1、 學號： 常 州 大 學 畢業設計（論文） 題 目 間歇式化學反應器分程控制系統設計 學 生 學 院 信息科學與工程學院 專業班級 校內指導教師 專業技術職務 校外指導老師 專業技術職務 二一二年六月 間歇式化學反應器分程控制系統設計摘 要：在現代化工業生產過程中，安全性與化學反應器密切相關。為保證化學反應器能正常工作，對其進行有效的控制顯得十分必要，分程控制在間歇式化學反應器中起到了廣泛的作用。間歇式化學反應器具有極大的靈活性和多功能性的特點，它是一種間歇的按批量進行反應的化學反應器，液體物料在反應器內完全混合而無流量進出。本文主要介紹了間歇式化學反應器的分程控制系統的設計。首先，介紹了可編

2、程控制器plc及mcgs組態軟件；然后介紹了間歇式分程控制系統的設計方案，并對plc程序設計及監控軟件設計進行了詳細介紹。監控系統設計包括上位機與下位機通訊，模擬動態運行，并對整個分程控制過程進行實時監控，顯示動態實時曲線，保存歷史數據。本控制系統的監控界面操作方便，簡潔，有利于提高生產效率。關鍵詞:間歇式化學反應器，分程控制，plc，組態軟件 design of the split range control system with batch chemical reactorabstract:in modern chemical industrial production process,

3、 the security is closely related to the chemical reactor. in order to ensure that the chemical reactor works normally, it is very necessary to control effectively, and split range control system has played an extensive role in the batch chemical reactor.batch chemical reactors have great flexibility

4、 and versatility of features. it is an intermittent chemical reaction batch reactor, the liquid material in the reactor completely mixed and no flow in and out.this paper describes the design of the split range control of batch reactor system.first, it introduces the programmable logic controller an

5、d mcgs configuration software; then the design of split range control system with batch chemical reactor, and plc programming and monitoring software design is described in detail. the monitoring system design includes the communication of pc with the sub machine, the simulate of the dynamic operati

6、on,the entire split range control process real-time monitoring of the dynamic real-time curve, the storage of historical data.the interface of the control system is shortcut and convenient, and can greatly improve the industrial producing efficiency. key words:batch chemical reactor; split range con

7、trol; configuration software目 錄摘要i目錄iii1 引言11.1 課題研究的意義、國內外研究現狀和發展趨勢11.2. 課題的研究目標、內容和擬解決的關鍵問題32 可編程控制器（plc）42.1 plc介紹42.2 plc系統的硬件組成及其工作原理42.3 s7200系列plc52.4 plc編程軟件step 7-micro/win v4.063 組態軟件93.1 組態軟件介紹93.2 mcgs的特點與功能114 間歇式分程控制系統總體設計134.1 間歇式分程控制系統原理134.2間歇式分程控制系統硬件結構155 plc程序設計175.1 控制任務175.2 地址

8、分配175.3 pid控制器及控制指令185.3.1 pid控制器185.3.2 pid控制指令195.4 plc程序設計225.4.1 系統流程圖225.4.2 plc程序246 監控軟件設計276.1 mcgs與plc通信276.2 創建實時數據庫276.3 監控界面設計306.3.1 主控界面設計306.3.2 報表組態336.3.3 實時曲線與歷史曲線組態347 系統調試378 結束語39參 考 文 獻40致 謝411 引言在間歇式生產化學反應過程中，當反應物投入設備后，為了使其達到化學反應溫度，往往在反應開始前需要給它提供一定的熱量。一旦達到反應溫度后，就會隨著化學反應的進行不斷釋放

9、出熱量 ，這些熱量如不及時移走反應就會越來越劇烈，以至會有爆炸的危險。因此對于這種間歇式化學反應器既要考慮反應前的預熱問題，又要考慮反應過程中及時移走反應熱的問題。為此我們采用本文介紹的分程控制的辦法來實現反應的恒溫控制。利用一個控制器的輸出，通過與閥門定位器的配合，分段地控制兩個或兩個以上的調節閥的控制系統，稱為分程控制系統。由于分程控制系統能在被控變量的變化范圍的不同取值范圍時采取不同的控制手段，滿足某些特殊工況的需要，因此在復雜過程的控制中得到了較多的應用，如應用在某些精餾塔的壓力控制中。在分程控制中，由于用一個控制器的輸出信號，同時控制兩個或兩個以上的調節閥，使它們在信號的全范圍內分別

