计算机过程控制现状PPT课件

1 第七章计算机过程控制现状 2 7 1生产过程计算机控制的意义 7 2计算机控制系统的基本组成 7 3计算机控制系统的不同类型 7 4计算机控制系统的基本要求 3 一 生产过程计算机控制的意义 提高自动化系统的可靠性 1 1 1或1 N冗余的系统结构 即使系统部分失效时 仍能维护正常运行 2 工业控制计算机内部可带电插拔模板技术 使检修更换方便省时 3 利用软件实现对系统进行自诊断 自检测 故障告警等功能 7 1生产过程计算机控制介绍 4 一 生产过程计算机控制的意义 提高自动化系统的可靠性实现软件化 智能化 1 用软件功能替代部分硬件采用数字滤波 线性化处理 零点调整 温度补偿 逻辑控制取代继电器接触器控制电路 2 由常规控制算法向智能算法发展经典控制理论 PID 串级 前馈 预估等算法 近代控制理论 状态反馈 自适应 最优化等算法 基于智能控制 专家系统 模糊控制 神经网络等算法 5 一 生产过程计算机控制的意义 提高自动化系统的可靠性实现软件化 智能化减少投资 提高经济效益促使管理与控制紧密结合 6 二 计算机控制系统的特点 与模拟仪表系统相比 1 运算精度高 2 控制性能好 3 操作界面友好 4 管控一体化 5 可靠性高 7 三 我国生产过程计算机控制的发展70年代以前 低参数 中小机组 1 将热工过程分解为简单过程 2 控制规律简单 3 采用以晶体管为核心器件的电动组合式仪表80年代以后 高参数 大机组 1 热力参数复杂 2 单机容量大 辅机及辅助设备多 复杂 3 生产工况变化大 操作频繁且复杂 8 四 发电厂生产过程计算机系统的基本功能 1 数据处理 巡回检测 报警 显示等2 正常调节 对主辅设备进行自动控制 3 管理计算 过程计算 指标计算 预测分析4 事故处理 监视跟踪生产过程5 机组启停 9 7 2计算机控制系统的基本组成 7 2 1硬件部分 10 11 7 2计算机控制系统的基本组成7 2 1硬件部分 1 被控对象 所要控制的装置 设备 生产过程 一般 将被控对象分解为控制通道 扰动通道 12 被控对象的描述 数学模型 传递函数 被控对象的传递函数有 放大环节惯性环节积分环节纯滞后环节例如 喷水过热器出口温度对减温水调节阀开度的传递函数为 13 被控对象按输入输出个数分类 1 单输入单输出对象 2 多输入单输出对象 3 多输入多输出对象分类 例如 锅炉汽轮机系统可简化为二输入二输出系统 14 2 主机 计算机控制系统的核心 15 3 操作站 操作人员与系统之间实现信息交换的设备 人机联系设备 人机接口设备 构成 CRT显示装置 触摸屏 数码显示器 通用或 和 专用键盘 鼠标或轨迹球 指示灯 声讯器 以及专用的操作显示面板 分类 1 系统员站 软件编制 系统组态 2 工程师站 系统组态修改 系统调试 设置参数 系统监督 3 操作员站 运行操作 作用 1 显示系统运行的有关操作以及操作结果 2 监视生产过程状态 3 报警 16 4 其它外部设备输入设备 鼠标 触摸屏 键盘等输出设备 打印机 记录仪 显示器等外存储器 软盘 硬盘 光盘等 主机 系统总线 接口 接口 接口 打印机 绘图仪 外存储器 其他外部设备 17 5 系统总线与接口 总线 主机与系统其它设备进行信息交换的某种统一数据格式的公共通路 是一组信号线的集合 接口 外部设备 过程通道 操作员站等与系统总线之间的挂接部件 用来进行数据格式或电平的转换 信息的传输或缓冲 18 6 过程通道 计算机和生产过程之间信息传递和变换的桥梁和纽带 19 常用传感器 传感器选用原则看书P141 电涡流传感器速度传感器片加速度传感器 振动传感器 20 膨胀式温度计 根据物体热膨胀与温度间相互关系的物理现象测量温度液体膨胀式玻璃水银温度计 气体膨胀式压力温度计等电阻温度计 导体或半导体的电阻随温度变化 将电阻值作为测温信号测量温度铂电阻温度计 铑铁电阻温度计测量范围为 200 650 热电偶温度计 物体的热电效应测量温度铁 康铜热电偶 铂铑一铂热电偶测量范围300 1600 红外测温 物体辐射强度随温度变化测量温度测量范围可以摄氏负几十度直至千度以上 21 电涡流传感器 通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动或位移非接触式测量应用 位移 振动 偏心等测量 电涡流传感器原理图 22 速度传感器 以振动体的振动速度为测量目标接触式测量应用 轴承座 机壳的振动测量 速度传感器力学模型 23 加速度传感器 以振动体的振动速度为测量目标接触式测量应用 高速旋转的轴承座 机壳的振动测量 1 壳体2 弹簧3 质量块4 