1工业过程控制工程.ppt

1 工业过程控制 郑州科技学院王晓冬 2 TEL气学院二楼电气教研室期末成绩 期末考试 0 7 平时成绩 0 3平时成绩 出勤 作业 3 第一章 生产过程自动化的发展 生产过程自动化 狭义的可以定义为控制理论在生产过程中的应用 广义上讲还应包括自动化工具 如参数检测 控制执行及调节器 计算机系统 等 更完善地定义还应包括保证生产安全的越限报警 联锁保护以及故障诊断 容错控制等等 更广的意义上讲还包括操作优化 最优调度与生产管理等内容 也就是常讲的管理控制综合系统 生产过程自动化所包含的内容十分丰富 4 本课程的内容 本课程只讨论生产过程自动化技术课程基础 模拟电路 传感器与检测技术 数字电路 微机原理与接口技术 自动控制原理 编程语言 汇编 C 5 什么是过程控制 工业生产过程指原材料经过若干加工步骤转变成产品并具有一定生产规模的过程 工业生产过程可分为 连续生产过程和离散生产过程 连续生产过程 离散生产过程和间歇生产过程 批量生产过程 工业生产过程控制概述 6 工业生产过程的目标在可能获得的原料和能源条件下 以最经济的途径将原材料加工成预期的合格产品 原材料 合格产品 理想条件 干扰 产品 控制 过程控制 过程控制主要是指连续过程工业的过程控制 图1 1 1工业生产过程示意图 7 一座以煤作燃料的发电厂 如图1 1 2所示 在这一工业生产过程中 原料是煤和水 产品是电能 整个生产过程由储仓 锅炉 汽轮机 发电机 水冷凝器和循环水泵 相应的管道以及控制系统等组成 煤通过在炉膛中燃烧产生热能从而加热水使之变成高压蒸汽用以推动汽轮机 汽轮机通过连接轴带动发电机发出电能 所产生的电能送给电网再供给各种各样的用户 如有的用于照明 有的用于驱动马达 有的用作家电产品的电源等 图1 1 2发电厂示意图 8 对发电厂来说 它的工作目标是 安全生产锅炉 汽轮机等必须绝对安全运作 单位电能的煤耗要求煤耗小 能量转换效率高 排出烟气对环境污染烟气中灰尘及硫化物含量要低 上述目标 只有通过良好的自动控制系统才能实现 9 图1 1 3工业生产过程控制与其它学科的关系 10 生产过程自动化的发展历史 工业革命时发明的瓦特节速器开创了自动调节的先例 19世纪中 1868年 物理学家J C Maxwell作出关于蒸汽机调速器稳定性分析的著名论文 人类历史上第一篇有关控制理论的论文 20世纪30年代以来 自动化技术首先在电子通讯工程中获得了惊人的成就 对自动控制理论产生了极大的推动作用 40年代以Nyquist的工作所开创的基于反馈回路的经典控制理论 以传递函数为基础 适用于单输入单输出 SISO 线性定常系统的分析与综合问题 11 生产过程自动化的发展历史 系统分析方法有时间域方法 频率响应法和根轨迹法等 这些方法中尤以频率响应法最主要 自动控制理论作为一门独立的学科则是从20世纪40年代末 1948年 开始 由N Wiener发表的著名著作 控制论 为标志 迅速发展起来 20世纪60年代开始的现代控制理论作为更科学的理论获得很大的发展 12 现代控制理论 以状态空间为基础的现代控制理论 Bellman的动态规划理论 1957年 Kalman等的最优滤波理论 1961年 Pontryagin等的极大值原理 1962年 建立在以现代控制理论为基础的控制器设计方法规范 理论清晰 能够有效地处理很多复杂的系统控制问题 航空 航天领域 机械控制领域 13 生产过程自动化的发展历史 由于流程工业生产过程的复杂性 和人类目前的知识水平 建模过程 包括机理建模与辨识 中必要的假设与简化不可避免 在这样的基础上建立的工业过程被控对象模型中总包含有被称为 未建模 动态部分 由于它的存在 使基于现代控制理论设计的控制系统的品质大大恶化 甚至无法稳定 除了被控对象模型的不确定性以外 工业生产过程中的干扰十分复杂 它们的统计特性往往未知 有时甚至干扰本身就是不确定的 因此 现代控制理论在生产过程自动化中还很难见到成功应用的实例 致命的不足是系统的状态空间模型不知 14 生产过程自动化的发展历史 大多数工业过程运行工况都不会偏离额定工况太远 许多工业过程参数可以简化为用一阶或二阶带纯滞后的 