10、動作，因此對每一個調節閥來說就存在一個分程特性的問題，即存在當控制器的輸出信號發生變化時，每一個調節閥是如何動作的問題。分程特性的確定在分析、設計和應用分程控制系統時是一個重要的問題。我們對分程控制系統中調節閥分程特性的確定方法進行了進一步的計算，提出了一種更為簡便、快速、精確和方便的控制方法1。1.1 課題研究的意義、國內外研究現狀和發展趨勢 首先，我們要正確認識化學反應器在現代工業中的重要性。化學反應器是整個石化行業的龍頭，提高生產率、減少后處理的負荷，從而降低生產成本，這一切化學反應器起著關鍵作用；其次化學反應器經常處在高溫、高壓、易燃、易爆條件下進行反應。 化學反應器按反應器的進出物料

11、狀況可以分為連續式和間歇式。其中，間歇式化學反應器具有極大的靈活性和多功能性的特點，它是一種間歇的按批量進行反應的化學反應器，液體物料在反應器內完全混合而無流量進出。采用間歇操作的反應器叫做間歇反應器，其特點是進行反應所需的原料一次裝入反應器，然后在其中進行反應，經一定的時間后，達到所要求的反應程度便卸除全部反應物料，其中主要是反應產物以及少量未被轉化的原料。另外，整個石化生產的安全與化學反應器密切相關。為保證化學反應器能正常工作，對其進行有效的控制顯得十分必要2。為了滿足工藝操作的特殊要求，間歇式反應器的內溫調節系統采用了分程控制系統方案。工業自動控制裝置的種類有很多，本課題采用的plc是以

12、微處理器為核心，綜合了計算機技術和自動化技術而發展起來的一種工業自動控制裝置，具有體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等特點，使得plc迅速普及，廣泛應用。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，使可編程邏輯控制器增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置。此時的可編程邏輯控制器為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。個人計算機發展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程邏輯控制器定名為programmable logic controller（plc）。20世紀70年代中末期，可編程邏輯控制器進入實用化發展

13、階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、pid功能及極高的性價比奠定了它在現代工業中的地位。20世紀80年代初，可編程邏輯控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀80年代至90年代中期，是可編程邏輯控制器發展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，plc在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，可編程邏輯控制器逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的

14、dcs系統。20世紀末期，可編程邏輯控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。這個時期發展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程邏輯控制器的工業控制設備的配套更加容易。可編程控制器控制技術已廣泛應用于礦業、機械、輕工等領域，為工業自動化提供了有力的工具，加速了機電一體化的進程3。使用情況大致可歸納為如下幾類：開關量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制、數據處理、通信及聯網。未來，plc會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品

15、規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發展情況來看,可編程控制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制統是可編程控制器技術的發展方向4。plc通過ppi電纜與計算機相連，在計算機上采用mcgs組態軟件開發監控軟件實現對控制系統的監控管理。組態軟件mcgs為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實施現場監控5。mcgs組態軟件是北京昆

16、侖通態自動化軟件科技有限公司開發的一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，它具有簡單靈活的可視化操作界面、實時性強、良好的并行處理性能、廣泛的數據獲取和強大的數據處理功能、完善的安全機制、強大的網絡功能和多樣化的報警功能、支持多種硬件設備等特點，使得mcgs組態軟件在自動化領域得到了廣泛應用。 先進控制技術以其獨特的優勢和良好的性能在間歇化學反應過程中的應用越來越多，控制算法研究也在不斷推陳出新，使得間歇化學反應先進控制技術研究成為一個活躍的領域。先進控制技術將為穩定生產過程、提高產品質量、降低生產能耗、增強企業能力發揮重要作用6。1.2. 課題的研究目標、內容和擬解決的關鍵問題 本設

