当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

基于管控一体化设计的制造执行系统(MES)


山东大学 硕士学位论文 基于管控一体化设计的制造执行系统(MES) 姓名:李德刚 申请学位级别:硕士 专业:软件工程 指导教师:史清华 20050328

山东大学硕士学位论文

摘要

介绍了管控一体化环境下的ERP系统的背景、结构。制造执行系统(MES) 在整个公司信息化系统中,连接生产过程控制系统和管理信息系统,

是实现 管控一体化环境下ERP系统的关键。 实时数据库系统是其数据和事务都具有定时特性或确定的定时限制的数据库 系统.介绍了SuperInf'o实时数据库管理系统的实时数据库,历史数据库,实时数 据库客户端软件及外层产品。 制造执行系统包括实时数据库、数据采集接口、生产数据分析管理系统。本设 计中实现了对全公司生产装置、原料储罐、公用工程和送、配电力的实时数 据采集.部分数据采集接13的设计及实现.完成了实时数据库的建模和实时数 据库的组态。基于实时数据库平台设计开发了生产数据管理系统,完成了生产数 据管理系统的需求分析,设计,各功能模块的实现。主要模块包括流程图浏览模块、 实时数据查询模块、历史趋势查询模块、过程报警查询模块、工艺参数分析模块、 班组考核模块。对生产数据管理系统和数据采集接口程序进行了测试。 基于实时数据库平台,实现聚酯生产过程中的熔体粘度控制。聚合物 熔体的粘度控制对于保证聚酯产品的质量指标是极其重要的,而粘度与反 应釜的液位、真空度、温度、搅拌电流值、物料平衡、热量平衡、滞留时 间等相关变量有关,是一个多变量大滞后控制系统.介绍了基于实时数据 库系统平台下多变量大滞后控制系统的数学模型建立,程序设计及实现框
图,测试结果。

.关键词:实时数据库制造执行系统多变量控制数据采集接口



山东大学硕士学位论文
ABSTRACT

This about

paper introduces
management

background and structure of ERP system and control。Manufacture
process

integration

Execution with.

System(MES)connects production
management

control

system

information system.It

is

the key to

combine management

with

contr01.

Real—Time Database Management System(RTDBMS)has



time character of

data and affair。has certain time limiting.It introduces real time affair and real time task control about database system.It introduces real time

database,historydatabase of Superlnf02.5 system。Real time Database client soft and periphery products. M匿S consists of Real—Time Database Management SysteIn'Data Col lect

Interface and Manufacture Data Analysis Management System.This design has
finished real time data collect about process control device,material tank, and public

project

electric power.Data collect interface has realized.It

has been done modeling of database.This chapter introduces configuration about real
t ime

database.We

have
on

designed

Manufacture

Data

Analysi



Management System that is based

real time database.First,Analysis

and

design of requirement have been finished about Manufacture Data Analysis Management System.Then
we

finish function module.Mostly module includes

product process chart browse,real time dam query,history trend query,process alarm query,process parameter analysis,group check,and

accident

look

back.

Manufacture Program
are

Data Analysis Management System and Data Collect
tested.
on

Interface

We have designed polyester viscidity control based

real time

database.Viscidity control of polyester is target.Polyester viscidity is relates
to

most

important in quality
vacuum,temperature,

tank

mill current,materiel balance,quantity of heat and delay time.It



山东大学硕士学位论文
●●_________■_■●__●●■__●■II——I■●_____■■■●_■____■●●
is


MIMO(many
that

input

many

output)lag control

system.It
on

has

established
program

database Math model

of MIMO based

real

time,

design and frame test result.

Key word Execution Interface

Real—Time Database Man撕ement System(RTDBMS),Manufacture

System(MES),MIMO(many

input many output),Data Collect

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,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研,

究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名:盘:煎4



期:亟!堕羔:!!

关于学位论文使用授权的声明
本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定)

论羔榨者签名:——导师签名:壶笔娩日期:

山东大学硕士学位论文

1.

第一章绪论
引言 济南X×新材料有限公司的发展战略目标是走规模化、差别化和信息化之

1.1

路·生产要规模化、产品要差别化,通过信息化来带动企业的制度、技术和管 理创新,提高企业的市场竞争能力.特别是企业加大技术创新工作力度,运用 高新技术,通过信息化手段改造传统产业,不断提高产品的差别率、附加值, 加强企业的核心竞争能力。 公司的生产过程是连续性和混合性相结合的方式.其生产特点是: 生产流程连续性强、关联性强.生产设备是数套模式固定的生产装置,产 品种类变化不多,设备投资费用较大,工艺流程相对固定.对于企业来说, 原材料约占整个生产成本的70%~80%,而人工费用仅占总成本的2%~5%。 公司信息化的重点目标:如何准确地把握市场,及时地研发出市场所 需的新产品,工艺和装置进行柔性化地生产。提高工作效率,使企业组织 机构趋于“扁平”化。因此公司提出了实施管控一体化环境下的ERP系统。 借助于DCS技术、实时数据库平台、制造执行系统(MES)和企业资 源计划(ERP)管理思想。开发一个适用于流程工业生产企业,支持企业 物流、资金流和信息流的有效集成,适用于企业各个应用、管理层次的 综合集成的整体自动化系统;通过企业资源优化、生产过程优化和先进 控制,实现“管控一体化环境下的ERP系统”. 将企业的生产过程、物料移动、设备状态、产品指标等各种数据采 集、存储并加工成新的信息资源,提供给企业资源计划系统(ERP),使 它能够实时地做出有利于生产要素优化组合的决策.EPR系统,除完成客 户.关系管理、供应链管理、财务管理、成本管理控制、生产计划与控制、 物料管理、质量管理以及设备维护等功能外,其最大的追求目标是:应对 市场的预测分析和客户,及时地进行新产品的研发、工艺过程设计以及工 艺流程改进和优化,实现柔性化生产.最大限度地满足客户和市场,使企 业能适应瞬息万变的市场竞争环境。求得最大的经济效益.

第l页

山东大学硕士学位论文
制造执行系统(MES)在整个公司信息化系统中,连接生产过程控制 系统和管理信息系统,是实现管控一体化下的ERP系统的关键。 管控一体化管理信息系统结构示意图如下:

1.2公司信息化现状 1、生产过程实现集散控制(DCS) 我们首先建立了生产控制的信息系统.我们有6套主生产装置(精 对苯二甲酸、聚酯切片2套、涤纶短丝2套、涤纶长丝)其中5套装置
第2页

——————————————————————————一

山东大学硕士学位论文
生产过程控制完全采用集散控制系统(CENTUM、EX—1000、IA、TPS).

另外,公用工程(热、水、汽)和高、低压电力配送系统,也完全实现 了计算机监控.几年来由于生产过程实现计算机控制和管理,从而使公 司产品质量、产品成本以及生产管理水平都处于国内同行业领先地位。
2、实施财务管理系统

在完成会计电算化的基础上,实现财务管理。实现了业务管理和财 务管理一体化,强调面向业务流程的财务信息的收集、分析和控制。 3、建立企业物流管理系统(进、销、存) 03年,结合企业优化升级,在原管理信息系统(MIS)基础上,实施了 “企业内部物流管理信息系统”,它是对信息、资金和物流三流整合的 过程。在企业资源链的管理中,以物流管理尤为重要,在抓好降低生产 制造成本的同时,要在进、销、存业务管理上下功夫。把财务管理基于 企业管理的核心.在有效地掌握并控制资金流,才能控制物流,进而控
制生产经营的全过程。

4、为了提高企业协同办公能力和团队精神,实施办公自动化(OA) 该系统包含:公文管理、会议管理、邮件收发、电子论坛、规章
制度、企业简报、多媒体播放等。

1.3本文的贡献 1.3.I生产制造执行系统(姬s)的设计及应用 制造执行系统包括实时数据库、数据采集接口、生产数据分析管理系统. 本设计共有七个生产分厂的实时数据采集系统,我完成了聚酯l、聚酯2及 原料车间实时数据采集系统软、硬件的设计,用vB开发了智能仪表与实时数据 库的接口程序.完成了实时数据库的选型,实时数据库的建模.基于实时数据 库平台,主持开发了生产数据分析管理系统,主要模块包括流程图测览模块、 实时数据查询模块、历史趋势查询模块、过程报警查询模块、工艺参数分析模 块、班组考核模块。按照软件项目的要求,对此系统进行了测试·

第3页

山东大学硕士学位论文
1.3.2

多变量大滞后控制的设计及实现 基于实时数据库平台,实现聚酯生产过程中的熔体粘度控制。聚合

物熔体的粘度控制对于保证聚酯产品的质量指标是极其重要的,而粘度 与反应釜的液位、真空度、温度、搅拌电流值、物料平衡、热量平衡、 滞留时间等相关变量有关。通过建立数学模型,基于先进控制平台,根 据多变量控制的思想,应用C语言(嵌入SQLplus)编制软件实现聚酯 粘度的多变量大滞后控制。 本文的结构
本文共分五章:

I.4

第一章绪论。介绍了提出管控一体化环境下的ERP系统的背景、结构。 制造执行系统(MES)在整个公司信息化系统中,连接生产过程控制系统 和管理信息系统,是实现管控一体化下的ERP系统的关键。并对一些相关 情况做简要介绍。 第二章三维公司SuperInf02.5实时数据库系统包括实时数据库,历史数 据库,客户端软件,外层支持软件。介绍了SuperInf02.5实时数据库系统的结 构,数据种类,实时事务处理、实时并发控制和实时任务调度等实时数据库的 基本概念和方法。与本系统有关的软件功能和实现方法. 第三章制造执行系统包括实时数据库、数据采集接口、生产数据分析管 理系统。首先介绍了不同装置和系统的数据采集接口的硬件设计,软件的实现, 重点介绍了用VB6.0开发的智能表接口程序。生产数据分析管理系统的需求分 析,实时数据库的组态、设计,各功能模块的实现。生产数据分析管理系统的
测试。

第四章介绍了基于实时数据库系统的多变量大滞后控制系统的设计。分 析了聚酯反应器的工艺特点,建立简化的数学控制模型。根据数学模型设计软 件框图,编写软件,实现控制功能及应用后的效果比较。 第五章总结

第4页

山东大学硕士学位论文
2.

第二章Super I nf02.5实时数据库系统
1975年美国Honeywell公司首先推出集散控制系统(DCS),到20世纪80

年代国内研制出了中国第一代DCS产品.DCS技术和产品推动了工业自控领域全

面发展到集散控制系统阶段,并引发了实时数据管理和实时数据库概念的出现。 在商品化的实时数据库产品开发上,澳大利亚的Motherwell
Information

System公司于1982年较早的推出MacroVie,产品,美国OSI公司80年代中期
推出了Plant InformationSystem,简称PI产品。另外,还有美国AspenTech

公司的Infoplus.21产品,美国Honeywell公司的Uniformance(PHD)产品、 英国Wonderware公司的Industrial
SQL server产品。

国内实时数据库产品主要有国家电力研究所开发的NSIS石油化工生产实时 数据库,中国大庆金桥信息技术开发有限公司开发的ConRTDB实时数据库,北 京三维天地计算机技术开发有限公司开发的SuperInf02.5实时数据库以及北京 和利时系统工程公司开发的RealMIS实时数据库等. 三维公司的Superlnf02.5实时数据库系统是在艾斯苯公司(AspenTech) InfoPlus.21实时数据库系统基础上开发的产品,它的底层代码与InfoPlus.21 相同.它具有可拆分、模块化设计的特点,易于用户实旋,能快速获得效益。 这种设计提供了弹性平台机构,既可配置成能满足大量不同应用,也可配置成 满足其中的某单一应用系统的需求,其强大的技术能力也适用于用户目前及未 来的特定需要。

2.1

SuperInf02.5实时数据库
特点

2.1.1

(1)灵活性

只要完全符合实时数据库的特性就可修改SuperInf02.5缺省的数据结构或 创新的数据结构来满足应用系统的需要(如用位号来存储实验室结果)。 SuperInf02.5允许客户自建或修改数据库结构.例如,如果报警级为6,就需 要创建一个报警级为6的记录.这一功能使SuperInf02.5可满足任何实际的特 定需要,并且提供了系统可随客户的需求变化进行修改的安全性.很多其它产
第5页

山东大学硕士学位论文
品只提供了固定的数据结构,难一可做的就是结合存在的记录结构来进行组态。
(2)

