过程实时控制范文

2024-07-07

过程实时控制范文（精选7篇）

过程实时控制第1篇

现场控制级, 由于现场总线的应用, 在DCS的最底层, 出现了现场控制级。

过程控制级, 是控制器通过IO总线及相关接口卡件 (即DCS的输入输出卡件) 与现场自动化设备, 如变送器、阀门等相连接, 对生产过程实时数据进行采集和控制, 同时还通过网络把实时过程数据传送到人机界面即现场控制站。

过程管理级, 主要以操作站、服务器、信息终端为主, 配以工程师站、先控控制站、打印机等, 对现场过程进行监控, 打印报表, 还可以对生产过程进行优化控制。

工厂管理级网络, 可与企业的生产调度系统、企业管理系统相连接, 对企业生产进行总的调度管理。

1过程控制实时网络拓扑结构

网络的拓扑结构是指网络中各节点的互连形式, 有四种最基本的网络拓扑结构即环形、星形、总线形、树形。

环形为点对点的链路连接, 构成一个闭合的环路, 环路中某一个设备故障时, 可能导致整个网路的瘫痪。

星形拓扑结构为每个节点通过点对点连接到中央节点, 也就是任何两台设备通讯都需要通过中央节点, 单个设备故障时不会影响其它设备的通讯。

总线形拓扑结构由一条主电缆作为传输媒介, 设备与主电缆的分支相连接。总线形拓扑是最常用的工业通信最常用的形式。

树形拓扑结构是不封闭的分支电缆可以看成是星形拓扑结构的扩展。

混合形拓扑结构是由两种及两种以上基本拓扑结构组合而成。

2通讯媒介

2.1双绞线

特点价格低廉, 安装维护方便。2.2同轴电缆

由内导体, 绝缘层、外导体、外部保护层组成, 有较强的抗干扰能力。

2.3光导纤维

由光纤芯、包层、保护层构成, 分单模和多模两种, 两端配以光纤模块, 由于光信号不受电磁干扰, 并且信号衰减极小, 适用于长距离高速通讯。

2.4无线通讯

主要有微波通信、红外通信、激光通信等, 只能直线通信, 适用于海上平台等项目。

3 DCS常用通讯网络协议

通讯网络协议是指通信网络内信息传送的方式, 常用的有广播式、问询式和存贮转发式两种。

广播式是只有一个节点发送信息, 其它所有的均在收听信息, 在环形网络和总线形网络使用较多。根据发送信息的方式不同, 又可分为自由竞争式、令牌式、时间分段式。

问询式是所有节点的通讯都要经过一个指挥器进行统一调度。

存贮转发式某个节点接收到信息后首先存贮, 然后转发给其它节点。

4总线简介

2003年4月, IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准, 规定10种类型的现场总线。

1 TS61158现场总线

2 Contr ol Net和Ethern et/IP现场总线

3 Profibus现场总线

4 P-N E T现场总线

5 F F HS E现场总线

6 Swift Net现场总线

7 Worl d FIP现场总线

8 Interbus现场总线

9 F F H 1现场总线

10 PROFInet现场总线

基金会现场总线 (FF总线) 是以美国Fi sh er-R ou se mo un t公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的World FIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用, 具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型 (1, 2, 7层) , 即物理层、数据链路层、应用层, 另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率, 前者传输速率为3 1.25Kbit/秒, 通信距离可达1900m, 可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒, 通信距离为750m和500m, 支持双绞线、光缆和无线发射, 协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

PROFIBUS是德国标准 (DIN19245) 和欧洲标准 (EN50170) 的现场总线标准。由P R O F I B U S-D P、P R O F I B U S-F M S、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输, 适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型, 服从IEC1158-2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s, 最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m, 在12Mbit/s小为200m, 可采用中继器延长至10km, 传输介质为双绞线或者光缆, 最多可挂接127个站点。

5实时网络应注意的几个问题

5.1网络安全

5.1.1被动防御

安装系统最新补丁, 经过控制软件认证的防火墙, 杀毒软件等, 因工程师站和操作站不能连接到互联网, 不能实时更新病毒库, 效果不明显, 几乎没有什么实际的使用价值。

5.1.2深层防御

将用于安全防护的设备安装在每一个控制设备的前方。对任何未授权的连接, 渗透以及命令等进行严密监测及有效防护, 在实际中应用较多。

5.1.3规范用机制度

严禁无关可移动存储设备, 例如U盘, 移动硬盘、磁盘、光盘等连接到各个操作站和工程师站上, 也可有效预防外来病毒的入侵。

5.2冗余原则

考虑现在DCS在工厂的实际作用, 以及出于安全生产及长周期运行的实际情况, 建议控制系统在各功能站之间以及控制器与IO卡件之间全部采用冗余结构, 或等同与冗余结构的网络。

6结语

从DCS系统诞生至今, DCS系统通讯网络历经几代, 第一代主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题;第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题;第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联问题。因此可以预见, 未来的DCS系统通讯网络将向以下方向发展:DCS系统的通信功能发展与全厂管理网络技术向融合, 逐渐实现通信网络由多重化结构向扁平化过渡;实现完整的统一的数据通信标准;总线系统将得到更多的应用;系统的开放性加强, 真正实现管控一体化。

参考文献

过程实时控制第2篇

关键词：过程控制,远程监控,实时性,时延预测

0 引言

远程监控是指授权用户利用计算机通过网络系统实现对远程工业生产过程控制系统的监视和控制,能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。随着计算机技术、通信技术、控制技术以及图形技术尤其是网络技术的发展,引发了过程控制领域深刻的技术变革。控制系统大部分是实时系统,实时性尤显重要,“差之毫厘,谬之千里”。由于网络固有的数据传输滞后性,如何提高基于Internet网远程监控实时性,成为过程控制远程监控系统研究的关键。本文将对如何提高基于Internet网过程控制B/S结构远程监控的实时性进行研究。

1 影响实时性的因素

在过程控制远程监控系统中,影响远程监控实时性主要有以下几个方面:

(1)网络本身的硬件性能:

包括网络的拓扑结构、通信媒体、网络接口的传送速率等。通信媒体的传输速率越高、网络接口的传送速率越快,网络的实时性就越高。

(2)网络的通信协议:

包括媒体的访问控制方式、网络通信协议的层次结构、传输的可靠性、有无连接控制等。层次结构越简单,系统的实时性就越高。媒体访问控制方式是控制网络各站点向(或从)媒体发送信息(或取得信息)的一种方式,它是控制网络的核心,是影响网络实时性的各因素中最为关键的因素。

(3)网络的信息量:

也称为网络的负载,是指网络在一定时间内需要传送信息的多少。网络传送信息量越少,其实时性就越高。

(4)实时性与通信子网信道利用率的矛盾性:

通信子网信道利用率越低,网络传输中产生碰撞的几率就越低,实时性越高。在工业控制网络中,为了提高系统的实时性,不得不牺牲一部分信道利用率。

(5)实时性与控制网络在恶劣环境中数据传输的完整性与可靠性:

控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀,特别是电磁干扰等环境中长时实时数据主要是实时获得的监控信息。

2 几种提高监控实时性的方法

过程控制传输的信息量大,大致可分为以下几类:

周期性硬实时信息。主要是系统运行过程中,现场控制器定时向控制室操作站发送本控制区域内的过程测量与控制数据以及现场设备的状态信息(如执行机构的实际位置信息等),用于操作站的在线监视、记录,趋势图的绘制等。硬实时信息对时间要求苛刻,在过程控制应用中的实时性要求一般为毫秒级。

非周期性硬实时信息。主要指一些具有严格时间要求的非周期性信息,如报警事件信息的上载,现场控制器收到变送器、执行机构等发送的报警事件信息后,转发到系统主干网(或过程监控层网络上)。这类信息的特点是:通信具有突发性,信息的数据量相对较少。

周期性软实时信息。如工业现场摄像机的实时音频、视频信息,显示更新数据等。这类信息的特点是:信息的数据量较大;对实时性有较高要求,存在截止期限;在网络通信无法满足其实时性时,可以丢弃一小部分信息。

非周期性软实时信息。主要指那些对时间限制要求不严格的信息,如系统配置信息上载和系统组态信息下载。这类信息的特点是:通信随机性地发生,一般符合指数分布;信息的数据量较大,对带宽的占用率较高;尽管时间限制要求不严格,但是,这些信息的发送也应尽可能在一个有限的时间内完成。

基于Internet的远程监控系统中的实时性问题是一个技术难点,至今没有十分成熟和权威的解决方案。在现有网络技术条件下,基于Internet的远程监控并不能完全做到实时控制,它存在延时,有一定的响应时间,为了提高整个B/S结构远程监控系统的实时性,可以从下面几个方面提出改进措施:

(1)在网络结构上,尽量采用高速网络,避免因网络硬件原因产生的网络延迟及碰撞。Internet作为一个公用网络,网络速度是由提供服务的厂家决定,对实时性要求比较高的过程控制远程监控系统,可采用先进的网络交换技术,甚至租用专用网络线路和接口,从而增加网络带宽资源,为解决实时问题提供了硬件基础。

(2)针对实时性要求不同的信息采用不同的调度算法。对各类信息分配优先级,根据实时性要求赋予不同的优先级,是解决各类信息满足实时性要求的有效方法之一。在IEEE802.1p/Q协议中,在OSI模型的MAC层采用了优先级对信息进行了分类。IEEE802.1p在数据帧的头部信息中增加4个字节,其中有3位用于标明帧的优先级。这样,使数据帧总共可以实现0到7这8级优先级。对于以太网交换机,不仅能够识别数据帧的优先级标志,而且对输出端口根据优先级设置多个缓冲区队列,数据帧根据优先级被放入相应的队列,优先级高的队列优先发送,在同一个优先级队列中的数据帧则按先到先发的顺序进行发送。结合上述的IEEE802.1p的信息优先级和实时系统的调度理论,这里提出基于交换式以太网的混合调度算法,主要包含以下内容:

①在优先级分配上,利用IEEE802.1p的信息优先级机制,将各类信息分为4个优先级,从高到低依次为7级、5级、3级和1级。硬实时信息拥有两个优先级,其中一个为最高优先级,周期性硬实时信息第7级,非周期性硬实时信息第3级。对周期性软实时信息,赋予较高优先级,即第5级。而对非周期性软实时信息,赋予较低优先级,即第1级。之所以中间还空出一些优先级,是为以后工业信息流的进一步细分预留出扩展空间。通过优先级划分,不同实时性要求的信息进入各自的缓冲区队列。以太网交换机,在各个队列都有信息存在的情况下,按照优先级的高低对各个队列依次进行处理。在当前优先级队列的信息全部处理结束以后,再对低优先级队列中的信息进行处理。对于非周期性软实时信息,其优先级相对较低,在其它优先级队列为空的情况下才能得到发送。

②在实时调度理论中,单调速率RM( Rate Monotonic)算法主要是解决单一处理器上的多任务调度问题。其基本思想是:基于任务的周期设置它们的优先级,周期越短,任务的优先级设置越高,再根据任务优先级的高低调度执行。优先级只与任务的周期有关,而没有考虑任务的执行时间和截止期,因此没有充分利用任务的实时要求和信息。如果改进RM算法,应用于交换机内缓冲区的周期性信息调度:在对周期性信息分配优先级时,周期越小,优先级越高;在周期相同时,最大可等待接收时间越小,优先级越高。对于信息周期相同的情况,应用改进的RM算法,可以进一步细分各周期信息的优先级,更好地满足了实时性要求。

(3)选择和建立适当的信息交互模式。对于实时性要求较强的数据,可以通过绕过Web服务器和实时数据库系统,通过Java现场代理服务器,直接在浏览器与数据源之间建立基于WinSock面向会话的通讯。这种方案将极大地扩展所能监测和控制的数据范围,使整个系统更加灵活,更好提供系统的实时性,Web服务器所受到的压力将减轻许多。直接通过Socket通信,需在浏览器端安装远程操作所需的ActiveX控件(含WinSock控件,可通过HTML传输直接下载安装),通过WinSock连接向远程操作代理软件发出建立TCP连接请求,当现场监控计算机允许连接时,发出TCP连接响应,至此客户计算机和现场监控计算机建立了Socket连接,可以接收发送实时性高的数据。方案信息交互示意图如图1所示。

