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1、东北大学秦皇岛分校自动化工程系自动控制系统课程设计基于力控组态软件的锅炉监控系统设计专业名称自动化班级学号学生姓名指导教师设计时间2011.6.272011.7.8东北大学秦皇岛分校自动化工程系自动控制系统课程设计任务书专业 自动化 班级 姓名 设计题目：基于力控组态软件的锅炉监控系统设计 一、设计实验条件地 点：自动化系实验室实验设备：PC机二、设计任务1、根据题目要求进行资料收集及监控方案的设计。 2、利用力控组态软件，完成控制系统软件组态，包括：建立实时数据库；绘制控制主界面；包括数据采集、显示（界面动画等）、报警组态、数据保存、历史数据查询、报表打印等功能。 3、撰写课程设计说明书三、
2、设计说明书的内容1、 设计题目与设计任务（设计任务书）2、 前言（绪论）(设计的目的、意义等)3、 主体设计部分4、 参考文献5、 结束语四、设计时间与设计时间安排1、设计时间：6月27日7月8日2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料： 3天（6月27日 6月29日) 具体设计（含上机实验）： 6天（6月30日 7月5日)编写课程设计说明书： 2天（7月6日 7月7日)答辩： 1天（7月8日）前言 随着工业自动化水平的迅速提高和计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种要求。通用工业自动
3、化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好的解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。目前世界上组态软件品种繁多，国外产品有美国Wonderware公司的InTouch、美国Intellution公司的iFIX等，国内产品有三维力控、组态王、MCGS等。一般的组态软件都由下列组件构成：图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件、控制功能组件。力控组态软件主要解决的问题：如何与采样、控制设备间进行数据交换；使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；处理数据报警及系统报警；存储历史数据
4、并支持历史数据查询；各类报表的生成和打印输出；为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；最终生成的应用系统运行稳定可靠；具有与第三方程序的接口，方便数据共享。本文以锅炉对象为例，利用三维力控PCAuto组态软件开发了一个小型的监控系统。 1.力控组态软件PCAuto1.1软件的认识力控监控组态软件PCAuto是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便地向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实
5、现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。力控监控组态软件PCAuto最大的特点是能以灵活多样的“组态方式” 进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实践方法，用户只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大地提高了集成效率。力控的应用范围广泛、可用于开发石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工业现场监测、远程监测/远程诊断、企业管理/资源计划等系统。PCAuto组态软件具有功能强大的图形开发环境Draw，采用面
6、向对象的图形技术，创建动画式人-机界面系统及高可靠性快速的图形界面运行系统View，用来运行Draw创建图形窗口。先进的分布式实时数据库DB是整个应用系统的核心模块，负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理及完成与过程的双向通信。1.2软件的使用在组态软件中填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象(温度计、压力计、锅炉、趋势曲线、报表、温控曲线等)形象的画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。