多个友好、开放的客户端用户界面(Aspen

Process

Explorer、

oDBc/SQL、GcS)赋予了用户对有价值数据最大的访问能力; (3)对所有实时、历史和附加的归档数据可以进行透明而开放的访问; (4)与关系数据库集成,用户不需要应用SQL就可访问数据; (5)灵活的历史系统,可以存储数据库可接受的任何类型的实际数据; (6)大量的数据库组态工具(客户/服务器系统管理工具、批量建点、SOL 查询)、强大的应用和任务调度功能。 (7)适合客户朋昆务器应用的开放分布式API:
(8)
Windows

基于Superlnf02.5管理工具的新式窗口.用户可以通过Microsoft Explorer浏览本机和远程的SuperInf02.5系统。SuperInf02.5实时

数据库提供了优良的应用开发和系统集成功能。可由用户定制和定义的数据结 构,使SuperInf02.5具有许多功能,如在结构之间建立链接、连接特殊应用的 开放式API、外部处理任务、与ANSI一92标准兼容的SOL以及许多设备接口等。 除此之外,SuperInf02.5还具有以下特点:
(1)

快速大部分同类产品的设计只是以固定的速率来扫描外部装置的

每一点.SuperInf02.5不仅如此,还可不需要等待下次扫描周期,就能接收来 自装置的未请求信息,这一点可使SuperInf02.5对数据的变化立即产生响应。
(2)

可连接性

由于用户可以根据特定装置的需要来创建数据结构,因

而这种开放式的结构为访问SuperInf02.5提供了很大的便利。还提供了具有完 善功能的API开发工具用于开发各种接口和集成应用系统.不需要原代码,我 们可开发自己的用户接口。而对于其他产品,只有供应商才可写接口,这样使 用户完全依赖于供应商的技术和价格,没有丝毫选择余地。
(3)

分布式系统可以将分布在工厂不同装置区的多个SuperInf02.5

系统配置成可以彼此共享信息.而且,桌面用户可以访问任何与网络连接的 SuperInf02.5系统的信息。
(4)

多个SuperInf02.5对系统可以分布在不同的地方或不同的装置区,

彼此之间可以相互交换信息,也可与企业信息中心系统或者关系数据库进行信 息交换.这种分布结构可以把控制功能与用户整体系统隔开,从而为先进过程

第6页

山东大学硕士学位论文
控制提供更安全的环境。
(5)

SQL查询

大部分产品可将数据导出到关系数据库中分析.

InfoPlus.21也具有此能力。但是InfoPlus.21提供了更直接的手段,即应用 SQL直接对实时和历史数据库进行查询,就好像InfoPlus.21是一个关系数据库, 虽然它并不是。这一极其强大的报告编辑工具为我们带来了极大的方便。
(6)

事件驱动的结构InfoPlus.21除了定时处理功能外,还支持事件

驱动处理。当检测到InfoPlus.21相应项的状态发生变化时,以此为驱动激发 一些动作,如进行计算、存储历史数据或启动一个程序.例如,在画面中手动 输入一个值,就可进行相应的计算和生成生产报表。当发生高报警时,可以向 DCS立即输出一个值将泵停掉。检查此类事件的发生和启动相应的处理动作不需 要任何请求或扫描机制。InfoPlus.21支持定制的动作和请求,但用户是采用事 件驱动还是定制处理,或者两者都用,有完全的控制权利.
2.I.2

Superlnfo构成 Superlnf02.5的核心产品由下列部分组成:



(1)一个在内存中存储数据的实时数据库; (2)一个称为归档文件的在磁盘文件上存储数据的历史数据库; (3)Superlnf02.5应用程序接口(API)和一组使用API服务于实时与历 史数据库的进程.


Superlnf02.5实时数据库具有以下独特的设计: (1)超出关系数据库许多的,在内存中高速存取信息的功能: 存储速度>2000个输入值/秒;回取速度20000数据值<O.4秒· (2)数值与时间数据的高分辨度: 实型(浮点数)双精度;整型32位: 时间数据达0.1到0.001秒的分辨度。 (3)嵌入式的数据压缩功能减少数据的存储空间; (4)提供一个配置好的应用记录集,使用这个记录集存储数据会加快实施

的速度; (5)时间和事件驱动数据的更新;
第7页

山东大学硕士学位论文
(6)灵活的存储结构使用户容易、高效配置数据库以满足特殊应用的需要。
3在SuperInf02.5中全部的数据以记录的结构存储在内存中,SuperInf02.5

结构具有如下的特性:
(1)高速的数据存储和恢复;

(2)使用预定义的数据结构加快实施进度、客户化的数据结构满足将来进 一步的应用需要; (3)嵌入式的数据进程处理,如数据时间标签、变化率的计算、报警上下
限的监测。

2.1.3记录结构

一个记录是备相关数据的集合。在SuperInf02.5数据库中,每一个记录必 须有一个唯一的名字。每一个数据项在记录中作为域存储。记录中的每个域包 括各种数据类型。在Superlnf02.5中,数据类型包括: (1)整型或可以以整型表示的字符串字符(如On或Off); (2)居有小数的数值(“实型”或“浮点”数);
(3)字符串: (4)绝对时间: (5)时间间隔:

(6)指向其他记录或域的指针。 2.1.4数据库中的记录 在InfoPlus.21数据库中,记录具有类或族的属性。属于相同的类或族的 记录有相同的一套域(以及相同的嵌入式的处理进程),使得它们适合存储某一 特定类型的信息。 下面的例子以简单的方式显示,在同一个类中记录的一些域用于存储模拟 量的数据,如温度和压力. 注意,除记录的名字(用于唯一的标识记录)和存储当前过程变量值的域 外(在这个例子中,这个域的名字是“Value”),还有其他的域存放相关的信 息,例如:
第8页



山东大学硕士学位论文
(1)一个变量的字符描述(Description)、品质状态或值的可靠性(Quality

Status)和其他相关信息的数据项; (2)某些域可以手动地输人(Description、Eng
Units):

(3)某些域可以通过接口提供的数据更新(Value、Quality Status)或 可以由数据库自动地计算产生; 在InfoPlus.21数据库中的每一个记录有一个唯一的名字,名字可以是长 达24个字符的字符串,并可包括任意字符,如数字、下划线、点、破折号、空 格、大写、小写或混合(在记录的名字中,SuperInf02.5并不区分大小写)。
2.1.5记录的层次

前面已经说明,在InfoPlus.21数据库中。记录属于一定的类或族。每一 个类或族通过一个称为Definition的记录确定.每一个族的记录定义属于该族 的数据记录的性质,例如每一个记录中域的数量、域的名字,每一个域可以拥 有的数据类型等。 定义记录仅包括这类系统的信息,不包括任何用户信息。定义记录约定为 以Def结尾。

2。2

Superlnf02.5历史数据库

2.2.1历史数据库的功能

SuperInf02.5对历史数据库具有以下功能: (1)比关系数据库具有更高的磁盘存储效率(每个记录至少节省2/3磁
盘空间); (2)具有灵活的配置选项;

(3)归档文件可以根据时间周期定义或根据最大存储能力定义; (4)如果需要,甚至可以在数据存储以后插入或改正数据; (5)GEl"时间标签(没有时区的问题); (6)API的功能; (7)为应用程序开发者提供完整的程序文件;


第9页

山东大学硕士学位论文
(8)丰富的函数功能支持可能的数据库内部的操作; (9)远程访问的支持。 2.2.2实时数据库中当前值、历史值 当前值和历史值存储于实时数据库的记录域中,为了满足实时数据库性能 的需要,它们被存放于计算机的内存中. 从内存中分配、读写数据比在磁盘上的操作要快。然而磁盘存储数据的量 要比内存大.使用历史数据管理系统,可以传输带有时间标签的数据到磁盘的 归档文件.使用这种方法,可以对每一个记录存储数年以上的历史数据。 在磁盘归档文件中的历史数据可以通过时间标签和实时数据库中每个记录 的标识来检索。需要的时候,历史数据管理系统也可以从磁盘归档文件中恢复 历史数据。也可以对历史数据进行进一步的计算,如小时平均值、每日的最大、
最小值。 SuperInf02.5历史文件将存储下列数据源来的数据:
·

(1)CIM—IO接口的数据; (2)手工输入到实时数据库中的数据。 SuperInf02.5的历史文件系统由下列主要部分构成:
(1)SuperInf02.5数据库API层全部操作数据库的外部应用必须使用这 个API:

(2)SuperInf02.5数据库包括记录的固定区和记录的历史重复区; (3)一个或多个数据仓库每个数据仓库包括一个常驻内存的队列、一个 队列文件(队列溢出时采用)、一个归档任务(H21archive)、一个高速缓冲内 存区、一个高速缓冲区的镜像文件(5分钟存储一次)、2个以上的归档文件; (4)数据仓库是一个完整的、自我包容的历史文件系统。 来自过程设备的数据(CIM--IO)到API层。然后固定区的数据域被更新, 压缩完成后,如果过程值通过压缩,它将被同时转到记录的历史重复区和历史 队列.然后数据从队列到高速内存缓冲区并最终到归档文件,即数据的最后存 储单元.


当数据存入记录的固定区后,全部的压缩由SuperInf02.5数据库处理·数

第lO页

山东大学硕士学位论文
据库的API完成压缩并使用相关域的处理程序更新相关的域。API也更新历史重

复区.数据可以被存储在多个数据仓库中,即多个历史数据库。 2.2.3与历史系统有关的数据域 实时数据库的API对数据库提供完善的支持,并且很容易实现与 SuperInf02.5数据库的应用程序接口.应用程序通过调用API对数据库进行操 作.一个应用程序的例子是过程数据服务器Pd
Server.

在数据库内部有3个主要区域:预压缩数据域(固定区)、过压缩域(固定 区)、历史重复区. 下面介绍“过程影像”域、过压缩域和历史重复区部分:
(1)固定区域:“过程影像”,或称为输入域.IP—INPUT_VALUE, IP_INPUTJIME、IP_INPUT_QUALITY;

(2)数据转换域:IP—HI—EXTERNAL_UNITS、IP_LO_EXTERNAL
IP_HIGH ENG—UNTIS、IP—LOW—ENG—UNITS;

UNITS、

(3)数据压缩域:IP—DC—SIGNIFICANCE、IP—DC—MAX—TIME_INT、
IP—DC—ST^—-TUS、IP—DC—SLOPE;


(4)历史系统配置域:IP ARCHIVING,IP_REPOSITORY、

I唧F

TREND VALUES、IP_DC_SLOPE:

(5)过压缩域:IP_VALUE、IP VALUE TIME、IP_VALUE_QUALITY:

(6)历史重复区域:IP』REND_VALUE、IPJREND TIME、IP—了REND IP』REND_QSTATUS。

QLEVEL、

外部任务和客户化的应用程序也可以使用API直接从归档文件和高速内存 缓冲区访问历史数据而不需要Superlnf02.5数据库和队列。
2.2.4数据库域的更新

当数据库收到来自过程接口如CIM--IO的数据时,进入历史系统的数据流 动就开始进行.当数据库收到信息时,它采取的步骤如下:
(1) (2)

一个程序(如接口)通知数据库的API新的数据已经到来; API开始更新记录中的下列固定区域:
第11页

山东大学硕士学位论文
Process Value

IP._INPU^jKLUE

Value Timestamp DCS Status of Value

IP-INPUT』IME
IP INPUT

(3)Superlnf02.5数据库API驱使INPUT VALUES通过压缩进程; (4)如果值通过压缩进程,则INPUT FIELDS按下列步骤更新:
iP INPUT_VALUE IP_INPUT..TIME zm INPUT_QUALITY IP_VALUE IP_VALUE_TIME IP_VALUE_QUALITY

(5)当IP_VALUE域发生变化时,域的处理进程启动,因此在IP-vALUE、
IP_VALUE_TIME和IP._VALUE QUALITY域中的值同时被存储到重复区 中正确的组中。

2.2.5数据压缩的概述

数据压缩的目的主要有3个方面:

(1)减少存储历史归档文件事件发生的数量,节省存储空间; (2)这些事件只有表达过程的精度要求很高的时候才发生: (3)数据压缩允许我们仅存储满足恢复过程精度的要求时才发生。 数据压缩作为处理过程值的储存进程的一部分,除此之外,也可以作为 Superlnf02.5内部的一个算法应用 由于实时数据量大,如果不进行压缩而直接保存需要很大的物理存储介质。 而且生产实时数据有其特殊的规律性,用目前的关系数据库保存历史数据不可 行,一是压缩比小,二是查询速度慢,不能保证实时系统的需要. 对于不同的数据类型,处理方法也是不同的.有些数据类型,如开关量、字 符串量等,在数据库中所占的比例很少,而且压缩处理简单,所以不再详细描 述,这里所说的压缩方法,主要是针对模拟量。 对实时数据进行分析,可以发现数据主要有两种情况: (1)数据变化规律在一段时间内,相邻的数据在精度允许范围内,常常会 满足某种线性规律,利用这个规律,就可以对采集来的数据进行压缩处理,不 必逐点保存;

第12页

山东大学硕士学位论文
(2)数据变化无规律是随机的,无规律可寻的,如设备故障时. 针对以上两种情况,采取两级数据压缩,采用压缩能力较优的SWlNGINGDOOR 算法.在该算法中,Exception和Deviation两个参数很重要,直接决定压缩精 度和压缩比.怎样确定这两个值,我们建议Deviation值取该点的最小显著变
化,而Exception值一般取Deviation值的l/2。

解压缩部分很简单,就是做线性插值。 以上过程,我们称之为逻辑压缩。显然,它在处理生产正常时产生的规律数 据时,压缩是很高的。当逻辑压缩完成后,再对形成的临时文件进行物理压缩。 文件压缩的算法有很多种,SuperInf02.5选用LZSS算法。 LZSS采用动态字典压缩技术,包括字典和先行缓冲区两个部分.字典存放 的是最近经编码处理的输人数据,先行缓冲区存放的是正待被压缩的数据。 压缩过程比较简单,首先输人数据放人先行缓冲区,与字典中的内容进行比 较,如果无匹配的,则按规定的格式对数据串进行编码;如果有相匹配的,则 .按原有的编码重写.编后的数据流从先行缓冲区进入字典中,原有字典中的部 分内容从字典的另一端滑出. 解压缩算法比压缩算法更简单,从压缩的文件中读人代码,根据目前已处理 的数据的位置把代码转换为相应的数据,不断重复直至处理完文件. 对于SuperInfo系统,缺省的设置是进行两次压缩。如果服务器的性能不
高,为了提高实时处理时的压缩时间和数据查询时的解压缩时间,或者处理的

数据在所有时间内都是有规律的,只用逻辑压缩其压缩比已经很高,或处理的 数据在所有时间内都是无规律的,用逻辑压缩效率并不高.这时可在数据库组
态时选择使用其它压缩方式.

2.2.6历史重复区 历史重复区用于存储在内存中的历史值。当新的数据通过压缩算法后,下 列步骤开始: (1)新的数据被存储到固定区的过压缩域; (2)新的数据同时被存在历史重复区的相应的组;
IP_VALUE

IPJREND_VAgUE

第13页

山东大学硕士学位论文
IP_VALUEjrIME
IP_VALUE_QUALITY

IP—TRENDjrIME IP_TREND_QUALITY IPjREND_QLEVEL

(IPJREND_QSTATUS)

(3)IP TREND_VALUE:过压缩的值的归档域;

(4)IPJREND_TIME:值的时间标签;

(5)IPJREND_QUALITY:值的状态;
(6)I P_JREND_OLEVEL:历史重复区组的状态。

2.2.7队列

当数据库收到数据而且通过压缩算法后,将其转存到历史重复区。当上述 过程发生时,API结合其他数据库记录中的项,将数据放入内存的队列中。此时, 在队列中的数据并不以任何方式分类。每一个数据仓库有自己独立的队列。这 个队列常住内存,在16位的内存中有IOOKB。 2.2.8高速内存缓冲区 高速内存缓冲区以多通道的方式构成,每一个通道存储数据库一个重复区 的全部数据(一个通道相当于一个记录)。 每一个通道的大小由称为Cache._Size的参数决定,以字节为单位说明。整 个常驻内存的高速缓存的大小由每个数据保留的内存和数据归档的数量决定. 2.2.9归档文件 归档文件是Superlnf02.5历史文件系统最终存储数据的地方。全部长期的 采集数据被存放于归档文件内,形成一个自我包容的相关文件组,称为归档文 件集。这些文件集是SuperInf02.5历史文件系统的重要组成。它们形成一个重 要的工厂过程信息库.. 所有归档文件集保存在一个NT的文件夹中.这个文件夹可以由 SuperInf02.5系统管理员来配置。 每一个归档文件集被标以日期、开始时间和结束时间。所有特别日期与时 间段采集的数据以相应的日期/时间范围插入到文件集中.文件集通过记录的
第14页


_———————————-——I—————_————_——_一

山东大学硕士学位论文
标识号索引。

当前存储数据的文件集称为活动的归档文件集。当一个活动的归档文件集 达到了Superlnf02.5系统管理员规定的限制时将被转换。这意味着归档文件集 被标记一个结束时间然后关闭.另一个归档文件集将被标记一个开始时间然后
打开。

2.2.10数据仓库

在一个SuperInf02.5历史文件系统中,可以有多个数据仓库.每一个数据 仓库是一个自包容的历史文件系统.包括队列和可能的队列文件,一个高速内 存缓冲区和对应的文件,一个h21archive进程和一组归档文件集。数据仓库常 驻在自己的目录下,这个目录下包括归档文件的子目录.数据仓库提供一种分 离不同数据类型的一种方式。
2.3

SuperInf02.5的外层产品

SuperInf02.5不仅自己是一个技术先进的实时数据库平台,更有完备的外 层应用产品,下面是在本系统中涉及到的外层产品.
2.3.1
SuperInfo Multivariate

应用显示多个过程变量相互关系的实时统计图来提高对过程的认识和了 解,并提供一个多变量控制应用的平台;

SOLplus是将过程化与非过程化融为一体的程序设计语言,可作为嵌入式 SOL弥补复杂应用方面的不足,为SuperInf02.5系统提供支持. SOLplus可以查询访问SuperInf02.5数据库中任何实时的,历史的以及配 置数据.其强大的语法功能可以查找数据,对数据进行排序和计算,并可接查 询、报告和分析的需要显示数据,就好像在访问关系数据库一样.SOLplus对 SOL标准进行了改进,在其基础上进行了特殊的扩充,以便更好地处理时间序列

第15页

山东大学硕士学位论文
的数据,这是SQL本身的局限。 SQLplus将过程语言的功能与SQL灵活的查询能力相结合。SOL可以包含循 环结构和具有定义用户函数的能力,这远远超出了基本SQL接口的功能。 当用户访问数据库中的数据并对数据进行排序时,SOLplus允许对数据进行 比较(SELEcT语句)、计算和转换。例如,一个查询或许要显示某一具体单元操 作的流量、温度和压力值,然后算出总和及平均值。 数据常按信息分类被组织在不同的表中。如果相关的信息分布在不同的表 中,那么经常需要将不同表中的数据放入一个报告中.例如,如果一个表中包 含了某批料生产的开始和终止时间,另一表中包含了位号的过程数据,那么计 算每一批平均温度的报告需要从两个表中取数据。应用SQL的连接(“Joins”) 操作符,可以很方便地依照公用数据(例如时间)将不同表中的数据结合起来。 SQLplus完全支持多表之间使用连接(“Joins”),包括特殊的内部(“Inner”) 和外部(“Outer”)连接。应用可选的OAM模块,连接的表甚至可以在不同的 数据库中,包括运行在不同机器上的SuperInf02。5数据库和关系数据库。
SOLplus应用示例 (1)SELECT查询语句

查询一个关系数据库包含实验室实验结果(用逻辑名“lab”来引用), 该查询结合SuperInf02.5中的记录mfl02,目的是显示出一段时间内每次采样 10分钟后操作值的平均值。对关系数据库的直接访问需要有OAM模块。 SELECT sample—time,result,AV6(trend value)
FRoM

lab.sample.mfl02 sample
time AND

WHERE trend_time BETWEEN
AND

sample—time+

‘0:i0:00’

sample

time BETWEEN’23-AUG—Ol’AND’24一AUG—Ol’

GROUP BY
Where

sample_time)

sampletime

Between batchstart AND batchend And batchstart

BETWEEN,02一JAN—Ol’AND’14一JAN.01’


(3)停车追踪示例



第16页

山东大学硕士学位论文
本例中,我们利用SuperInf02.5生成的停车日志.日志存放在特殊的停车 类型记录(“MachineDef”
因。

)中,该记录中的域包括停车时间,持续时间和原

应用SOLplus通过输入下列语句,我们可以得出在13一SEP—00到15--SEP
--00之间总的停车时间:
SELECT SUM(downtime)“Total Downtime(min)”
FROM machine WHERE starttime

BETI『】EEN‘13一SEP—OO’AND‘15一SEP一00’:

该查询的输出只有一个值:
Total Downtime(min)
126

可以很方便地进一步分析停车原因,例如我们可以得出每种类型错误的百 分比会引起何种类型的停车.
SELECT Reason


ROUND(SUM(downtime)/(48*60)*100,2)“%Down”
FROM

machine



WHERE starttime

BEr眶EN
GROUP BY

13一SEP一00’AND‘15一SEP—OO’:
reason

ORDER BY DESCENDING“%Down”:

该查询的输出如下所列:
Reason Upstream Fault Routine Maint

%Down 2.51
1.04

Internal Fault 0.68 Shift Change
0.17

Total Do,ntime(min)

第17页

山东大学硕士学位论文
3.

第三章制造执行系统的设计及实现
简述

3.1

制造执行系统包括实时数据库、数据采集接口、生产数据管理系统。我们 通过大量的市场调研,比较各家产品的特点,特别是比较产品在同类工厂中的 应用情况,售后服务,可扩展性等情况,结合本公司的实际情况。决定在本设 计中,实时数据库系统采用了三维公司的SuperInf02.5;实时数据库和DCS的数 据接口选用三维公司的SW-CIMIO以及合作开发专用接口;实时数据应用工具 选用三维公司的实时数据应用工具包SuperTools进行二次开发。

用户

第三方应用程序

DCS、PLC、仪表(生产装置)





SuperInfo结构组成
第18页

山东大学硕士学位论文
系统结构采用C/S结构和B/S结构,数据接口及其管理采用C/S结构;实 时数据应用工具包中的数据查询工具同时提供了C/S和B/S两种应用方式,数 据分析工具因为有大量的计算,只能通过C/S方式实现. 本设计中所涉及的DCS、SCADA和其他系统共七套。见下表:
序号



装置
总降站

控制系统
PECSl.AR V打1.7

生产厂家 深圳中电电力技术有限公司
横河 日立公司 浙大中控
Foxboro HONEYWELL



CEl哪IMV
EX.1000 SupCon.IX·300X


4 5

聚酯一 短丝 聚酯二 3000吨

姒S
TPS




CENnJM uXL

横河

3.2

系统设计

3.2.1网络环境及软件环境

网络环境如下图所示,服务器端以Windows 2000Advanced Server为操作系
统,安装Superlnfo Server、SW-CIMIO S盯ver和SuperWebServer·数据采集下位 机以Windows2000 Professional为操作系统,安装SW-CIMIO ClientP客户机可 安装任意W'mdows系列操作系统。

图3.1数采系统环境示意图
第19页

山东大学硕士学位论文
3.2.2软件结构及模块设计 本软件系统自上而下可分为五个层次和两个流向。(见下页图)两个流向指

数据流和管理流。五个层.次为:
1.下层驱动程序:运行于DCS操作站或PLC上位机(DCS厂商提供或用
DCS提供的语言开发或与三维公司共同开发);

2.数据采集和发送:运行于数据采集机; 3.数据收集:运行于服务器; 4.实时数据库:运行于服务器; 5.上层工具:运行于客户机。

VIEW,HISPLOT等





I l

MONITOR




DATABASE ENGINE



上层工具




Super Info Server


数据库

t I
CnⅢo SERVER

数据收集




/ /1

ROTUER

·

TAl、MANGER【



CIlvllO

采集和发送



COLLECT



下层驱动程序



的D剐[VER

图3.2系统结构图

3.2.3数据采集模块SW-CIMl0

SW-CIMIO分为服务器端(sw二C咖O
第20页

Server)

数采机端(SwCDvIIO

山东大学硕士学位论文
Client)两部分.SW-CIMIO Server(以下简称SCS,主要功能是把数据库的数

据请求传递给SW-CIMIO

Client以下简称SCC),并把SCC发送的数据写入

数据库.SCC的主要功能是根据需求取得实时数据,它主要由以下三个程序组 成:1、collect:和DCS进行通讯取得DCS的实时数据;2、Router:发送实时
数据和历史数据给SCS;3、Save His..保存四十八小时的历史数据。