(4)过程控制系统中,利用带有时延预测器的时延补偿环节改善传统的控制系统结构,以补偿互联网时延对控制系统动态性能的影响,有效提高远程监控系统实时性。基于互联网的过程控制系统,由于数据传输的时延,可能会造成系统的不稳定,为此,图2给出了带有时延预测器的控制结构。

图2中R(s)为系统输入;Y(s)为系统输出;C(s)为控制信号;f(s)指反馈信号;fc(s)为补偿器输出信号;G(s)为被控对象;K(s)代表时延补偿器;G0(s)为本地控制器;P(s)为远程控制器;e-τ1s和e-τ2s分别用来指示控制系统的前向通道和反馈通道互联网环节,τ1和τ2分别为两通道的不确定时延量;时延预测器被用来在线预测互联网传输时延。K(s)的表达式为K(s)= G^(s)P(s)(1-e-τ1se-τ2s),式中:τ1指示前向通道时延τ1的预测值;τ2指示反馈通道τ2的预测值; G^(s)是被控对象的系统辨识模型。反馈信号f1(s)方程:

f1(s)=f(s)+fc(s)=C(s)[G^(s)-G^(s)·e-τ1se-τ2s+G(s)e-τ1se-τ2s]P(s)。如果能精确地辨识出被控对象的数学模型,而且时延预测器也能够精确地预测前向、反馈通道的互联网传输时延,则反馈信号方程f1(s)=C(s)G(s)P(s)将被满足。此时的反馈信号f1(s)将等于没有互联网影响的闭环控制系统反馈信号,控制信号C(s)将等于没有互联网影响的控制信号。这样如果没有互联网环节的闭环控制系统是稳定的,则采用时延补偿器K(s)的基于互联网的过程控制系统也能维持稳定性。由于补偿器K(s)包括网络时延预测和被控对象的辨识,因此时延预测和系统辨识的误差将影响控制系统的动态性能。

互联网时延是一个随机过程,尽管随机过程是随机的并且具有无法预测性,但是在允许误差情况下采用随机过程模型能够根据过去的时延信息预测其当前的时延信息。因此,时延预测算法是基于随机过程参数模型AR模型来实现的。

(5)保证数据实时传送给用户,还可采用主动推(Push)技术。从本质上讲,Push技术是指服务方在不需要客户方请求的情况下主动将适当的数据进给客户方,与轮询(polling)机制相比,它能提供更好的实时性,同时又减少了网络负载,提高了效率。推技术有5个要素:推的触发事件、推的发起者、推内容、推的目的地和通信手段。推的触发事件即引起推操作的事件源,推的发起者收到触发事件后就发起推操作,向对该事件感兴趣的活动(Active)目的地推送数据,为了实现向特定的目的地推送相应的数据,一般要求目的方要先填写“订阅单”(Subscription Sheet),然后提交给服务方,服务方收到某一触发事件后,检查每个订阅者的订阅单中的信息,以判定是否向该用户推送数据。在Java应用服务器中实现 Push功能,首先,JavaApplet在下载到客户浏览器上运行后,要建立Java应用服务器 TCP连接,通过身份鉴别后,可由用户或 Applet自动提交订阅单,Java应用服务器收到订阅单后,在相应的数据结构中存储用户订阅信息。接着,当Java应用服务器收到Infanet监控机传送来的数据后,根据事先设定的过滤器(Filter)决定是否产生触发事件,如果产生则检查各个用户的订阅单,对于每个满足触发条件的用户,向该用户推进相应数据。这里Java服务器是整个远程监控系统的核心,为了尽量提高它的运行性能,可采取一些优化措施。如以 Hash表作为用户订阅单存储的数据结构,加快检索速度;事件过滤器可以设置于Intranet监控机上,减少服务器负载;在推送过程中可充分利用Java语言的多线程机制,通过启动多个工作线程,使系统资源不会因阻塞操作而浪费,加快服务器的处理速度。另外,在B/S结构远程监控系统中,Web服务器和客户端之间不需要实时传送含监控画面的整个页面,只需传送要刷新的实时数据流。基于实时性考虑,采用Web服务器“推”技术和客户端的“拉”技术。实时数据由AcitivX控件的接口负责数据处理和图形化显示,从而使传输的网络流量大大减少,提高了网络数据通信性能,为数据传输、界面刷新、命令发送等操作的实时性要求提供了保障。

3 结束语

本文分析了影响基于Internet网过程控制远程监控系统实时性的几个主要因素,提出了提高系统实时性工作原理及所涉及到的关键技术,使用户能够通过浏览器即可实现对过程控制系统的远程实时监控,对过程控制系统进行实时远程监控进行了探索和尝试。随着过程控制、计算机技术、通信和网络技术的不断进步,必将会给远程监控这一研究领域带来更加广阔的发展空间。

参考文献

[1]郑小宁.基于因特网的远程控制技术研究[D].西安:西北工业大学,2002:32-38.

[2]刘铭,施仁.工业远程监控设计方案探讨[J].计算机应用与软件,2004,21(7):54-56.

[3]柳虹.基于Internet的远程监控[D].杭州:浙江工业大学信息学院计算机系,2002:41-46.

[4]丁恩杰,马方清.监控系统与现场总线[M].中南矿业大学出版社,2003:156-171.

[5]Andrew S Tanenbaum.计算机网络[M].清华大学出版社,2004:228-244.