7、2.系统功能概述基于力控组态软件的锅炉监控系统的设计主要是充分利用软件的优势，通过对锅炉系统中的三个主要参数，即锅炉水位、炉膛压力、锅炉内温度的控制来实现对锅炉系统的实时监控。具体的控制原则为：当锅炉液位“level”的值高于90时，系统产生报警，对应的液位报警灯闪烁红色，同时发出报警声音；当炉膛压力“press” 的值高于890时，系统也会报警，对应的压力报警灯闪烁红色，同时发出报警声音；同样，当锅炉内温度“temp”的值高于90时，系统也产生报警信息，对应的温度报警灯闪烁红色，同时发出报警声音。其中锅炉水位由仿真PLC的常量寄存器控制，炉膛压力和锅炉内温度也分别由仿真PLC的常量寄存器控制
8、，由于无法准确地建立锅炉水位、炉膛压力、锅炉内温度三者之间的函数关系，在设计时人为设定炉膛压力和锅炉内温度分别随锅炉水位增减情况的不同而有不同的增减量变化。系统的启停则由仿真PLC的状态寄存器，即点“run”进行控制，当启动按钮“run”显示绿色时，系统开始运行；当显示红色时，锅炉液位、炉膛压力和锅炉温度复位到初始设定值。系统报警时，对应的报警灯会闪烁红色。温度过高时，加热设备停止加热，其中是否加热有动画连接实现，加热时加热设备一直闪烁，否则停止闪烁。3.系统设计3.1设计思想锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要的输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等；主要的输出变量是汽包水位、
9、蒸汽压力、炉膛负压、过剩空气等。因输入变量与输出变量相互关联，如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等变化，因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象。锅炉对象简图，如图1所示。由于条件限制及能力有限，本控制系统将主要控制三个变量：锅炉水位、炉内温度、炉膛压力。在本控制系统的图形界面上具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功能。各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。每个画面的内容可以根据实际情况灵活设计。锅炉设备给水量减温水燃料量送风量引风量水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷图1 锅炉对象简图3.2软件组态
10、设计基于力控PCAuto组态软件的设计与实现主要包括以下几个步骤：画面创建、动画连接、I/O设备设置、创建实时数据库、数据连接。 画面创建根据本系统的特点，设计了锅炉监控系统主界面，数据的采集、保存及查询界面，报警信息，温控曲线四个界面。主界面如图2所示，主要包括了系统开关，锅炉精灵，压力、温度的精灵，报警灯，加热设备和一些控制阀门。图2 锅炉监控系统主界面数据的采集、保存及查询界面如图3所示，说明了系统的实时数据信息，及相关历史数据的查询。主要包含趋势曲线和历史报表。“历史报表”工具可以方便的实现报表打印功能。图3 数据的采集、保存及查询界面报警信息界面如图4所示，由报警组态及相关报警设置来
11、完成系统的报警任务。图4 报警信息界面 温控曲线界面如图5所示，主要有温控曲线组件完成，便于更好的实现锅炉内温度的控制与观测。图5 温控曲线界面 动画连接动画连接是指画面中图形对象与变量或表达式的对应关系。建立了连接后，在监控系统运行时，根据变量或表达式的数据变化，图形对象改变颜色，大小等外观，文本会进行动态刷新。这样就将现场真实的数据放映到计算机的监控画面中，从而达到监控的目的。此控制系统中分别对开关精灵、报警灯、界面切换、加热设备等进行了相关的动画连接。从而可以动态的实现系统的良好控制。具体实现方法如图6中各图所示。(a)开关的相关动画连接(b)报警灯的相关动画连接（以液位报警灯为例，压力
12、、温度报警灯类似）(c)各界面间切换的相关动画连接（以主控界面为例，其他类似）图6 动画连接 I/O设备设置及管理I/O设备设置是指对包括应用程序的“软件设备”和现场数据采集交换的硬件设备在内的广义上I/O设备驱动程序进行配置，使其与组态软件建立通信，构成一个完成的系统。在被监控系统中，分别对锅炉的液位“level”，入口泵“in_valve”，出口阀门“out_valve”，进行了定义，地址的分配，通信方式的选定等操作。在监控系统中建立的仿真PLC，其实现方法如图7所示。图7 仿真PLC的建立 配置I/O设备的过程在图形开发环境Draw的导航器中进行，按照设备安装对话框的提示就可以完成I/O
13、设备的配置工作。I/O设备配置完成后，在导航器中将列出I/O设备的设备名称，同时生成的设备名称即可用于数据连接过程。在系统运行时，力控通过内部管理程序自动启动相应的I/O驱动程序，I/O驱动程序负责与I/O设备的实时数据交换。 创建实时数据库实时数据库(DB)是整个监控系统的核心。它负责整个系统的实时数据处理和历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理，完成与过程数据采集的双向数据通信。在本系统中，经过创建点参数、定义I/O设备、数据连接等几个步骤便可以完成数据库的创建。系统中采用的I/O设备的数据采集与回送是实时数据库的一个最基本的功能。因为实时数据库系统应用所面向的监控对象
