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1、 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下（或 我个人 ） 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 : 曰 期： “ 月 ？ 19 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 : 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 (保密论文
2、在解密后应遵守 ） 导师签名 : 羞 & _ _ _论文作者签名 : 日 期 ： $ I 月： ? 曰 本文首先提出了工业控制自动化技术迅速兴起的原因和自动化控制技术对 工业生产过程造成的影响，并对该领域的技术发展前沿进行了分析。工业自动化 控制技术解决了生产效率与一致性问题。新兴的计算机信息科学与自动化技术的 紧密结合，给工业生产过程带来了巨大的技术革新。 然后对构成工业控制自动化技术的工业控制系统进行详尽的分析比较，主要 是 DCS、 PLC、 IPC三类。目前全球范围内的工业控制自动化系统几乎都是采用了 这三类控制系统，它们在性能上各有所长，也有各自的局限性，各类系统在发展 的过程中在结
3、构和性能上相互补充、相互促进，都在向更可靠、更开放、可维护 性更好的方向发展。各种控制系统之间的界限越来越模糊，它们之间相互融合已 成为大势所趋。 其次，工业自动化系统的通信网络的控制服务主要用于完成控制设备与 I/O 设备及 HMI之间的数据交换，并且有苛刻的实时性要求。现场总线控制系统将 控制功能彻底下放到现场，是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式 控制系统，但现场总线的低速和标准不统一限制了它的发展。而工业以太网 ，成 功地解决了环境适应性和实时性要求，凭着它的低成本、极高的通信速率、全球 普及的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太网來实现从管理 层到工业现场层的
4、贯穿一致性通信。 再次，论文将上述自动控制技术应用到高炉煤粉喷吹自动化控制系统中进行 实践，分析系统的具体需求，根据生产实际流程对工业控制机和控制网络进行对 比、选型和组态，既要能最大限度满足生产工艺要求，又要考虑系统的稳定可靠 运行及兼容性和可维护性，最终组成高效的控制系统。 在文章的最后，简要地介绍了新型的管控一体化系统，因其在炼油生产中的 成功案例，正在被广泛应用于世界范围内的各大石油公司。随着计算机技术、控 制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，自动化控制技术将会更加深入地渗透 到工业生产中的各个领域。 关键词：工业控制自动化技术，工业控制系统，高炉煤粉喷吹 Abstract Firs
5、tly, this article points out the reason of rapid development for industrial automation technology and influence for industrial production process caused by automation control technology, it also analyzes the leading technology development in this area. The industrial automation control technology so
6、lves the problem of production efficiency and conformity. The combination for new computer information science and automation technology bring huge technology innovation for industrial production process. Then, it detail analyzes and compares the industrial control system major including DCS、 PLC、 I
7、PCand it form the industrial control technology. At the present, almost all the industrial control systems utilize these three control systems. Among them each system has its own performance advantage and also has own defectiveness. In the developing process every system complements and promotes eac