具有自平衡能力的集中参数特性来描述 20世纪40 60年代 经典控制理论为生产过程控制系统的设计提供了强有力的理论支持 以此为基础的单变量控制系统得到了广泛的应用 并达到了相当完善的程度 在这个时期 自动化的技术工具是气动或电动模拟仪表 称为调节器 15 生产过程自动化的发展历史 经典控制理论的系统设计方法建立在试探方法基础之上 通常得不到最优控制目标 20世纪60年代 航天航空事业的发展 促进了现代控制理论的发展 系统的复杂性在理论上体现为对象是多输入多输出 MIMO 时变 非线性 这就对控制理论和工程提出了新的要求 能否将在空间技术中获得应用的现代控制理论应用到工业过程控制中去 实践证明 直到现在进展不大 16 工业过程自动化 目标 使生产过程达到安全 平稳 优质 高效 高产出 低消耗 绿色环保 自动化的初级阶段主要目标是使生产过程安全 仅限于越限报警和联锁 与平稳地进行 在过程工业中 绝大部分的控制系统是对诸如温度 压力 流量 物位 液位 界面 等工艺变量的定值控制系统 控制对象往往可用一个低阶模型来描述 并且根据这样的模型 就足以满足平稳生产要求 这就是为什么经典控制方法至今不衰的重要原因 17 工业过程自动化 据有关文献报道 目前在工业过程控制系统中 90 以上还是采用PID控制 及一些简单的多回路控制系统 它们往往在基础控制级DCS上实现 所以对于经典控制理论的学习与认识是必要的 也是学习与理解现代控制理论的分析与设计方法的非常重要基础 更是工程实施的需要 18 现代控制理论与经典控制理论 现代控制理论从理论上解决了许多难以控制的问题 相对经典控制理论来说是一大进步 但现代控制理论在应用中出现了问题 严格地依赖于控制对象的数学模型 而过程工业生产中要得到被控对象准确的数学模型是非常困难的 经典控制理论依据系统的测量值进行控制 反馈控制 闭环 现代控制理论根据系统状态控制 开环 尽管现代控制理论在理论上讲是更系统 更规范 更强有力 但是其分析与设计方法的物理意义却远没有经典控制理论清晰 19 现代控制理论 系统建模与辨识 近年来控制理论界研究的热点 如鲁棒控制 非线性控制 自适应控制 预测控制等一直长盛不衰 与此同时一些所谓无模型控制方法如模糊控制 专家系统 人工神经元网络控制等也应运而生并且蓬勃发展 在控制理论界形成一个多角度 多方位的研究势态 种种现象体现出了理论上的热烈 工程上的欠缺 1991年IFAC控制年会重新开始重视经典控制 20 工业过程综合自动化 集管理与控制于一体的计算机集成综合自动化系统 CIMS CIPS 从更大的范围来研究综合自动化问题 这使得控制理论从系统的总体特征上遇到了前所未有的困难 解决这类问题的重要途径可以是将控制理论 运筹学与智能控制三者相结合 而这些问题的解决可能意味着新一代控制理论或复杂系统控制理论的产生 自动化是一个涉及范围广 包含内容极丰富的领域 每一种控制理论的提出都有其相应的背景 21 过程工业控制器 过程工业控制器习惯上称调节器 检测仪表称变送器 标准仪表信号 0 02 0 1MPa气压信号 4 20mA直流电流 1 5V直流电压 调节器电源电压在24V以下 属于弱电控制系统 调节器分电动 气动两种类型 连续生产过程 发电 化工 石化工业 特点 易燃易爆 22 自动化仪表发展 最近50年 工业自动化仪表经历了从气动仪表到电动仪表 从现场控制到中央控制室控制 从在仪表屏上操作到用计算机操作站 CRT 操作 从模拟信号到数字信号等阶段 并且重新回到现场控制 20世纪50年代主要是气动仪表和真空电子管仪表 60年代以DDZ 电动单元组合仪表 分立元件 和DQZ 气动单元组合仪表为代表 70年代以DDZ 型仪表 集成电路 为代表电动单元仪表 到80年代 由于微处理器的发展 开始了智能化仪表时代 目前控制仪表已完全数字化了 23 计算机工业控制的发展 世界上第一台成熟的电子数字计算机是1946年出现的 将数字计算机作为控制系统的部件的思想萌生于1950年前后 在当时的结论是 将已有的通用数字计算机用于控制系统没有什么潜力 最重要的工作开始于1956年3月 当时汤姆森 