17、計的控制對象為間歇式化學反應器，根據其工藝流程和控制要求，選用分程控制系統。本課題要求該控制系統采用在工業領域有著廣泛應用的西門子s7200作為控制器，完成對間歇式化學反應器的控制。plc通過ppi電纜與計算機相連，在計算機上采用mcgs組態軟件開發監控軟件實現對控制系統的監控管理，同時要求該監控軟件具有顯示動態畫面，趨勢曲線、報警、數據顯示、實時修改控制參數、數據報表、使用權限等功能。通過編寫pid溫度控制程序，再將程序中的地址和需要測控的參數關聯起來，并以此設計mcgs組態，從而實現用mcgs組態監控的方法直觀、方便地操控反應的進行。本課題的關鍵問題：a.實現plc控制裝置與pc機的通訊。

18、b.編寫plc程序完成對間歇式化學反應器的控制。c.用mcgs組態軟件開發上位機監控系統。 2 可編程控制器（plc）2.1 plc介紹 可編程控制器是60年代末在美國首先出現的，當時叫可編程邏輯控制器plc（programmable logic controller），目的是用來取代繼電器。以執行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能。提出plc概念的是美國通用汽車公司。plc的基本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優點和繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據實際應用對象，將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內,使控制器和被控

19、對象連接方便。 70年代中期以后，plc已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規模甚至超大規模的集成電路，這時的plc已不再是僅有邏輯(logic)判斷功能，還同時具有數據處理、pid調節和數據通信功能。國際電工委員會(iec)頒布的可編程控制器標準草案中對可編程控制器作了如下的定義：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算，順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，易于與工業控制

20、系統聯成一個整體，易于擴充其功能的設計。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應用。 2.2 plc系統的硬件組成及其工作原理 （1）plc的硬件可編程邏輯控制器實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為： a.電源 可編程邏輯控制器的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設計和制造也十分重視。 b.中央處理單元(cpu)中央處理單元(cpu)是可編程邏輯控制器的控制中樞。

21、它按照可編程邏輯控制器系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入i/o映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入i/o映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將i/o映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。c.存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器

22、。 d.輸入輸出接口電路現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現場控制的接口界面的輸入通道。現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。 e.功能模塊如計數、定位等功能模塊。f.通信模塊 （2）plc的工作原理 當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的cpu以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 a.輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯

23、控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入i/o映象區中的相應的單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，i/o映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 b.用戶程序執行階段在用戶程序執行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，

24、刷新該邏輯線圈在系統ram存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。 c.輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時才是可編程邏輯控制器的真正輸出。 2.3 s7200系列plc s7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。s7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此s7-200系列具有極高的

25、性價比。 （1）s7200特點l 極高的可靠性。l 極豐富的指令集。l 易于掌握。l 便捷的操作。l 豐富的內置集成功能。l 實時特性。l 強勁的通訊能力。l 豐富的擴展模塊。 （2）s7200的擴展模塊 s7-200系列plc是模塊式結構，可以通過配接各種擴展模塊來達到擴展功能、擴大控制能力的目的。目前s7-200主要有三大類擴展模塊。a.輸入/輸出擴展模塊s7-200 cpu上已經集成了一定數量的數字量i/o點，但如用戶需要多于cpu單元i/o點時，必須對系統做必要的擴展。cpu221無i/o擴展能力，cpu 222最多可連接2個擴展模塊（數字量或模擬量），而cpu224和cpu226最多

26、可連接7個擴展模塊。cpu226適用于復雜的中小型控制系統，可擴展到248點數字量和35路模擬量，有兩個rs-485通信接口。 s7-200 plc系列目前總共提供共5大類擴展模塊：數字量輸入擴展板em221（8路擴展輸入）；數字量輸出擴展板em222（8路擴展輸出）；數字量輸入和輸出混合擴展板em223（8i/o，16i/o，32i/o）；模擬量輸入擴展板em231，每個em231可擴展3路模擬量輸入通道，a/d轉換時間為25s，12位；模擬量輸入和輸出混合擴展模板em235，每個em235可同時擴展3路模擬輸入和1路模擬量輸出通道，其中a/d轉換時間為25s，d/a轉換時間100s，位數均