8、h other for the structure and performance. All of them are developing in the direction of more reliability, opener and easier to maintenance. The limitation among all kinds of control systems is getting more and more faint. It is the general trends for amalgamation each other. Secondly, Control serv
9、ice for communication net of industrial automation system mainly uses to accomplish the data exchange among control system and I/O device and HMI, it also has strict real time requirement. Profile bus control system put the control function to the field, it is open and operation each other and compl
10、ete separation distribution type control system, but the low speed of profile bus is not identical with the standard limits its development. The ethernet successfully solved the environmental adaptability and real time requirement. It takes the advantage of low cost and high communication speed and
11、widely used standard in the world and substitute the various profile bus system for control system and utilize the Ethernet to realize the uniform communication from management level to industrial field level. Moreover, this article utilizes the above mentioned automation technology use to blast fur
12、nace coal injection automation control system for practice and analyzes the system concrete requirement. It also compares and selects and configures the industrial control computer and control net based on the actual production process. It is not only meet the maximum requirement of production proce
13、ss, but also consider the reliability and compatibility and easy to maintenance. It will finally composes high efficiency control system. Finally, this article present new system, which combine the management and control. Due to it successfully utilization in oil refining production, it is wildly us
14、ed for many oil refining company in the world. Along with the rapidly development for the computer, control and conmiunication technology it will be more and more utilization in all kinds of industrial areas. Key words; Industrial control automation technology, Industrial control system, Blast furna
