09第九章+计算机控制系统的设计与应用.ppt

第9章计算机控制系统的设计与应用 9 1概述 计算机控制系统的设计与应用 是一项复杂的工作 既是理论问题 又是工程问题 设计一个基础控制级的过程计算机控制系统包括 建立被控对象的数学模型 确定控制系统的性能指标函数 寻求满足该性能指标函数的控制策略并整定参数 选择适当的软件平台及语言 进行软硬件设计 并对硬件提出具体要求等 计算机控制系统工程实际从设计到实施的整个过程包括 总体方案的设计 工作计划的制订实施 计算机及仪表的选型 订货 验收 各方面人员的安排 调配 控制系统的研究 开发 集成 安装 调试 工程的验收和投入使用等 9 2计算机控制系统设计原则和步骤 9 2 1计算机控制系统设计原则1 安全可靠 保证系统在恶劣的工业环境下仍能正常运行 在设计控制方案时考虑各种安全保护措施 异常报警 事故预测 故障诊断与处理 安全联锁 不间断电源等功能 采用常规控制仪表或后备计算机作为后备 采用计算机作为后备装置的计算机控制系统称为双机系统 2 操作 维护与维修方便 实时性强 便于掌握 操作简单 显示画面直观形象 易于查找故障 排除故障 模块化设计 考虑设计容错程序 在出现故障时能保证系统的安全 3 实时性强系统处理的事件一般有两类 一类是定时事件 如定时采样 运算处理 输出控制量到被控制对象等 另一类是随机事件 如事故报警 安全联锁 打印请求等 对于随机事件 系统应设置中断 保证最先处理紧急故障 4 通用性好 经济效益高 硬件与软件的通用性和灵活性 硬件方面宜采用标准总线结构 如PCI总线 STD总线 配置各种通用的接口通道板 在系统监控软件和控制算法等软件采用具有易操作性和通用性组态软件 5 经济效益高系统的性能价格比要尽可能的高 投入产出比要尽可能的低 9 2 2设计与实施计算机控制系统的步骤 计算机控制系统的总体方案设计 了解生产过程 分析工艺流程及工作环境 总结操作工控制经验 确定整个控制系统的结构和类型 设计系统的硬件与软件结构方块图 控制系统对现场工艺条件的要求 硬件总体方案设计 系统的构成方式 现场设备及自动化仪表的选择 人 机联系方式 系统的机柜或机箱结构设计 抗干扰措施等 软件总体方案设计 确定软件平台 软件结构 任务分解 建立系统的数学模型 控制策略和算法的实现 硬件的工程设计与实现 系统总线与主机机型常用系统总线 PC总线 ISA PCI 主机 工控机 PLC I O接口种类结构方式混合式 I O板与主机板都插在总线母板上 并安装于一个机箱内 模块式 各类I O模块用串行通讯总线 如RS 485 连接 在与主控单元模块相连 好处 I O模块分散安装在现场 传感器 变送器和执行机构的信号线就地连接 节约信号线 选择现场设备变送器温度 压力 液位 流量DDZ II DDZ III 现场总线仪表执行机构模拟量 气动 电动 液压开关量 电磁阀 开关其他现场设备流量泵 计量泵 成分分析扫描仪 软件的工程设计与实现 程序结构规划程序的流程 模块接口条件 资源分配列出资源的详细分配清单 作为编程的依据 举例 PLC选型 存储器容量的选择 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储器容量 存储器内存容量的估算没有固定的公式 许多文献资料中给出了不同公式 大体上都是按数字量I O点数的10 15倍 加上模拟I O点数的100倍 以此数为内存的总字数 16位为一个字 另外再按此数的25 考虑余量 实时控制软件设计 数据采集及数据处理 实时时钟与中断处理 控制算法可以选择这些控制算法现成的软件模块 也可自己编制 控制量输出 生产管理这部分程序用于生产的管理 或监控 数据通信 控制系统的调试与投运 离线仿真和调试 在线调试和投运 9 3计算机控制系统设计举例 9 3 1燃油加热炉IPC系统设计燃油加热炉的工艺及技术要求控制目标 对钢铁企业来说 加热炉控制的基本任务是确保炉内钢坯均匀加热 为下一道工序提供满足温度要求的加热钢坯 并且应尽可能的降低热能损耗和减少钢坯氧化损失 为达到最佳燃烧控制 必须解决三个方面的问题 1 风油比调节2 废气中的残氧量控制3 炉膛压力调节及参数补偿 2 燃油加热炉微机控制系统组成原理 图9 1燃油加热炉控制系统总体框图 下位机作为DDC控制级 由STD工业控制机来完成对高温区和中温区温度的控制 并根据上位机计算的风油比实现最佳燃烧 上位机作为监督 管理级 由微型计算机完成 除了实现现场参数的显示 记录 打印和报警等功能外 还可对风油比值进行优化计算 以提高燃烧效率和控制质量 3 上位机监测及管理系统的设计 硬件组成检测与变送仪表 DDZ III电动单元组合仪表数据采集系统 32路模拟量输入和一路模拟量输出工控机 上位机主程序框图如图9 2所示 注 上位机是用户和系统的接口 自动 手动的选择由上位机发出 相关参数也由上位机通过串口通讯送到下位机 图9 2上位机主程序菜单 4 下位控制机的设计 STD下位机控制系统结构如图9 