数据流图如下所示:

图中:-+

~’

表示数据
表示数据请求

图3.3数据流图 3.3

DCS数据接口设计 数据采集系统的示意图如下所示,每个采集DCS数据的采集站,除了向实

时数据服务器发送数据之外,还具有保存数据和显示数据的功能,并且保存了 两天的历史数据备份. 采集站的功能: ·和DCS通讯,取得实时数据 ●与SuperInfo数据交换 ●显示软件运行状况
第2l页

山东大学硕士学位论文
·显示实时数据 ●处理实时数据,保存历史数据
3.4

不同装置数据采集方法的实现

3.4.1总降站(PECSTAR Verl.7)

PecStar综合自动化系统是深圳中电电力技术有限公司开发的“全分布式” 的电力监控组态软件,基于以太网和TCP/IP,支持标准的DDE和OPC。 如下图所示,在原系统的前后台间加一集线器,在数采工控机上安装两块 网卡,一个通过集线器和PecStar系统相连,利用DDE通讯协议取得实时数据。 另一个和厂局域网相连。

本方案所需软硬件 序 号
l 2
3 4

软硬件型号

说明

数 量

备注

SW-CIMl0 Client IPC610 3C905 D-Link

For PecStar

l l 2


研华工控机 网卡 集线器

DE.809代
3.4.2

PTA装置(CENTUM V)

PTA装置的DCS系统为日本横河公司的CENTUM--V,CENTUM--V系 统具有Gatew矽通讯单元CGWU-211*B,可通过CGWU上的串口(RS232C) 和DCS通讯,取得实时数据.
第22页

山东大学硕士学位论文
所下图所示,数采工控机上的串1:3和COWU的一个串口相连,通过串口向 CGWU发送数据请求取得实时数据,通过交换机把数据送至实时数据服务器。



本方案所需软硬件: 序 号


软硬件型号 SW-CIMIO Client
mC610 3C905

说明 FORCENTUMV 研华工控机 网卡

数 量


备注







3.4.3聚酯一(EX一1000、Supeon JX一300X)

聚酯一装置有两套DCS系统,一套为日立公司的EX-1000,另一套是浙大
中控的SupCon JX.300X.

1)EX.1000系统不是开放的DCS系统,不支持标准的通信协议。我们利 用一台操作站上RS232串行打印口,对需采集的数据编写定时(2分钟)打印程 序,通过此种方法读取DCS数据.所下图所示,数采工控机上的串口和操作站 的串口(打印12)相连,通过串口读取实时数据,通过交换机把数据送至实时 数据服务器。如下图所示.



第23页

山东大学硕士学位论文
2)J)(.300X

浙大中控的JX一300X集散控制系统是基于工业以太网,应用TCP/IP的传输 协议,其操作站所用的操作系统为Windows,是一个开放的系统。如下图,数 采工控机安装两块网卡,一个通过HUB和JX-300X系统相连,另一个和厂局域
网相连.

本方案所需软硬件:
序 号


软硬件型号

说明

数 量

备注

SW-CIMIO client

共同开发FOR Ex(RS232C)
For JX-300X

l l l


3 4

SW-CIMJO Client
ⅢC610 3C905

研华工控机 网卡



注:两套DCS在一个操作室,可用同一台工控机采集。

3.4.4短丝(I/A

S 51)

短丝装置的DCS为Foxboro公司的FA¥51,后升级为71,FA系统是开放 的DCS系统,支持标准的TCP/P通讯协议。 所下图所示,数采工控机安装两块网卡,一个通过HUB和I/A系统相连, 取得实时数据,另一个和厂局域网相连。

第24页

山东大学硕士学位论文
本方案所需软硬件: 序 号
l 2 3

软硬件型号 SW-CIMIO Client
IPC610 3C905

说明

数 量

备注

FORI,A




研华工控机 网卡



3.4.5聚酯二(TPS)

聚酯二的DCS为HONEYWELL公司的TPS系统,TPS系统是开放的系统, 其操作站和工程师站用的操作系统为W'mdows NT,并提供了DDEServer(TPS DDE),可在工程师站启动TPSDDE,利用NETDDE协议取得实时数据。 所下图所示,数采工控机安装两块网卡,一个通过HUB和TPS系统相连, 利用NETDDE从工程师站取得实时数据,另一个和厂局域网相连。

本方案所需软硬件 序 号


软硬件型号 SW-CIMIO Client
IPC6lO
3C905

说明
FOR’rPSDDE

数 量



备注

2 3

研华工控机 网卡



3.4.6

3000吨(uXL)

3000吨装置的DCS为日本横河公司的CENTUMukL,uXL系统的操作站 上装有RS81通讯卡,可通过RSSl上的RS232串口取得实时数据。 所下图所示,数采工控机上的串口和DCS操作站的一个串口相连,通过串 口向DCS发送数据请求取得实时数据,通过交换机把数据送至实时数据服务器。 本方案所需软硬件:
第25页

山东大学硕士学位论文
序 号


软硬件型号
SW-CIMIO 口C6lO 3C905 RS81

说明
FOR CENTUM uXL(RS232)

数 量
1 l l l

备注

2 3


研华工控机 网卡 uXL通讯卡



3.4.7

智能仪表串行通信程序的设计

公用工程包括原料、水厂、气厂、锅炉等装置。这部分大多采用了智能仪 表。这部分数据通过上位机统一采集后,送往实时数据库.智能仪表自身带有 串行接口,我们通过VB编写通讯程序实现与实时数据库的通信。 (I)VB程序的设计 智能仪表一般具有多种通信方式:RS--232C、RS--422、KS--485串行通信 和BCD码并行通信。其中,RS--232C为点到点连接,而RS--422和RS485为 多点连接(最多可至32块智能表).本系统中采用RS--232C点对点通信方式。 智能仪表通信的基本设置为:半双工,波特率为150~9600可变,由面板按 键设置:1个起始位、2个停止位;整个传送代码采用ASCII码,即7个数据位; 校验方式为偶校验加帧校验序列(frame
chec

scquc'nce,FCS),即每一个字节采用

偶校验,然后再加上帧校验,保证了数据传输的高可靠性.另外当多个智能表 联到一个主机时,为每块智能表指定一个分机号,范围为00--99,由面板按键 设置。 智能仪表的帧分为两大类:一类由主机到智能表称为命令帧,另类由智能 表到主机称为响应帧.可以看出为主从方式,主机每发一个命令或数据,智能 表就返回一个响应帧.帧格式如下:

__—-—_-_--_l_-_lll-——●_-●--—-—-__一
第26页

山东大学硕士学位论文

每个帧由起始符和分机号开始,FCS和结束符结束,分机号为00~99的十 进制数。帧内的所有符号和数字都采用ASCII码,FCS是从开始字符到帧内容 最后一个字符的8位异或运算的结果转换为两位ASCII码。帧长分别为11,15
及19字节等。

在上位机编程时需注意:智能表的存贮器分RAM和非易失性RAM两种, 而非易失性RAM读写需一定的时间,所以主机接收到响应帧后约需等待500ms 才能发送下一命令:若智能表发生故障,在响应帧中含有故障代码。为了保证 系统的高可靠性工作,必须对响应帧进行分析处理。 在VB环境下串口通信软件常用的方法由两种:一是调用W'mdows的API 函数,这种方法比较复杂.另一是使用VB通信控件,这种方法简单,编程容易, 它实现异步通信又有两种方式,即查询方式和事件驱动方式。查询方式是通过 检查CommEvent属性值来查询通信事件和错误的发生,并作出相应的处理,这 种方式适用于应用程序较小或相对独立的场合;事件驱动方式是一种功能很强 的串行通信方式,它可随时检测到通信事件的发生,保证通信的高可靠性.在 本系统使用了事件驱动方式.


本系统中下位机较多,用PLC858串13卡扩展串口,编程采用具有良好图形 用户接口并支持面向对象程序设计的VB6.0.智能表种类繁多,以欧姆龙的E5Ax 温控器为例。上位机对E5AX控制的关键是通信程序的设计,可利用VB6.0提 供的通信控件MSComm(即grmdows98提供的MSCOMM32.OCX6.0控件)。该 控件屏蔽了通信过程的底层操作,程序员只需设置和监视MSComm控件的属性 和事件,就可轻而易举地实现串行异步通信。
(2)MSComm控件主要属性的设置

MSComm控件只是一个通信事件(OnComm事件),而属性较多.大多数 属性仅和Modem连接串行通信时才用,这里就本系统中用到的主要属性设置介
绍如下:

1.CommPort:指定使用某一通信口,可设置1~16.每个通信事件只对应 一个串口,本系统中温控仪使用COM4,COM9,COMl3:
第”页

山东大学硕士学位论文
2.Setting:设置串行口通信参数,包括波特率、奇偶校验、数据位和停止位。 VB6.0的Settings设置较灵活,这里需和E5AX一致,为“9600,E,7,2”,即 波特率为9600、偶校验、7个数据位、2个停止位; 3.Rthreshold:设置输入缓冲区存放接收字节的数目。当输入缓冲区中接受 到该数目的字符时就触发OnComm事件。本系统中该属性的设置根据不同的命
令相应变化;

4.InPut,OutPut:读取接收缓冲区或写入发送缓冲区字符; 5.InPutMode:设置InPut属性取回的数据类型,可为文本或二进制形式。 本系统采用文本字符形式。 还有其它一些属性可以使用,缺省设置。
(3)编程实例

本系统中以ESAX温控器为例,其它智能表编程基本相同,下面仅给出其中 一个的编程实例。 系统控件初始化程序如下:
Dim CommChar As Dim Tcmpl(1
to

String//定义变量
Byte

3)As

Dim FSCI As String
Private Sub

Form_Load0

Timerl.Enabled=False//关闭定时器

Timerl.Interval=50//定时50毫秒
MSComml.Commport----4//选择COM4 MSCornml.setting=“9600,E,7,2’’

MSComml.kpu心vIodc=coInh】pu龇de做∥选择文本字符形式
MSComml.PortOpen=Tme//打开COM4 Templ(3)=0//变量初始化 Tcmpl(2)=0 Templ(1)=0
End sub

系统设计中有定时器,其目的是防止通信失败导致系统不能正常工作·每

第28页

山东’呔裳硕、士学位论文
次发送结束后,启动定时器,若在规定的时间内没有收到E5AX的相应帧,则 提示错误发生,由系统相应错误处理;若通信正常,则在OnComm事件中关闭
定时器。

下面是发送子程序,以写设置温度和读取数据为例:
Private

Sub写数据.Click0

Timerl.Enabled=False//关闭定时器

Labell.Caption=“正在发送温度值,请等待……”
TcmpStr=MSComml.Input//清除接收缓冲区字符

TcmpStr=Tcxtl.Text朋《设置温度
IfLon(TcrnpStr)=1 ThenTcmpSa-=‘'00”&TcmpStr//规格数据
IfLcn(TerapS曲=2
Then TcrnpStr=‘‘《)”&TcmpStr

TcⅡnpl(3)=Asc(I.七fl(TernpSU',1))//百位转换ASCII码 T曲npl(2)=Asc(Lefl(Right(TempStr,2),1))//十位转换ASCII码 Tcmpl(1)=Asc(Right(TcmpStr,1))//十位转换ASCII码
FSCl=CStr(Hex(117 XorTcmpl(3)Xor Templ(2)Xor Tempi(1)))//求FCS

CommChar=“@00WS010”&TcmpStr&FSCI&'‘‘”&Chr(13) MSComml.output=CommChar//发送 MSComml.RthreshoId=11//设置响应帧OnCommn事件触发字符数
Timcrl.Enabled=//启动定时器
EndSub Private

Sub读数据C1ickO

Timerl.Enabled=False//关闭定时器
IfOpdonl.Value Then//读设置温度值

TcmpStr=MSComml.Input//消除接收缓冲区字符 CommChar=“@00RS0140*”&Ch“13)//读设置温度值命令
MSComml.Output=CommChar//发送

MSComml.Rthr船hold=15//设置响应帧OnCommn事件触发字符数
EndIf

IfOption2.value

Then//读过程温度值

TcmpStr=MSComml.Input

CommChar=‘固OORXOl4B*”&alr(13∥读过程温度值命令
MSComml.Output;CommChar//发送 MSComml.Rthr髂hold=15
EndIf IfOptiom3.value Then,/读报警I设置值

