基于DCS的造纸厂纸机配浆控制监控系统设计Word格式文档下载.docx
《基于DCS的造纸厂纸机配浆控制监控系统设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于DCS的造纸厂纸机配浆控制监控系统设计Word格式文档下载.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
目录
摘要2
1绪论3
1.1概述3
1.2造纸厂的工艺5
2纸机配浆系统的工艺及I/O节点的设计6
2.1纸机配浆系统6
2.2配浆过程自动控制6
2.3I/O节点的设计7
3DCS控制系统及上下位硬件9
3.1DCS系统简介9
3.2DCS现场控制站10
3.3DCS操作员站11
3.4下位硬件设计及选型11
3.5硬件设计12
3.5.1电源模块12
3.5.2中央处理器模块12
3.5.3S7-300模拟量模块选择12
4KingView组态软件设计14
4.1KingView组态软件简介14
4.2纸机配浆上位监控系统14
4.3.1监控系统流程画面设计15
4.3.2报警画面15
4.3.3状态画面结果16
总结17
参考文献18
摘要
纸在人民生活中的作用有：
载体——文化、信息载体；
工农业材料、产品载体。
保护、装饰材料——日常生活使用、建筑使用；
加工材料——充当特殊条件下的加工、工具材料。
造纸技术水平是国家经济发展标志：
1、纸的消耗量与国内生产总值增长呈同步趋势。
2、纸的消耗量与人民生活水平提高呈同步趋势。
2005年我国纸产量达5600万吨，居世界第2位。
目前我国有造纸企业3500余家。
但大多造纸业存在问题是：
设备落后、能耗、物耗高、产品质量差、档次低、进口量大等原因。
近年来，我国造纸业速发展：
仅2010年总产量达5115.18万吨，表观消费量5184.96万吨，人均消费量33.9kg/人.年
本次课程设计主要是对于机制造纸中的配浆系统进行设计，以达到合理配比、智能控制、节约成本的效果。
采用HOLLSYS公司的HOLLYSYS-MACS多级分布式集散控制系统（DCS），对纸生产线中的控制环节进行了优化处理。
本设计利用KingView组态软件对其进行了编程，编写了配浆，液位高停泵、液位高报警等程序。
关键词：
集散控制系统，HOLLYSYS-MACS，控制软件,KingView组态软件
1绪论
1.1概述
计算机的应用促进了控制理论的发展。
先进控制的理论和计算机技术的发展推动了工业控制的微机化、智能化和网络化，也推进了先进控制理论的应用。
同时，先进控制理论的成功应用也促进了控制理论的持续和深入的开展。
因此，计算机在工业生产和理论研究中发挥的作用是无法估量的。
同时采用计算机控制可以实现工业过程连续化、大型化和精密化的要求，可以进行在线运算，完成一些比PID更灵活的控制。
计算机控制是关于计算机技术如何应用于工业生产过程自动化的一门综合性学问。
计算机控制的应用领域是非常广泛的，从计算机应用的角度出发，工业自动化是其重要的一个领域；
而从工业自动化的领域来看，计算机控制系统又是其主要的实现手段。
可以说，计算机控制系统与用于科学计算及数据处理的一般计算机是两类不同用途、不同结构组成的计算机系统。
计算机控制系统是融计算机技术与工业过程控制于一体的综合性技术，它是在常规仪表控制系统的基础上发展起来的。
图1-1计算机控制系统硬件组成框图
1）主机
由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM）和系统总线构成的主机是控制系统的核心。
主机根据过程输入通道发送来的实时反映生产过程工况的各种信息，以及预定的控制算法，做出相应的控制决策，并通过过程输出通道向生产过程发送控制命令。
主机所产生的各种控制是按照人们事先安排好的程序进行的。
这里，实现信号输入、运算控制和命令输出等功能的程序已预先存入内存，当系统启动后，CPU就从内存中逐条取出指令并执行，以达到控制目的。
2）常规外部设备
常规外部设备由输入设备、输出设备和外存储器等组成。
常规的输入设备有键盘、光电输入机等，主要用来输入程序、数据和操作命令。
常规的输出设备有打印机、绘图机、显示器（CRT显示器或数码显示器）等，主要用来把各种信息和数据提供给操作者。
外存储器有磁盘装置（软盘、硬盘和半导体盘）、磁带装置，兼有输入/输出两种功能，主要用于存储系统程序和数据。
这些常规的外部设备与主机组成的计算机基本系统（即通常所言的计算机），用于一般的科学计算和管理是可以满足要求的，但是用于工业过程控制，则必须增加过程输入/输出设备。
3）过程输入/输出设备
过程输入/输出设备是在计算机与工业对象之间起着信息传递和转换作用的装置，除了其中的测量变送单元和信号驱动单元属于自动化仪表的范畴外，主要是指过程输入/输出通道（简称过程通道）。
过程输入通道包括模拟量输入通道（简称A/D通道）和数字量输入通道（简称DI通道），分别用来输入模拟量信号（如温度、压力、流量、液位等）和开关量信号（继电器触点、行程开关、按钮等）或数字量信号（如转速、流量脉冲、BCD码等）。
过程输出通道包括模拟量输出通道（简称D/A通道）和数字量输出通道（简称DO通道），D/A通道把数字信号转换成模拟信号后再输出，DO通道则直接输出开关量信号或数字量信号。
4）操作台
操作台是操作员与系统之间进行人机对话的信息交换工具，一般由CRT显示器（或LED等其他显示器）、键盘、开关和指示灯等构成。
操作员通过操作台可以了解与控制整个系统的运行状态。
操作员分为系统操作员与生产操作员两种。
