加热反应炉控制系统.docx
《加热反应炉控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《加热反应炉控制系统.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
加热反应炉控制系统
过程控制工程
课程设计任务书
设计名称：
基于MCGS组态的反应炉自动控制设计
设计时间：
2015/9/1-2015/9/10
姓名：
李宜林
班级：
自1205
学号：
1501120516
指导教师：
薄翠梅杨世品徐启李丽娟
南京工业大学电气工程与控制科学学院
摘要
加热反应炉是许多企业中的重要设备之一，为了避免事故的发生，实现安全生产，有必要对它的状态进行实时数据监控。
通过MCGS组态软件设计上位机监控画面，实时监控各参数。
本设计利用组态MCGS组态技术，使加热反应炉进行进料和排料，进气和排气，加热等自动控制，还可以进行数据实时报表输出，并可以对加热反应炉内水位变化进行实时曲线显示输出和历史曲线显示输出，并显示出报警信息，这样能预防和减少生产过程中的安全事故的发生，提高了人身的安全系数。
当意外发生或事故发生了以后，可以通过对历史数据报表和曲线观察分析，迅速总结经验，加强管理，从而避免今后再次发生类似的意外情况或事故，达到安全生产的目的。
关键词：
加热反应炉，MCGS组态控制，监控画面
ABSTRACT
Heatingfurnaceisoneofthemostimportantequipmentformanyenterprises.Inordertoavoidaccidentsandproducesafely,itisnecessarytomonitoritsproductionstateinrealtime.ThroughthemonitoringscreenofMCGSconfigurationsoftwaretechnology,enterprisescanmonitorvariousparametersinrealtime.ThisdesignusesMCGStechnology,automatingfeedingandnesting,intakeandexhaust,heatingofheatingfurnace.Itcanalsooutputthedatareportinrealtimeandshowsalarminformation,whichcanpreventandreducethelikelihoodofaccidentsintheproductionprocess;enhancepersonalsafetyfactor.
Whenaccidentshappened,experiencecanbequicklysummedupthroughtheexisteddatareportandcurveanalysis.Accordingtothem,enterprisesstrengthenthemanagement,avoidingsimilaraccidentsinthefutureandachievethepurposeofsafetyproduction.
Keywords:
heatingreactor,MCGScontrol,Monitoringmenu
第1章绪论
1.1课题研究的背景
安全生产关系到人民群众生命财产安全，关系改革发展稳定的大局。
高度重视和切实抓好安全生产工作，是贯彻和落实科学发展观，维护广大人民群众的根本利益及构建社会主义和谐社会的必然要求[1]。
所以在企业生产中，需要采用先进生产技术和措施增加工作人员和生产设备的安全。
加热反应炉是冶金，化工工业常用的重要设备，过去仅靠人工经验进行操作，往往存在送料，温度，压力等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品，造成原料浪费，给企业带来经济损失。
本文采用MCGS软件实现加热反应炉的可视化安全生产的监控。
组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称运动系统[2]。
组态软件是指一些数据采集与过程控制和专用软件，它们是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动化控制监控功能的，通用的层次的软件工具。
组态软件能支持各种工控设备的常见的通信协议，并且通常分布式数据管理和网络功能。
对于原有的HMI的概念，组态软件用户能够快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。
在组态软件出现之前工控领域的用户通过编写HMI应用，开发时间长，效率底，可靠性差；或者购买过去的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求。
很难与外界进行数据交互[3]。
组态软件出现把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能构建一套适合自己的应用系统。
1.2MCGS组态软件的优点
在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“Configuration”，其意义究竟是什么呢？
简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过。
与硬件生产相对照，组态与组装类似，当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的部件更多，而且每个部件都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。
最早开发的组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。