过程实时控制第3篇

气象卫星信息接收软件和教学系统由实时卫星信息接收器、VNF天线以及信号加工及储存软件系统等几部分组成。

其主要功能有:接收卫星信号;对含有城市地图、经纬线等地理附加信息的卫星照片进行数字加工;可确定卫星照片中任意一点的地理坐标;确定地表温度;确定卫星照片中任意一点的反照率;确定云顶界限;揭示危险天气;预报降水;测量距离;测量地表面积;建立地球宇宙卫星图片电子图书馆。

该技术可用于高等学校地理专业教学或高校及中学科普课堂。

过程实时控制第4篇

气象卫星信息接收软件和教学系统由实时卫星信息接收器、VNF天线以及信号加工及储存软件系统等几部分组成。

该技术可用于高等学校地理专业教学或高校及中学科普课堂。

过程实时控制第5篇

关键词：氯气,泄漏检测,无线宽带,地理信息系统,在线监测

0 引言

有害气体的泄漏事故在气体的生产、储运和使用过程中时有发生, 据统计, 氯气是我国化学事故发生率最多的危险化学品之一[1]。氯本身虽不燃, 但它有助燃性, 属于压缩气体和液化气体类化学危险物品, 为安全起见, 一般以钢瓶装盛分送各小用户, 以槽罐车装载运输供应大用户。存储及运输过程中的氯气都是高压、低温的液体, 它们的沸点低, 蒸汽压高, 非常易于蒸发, 具有极大的爆炸及泄漏危险。存储及运输过程中稍有不慎就会酿成事故, 给国家和人民的生命财产造成破坏和损失, 尤其是对生态环境的不可逆性损害将无法挽回[2]。因此, 加强对存储及运输过程中的氯气及其他有害气体的监管, 强化公路运输秩序及运输车辆的安全、防污染管理已刻不容缓。

为了能在存储和运输过程中的氯气泄漏事故发生前后, 及时发出预警, 必须将现场监测到的氯气状态参数及时发送到应急处理及环保部门, 启动相应的应急响应, 使事故的危害降低到最小程度。本研究尝试性地对存储和运输过程中的有害气体泄漏事故监测预警系统进行研讨。对存储和运输过程中的有害气体潜在的泄漏点进行准确有效的连续自动的智能检测, 通过GIS (地理信息系统) 及无线宽带通信技术对存储及运输过程中的各类参数进行实时在线跟踪, 一旦发生泄漏及时发出声光报警并将泄漏现场资料传送到环境监测部门, 为环保部门应急处理提供原始的数据, 以降低事故造成的危害。对预防事故的发生和确保操作人员的人身安全具有重要意义。

1 污染源在线自动监控 (监测) 系统组成

我国已经针对污染源在线监控 (监测) 系统出台了相应的标准, 2006年2月1日实施的中华人民共和国环境保护行业标准 (HJ/T212-2005) 中规定:污染源在线自动监控 (监测) 系统由对污染源主要污染物排放实施在线自动监控 (监测) 的自动监控监测设备和监控中心组成[3]。其中, 监控中心为安装在各级环保部门, 有权限通过传输线路与自动监控设备连接, 对其发出查询和控制等标准规定指令的数据接收和数据处理系统, 包括计算机信息终端设备及计算机软件等, 也称为上位机;自动监控设备为安装在污染源排放口现场, 用于监控、监测污染源排污状况及完成与上位机的数据通讯传输的单台或多台设备及设施, 包括污染物排放监控 (监测) 仪器、流量 (速) 计、污染治理设施运行记录仪和数据采集传输仪等, 是污染防治设施的组成部分, 简称现场机;数据采集传输仪为采集各种类型监控仪器仪表的数据、完成数据存储及与上位机数据通讯传输功能的单片机、工控机、嵌入式计算机、嵌入式可编程自动控制器 (PAC) 或可编程控制器等。

污染源自动监控系统从底层逐级向上可分为现场机、传输网络和上位机三个层次。上位机通过传输网络与现场机交换数据、发起和应答指令。自动监控设备有两种构成方式:

(1) 一台 (套) 现场机集自动监控 (监测) 、存储和通讯传输功能为一体, 可直接通过传输网络与上位机相互作用;

(2) 现场有一套或多套监控仪器、仪表, 监控仪器、仪表具有模拟或数字输出接口, 连接到独立的数据采集传输仪, 上位机通过数据采集传输仪实现数据交换和收发指令, 其组成如图1所示。

结合前期的项目调研及国家出台的相关标准, 针对氯气存储及运输过程中监测的需求状况, 本文中组建的是氯气泄漏的多点实时在线自动监测系统, 其结构如图2所示。整个监测系统由检测装置 (氯气泄漏探测仪) 、主控仪、控制中心三部分组成。

其中, 检测装置为多个精密的智能氯气变送器, 布置在监测区域内, 感知环境中氯气浓度及其他相关的状态信息。每个智能氯气变送器可以单独设置警戒值, 当探测到的信息超过警戒值时, 即将数据通过RS 485总线传输给主控仪。主控仪采用当下流行的32位ARM微处理器作为核心控制单元, 可以主动的采集各变送器的氯气浓度及其他相关信息, 将氯气浓度及各类参数实时地显示在主控仪的液晶屏上, 必要的情况下启用视频监控及GPS (全球定位系统) 定位[4], 通过无线宽带通信网络3G网络将运输车辆的实时位置信息及其他监控数据传输至监控中心。主控仪还可将氯气浓度及其他相关信息存储在闪存卡上, 支持查询和显示历史数据。控制中心可对氯气浓度及其他状态参数进行智能分析并存档。当发生氯气泄漏, 或其他相关参数超标时, 主控仪驱动报警模块发出声光报警并向控制中心发出报警信号, 起到事故的预警作用, 从而保障生产安全和人员健康。

氯气泄漏探测仪采用高精度传感器作为检测元件, 灵敏度高, 响应速度快。氯气报警控制器配接氯气泄漏探测仪构成氯气报警系统, 安装布网方便, 对多个监控点集中控制, 当环境中氯气的浓度达到或超过预置报警值时, 报警器立即发出声光报警, 以提醒用户采取安全措施, 可能的情况下可以驱动排风扇、喷淋系统等, 防止发生爆炸、火灾、中毒等事故, 从而阻止或降低现场危险延续, 达到自动排除险情的目的。