14、最终还是要落实到具体的硬件设备。力控数据支持的I/O设备包括DCS、可编程控制器(PLC)、智能模块、板卡、智能仪表、控制器、变频器等。数据库与I/O设备之间的数据交换方式也相应的有很多种。本系统实时数据库的建立过程如下所示：以“temp”点参数的建立、修改为例，包括基本参数、报警参数、数据连接、历史参数等的设置。 图8 相关点参数的设置3.3系统功能实现的脚本程序调出程序脚本串口，编写程序如下：(1) 进入程序脚本中程序：(2)程序运行周期执行中程序：图9 脚本程序3.4 系统相关功能连接与实现3.4.1查询历史报表要连续查询历史报表的数据，需要给报表加入按钮控制对象，给按钮赋予相应动作。其
15、实现步骤与方法：同时选中所需按钮和历史报表，用工具箱中“打成单元”工具，将按钮和历史报表打成单元；双击按钮出现动画连接对话框，选中“触敏动作/左键动作”，在弹出的脚本编辑器中输入脚本程序，点击“确认”和“返回”按钮。按钮功能与其相应的脚本程序：“查询” ：#HisReport.SetTimeSpan(#TimeSpan17.GetTime(),#TimeSpan.GetTime();#HisReport.SetTimeEx(#DateTime.GetTime()“当前时间” ：#HisReport.NowTime()“前一天” ：#HisReport.OffDay(-1)“后一天” ： #Hi
16、sReport.OffDay(1)“打印” ：#HisReport.Print()3.4.2 报表打印报表打印是对各个参数在一天或几天之内，以一定间隔时间为准，把这些值以一定格式打印出来。这样既减少了操作人员用笔填写报表，又方便准确。还可以对报表打印进行定时间打印。图10 温控曲线打印3.4.3 事件的记录和显示事件记录可以作为事故追忆、历史信息查询的重要手段，在事件记录窗口中当指定查询事件记录的日期和时间后，单击“开始定位”按钮，事件记录窗口自动显示查询到的所有事件记录信息。力控提供了一个脚本函数EventDisp()用来调出事件记录。4.结束语利用力控PCAuto组态软件所设计的锅炉监控系
17、统，可以很好的对锅炉温度、压力和液位进行监控。但此次设计只是实现简单的监控功能，对于现场的实时数据的采集和科学的控制策略没有实现。不过通过此次设计了解到力控PCAuto组态软件画面制作简单，动画连接方便；利用一些简单的控制语句可以很方便的实现控制组态，而且自带实时数据库是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库。总之，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠的特点。监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成多项任务：查看生产现场的实时数据及流程画面；自动打印各种实时/历史生产报表；自由浏览各个实时/历史趋势画面；及时得到并处理各种过
18、程报警和系统报警；在需要时，人为的干预生产过程，修改生产过程参数和状态；与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。5. 设计心得体会通过将近两周的课程设计，我们在搜集大量资料和观看一系列力控软件教学视频的基础上，很好的完成了本次锅炉监控系统的设计任务，掌握了软件工程这门课理论与实际间的联系，也熟练了数据库的建立，数据采集的创建，报警的运用等等，通过繁琐的动画连接和实时数据库中各种变量的建立，找到了一定的规律。通过简单的控制语句的编程，发现了其中很多控制变量间的编程规律，很好的实现了组态功能。设计的过程中遇到过不少问题，软件的安装也尝试了好几个版本，或者是程序的编写问题，或者是变量的创
19、建不合适，再或者是动画的关联，等等，通过大家一起探讨，一起研究，解决了一系列的困难，最终能够在一台电脑上将实验中的各种现象完美的展现出来，但是还是有的地方没有弄太明白，不过最终仍旧根据课设要求圆满地完成了设计的任务，在困难的陪同下体验了一下成功的喜悦，增强了以后学习和解决困难、问题的信心，体会到了团队合作的重要性，更增添了对力控软件的研究兴趣。最后感谢老师对我们的教学和指导，也希望在以后的设计中老师能够给予帮助与鼓励。6.参考文献1赵一丁.软件工程基础M.北京：北京邮电大学出版社，2007.72马国华.监控组态软件及其应用.北京：清华大学出版社，2001.83徐春梅，杨平，彭道刚.基于力控组态软件的电加热炉温度控制系统J.4李庆亮.软件工程基础.武汉：武汉理工大学出版社，20045龚运新，方立友.工业组态软件实用技术.北京：清华大学出版社，2005.9