随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。
与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。
国外许多优秀组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身的费用和组态软件培训的费用高昂等因素，这些也正是国内组态软件在国内不能广泛应用的原因[4]。
随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，组态软件的市场需求日益增大。
近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的MCGS组态软件。
在软件设计上由于采用成熟的工控专用组态软件进行系统设计，软件开发周期大大缩短了。
组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。
它有如下优点。
1．为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好的完成一个复杂工程所要求的所有功能。
系统设计人员可以把更多的注意力集中在如何选择最优的控制方法，设计合理的控制系统结构，选择合适的控制算法等这些提高控制品质的关键问题上。
2．从管理的角度来看，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织与管理。
3．利用组态控制技术，可以将加热反应炉生产过程的数据在控制室的计算机屏幕上直观地以曲线、图表、直方图、虚拟仪表等形式显示出来，还可以通过计算机鼠标或触摸屏上的按钮对现场的设备实施遥控。
在控制室里监视和控制生产过程中，能及时发现和干预各种不安全状况；并且由于操作人员远离现场，可以极大地提高人员和设备的安全系数；所以，这种基于组态软件的可视化控制技术是一种很有效的安全生产技术。
煤矿、化工过程、铁路沿线容易塌方的地段等都有这种技术的用武之地。
尤其是在目前安全生产形势比较严峻的形势下，这项技术的采用更有其现实意义。
1.3组态软件的状况及发展趋势
目前国内市场上的组态软件产品大致划分为三类。
即国外专业软件厂商提供的产品，国内外硬件厂商提供的产品，以及国内自行开发的产品。
从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场份额仍被国外几家组态软件占据，如FLX、INTOUCH等。
而这些软件除和功能完善、产品包装、市场推广等方面具都有一定的优势[5]。
国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支主力军队，近年来已有一定的影响力的产品有组态王、MCGS组态、力控等。
国内有不少单位，如一些高校、研究院、公司，甚至个人正在积极的开发一些组态软件的产品。
国产化的组态软件具有较强和竞争优势，但总体来说，由于资金的缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差，目前国产化组态软件主要使用于一些小型的非重要的性的项目中应用。
总的发展趋势，MCGS组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。
归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。
未来的传感器、数据采集装置、控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理的需求日益高涨，有的买主甚至要求在自己的办公室里监督定货的制造过程。
有的装置直接内嵌“WebServer”，通过以太网就可以直接访问过程实时数据。
即使这样，也不能认为不再需要组态软件了。
用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有要求，直接用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此直接用户的监控系统是始终需要组态来监控的。
这就导致组态软件不可能退出市场，因为是需求存在的[6]。
类似OPC这样的组织的出现，以及现场总线、尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连、开发I/O设备驱动软件的工作量。
I/O驱动软件也逐渐会朝标准化的方向发展。
需求是推动其发展的第一动力，市场会逐步扩大。
组态软件市场的崛起一方面为最终用户节省了系统投资，另外也为用户解决了实际问题。
现在用户购买组态软件虽然也需要一定的投资，但是和以前相比，投资额得到了大大降低。
使用组态软件，用户可以做到花了少量的钱，办成了大事情。
中国的现代化建设正处于上升期，新项目的开发表明经济发展水平的提升，信息化社会将为组态软件带来更多的市场机会。
影响组态软件发展的因素。
软件质量是影响产品发展的主要因素。
在竞争不断加剧的今天，企业规模、科研开发的投入量、质量体系建设情况等对组态软件的质量影响甚大。
第2章控制系统设备简介
2.1加热反应炉简介
2.1.1反应炉控制的过程
系统进入运行环境后，按启动按钮SB1后，进入送料阶段。
在送料阶段中使得排气阀Y1和进料阀Y2打开系统自动向加热反应炉中注入反应物，当反应炉内的反应物的液位到达上液位传感器X3时系统自动关闭排气阀Y1和进料阀Y2，些时系统停止对反应炉中送料，系统延时10s，使得反应炉内的物料均匀。
定时10s后氮气阀Y3自动打开，炉内压力升高，当炉内压力升高到80Pa时压力变送器X4动作，此时停止氮气阀Y3对反应炉内注入氮气，系统进入反应阶段。
在反应阶段中加热电源Y5接通，系统温度缓慢升高。
当温度升高到一定值80℃时温度变送器X2动作，使得电源Y5断开，并段延时10S，使得炉内的反应物充分反应完，系统进入泄料阶段。
