中文摘要

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近年来经济迅速发展，氧化铝生产行业面临着激烈的市场竞争，这既是机 遇同时也是挑战，这样的情况下，采用何种方式才能进一步提高企业的竞争力， 成了氧化铝生产行业最为关注的热点。经过研究发现，氧化铝的生产环节中生 产过程控制成为企业生产水平的决定性因素，过程控制无疑成了企业降低成本、 提高效益、抗御市场风险的有效方式。如何通过先进的技术手段加强氧化铝生 产过程中各个环节的过程控制是目前该企业亟需解决的问题。

现代化过程控制技术成了企业生产问题的首选方式，DCS控制系统的出现， 使得从根本上解决问题出现了可能，DCS控制系统可以提供非常完善的应用方 案，将现有的DCS控制系统先进技术与生产环节紧密的融合在一起，可以与香 江万基的具体生产环节进行具体分析，得到适合该企业的过程控制系统，提高 企业的生产效率，以增强企业的总体实力。

论文主要完成了以下工作：首先对香江万基的各个具体生产环节和具体控 制需求进行了详细的调查和分析；对DCS控制系统中的关键技术和问题进行研 究；根据软件工程的思想方法构建适用于香江万基的DCS控制系统的体系结构 与组态设计并进行了详细的网络构架；将网络构架具体实施并且进行系统集成 测试。

关键词：控制系统：氧化铝生产；车间生产控制；网络架构

Abstract

Abstract

With the rapid economic developmentⁱⁿ recent years，alumina production industry faced^intense competition^{in themarket．Tlliswasbothan} opportunity^anda challenge at the same time．Under such circumstances，the way which could help to enhance the competitiveness of enterprises，became^the most important thing of alumina production industry．A_Rer^the research，Xiangjiang Wanji^found that the process control of alumina production WaS the decisive factor of production levels．If the process^{wascontrolledwell，itwould} be an effective way to reduce cost，improve efficiency^{andresistthemarketrisk} undoubtedly．How^toenhance all aspects of alumina production process control WaS the problem whicd is needed to solve through advanced technology． Modem process control technology became the preferred way to solve the problem． 111e appearance of DCS control system brought a possible that a fundamental solution to the problem^WaS likely to occur．DCS control system could apply complete application．According specific analysis^of specific aSpects^of Xiangjiang Wanji’S production process，if^{putDCScontrolsystemswith} production processes together, it would be a suitable control system for^this company．This system Can help^to improve production efficiency,and^enhance strength^{of the} factory．

In this paper,it completed the following work：first of all did a detailed investigation^and analysis^{of various} specific^areason Xiangjiang Wanji’S production process^and specific control needs，secondly^{researchedthe} key techniques and problems^{of theDCScontrol} system，and^then according^the thinking^{ofthesoftware} engineering，designed a detailed network^architecture of the control system^for Xiangjiang Wanji company,finally completed^{thenetworkarchitectureandtestedthe} system．

Keywords：control system；alumina product；workshop production control；network architecture

Ⅱ

第】章引言

第1章引言

1．1题目阐述

DCS控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求 的日益复杂应运而生的综合控制系统。将DCS控制系统与香江万基铝业的具体 生产过程将融合，能够更好的控制氧化铝生产过程中各个环节，更好的完成整 个过程控制，这对于过程控制现代化的进一步发展具有极其重要的作用【11。

1．2企业现状分析

随着经济的快速发展，香江万基氧化铝有限公司的年产量不断提高，但同 时每个行业在新的形势下都面临着激烈的市场竞争与生存挑战。

为了增加企业的竞争力，企业开始重视如何提高企业的生产效率，降低生 产成本。对氧化铝生产过程中的各个环节进行合理科学的控制方面，由于技术 和操作人员的问题，还需要进一步的研究和提高。

大多数氧化铝生产企业开始将生产过程控制作为影响企业生产经营的关键 环节来加强管理。企业采用高效快速、安全可靠的信息化与自动化手段进行统 一管理，针对企业现阶段难以管理的一些漏洞，进行彻底的整治，通过先进的 技术提高企业的整体生产水平12】。

1．3项目背景

随着现代经济与社会的发展，各行各业都有了飞速的发展，但是也面临着 激烈的市场竞争与生存挑战，因此企业都需要更好的降低经营成本。氧化铝的 生产过程相对较为复杂，涉及到原料、溶出、沉降、分解、过滤和蒸发六个环 节，过程的复杂带来了很多的管理控制问题，因此如何对过程进行科学的管理 控制无疑是降低成本、提高效益、抗御市场风险的有效方式，也是提高企业管 理水平，提高生产质量，降低成本的重要环节。