2 有毒有害气体泄漏的检测技术

氯气的TWA (8 h统计权重平均值) 为0.5, STEL (15 min短期暴露水平) 为1, IDLH (立即致死量) 为30 ppm, MAC (车间最大允许浓度) 为1 mg/m3。随有毒有害气体种类的不同, 其TWA, STEL, IDLH, MAC等值会有一定的不同, 目前, 对于特定的有毒有害气体的检测, 使用最多的是专用气体传感器。其中, 检测无机气体最为普遍、技术相对成熟、综合指标最好的方法是恒电位电解式方法, 也即常用的电化学传感器, 其具有精度高、稳定性好的优点[5,6]。恒电位电解式氯气传感器是在一个塑料制成的筒状池体内, 安装工作电极 (WE) 、对电极 (CE) 和参比电极 (RE) , 在电极之间充满电解质溶液, 并用多孔四氟乙烯做成的透气隔膜从顶部密封。传感器工作时, 设定RE的电位为恒值, 氯气与工作电极发生还原反应, 再对电极发生氧化反应, 电解电流随气体浓度发生变化。由于氯气进入传感器的速度由薄膜控制, 故电解电流与池体外氯气浓度成比例, 由电极电流就可直接测量环境中的氯气浓度。

目前, 市场上氯气传感器可供选择的较多, 大多为采用了先进的超大规模集成电路技术、国际标准智能化技术及专有数字模拟混合通讯技术而设计的完全智能化的变送器, 具有通讯和自诊断的功能, 安装维护都很方便。而最近新研制出的半导体型氯气传感器, 采用电阻式的敏感探头, 它的电阻值随着其表面附着的氯气量而变化, 具有更高的检测灵敏度和精度, 检测范围达到0～500 ppm, 更能满足实际需要[7]。本系统中考虑选用灵敏度高、线性度好、工作稳定、成本适中的瑞士Membrapor公司的Cl2/C220型恒电位电解式氯气传感器。

3 多点实时监测的实现

目前我国城市环境监控检测的主要方式包括固定监测站与流动观察相结合的方式, 在采集和处理上, 主要还是基于参数类数据的检测和处理, 在通信技术上有以下两种[8]:

(1) 环保监测站与各采集点之间的数据通信主要采用手工抄录或PSTN 电话线传输。电话线传输数据时, 需申请多条的电话线路, 由于每次拨号都需要等待, 所以速度慢, 实时性差, 并且运行费用也较高。此外, 还存在一些采用有线线路难以到达的监控点。

(2) 在城市及周边地区设置固定监测点位, 采用移动通信公司提供的GPRS (General Packet Radio Service, 通用分组无线业务) 或CDPD (中国公用无线数据通信网) 网络, 将所检测的数据传送到环境检测中心。

这种以点代面进行监测的方法, 难以实现动态或大面积的反映环境变化和存在的问题;对环境污染和生态灾害不能实施大范围和全天候的动态监测;本系统中采用无线宽带通信3G的方式可以弥补以上不足。

3G具有全球普及及全球无缝漫游的特点, 能够支持多媒体业务, 特别是支持 Internet, 能够传送高达2 Mb/s的高质量图像。3G支持高速环境下的移动数据和语音;安全性高;具有最广泛的运营商和设备商联盟;技术、设备成熟, 完全能够胜任多点实时监测系统中监测数据及现场音视频数据的无线传输[10]。

另外, 本系统中还引入GIS (地理信息系统) , 对氯气等有害气体的运输过程进行实时在线跟踪, 为环保部门的调度、实时监控及应急事故的处理起到积极的促进作用。

4 结语

本研究的特色和创新之处在于:将3G无线宽带技术和GIS技术引入到对有毒有害气体的监测应用中, 实现对监测现场各类参数的全天候实时在线监测, 利用现在流行的嵌入式32位ARM微处理器作为主控单元, 配以各类精密的传感器, 实现各类状态参数的获取、发送及实时现场视频的传输和氯气泄漏的超标告警, 提高了监测系统的实时性及自动化程度, 大大改善了现有监测系统的效率。

参考文献

[1]陈国华, 梁韬.用SAFETI定量评价液氯泄漏事故的风险[J].华南理工大学学报:自然科学版, 2001, 34 (5) :103-108.

[2]丁晓晔.工业事故性泄漏及应急堵漏的模拟研究与软件研制[D].南京:南京工业大学, 2005.

[3]HJ/T212-2005.污染源在线自动监控 (监测) 系统数据传输标准-中华人民共和国环境保护行业标准[S].2006.

[4]冯海燕.GPS卫星定位视频监控网络系统[J].上海电力, 2003, 16 (5) :442-443.

[5]邬晓梅, 李丽, 李军亮, 等.氯气传感器的研究[J].化学传感器, 2003, 23 (1) :11-16.

[6]沈清, 吴鹏, 项徐伟.室内空气中氯气检测方法的研究[J].江苏环境科技, 2008, 21 (1) :51-53.

[7]施云波, 张洪泉, 胡竹平, 等.基于激光微加工Al2O3微结构Cl2传感器的制作及性能研究[J].传感技术学报, 2006, 19 (5) :2 103-2 106.

[8]黄家善, 张平均, 王桐森, 等.基于无线宽带城域网的城市环境监测系统结构化设计[J].福建师范大学学报:自然科学版, 2007, 23 (2) :30-35.

[9]尹宝财.浅谈宽带无线接入技术[J].中国高新技术企业, 2009 (1) :108-109.