TcmpStr=MSComml.Input

CommChaf--"@00R%0136*”&c-=hr(13)//读报警1设置值命令
第29页

山东大学硕士学位论文
MSC omml.Output=CommChar//发送 MSComml.RthreshoId=15

Timerl.Enabled=True//启动定时器
E埘dSUb

3.5

需求分析

3.5.1数据库建模需求 建模好坏是实时数据库系统正常运行的关键。由于每一个实时数据库系统都 有一个点(TAG)数的限制,具体到每个仪表位号又有测量值、操作值、高报警、 低报警、高高报警、低低报警等数值,如果全部采集,每个数值都要在Superlafo 系统上建立相应的工位点,而其中多数对于上层管理应用没有实际意义,这样, 需对仪表位号取舍,确定进入数据库的数据的相应位号,以确保该采集保留的 数据准确无误的进入SuperInfo系统,另一方面不至于浪费太多的系统资源, 提高系统资源的利用率。 模型建成后并不是一成不变的。相反,需要随着时间的推移和实践的检验, 对模型要不断修正,使系统运行在一个较高的水平上,使得数据存储精度与系 统资源之间达到相对平衡,既不能片面追求精度和全面,浪费系统资源,也不 能为了节省系统资源而损失数据的真实性。对于一些特别重要的点,更要根据 不同要求进行细致的描述.还要特别注意的是,装置检修后都可能或多或少地 进行一些修改,这些修改都必须及时地在SuperInfo上作相应描述,反映这些 变化。否则,运行几年下来,DCS与Superlnfo数据库的配置很有可能造成脱钩,
到最后连自己都说不清楚。

3.5.2数据库组态 实时数据库运行前首先要进行数据库组态,数据库组态的过程就是实时数据

库中的数据对象模型定义的过程。实时数据库中的每一种基本数据类型都被抽
象为表.基本输入表包括:AI表、DI表、TI表;逻辑表包括:CAL表、TT表、 PROG表;输出表包括:Ao表、D0表、TO表等,每一种表对应于一个物理文件,
第30页



山东大学硕士学位论文
文件的文件头是该表的字段信息,字段信息之后是表中的记录,数据记录是用 户的组态信息。本项目数据库组态表中的每一个字段都有一个名称和ID号,ID 号由系统生成,在整个库中,相同名字字段具有相同的ID号及类型。每一个系 统表,用户表都必须具有若干个固定的字段:如位号描述、上下限报警、组别 等。用户自定义表可以以系统自定义表为模板或以固定字段为基础建立。 实时数据库表中字段的数据类型可以为:Double、long、Char,DateTime 型.表来源于数据采集机,数据采集机的数据格式来源于各DCS系统.也就是 说实时数据库的数据组态依赖于各DCS系统提供的数据。各DCS系统内数据提 取必须满足实时数据库中表的要求. 3.5.3模块开发需求 建模完成后,就进入了客户端应用开发阶段。设计生产数据分析管理系统 的目的是对实时数据和历史数据进行监视、查询和分析. 流程图是最方便的监控方式,由于流程图的使用对象是公司领导和各管理 处室,分厂的管理人员和技术人员,对他们进行需求调查,尽量满足相关人员的 需求,在此基础上,在原有0CS流程图的基础上进行筛选合并,首先利用工具
绘制相应的总图、流程图、监视图等。

实时数据查询和历史数据查询的用户是公司领导和生产管理中心,分厂管 理人员和技术人员,对他们进行需求调查后,在系统引入数据点数总量的许可条 件下,尽量满足相关人员的需求.实时数据查询达到挟捷方便,生产状况一目了 然。历史数据查询在同一幅图内可查询几个任意位号的历史数据趋势曲线。 报警查询和异常报警查询的用户是生产管理中心,技术处,设备处,分厂 管理人员和技术人员。根据需求调查和分析后,此模块实现如下功能。当某一 位号的生产数据在超出报警上下限时则提示报警,可帮助用户发现生产异常. 也可帮助管理部门分析报警产生的原因,。处理报警是否及时,处理方法是否得 当;当某一位号的生产数据在一段时间内一直不变时则提示报警一可帮助用户 发现生产异常或仪表异常. 班组考核模块的用户是分厂管理部门,公司监督部门.根据关键指标的控
第3l页

山东大学硕士学位论文
制情况和原、辅料、公用工程的消耗情况考核各个班组的运行状况。指标的控 制情况和原、辅料、公用工程的消耗指标等根据生产运行经验和工艺设计确定。
3.8

功能模块设计 根据需求分析设计生产数据分析管理系统。主要功能模块如下图所示:

3.6.1

流程图浏览模块 流程图浏览模块设计 1.用三维公司实时数据应用工具包8uperTools绘制流程图,工具包

SupcrTools提供了各种各样的绘图工具,用于绘制流程图。流程图绘制完后,要 让流程图动起来,也就是做“动画连接”。所谓“动画连接”就是建立画面的图 素与数据库变量的对应关系。方法是通过鼠标右键定义各图素的属性完成与动 态数据库的连接。对于符合条件才动的图象,可用伸编一段小程序完成。流程 图包括静态元素(包括位图和其他导人格式),以及来自Superlnf02.5的动态 数据。可以直接动态显示数据,或者用数据的值来设定阀、电机、泵和其他过 程设备的颜色,以使用户很快地获知过程处于何种状态。动态数据也可用棒图 来表示,重要位号的趋势图嵌在流程图中.流程图中的热点(“Hot Spots”)连 接到另一个流程图或者特定的SuperInf02.5的曲线画面上去,使用户根据总体


画面显示的信息来研究生产过程。 2.对DCS中的画面改动不大的流程图,可存储成“氍8MP”文件,在 SuperTools提供的绘图工具环境下修改,然后做“动画连接”. 3.流程图浏览模块包含一个子画面,分成八个子模块:化工一厂,化I--
第32页

山东大学硕士学位论文
厂,化工三厂,化纤一厂,化纤二厂,化纤三厂,公用工程,原料供应。

3.6.2

实时数据一览表

实时数据浏览利用三维公司的SuperTools工具建立各查询参数与实时数据 库的连接。与流程图浏览画面相同,分成八个子模块,各子模块再按工段分成

三级子画面.实时数据浏览快捷方便,生产状况一目了然.也可用位号浏览器, 位号浏览器功能可以被多个工具使用,以搜寻数据库.它具有收藏夹列表,使 重复搜寻与位号名一样容易.可以将位号名、描述和位号类型显示在搜寻结果 中.将其中的一些位号拖放到趋势、流程图和报告中.

第33页

山东大学硕士学位论文
3.6.3

历史数据曲线

历史数据浏览利用三维公司的SupcrTools工具建立各查询参数与实时数据 库的连接。与流程图浏览画面相同,分成八个子模块,各子模块再按工段分成 三级子模块。三级子模块下,每四个位号一组。可根据输入的位号查询任一参 数的历史数据曲线。可在同一幅图内画出几个任意位号的历史数据变化趋势曲 线。我们将多个趋势图和流程图集成到一个工作区文档中,使用户能方便地访 问楣关的信息。使用标准的窗口控制操作能够在工作区的各个部分之间进行切 换。在工作区之间漫游很简单,就像应用盹B浏览器那样,有收藏夹
(“favorites”)列表,有上~项“next”和下一项“last”工具条按钮。我们

用分层形式来组织收藏夹,将趋势图按照特定的意义组成一组。收藏夹很方便, 只需点击菜单条中的“favorites”项将其展开,再在列表中搜寻直到找到所需
画面,点击就可将画面调出。

3.6.4

报警查询与异常报警查询

利用三维公司的SupcrTools工具建立各报警查询和异常报警查询·当某一 位号的生产数据在超出报警上下限时则提示报警,可帮助用户发现生产异常· 当某一位号的生产数据在一段时间内一直不变时则提示报警,可帮助用户发现 生产异常或仪表异常。也可查询历史报警.

第34页

山东大学硕士学位论文

3.6.5

工艺分析模块

工艺分析模块利用三维公司的SupcrTools工具建立工艺分析模块,此模块 的参数需与工艺,设备人员一起决定。事故追忆:以事故为单位组织数据,帮 助查找事故原因.质量监视:将质量点的化验数据和生产实时数据进行对比, 实现对质量点和采样点的跟踪,以利于质量分析,对操作提供指导。 3.6.6班组考核模块

班组考核模块利用三维公司的SupcrTools工具建立班组考核模块.根据关键 指标的控制情况和原、辅料、公用工程的消耗情况考核各个班组的运行状况。

第35页

山东大学硕士学位论文
3.7

制造执行系统的测试 在系统开发过程中,基本按照规范化要求进行,系统总的质量比较高。用

户界面友好,为系统通过测试,顺利投入使用奠定了基础。系统开发完毕后, 在济南正吴新材料有限公司运行,效果良好。作为软件开发的重要环节,软件 测试越来越受到人们的重视。从软件的生存周期看,测试往往指对程序的测试, 这样做的优点是被测对象明确,测试的可操作性相对较强.但是,由于测试的 依据是规格说明书、设计文档和使用说明书,如果设计有错误,测试的质量就 难以保证。即使测试后发现是设计的错误,这时修改的代价是相当昂贵的。因 此,较理想的做法应该是对软件的开发过程,按软件工程各阶段形成的结果, 分别进行严格的审查。为了保证系统的正确性和可靠性,按照系统调试计划进 行了反复的多层次的严格的系统测试,铡试时主要依据概要设计说明中的系统 功能说明,以及详细设计说明中的功能流程说明。由于SuperInfo实时数据库 是准予销售的软件产品,本系统主要测试新开发的接口程序以及利用SuperTool
开发的生产管理系统。

3.7.1测试策略

主要以黑盒法为主,一方面测试系统的功能正确性和完整性,另一方面测试 系统的整体性,以及软件系统与外界硬件设备的正确集成情况. 接口性能测试: 1.智能仪表接口测试 改变智能仪表的设定值、测量值、高报值、低报值,响应时间<5秒/次。 2.对比成功率 比对仪表与输入实时数据库中的数据,不相符概率几乎为0。 3其它接口测试 响应时间与传输的数据量有关.2000点<5秒,达到设计要求。每个装置分 三次,每次随机抽出100个模拟量,200个数字量进行比对,准确率100%·

第36页

山东大学硕士学位论文
3.7.2

生产管理系统测试

1.菜单

系统有分层的文本菜单和工具条两种。两种菜单功能一致,使用正常。
2.窗口

对窗口的测试主要有以下几点: 窗口的正常开启与关闭:除了窗口的关闭方法外,多数情况下还提供了定义
的“退出”或“关闭”按钮.

窗口风格:颜色和操作方法基本一致,给人统一的感觉。 3.提示信息 系统的提示信息比较丰富、准确,有警告信息、结果信息、提示信息等,在 这些提示下,用户可以比较容易地进行操作。
4.帮助信息

系统的帮助信息采用了编译HTML的方式,格式风格类似浏览器,而且这样 的帮助信息也便于维护,用户可以随意打印。帮助内容对系统的重点功能的 操作和原理进行了有关说明。 有错是软件的属性,而且是无法改变的,因为软件是由人来完成的,所有 由人做的工作都不会是完美无缺的.问题在于我们如何去避免错误的产生和消 除已经产生的错误,使程序中的错误密度达到尽可能低的程度.测试的目标都 是确保所开发软件的功能符合用户的要求.具体表现在以下几个方面: (1)确保系统达到需求功能的说明;
(2)确保系统满足性能需求;

(3)强度测试确认程序能够处理要求的负载; (4)确保系统在要求的硬件和软件平台上工作正常. 原则上讲,可以将软件测试方法分为两大类,即静态测试和动态测试.静 态测试是对被测程序进行特性分析的一些方法的总称,这种方法的主要特性是 不利用计算机运行被测试的程序,而是采用其他手段达到检测的目的.动态测 试是实际运行被测程序,输入相应的测试用例,判定执行结果是否符合要求, 从而检验程序的正确性、可靠性和有效性.动态测试的两种主要的方法是黑盒 测试和白盒测试.测试虽然是软件生存周期的一个独立阶段。但测试工作却渗
第37页

山东大学硕士学位论文
透到从分析、设计直到编程的各个阶段中,如测试计划的编写从分析和设计阶 段就开始了,而具体的测试工作随编程工作的不断深入也在进行着。在实际工 作中,测试环节可分为明显的、同等重要的三个阶段:即单元测试、集成测试 和系统测试.测试工作中的第四个阶段是验收测试阶段,验收测试无论在规模
上或性质上都和系统测试很相似,它们的根本区别在于:前者是内部的,而后 者则是受“客户”控制的。

