毕业设计（论文）研究水泥生产线集散控制系统通讯技术方面的问题论文.doc

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1、摘要 近年来随着建材行业的迅速发展，水泥的需求量逐年扩大，集控制、管理为一体的自动控制系统在水泥生产中起着越来越重要的作用，从而满足用户的需求。本文依托水泥生产线集散控制系统的实际需求，完成了该水泥生产线集散控制系统的网络设计和通讯问题分析。首先，介绍了控制系统网络的设计，接着讨论了现场总线网络的设计，最后讨论了工程中常见的网络通讯问题及解决方法，并提出了DCS通信速度的全面解决方案。关键词：集散控制系统，可编程控制器，现场总线，串行通信Abstract: With the flourish of building materials industry in the recent years,

2、 the requirement of cement is expanding each year,The automatic control system which has made centralized control,management as one is playing an increasingly important role in the cement production areas,and met the needs of uses.Based on the requirement of Distributed Control System ,this paper ha

3、s completed the Distributed Control System Network Design and Communications Analysis. Firstly, it has discussed the design of control network. The it has discussed the design of profibus network.Lastly it has discussed common problems of network communications and resolve it. A comprehensive scheme

4、 is proposed for communication speed of DCS.Key words: :Distributed Control System，PLC，Fieldbus, serial communication第1章 绪论1.1课题研究的背景及意义 水泥是国民经济建设的重要基础原材料，水泥行业的发展关系到国计民生，不可忽视。我国水泥工业伴随着生产技术的几次重大变革，已形成了较完备的工业体系。 在水泥生产过程中，自动化控制起着非常重要的作用，它能保证水泥生产的稳定可靠，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，只有通过先进的自动化控制

5、系统准确的监控设备的运行状况，及时的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，先进的水泥生产管理，也要求有可靠的自动化控制系统和完善的控制技术，以适应当前激烈的市场竞争的需要。1.2水泥生产线上的集散控制系统（DCS）概述 集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监 控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪

6、表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高 度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。 DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能 集散控制系统作为新一代的工业自动化过程控制和管理系统，至今虽然只有三十多年的历史，但已在石化、冶金、电力等工业领域得到了广泛的应用。我国在八十年代初期开始引进集散控制装备，此后集散控制系统在我国工业控制领域得到了广泛的应用。

7、在水泥行业，从早期的DCS系统仅用于控制水泥生产过程的主要工艺生产线，到目前DCS在水泥生产过程控制中的应用范围扩展到了整个水泥生产线的过程控制，是传统水泥厂所需的生产管理人员的数量大量减少，并且在提高产品的质量、数量、设备运转率和生产效率的同时降低了能耗和劳动强度，使得企业获得了更好的经济效益，促使DCS系统在水泥工业的过程控制和管理系统中得到进一步的广泛应用。1.3 集散控制系统的基本组成 现场控制级 ，又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的

8、情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。 过程控制级，又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的

9、设备。 过程管理级 DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况。这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。 经营管理级，又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。1.4

10、本论文研究的主要内容 本文是以新型水泥厂的集散控制系统为基础，结合工程实际经验，分析研究了新一代集散控制系统的特点以及所用到的相关技术，在此进行系统网络设计方案与功能分析，研究水泥生产线集散控制系统通讯技术方面的问题。第一章 绪论 简单介绍DCS控制网络的体系结构，技术特征以及在实际工业生产中的应用情况，最后概述各章的研究内容。第二章 控制系统网络的设计。第三章 现场总线网络的设计。第四章 工程中的常见网络通讯问题及解决办法。第五章 结束语第2章 控制系统网络的设计2.1控制系统的特点通过对控制区、控制点的分析后，本控制系统有如下特点：（1） 通讯量庞大。（2） 开关量居多。控制点绝大多是为电

11、机起停，阀门开关等。（3） 生产线分布范围广，各工段相聚远，尤其是原料破碎工段。（4） 电磁干扰严重。水泥厂中有大量的变频设备和大功率的电机，这对控制电路造成很大的干扰。2.2控制系统的功能要求 集散控制系统控制功能设计的好坏，直接影响到生产线设备的运行状态和操作人员操作控制的效率，从而影响整个企业生产的效率。因此，需要实现如下功能：（1） 能实现全线设备运行的自动控制。根据各个设备之间的连锁关系，控制全线设备的自动运行和停止。（2） 故障报警，包括系统故障和设备故障和参数超过限制报警功能。（3） 监控管理层自检功能，监控系统硬件的状态，通讯设备及通讯线路的正常与否。（4） 保持系统高度的可靠

12、性，能应付一般的突发性的事故。 为了实现上述功能，集散控制系统经过不断地发展和完善，形成了如下的典型结构组成。图1 DCS结构 DCS主要分为三大部分：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口（HMI）。控制器I/O 部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人机接口是操作人员与DCS相互交换信息的设备；通讯网络将控制器和人机接口联系起来，形成一个有机的 整体。从某种意义上说，控制器是“心脏”；人机接口是“眼睛”；通讯网络则是“神经网络”。2.3 控制系统硬件构成服务器工程师站操作员站现场控制站现场控制站现场变送器 、执行器 图2 DCS典型结构图 通常将集散控制系统分成4级结构：企业经