15、ce coal injection. 涅明理 2大 f 2： 硝 t学圬论之 目录 第一章工业控制自动化技术的兴起 1 1.1现状分析 1 1. 2工业信息及自动化技术发展前沿 2 1. 2.1检测技术与仪表 2 1. 2. 2自动化装备的进步 4 1. 2. 3综合管理控制系统的发展与 MES系统的广泛化 4 1.2.4可视化技术的出现和监控系统的革新 7 第二章工业控制机 8 2.1工业控制机概念分析 8 2.2集散控制系统 （ DCS) 9 2.2.1功能分析及系统结构 9 2.2.2通讯网络 10 2. 2. 3通讯网络发展方向分析 14 2. 3可编程序控制器 PLG 15 2. 3
16、.1工作原理分析 16 2. 3. 2功能分析 21 2. 3. 3技术发展趋势 22 2. 3. 4 PLC与 DCS关系分析 23 2.4工业 PC机 27 2. 4. 1从结构设计和性能指标上与普通微机的区别 27 2. 4. 2基本系统配置 29 2. 4. 3 PC/104总线嵌入式工控机系列产品的特点和用途 30 2. 4. 4应用前景分析 31 2. 5其它工业控制机比较分析 32 2.5.1 SCC 单片机 32 S明理 2；大 f 2敉頌士 f茂论爻 2. 5. 2 CNC计算机数控系统 32 2. 5. 3总线结构工业控制机 33 2.6各种自动化手段的相互影响 33 2.
17、 6.1各种自动化手段之间界限越来越模糊 33 2. 6. 2各种控制系统之间融合是大势所趋 33 2. 6. 3渴望单一现场总线 33 第三章工业控制网络 35 3.1现场总线控制系统 34 3.1.1现场总线体系结构 35 3.1.2智能传感器 35 3. 1. 3典型现场总线 36 3.1.4与 DCS比较分析 37 3. 1.5存在的问题 38 3. 2工业以太网 39 3. 2.1标准以太网实时局限性 40 3.2.2工业控制对实时性的要求 40 3. 2. 3环境适应性 42 3.2.4解决问题的措施 42 3. 2. 5工业以太网协议比较分析 45 3.2.6应用安全问题分析 4
18、7 3. 3 0PC 技术 49 3. 3.1问题的提出 49 3. 3. 2基于 COM技术的 0PC 51 3. 3. 3 0PC与 DDE的比较分析 53 3.3.4在以太网控制系统的层次结构 53 3.3.5设计与实现 54 3.3.6 0PC 接口 55 3. 3. 7在以太网控制系统中的应用 57 g 明 f ? I 太 f I 秸硝士 f 传论爻 第四章玉铁高炉煤粉喷吹控制系统的实践 59 4.1综述 59 4. 2工艺部分简述 59 4.2.1制粉系统 59 4.2.2喷吹系统 60 4.3主要检测和控制项目 61 4. 3.1制粉部分 61 4.3.2喷吹部分 62 4.4自
19、动控制系统 63 4. 4.1概述 63 4.4.2本次设计中的系统配置 64 4.4. 3系统构成及控制 66 4. 5小结 70 苐五章结论与展望 71 5.1论文的工作总结 71 5. 2工业控制技术发展的前沿 72 5.3自动化控制技术发展的拓展 73 致谢 74 参考文献 77 附录 A在读硕士期间公开发表的论文 78 E 明理 3；大 f 2：辟頌士学枝论丈 图表索引 图 1. 1工业自动化系统的三层网络结构示意图 表1.1 工业信息及自动化发展的 5个阶段 图 1.2 CIMS系统 6级功能体系结构图 图 1. 3 BPS/MES/PCS三级结构图 图 2.1 工控机原理图 图
20、2. 2 DCS系统结构图 图2.3 DCS网络结构图 图 2. 4 总线型网络 图 2. 5 环型网络 图 2. 6 星型网络 图 2. 7 PLC的系统组成框图。 图 2.8 可编程控制器的工作过程 图 2. 9 可编程控制器 I/O过程映象示意图 图 2.10 PLC工作原理图 图 2.11 PLC执行过程比较示例 图 2.12 PLC扫描周期结构图 图 2.13 PLC I/O响应时间比较图 图 2.14 PLC网络结构图 图 2.15 DCS系统层次结构图 图 2.16 PLC 与 DCS 接口 图 2.17普通 PC机与与工业 PC机的内部结构图 图 3.1 现场总线系统结构图 图
21、 3. 2 智能仪表的连接 表 3.1 5种现场总线性能对照表 图 3. 3 FCS与 DCS网络拓补 图 3.4 以太网在局域网中的结构 晃明理 2大 # 2荇硝士 f伎论爻 图 3. 5 抖动对控制的影响影响图 图 3. 6 种不同实时级别划分 图 3. 7 以西门子系列为例的工业 Ethernet网拓补结构图 表 3. 3 工业以太网设备与标准以太网设备之间的区别 图 3.8 在冲突域利用网络交换器分段 图 3. 9 无标准规范下接口的连接 图 3.10 OPC控制系统构成 图 3.11多种现场总线集成 图 3.12分布式 COM组件间的互相连接 图 3.13 OPC、 DDE传送速度性