(1)单元测试 软件单元定义了一个软件底层的块,本软件系统中,一个流程图,趋势窗 口、函数,菜单、报表或一个存储过程都可以作为一个单元进行测试。单元测 试是测试的第一步.对于一个完整的软件单元,由开发者自己对其进行测试。 测试计划必须在单元测试之前设计和记录好。单元编码完成后,我们就对其进 行单元测试。对于彼此独立的单元,我们进行并行测试,以加速测试的进程。在 单元测试阶段采用白盒测试法。深入到代码层去充分地测试它们是必要的。在 这一阶段,进行的测试有:路径测试、声明测试、循环测试、边值测试,接口 测试、数据确认、事务测试等。软件是以窗口为主线将软件的功能联系起来, 软件系统表现为各种各样的窗口,因此,对窗口中各控件事件的描述的测试是
测试的重心. a.控件的测试:

一个控件是由相关联的一组事件的描述组成的,可以完成一个相对独立的 功能。对每一个事件分别进行测试就完成了对一个控件的测试。
b.窗口的测试:

宏观上看,很像是集成测试。其实,所谓单元测试和集成测试也都是相对 而言的,在有些情况下不易分得很清楚。在单元测试阶段,对窗口的测试主要 是测试窗口上各控件是否能按设计要求正常工作.在软件开发过程中,制定了 一系列的标准文件,包括设计文档标准,界面标准,测试大纲等.对窗口和控 件的测试过程中,界面标准和测试大纲是测试的依据。 (2)集成测试 在经过了单元测试后,需要将所有单元集成到一起,组成一个完整的软件 系统.集成测试是把已通过单元测试的各单元按要求组合起来再进行的测试,

第38页

山东大学硕士学位论文
以检查这些单元之间的接口是否存在问题。需重点测试:各单元的接口是否吻 合、代码是否符合规定的标准、界面标准是否同一等. 集成测试计划由系统设计人员在设计阶段制定,它是和设计规格说明同时 完成的.在这份计划里主要包含的内容有:测试的描述和范围、测试环境、时 间表、集成次序、测试用例、测试的预期结果、测试的实际结果等。 测试按下列步骤进行: a.将最底层的窗口分组,将所有与上层某个窗口相关联的窗口分为一组。 b.对每一组分别测试,各组测试可并行展开,这样可以加快测试的进程。 C.沿软件的结构,逐级向上集成,直到所有的单元都组合到一起,这样就
完成了集成测试的任务. 测试方法:

集成测试阶段是以黑盒法为主,在自底向上集成的早期,白盒法测试占一 定的比例,随着集成测试的不断深入,这种比例在测试过程中将越来越少,渐
渐地,黑盒法测试占据主导地位. (3)系统测试

从技术角度看,系统测试是整个测试阶段的最后一步,所有的开发和测试 集中表现为生成一个具有一定功能的软件系统。系统测试由公司信息中心与三 维公司共同测试。该阶段主要对系统的准确性及完整性等方面进行测试。主要 进行功能确认测试、运行测试、强度测试、恢复测试、安全性测试等。 (4)验收测试 验收测试的目的是向用户表明系统能够像预定要求的那样工作.经集成测 试后,已经按照设计把所有的模块组装成一个完整的软件系统,接口错误也已 经基本排除了,接着就应该进一步验证软件的有效性,这就是验收测试的任务, 即软件的功能和性能如同用户所合理期待的那样.经过上述的测试过程对软件 进行测试后,如果软件基本满足开发的要求,测试则宣告结束。 按照相应的测试策略,测试了系统的接口,系统的性能和用户界面.测试 结果表明系统总的质量比较高,用户界面友好,可以投入使用.

第39页

山东大学硕士学位论文

4.
4.1

第四章

多变量纯滞后预测控制的设计及实现

多变量控制的简介 目前,在实际工业过程中大量应用的控制方法仍是单输入单输出(SISO)

的古典方法。它们的数学基础不够严谨,但对工业应用来讲是比较方便的。譬 如可以提出一些明确的性能指标,可以充分利用工程技术人员的经验以满足技 术上的限制和其它条件上的制约,在各性能指标发生矛盾时可以采用适当的折 衷方案,设定的参数可以在现场有且的地调整等等。 不过实际系统的结构是复杂的。不考虑系统内部结构特性,将系统分割成 若干SISO回路的方法有可能忽略了这些回路之间的交互作用,所以控制效果有 时不够理想。另外,为了适应更高水平的生产管理,也要求将系统作为一个整 体来控制,以达到提高控制性能指标、减少能量及原料消耗的目的。这种将多 个输入多个输出(MIMO)联合统一研究的方法就是现代多变量方法。 状态空间方法是解决MIMO问题的有力工具。无论是对系统的结构特性还是 综合设计方法的研究,都已取得了重大的系统成果。但是,考虑到工业对象的 高维、非线性和大时延特性,它们的状态方程难于推导和分析,同时又考虑到 工程设计的习惯和方便,从70年代开始,以英国罗森布罗克(H.H.Rosenbrock) 和麦克法兰(A.G.J.MacFarlanee)为代表的一批学者,发展了一套MIMO系 统分析的概念和方法,关于定理的理论证明,数学模型建立的方法,可以查阅 论文后的参考文献,不再赘述。
4.2

聚酯生产中溶体粘度控制的实现 在工业生产中,被控对象除了具有容积延迟外,往往不同程度存在着

纯滞后.在线分析仪表测量流体的成分存在着较大的纯滞后.聚酯生产 中粘度测量存在大约20~30分钟的纯滞后。由于纯滞后的存在,使的被 调量不能及时反映系统所承受的扰动,调节过程必然会产生较明显的超 调量和较长的时间。所以具有纯滞后的系统被公认为是较难控制的过程· 终聚釜的聚合物熔体的质量指标包括:粘度,色相,灰分,粒度,可 纺性等,其中粘度是最主要的质量指标。粘度受反应釜的液位、真空度、
第40页

山东大学硕士学位论文
温度、搅拌电流值、物料平衡、热量平衡、滞留时间等相关变量的影响。 各变量控制相互耦合,使粘度控制变得更加复杂.粘度控制在聚酯生产 中是极其重要的,采用简单的单回路控制无法达到目的。原粘度控制是 采用粘度串级改变终聚釜内的真空度来实现的。以粘度控制为主环,以 釜内真空控制为副环的串级控制系统。 控制方案见图:

4.3

多变量纯滞后系统的分析

此控制方案中,终聚釜的容积125立方米,终聚釜出口经齿轮泵后距离粘度 计约lO米,粘度偏离设定值后,调整需要较长的时间(20-30分钟),这样粘 度总处于波动中,影响产品质量。①如何解决系统的大纯滞后?②如何解决多 变量控制问题,消除扰动变量:反应釜的温度,反应釜前后液位,真空度等的 影响昵?这两个问题是我们解决的关键。 首先来看纯滞后控制系统传递函数如下: Gp(S)=G0(S)e一“ t是过程的纯滞后时间.对于大纯滞后过程控制系统,由于在线采样时间 和采样周期是固定的而且T很大,△t。相对很小,调节过程是缓慢的。因此,对 克服扰动周期小于采样周期T的工艺过程是有困难的.这就需要采取其它方法
第4l页

山东大学硕士学位论文
先克服高频扰动,再用采样控制克服大周期扰动的影响。 对开环稳定的大纯滞后过程控制,一般都希望超前控制作用强些,以达到 系统在随动工作状态时系统输出跟踪的稳、快、准,定值系统工作状态时尽快 克服扰动影响。在控制中,K c越大,At。越短,超前作用越强,只要不产生大 的过补偿,理论上可取得更好的控制效果,但要受到仪表控制装置和工艺条件 的限制。我们能不能问接找到一个参数,与过程的调节变量密切相关,通过对 该参数的前馈调节减少纯滞后的影响?通过对工艺过程分析,当粘度发生变化 时,搅拌的电功率就会发生变化,由于前搅拌功率110KW,后搅拌功率135KW, 当粘度发生细微变化时,功率的变化量相对更小,无法采用此变量直接控制粘 度。 现在市场上有许多商业化的大型多变量预测软件包,如美国HONEYWELL 公司的多变量控制包,浙大的APC--Hiccon软件包。其核心算法是模型算法控 制,可用于炼油、石化、化工、冶金等大型工业过程,特别适用需要多种控制 策略和控制结构的复杂多变量控制. 我们对典型的多变量控制模型软件的原理进行研究.所谓的控制结构是指被 控变量和调节变量关于控制要求的完整描述。 A调节变量(Mv)的描述:①约束最小、最大和速度: ②局部动态优化目标,理想滞留值(珉v) ③局部动态优化目标,最大化(或最小化)
速率。

数值和趋向IRV的速率: 数值和趋向最大(或最小)的

B被控变量(CV)的描述: ①硬约束最小、最大和速度; ②优先等级; ③设定值控制闭环时间响应; ④区域设定值控制’设定值区域边界,边界内及边界外闭环时间响应; ⑤局部动态优化目标,理想滞留值(IRV) ⑥局部动态优化目标,最大化(或最小化) 值的速率。 基于模型预测多变量控制器的基本功能: 数值和趋向IRV值的速率; 数值和趋向最大(或最小)

第42页

山东大学硕士学位论文
A在受控变量和操纵变量满足位置和速度硬约束的前提下,每个被控变量可 以按照指定的闭环性能达到设定值; B对可测扰动的前馈控制; C全局优化,考虑控制中的所有要求,保证了系统性能和控制器的鲁棒性。
主要功能有:

①定义具有不同权重的多级控制目标保证了性能可以定义控制输出 为设定值和/或次级目标,其权重低于设定值;多级目标中重要的目标设置较大 的权重,以保证优先满足。 ②局部优化提高了系统性能 过程输入输出的理想滞留值(IRV);变

量或性能泛函最大化(最小化);有约束输入输出动态最优化。 ③灵活的约束控制可满足实际需求并保证了性能可以针对内部或输 入输出变量甚至是变量组合提出各种各样的约束(如位置和速度);可以按期望 的响应性能实时改变设定的闭环响应时间,以满足不同的控制要求。 ④冗错控制和柔性控制 根据性能或其它要求的变化实时改变控制结

构;可定义多个后备控制结构和模型处理传感器或执行机构发生故障的情况; 针对不同的操作方式或可能发生的意外事件可以设定所有需要的控制结构和过
程模型。

现成的预测多变量系统软件包价格昂贵,各参数的设置仍然需大量的生产实 践的摸索才能达到实用的效果。我们能不能借鉴成熟的多变量软件包的思想, 编制适合聚酯粘度控制的理想方法? 由于实时数据库项目的实施,根据多变量预测控制的理论,建立数学 模型,根据生产经验,简化数学模型,利用实时数据库平台编制先进控 制软件,为解决聚酯粘度控制提供了条件. 终聚釜控制过程分析: 聚酯产品粘度要求控制在O.638--0.643之间达到优等品。在上图中

PCI7024指示终聚釜17--R01内的真空度,

VCl8020产品的粘度,

L117017终聚釜17一R01前段液位,L117023终聚釜17一R01后段液位, TRl7020终聚釜17一R0l温度,1117014终聚釜17--R01前端搅拌电 流,1117027终聚釜17一ROl后端搅拌电流,SKl7028终聚釜17一R01

第43页

山东大学硕士学位论文
搅拌转速,P117030装在刮板冷凝器的上部,刮板冷凝器与终聚釜相通, 可以用P117030作为PCI7024的备用。 由于与粘度相关的七个变量相互影响,如果按照多变量预测控制的 理论建立数学模型,编制软件包,工作量巨大,代价将大大超过购买现 成的多变量预测控制软件。我们根据生产经验简化数学模型,减少变量 的个数,把复杂的大滞后多变量控制问题简化为相对简单的多变量控制。
方法如下:

①通过控制进料计量泵的进料量与终聚釜17一R01前段液位 L117017串级控制保持反应釜前端液位稳定。 ②通过控制出料计量泵的出料量与终聚釜17一R0 1后段液位 L117017串级控制保持反应釜后端液位稳定. ③通过串级精确控制终聚釜TRl7020温度。 经以上处理后,三个变量的值被约束在一定范围内,在生产负荷变 化时,可改变调整因子,以适应新的产量。在生产符合相对稳定时,只 有超出约束范围后,才手动调整相关因子。因此这三个控制变量在程序 中只设定报警值,报警后人工处理,减少了程序的复杂性. ④使变频电机保持终聚釜17--R01前后搅拌转速。这样功率的变化 只与粘度有关。功率变化与搅拌电流成正比,电流变化的灵敏度大于功 率的变化,根据搅拌电流的变化趋势,前馈调节出料的粘度,把纯滞后 问题改变为前馈一反馈控制。 ⑤以上各变量受到约束后,粘度仅受反应釜真空度的影响。真空度 高,粘度就高,真空度低,粘度低。根据真空度这个可控变量,调节产 品的粘度。 数学模型建立 通过终聚釜前端搅拌电流1117014,后端搅拌电流1117027的变化消 除容积滞后和纯滞后。前端搅拌电流1117014的权重30*/*,后端搅拌电 流1117027的权重70%(通过多变量平台参数相关性统计数据确定权重)· 通过控制进料计量泵的进料量与终聚釜17一R0l前段液位L117017
第44页

4.4

山东大学硕士学位论文
串级控制保持反应釜前端液位稳定。设定约束值,超出约束范围后,手
动调整相关因子。

通过控制出料计量泵的出料量与终聚釜17一R01后段液位L117017 串级控制保持反应釜后端液位稳定。设定约束值,超出约束范围后,手
动调整相关因子。

通过串级精确控制终聚釜TRl7020温度。设定约束值,超出约束范 围后,手动调整相关因子。 当电流发生变化时,提前调整反应釜的真空度使电流相对稳定,减 少时间滞后。根据真空度这个可控变量,消除其它扰动变量的影响,稳 定产品的粘度。 反应釜多变量大滞后控制模型结构如下图:

毒黾 引}触一上撇一 三
■一, ∞一.m— 一 目一.

