【正文】 ition） 的軟件平臺(tái)工具，是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個(gè)組成部分。自動(dòng)化過程 (AS)保持對過程的實(shí)際控制。 WinCC 幾乎擁有先進(jìn)人機(jī)界面產(chǎn)品的所有功能，其集成的功能 [14]已包括： 1. 圖形系統(tǒng)用于自由地組態(tài)畫面，并完全通過圖形對象進(jìn)行操作，圖形對象具有動(dòng)態(tài)屬性并可對屬性進(jìn)行在線組態(tài) ； 2. 報(bào)警信息系統(tǒng)記錄和存儲(chǔ)事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報(bào)表，操作非常簡便 ； 3. 變量存檔接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進(jìn)一步的編輯功能 ； 4. 報(bào)表系統(tǒng)用戶自由選擇一定的報(bào)表格式，按時(shí)間順序或事件觸發(fā)來對信息操作、文檔當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶報(bào)表輸出 ； 5. 數(shù)據(jù)處理對圖形對象的動(dòng)作使用 C 語言及 C 編譯器進(jìn)行編輯 ； 6. 標(biāo)準(zhǔn)接口 通過 ODBC 和 SQL 訪問用于組態(tài)和過程數(shù)據(jù)的 SYBASE 數(shù)據(jù)庫 ； 7. 應(yīng)用程序接口允許用戶編寫可用于擴(kuò)展 WinCC 基本功能的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。很多標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用如 Microsoft Excel 等可以和 WinCC 并行運(yùn)行，同時(shí)可通過 DDE 裝載過程數(shù)據(jù)。它是一個(gè) 32 位的基于 Windows 的監(jiān)控軟件 [15]。一致性既包括使用標(biāo)準(zhǔn)的控件，也指使用相同的信息表現(xiàn)方法，如在字體、標(biāo)簽風(fēng)格、顏色、術(shù)語、顯示錯(cuò)誤信息等方面確保一致。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 平臺(tái)底層數(shù)據(jù)設(shè)計(jì) WinCC 軟件的底層數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：啟動(dòng)選項(xiàng)的修改；變量創(chuàng)建；畫面組態(tài)；報(bào)警記錄創(chuàng)建；報(bào)表創(chuàng)建；變量歸檔創(chuàng)建和用戶管理器的設(shè)置。在本次畢設(shè)中只需將圖形運(yùn)行系統(tǒng)選中即可，如圖 41 所示。狀態(tài)的判斷如圖形界面是否顯示的狀態(tài)位，通過這些狀態(tài)位，可以實(shí)現(xiàn)畫面的動(dòng)態(tài)效果。 圖 32 變量組 屬性設(shè)置 右擊所建的變量組 展 開菜單 選擇 “ 新建變量 ” 打開變量屬性對話框，在名稱對話框中輸入變量的名稱 、選擇所建變量類型，設(shè)置上下限和起始值，如圖3 34 所示。如圖 55 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 圖 56 畫面屬性設(shè)置圖 本次畢設(shè)的主畫面的主要作用是指導(dǎo)用戶登錄畫面，顯示仿真流程和數(shù)據(jù)，主要參數(shù)數(shù)值顯示，實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線等功能。139。 C 上層監(jiān)控平臺(tái)功能展示 上層監(jiān)控平臺(tái)包括報(bào)表打印、報(bào)警界面、歷史曲線。該平臺(tái)界面友好，可為后續(xù)的工藝操作優(yōu)化、控制性能評價(jià)和故障模擬等研究工作奠定基礎(chǔ)。 OPC 技術(shù) OPC (Ole for Process Control)產(chǎn)生的背景 工業(yè)過程控制領(lǐng)域用到大量的現(xiàn)場設(shè)備和智能儀表，應(yīng)用程序需要不斷地 和這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。正是基于這種需要產(chǎn)生了 OPC 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為過程控制和工廠自動(dòng)化提供了真正的即插即用的軟件技術(shù)，使得過程控制和工廠自動(dòng)化的每一系統(tǒng)、每一設(shè)備、每一驅(qū)動(dòng)器能夠自由地連接和通信。 