毕业设计(论文)铝厂蒸发车间监控系统.doc
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1、铝厂蒸发车间监控系统摘 要本论文主要论述了应用力控监控组态软件及现场总线控制技术,实现对山西铝厂氧化铝三厂铝的生产工艺过程的自动控制。此应用软件主要控制其流量、密度、温度、压力等模拟量,从而实现其安全生产,并达到监控要求。力控的监控组态软件是目前国内唯一具有参考使用资料的组态软件。而且现场总线控制技术是当前工业控制发展的主要方向之一。这两项技术代表了当今工业控制的发展方向,站在了工业控制的前沿,具有一定的先进性和参考性。其次,针对目前工业过程控制中具有纯滞后,大惯性,难以建立精确的数学模型的特点,研究运用预估PID控制系统实现对铝液密度的自动控制。最后,利用MATLAB中的Simulink,对
2、设计的系统进行仿真,并给出仿真的结果和分析。【关键词】 监控组态软件 现场总线技术 预估 PID控制 The supervising system in workshop is evaporated in the aluminium factory Speciality: Automation Instructor: Prof. Xi Aimin Name: Guo XiaABSTRACT This article has chiefly discussed how to use the Supervisory Control and Configuration software of For
3、ceControl and the technology of Field Bus to achieve the selfcontrol of the aluminum factory .This application software is chiefly controlled analogs such as volume of flow , density , temperature and pressure etc , It makes the factory manufacturing safely and achieves supervisory demands。The Super
4、visory Control and Configuration software of ForceControl is the only software that has the reference book。At the same time,the control technology of Field bus stands for one of the main development directions of industrial control nowadays。This two technology representative the development directio
5、n of modern industry control , and stands in the forward position of industry control . So,this software has certain advancement and reference Next ,aiming at the characteristic in industrial control of big-time delay, large inertial, no mathematical exact model. We use the PID control with predicti
6、ve model to realizes the automatic control to aluminium liquid density.At last, it simulations the design system with simulink in MATLAB and gives the simulation results and analyses. 【Key words】 The Supervisory Control and Configuration software Industrial control Predict PID 目录摘 要IABSTRACTII目录III图
7、表索引V绪11 山西铝厂三分厂蒸发车间简介21.1工艺流程介绍21.2 监控要求32 监控组态软件42.1 监控组态软件简介42.1.1 监控组态软件及其发展42.1.2 组态软件成长的历史背景52.1.3 组态软件的发展趋势及现状62.1.4 组态软件的应用、特点及性能要求82.2 监控组态软件的图形界面及生成系统132.2.1监控组态软件的系统构成132.2.2 图形开发环境162.3 监控组态软件的I/O设备驱动182.3.1 设备驱动程序在组态软件中所处地位及数据流程图182.3.2 设备驱动程序完成的主要功能192.3.3 与设备驱动程序能够连接的设备种类202.3.4 设备驱动程序
8、的技术指标202.4 现场总线技术212.4.1 现场总线技术及其使发展现状212.4.2 几种典型的现场总线222.4.2 常见的I/O设备及其与PC间的连接方式243 组态设计293.1 组态画面功能介绍303.2 测量点说明474 控制方案与系统的仿真504.1 控制方案504.1.1自动控制系统简述504.1.2 PID调节504.1.3 控制方案的确定514.2 系统的仿真514.2.1 系统计算机仿真简述514.2.2 系统的仿真52结束语59致谢59参考文献60 图表索引图 1.1 工艺流程图2图 1.2 蒸气和原液流程图3图 2 .1 监控组态软件在自动监控系统中的地位12图