坚i}|薹I

霪|嚣一鲤ⅧH|姜篁|坠M

嚏一,

竺H蚕|m-I^

4.5

控制程序的实现 终聚釜的多变量大滞后系统的设计建立在SuperInfo系统提供的先进

控制平台上.SupcrInfo实时数据库语言(HDBL)包括数据库描述和实 时事务处理两部分。用SQLPLUS作为数据库描述语言,实时事务处理语 言,用C语言作为过程控制语言. 在Superlnfo系统提供的先进控制平台上,使用嵌入SQL的C语言, 支持字符、整数和浮点数等基本数据类型,支持数据和结构,支持指针 和动态内存分配的使用,支持全部的语言控制结构.支持几乎所有的C
第45页

山东大学硕士学位论文
语言标准数据库函数,支持用户自定义的用户函数库,支持使用游标以 及应用程序输出的应用接口库。支持事件驱动的运行模式。 工作流程如下: 1对源程序中的数据定义及数据控制语句进行词法分析、语法分析、 语义检查,从中抽出模式定义的有关信息并存入数据字典。 2实时数据处理:对源程序中的事件和触发器操作语句进行词法分 析、语法分析、语义检查,从中抽出事件和触发器的有关信息并存入事 件库和触发器库,还要对数据字典中的有关数据项进行填写。 3实时事务预分析:对源程序中的所有实时事务在数据说明阶段进 行静态预分析处理并建立与维护事务表. 4应用程序处理:对源程序中的程序授权语句进行词法分析、语法 分析、语义检查,从中抽出授权信息并存入应用程序库。 粘度的多变量控制程序框图如下所示,我们主要介绍用嵌入SQL的 C语言实现的PID调节和搅拌功率修正程序,其它程序不再赘述.


PID计算程序
#include<iostream.h>
#include<maths.h>

#include<ioreal.h>
void

main0

if(!vclS020pvfl)

vcpv=vcl8020pv/vp;//粘度测量值赋初值 vcsp=vcl8020sp/vp;//粘度设定值赋初值 else{ if(!iil7014pvfl&&!iil7027pvfl)//搅拌前后电流值正确 irpva=iil7014pv;//搅拌前电流值赋值
irpvb=ii 17027pv:

//搅拌后电流值赋值

第46页

山东大学硕士学位论文
irpv=(1一r)*irpva+r*irpvb://计算加权平均值

tm01sp=60:

a:exp(一I/t2)://微分计算
b=exp(-i/t 1)://积分计算

ek=vcpv-vcsp;//测量值与设定值之差
ek2=ekl:
ekl=ek:

//保留上一次的计算值

c=(卜a)/(k*(1-b));//计算微积分的值 pcspl=c*ek—c*b*ek2+pcsp2*a+(1+a)*pcspl7; //用差分方程计算粘度的输出值
if(pcsplYpspmax*lO)
pcspl=pspmax*lO:

//输出值大于操纵变量真空度的上限,输出上限值
if(pcspl<pspmin*lO)
pcspl=pspmin*lO:

//输出值小于操纵变量真空度的下限,输出下限值
if(abs(ek)>=dr2)break; {pcspo=pcspl:goto calc6:}

,,偏差小于允许值,输出值等于计算值 if(ek*(ek-ek2)>=0)break://减少的趋势变大
“(!SMART)
goto calc41

else{pcspo=pcspll
if(!SMART)
goto

goto

calc6}

calcS;

else{pcspo=pcspl+kl*ek;
SMART=ONi Goto calc61


calc4:pcspo=pcspl+kl*ek:

第47页

山东大学硕士学位论文
SMART----OFF;
Goto

calc6『;

Calc5=pcspo=pcspl+k2*ek;

calc6:pcspl7=pcspl6://以下进行迭代计算
pcspl6=pcspl5: pcspl5=pcspl4: pcspl4=pcspl3: pcspl3=pcspl2:

pcspl2=pcspl 1:
pcspl 1=pcsplO:


pcsplO=pcsp9: pcsp9=pcsp8: pcsp8=pcsp7:
pcspT=pcsp6: pcsp6=pcspS; pcsp5=pcsp4;

pcsp4=pcsp3:
pcsp3=pcsp2: pcsp2=pcspl:

iavg=(iavg*lSO+irpv)/181:
if(!IcTL)
goto output:

else(dik=irpv-iavg;
pcspc=pcspc/2+(5*kc+kc)*dik)/2—5*kc*dikl/2

//电流补偿计算
dikl=dik;

l if(abs(ek)<O.3&&abs(pcspc)>0)
pcsp02pcspo+pcspc:

if(pcspoYpspmax*lO)
pcspo=pspmax*lO;

第48页

山东大学硕士学位论文
if(pcspo(pspmin*lO)
pcspo=pspmin*lO:

output:pcspof=pcspo/lO;

psplT024_pv=pcspof;//计算值输出控制真空度

程序初始化




读入数据


PID参数设定

令啪
WC酣,IRP肫VA(渊1-R)+触R*IR值PVB
上A
I处理真空度PCI7024 I相关数据

令叫

脚VCP—V-VCSP罂箸D‰V/
大于偏差



根据推导的数学模 型进行PID调节

通过电流加权平均 值修正输出量

△。耐I


结果通过实时数据 库输出到DCS

END

下图是引入多变量预测控制前后粘度的包含曲线。很明显在采用单回路控 制时,虽然单一指标都在控制范围内,但是由于反应器各操作参数存在耦合关 系,众多因素共同作用,最终决定装置的运行状况。因此粘度控制并不理想。
第49页

山东大学硕士学位论文
粘度常会短时间超过质量指标控制值,使产品质量不太稳定,在高速纺涤纶长 丝时,就会出现短头率高的现象。产品质量检验时,由于采用随机抽检,检验 的是产品的平均粘度,因此很难发现问题。采用多变量预测控制后,粘度变化 平稳,很容易控制在要求的范围内,产品质量稳定,收到了很好的效果。


0.855 0.5●a O.6aa 0.623 5 T


0.5,3 0.5●a I.53I O.52l l t

引入多变量预测控制前后控制曲线

先进控制的主要特点在于,它是基于模型、基于知识的控制策略。用于处 理复杂的多变量过程控制问题,如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量 存在着各种约束等.先进控制的实现需要足够的计算能力。工艺计算和软测量 技术用于得到无法直接测得的重要过程质量参数,是实现质量指标先进控制的
方法。

第50页

山东大学硕士学位论文 第五章结束语
“在管控一体化环境下的ERP系统”是面向企业的综合自动化整体 解决方案,包括企业资源规划(ERP)、制造执行系统(MES)和过程控制系 统(PCS).借助于DCS技术、实时数据库平台、制造执行系统(MES)和 企业资源计划(ERP)管理思想.开发一个适用于流程工业生产企业,支 持企业物流、资金流和信息流的有效集成和企业各个应用、管理层次的 综合集成的整体自动化系统:通过企业资源优化、生产过程优化和先进 控制,实现“管控一体化环境下的ERP系统”。 制造执行系统(MES)是连接过程控制系统和企业管理系统的桥梁。 MES的特性与功能为企业运营和管理创造显著效益,帮助企业提高绩效、降低 成本、增强企业市场竞争力,对生产过程信息快速而高效的获取,是企业在竞 争中占据优势的法宝. MES能够帮您做到: 计算、分析和提升关键绩效指标. 比较标准生产流程,提高产品质量. 提高工艺管理,优化制造资源. 优化产能,增加生产装置的有效运转时间,提高工作效率. 提高产品跟踪能力,降低不合格产品召回成本. 精确、及时的报表,加强决策能力. 提高资产利用率,降低企业的资金开销。
·

为供应链管理提供产品生产的实时、可视化界面 简而言之,MES可以深入地将生产过程以及智能信息整合到企业

管理运营当中. 此外,通过进一步从过程数据中提炼信息,来实现企业智能化解 决方案,并将其融入到企业的内部或者外部供应链管理的运营中.企 业智能化解决方案包括Web可视化解决方案、产品系谱跟踪,质量效 率管理、设备故障诊断、产能优化,趋势分析和报表、关键绩效指标

第51页

山东大学硕士学位论文
的计算和分析.对产品性能指标、调度能力、原材料跟踪、订单执行 和生产能力的改善会极大地优化制造运营能力并且从根本上提高企 业的经营业绩. 实施管控一体化下的ERP系统的目的是运用系统集成、ERP技术,对 生产执行层和经营管理层进行集成,对企业资源进行优化。对企业物流、 资金流、信息流进行有效的制约和制衡,实现‘三低一高’(生产成本最 低,管理费用最低,财务与销售费用最低,销售价格最高)的经营目标; 缩短新产品和新工艺从创新到市场的时间,根据市场、客户需求,进行 柔性化生产。在新思想、新技术和新手段的支持下,全面提高公司参与 市场竞争的能力。

第52页

山东大学硕士学位论文

参考文献 [I]‘石油化I CI峪理论与实践》 [2]‘特种数据库技术》

张志檀著,中国石化出版社

何新贵等著,北京科学出版社

[3]‘实时数据库原理及应用》张志檀等著,中国石化出版社 [4]‘数据库系统概论(第三版)》萨师煊、王珊著,高等教育出版社。2001年
出版 [5](Database System Concepts,Third Edition数据库系统概念(第三版)》

[美]Abraham Silberschatz著,机械工业出版社,2001年出版 [6](Oracle8入门与提高》 付继彬等著,清华大学出版社,2000年出版

啊‘数据库系统原理教程》王珊陈红等编,清华大学出版社 嘲‘c++面向对象程序设计》王萍编著清华大学出版社 【9】‘u札和模式应用》Craig Larman著机械工业出版社 【lo】‘过程控制》金以慧等编 清华大学出版社

【11】‘MANAGING SOFTWARE REQUIRE脏NTS》Dean Leffingwell等著

高等教育出版社 【12】‘石油化工自动控制设计手册》陆德民等著化工工业出版社 【13】用C语言实现PLC和上位机的串行通讯李延长等‘自动化仪表, 【141‘C程序设计》谭浩强编著清华大学出版社
【15】{Vistual

Basic6.0中文版控件大全》李玉东等著,电子工业出版社

【16】(Vistual Basic6.0高级编程技巧》白鹏著,西安交通大学出版社 【17]E5AX
Temperature Controller

INSTRUCTION MANUAL.

第53页

山东大学硕士学位论文

攻读学位期间发表的主要学术论文

[1]第一酯化釜压力控制阀失灵下的生产控制 《聚酯工业》2004年第二期位次四.