如何通过先进的技术手段加强对生产过程的控制、进行科学的管理、实现 降低成本的目的，是目前亟需解决的问题。采用具有高效快速、安全可靠的信

第】章引言

息化与自动化手段的DCS控制系统进行统一管理，可以针对现阶段的一些漏洞， 进行彻底的修补，通过先进的技术对解决生产过程中存在的问题。

DCS控制系统融汇整合系统主要有现场控,tJ站(vo站)、数据通讯系统、人 机接口单元(操作员站OPS、工程师站ENS)、机柜、电源等组成，同时系统具备 开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。利用DCS控制系统的优势，将 DCS控制系统应用到氧化铝的生产过程中，提高生产效率与质量，增强企业的 实力【3】o

1．4研究内容

论文按照面向对象的软件工程的开发流程，从需求分析到实际实现进行了 全面论述。论文完成的主要工作是：

1．需求分析

在对香江万基氧化铝的具体生产过程进行深入了解之后，得出在氧化铝的 生产环节主要分为原料、溶出、沉降、分解、过滤和蒸发六个环节，同时考虑 到各车间之间的协调、原有设备及系统的应用以及系统的可扩展性，增加了生 产调度中心模块，系统将针对这七个模块进行设计。

2．技术平台选择

构建系统开发平台，研究运用的主要关键技术。遵循实用、与操作系统兼 容性好的原则，在满足需求的前提下，DCS控制系统采用Client／Server(客户机／ 服务器)体系结构【4】。

3．系统设计

论述系统的体系结构、各个模块的主要控制功能、分层设计、特点进行了 详细的设计和描述。

4．系统实现

对系统涉及的各种功能进行详细论述，并给出控制系统的各种细节设备图， 以系统的实施和测试。

1．5论文的组织结构

论文共分为七章。

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第1章引言

第一章是引言，主要是对题目进行了阐述，介绍了项目的现状和背景论并 详细描述了论文的研究内容和组织结构。

第二章介绍了DCS控制系统及其关键技术，其中包括了DCS控制系统的简 要介绍，描述了现有的系统的标准和规范，论述了DCS控制系统的功能和特性。 第三章主要分析了香江万基氧化铝具体生产过程的控制需求，对生产的各 个环节进行了深入的了解，从原料、溶出、沉降、分解、过滤、蒸发以及生产 调度七方面进行设计。

第四章详细的介绍了针对香江万基氧化铝有限公司的DCS控制系统的架构 设计，其中包含有系统的综述，体系结构，分层设计，组态设计以及各项控制 模块的功能。

第五章主要描述了针对香江万基氧化铝有限公司的DCS控制系统的详细设 计，根据前面的需求分析和系统的架构设计描述了系统详细设计，包括系统的 各个模块的具体参数配置以及局部模块的组态设计和具体网络结构图。

第六章介绍了面向氧化铝生产过程的DCS控制系统的实现过程，其中有包 含有系统的具体实施和系统测试部分。

第七章归纳总结了论文所做的工作，并且进行了进一步的展望。

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第2章DCS控制系统及其关键技术介绍

第2章DCS控制系统及其关键技术介绍

2．1 DCS控制系统介绍

随着现代化技术的进一步发展，DCS控制系统即分散控制系统逐步进入工 业生产行业的视线，工业生产过程的控制对于系统要求越来越高，DCS控制系 统就得到了更进一步的发展，其中涉及到了多方面的技术和知识，包括有计算 机网络技术、多媒体技术，以及控制过程等各方面，系统将为企业用户提高友 好的界面以及信号通讯，并且进一步的组合现代化的设备，以完成企业用户对 于过程控制的需求【51。

针对香江万基氧化铝具体生产过程中的特点，本系统采用的是采用 RockWell DCS控制系统中的高端产品A-B ControlLogix系列，ControlLogix系 统不仅具有先进的通讯能力和最新的I／O技术，而且同时提供顺序控制、过程控 制、传动控制等多种控制功能，充分满足氧化铝生产对多种控制方式的综合要 求。ControlLogix系统实现了真正意思上的控制器冗余，加之强大的网络、电源 等全方位冗余功能为氧化铝连续、稳定、高效生产提供有力保证。作为集成架 构的组成部分，所有的Logix控制器都集成了NetLinx通讯架构，完全实现 EtherNet／IP、Control Net网络以及DeviceNet三层网络的无缝连接，同时系统具 有良好的开放性，可方便接入FF、Profibus、Modbus等多种总线设备[61。