3所示 图9 3STD控制系统结构图 图9 4燃烧控制系统原理图 燃烧控制过程可由图9 4说明 FTCFFC分别为温度控制器和流量控制器FAC为风油比模糊寻优控制器FMC为输出比例因子修正控制器 9 3 2循环流化床锅炉 circulatingfluidizedbedboiler DCS系统设计 某热电厂采用按福斯特 惠勒公司技术由东方锅炉厂生产的DG450 9 81 l型循环流化床锅炉是目前国内容量最大的CFB锅炉 整个2 450t h循环流化床锅炉 2 100MW双抽汽轮发电机组采用了新华公司的XDPS 400系统 包括数据采集 模拟量控制 顺序控制 炉膛安全保护 电气控制 厂用公用控制 热网控制等 单台机组的I O接近5000点 循环流化床锅炉 1 循环流化床锅炉控制的特点 图9 5显示了CFB锅炉对象的输入输出特性 CFB 锅炉 图9 5CFB锅炉的对象特性 图9 6是CFB锅炉的生产过程流程图 图9 6CFB锅炉的工艺流程简图 与常规煤粉锅炉比较 CFB锅炉的燃烧设备主要由给煤系统 燃烧室 分离器和返料系统组成 其燃烧过程与常规煤粉炉有很大区别 突出表现在循环和流化两方面 循环是指CFB锅炉的燃料的循环燃烧 流化是指燃烧反应过程是在流化床中进行的 因此 反应转化率高 流化床 固体颗粒 床料 流体 流化风 以及完成流态化过程的设备称为流化床 2 燃烧部分的控制系统分析 CFB锅炉燃烧部分的主要控制系统如下 风煤比和风油比控制系统 脱硫串级前馈控制系统 总风量控制系统 床温控制系统 床压控制系统 炉膛负压控制系统一 二次风量的比值控制与床温控制组成变比值控制系统 如图9 7所示 3 炉膛安全监控系统FSSS CFB锅炉安全保护系统主要用于燃料投运的正确操作顺序和联锁关系 保证锅炉稳定燃烧 油燃烧器的控制油燃烧器的顺序控制如图9 8所示 煤燃烧器启停控制 床温应控制在850 950摄氏度 4 450t h循环流化床锅炉控制系统简介 整个循环流化床锅炉的控制包括数据采集系统 模拟量控制系统 顺序控制系统 炉膛安全监控系统等 采用新华控制工程有限公司XDPS 400实现 整个系统按照单元制配置 每台机组用一套XDPS 400系统控制 两套锅炉系统采用两套XDPS 400系统 公用工程部分采用一套独立的XDPS 400系统 这三套系统通过通信系统实现数据交换和共享 每台机组的操作员站均能实现对公用工程部分的控制 每台机组XDPS系统的MMI站包括 六台OPU站 两台ENG站和一台HSU站 每台机组配置9对冗余DPU 整个系统有9088个I O点数 热网配汽站和循环水泵房采用远程控制站 锅炉和汽轮机侧还分别配置智能数据采集前端 整个系统的通信采用冗余的100Mbps快速以太网 网络结构见图9 9 图9 9CFB锅炉控制系统结构示意图 9 3 3排水泵站PLC自动化监控系统设计1 泵站工况概述 通过SIMATICS7300PLC在排水泵站自动化监控系统中的应用过程来介绍S7 300在自动控制系统中的应用 1 泵站工况概述设备情况排水泵站 下简称泵站 担负着城市排水 防涝的重要任务 服务面积240km2 总排水量为13 8m3 S 其设备主要有 进出水闸门 集水池 除污机 变压器房 水泵房 控制柜房 2 硬件系统构成 系统的结构如图9 10所示 主要的配置如下 1 PLC配置采用SIEMENS的S7 300系列 PLC总体配置如下 中央处理模块 CPU CPU314 内存RAM扩展到64KB 数字量输入模块 DI SM321 8块 16点 块 数字量输出模块 DO SM322 4块为16点 块 4块为8点 块 模拟量输入模块 AI 选用SM331 3块 8点 块 通信模块CP340 2块 1块为RS 232接口 1块为R5 485接口 图 9 10泵站自动化监控系统结构图 2 电网监控配置采用SOCOMEC公司的电量监控器 检测相电压 线电压 相电流 零线电流 有功无功功率 功率因数 频率及最大值 监控器用MODBUS协议与PLC的CP340连接 传送电网监控数据 3 软件监控实现 监控系统的软件主要有两部分 PLC监控软件和触摸屏图控软件 PLC监控软件由几大模块组成 系统检测和故障处理模块 除污机和排水泵的运行处理 数据处理和人机界面处理 1 系统检测和故障处理模块系统检测处理的信号有 泵电动机的温度和振动 进出水闸门状态 存水房液位 防火防盗安全 变压器温度 雨量 功率因数补偿柜工况 电网工况 污水池水位等 系统故障分类为三级 一级故障定义为最高级 当发生此类故障 将禁止所有控制输出 二级故障定义为次级 当发生此类故障时将禁止故障点的控制输出 三级故障定义位最低级 当发生此类故障时 仅声光预警 不中断当前操作 2 除污机和排水泵的运行处理 在泵自动运行前 先进行排污操作 采用水位差检测 则根据水位差标志实施自动排污 泵4种运行方式 手动方式 自动方式 预抽空方式 检修方式 单台泵的选择开关有4档 停止 检修 手动和自动 在系统操作上设置有3档的选择开关 停止