攻读学位期间获得的主要技术成果 [2]第三位400吨/日聚酯生产线现场总线、DCS控制系统 山东省计算机应用优秀成果一等奖
编号:20030844

2004年六月

第54页

山东大学硕士学位论文

致谢 在论文的选题、形成过程中,我一直得到我的导师史清华老师的悉心指点。 在工作和撰写论文过程中,感谢济南正吴新材料公司信息总监刘宝琦高级工程 师的支持和指导,感谢济南正吴新材料公司信息中心主任纪如伯先生对论文提
出了宝贵的建议。

学业的完成是老师培育的结果,感谢为MSE2003付出劳动和汗水的老师们,
特别要感谢台前幕后为我们忙碌的李学庆博士。

此外,我要感谢我的妻子。两年来,她一边工作,一边照顾孩子,使我免
除后顾之忧,安心学习。我的论文是我们的共同成果。 感谢参加论文评审的老师们。

第55页

基于管控一体化设计的制造执行系统(MES)
作者: 学位授予单位: 李德刚 山东大学

参考文献(17条) 1.张志檀 石油化工CIMS理论与实践 2.何新贵 特种数据库技术 3.张志檀 实时数据库原理及应用 4.萨师煊.王珊 数据库系统概论 2001 5.Abraham Silberschatz.Henry F Korth.S Sudarshan 数据库系统概念 2001 6.付继彬 Oracle8入门与提高 2000 7.王珊.陈红 数据库系统原理教程 8.王萍 C++面向对象程序设计 9.Craig Larman UML和模式应用 10.金以慧.方崇智 过程控制 11.Dean LeffingWell MANAGING SOFTWARE REQUIREWENTS 12.陆德民 石油化工自动控制设计手册 13.李延长 用C语言实现PLC和上位机的串行通讯 14.谭浩强 C程序设计 15.李玉东 Vistual Basic6.0中文版控件大全 16.白鹏 Vistual Basic6.0高级编程技巧 17.E5AX Temperature Controller INSTRUCTION MANUAL

相似文献(10条) 1.会议论文 王军.卓之兵.杨辉.周齐心.白小波 实时数据库及在卷烟制造执行系统中的应用 2003
根据当前制造业面临的问题,提出并详细阐述了分布式网络化的实时数据库系统;同时,论述了实时数据库系统在卷烟制造执行系统中的地位、作用及 实施,为实时数据库的应用提供了一个范例.

2.会议论文 王志新 基于制造执行系统(MES)的管控一体化系统设计研究 2003
本文简述MES及其发展,重点就离散型制造企业、流程工业生产数据综合管理系统的构成与实现进行分析,提出相应的综合自动化实现方案.最后,根据 某工厂能源计量要求,设计基于B/S的能源计量信息系统,重点分析了该系统的设计思想及实现方法,并就工程实现中遇到的问题进行分析讨论,涉及数据采 集、SCADA系统以及实时数据库结构与数据流的管理等,以满足该系统实时性要求.

3.期刊论文 潘操.杨小英.施连敏.刘忠杰.王洪元 基于S95标准的流程工业制造执行系统的设计与实现 -计算机与 应用化学2009,26(8)
制造执行系统(MES)是流程工业综合自动化系统的关键环节,在整个流程工业综合自动化系统中起承上启下的作用,是企业生产活动与管理活动的信息 集成桥梁.文章首先基于S95标准,提出了流程工业MES体系结构,该结构采用基于COM/DCOM的Windows DNA体系结构,分为表示层、应用逻辑层和数据存取层 3个独立的单元.其次参照MES国际联合会提出的MES功能组件和集成模型要求,设计了流程工业MES系统的11个功能模块.最后提出了1种基于实时数据库和 远程访问技术的流程工业MES的设计方案,该方案以pSpace实时数据库为开发平台,采用VC++编程语占开发了pSpace Server的接口程序,实现了对流程工业 现场DCS数据的采集和存储,同时采用康海NC601B单串口服务器,工作于TCP/UDP Socket方式,进行系统数据的发布,实现了安全高效的远程访问功能.该系 统具有可扩展性、可重构性等特点,对流程工业企业制造执行系统的开发具有一定的参考价值.

4.学位论文 花新峰 基于OPC技术的企业实时信息集成 2006
目前企业管控一体化研究的焦点是制造执行系统(MES),而MES的核心是实时数据库系统。通过该实时数据库系统,企业资源规划系统(ERP)与过程控 制系统(PCS)结合在一起,使企业的管控一体化成为可能。实时数据库系统的关键技术之一是获取工业现场的实时数据,目前在工业控制领域的主流趋势 是使用OPC标准作为信息集成时数据传递的接口。 本论文主要探讨了使用OPC技术进行企业实时数据信息集成的方法。首先介绍了企业管控一体化 系统和论文的实际背景,其次对OPC技术做了简要的概述,详细地叙述了OPC软件的开发方法和过程。主要包括:OPC客户端程序的开发方法、OPC服务器 的开发过程。随后给出了使用OPC技术进行企业MES数据集成的具体实例。 本论文所做的主要工作如下: 1.介绍了企业管控一体化系统和论 文的实际背景2.论述了制造执行系统MES在管控一体化系统中的作用与地位3.论述了OPC技术在MES信息集成中的重要作用4.给出了贵州铝厂热电厂管控一 体化的实施方案5.对OPC客户程序开发的不同方式进行了研究比较6.探讨了OPC服务器软件的开发方法及过程,开发了应用于本课题的OPC数据访问服务器 7.在简要介绍力控实时数据库软件PCAuto3.6的基础上,探讨了它与OPC服务器的连接方法8.在力控实时数据库平台上完成了工控用户界面的组态、WWW方 式应用、数据报表分析等。

5.学位论文 张亮 基于MES的生产实绩回报系统研究 2005

CIPS(ComputerIntegratedProcessSystem,即计算机集成过程系统)中各类信息在执行层中融合与贯通,流程工业企业各生产目标的实现,内部物流 管理、生产成本控制等生产管理活动都在执行层完成。本文所研究的是制造执行系统MES中的一个功能模块——生产实绩回报系统。由于该系统下通控制 层PCS,上达计划层ERP,又有比较成熟的管理流程,所以成为建设MES,逐步实现企业整体信息化的切入点。 本文以天津钢铁有限公司制造执行系 统项目为背景,主要完成了以下工作:①结合天津钢铁有限公司现有的信息系统基础和生产实际情况,进行系统的需求分析;②研究了系统实施所需的 计算机及网络技术,完成前期技术准备;③根据需求和天钢未来企业发展规划选择Intellution软件平台,并设计了分布式的制造执行系统整体架构 ;④对实时数据库子系统、监控(SCADA)子系统和Web发布子系统进行了结构设计,对部分技术环节进行了具体设计。

6.期刊论文 沈飞.赵霞.Shen Fei.Zhao Xia 煤化工企业中基于PI的实时数据分析器 -自动化仪表2009,30(1)
制造执行系统(MES)是流程工业信息化建设的重要内容,而实时数据则是MES的重要基础和处理对象.以某煤化工MES系统的研发为背景,结合工厂生产 的实际情况和具体需求,开发了一套基于PI实时数据库的实时数据分析系统,为整个MES系统,特别是为动态物耗、能耗建模提供了有效且必要的数据支持.

7.会议论文 傅庆宜.杨永富.周庆.李海 SIMATIC IT HISTORIAN在烟用二醋酸纤维素生产中的应用
本文介绍了西门子MES核心产品SIMATICITHISTORIAN实时数据库及客户端工具在流程生产中的具体应用.被称为"丝束管控系统"的应用项目以 HISTORIAN为桥梁,向下连接PCS7控制系统,向上连接ERP.作为工厂区域性的MES局部应用内容,它的作用明显,效果良好.

8.会议论文 胡甫船.徐祥卫.韩陈 MES系统在精细化工行业的应用——和利时HiMES系统在江苏飞翔化工的应用分析 2008
介绍HiMES系统在江苏飞翔化工有限公司的应用情况和功能特点,HiMES系统的使用解决了企业在生产管理中的实际问题,提高了企业的核心竞争力.

9.学位论文 赵振 橡胶行业硫化工序制造执行系统(MES)的研究与应用 2007
从提升企业的整体信息化水平出发,以解决企业计划管理层与控制层之间的信息集成为目标,本文研究了制造执行系统(MES)的关键技术,具有理论 意义和工程前景。 本文介绍了MES的基本概念,深入分析了它与计划层和控制层的关系,并针对青岛黄海橡胶集团203硫化车间信息集成的实际需 求,设计了MES的框架结构与功能模型,对MES中的关键技术进行了研究与设计。 为解决人工经验编排硫化任务的低效性以及精度不高等缺点,在 分析多种调度排产算法的基础上,针对硫化工序特点,提出了一种基于新型编码方式的遗传算法来解决并行机批量调度问题;并针对在进化后期出现的 染色体劣化现象,提出了自适应的交叉、变异概率及进化后期改变变异操作方式的解决方案,获得了满意的效果;在此基础上,本文还就生产过程中可 能发生的紧急任务插入和机器故障两种特殊情况设计了相应的车间调度方案。 为了解决硫化车间信息隔绝局面,改善传统方法中过程数据监控方 法的数据实时性差及数据准确率不能保证的缺点,研究了实时数据库技术及串行通讯技术,并对硫化车间实时监控系统进行了设计:给出了实时数据库 中并发事务的调度规则和实时数据模型;为确保数据采集的实时性,在比较常用串口通信实现形式的利弊基础上,采用多线程方式,设计了串口通信动 态链接库(DLL)。 经实践证明,本文设计的系统基本上可满足该企业实际生产管理的需要,实现了计划层与控制层信息的有效集成,对相关行业的 信息化具有一定参考价值。

10.期刊论文 胡甫船.徐祥卫.韩陈 MES系统在精细化工行业的应用 -自动化博览2008,25(9)
介绍HiMES系统在江苏飞翔化工有限公司的应用情况和功能特点,HiMES系统的使用解决了企业在生产管理中的实际问题,提高了企业的核心竞争力.

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y972489.aspx 下载时间:2010年1月10日


相关文章:
MES制造执行系统
广州精弘益企业管理咨询有限公司 Guangzhou HLEAN SYSTEM Consulting Co., Ltd WWW.HLEAN.COM MES 制造执行系统 MES 系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化...
科远制造执行系统(MES)方案设计及应用
科远制造执行系统(MES)方案设计及应用摘要:制造执行系统(MES)在生产型企业中应用...从而形成一个相对统一的应用模式,以更好 地服务于流程型生产企业管控一体化建设...
基于MES的印染企业一体化生产加工管理系统
加工管理系 统的功能需求;基于 MES 系统提出了印染企业生产加工管理系统的体系架构, 并介绍了该系统的实现方案, 为印染企业实现全面现代化、信息化管理进行了有 益...
制造执行系统MES介绍
制造执行系统MES介绍_IT/计算机_专业资料。制造执行系统MES介绍MES 的定义 的定义-1 制造执行系统 (manufacturing execution system, 简称 MES)是美国 AMR 公司 (Ad...
制造执行系统(MES)
制造执行系统(MES)_企业管理_经管营销_专业资料。制造...“管控一体化”“人、财、物、产、供、销”等...一个设计良好的 MES 系统可以在统一平台上集成诸如 ...
生产管理系统(MES)
【摘要】生产执行管理系统(MES)是企业CIMS信息集成的...个设计良好的 MES 系统可以在统一平台上一集成诸如...助企业建立一体化和实 协时化的 ERP/MES/SFC 信息...
生产制造执行系统(DF-MES)
生产制造执行系统(DF-MES)_冶金/矿山/地质_工程科技...因此东方测控最新产品的系统设计都是采 用工作流、...我公司在实施 MES 过程中将采用管控一体化思想,在...
生产执行系统(MES)系统介绍
生产执行系统(MES)系统介绍_能源/化工_工程科技_专业...因此产品系统 设计都是采用工作流、即时通信、工作...我公司在实施 MES 过程中将采用管控一体化思想,在...
MES制造系统
制造信息化。MES(制造企业生产过程执行管理系统) MES...一个设计良好的 MES 系统可以在统一平台上集成诸如...8)基于 Microsoft .NET 平台开发,支持 Oracle/SQL ...
制造执行系统(MES)的发展和挑战
制造执行系统(MES)的发展和挑战当前摆在人们面前的...P/PE 包括计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)、过程建模...在一个企业开始其漫长的管控一体化进程时, 最艰巨...
更多相关标签:
mes制造执行系统 | mes制造执行系统下载 | mes生产制造执行系统 | mes制造执行系统 教材 | 制造执行系统mes软件 | mes 质量管控 | 管控一体化 | 管控一体化系统 |