调研报告
1 课题的来源及意义
蒸汽锅炉作为将一次能源转换为二次能源的重要设备之一，其工作效率的高低直接影响能源利用率的好坏，在蒸汽锅炉工作过程中，给水是否达到标准，会直接影响锅炉乃至后续设备的寿命，同时给水系统也影响着锅炉生产的安全，为减轻劳动人员的强度，同时也为了更好了解生产的各项参数情况，设计一套给水自动监控系统变得尤为重要。
本课题是针对辽宁省恒泰热力公司的3台40T/h 蒸汽锅炉控制自动化的具体实施，要求完成蒸汽锅炉给水控制系统中的过程数据采集、监控及管理，上位机功能实现依靠美国FIX工控组态软件来完成。下位机功能依靠挂接在CAN总线上的智能组件来完成。
2 国内外发展情况
中国的锅炉产业，它既不是“朝阳产业”，也不是“夕阳产业”，而是与人类共存的永恒产业，且在中国还是一个不断发展的产业。20世纪80年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，锅炉行业更加突出，全国锅炉制造企业增加近二分之一，并形成了独立开发研制一代又一代新产品的能力，产品的技术性能已接近发达国家水平。锅炉是经济发展时代不可缺少的商品，未来将如何发展，是非常值得研究的。
工业锅炉目前是中国主要的热能动力设备，工业锅炉多于电站锅炉，近年来，中国电站锅炉行业取得了快速的发展。锅炉产量大幅增长，行业产能快速提升。目前，整个行业的产能已经超过8000万千瓦，不仅能满足国内电力工业建设的需要，而且还进入了国际市场。
近年来，国际锅炉产业保持高速增长态势，。同时随着高性能产品的普及和产品质量的提高，在2006~2010年每年将有约500万蒸吨的工业锅炉需要更新，2010年后，每年将有约700万蒸吨的工业锅炉需要更新，再加上新增装机，从需求上讲，到2010年，每年工业锅炉需求量约为1O～12万蒸吨。
未来几年，国际锅炉行业将出现转型，特别是改善大气环境、提高能源利用率越来越为各行各业和各级政府部门关注，减排、烟气脱硫、煤气化等技术得到广泛应用，淘汰燃煤锅炉成为大势所趋，各种燃气、电热等环保锅炉正赢得国际市场和政府监管部门的青睐。此外，水资源的节约利用已引起国际社会的高度重视，锅炉给水监控系统的开发使用在未来lO年内将具有广阔的市场发展前景。
3 研究目标
减轻劳动人员的强度，同时也为了更好了解生产的各项参数情况
4 研究内容
针对辽宁省恒泰热力公司的3台40T/h 蒸汽锅炉控制自动化的具体实施，完成蒸汽锅炉给水控制系统中的过程数据采集、监控及管理。
5 研究方法与研究手段
上位机功能实现依靠美国FIX工控组态软件来完成。下位机功能依靠挂接在CAN总线上的智能组件来完成。
FIX主要特点：FIX是INTELLU TION工业自动化软件FIX 家族的最新产品。本软件具有良好的图形界,易于开发应用软件,操作简单,具备历史数据(HRC) 分析显示,实时监测监控,故障记录分析报警,SAC 速度快,功能强大,其主要特点如下:
(1)内置分布式客户机/ 服务器体系结构,可作HT Service ,建立Windows NT 管理信息网络。
(2)具有丰富的驱动能力,可同时运行8 种完全不同的基于DLL 的高性能I/ O 驱动,开发的高性能、高速DLL 的I/ O 驱动程序500 余种,同现场I/O 设备直接通讯。
(3)完全开放的体系结构,适用于各种规模的MMI (Mahmachine Int reface) 和SCADA 解决方案(Supervisory Cont rol and Data Acquisition) ,系统升级和扩展方便、经济。
FIX功能结构
基本功能(Basio Functions)
FIX 软件是一种自动化软件。自动化软件为操作人员和贯穿整个管理的应用软件提供实时的数据,实时数据的处理是如何更加有效地利用资源、人力,最终提高自动化程度的关键。FIX 最基本的两个功能就是数据采集和数据管理。
(1)数据采集:FIX 软件采集数据时无需特定的硬件,它可以通过高性能、高速I/ O驱动程序直接与硬件通讯。
(2)数据管理:一旦接受到数据,应用程序对数据进行处理与加工。
(3)数据完整性:数据采集与数据管理为FIX与FIX MMI 执行的所有自动化任务提供了基础,数据的绝对完整性是Intellution 软件的核心,并且Intellution 开发体系的固有部分。
人机界面及监控与数据采集功能(MMI andSCADA Functions)
(1)显示:FIX 强大的数据、文本、图像格式提供了最友善的人机界面。
(2)监控:操作人员直接从计算机改变设定值和其它关键值的功能与监视数据显示组配合。
(3)报警:FIX 以多种途径(包括多媒体) 将得到的报警通知操作人员。
(4)控制: FIX 软件包括连续控制、批处理控制、统计控制功能,利用算法调整过程量,留有用户程序接口,方便诸如优化、模糊控制的嵌入。
报表功能(Reporting Funotion)
数据存档:系统中能够以用户指定的速率采样数据并将数据存储在数据文件中,任何时候都能从数据文件中检索数据,创建历史数据的趋势显示。报表Int rllution 支持操作人员通过工业标准数据交换协议如DDE 和ODBC SQL 双向方门FIX 数据,操作人员能
够用如Microsoft 的Excel 电子表格建详细报表。
用户图形界面
在现场应用中FIX 和FIX MMI 最重要的功能是提供一个可视化的窗口过程处理,FIX 画面提供一个图形用户界面( GUI) ,在用户屏幕上提供图形化的过程信息,包括原始数据、计算数据、报警、变量。
CAN 总线又称现场总线是20 世纪70 年代末起始、80 年代末兴起、90 年代初在国际上发展形成的用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络新兴技术.目前成为国际标准的现场总线有CAN、ProfiBus、World-FIP 等12 种.其中CAN 成为ISO 国际标准化组织的ISO11898 标准( 其他为IEC 国际标准) , 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络, 最初由德国Bosch 公司于20 世纪80 年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信.自从CAN 总线诞生以来, 就以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性越来越受到人们的青睐.与一般的通信总线相比, CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性、灵活性.其应用范围目前已不再局限在汽车行业, 而向自动化、机器人、数控机床、机械工业、智能大厦、小区安防、环境监测、航空航天及传感器等领域发展.