在泄料阶段中系统自动打开排气阀Y1和泄料阀Y4，使反应炉内压力、温度降低，并收集有用的气体。
同时炉内的反应后的物料通过泄料阀Y4泄出后。
系统恢复到原始状态，准备进入下一反应循环。
2.1.2加热反应炉原理图
加热反应炉系统原理图由三个部分组成：
动作输入部分（如按钮输入）、动作输出部分（如阀门）、显示输出部分（如指示灯和数据）。
原理图通过按钮输入控制阀门和显示输出，如图2.1所示。
图2.1加热反应炉原理
2.1.3加热反应炉的I/O分配
加热反应炉的I/O分配由输入输出设备两大部分组成。
其中输入包括按钮和传感器等设备，输出包括阀门和指示灯等设备，如表2.1所示。
表2.1加热反应炉的I/O分配
输入设备
输出设备
启动按钮SB1
排气阀Y1
停止按钮SB2
进气阀Y2
低液位传感器X1
氮气阀Y3
温度传感器X2
泄料阀Y4
上液位传感器X3
电源Y5
压力传感器X4
报警灯Y6
2.2MCGS组态软件的介绍
2.2.1组态软件的功能及特点
MCGS组态软件的功能和特点可归纳为：
（1）概念简单，易于理解和使用。
（2）功能齐全，便于方案设计。
（3）实时性与并行处理。
（4）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。
（5）利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。
以图像、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息。
（6）引入“运行策略”的概念。
复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。
用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。
（7）MCGS系统由五大功能部件组成，主要功能部件以构成形式来构造。
不同的构造有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件完成MCGS系统的三大部分的所有工作。
（8）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。
组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。
2.2.2MCGS组态软件的系统构成
1．MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为[7]。
MCGS的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
在运行环境中完成对工程的控制工作。
2．MCGS组态的工程组成
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：
本窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制程序（IF…THEN脚本程序），选用各种功能构件，如：
数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
3．MCGS组态软件的工作方式
MCGS如何与设备进行通讯：
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。
包括数据采集和发送设备指令。
设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。
每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。
MCGS如何产生动画效果：
MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性。
所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。
然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？
方法是：
图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接[8]。
当工业现场中测控对象的状态（如：
反应炉的液面高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。
现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如反应炉中的液面的升高和降低）。
用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。
（1）MCGS实施远程多机监控
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。
同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。
分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。
MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。
（2）对工程运行流程实施有效控制
MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。
MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。
所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。
第3章控制画面的创建
3.1工程的建立
建立工程步骤：
（1）进入MCGS组态环境。