OPC 作為硬件和軟件之間的一個(gè)中間接口，使不同的客戶軟件能夠訪問任意的數(shù)據(jù)源。 OPC 規(guī)范要求每一個(gè) SCADA軟件供應(yīng)商提供符合 OPC 標(biāo)準(zhǔn)的客戶，客戶負(fù)責(zé)創(chuàng)建服務(wù)器的對象以及訪問OPC 服務(wù)器暴露給客戶的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。然而自動(dòng)化客戶運(yùn)行時(shí)需進(jìn)行類型檢查，這一點(diǎn)則大大犧牲了程序的運(yùn)行速度，但卻可以簡化客戶應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。 OPC 規(guī)范提供了兩種 COM 組件之間連接的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口 [17]:OPC 定制接口 (OPC Custom interfaces)和 OPC 自動(dòng)化接口 (OPCAutomation interfaces)。 OPC 數(shù)據(jù)項(xiàng)是服務(wù)器定義的對象，本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 OPC 客戶對設(shè)備寄存器。 OPC 服務(wù)器由 3 類對象組成，包括服務(wù)器 ( server)、組 (group)和數(shù)據(jù)項(xiàng) ( item)，3 種層次的對象的關(guān)系如圖 31 所示。無論是管理系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)，無論是 PLC 上還是 DCS，或者是 FCS，都可以通過 OPC快速可靠地彼此交換信息。 OPC 提供了 OPC 規(guī)范兩套接口方案，即 COM 接口和自動(dòng)化。 OPC 規(guī)范要求硬件銷售商提供他們所發(fā)布的每一種新設(shè)備和協(xié)議的 OPC 服 第六章 有機(jī)廢氣催化燃燒集成監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信技術(shù) 37 務(wù)器，為設(shè)備提供基本的協(xié)議接口，并且具有 OLE/COM 連接，一般用來完成數(shù)據(jù)采集、通信規(guī)約等預(yù)處理功能的前置處理部分設(shè)計(jì)成 OPC 服務(wù)器。越來越多的硬件制造商和軟件開發(fā)商為其產(chǎn)品提供 OPC 支持 ,OPC 事實(shí)上已成為新一代工業(yè)過程控制軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。這就帶來如耗費(fèi)大量重復(fù)性的勞動(dòng)，不同設(shè)備供應(yīng)商的驅(qū)動(dòng)程序之間的不一致，硬件性能不能得到廣泛支持，驅(qū)動(dòng)程序不能適應(yīng)升級(jí)后的硬件以及發(fā)生存取沖突等諸多問題。在本次畢設(shè)中，考慮 DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù)存在的缺陷，運(yùn)用了 OPC 技術(shù)實(shí)現(xiàn) MATLAB 與 WinCC 之間的數(shù)據(jù)交換。 圖 510 報(bào)表打印 第五章 催化燃燒過程集成監(jiān)控平臺(tái)的建立 33 圖 511 報(bào)警界面 圖 511 歷史曲線 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 小結(jié) 本章在分析集成監(jiān)控平臺(tái)用戶需求的基礎(chǔ)上，采用西門子公 Simatic WinCC工控組態(tài)軟件，開發(fā)了催化燃燒反應(yīng)器監(jiān)控平臺(tái)。 } 圖 58 登陸按鈕組態(tài)圖 B 流程模擬和數(shù)據(jù)顯示的組態(tài) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 圖 59 主畫面總體效果圖 在流程模擬的設(shè)計(jì)中，第一步需要自己去設(shè)計(jì)其畫面的效果，點(diǎn)擊 WinCC庫文件，從下拉菜單的很多組件中選擇反應(yīng)器，精餾塔，換熱器，電加熱器， 3D管道等器件，將它們放到畫面中的相應(yīng)位置，將工藝流程表示出來。 圖 57 登陸界面 在登陸界面中加入登陸按鈕，修改其顏色，在其事件 鼠標(biāo) 按下左鍵事件中，加入如下 C 腳本代碼，從而實(shí)現(xiàn)登陸 功能，注銷和退出按鈕也如上所述依次設(shè)置。 單擊主菜單上的圖形編輯器選項(xiàng)，打開圖形編輯器創(chuàng)建畫面，對于創(chuàng)建的畫面，單擊右鍵可以打開畫面，刪除畫面，重命名畫面或定義此畫面為啟動(dòng)畫面。單擊用戶管理器選項(xiàng)，打開用戶管理器，在管理員組處單擊右鍵新建用戶，輸入口令和密碼，選擇相應(yīng)的授權(quán)，單擊保存則成功創(chuàng)建了管理員。