系统操作员负责建立和修改控制系统，如编制程序和系统组态；
生产操作员负责与生产过程运行有关的操作。
为了安全和方便，系统操作员和生产操作员的操作设备一般是分开的。
5）接口电路
主机与外围设备（包括常规外部设备和过程通道）之间，因为外设结构、信息种类、传送方式、传送速度的不同而不能直接通过总线相连，必须通过其间的桥梁——接口电路来传送信息和命令。
计算机控制系统有各种不同的接口电路，一般分为并行接口、串行接口、管理接口和专用接口等几类。
6）通信设备
现代化工业生产过程的规模一般比较大，其控制与管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机才能分级完成控制和管理任务。
这样，在不同地理位置、不同功能的计算机之间就需要通过通信设备连接成网络，以进行信息交换。
1.2造纸厂的工艺
造纸厂，是通过机制流水线的形式进行造纸的工厂。
造纸分有机制和手工两种形式。
机制是在造纸机上连续进行，将适合于纸张质量的纸浆，用水稀释至一定浓度，在造纸机的网部初步脱水，形成湿的纸页，再经压榨脱水，然后烘干成纸。
手工则用有竹帘、聚酯网或铜网的框架，将分散悬浮于水中的纤维抄成湿纸页，经压榨脱水，再行晒干或烘干成纸。
造纸机械的基本组成部分按照纸张形成的顺序分为网部、压榨、前干燥、后压榨、后干燥、压光机、卷纸机等。
其工艺为流浆箱输出的纸浆在网部脱水成型，在压榨部进行压缩使纸层均匀，经过前干燥进行干燥，接着进入后压榨进行施胶，再进入后干燥器烘干处理，然后利用压光机使纸张平滑，最后通过卷纸机形成母纸卷。
造纸工艺流程图如下所示：
图1-2造纸厂纸机配浆系统的工艺
2纸机配浆系统的工艺及I/O节点的设计
2.1纸机配浆系统
配浆的目的是通过配浆的机械作用，处理水中的纸浆纤维，使其发生物理化学变化而获得一些特定的性质，以满足纸或纸板生产的质量要求。
针叶木浆配浆过程：
针叶木浆由4双圆盘磨浆机和高位箱组成的串联连续循环配浆系统。
在正常工作时，系统进行串联连续循环配浆。
但在有些情况下，如：
刚开始配浆时，需要进行循环配浆。
成浆送入针木成浆池。
阔叶木浆配浆过程：
阔木浆由2双圆盘磨浆机和高位箱组成的串联连续循环配浆系统。
损纸配浆过程的其他要求：
在有些配浆过程中需要间歇的对配浆设备进行清洗工作。
2.2配浆过程自动控制
（a）自动控制回路。
配浆过程的流量自动控制回路；
配浆过程差压控制及内循环量的控制。
（b）配浆设备恒功率控制（通过对成线盘磨的功率自动/手动的分配，实现进、退刀，调整配浆设备动刀和静刀间隙），保证配浆质量的连续稳定以及设备的正常运行。
（c）配浆机设有浆压、水压、油温等连锁控制装置，保护设备正常运行。
（d）系统设有清洗水压力手动遥控系统，在配浆过程结束时用一清洗配浆设备，为下一次配浆作好准备工作。
（e）系统设有配浆过程三通控制功能，可以实现连续配浆和循环配浆的切换功能。
（f）配浆质量控制，质量控制是配浆控制的最后一个环节，用配浆度软测量技术测得配浆度（用化验值校正），用以控制配浆设备稳定配浆质量。
（g）保存几组配浆过程最佳参数，可直接调用。
（h）顺序停、开车控制，紧急停车控制。
图2-1生产线流程简图
针木浆板或阔木浆板经水力碎浆机碎浆后，形成4%～5%浓度的原浆，分别经过各自的双盘磨配浆线配浆，形成约3.6%浓度的成浆，分别储存在各自的成浆池中。
由干损纸碎浆机来的损纸浆经盘磨配浆后，加上网部回收的湿损纸浆，储存在损纸成浆池中。
三种浆按一定比例配成生产用的混合浆，浓度调到2.5%左右，经冲浆池稀释后到纸机流浆箱抄造。
在此过程中还要控制加入各种助剂。
浆料从流浆箱出来后上纸机网部、真空系统、白水回收系统以及蒸汽系统，最后到卷纸机。
2.3I/O节点的设计
控制系统选用北京和利时系统工程股份有限公司的HOLLIAS-MACS。
该系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术，具有可靠、先进、高性价比的特点。
在硬件上，系统的电源、主控单元、I/O设备、网络都采用冗余技术，提高了硬件的可靠性。
而且，采用特殊保护措施，系统的所有模块（AI、AO、DI、DO）都可带电插拔，对系统的运行不产生影响。
根据工艺要求和现场情况，设置两个DCS主控室，分别位于纸间和浆间，主控柜和1#扩展柜以及浆间操作站位于浆间DCS室，2#扩展柜和纸间操作站位于纸间DCS室，三个OMRON可编程控制器分别安装在现场操作台内，通过PROFIBUS-DP总线和主控单元FM801交换数据。
主控柜内安装有互为冗余的150W电源模块FM911共2个，互为冗余的主控单元FM801共2个，8路模拟量输入模块FM148A共6个，6路模拟量输出模块FM151共4个，16路开关量输入模块共4个，16路开关量输出模块FM171共3个；
1#扩展柜内安装有互为冗余的电源模块FM911共2个，AI模块FM148A共7个，AO模块FM151共5个，DI模块共5个，DO模块FM171共3个；
3#扩展柜内安装有互为冗余的电源模块FM911共2个，AI模块FM148A共四个，AO模块FM151共3个，DI模块共1个，DO模块FM171共1个。
系统图如图4-2所示。
图2-2生产线控制系统图
功能化分为以下几种。
主控柜：
针木配浆线、阔木配浆线、损纸线、配浆系统。
1#扩展柜：
助剂、真空系统、白水回收系统。
2#扩展柜：
蒸汽系统、表面施胶。
PLC：
各盘磨的连锁控制、恒功率控制。
3DCS控制系统及上下位硬件
3.1DCS系统简介
随着生产规模的扩大，信息量的增多，控制和管理的关系日趋密切。