拉莫 伍尔里奇 ThomsonRamoWoolrige TRW 航空公司与得克萨柯 Texaco 公司联合提出了一个可行性研究报告 决定针对得克萨斯州 Texas 的波特 阿瑟 PortArthur 炼油厂的一台聚合装置进行研究 24 计算机工业控制的发展 设计出采用RW 300计算机的聚合装置计算机控制系统 该控制系统于1959年3月12日在线运行 控制 26个流量 72个温度 3个压力和3个成分 系统的基本功能是使反应器的压力最小 确定对5个反应器供料的最佳分配 根据对催化剂活性测量的结果来控制热水的流入量 以及确定最佳循环 这里的 控制 意义是计算机检测上述变量 并根据工艺计算 打印出控制命令 由操作人员手动调节设定点 模拟仪表才是真正的控制器 这种控制称为计算机监控 监督控制 25 计算机工业控制的发展 TRW公司的这项开创性工作 导致了计算机工业控制蓬勃发展的局面 到现在大致分6个发展阶段 开创期 约1955年直接数字控制期 约1962年小型计算机控制期 约1972年微型计算机控制期 约1972年数字技术普遍应用期 约1980年集散型控制期 约1990年 26 计算机控制的开创时期 早期计算机控制系统采用真空管 在1958年前后 计算机加法时间的典型值是l毫秒 乘法时间是20毫秒 一台中央处理器的平均无故障时间 MTBF 为50 l00小时 计算机控制的主要任务是寻找最佳运行条件 完成调度和生产计划 报告产量和原材料的消耗等 在这里可以把寻找最好运行条件的问题看作是一个静态最优化问题 27 计算机控制的开创时期 计算机控制由于缺乏过程知识而受到阻碍 在这个时期 可行性研究的很大一部分努力都是花在建模上 由于缺乏有效的建模方法学 建模相当费时 过程控制向计算机系统提出了许多特殊的要求 作为过程控制系统 需要对过程中的意外变化做出迅速响应 从而产生了计算机中断系统概念 作为控制用计算机系统 要直接面向工业过程的各种参数 就必须要各种各样的传感器 过程参数为非电量信号 要转换成相应的电量信号 电量信号的标准化和数字化 数字控制理论和适合于数字计算机的控制算法 程序 等 一系列的实践和理论研究课题 28 计算机控制的开创时期 TRW公司和得克萨柯公司的工作 在工业界 计算机制造商和各种研究组织中间唤起了对过程工业控制的极大的兴趣 工业界看到的是一种提高自动化水平的潜在手段 计算机工业界看到了新的市场 大学则看到了新的研究领域 29 计算机控制的开创时期 到1961年3月为止 全世界安装了37套计算机控制系统 一年之后 系统台数增长到159套 应用领域涉及到钢铁 化工和电力工业的控制 不同的工业领域 以不同的速度推动了这种技术的发展 可行性研究贯穿了整个20世纪60年代和70年代 计算机控制的开创时期是计算机监督控制阶段 30 直接数字控制时期 1962年 英国的帝国化学工业公司 ICI 制造出了一套全新的控制装置 过程控制中的全部模拟仪表由一台名为费伦蒂 阿格斯 FerrantiArgus 的计算机来代替 一台计算机直接测量224个变量和控制129个阀门 开创了过程控制的新纪元 即模拟技术直接被数字技术所代替 而系统的功能保持不变 直接数字控制 DDC 这个名字就是为了强调计算机直接控制生产过程这一特征 1962年 一台典型的过程控制计算机 完成两数相加所花的时间为100微秒 相乘所花的时间为1毫秒 平均无故障时间大约为1000小时 31 直接数字控制时期 控制系统的价格问题是DDC技术得以发展的主要理由 模拟系统的价格随着控制回路数目的增加成线性增长 而一台数字计算机系统的最初投资虽然很大 但增加一个回路的费用却很小 因此 对于大型装置来说 数字系统是便宜的 数字控制系统的另一个突出的优点是操作方式的变更 一块操作员通信板可代替一大片墙壁的模拟仪表 用在ICI系统的通信板非常简单 仅仅包含一台数字显示器和少数按钮 32 直接数字控制时期 灵活性是DDC系统的又一个优点 模拟系统要通过重新接线来改变控制系统的结构 而计算机控制系统则只需通过重编程序 改变控制逻辑 即可改变控制系统的结构 计算机控制还有更多的优点 比如 它容易实现几个回路之间的相互作用 