變量組的建立便于變量的管理。在本次畢設(shè)中只創(chuàng) 建了第五章 催化燃燒過程集成監(jiān)控平臺(tái)的建立 27 外部變量，外部變量可以設(shè)置其上下限和初始值，它主要用于記錄 MATLAB 仿真平臺(tái)的相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)的判斷。在本次的設(shè)計(jì)中，我定義了共8 個(gè)變量，以供此化工集成監(jiān)控系統(tǒng)的使用。 平臺(tái)的總體功能設(shè)計(jì) 該集成監(jiān)控平臺(tái)主要對以 Matlab 為基礎(chǔ)的化工流程模擬平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，該模擬平臺(tái)需要一個(gè)登陸界面，以保證平臺(tái)運(yùn)行的安全和可靠性。 催化燃燒過程的監(jiān)控平臺(tái)的建立 在本平臺(tái)中，圖形界面本身并不復(fù)雜，不需要任何花哨的設(shè)計(jì)，但堅(jiān)持圖形用戶界面 (GUI)設(shè)計(jì)原則的基本原則 [15]，界面直觀、對用戶透明，信息量充足，使得用戶接觸軟 件后對界面上對應(yīng)的功能一目了然、不需要多少培訓(xùn)就可以方便使用本應(yīng)用系統(tǒng)。更進(jìn)一步，集成的 OPC(OLE for process control)服務(wù)器使得過程數(shù)據(jù)可由其它應(yīng)用程序 (OPC 客戶機(jī) )訪問。如通訊開發(fā)工具 CDK，允許用戶開第五章 催化燃燒過程集成監(jiān)控平臺(tái)的建立 25 發(fā)用于連接數(shù)據(jù)管理器與任何目標(biāo)系統(tǒng)的通訊軟件。 WinCC 是一個(gè)功能強(qiáng)大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng) [13]，既可以用來完成小規(guī)模的簡單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。 西 門 子 視 窗 控 制 中 心 SIMATIC WinCC(Windows Control Center) 是HMI/SCADA 軟件中的后起之秀， 是西門子公司在自動(dòng)化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)與微軟 公司在共同開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的工控軟件 [12]。如下表 43 為選型一覽表。如下表 41 為選型一覽表。 3 根據(jù)測量對象對響應(yīng)速度的要求 ， 可選用下列時(shí)間常數(shù)的檢出 (測 )元件 ： (1)熱電偶 ： 600s， 100s 和 20s 三級(jí)； (2)熱電阻 ： 90180s， 3096s， 1030s 和 10s 四級(jí) ； (3)熱敏熱電阻 ： 1s。 （ 2）測量范圍 最高測量值不大于儀表測量范圍上限值 90%,正常側(cè)量值在儀表測量范圍上限值的 1/2 左右。盡量選用同一系列、同一規(guī)格型號(hào)及同一生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品 [16]。 ② 操作上的重要性 各檢測點(diǎn)的參數(shù)在操作上的重要性是儀表的指示、記錄、積算、報(bào)警、控制、遙控等功能選定依據(jù)。由 R5 提供的滯后作用，保證了通斷的臨界值差距很大，以防止繼電器產(chǎn)生卡塔聲。三次反變換之后，在 T2 的基極存在一個(gè)低的邏輯電平。所以要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)回路，通過控制電 加熱器的電壓來控制電加熱器的加熱溫度。 TY 是乘法器， FY 是前饋控制器。 3. 改變物料的組態(tài)。 圖 31 一般線性閥門特性曲線 第四章 控制方案儀表硬件選型 15 圖 32 一般對數(shù)閥門特性曲線 由于此控制系統(tǒng)是通過流量來控制壓力或者溫度，因此都選擇氣開閥， 具體情況如表 34 所示： 閥門操縱變量 位號(hào) 名稱 流量特性 氣動(dòng)特性 V1 V01 廢氣 進(jìn)料流量調(diào)節(jié)閥 線性 氣開 V2 V02 廢氣流量 流量調(diào)節(jié)閥 1 線性 氣開 V3 V03 廢氣流量 流量調(diào)節(jié)閥 2 線性 氣開 V4 V04 催化劑進(jìn)料閥 線性 氣開 表 33 閥門特性選取 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 在該生產(chǎn)系統(tǒng)中， E101， D101， H101 分別為換熱器、催化燃燒反應(yīng)器、電加熱器 ，其控制如下圖 34 所示： 本科畢 業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 34 系統(tǒng) 控制方案結(jié)構(gòu)示意圖 E101 流量 控制 一般傳熱設(shè)備控制的實(shí)質(zhì)是對傳熱設(shè)備的熱量平衡控制，傳熱設(shè)備控制的目的如下 [1]： 1. 