对于大型企业生产的控制和管理，不可能只用一台计算机来完成。
于是，人们研制出以多台微型计算机为基础的分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）。
DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。
DCS又称分布式或集散式控制系统。
MACS是北京和利时（Hollysys）开发的分层分布式的大型综合控制系统，用以完成大、中型分布式控制，大型数据采集监控，具有数据采集、控制运算、控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事故顺序识别，事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算，以及所有这些信息的组态，调试、打印、下装、诊断等功能。
该系统采用了目前世界上先进的现场总线技术（ProfiBus-DP总线），对控制系统实现计算机监控，具有可靠性高、适用性强等优点，是一个完善，经济、可靠的控制系统。
MACS系统硬件结构如下图。
它是由网络、管理网关、通信网络、管理网网关、通信控制站、现场控制站、系统服务器、工程师站、操作员站、高级计算机站等组成。
一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：
至少一台现场控制站，至少一台操作员站一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站），一条系统网络。
一个典型的DCS体结构如图2-3所示，图中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。
除了上述四个基本的组成部分之外，DCS还可包括完成某些专门功能的站、扩充生产管理和信息处理功能的信息网络。
以及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。
图3-1DCS的内部结构
3.2DCS现场控制站
现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。
系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。
现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。
在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。
现场控制站内的逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，如Multibus、VME、STD、ISA、PCI04、PCI和CompactPCI等。
由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的隔离，成本较高，很难方便地实现扩充，现场控制站内的逻辑部分和现场I/O之间的连接方式转向了串行总线。
现场控制站是MACS系统实现数据采集和过程控制的重要特点，主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果船送到系统服务器等功能，它由电源单元、主控单元、智能I/O单元和专用机柜四部分组成。
现场控制站内部采用了分布式的结构，与系统网络相连接的是现场控制站的主控单元，可冗余配置。
主控单元通过控制网络（C-NET）与各个智能I/O单元实现连接。
硬件配置：
可根据系统规模,配置多个控制器;
每个控制器最大配置128个IO通道；
单点IO模块可带电插拔,即插即用;
模拟量与数字量可任意组合；
100Mbps通讯速率；
支持TCPIP协议;
电源模块与控制器可冗余热备份；
提供一个RS232端口备用。
3.3DCS操作员站
操作员站（OPS）操作员站由高可靠工业微机及专用工业键盘、轨迹球或触摸屏等设备和人机对话、画面显示等专用软件组成。
主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。
其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。
为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。
MACS专用的操作员站软件是运行在中文WindowsNT上的实施监控软件。
该软件包含的任务主要由模拟流程图显示、趋势显示、参数列表显示、工艺报警显示、日志和事件查询显示及控制调节和参数整定等操作功能。
操作员站监控软件是最重要的人机界面，支持专用工业键盘，轨迹球或触摸屏等外部设备。
操作站硬件配置要求:
奔腾100以上工业PC机；
16M以上内存;
540M以上高速硬盘；
支持800*600、256色以上的显示卡和显示器；
10M100M自适应以太网卡。
3.4下位硬件设计及选型
上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。
下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。
上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。
简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：