过程实时控制第6篇

市场竞争的加剧,市场环境的瞬息万变,使得提高产品质量、降低生产成本、缩短交货期成为离散制造企业核心竞争力的集中体现,而这依赖于企业能否及时根据生产系统的运行状况进行制造资源的合理优化与配置。在实际生产过程中,由于缺乏有效的手段来实时监测生产系统的运行状态,故易造成生产过程不透明、信息滞后等问题,对作业车间的资源优化配置和生产调度造成了很大困难。为了解决上述问题,传统制造企业亟需一种能够直观掌握生产系统运行状态的可视化监控平台。

目前,国内外专家从不同角度对生产过程监控问题进行了研究。文献[1]为解决复杂产品制造过程中生产计划进度信息和生产异常信息实时监控问题,构建了一种面向复杂产品制造过程的可视化监控系统;针对质量监控与调整中噪声信息对测量数据质量影响的问题,文献[2]提出了一种基于统计过程控制与工程过程控制集成的制造过程质量监控与调整方法,并实现了产品加工质量的在线优化;文献[3]利用射频识别(RFID)中间件技术实现了关键制造节点状态监控;Senkuvienèt等[4]提出了一种能够实时显示设备运行状态(如有效工作时间、非有效工作时间和资源利用率等)的可视化方法,使设备管理更加实时化、透明化;高振清等[5]提出了基于多代理技术的制造过程可视化监控系统框架,但未详细阐述其实现过程;孙伟等[6]提出了一种机加工设备运行关键参数的监测方法,为设备的维护决策提供数据支撑;为了实现制造设备的广泛互联和远程诊断,刘日良等[7]利用MTConnect技术实现了数控设备运行状态的远程监测;针对多品种小批量机加车间监控可视性低、生产进度信息实时性差等问题,尹超等[8]基于flexsim软件构建了一种能动态反映车间生产进度、物料消耗情况、零件加工信息的机加车间生产任务执行情况的动态可视化监控系统;针对复杂产品装配执行过程中物料流与信息流脱节的问题,孙惠斌等[9]提出了一种装配执行过程网模型,以提高装配执行过程在线监控的实时性和准确性。文献[10]提出了一种基于生产过程的实时监控系统,该系统具有良好的可配置性和可拓展性,并能实时监控各类设备的工艺过程信息。

综上所述,国内外学者在生产过程实时监控领域取得了许多有价值的成果,但研究对象大都偏向于部分工况,并没有从生产系统全局角度出发,此外,上述系统不具有开放式的框架结构,且可拓展性较差、资源可重用度不高。鉴于此,本文借鉴已有的研究成果,提出一种基于实时信息驱动的生产系统实时可视化监控平台(real-time visualization monitoring and control platform,RTVMP)及其运行模式,以提升生产过程的透明化程度,为管理者决策提供数据支撑。

1 制造资源本体模型与IMPV

本文采用面向对象和基于本体相结合的资源建模方法,建立统一、规范的制造资源本体模型(resource ontology model,ROM),将制造资源的运行信息实时反映在ROM中,通过建立信息感知集成单元(data collection and Integrated unit,DCIU)与ROM间的多层次关系及动态映射模型,实现制造资源运行信息的统一感知与发布,从而解决离散制造车间多源信息集成问题。通过建立DCIU与IMPV的映射模型,将制造资源运行状态反映在IMPV模型对象中,并以可视化的形式动态展示,从而实现生产系统运行状态的实时监测,使生产过程透明化。

1.1 ROM

制造资源是生产信息的载体(信源),制造资源的不同导致生产过程信息呈现多源异构特性,信息之间呈现独立性。本体作为知识的良好载体,有很好的概念层次结构以及对逻辑推理的有效支持;可实现各个层次信息领域本体之间的独立性,具有良好的可扩展性和互操作性,能够为多源异构信息集成提供一致性的语义环境。本文根据生产过程中各种相关信息的内涵及其依赖与从属关系,结合资源本体和元资源建模方法对制造资源领域的知识进行描述和建模[11],并使用形式化的方法进行表达。

定义1元资源BObj属于制造资源基本粒度,是不可再分的单元资源。元资源BObj由元资源标识Base-ID、元资源数据项DataItem所组成,其描述方法为BObj∷ = {Base-ID,DataItem1,DataItem2,…,DataItemN},元资源数据项DataItem可以定义为DataItem ∷ = {BDIID,ItemPro1,ItemPro2,ItemPro3,…,ItemPro N},其中BDIID是数据项的唯一标识,元资源属性ItemPro由属性名称ProName、属性值ProValue、属性数据类型ProDataType、属性描述ProDes来表征,即ItemPro∷ = {ProName,ProValue、ProDataType,ProDes},其中属性数据类型有STRING、BOOL、WORD等。

定义2组合资源ComObj具有可再分性,是多个元资源或组合资源的组合体,其描述方法为ComObj∷ = {COID,CO-Set1,CO-Set2,…,CO-Set N,CO-Rels}。组合资源集CO-Set是元资源在一定的约束条件下耦合而成的,描述方法为CO-Set∷ = {COSID,SetPro1,SetPro2,…,SetPro N,∑BObj,COS-Rels},其中COSID为组合资源集标识,SetPro为组合资源集属性,其描述与元资源属性描述一致,∑BObj为元资源集合,COS-Rels表示元资源之间的逻辑关系集合,CO-Rels表示组合资源之间的逻辑关系集合,逻辑关系有继承关系、组合关系、依赖关系等。

1.2 IMPV

IMPV是制造资源的抽象化表达形式,能够实时反映制造资源的运行状态,此外,IMPV支持监控对象的自定义配置,从而能够灵活监控生产系统各环节的实时工况,IMPV由对象数据模型、可视化表征模型和对象操作模型三部分组成,即IMPV∷={Ob-DataModel,ViewSet-Model,ObOperateModel}。

定义3对象数据模型Ob-DataModel是IMPV的数据集合,Ob-DataModel由对象实体Entity和对象关系EntityRel组成,即Ob-DataModel∷={Entity,EntityRel},对象实体Entity则由数据集DataSet和数据集关系DataSetRel所组成,其描述方法为Entity∷ ={DataSet,DataSetRel},每个数据集DataSet有多个数据项Item所组成,即DataSet∷ = {Item1,Item2,…,ItemN},数据项Item可以定义为Item ∷ ={ODIID,ItemPro1,ItemPro2,ItemPro3,…,ItemPro N},其中ODIID是数据项的唯一标识,数据项属性ItemPro由属性名称ProName和属性数据类型ProType来表征,即ItemPro∷ ={ProName,ProType},数据集关联关系DataSetRel是数据项之间的内在逻辑关系ItemRel的集合,ItemRel可表征为ItemRel∷ = {ItemS,ItemG,Rel},其中ItemS源数据项,ItemG为目标数据项,Rel为两者的关联关系。

