件的开发队伍中来,为我国的国民经济信息化做出历史性贡献222组态软件的功能特点组态软件最突出的特点是实时多任务例如,数据采集与输出数据处理与算法实现图形显示及人机对话实时数据的存储检索管理实时通讯等多个任务要在同一台计算机上同时运行组态软件的使用者是自动化工程设计人员,组态软件的主要目的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码,因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需求,并加以总结提炼,重点集中解决共性问题下面是组态软件主要解决的问题1如何与采集控制设备间进行数据交换2使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来3处理数据报警及系统报警4存储历史数据并支持历史数据的查询5各类报表的生成和打印输出6为使用者提供灵活多变的组态工具,可以适应不同应用领域的需求7最终生成的应用系统运行稳定可靠8具有与第三方程序的接口,方便数据共享自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些事先设计的表格,再利用图形功能把被控对象如反应罐温度计锅炉趋势曲线报表等形象地画出来,通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接当由组态软件生成的应用系统投入运行后,与被控对象相连的I/O设备数据发生变化后直接会带动被控对象的属性发生变化若要对应用系统进行修改,也十分方便,这就是组态软件的方便性从以上可以看出,组态软件具有实时多任务接口开放使用灵活功能多样运行可靠的特点223组态软件的发展方向实时多任务实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件作出反应的特性工业控制计算机及监控组态软件具有时间驱动能力和事件驱动能力,即在按一定的周期时间对所有事件进行巡检扫描的同时,可以随时响应事件的中断请求实时性一般都要求计算机具有多任务处理能力,以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务,加速程序执行速度高可靠性在计算机数据采集控制设备及正常工作的情况下,如果供电系统正常,当监控组态软件的目标应用系统所占的系统资源不超负荷时,则要求软件系统的平均无故障时间MTBMEANTIMEBETWEENFAILURES大于一年如果对系统的可靠性要求得更高,就要利用冗余技术构成双机乃至多机备用系统冗余技术是利用冗余资源来克服故障影响从而增加系统可靠性的技术,冗余资源是指在系统完成正常工作所需资源以外的附加资源说得通俗和直接一些,冗余技术就是用更多的经济投入和技术投入来获取系统可能具有的更高的可靠性指标以力控软件运行系统的双机热备功能为例,可以指定一台机器为主机,另一台作为从机,从机内容与主机内容实时同步,主从机可在同时操作从机实时监视主机状态,一旦发现主机停止响应,便接管控制从而提高系统的可靠性实现双机冗余可以根据具体设备情况选择如下几种形式如果采集控制设备与操作站间使用总线型通讯介质如RS485以太网CAN总线等,两台互为冗余设备的操作站均需单独配备I/O适配器,直接连入设备网即可,如图12所示开始运行时从机首先向主机数据库注册,向主机发送同步请求当主机正常工作时,从机不断向主机发送请求当主机正常工作时,从机不进行任何运算,I/OSERVER不起动,但是可以接受用户操作,操作结果直接送往主机当主机在一定时间内超时时间不响应从