上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。
在概念上，控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，也可以理解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的。
通常工控机，工作站，触摸屏作为上位机，通信控制PLC，单片机等作为下位机，从而控制相关设备元件和驱动装置。
设计与选择：
SIEMENSSIMATIC运行时要进行一系列的操作，大致可分为四个阶段，以故障诊断通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入输出操作，执行用户程序的操作以及服务于外部设备的操作。
S7-300PLC与其它可编程序控制器一样都是采用分时操作的原理，即循环扫描方式，也就是说首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像区寄存器，接着执行用户程序，最后从输出过程映像寄存器将值输出到输出模块，一次循环下去。
S7-300PLC功能强、速度快，扩展灵活，它具有结构紧凑、无槽位限制的模块化结构。
并且可以通过MPI网的接口与可编程器（PG）、操作员模块（OP）、和其它S7系列相连。
S7-300主要组成部分有：
导轨（RACK）、电源模板（PS）、中央处理单元（CPU）、信号模板（SM）、模板功能（FM），还可加上接口模板（IM）和通信处理器（CP）。
3.5硬件设计
3.5.1电源模块
选择电源要考虑：
PS307电源模块的特点为：
连接单相交流系统（输入电压120/230VAC,50/60HZ），输出电流2A/5A/10A，输出电压24VDC，防短路和开路保护，可靠的隔离特性，符合EN60950，可用做负载电源。
本设计选用的是PS3075A为配浆控制系统的CPU提供电源。
3.5.2中央处理器模块
S7-300的CPU模块种类有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU315、CPU315-2DP等。
CPU模块除了执行用户程序外，还为S7-300背板总线提供5VDC电源，并通过MPI接口与其它中央处理器或编程装置通信。
S7-300的编程装置可以是西门子专用的编程器，如PG705、PG720、PG740、PG760等，也可以用通用微机，配以STEP7软件包，与MPI卡和MPI编程电缆构成。
S7-300的CPU有很多种类型，可以分为以下几种：
（a）标准型：
CPU312、CPU313、314、315、315-2DP和316-2DP。
（b）紧凑型CPU：
CPU312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。
各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。
有的有定位功能，有的带有I/O。
（c）户外型：
CPU312IFM、314IFM、314户外型,在恶劣的环境下使用。
（d）高端CPU：
317-2DP和CPU318-2DP。
（e）故障型CPU：
CPU315F。
本设计选用标准型CPU模块：
CPU314。
3.5.3S7-300模拟量模块选择
S7-300有多种型号的模拟量模块可供选择。
本设计选用了1个SM-331模拟量输入模块，2个SM332模拟量输出模块。
SM-331模块主要完成浓度、流量以及整个系统中其他模拟量的采集功能，SM332主要处理浓度、流量的输出信号。
（1）模拟量输入模块SM-331
模拟量输入（简称模入，AI）模块SM331目前有多种规格型号，如8AI
12位模块、2AI
12位模块和8AI
16位模块，分别为8通道的12位模拟量输入模块、2通道的12位模拟量输入模块、8通道的16位模拟量输入模块。
它们除了通道数和转换精度不一样外，其工作原理、性能、参数设置等各方面都一样。
SM331模块中的各通道可以分别使用电流输入或电压输入，并选用不同的量程（量程可通过量程卡来设置;
没有量程卡的模块时也可以通过不同的端子接线方式设置），有多种分辨率可供选择（9-15位+符号,与模块有关）,分辨率不同，转换时间也不同。
模拟量转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号是被依次轮流转换的。
（2）模拟量输出模块SM-332
模拟量输出（简称模出，AO）模块SM332目前有三种规格型号，即4AO×
12位模块、2AO×
12位模块和4AO×
16为模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块和4通道的16位模拟量输出模块。
用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器，可以用传送指令“TPQW...”向模拟量输出模块写入要转换的数值。
SM332可以输出电压，也可以输出电流。
在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。
采用4线回路能获得比较高的输出精度。
4KingView组态软件设计
4.1KingView组态软件简介
KINGVIEW中文名叫作组态王,组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生
升级会员 