22、能比较 表 3. 3 DDE技术与 0PC技术性能比较 图 3.14工业以太网控制系统总体结构 图 3.15 0PC数据存敢服务器结构 图 3. 16 0PC服务器在控制系统中的位置 图 3.17 0PC的应用范围 图 4.1 制粉工艺流程、工艺检测点、控制点系统图 图 4. 2 喷吹工艺流程、工艺检测点、控制点系统图 表 4.1制粉工艺主要检测项目表 表 4. 2制粉工艺主要控制项目表 表 4. 3 喷吹工艺主要检测项目表 图 4. 3 SIEMENS S7系列 PLC网络系统图 图4. 4 系统网络拓扑图 表 4. 4 操作站设置 HMI画面项目表 图 4. 5 系统层次 图 4. 6 煤
23、粉喷吹系统检测和控制子系统中 0PC的应用 1 4.7 高炉喷吹子系统流程图 图 5.1企业网络化、信息化层次结构 图 5. 2 种具有广泛代表意义的 CIMS架构 吳明理乏大 f 2： 碭士 f传论爻 英文首字母编写词索引 对于来自国外文献的专有名词和术语，在文中的括号内记录其英文名，下面 给出文中英文首字母编写词索引 3C (Computer、 Control、 Communication) 4C (Communication, Computer， Control， CRT) A/D 模拟量 /数字量 （ Analog/Digital) AI 人工智能 （ Artificial Intel
24、ligent) APC 先进过程控制 （ Advanced Process Control) BAS 楼宇自动化系统 （ Building Automation System) QMS 计算机集成制造系统 (CIMS Computer Integrated Manufacturing Systems) CIPS 计算机集成过程系统 （ Computer Integrated Process System) DCS 集散控制系统 （ Distributed Control System) EIC电气传动、仪表、计算机 （ Computer) ERP 企业资源计划 （ Enterprise Res
25、ource Planning) ES专家系统 FA 工厂自动化 （ Factory Automation) FCS 现场总线控制系统 （ Fieldbus Control System) FCS 现场总线控制系统 （ Fieldbus Control System) FF 基金会现场总线 （ Foundation Fieldbus) HMI 人机界面 （ human-machine interface) IEC 国际电工委员会 （ International Electrical Committee) IPC 工业 PC 机 （ Industrial personal Computer) IT
26、 智能终端 （ Intelligent Terminal) MES 制造执行系统 （ Manufacturing execution system) MIS 管理信息系统 （ Management Information System) OA 办公自动化 （ Office Automation) PA 过程自动化 （ Process Automation) PCS 过程控制系统 （ Process Control System) 晃蜱理 2大 f 2荇病士 f技谂爻 PID 比例积分微分 （ Proportional-Integral-Derivative) PLC 可编程序控制器 （ Pro
27、grammable logic Controller) RTU 远程测控终端 （ Remote Terminal Unit) SC 上位机 （ Supervisory Computer) SCADA 监控及数据采集系统 （ Supervisory Control And Data Acquisition) SCC 单片机 （ Single Chip Computer) S明 ff 2大 f 3；秸砝士 f 谂丈 第一章工业控制自动化技术的兴起 1.1现状分析 工业生产过程中广泛应用了工业控制自动化技术，来实现对工业生产过程实 现检测、控制、优化、调度、管理和决策，以达到提高产品品质和产量、降低
28、生 产消耗、确保安全等目的。控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术的应用， 极大地推进了工业控制自动化技术的发展。 作为 20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，工业控制自动化技术主要 解决生产效率与一致性问题。自动化系统与计算机信息科学的紧密结合，给工业 生产过程带来了新的技术革新。 随着工业连续化和大型化的不断发展，为提高作业率，减少故障率，节能降 耗，改善产品质量，生产国民经济发展急需的新品种产品，许多环节都已非人力 所能及，自动化系 统己经成为工业生产不可或缺的关键部分，成为生产力的要素 之一。 工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动 化和管理自动化，其核