27、為12位。b.熱電偶/熱電阻擴展模塊 熱電偶、熱電阻模塊（em231）是為cpu222，cpu224，cpu226設計的，s7-200與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過模塊上的dip開關來選擇熱電偶或熱電阻的類型，接線方式，測量單位和開路故障的方向。 c.通訊擴展模塊 除了cpu集成通訊口外，s7-200還可以通過通訊擴展模塊連接成更大的網絡。s7-200系列目前有兩種通訊擴展模塊：profibus-dp擴展從站模塊（em277）和as-i接口擴展模塊（cp243-2）。2.4 plc編程軟件step 7-micro/win v4.0 西門子于2007年2月正式推出s7-200新

28、版編程軟件step 7-micro/win v4.0 sp5，它是目前的最新版本。s7-200 cn cpu必須配合step 7-micro/win v4.0 sp3或以上版使用。step 7-micro/win v4.0 sp3配合s7-200 cn使用時，必須設置語言環境為中文才能正常工作。step 7-micro/win編程軟件為用戶開發、編輯和監控自己的應用程序提供了良好的編程環境。它簡單、易學，能夠解決復雜的自動化任務。它的優點很明顯：適用于所有simatic s7-200 plc機型軟件編程；同時支持stl、lad、fbd三種編程語言，用戶可以根據自己的喜好隨時在三者之間切換；軟件

29、包提供無微不至的幫助功能，即使初學者也能容易地入門；包含多國語言包，可以方便地在各語言版本間切換；具有密碼保護功能，能保護代碼不受他人操作和破壞。 step 7-micro/win提供軟件工具幫助調試和測試程序。這些特征包括：監視s7-200正在執行的用戶程序狀態，為s7-200指定運行程序的掃描次數，強制變量值等。指令向導功能：pid自整定界面；plc內置脈沖串輸出(pto)和脈寬調制(pwm)指令向導；數據記錄向導；配方向導。支持td 200、td 200c和td 400c文本顯示界面。 a.運動控制 s7-200提供有開環運動控制的三種方式： l 脈寬調制（pwm）內置于s7-200，用

30、于速度、位置或占空比控制。 l 脈沖串輸出（pto）內置于s7-200，用于速度和位置控制。 l em253位控模塊用于速度和位置控制的附加模塊。 為了簡化應用程序中位控功能的使用，step7-micro/win提供的位控向導可以幫助用戶在幾分鐘內全部完成pwm、pto或位控模塊的組態。該向導可以生成位控指令，用戶可以用這些指令在應用程序中對速度和位置進行動態控制。對于位控模塊，step 7-micro/win還提供了一個控制面板，可以控制、監視和測試用戶的運動操作。 b.創建調制解調模塊程序 使用em241調制解調模塊可以將s7-200直接連到一個模擬電話線上，并且支持s7-200與 2 s

31、tep 7-micro/win的通訊。該調制解調模塊還支持modbus從站rtu協議，該模塊與s7-200之間的通訊通過擴展i/o總線實現。step 7-micro/win提供一個調制解調擴展向導，它可以幫助用戶設置一個遠端的調制解調器，或者設置將s7-200連向遠端設備的調制解調模塊。 c.uss協議庫 step 7-micro/win指令庫，該指令庫包括預先組態好的子程序和中斷程序，這些子程序和中斷程序都是專門為通過uss協議與驅動通訊而設計的。通過uss指令，用戶可以控制這個物理驅動，并讀/寫驅動參數。可以在step 7-micro/win指令樹的庫文件夾中找到這些指令。當用戶選擇一個u

32、ss指令時，系統會自動增加一個或多個相關的子程序（uss1到uss7）。 d.modbus從站協議指令 step 7-micro/win指令庫包含有專門為modbus通訊設計的預先定義的子程序和中斷服務程序，使得與modbus主站的通訊簡單易行。使用modbus從站協議指令，用戶可以將s7-200組態作為modbus rtu從站，與modbus主站通訊。可以在step 7-micro/win指令樹的庫文件夾中找到這些指令。通過這些新指令，可以將s7-200作為modbus從站。當選擇一個modbus從站指令時，會有一個或多個相關的子程序自動添加到用戶的項目中。 e.使用配方 step 7-mi