可以使控制环节的参数成为运行条件的函数 采用专用的DDC语言可以简化编程工作 在使用者看来 DDC系统仿佛是用常规调节器连成的 33 小型计算机时期 20世纪60年代 由于集成电路技术的发明与发展 计算机变得体积更小 速度更快 可靠性更高 并且越来越便宜 小型计算机一词指的是新出现的这类计算机 这个时期 典型的过程控制计算机的字长为16位 内存储器为8 124K字 磁盘作为辅助存储器 加法时间为2微秒 乘法时间为7微秒 中央处理单元的平均无故障时间为20000小时 DDC期间 通过工程实践获得了越来越多的计算机过程控制的知识 过程控制计算机的台数从1970年的5000台左右增长到1975年的50000台左右 34 微型计算机时期和计算机控制的普遍应用 微型机与小型机时代几乎是同时开始的 90年代 微处理器的价格降到仅为几美元 出现了称为微控制器的特殊用途计算机 在微控制器中 一块标准的处理器芯片上增添了寄存器 存储器 包括程序存储器和数据存储器 中断逻辑 定时器 计数器 串行通信口 以及A D和D A变换器等其它的功能部件和通用接口等 使微控制器只需少量的外部电路就可以成为一完整的计算机控制系统 并且可靠性大幅度提高 35 集散型控制 微处理器对于计算机控制系统结构产生了深远的影响 极大的提高了控制系统的可靠性 计算机控制系统通常包括实现控制功能的过程站 具有操作监视作用的操作站和各种辅助的站点 控制系统中所有的相互作用都通过通讯网络来实现 这种将不同的功能分散在不同的站点的控制系统称为集散控制系统 第一台集散控制系统是1975年由Honeywell公司推出的TDC2000系统 操作员使用一台计算机 操作站 就能完成对整个生产过程的监视和控制 36 全厂监督和控制 工业过程控制系统的进一步发展是将工厂中的所有计算机和计算机系统集成为一个整体 实现实时的数据交换 这样的相互作用就使得所有部门各得其所 最高主管能随时了解运行的全貌 生产主管可以在现有信息的基础上规划和调度生产及时了解产品生产 库存 销售信息 生产成本账目和质量记录等 集成的基础是数据通信网络 数据库系统 37 38 我国计算机控制技术的发展 我国计算机控制技术在早期与世界先进水平比并不落后 在20世纪60年代初 我国大学就开始了在不同行业中的计算机应用研究 及工业控制计算机研究 南京工学院 现在的东南大学 在化工 电力行业开始计算机控制技术和工程应用的研究 并且在70年代初已有在石油化工 电厂 造船等行业成功应用的实例 39 现场总线和工业以太网 工业控制系统粗略的分为三层 其中 下面两层是生产过程的控制和监督 上面一层实现生产管理功能 对信息的要求也不同 生产过程的控制和监督过程 面对的是过程实时数据 数据的时效性高 比如周期性的检测数据 每次的传送数据量一般不大 属于时效性强的小批量数据 40 现场总线和工业以太网 生产管理面对的是生产计划 市场统计 财务 库存等信息 以及生产过程分析等 其中生产过程分析数据来源尽管同样来自自动化系统 一般是来自过程自动化层的实时数据库和历史数据库中的信息 并且 生产分析一般是离线分析 对数据传输时间要求不强 作为生产过程的诊断分析 要求的数据不但要求多 还往往要有一定的时间跨度 因此在生产管理层 每次传送的数据量很大 不定时 管理自动化系统还可能进一步通过网络构成更大的管理网络 直到与因特网相连 41 现场总线和工业以太网 以太网采用载波监听多路访问的控制方式 其通信的不确定性使人们一直认为它不适于在控制网络中使用 在网络上节点多或通信量增加时 通信过程中发生冲突的概率将明显增大 数据传送的实时性无法保证 控制系统内的通信协议都由各控制系统生产公司自己设计 并且各不相同 给控制系统的使用带来不方便 42 工业以太网 不同的控制系统有不同的组成 结构 与网络协议 属于不同的企业集团控制系统与管理系统集成 综合自动化 统一信息标准 以太网随着因特网的发展已成为最广泛的网络标准 工业以太网可能是统一网络标准的一种道路 43 集散控制系统 仪表控制系统集中安装在控制室 计算机监督控制系统集中安装在控制室 计算机直接控制系统集中安装在控制室 