CAN 与其它通信方案的比较
在实践中,有两种重要的总线分配方法:按时间表分配和按需要分配.在第一种方法中, 不管每个节点是否申请总线, 都对每个节点按最大期间分配.由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取.这将保证在总线存取时有明确的总线分配.在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站, 总线系统按站希望的传送分配(如:Ethernet CSMA/CD).因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配.为了分配总线,多于一个总线存取是必要的.CAN 实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确地进行总线分配.这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题.不同Ethernet网络的消息仲裁,CAN 的非破坏性解决总线存取冲突的方法, 确保在不传送有用消息时总线不被占用.甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统.虽然总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理.在CSMA/CD 这样的网络中,如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃,而这种情况在CAN 中不会发生.
CAN 的报文格式
在总线中传送的报文,CAN 协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准格式为11 位,扩展格式为29 位.在标准格式中,报文的起始位称为帧起始(SOF),然后是由11 位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场.RTR 位标明是数据帧还是请求帧, 在请求帧中没有数据字节.控制场包括标识符扩展位(IDE),指出是标准格式还是扩展格式.它还包括一个保留位(ro),为将来扩展使用.它的最后四个字节用
来指明数据场中数据的长度(DLC).数据场范围为0～8 个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC).应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符.发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1),这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它.用这种方法,发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文.报文的尾部由帧结束标出.在相邻的两条报文间有一很短的间隔位,如果这时没有站进行总线存取,总线将处于空闲状态.
数据错误检测
不同于其它总线,CAN 协议不能使用应答信息.事实上, 它可以将发生的任何错误用信号发出.CAN 协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种为基于报文内容检查.
循环冗余检查(CRC)
在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确.接收站通过CRC 可判断报文是否有错.
帧检查
这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上的错误.
应答错误
如前所述,被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认.如果发送站未收到应答,那么表明接收站发现帧中有错误, 也就是说,ACK 场已损坏或网络中的报文无站接收.CAN 协议也可通过位检查的方法探测错误.
总线检测
有时,CAN 中的一个节点可监测自己发出的信号.因此,发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异.
6 进度安排
第1周查找相关资料完成毕业设计进度计划
第2周完成调研报告掌握国内相关的最新研究
第3周完成外文翻译了解国外在方面的最新研究情况
第4周了解CAN总线特点掌握蒸汽锅炉给水监测系统的生产过程
第5周掌握FIX工控组态软件的特点、功能、使用方法，开发手段。
第6周了解智能组件的组态模块，组态方法、步骤
第7周根据蒸汽锅炉给水监控系统生产过程，设计给水系统生产流程监控界面 第8周完成给水系统下位机功能组态
第9周建立给水监控系统的实时数据库
第10周完成给水监控系统的实时曲线、历史曲线
第11周建立给水监控系统的安全管理，报警管理
第12周整理材料，编写毕业设计说明书
第13周完成毕业设计说明书，准备答辩
第14周毕业答辩
7 实验方案可行性分析
FIX工控组态软件是美国INTELLUTION公司开发图形化编程软件，该软件通过建立友好的系统流程及监控人机界面，可以完成实时数据显示、修改、控制，系统报警管理、及实时和历史趋势显示功能。
CAN 具有十分优越的特点，这些特性包括：
目前为止唯一具有国际标准的现场总线；支持多主方式；报文可分成不同的优先级，报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息；非破坏总线仲裁；可实现点对点、一点对多点及全局广播，无需专门的调度；直接通信距离最远达10Km （速率5kbps）;最高通信速率可达1Mbps（此时通信距离最远4 0 m ）；目前节点数可达110个（主要取决于总线驱动电路）；报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；采用CRC校验和其他检错措施，具有极好的检错效果；通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，抗干扰能力强；可靠的错误处理和检错机制，如错误严重的节点可自动关闭输出功能、发送的信息遭到破坏后可自动重发，网络具备较高的可靠性； C A N总线具有较高的性价比- - - 结构简单、器件容易购置且价格便宜、开发技术容易掌握；极高的总线利用率。
8 已具备的实验条件
随着锅炉在世界各地扮演着越来越重要的角色，节能减排也成为各个国家强烈呼吁的口号，因此设计一套先进的锅炉给水检测系统是很有必要的。给水是锅炉生产运行的主要环节之一，因此做好给水工作能够大大减少消耗，实现少能多效的目标。在实现系统所用系统工具方面，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性强、抗干扰性好和组网方式灵活的优点。FIX软件具有良好的图形界,易于开发应用软件,操作简单,具备历史数据(HRC) 分析显示,实时监测监控,故障记录分析报警,SAC 速度快,功能强大的特点。
主要参考文献
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