33、cro/win軟件中提供了配方向導程序來幫助用戶組織配方和定義配方。配方存在存儲卡中，而不是plc中。step 7-micro/win軟件和s7-200 plc已經支持配方功能。step 7-micro/win軟件中提供了配方向導程序來幫助用戶組織配方和定義配方。所有配方存在存儲卡中。因此，為了使用配方功能，必須要在plc中插入一塊64k或者256k的存儲卡。要查閱關于存儲卡的更多信息。 f.使用數據記錄 step 7-micro/win提供數據記錄向導，將過程測量數據存入存儲卡中。將過程數據移入存儲卡可以節省v存儲區的地址空間，否則這些數據將儲存在v存儲區中。 g.pid自整定和pid整定控

34、制面板s7-200plc已經支持pid自整定功能，step 7-micro/win中也添加了pid整定控制面板。這就大大增強了s7-200plc的功能，并且使這一功能的使用變得更加容易。可以使用操作員面板中的用戶程序或者pid整定控制面板來啟動自整定功能。在同一時間，不僅僅只有一個pid回路可以進行自整定，如果需要的話，所有8個pid回路可以同時進行自整定。pid自整定算法向用戶推薦增益值、積分時間值和微分時間值。用戶也可以為自己的調節回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或者極慢速響應等調節類型。用pid整定控制面板，用戶可以啟動自整定過程，取消自整定過程和在圖表中監視結果。控制面板會顯示所有

35、可能發生的錯誤和警告信息。它也允許用戶將自整定后得到的增益值、積分時間值和微分時間值應用到實際控制中去。plc程序設計運行是通過編程軟件step 7-micro/win v4.0來完成的。step 7-micro/win v4.0可以使用包括中文在內的多種語言，有梯形圖、語句表和功能塊圖編程語言，和simatic、iec 61131-3兩種編程模式。s7-200的指令功能強，易于掌握。step 7-micro/win的監控功能形象直觀、使用方便。可以用3種編程語言監控程序的執行情況，用狀態表監視、修改和強制變量，用趨勢圖監視變量。用系統塊設置參數方便直觀7。3 組態軟件3.1 組態軟件介紹組態

36、軟件指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發界面和簡捷的使用方法，它解決了控制系統通用性問題。其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和i/o產品，與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進行系統集成。（1）組態軟件的功能 a.界面顯示組態功能目前，工控組態軟件大都運行于windows環境下，充分利用windows的圖形功能完善界面美觀的特點，可視化的風格界面、豐富的工具欄，操作人員可以直接進人開發

37、狀態，節省時間。豐富的圖形控件和工況圖庫，既提供所需的組件，又是界面制作向導。提供給用戶豐富的作圖工具，可隨心所欲地繪制出各種工業界面，并可任意編輯，從而將開發人員從繁重的界面設計中解放出來，豐富的動畫連接方式，如隱含、閃爍、移動等等，使界面生動、直觀。b.良好的開放性社會化的大生產，使得系統構成的全部軟硬仵不可能出自一家公司的產品，“異構”是當今控制系統的主要特點之一。開放性是指組態軟件能與多種通信協議互聯，支持多種硬件設備。開放性是衡量一個組態軟件好壞的重要指標。 組態軟件向下應能與低層的數據采集設備通信，向上能與管理層通信，實現上位機與下位機的雙向通信。c.豐富的功能模塊提供豐富的控潲功

38、能庫，滿足用戶的測控要求和現場需求。利用各種功能模塊，完成實時監控 產生功能報表 業示歷史曲線、實時曲線、提供報警等功能，使系統具有良好的人機界面，易于操作，系統既叫適用于單機集中式控制、dcs分布式控制，也可以是帶遠程遇信能力的遠程測控系統 d.強大的數據庫配有實時數據庫，可存儲各種數據，如模擬量、離散量、字符型等，實現與外部設備的數據交換。 e.可編程的命令語言有可編程的命令語言，使用戶可根據自己的需要編撰程序，增強圖形界面。f.周密的系統安全防范對不同的操作者，賦予不同的操作權限，保證整個系統的安全可靠運行。g.仿真功能提供強大的仿真功能使系統并行設計，從而縮短開發周期。（2）常用的組態