9、3.1 登陆画面30图 3.2 主菜单画面31图 3.3 主流程图画面32图 3.4 一组动态流程画面33图 3.5 二组动态流程图34图 3.6 三组动态流程图35图 3.7 四组动态流程图36图 3.8 五组动态流程图37图 3.9 历史报警画面38图 3.10 实时报警画面39图 3.11 温度检测组画面40图 3.12 压力检测组画面41图3.13 液位检测组42图 3.14 流量、密度检测组画面43图 3.15 历史趋势画面44图 3.16 实时趋势画面45图 3.17 历史报表画面46图 3.18 总貌画面47图 4.1 PID控制系统原理图52图 4.2 PID控制系统仿真模型图
10、53图 4.3 未加预估的PID控制系统的阶跃响应53图 4.4 预估PID控制系统原理图54图 4.5 预估PID系统的仿真模型55图 4.6 预估PID控制系统的阶跃响应55图 4.7 不同a值时预估PID控制系统的阶跃响应56图 4.8 改变系统时间常数时预估PID控制系统的阶跃响应57图 4.9 改变系统阶数时的预估PID控制系统阶跃响应58绪本论文主要介绍了利用监控组态软件实现对山西铝厂氧化铝三厂蒸发车间的工艺流程(主要对原液密度)的实时监控,同时,还利用MATLAB对系统进行仿真。本论文大体内容如下。第一章主要是对山西铝厂三分厂蒸发车间的介绍,让读者简单了解蒸发车间的工艺要求。第二
11、章主要介绍监控组态软件技术。首先,介绍了监控组态软件与其发展软件的应用、特点及性能要求;其次,深入了解该软件,介绍了其系统构成,例如软件的结构划分、力控2.0的结构和监控组态软件中的I/O设备驱动。利用这部分向读者介绍I/O设备驱动在软件中的地位及其功能,同时还介绍了现场总线技术和I/O设备与PC间的连接方式。第三章就是利用ForceControl对系统进行设计。在这章中,给出了所有的控制变量与组态画面。第四章介绍了 对系统进行的控制策略,用MATLAB进行仿真。同时,通过仿真对比找出最适合本系统的控制模型。本论文中如有不足之处请指导老师给予指教。 1 山西铝厂三分厂蒸发车间简介1.1工艺流程
12、介绍在加工制造业和运输业的生产经营过程中,储运是一个不可缺少的重要环节,特别是液体介质(如原油、成品油、矿浆等)的存储、计量、核算和管理尤为重要。围绕着储罐乃至整个系统的监控管理提高储运自动化及其管理水平,对企业减少损耗、降低成本、增加效益具有明显作用。下面我们简要的概述一下工艺流程,此厂所用工艺属于拜尔种分工艺,如下图所示:原 液蒸 发沉 淀溢 液过 滤调配槽 图 1.1 工艺流程图在上图中,原液经过三效、二效、一效、一闪、二闪流向其它槽中。原液从出发到达一效的总时间是一小时左右。而蒸汽则防好相反,它是从一效到二效,再到三效。而且,蒸汽必须源源不断的供应,否则就是影响原液的浓度。 我们重点研
13、究部分蒸汽和原液部分,其示意图如下: 图 1.2 蒸气和原液流程图要求: 流量Q=2030 m3/h 蒸汽温度T=1503000C 开始密度:1.21.3 g/cm3 结束密度:1.31.45g/cm31.2 监控要求在工艺流程中,我们可以了解到该厂对三分厂蒸发车间监控系统的监控要求: 1对上位机的要求、 上位机的操作接口应该能准确反映车间中各种变量的时实变化值,而且,应易于操作人员尽快掌握。、 上位机的操作借口应能准确反映车间中各种变量的报警,并界,应能调用一段时间内的报警记录和趋势记录。2 控制策略的要求、 控制策略采用的控制方法应能保持蒸汽温度和流量的恒定。、 保持原液的浓度的恒定。2
14、监控组态软件2.1 监控组态软件简介2.1.1 监控组态软件及其发展“组态”的概念是伴随着集散型控制系统(distributed control system,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。在控制系统中使用的各种仪表中,早期的控制仪表是气动PID调节器,后来发展为气动单元组合仪表,20时记0年代后出现电动单元组合仪表和直接数字控制系统(direct digital control,DDC)。70年代中期随着微处理器的出现,诞生了第一代DCS。 由于每一套DCS都是比较通用的控制系统,可以应用到很多领域中,为了不需要便代码程序的情况下,便可生成适和自己需求的应用系统
15、,每个DCS厂商在DCS中都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,但一直没有人给出明确定义,只是将这种应用软件设计生成目标应用系统的过程称为“组态”(configure)或“做组态”。监控组态软件是面向监控与数据采集(supeivisory control and data acquisition,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,HNI(human machine interface)或MMI(man machine interface)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