達(dá)到工藝所需 的溫度。因此，我們選擇的原則是： KvKp=常數(shù)，其中， Kv 為調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)， Kp 為過程的放大系數(shù) [1]。 回路說明 控制目標(biāo) E101 流量 控制 控制 進(jìn)氣流量相對恒定，保證熱交換后的溫度達(dá)到一定值 H101 加熱溫度 控制 保證加熱溫度恒定 D101 催化劑 進(jìn)料量控制 保證 催化劑進(jìn)料量，控制產(chǎn)品質(zhì)量 D101 溫度 控制 保證 塔溫 相對恒定 管道流量控制 保證 管道流量 相對恒定 節(jié)能控制 在滿足工藝要求的同時(shí)，盡量降低能耗 安全控制 保證工序的正常安全運(yùn)行，故障報(bào)警 表 31 正常工況回路說明與控制目標(biāo) 被控變量與操作變量的選擇 分析系統(tǒng)的控制要求與控制目標(biāo)，可知 反應(yīng)器溫度 、 壓力，廢氣進(jìn)料量 ， 電加熱器溫度 ，等為被控變量。 催化劑進(jìn)料的流量 催化劑濃度影響著催化燃燒的反應(yīng)速率， 催化劑實(shí)質(zhì)上是參加了化學(xué)反應(yīng)的，我所以在反應(yīng)物充分的條件下，催化劑的量越多，濃度越高，與反應(yīng)物接觸的量就越多，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的中間物就越多，得到的最后產(chǎn)物就越多，但前提必須是加入的所有催化劑都要與反應(yīng)物能充分接觸，才會(huì)使 化學(xué)反應(yīng)速率 越大。因此，控制策略是盡量控制上一工序的操作，從外圍入手，使進(jìn)料成分保持恒定見小其變化對于 后續(xù)催化燃燒反應(yīng) 的影響 [1]。當(dāng)進(jìn)料流量需要定值控制時(shí)，從工藝的角度看，有時(shí)需要增加中間儲(chǔ)罐或者容器，以便緩沖上一工序的出料量。物料平衡和能量平衡之間有相互影響。 催化燃燒 工藝擾動(dòng)分析 和其他化工過程一樣， 燃燒 過程是在一定物料平衡和能量平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于噪聲頻率很高，雖然幅度變化不大，但若加上微分控 制器其輸出容易出現(xiàn)波動(dòng)，反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。這是由于管道中的流動(dòng)正常時(shí)都呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，流量雖然平穩(wěn)，流體內(nèi)部卻在騷動(dòng)。對于前者而言，管道容積較小，時(shí)間常數(shù)較小，控制比較靈敏，一般不需要加入微分作用。因此，征對溫度遲滯大的特性，我們要在溫度控制系統(tǒng)中增加微分作用。 溫度特性 在此工藝裝置中，溫度檢測包括進(jìn)出 廢氣出電加熱器的 溫度， 催化燃燒反應(yīng)器 的溫度。 其主要設(shè)備為：催化燃燒反應(yīng)器 1個(gè)，板式換熱器 1 個(gè)，電加熱器 1 個(gè)。不同的評估用客戶機(jī)、開放性接口 (開放性數(shù)據(jù)庫接口： ADO， OLEDB，SQL；編程接口： VBScript 和有訪問 COM 對象模型和 API 功能的 ANS I C)以及各種任選件 (WinCC/Dat Monitor, WinCC/Connectivity Pack， WinCC, Industrial Data Bridge)構(gòu)成了靈活而高效的集成 監(jiān)控平臺(tái) 的基礎(chǔ) ， 這樣就可以與生產(chǎn)和公司管理層軟件 (MES 和 ERP)相連接 。 WinCC 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件有著 通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案； 擁有 多語言支持，全球通用 ； 它 可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi) ， 內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài) ， 可基于 Web 持續(xù) 延展，采本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便； 而且它 集成的 Historian 系統(tǒng) 可以 作為 IT 和商務(wù)集成的平臺(tái) ， 可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面