一个CPU对所有回路进行检测控制 控制集中 风险集中 集散控制系统集中安装在控制室 控制功能分散在各部件 分散风险 上述控制系统与现场检测点采用电缆连接 接线多 复杂 44 现场仪表控制系统 将控制功能分散到现场智能仪表 现场总线控制系统 与中央控制室之间的连接仅是数据线 极大减少了连接电缆数 现场数据总线是系统的关键 分布式控制系统 现场数据总线不仅是通信线 更是控制系统的组成部分 安装分散 风险分散 现场总线控制系统新一代控制系统 45 现场总线定义 国际电工委员会IEC TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C WG6于1984年就开始着手标准的制定 并致力于推出世界上单一的现场总线标准 根据国际电工委员会IEC61158标准定义 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式 串行 多点通信的数据总线 现场总线技术基本内容包括 以串行通信方式取代传统的4 20mA的模拟信号 一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接 支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传播介质交换信息 46 现场总线 现场总线技术的核心是它的通信协议 它是工业控制领域中计算机通信系统的最底层的低成本网络 自1993年通过了IEC61158现场总线物理层标准之后 由于种种经济 社会与技术原因 使现场总线标准的制定一直处于混乱状态 2000年初宣布8种现场总线标准为IEC现场总线国际标准子集 47 现场总线标准 IEC61158 技术规范 即FF H1 ControlNET 美国罗克韦尔自动化公司RockwellAutomation 1995 Profibus 德国西门子公司支持 1989 1996年它赢得了43 的德国市场 在欧洲市场也占首位 P Net 丹麦PROCES DATA 1984年 FoundationFieldbusFF HSE 美国FisherRosemount公司支持 NetcomerSwiftNet SHIPSTAR协会应波音公司的要求开发的一种现场总线 WorldFIP 法国Alstom支持 Interbus S 德国的PhoenixContact公司 1984 48 其它控制总线标准 Lonworks 美国ECHELON CC Link 三菱电机 1996 CAN 德国Bosch 1994 DeviceNet 开放式设备网络供货商协会 AS I 11家公司联合资助和规划的 并得到德国科技部的支持 所有控制总线产品相互之间不兼容 49 工业以太网 当现场总线标准争执不断的时候 以太网标准随Internet的发展 取得了长足的发展 从10M 100M 1000M 许多公司开始工业以太网研究 并取得了很大的进展 工业以太网可能是可以统一未来现场总线标准 工业以太网是一种实时网络 50 分布式工业控制系统 自从采用数字计算机技术后 工业控制系统的发展 有两个分布式的过程 DCS的出现 使控制系统从单个处理器的集中控制模式 转向多处理器的分散控制模式 早期的DCS控制系统 还是集中在中央控制室 智能仪表和现场总线通信技术 使得控制系统从集中在总控制室 转向真正分布到工业控制现场 51 嵌入式系统 随着IC 集成电路 技术和IT 信息 技术的发展 控制系统又将面临新的变化 这就是嵌入式系统 我们这里所说的嵌入式系统有两层含义 一是控制系统嵌入到控制对象中 即被控对象与控制系统结合成新的智能化设备 二是系统软件嵌入到IC SOC 芯片中去 52 智能化设备 控制系统嵌入到控制对象 嵌入式控制系统 使得控制系统与被控对象成为一体 成为新的系统 机电一体化系统 典型的机器人 嵌入式系统具有完善的网络通信接口 人机接口和完善的检测控制功能 它是一个独立的控制系统 又是设备的一个组成部分 是在设备的制造过程中 量身定做的控制系统 不再需要进行二次开发 53 芯上系统 SOC SystemOnc