定义4可视化表征模型ViewSet-Model是IMPV界面呈现形式的集合,ViewSet-Model由视图样式Style和视图样式关系StyleRel所构成,即ViewSet-Model∷ = {Style,StyleRel},其中Style可表征为Style∷ = {ID,Color,Location,Size,Image,UDA},其中ID是视图样式的唯一标识,Color是视图的颜色样式,Location为视图的空间位置基准,Size为视图的空间尺寸基准,Image为视图关联图形样式,UDA为视图的用户自定义属性。 StyleRel可表征为StyleRel∷={StyleS,StyleG,Rel},其中StyleS源视图样式,StyleG为目标视图样式,Rel为两者关联关系。

定义5对象操作模型Ob-OperateModel是IMPV对象操作类的集合,主要分为基本操作集BaseOpSet和复杂操作集ComOpSet,基本操作类实现对象的单一界面交互操作,如改变位置、大小、拖放等操作,BaseOpSet∈ {Resize,Click,ForeColorChanged,Remove,AddElement,…},复杂操作类是实现基本操作类无法实现的交互操作,属于用户自定义操作,主要包含数据检索、组合动态表征和信息发布等操作,ComOpSet∈{DataRetrieval,DataAnalysis,AndonStatistics,InfoFeedBack,…}。

2 RT-VMP体系架构

如图1所示,RT-VMP平台框架分为物理感知层、网络通信层、IMPV建模及运作层和人机交互层。

物理感知层主要由RFID和各类感知传感器构成。其中,RFID、扫描仪等能够激活信息载体(如电子标签、二维码)并采集信息载体中的资源信息;传感器通过功能元件等对制造过程中的各种资源的状态、参数值进行感知、转换和输出,并能够按一定数据帧将信息输出。同时提供对其他层的数据服务功能。能够在不改变其他层数据关系的情况下,只需改变数据接口层中对数据库的连接即可适应数据服务层的变化,从而有效地保持系统的可扩展性和灵活性。

IMPV建模及运作层是系统功能应用的实现层,由IMPV建模模块和运行模块组成,其中IMPV建模模块负责构建各类监控对象,包括其数据格式、显示及交互方式的定义。IMPV运行模块通过解析监控对象模型获取组态信息,并根据与信息感知集成单元(DCIU)中变量的映射关系获取制造资源运行信息和增值信息,并以配置的可视表征样式呈现。

人机交互层提供可视化监控平台的人机操作画面,用户可以根据监控需求的变化对监控对象本体模型库、监控任务界面等模块进行动态配置,对变量库、可视表征库和对象操作类进行维护。

3 RT-VMP关键实现方法

3.1 资源感知与信息集成

生产系统的运行状态是制造资源运作情况的综合反映,准确掌握生产系统的运行状态依赖于对生产过程各类制造资源(MR)运行信息的全面感知、集成、共享与处理,本文从MR -ROM、ROM-DCIU、DCIU-IMPV、IMPV-IMPV映射模式入手来描述制造资源状态实时感知与信息集成过程,如图2所示。

智能制造单元(IAgent)由元制造资源和组合资源构成,制造过程中由制造资源产生各类原始生产事件,通过建立多层次事件间的关联模型,应用关键事件处理引擎对关键事件所涉及的各级多层次事件进行遍历,以获得各制造资源状态信息,根据前文中ROM的定义,为各类制造资源构建基于XML资源数据模型,并按照统一规则将制造资源状态信息映射到XML资源数据模型中,从而实现制造资源运行信息的语义化描述与统一发布,即实现MR-ROM的映射。

DCIU是信息集成的核心单元,由变量库、算法库、约束规则库和映射规则库组成,其中变量Var可描述为Var∷={ItemPro1,ItemPro2,…,ItemPro N,Map,Res,Alg},其中ItemPro是制造资源ROM本体中数据项,Map则是数据项与变量间的映射规则,Res则是映射过程中的约束,如非空约束、类型约束等,Alg则是处理算法,如CPK、OEE等指标的算法,算法库中各算法以dll文件的形式进行封装,便于算法的维护与调用。按照配置的算法对输入数据项值进行处理增值后输出变量值,通过变量库动态调用与发布,从而实现底层制造资源运行信息的增值与共享,即ROM-DCIU的映射;Ob-DataModel是IMPV运行的基础,由多个数据集组成,通过建立数据集中各Item与Var间的对应关系即可实现DCIUIMPV映射。

IMPV对象模型由Ob-DataModel、ViewSetModel和Ob-OperateModel三个组件组成,组件之间的映射关系可分为以下三种类型:1一对一映射是基本的映射关系,如Ob-OperateModel中尺寸变更类ElementResize只能改变ViewSetModel的图元尺寸ViewStyle-Size;2一对多映射多用于复杂对象操作,如Ob-OperateModel中对象添加类ElementAdded会调用其他各组件实现模型对象初始化;3多对多映射也是多用于复杂对象操作,如设备状态和质量状态均可触发对象报警ElementAlert,而ElementAlert则可以同时触发图元颜色ViewStyle-Color和图元尺寸ViewStyle-Size的变化。

3.2 IMPV实例化方法

为满足生产运行状态监控的多样化和动态性要求,RT-VMP应该具备监控任务的灵活定制与动态组合特性,IMPV是制造过程可视化监控对象的抽象化表达形式,通过配置对象数据模型、可视化表征模型和对象操作模型的参数以及与DCIU中变量间的映射关系,定义不同监控对象,从而使用户可以自由调整监控对象及监控粒度。IMPV实例化过程如图3所示。

(1)对象数据模型是IMPV的基础,可视化表征模型、对象操作模型均依赖其数据来运作。采用面向对象的思想与聚类技术,在对象元模型的基础上,通过结构化派生与对象处理构建以数据集为载体的对象实体,并定义其数据接口以及与其他对象实体间的逻辑关系,实现对象数据模型的构建,对象数据模型与监控对象实体是一一对应关系。此外,通过配置数据项与DCIU中变量间的映射关系实现数据的实时获取,当监控需求变更时只需更改数据项关联的DCIU变量而不需要变更底层数据采集接口。