13、营管理层、操作管理层、自动控制站层、现场仪表层，从而实现生产工艺流程中的系统功能。 信息系统终端信息系统终端信息系统终端 企业经营管理层域服务器域服务器高层管理网络操作员站工程师站操作员站工程师站 现场控制站现场控制站 操作管理层系统网络 自动控制站层现场仪表现场I/O现场仪表现场现场总线网络现场仪表层 图3 DCS的分层结构图 操作管理层主要由操作员站和工程师站组成。操作员站的硬件设计由PC 机、显示器、键盘、鼠标、打印机组成的人机系统，是操作人员完成过程监管任务的人机界面。实现对设备的启停操作和参数调整，以及根据生产需要调整生产参数等。 工程师站中设计有互为冗余的三个服务器，其中每台配有两

14、个以太网卡，分别接入两台工业以太网交换机和用于上层网络的普通以太网交换机。它是唯一可以对整个系统进行修改的地方，因此设有权限级别的限制，以增加安全性。 中控室配有两台互为冗余的高性能工业以太网交换机，该交换机不仅配有以太网卡，而且整合了光耦合器，可以直接接入光纤。 现场仪表层主要工作是把现场的各种物理信号（如温度、压力、流量等）转变成电信号或者数字信号，并进行一些必要的处理（如滤波）以及把各种控制输出信号转变成物理变量（如转速、阀位等）。 PLC工作原理是采用循环扫描的工作方式。CPU对每个程序从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序

15、执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环成为一个扫描周期。第3章 现场总线网络的设计 现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以 及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。他与传统的通信网络相比主要有如下特点：（1） 开放式系统 现场总线是开放式的互联网络，所有标准和技术都是公开的，所有制造商必须遵循，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，这样就可

16、以和同层网络互连，也可以与不同层网络互连。（2） 互操作性 使用用户可以把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成所需网络。（3） 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。3.1 现场总线（Frofibus）概要 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。现 场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作

17、，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能 力。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。从根本上改变了现有dcs集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 PROFIBUS-DP使用OSI参考模型第1层、第2层和用户接口，第3层到第7层未加以描述。PROFIBUS-FMS第1、2和7层均加以定义，应 用层包括现场总线信息规范(FMS）和低层接口。层次行规行规行规用户扩展基本功能应用层 现场总线信息规范FMS 3-6 未使用 未使用数据链路层 现场总线数据链路FDL

18、IEC接口物理层 RS485/光纤 RS485/光纤 IEC1158-2 图4 PROFIBUS 协议结构 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在fcs系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少 的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制

19、系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。3.3 网络硬件构造 本系统的底层智能设备主要分以下几类：（1) 中央控制器，如PLC或PC。它在预定的周期内循环地与分散的DP从站交换数据。（2) PA仪表。这些PA仪表要通过DP/PA Link和Coupler进行转换，而不是直接连接到DP总线上。（3) 编程装置，组态设备，管理和操作设备等，用于系统的操作和监视。（4) 用于输入和输出信息采集和发送的外围设备，它只和装载此从站参数并组态它的DP主站交换数据。 由于每根DP线最多挂60台设备，因此网络结构设计采用总线形结合星形的方式，即每块CPU接出3根左右的DP线，每根DP

20、线上在连接30台左右的智能设备。 由于远程站没有配置CPU，所有远程站的智能设备和I/O模块都通过DP总线连接到主站CPU上。通讯介质选择光纤，这样就需要主站和远程站各加上一台光电耦合器。第4章 常见网络通讯问题及解决办法4.1 常见网络通讯问题 由于我们在工程中会经常遇到一些设计中没有考虑到的问题，所有经常出现如下网络问题：(1)终端电阻问题 在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。而终端电阻正是为了消除这种反射带来的通讯干扰。 例如每根DP电缆的起点处，即CPU，都需将DP接头上的拨码开关打到ON的位置，表示加入一个终端电阻。在结尾处，如果是以

21、DP接头结尾的话，就同样将开关拨至ON即可，否则另需专门的有源终端电阻作为结尾。 还有每根DP电缆的中间引出的DP接头上的拨码开关一定要拨到OFF位置，因为如果太多电阻并联在电路上，则会因电阻值变小而起不到抗干扰作用。(2)通讯干扰问题 由于系统调试中经常会遇到接线明明就没问题，但是网络仍然不通或者极其不稳定。这时应考虑可能是高压及高频设备，如变频器，对通讯网络造成了干扰。 因此在设计过程中就应避免低压通讯设备与高压变频设备离得太近。如果是不可避免的情况，如变频器和其搭配的SIMOCODE必须在一个柜体。可以给该线路多加中继器来加强信号。4.2 提高网络通信速度的方法串行通信 由于串行通信具有