29、心是基础自动化和过程自动化。基础自动化部分基本被 PLC和 DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算 机或小型机组成。 1 图 1.1工业自动化系统的三层网络结构示意图 1 涅明理 3： Af 2荇碩士 f (4论丈 如上图所示，即一个典型的工业自动化系统的三层网络结构，其低层是以现 场总线将智能测试、控制设备、以及工控机或者 PLC设备的远 程 I/O点连接在一 起的设备层、中间是将 PLC、 工控机以及操作员界面连接在一起的控制层网络， 而上层的 Ethernet以 PC或工作站为主完成管理和信息服务任务。三级网络各司 其职，描述了工业自动化的典型结构。 工业控制
30、自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，工业计算机系统行业 己经形成，正在向智能化、网络化和集成化方向发展。 1.2工业信息及自动化技术发展前沿 工业信息及自动化的进展大致可以分为如附表所示的 5个阶段。 表 1.1工业信息及自动化发展的 5个阶段 第 1阶段 (70年代以前 第 2阶段 (70 80年代） 第 3阶段 (8090年代） 第 4阶段 (90年代以后） 第 5阶段 (2000年代以后） 控制 技术 简单、 单回路控制 多回路控制 等先进控制 过程优化 等先进控制 过程优化 二等信息化 全厂信息化 控制 理论 经典控制理论 现代控制理论 回路控制等 多学科交叉 多学科交叉 控制 设
31、备 常规仪表 PLC DCS 过程计算机 计算机网络 PLC DCS FCS IPC 更新型设备 控制 系统 单回路控制 EIC系统 自动化系统 CIPS 综合自动化 BPS/MES/PCS 控制 水平 简单 增强型基础自动化 优化 与管理自动化 准无人化 无人化 或准无人化 1.2.1检测技术与仪表 检测技术与仪表的进步主要表现在：网络化、智能化、高精度化与机电一体 化。使用更多的测量新技术和新理论解决过去无法测量或不能准确测量的参数， 其中引人注目的是使用军工技术，例如全球卫星定位方法来准确测量移动物体的 位置。检测新技术的趋向是多学科的交叉。 2 2 S明娌 2大 f 3US頌 !： f
32、伎论支 1.2. 1. 1网络化 网络化适用范围 “1) 仪器仪表特别是大型、复杂伩表，与工业控制计算机联 网，可以使各自的潜力和资源得以充分发挥，可灵活调用和合理配置；（ 2)由于数 据网络化，可以使有关部门数据共享从而方便、省力，例如可在某地采集数据， 送到某一需要的地方或送远方数据库保存，供需要时调用，某些需要部门也可下 载； （ 3)能使远方部门进行监控； （ 4)为远距离诊断和远距离调整（甚至洲际 )创造 条件，可节省大量人力和降低成本。因此许多仪器仪表特别是大型和复杂的仪表 都数字化并设有通信接口，以便网络化 4。 通过 Ethernet(以太网）可把各种不同类型 的网络化仪器仪表
33、与计算机连接 在同一网络上，甚至连到因特网上，通过 RS232、 RS485、 IEEE1394等可连入串 行网络，可用 LAN(局域网）连接各个自动系统，也可用 GPIB-LAN控制器实现 GPIB 控制功能和 TCP/IP协议。现场总线产品就是典型的网络化仪器仪表 3。 1.2.1.2智能化 除了传统的使用电脑执行各种运算（如作为提高精度、自动校零、线性化、 补偿环境影响、量程切换、自诊断、自测试、模型运算等 ） 被称为智能化的这 概念外，主要是人工智能的利用，例如利用人工神经元网络的自适应、自学习、 联想记忆、反馈求精、黑箱映射、权值平衡、动态逼近和全息容错防失等技术以 及除神经元网络以
34、外的模糊逻辑、专家系统、遗传算法、仿人智能、模式识别、 混沌理论、物元可拓法、小波分析、分形系统等等使仪器仪表智能水平大大提高， 从而提高精度和解决过去难以解决的问题。 1.2. 1.3高精度化 在工业过程的测量和控制中，许多场合传感器的精度和测量误差至关重要。 在通用仪表方面，传感器和变送器己经是趋向于开发和生产精确度越来越高、响 应越来越快的仪表，日本横河公司的 EJA智能变送器就是一例，它是按谐振梁原 理构成的，精确度一般为土 0.075%。 39 1.2. 1.4机电一体化与在线化 3 E 明理 2大 f 2秸頌士 f 亡论史 生产过程检测无论是进行过程参数监督还是进行热管理，大都是在
35、测量地点 装设传感器，这种方法有时对某些特殊而又是生产必需的参数难以成功测量。许 多参数如产品的化学物理成分与性质，大都需要取样、制样、传送，然后再进行 测量和数据处理，过去都是采用离线或半在线形式，由于工业控制要求越来越高， 要求在线化、高效化甚至无人化，因此发展机电一体化测量是解决问题的有效方 法。机电一体化测量不仅是机械和电气问题，而且还包括非电量电测技术、工艺 理论、工艺设备、计算技术、图象处理、人工智能技术等多学科交叉。它解决许 多过去未能测量的问题，成为检测及其仪表的一门新兴产业。 8 1.2.2自动化装备的进步 现代工业控制装备的进展主要是 PLC、 DCS的进一步发展、 FCS