16、、实时控制|、通信及联网、开放数据接口|、对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。直到现在,每个DCS厂家的组态软件仍是专用的(即与硬件相关的),不扣相互替代。从80年代末开始,由于个人计算机的普及,国内开始有人研究如何利用PC进行工业监控,同时开始出现PC总线的A/D、D/A、计数器、DIO等各类I/O板卡。应该说国内组态软件的研究起步时不晚的。当时有人在的MS-DOS基础上用汇编语言或C语言编织袋后台处理能力的监控组态软件,有实力的研究机构则在实时多任务操作系统IRMX86或VRIX上做文章,均未形成有竞争力的产品。随着MS-DOS和IRM
17、X86用户数量的萎缩和微软公司WINDOWS操作系统的普及。给予PC的监控组态软件才迎来了发展机遇,以利空软件为代表的国内软件也经历了这一复杂过程。世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软将公司是美国的公司,它与80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的发展,目前世界上的状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。2.1.2 组态软件成长的历史背景 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。 7
18、0年代初期,微处理器的出现,促进了计算机控制走向成熟。首先,微处理器在提高计算机能力的基础上,大大降低了计算机的硬件成本,缩小了计算机的体积,很多从事控制仪表和一直都从事工业开展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年美国公司Honeywell提出的世界上第一套DCS TDC-2000。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。 这一阶段虽然DCS技术、市场发展迅速,但软件仍是专用和封闭的,除了在功能上不断加强外,软件成本一直居高不下,造成了DCS在中小型项目上的单位成本过高,使一些中小型项目不得不放弃使用DCS。80年代中后期,随着
19、个人计算机的普及和开放系统概念的推广,基于个人计算机的监控系统开始进入市场,发展并壮大。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分,比监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。组态软件之所以得到用户和DCS厂商的认可,主要有以下两个原因:(1)、个人家算机系统日趋稳定可靠,实时处理能力增强且价格便宜。(2)、个人极端机的软件及开发工具丰富,是组态软件的功能强大,开发周期相应缩短,软件升级和维护也较方便。目前,多数组态软件都是在Windoes3.1和Windows3.2操作系统下慢慢成熟起来的,国外少数组态软件可以在OS/2或Unit环境下运行。目前绝大多数组态软件都运行在Windows98/NT
20、环境下。组态软件开发工具以C+为主,也有少数开发上使用Delphi或C+Builder.一般来讲,使用C+开发的产品运行效率更高,程序代码更短,运行速度更快,但开发周期要长一些,其他开发工具则相反。2.1.3 组态软件的发展趋势及现状1、总的发展趋势组态软件是工业应用软件的一个组成部分,其发展受到很多因素的制约。归根结底,应用的带动对其发展起这支为关键的推动作用。 用户要求的多样化,决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有要求,直接用户对监控系统人机接口的需求不可能固定为单一的模式,因此直接用户的监控系统始终需要“组态”和“定制”的。这就导致组态软件不可能退出市场,因为需求是存在的。 2、组
21、态软件功能的变迁由单一的人机接口朝数据处理机的方向发展,管理的资料越来越大。最早的组态软件涌来支撑自动化系统的硬件,那时候,硬件系统如果没有组态软件的支撑将很难发挥作用,甚至不能正常工作,现在的情况有了很多的改观。一方面软件部分的与硬件发生分离,大部分自动化系统的硬件和软件现在不是由同一个厂商提供,这样就为自动化软件的发展提供了可以充分发挥作用的舞台。实时数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检索是连续变化的过程资料,它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘,现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总合统计生产资料,作为指挥决策的依据。 3、推动组态软件发展的动力 需求是推动发展的
22、第一动力,市场会逐步扩大。组态软件市场的崛起一方面为最终用户节省了系统投资,另外也为用户解决了实际问题。 社会信息化的加速是组态软件市场增长的强大推动力。随着经济发展水平的提升,信息化社会将为组态软件带来更多的市场机会。4、用户对组态软件的需求变化 目前的组态软件均生产于过程工业自动化,很多功能没有考虑其它应用领域的需求。例如:化验分析、虚拟仪器、测试、信号处理。这些领域大量的使用实时数据库软件,而且需要人机接口,但是由于现有组态软件为这些应用领域考虑得太少,不能充分满足系统的要求,因而目前这些领域仍然是专用软件占统治地位。随着计算机技术的飞速发展,组态软件应该更多地总结这些领域的要求,设计出
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