39、軟件a.intouchwonderware（萬維公司）是 invensys plc“生產管理”部的一個運營單位，是全球工業自動化軟件的領先供應商。wonderware的intouch軟件是最早進入我國的組態軟件。在80年代末、90年代初，基于windows3.1的intouch軟件曾讓我們耳目一新，并且intouch提供了豐富的圖庫。但是，早期的intouch軟件采用dde方式與驅動程序通信，性能較差，最新的intouch7.0版已經完全基于32位的windows平臺，并且提供了opc支持。b.ifixge fanuc智能設備公司由美國通用電氣公司（ge）和日本fanuc公司合資組建，提供自動

40、化硬件和軟件解決方案，幫助用戶降低成本，提高效率并增強其盈利能力。intellution公司以fix組態軟件起家，1995年被愛默生收購，現在是愛默生集團的全資子公司，fix6.x軟件提供工控人員熟悉的概念和操作界面，并提供完備的驅動程序（需單獨購買）。上世紀90年代末，intellution公司重新開發內核，并將重新開發新的產品系列命名為ifix。在ifix中，intellution提供了強大的組態功能，將fix原有的script語言改為vba（visual basic for application），并且在內部集成了微軟的vba開發環境。為了解決兼容問題，ifix里面提供了程序叫fix

41、desktop，可以直接在fix desktop中運行fix程序。intellution的產品與microsoft的操作系統、網絡進行了緊密的集成。intellution也是opc（ole for process control）組織的發起成員之一。ifix的opc組件和驅動程序同樣需要單獨購買。2002年，ge fanuc公司又從愛默生集團手中，將intellution公司收購。2009年12月11日，通用電氣公司（紐約證券交易所：ge）和fanuc公司宣布，兩家公司完成了ge fanuc自動化公司合資公司的解散協議。根據該協議，合資公司業務將按照其起初來源和比例各自歸還給其母公司，該協議并

42、使股東雙方得以將重點放在其各自現有業務，謀求在其各自專長的核心業內的發展。c.citech悉雅特集團（citect）是世界領先的提供工業自動化系統、設施自動化系統、實時智能信息和新一代 mes 的獨立供應商。cit公司的citech也是較早進入中國市場的產品。citech具有簡潔的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序員，而不是工控用戶。citech提供了類似c語言的腳本語言進行二次開發，但與ifix不同的是，citech的腳本語言并非是面向對象的，而是類似于c語言，這無疑為用戶進行二次開發增加了難度。d.wincc西門子自動化與驅動集團(a&d)是西門子股份公司中最大的集團之一，是西門子工業

43、領域的重要組成部分。siemens的wincc也是一套完備的組態開發環境，simens提供類c語言的腳本，包括一個調試環境。wincc內嵌opc支持，并可對分布式系統進行組態。但wincc的結構較復雜，用戶最好經過siemens的培訓以掌握wincc的應用。e.aspen-tech（艾斯苯公司）艾斯苯公司(aspentechnology,inc.)是一個為過程工業(包括化工、石化、煉油、造紙、電力、制藥、半導體、日用化工、食品飲料等工業)提供企業優化軟件及服務的領先供應商。f.moviconmovicon是意大利自動化軟件供應商progea公司開發。該公司自1990年開始開發基于windows

44、平臺的自動化監控軟件，可在同一開發平臺完成不同運行環境的需要。特色之處在于完全基于xml，又集成了vba兼容的腳本語言及類似step-7指令表的軟邏輯功能。g.世紀星世紀星由北京世紀長秋科技有限公司開發。產品自1999年開始銷售。 h.三維力控三維力控由北京三維力控科技有限公司開發，核心軟件產品初創于1992年。 i.組態王kingview組態王kingview由北京亞控科技發展有限公司開發，該公司成立于1997年。1991年開始創業，1995年推出組態王1.0版本，目前在市場上廣泛推廣kingview6.53、kingview6.55版本，每年銷量在10,000套以上，在國產軟件市場中市場占