36、的出现与 IPC 应用的扩展、现场总线的出现与以太网应用的扩展。本文作者将在论文的后续部 分详述。 1.2.3综合管理控制系统的发展与 MES系统的广泛化 CIMS(流程工业称 CIPS， 国内在钢铁工业有学者称为综合管理控制系统 )概 念是1974年美国 Joseph Harrington博士提出的，它在离散型的机械制造业取 得了成功，钢铁工业早在 70年代初（如日本 )就已实现了基础自动化和过程自动 化，并设有管理计算机的多级计算机系统，因而更便于实现 CIMS， 国外如美钢 联、德国的蒂森、英钢联、日本五大钢铁公司均已在 80年代中、末实现 CIMS 了。按照 ISO标准， CIMS分成
37、 6级（如图 1.2)，并以丰富的系统软件、 CAD、 CAM、 CAT等技术以及多个 数学模型组成。由于 6级功能牵涉到全公司各分厂都要有较 高的自动化水平以及管理水平因而不易实现，故国外为 CIMS创立基础而在新建 或改造的厂均使用分厂式 CIMS,即 5级系统，如国外为宝钢设计的热连轧厂、 无缝钢管厂就是这样的系统。 汉明稞 Z Af 场 i:f伎论之 图 1.2 CIMS系统 6级功能体系结构图 6级综合管理控制系统中，管理信息化也可占 3级，生产过程自动化占 3级 (生产工艺流程的参数检测、计量考核检测和设备操作驱动为第 1级，生产设备 控制为第 2级，生产过程控制为第 3级）。由于
38、生产过程控制级主要是单个工序 或单个机组，为使各机组协调而更省力与高效而须使用 L4级（过去称生产控制 级，近来发展为 MES， 即制造执行系统），通常 L4级的主要功能为：对所加工的 产品实物由本单元的上工序供料开始到本单元生产直到出厂的全过程在线管理， 包括全线物流跟踪，库管理，作业计划的编制和调整，在线质量管理及数据通信 等。 MES是目前大力发展的系统。 15 上述的流程工业的 CIMS体系结构是 6级的，后来又有 5级、 3级之分，虽 然有不同的优点，但实质是把功能分配在 不同级别。近来主要是 3级体系结构。 随着研究与开发的深入，在 CIMS系统的设计和应用实践中遇到了较大问题。
39、在流程企业的生产经营活动中，除了底层的过程控制和顶层的经营决策外，中间 层次是很难将生产行为与管理行为截然分开的。因此，在牵涉到大量既有生产性 质又有管理性质的信息时，根据五层结构模型就很难明确应该归于 CIMS的哪一 层次，造成了流程工业的 CIMS开发混乱和标准不统一。 5 S 明理 2 太嗲 3 ； 菘 頊 伎 论 3 t 针对上述问题，近年来提出了应用于流程企业的 BPS/MES/PCS三级结构模 型（如图 1.3 )其中： BPS (Business planning system)级是单纯考虑企业经营管理问题的企业资 源规划 (ERP)， 主要是利用以财务分析决策为核心的整体资源优
40、化技术。 MES(Manufacturing execution system,即制造执行系统）级是考虑生产与 管理结合问题的中间层制造执行系统，主要利用以产品质量和工艺要求为指标的 先进控制技术和以生产综合指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管 理技术，使流程工业 CIMS中原本难以处理的具有 生产与管理双重性质的信息问 题得到了解决。 PCS (Process Control System)级是单纯考虑生产过程问题的过程控制系 统，即国产化自动化和基础控制系统。在流程工业 CIMS中， MES起着将从生产 过程产生的信息和从经营管理活动中产生的信息，以及生产管理活动中产生的信 息进
41、行转换、加工、传递的作用，是生产活动与管理活动信息集成的重要桥梁和 纽带。 三级结构是以提高企业竞争力为目标，以企业的生产成木控制和生产指挥 为重点，建立基于 BPS/MES/PCS三级结构，以 MES为关键， MES起着将从生产过 程产生的信息和从经营管理活动中产生的信息，以及生产管理活动中产生的信息 进行转换、加工、传递的作用，是生产活动与管理活动信息集成的重要桥梁和纽 带。据美国 ARC 公司（ Automation Research Corp.)调查，在采用以 BPS/MES/PCS 三级结构为基础的 MES技术后，可获得的效益为：质量提高 19. 2%,劳动生产率 提高 13. 5%
42、，产量提高 11. 5%。因此， MES己成为钢铁工业信息化的热门。 34 图 1. 3 BPS/MES/PCS三级结构图 6 E 明理 2 大 f 3；释碩 t f 圬论 & 1.2.4可视化技术的出现和监控系统的革新 高炉是密闭的，只能靠仪表检测数据进行推测，连铸过程表面看是敞开的， 但其内部冷却过程、渣的影响仍然靠推断，故长期以来技术的发展，主要是靠试 验、失败、再试验直到成功而取得。近来由于测试技术、计算技术、图象处理技 术、工艺理论、特别是模型化的进步，使人们能了解过程的进展，并实行定量控 制。利用上述技术并结合多媒体虚拟技术，把本来模糊的过程，变成透明化、可 视化以方便操作，例如日