(2)可视化表征模型是IMPV的人机交互接口,它实时呈现了来自制造现场的各类原始数据和增值数据,在对象数据模型的基础上,定义可视化表征模型界面图元各视图样式参数与对象数据模型中数据项之间的映射关系,如Equipment实体对象的数据项Alert值为TRUE时,其可视化表征模型的视图颜色样式为RED,并进行闪烁。

(3)对象操作模型是控制IMPV可视化呈现的操作方法的集合,同时也集成了一些如数据查询、数据分析等功能。因此,在构建对象操作模型时从两方面入手,一方面是建立对象操作类与图元视图样式间的映射关系,如ElementResize方法就是变更视图的ViewStyle-Size,从而能够调整视图大小;另一方面是定义数据查询接口与数据分析算法等,从而实现一些复杂的实体对象操作。

(4)在IMPV各模型定义完成后,对其数据结构和逻辑映射关系进行序列化,进而形成一个对象本体模型,用户根据实际需求定义不同监控对象,形成对象本体模型库,另外对象本体模型库可以导入导出,从而能够实现监控任务的可配置化,配置完成后须经序列化存储,用户通过平台可随时调用配置文件并反序列化,从而能够从不同层级便捷灵活地监控生产系统运行状态。

4 RT-VMP应用实例

以安徽某汽车发动机制造企业为例,其发动机种类较多,是典型的多品种、小批量生产模式,另外由于发动机装配精度要求较高且产品本身结构较为复杂,其装配过程需求由多条装配线协作完成,一般可分为缸盖分装线、活塞连杆分装线、曲轴分装线和总装线。发动机生产过程的复杂性要求各业务部门能够实时掌握生产过程各环节状态,进而协调一致才能保证生产的顺利进行。为此,根据第2章提出的基于实时信息驱动的制造过程可视化监控体系,基于.NET构架设计并开发了该企业的1.5TGDI发动机装配线实时可视化监控系统。

由于车间生产系统运行状态的实时监控涉及范围广、监控对象繁多,因此,本文通过对车间设备运行状态的监控来阐述RT-VMP的运行流程,首先利用本体建模工具建立车间设备资源的领域本体,利用xml、owl语言等对资源进行统一、规范化描述,这样能够屏蔽资源的异构性,规范制造资源描述,为设备运行信息的集成提供统一的语义环境。设备模型数据片段如下:

其次,需要选择合适的数据通道实现设备状态信息的实时采集,该发动机装配车间内所有加工设备均由PLC控制,故均支持OPC通信协议,测量设备不支持OPC通信协议,如海克斯康三坐标仪(需要通过监听PC-DMIS触发事件获取设备运行状态)和阀孔检测仪等,另外数控机床采用SINUMERIK840D数控系统,故需要结合设备厂家提供的接口定义数据格式,通过对设备运行信息和加工信息进行定义,再按照一定的规则映射到通用XML文档中,从而实现制造资源实时运行信息的感知与集成。然后通过基于ROMDCIU映射模型,按照模型解析规则及匹配机制映射对输入参数进行匹配验证,同时按照配置的数据增值算法对输入参数进行增值,增值后的信息以数据服务的形式发布,有效降低平台耦合度,便于信息共享与集成。

根据用户组态配置和数据描述解析并实例化IMPV各模型组件,根据DCIU-IMPV的映射模型向DCIU发送消息订阅,当消息事件发生变化时,DCIU从订阅者队列中遍历消息的订阅者并发布消息。IMPV获取信息变更后根据模型间映射关系及相关数据变更调用Ob-OperateMode组件和ViewSet-Model组件,通过Ob-OperateMode实现图元的动作变更,通过ViewSet-Model图元的可视表征,并将实时数据匹配到Ob-DataModel中,从而完成实时工况的可视化显示,从而实现生产管理的透明化、实时化和远程化。

通过系统的应用,实现了生产系统运行信息的动态感知,对生产过程中设备运行情况、物料消耗状态、生产异常、产品加工质量等进行了有效的监控,提升了企业管理水平及决策的时效性,有效地改善了该车间的生产效率和产品质量,降低了生产成本。据统计,2012年至2014年该厂均处满负荷生产状态,系统在2013年实施应用后,车间生产率提高了7.9%,订单延时率降低了30%,设备维护成本降低了40%,具体数据如表1所示。

5 总结

本文针对生产系统运行状态监控问题,提出并实现了一种基于实时信息驱动的生产过程可视化监控平台,并将其应用于某发动机装配车间,通过构建IMPV实现了装配车间监控对象的可配置化和组态化,用户能够自由定制监控任务和需求,通过建立ROM-IMPV逻辑映射模型以及多功能交互式信息终端采集信息的方法,实时、准确、全面地获得装配车间生产过程中设备、物料、生产进度和人员等实时信息,并通过IMPV可视化表征组件实时呈现,从而使生产过程透明化,为管理层提供决策支持。该系统很好地满足了企业对生产实时监控的需求,后续研究将在信息增值和生产过程动态优化控制两个方面展开,结合数据分析和数据挖掘等方法,对多源信息进行增值运算,以精准掌握制造系统运行状态并预测系统潜在的异常;同时研究生产过程的动态优化与反馈控制方法,使系统具备一定的协同优化能力。

摘要：针对目前由于缺乏有效的手段支持离散制造过程实时监控,导致生产车间透明程度低、信息流实时性差等问题,采用面向对象的方法构建制造资源本体模型(ROM)和一种支持生产系统实时监控的对象模型(IMPV),并定义了IMPV的对象数据模型、可视化表征模型、对象操作模型和信息交互控制模型。在此基础上,设计并实现了一种支持制造过程实时可视化监控的体系架构,详细讨论了IMPV的实例化方法以及基于规则映射的资源感知与信息集成模式,最后将该可视化监控系统应用于某发动机装配车间中,取得了良好的应用效果。