45、有率第一。j.紫金橋realinfo紫金橋realinfo由紫金橋軟件技術有限公司開發，該公司是由中石油大慶石化總廠出資成立。k. mcgsmcgs由北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發，市場上主要是搭配硬件銷售。l.態神態神是由南京新迪生軟件技術有限公司開發，核心軟件產品初創于2005，是首款3d組態軟件。在對課題進行綜合考慮之后，得出mcgs的成本低，功能相對較全，可以完全滿足課題的需要的結論，因此本課題選用mcgs組態軟件開發監控系統。3.2 mcgs的特點與功能相對于其他的組態軟件來說，mcgs(monitor and control generated system，通用監控系統)

46、是一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，它能夠在基于microsoft的各種32位windows平臺上運行，通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用8。工控組態軟件mcgs以其操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出優點，已成功應用于包括上海東方明珠電視塔消防控制系統、北京的西客站燈光電源控制系統、中央電視臺消防供水系統等著名工程在內的多種工程應用領域9。 在mcgs嵌入版中，在設備窗口內配置不同類型的設備構件，根據外部設備的類型和特征，設置相關的屬性，將

47、設備的操作方法如硬件參數配置、數據轉換、設備調試等都封裝在構件之中，以對象的形式與外部設備建立數據的傳輸通道連接。系統運行過程中，設備構件由設備窗口同意調度管理。通過通道連接，它既可以向實時數據庫提供從外部設備采集到的數據，供系統其它部分進行控制運算和流程調度，又能從實時數據庫查詢控制參數，實現對設備工作狀態的實時監測和過程的自動控制10。4 間歇式分程控制系統總體設計4.1 間歇式分程控制系統原理 在間歇式生產化學反應過程中，當反應物投入設備后，需加熱升溫，以達到化學反應溫度，這個過程稱為加熱升溫過程；而反應開始后則是一個放熱過程，一旦達到反應溫度后，就會隨著化學反應的進行不斷釋放出熱量，需

48、及時移走反應熱以保證合成產品質量，否則由于連鎖反應以致引起爆炸事故。所以要進行冷卻以保持恒定溫度，這個過程稱為恒溫階段。因此對于這種間歇式化學反應器既要考慮反應前的預熱問題，又要考慮反應過程中及時移走反應熱的問題。為此設計了分程控制系統，系統如圖4.1所示。該控制系統的方塊圖如圖4.2所示。tc蒸汽b閥冷水a閥tt圖4.1 間歇式化學反應器分程控制系統被控對象控制器被控對象變送器b閥a閥給定輸出圖4.2 分程控制系統方塊圖工藝上通入蒸汽進行加熱，通入冷水進行降溫。為達到控制要求需要確定調節閥的分程特性。從生產安全出發，當氣源供氣中斷，或控制系統出現故障而無輸出時，為防止反應器因過熱而發生爆炸，

49、應使冷水閥a打開，而蒸汽閥b關閉，故冷水閥a選用氣關閥，蒸汽閥b選用氣開閥。同時，溫度調節器選擇反作用。這樣既能滿足生產上控制的要求，也能保證當氣源供氣中斷時生產處于安全狀態的要求。在進行化學反應前的升溫階段，由于溫度測量值小于給定值，因此調節器輸出增大，蒸汽閥b開大，冷水閥a關閉，使反應器溫度升高，當達到反應溫度時，化學反應發生，于是就有熱量放出，反應物的溫度逐漸升高。當溫升使測量值大于給定值時，調節器輸出將減小，隨著調節器輸出的減小，蒸汽閥b將逐漸關小乃至完全關閉，而冷水閥a則逐漸打開，這時反應器夾套中流過的將不再是熱水而是冷水，這樣一來反應所產生的熱量就會被冷水給帶走，從而達到維持反應溫

50、度的目的。根據工藝要求，當測量值與給定值相同時，反應器既不用加熱也不用冷卻，因此在分程點時要求a、b兩閥均為關閉11。分程控制系統中控制器輸出信號的分段，是由附設在控制閥上的閥門定位器來實現的。閥門定位器相當于一只可變放大倍數、且零點可以調整的放大器。如果在分程控制系統中采用了a、b兩只分程閥，并且要求a閥在0.020.06mpa信號范圍內作全行程動作，要求b閥在0.060.10mpa信號范圍內作全行程動作，那么，就可以對附設在控制閥a、b上的閥門定位器分別進行調整：使控制閥a的閥門定位器在0.020.06mpa的輸入信號下，輸出由0.02mpa變化到0.10mpa，這樣控制閥a即在0.020