22、连接简单、使用灵活方便、数据传递可靠等优点, 在工业监控和实时控制系统中得到了广泛应用. DCS上下层之间的通信多采用串行通信, 其上层操作站的工业控制计算机通过串行接口与作为下层控制器的各种仪器、传感器连接起来, 以实现数据的采集、存储和处理. RS485/RS422 工控机 现场仪表 现场仪表 图5 串行通信总线拓扑结构 串行通信具有成本低的优点，但也有传输速率低的缺点。而且下层控制器数目增多，扫描周期将相应增大，从而使操作员不能及时掌握工业现场的运行状况，系统安全性得不到保证。由此可以看出，上下层通信速度极大地影响着这个系统的实时性，制约着DCS的规模及发展。4.2.1 通信站与监控站的

23、分离 由于监控、通信集中在一台上位机上，且上位机与控制器通信常采用查询等待方式，通信占用上位机的CPU的时间较长，当随着控制系统规模的扩大，通信所占用的CPU时间过多，这对系统的实施运转极为不利。 将上位机分离成监控站和通信站，可以提高上位机的可操作性，还可以提高上位机与控制器之间的通信速度。监控站主要为操作员提供实时刷新的人机界面，通信站完成与控制器间的通信，并将采集的信息及时传递到监控站中。监控站与通信站通过以太网、网卡连接, 通信站将所有回路的实时数据打包并定时传递给监控站, 从而使监控站用于通信的时间很少, 避免了因通信造成其CPU 资源紧张的状况. 、监控站1 监控站M 以太网 、

24、通信站1RS485 通信站N RS485、 、现场仪表 现场仪表 图6 监控站、通信站分离的通信网络拓扑图 由上图观察，通信站通过RS485总线与控制器连接,完成上位机与控制器间的通信工作.这样原来上位机的工作就分散到了监控站和通信站,串行通信与监控界面的刷新使用不同的CPU 资源,可使整个系统的上下层的通信速度大大加快.4.2.2 使用双RAM智能通信卡 智能通信卡是一种具有高速CPU 和双口RAM 的通信接口板, 插在通信站的I/ O 扩展槽内使用, 其主要作用是减轻通信站CPU 的工作量.使用双口RAM 智能通信卡后, 通信站下达到控制器的命令可通过写硬件端口的方式存储在智能通信卡的RA

25、M 中, 由通信卡利用其自带的CPU, 通过串行通信向控制器发送.智能通信卡完成了通信站与控制器之间的串行通信工作, 使得通信站CPU 的工作量大大减轻。 多串口通信技术：可以将一个串行通信过程分成多个串行通信过程的并行工作，以提高工作效率。其多串口通信总线拓扑图如下图所示：工业计算机（IPC） 多端口通信卡 、 、 RS485 、 、 、 现场仪表 现场仪表 现场仪表图7 多串口通信总线拓扑图通常多台控制器通过一条通信总线与通信站连接 , 从而实现上下层间的串行通信. 工业计算机一般带有2 个串口, 可使用多端口通信卡扩充其串口, 从而使原来的单串口通信升级为多串口通信, 这时可将控制器分别

26、连接在多条通信总线上, 利用软件上的多线程技术, 通信站可同时与多个控制器进行串行通信，系统通信速度将大大提高.多线程技术：若通信站和监控站需要同时完成多个任务，并需要系统实时数据更新速度提高, 这是在监控站、通信站软件设计中均可使用多线程技术. 多线程技术使得同一程序的两个或多个部分可以同时运行. 一个多线程的应用程序实际上在其内部实现了多任务的扩展, 因而可以执行某些实时性或随机性很强的操作, 加快信息处理速度.在通信站的软件设计中, 将其与控制器间的通信、与监控站间的通信设计为同一进程中的2 个独立线程且同时工作, 就不会因为通信站与控制器间的串行通信占用CPU 时间过多而影响通信站与监

27、控站之间的实时通信.与此 同时, 由于更充分地利用了CPU 资源, 因而提高了整个系统的实时性和这个系统数据的更新频率.第五章 结束语本文是以新型水泥厂的集散控制系统为基础，结合工程实际经验，分析研究了新一代集散控制系统的特点以及所用到的相关技术，在此进行系统网络设计方案与功能分析，研究水泥生产线集散控制系统通讯技术方面的问题，并介绍了提高集散控制系统通信网络速度的方法。参考文献【1】周治国，彭宝利.水泥生产工艺概论.武汉:武汉理工大学出版社，2005【2】李海涛.新型干法水泥厂生产技术与设备.北京:化学工业出版社，2006【3】居滋培.过程控制系统及其应用.北京:机械工业出版社，2005【4】刘宝坤.计算机过程控制系统.北京:机械工业出版社，2000【5】张雪申，叶西宁.集散控制系统及其应用.机械工业出版社，2006【6】刘国海等.集散控制与现场总线.机械工业出版社，2006【7】张新薇，陈旭东.集散系统及系统开放.机械工业出版社，2005【8】袁任光.集散型控制系统应用技术与实例.机械工业出版社，2003【9】黄步余. 分散控制系统在工业过程中的应用M . 北京: 中国石化出版社, 1994.