43、本名古屋钢铁厂开发的连铸结晶器可视化系统便是一 例。它把传感器群的数据送入专门的可视化用的计算机，在那里经数据处理和模 型运算得出显示 中间品质指标数据，并与预设定钢种中每个铸坯消除缺陷所需的 适宜作业比较，然后直接成为可视化画面，并提出保证铸坯品质的作业和动作建 议。 近代高炉重大技术之一是利用传感器群的数据，经多个模型综合，组成易懂、 易看、易解析和易操作的画面并利用多媒体虚拟技术，把密封的、不可窥视的高 炉内部情况变成开放的、可视化高炉，将内部情况用不同颜色的三维画面显示， 使操作者一目了然，便于操作。总之，可视化技术的出现将导致监控系统革新， 并迅速成为当代自动化的潮流。 7 S明搜
44、3；丈令 3；荇碩士 f位论丈 第二章工业控制机 2.1工业控制机概念分析 工业控制机（工控机）是计算机技术和自动控制技术结合的产物，是实现工 业生产自动化、优质、高产、低能耗，以提高经济效益的主要技术手段。 工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义 上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机， 包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天的工业控制计算机的内涵已经 远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。同时，工控机技术自身 也得到了迅速发展。 工业控制计算机是专门为工业现场生产过程控制和机械制造程序控制而设 计的计算机。相比于普通
45、微机，它有下列特点： A、 高可靠性，以适应工业现场十分恶劣和复杂的工作条件； B、 具有实时响应处理能力，以满足工业生产过程实时控制要求； C、 丰富的与工业现场信号相连的工业 I/O接口； D、 结构搭配合理，易于扩展； E、 先进的系统软件和应用软件，便于开发。 在工业生产过程中使用计算机来实现自动控制的系统，都涉及两个方面，即 工业控制计算机和工业生产设备。从工控机的组成角度来看，与普通微机一样， 它可以分成硬件部分和软件部分。硬件包括主机、外设、工业输入输出接口。软 件部分包括系统软件和应用软件，系统软件包括计算机本身操作系统合监控系统 等系统程序，它具有一定的通用性，可由计算机生产
46、厂家提供；应用软件就是实 现生产过程控制的用户程序，它具有专用性，由用户根据控制要求编制。其组成 原理和工作原理图如图 2. 1。 其中最引人注目的是主机和被控对象之间的接口电路以及外部通道。在工厂 中，这些部件都需要根据不同的需求来选择。 8 涅明娌 2；太 f 2秸碩士管疗论之 图 2.1工控机原理图 2.2集散控制系统 （ DCS) 2.2.1功能分析及系统结构 DCS是分散控制系统 (Distributed Control System)的简称，综合了计算机 (Computer)、 通讯 （ Communication)、显不 （ CRT)和控制 （ Control)等 4C 技术，其
47、 基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。 集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分 散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、 通讯网络技术、 CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。 DCS既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服 了二者的缺陷而集中了二者的优势。 DCS的结构是一个分布式、分支树状结构。 按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既相互独立又 相互联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不 同级的不同功能，如实时控制、
48、实时生产过程管理等，横向分则意味着同级设备 具有 类似功能。 10 DCS的结构主要分为三大部分：带 I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口 (HMI)。控制器 I/O部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人机 9 筅的理 2；太 f 3； a确士 f荇论 i 接口是操作人员与 DCS相互交换信息的设备 ;通讯网络将控制器和人机接口联系 起来，形成一个有机的整体。从某种意义上说，控制器是 “ 心脏 ” ；人机接口是 “ 眼睛 ” ；通讯网络则是 “ 神经网络 ” 。 DCS的典型结构如图 2. 2。 图 2. 2 DCS系统结构图 2.2.2通讯网络 通讯网络是 DCS的重要支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要靠 通讯系统