2．1．1 ControlLogix系统介绍

1．ControlLogix硬件特点

Logix5561采用的是ControlLogix技术，为生产企业的工业控制提供了一种 创新的并且具有灵活性的全部控制方法，同时系统与现有的存在的工业控制网 络相结合，同时实现了互换信息的功能f7】。

1)模块化：系统模块化包括I／O、通讯接口和内存。

21带电插拔：ControlLogix系统可以对系统的任何部分进行带电插拔，同 时并不会对系统造成障碍。

3)高速传输：ControlLogix可以在模块、网络以及系统的各部分之间进行 信息的高速传输。

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第2章DCS控制系统及其关键技术介绍

4)高强度的工业硬件平台：ControlLogix采用特殊设计的高强度工业硬件 平台，从而可以承受震动、高温以及各种工业环境下的电气干扰。

5)小型化：ControlLogix系统都有的小型化配电盘空间设计。

6)分布式处理：通过Ethemet、Control Net网络、DeviceNet网络将处理器 连接起来，可以实现分布式处理。

7)分布式I／O：通过Control^{Net网络、DeviceNet、Remote} I／O链路即可将 远离处理器的分布式I／O连接起来。

8)．多个处理器模块并存：系统同时具有处理器模块，同时处理器之间进行 互相访问。

9)IEC．1131．Complaint操作系统：ControlLogix系统具有独特的操作系统， 同时IEC．1131．Complaint所都有的特性都有助于系统的运行，满足用户的需求， 提高系统的运行效率。

10)通讯：无源数据总线的使用解决了通讯本身存在的问题，这样有助于系 统的安全和确定性。

2．处理器特点

处理器用户存储器容量从2M字节到8M字节．按工程需要可以通过内存子 模块进行扩展控制和信息处理要求，而无需更换处理器。多处理器共享输入(输 入多点广播)，多优先级多任务操作系统，支持一个连续任务和100个由用户组 态的周期任务，每一个周期任务又分配给100个程序，程序调度由用户来组态， 可以实现预定的I／o传送，按不同控制要求，多种数据类型，数据结构也可以由 用户自己定义，这样的数据组态可以由系统中各个部分共享，同时对于系统各 个部分出现的故障，也可以及时简单的进行处理，以保证整个DCS控制系统能 够正常的运行例。

3．I／O模块特点

I／O模块是系统的重要组成部分，在系统中没有一个独立的槽位都由系统的 组成模块单独使用，对于插板上的任何槽位都可以由进行随意的选择，而且这 对模块进行切换时，并不会受到电源的因素的影响，同时企业用户也可以根据 自身的需要进行随意的拆卸，这样将更方便于用户，而且信号在传输过程中所 受到的干扰影响也十分的小19J。

2．1．2 NetLinx开放网络体系结构

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第2章DCS控制系统及其关键技术介绍

Rockwell Automation研制了NetLinx开放网络体系结构。在NetLinx开放 网络体系中，包含有很多的内容，其中有控制方面的数据、开通网络服务所使 用的协议，以及相对方面的网络接口，这些都将NetLinx开放网络体系结构的 优点不断增大，得以实现实时控制，以及控制系统组态和系统数据采集等各个 功能，同时又扩展了系统的使用范围和强大功能。NetLinx开放网络体系结构指 的就是特定的网络体系结构【101。

NetLinx体系结构包括三层开放的网络技术：DeviceNet，Control Net网络和 EtherNet／IP。之所以称之为开放网络技术，是因为这三种网络的技术规范不属于 或者受控于任何单一制造商。DeviceNet、Control Net网络、EtherNet／IP现场总 线技术的市场推广和进一步的发展分别由独立的国际组织开放设备网销售商协 会(Open^{DeviceNetVendors} Association，ODVA)和控制网国际(Control Net网络 International)。