51、.06mpa信號范圍內走完全行程；調整控制閥b的閥門定位器在0.060.10mpa的輸入信號下，輸出由0.02mpa變化到0.10mpa，這樣控制閥b即在0.060.10mpa信號范圍內走完全行程。這樣一來，當控制器輸出信號在小于0.06mpa范圍內變化時，就只有控制閥a隨著信號壓力的變化改變自己的開度，而控制閥b則處于某個極限位置開度不變；當控制器輸出信號在大于0.06mpa范圍內變化時，控制閥a因已移動到極限位置而開度不再變化，而控制閥b卻隨著信號的變化改變閥門的開度。有一點必須引起重視，就是當壓力在給定值附近波動時，a、b兩閥將會頻繁地動作，這將影響到控制閥的使用壽命。為了防止儲罐壓力在

52、給定值附近變化時，a、b閥頻繁動作，可在兩閥信號交接處設置一個不靈敏區，如圖4.3所示。方法是通過閥門定位器的調整，使a閥在0.020.058mpa信號范圍內從全開到全關，使b閥在0.0620.10mpa信號范圍內從全關到全開。這樣做了以后，當控制器輸出信號在0.0580.062mpa范圍內變化時，a、b閥都處于全關位置不動。這樣做對于儲罐這樣一個空間較大，因而時間常數較大，且控制精度要求又不是很高的具體壓力對象來說，是有益的。因為留有這樣一個不靈敏區之后，將會使控制過程變化趨于緩慢，系統更為穩定12。100%ab0.0620.100.0580.02 圖4.3 分程閥特性圖（閥壓/mpa）4.

53、2間歇式分程控制系統硬件結構間歇式化學反應器分程控制系統硬件包括pc機（監控系統），plc系統，檢測與變送裝置和執行裝置這四個部分。硬件結構如圖4.4所示。冷水控制閥蒸汽控制閥溫度檢測變送cpu模塊mcgspcpc/ppicpu模塊模擬量輸入輸出模塊溫度控制量控制量 圖4.4 間歇式化學反應器分程控制系統硬件框架圖 間歇式化學反應器內部溫度經檢測變送為1-5v的標準信號，該信號經模擬量擴展模塊（a/d）送給cpu模塊，與設定值比較后經pid運算得到一控制信號，通過對控制信號的判斷來決定蒸汽閥和冷水閥的開度，并經模擬量擴展模塊（d/a）轉換為模擬量送到蒸汽閥和冷水閥，通過兩閥開度的變化實現對反應

54、器內部溫度的控制。a.plc系統本課題采用s7200系列plc系統，plc系統包括cpu模塊，pc/ppi電纜和模擬量輸入輸出模塊。cpu模塊采用cpu226，其適用于復雜的中小型控制系統，可擴展到248點數字量和35路模擬量，有兩個rs-485通信接口。pc/ppi電纜是一根rs485/rs432的匹配電纜，它的作用是將s7200cpu和pc機的com口的電氣規范進行匹配，使其相容。 模擬量輸入輸出模塊采用em235和em232。em235是常用的模擬量擴展模塊，它實現了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能，輸入信號有16檔量程。模擬量輸入模塊的分辨率為12位，單極性全量程輸入范圍對應的數字量

55、輸出為032000，雙極性為-32000-+32000。em232有兩路模擬量輸出，量程有-10v-+10v和020ma兩種，對應的數字量分別為-32000-+32000和032000。滿量程時電壓輸出和電流輸出的分辨率分別為12位和11位。 b.檢測與變送裝置檢測裝置采用pt100熱電阻，它利用pt電阻阻值與溫度之間的良好線性關系的原理進行工作。pt100，又叫鉑電阻，熱電阻，是一種溫度傳感器，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量，非常經濟實用。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區（-200400）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計。變送裝置采用we200系列溫度變送器。它的作用是將傳感器提供的電量轉換為標準量程420