（2）单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“新建工程”如图2.1所示。
（3）单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“工程另存为”，弹出文件保存窗口。
在文件名一栏输入工程名“加热反应炉控制系统”，单击“保存”按钮，工程建立完毕。
图3.1文件下拉菜单
3.2变量的定义
3.2.1变量的分配
变量定义前需要对系统进行分析，确定需要的变量，本系统至少需要20个变量，见表3.1。
表3.1变量分配表
名字
类型
注释
SB1
开关型
启动反应炉
SB2
开关型
停止反应炉
X1
开关型
下液面是否超值
X2
开关型
炉内温度是否超值
X3
开关型
上液面是否超值
X4
开关型
炉内压力是否超值
Y1
开关型
排气阀打开或关闭
Y2
开关型
进料阀打开或关闭
Y3
开关型
氮气阀打开或关闭
Y4
开关型
泄放阀打开或关闭
Y5
开关型
加热电源打开或关闭
水
数值型
动画参数炉内水的高度
温度
数值型
炉内温度值
压力
数值型
炉内压力值
数据组
组对象
数据对象组
ZHV1
开关型
定时器时间到
ZHV2
开关型
定时器启动
ZHV3
数值型
定时器当前值
报警灯
开关型
检查反应炉是否报警
3.2.2变量的定义步骤
（1）单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入实时数据库窗口页。
（2）单击工作台右侧“新增对象”按钮，在数据对象列表中立刻出现了一个新数据对象，如图3.3所示。
（3）选中数据对象，单击右侧“对象属性”按钮或直接双击该数据对象，弹出“数据对象属性”设置窗口。
（4）将“对象名称”改为X1；“对象初”改为0；对象类型改为开关型；“对象内容注释”栏填入：
下液面是否超过值，如图3.4所示。
（5）单击“确定”按钮。
（6）重复
（2）到（5），定义其他20个变量。
（7）单击“保存”按钮。
图3.3实时数据库
图3.4数据对像属性设置
3.3控制画面的设计与制作
按照MCGS组态软件的要求，建立并编辑自动控制画面如图1.1示。
画面画出了加热反应炉的简单示意图，并设计了十三个指示灯，分别代表低液位传感器、温度变送器、上液位传感器、压力变送器、排气阀、进料阀、氮气泄放阀、报警灯、启动按钮、停止按钮、复位按钮和加热炉电源的情况，运行时，指示灯随之做出相应指示。
图中还设计了八个按钮。
分别代表启动、停止、复位、下一页、X1、X2、X3、X4。
其中X1、X2、X3、X4这几个按钮分别代表与之对应的传感器情况，用来模拟传感器信号；用鼠标点击启动、停止、复位这几个按钮可对系统进行控制操作。
在软件中可以利用这些按钮来进行系统的调试（注：
当调试完成后，安装板卡，接通实际对象，这些按钮可以去掉）。
3.3.1画面建立
（1）单击屏幕上角的工作台图标，弹出工作台窗口。
（2）单击“用户窗口选项卡”，进入“用户窗口”页。
（3）单击右侧新建窗口按钮，出现“窗口0”图标，如图3.5所示。
（4）单击“窗口属性”按钮，弹出“用户窗口属性”设置窗口。
在基本属性页的窗口名称栏内填入“加热反应炉控制系统”，“窗口位置”选最大化显示，其它不变。
如图3.6所示，单击确认按钮。
（5）此时“工作台”的“用户窗口”中，“窗口0”图标已变为“加热反应炉控制系统”。
选中“加热反应炉控制系统”，单击右键弹出下拉菜单，选中“设置为启动窗口”，则当MCGS运行时，将自动加载该窗口。
单击“保存”按钮。
（7）重复
（2）到（4）过程制作数据显示窗口和曲线显示窗口。
图3.5用户窗口选项卡
图3.6用户窗口属性
3.3.2画面编辑步骤
1．反应炉的绘制
单击绘图工具箱中的（插入元件）图标，弹出对象元件管理对话框，双击窗口左侧“对象元件列表”中的“反应器”，展开该列表项，单击“反应器11”，如图3.7所示。
单击“确定”按钮。
画面窗口中出现反应器的图形。
在反应器被选中的情况下，调整位置和大小，单击“保存”按钮。
图3.7元件管理对话框
2．其他元器件的绘制
利用类似于绘制上述反应炉的方法分别画出四个阀门、四个传感器、温度计、压力计、十三个指示灯、七个按钮等元器件。
并将大小和位置调整好。
3.4动画连接
由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。
MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。
在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。
本设计中需要制作动画效果的部分包括：
炉内液位、温度、压力的数值变化、各阀门、各传感器的警戒变化、加热指示灯的变化。
1．反应炉内水位变化的动画设置
双击反应炉构件。
弹出单元属性设置页面。
打开动画连接标签，选中矩形，再点击“>”符号，如图3.8所示。
弹出动画组态属性设置。
点选位置动画连接项中大小变化，在动画组态属性设置页中生成大小变化标签，打开大小变化标签，进行设置，在表达式项里，选择数据库中的水参量，在大小变化连接项目里，最小变化百分比为0，表达式值取0，最大变化百分比100，表达式值80。
变化方向取向上方向，变化方式取剪切式，如图3.9所示。
2．其他元器件的动画设置
利用相类似于上述反应炉内水位有动画设置的方法分别设置好十三个指示灯、四个阀门、液位实时显示、按钮等的动画连接。
图3.8水的基本属性窗口
b
图3.9反应炉动画属性
3.5控制程序的编写
3.5.1定时器控制的使用。
单击屏幕左上角的工作台图标
，弹出“工作台”窗口。
单击“运行策略”选项卡，进入“运行策略”页，如图3.10所示。
选中“循环策略”，单击右侧“策略属性”按钮，弹出“策略属性设置”窗口，如图所示。
在“定时循环时间[ms]”一栏，填入200。
单击“确认”按钮。
选中“循环策略”，单击右侧“策略属性”按钮，弹出“策略组态：
循环策略”窗口。
单击
升级会员 