概括来讲，采用NetLinx开放网络体系结构有以下好处：

1．结构体系紧密

NetLinx独特的特性可以帮助用户真正可以做到从互联网到设备网络的无 缝通讯。

2．网络带宽利用率高

NetLinx开放网络体系结构的通讯方式决定了它可以有效的减少信息传输 量，提高利用率。

3．系统反应迅速

NetLinx开放网络的信息传送方式降低了系统所需要传输的信息，提高了网 络利用率，同时也保证了系统响应迅速，提高的系统的实用性，也加强了系统 的重复利用率。

4．系统实现简单

采用合适的软件直接实现系统，降低设计难度。

5．成本较低

由于NetLinx开放网络体系结构本身具备的网络特殊结构，大大节省了系 统中电缆的使用。

6．高效生产率

NetLinx开放网络体系的重要技术内容使得系统生产效率不断提高，使用也 更为方便。

7．NetLinx开放网络体系结构具有多层网络结构同时又具有透明性。

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第2章DCS控制系统及其关键技术介绍

8．系统为统一的整体，使用简洁。

9．信息传送所使用的传输方式也更加有效。

10．防止了网络出现不饱和现象。

其中Control Net网络网络主要是针对工业产业，是一种局域网，具备高效 的性能，具体的优点如下【ll】：

1．开放性

Control Net网络网络从最初的研发到大力发展，慢慢的整体研究技术已经 完全公开，慢慢成为整个行业的领军人物，也逐步成为标准，标准化将有助于 整个行业的进一步发展，也使得企业用户可以根据自身的情况以及具体的需求 对网络以及网络设备进行自由的选择，才能使得整个系统都能够正常有效的运 行。

随着科学技术的进一步发展，尤其是计算机网络技术和控制技术，也随着 企业用户对控制自动化的要求也越来越高，现代的控制系统的发展方向也有了 相应的转变，而庞大的系统以及设备的支出，使得系统成为某些企业用户的负 担，这事Control Net网络成为最好的选择，在成本上有所降低，也满足了企业 用户的需求。

2．高效率

Control Net网络的出现满足了企业用户的对于传输的高标准要求，选择合 适网络模式成为重要的问题，这种情况下Control Net网络采用了全新的网络模 式，即生产者／消费者(Pl的DUCE刚CONS啪R)模式，这有别于传统的网络模 式，传统的网络模式采用的是源／目的模式，而采用生产者／消费者模式可以解决 传统的网络模式的缺点，可以实现不不同的信息接收者可以根据数据标志同时 接受信息产生者，这样可以大大的提高网络的利用率，同时也确保了系统的实 用性。该模式同时也被DEVICENET和FOUNDATION FIELDBUS所采用，代 表了新一代网络的趋势。

3．多功能

由于ControlNet网络采用了全新的生产者／消费者(PRODUCER／CONSUMER) 模式，使得它具有了传统网络所无法想象的高功能

4．确定性和可重复性

Control Net网络区别于传统网络的一个显著特点就是其确定性。Control Net网络采用的时间片技术从原理上杜绝了网络发生阻塞的可能。确定性和可 重复性在现代控制系统中得到了越来越多的应用。

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第2章DCS控制系统及其关键技术介绍

5．灵活性

Control Net网络的拓扑结构十分灵活，可以有多种选择，其使用距离十分 长，同时在传输介质上也有多种选择，可以应用于多种场合，进一步扩展了使 用范围。

6．强大方便的网络组态，诊断功能及可靠性

Control Net网络具有极强的网络组态及诊断功能用户可以从网上任何一个 网络节点的网络编程口进入网络，对网络进行编程和组态。而选择其中信息质 量更好的网络信息，极大地提高了网络的可靠性。

• 7．I／O共享

传统的控制网络无法实现I／O共享，但在Control Net网络上，每控制器可 以拥有它自己的I／O，也可以拥有共同的I／O，这也就是说，一个I／O机架可以 同时属于多个控制器。

• 8．扩展性能

由于Control Net网络是一个标准的完全开放的网络，故而具有良好的可扩 展性，选择Control Net网络为今后集中扩展系统的构成创立了良好的基础。

EtherNet(以太网)以太网通讯的典型设备包括：服务器，小型机，微机，控 制器，人机界面，数据采集器，DCS。易于使用以太网的应用包括：整个工厂的 管理，工艺模型的储存和优化和在主机上的程序维护，生产计划和程序的上装， 下载【121。

• 以太网包含以下特点：

• 1．标准化

• 2．兼容性

• 3．传输方式多样

• 4．集成性好

• 5．采用TCP／IP协议

• 6．确定波特率

• 7．网络介质多样

DeviceNet,Control Net网络和EtherNet／IP使用相同的协议和架构，所有的设 备可以不经过翻译或特别的编程在一个网络上甚至跨越网络通信。选择应用所 需要的网络、介质和拓扑类型，在不增加复杂性或牺牲性能的情况下混合并匹 配基于NetLinx的网络。你可以在系统中的任何时刻或任何位置控制、配置设备 和采集数据。从而得到专门设计用于满足你的需求的简单系统【131。

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