压电晶片压电式加速度传感器 24 执行机构 电动 液动 气动 模拟量输出通道 将计算机的输出经D A转换为模拟量开关量输出通道 计算机逻辑信号的输出通道数字量输出通道 计算机数字信号的输出通道 25 7 通讯设备 实现不同的功能 不同地理位置的计算机 或有关设备 之间进行信息交换的设备 计算机通讯网络 网络适配器 通讯接口 通讯媒体 26 2 2软件部分 计算机控制系统中所有程序的统称 1 系统软件 计算机操作运行的基本条件之一实时多任务操作系统 数据库管理系统 网络管理系统 引导程序 调度执行程序 监控程序 2 支持软件 计算机操作程序编制语言 汇编语言 高级语言 面向过程语言 编译程序 编辑程序 调试程序 诊断程序 3 应用软件 根据用户所要解决的生产和管理实际问题而编制的具有一定针对性的计算机程序过程输入程序 数据处理程序 过程控制程序 过程输出程序 人机接口程序 显示程序 报警程序 打印程序 自检程序 公用子程序 27 7 3不同类型的计算机控制系统 28 7 3 1数据采集与处理系统 DataAcquisitionSystem简称DAS 数据采集 将温度 压力 流量 位移以及角度等模拟量转换为数字信号 收集到计算机并进一步予以显示 处理 传输与记录的过程数据采集系统 29 接口 接口 接口 计 算 机 显示 打印 报警 数据采集与处理系统 参数 参数 参数 30 数据采集与处理系统的基本功能 1 数据采集 2 输入信号预处理 3 报警 4 开关量处理 5 事故顺序记录 6 CRT显示 31 模拟信号的采样方式 定频率采样 又称等时间采样 具有固定的采样时间间隔 不随采样对象的运动频率发生改变 整周期采样 又称等空间采样 在信号的周期内具有固定的采样点数 采样频率是对象运动频率的整数倍 32 信号预处理的基本功能 放大功能隔离功能多路复用功能滤波功能激励功能线性化功能其他特殊功能 33 7 3 2操作指导控制系统 OperationCuideControlSystem简称OCCS 34 OCCS与DAS的区别 1 提供操作指导 2 在人的干预下形成闭环控制 35 7 3 3直接数字控制系统 DirectDigitalControl简称DDC 36 直接数字控制系统的特点 1 闭环控制系统 2 数字控制器取代模拟控制器 3 在线实时控制 4 系统风险性大 37 7 3 4监督控制系统 SupervisoryComputerControl简称SCC 38 监督控制系统的特点 1 两级控制 DDC SCC 决策分析 管理 2 监督控制计算机主要完成最优工况及设定值的计算 不直接控制生产过程 39 7 3 5多功能分级控制系统 HierarchicalControlSystem简称HCS 40 7 3 6集中型计算机控制系统 在一台计算机上实现数据采集 处理 存储 过程监督和控制 报警 故障监测 过程控制 生产调度等功能 41 集中型计算机控制系统的特点 1 功能齐全 管理集中 2 风险大 42 7 3 8分散型计算机控制系统 1 系统的名称 分散控制系统 DistributedControlSystem简称DCS 集散控制系统 TotalDistributedControlSystem简称TDCS或TDC 分布式计算机控制系统 DistributedComputerControlSystem简称DCCS 2 分散控制系统的含义 1 地理分散 强调相应地系统控制设备也分散配置 即采用多台计算机分别承担不同的控制任务 2 功能分散 即数据采集 过程控制 运行显示 监控操作等按功能进行分散 配置和功能的分散意味整个系统的危险性分散 在此分散的基础上 将运行的操作与显示集中管理 所以又称之为集散控制系统 43 3 分散型计算机控制系统特点 资源分散 控制分散 功能分散 负荷分散 危险分散 监视集中 操作集中 综合管理集中 具有高度的局部资源自治能力 资源间的相互配合能力和资源的整体协调与控制能力 44 4 分散控制系统的产生与发展 常规模拟仪表制系统局限性 1 难以实现多变量相关对象的控制 2 难以实现复杂的高级控制算法和参数的集中显示操作 3 生产工艺过程的复杂和规模的扩增加仪表 相应的模拟仪表也要增大 计算机集中DDC控制局限性 危险集中 降低系统安全性能 DCS产生 始于1975年 在常规组合模拟仪表与计算机集中DDC基础上发展形成的一种模拟数字混合系统 45 4 分散控制系统的产生与发展 1 第一代DCS Honeywell公司的TDC2000 分散控制 集中管理的过程控制 操作管理和数据通信2 第二代DCS TDC3000 混合控制 常规控制 逻辑控制 批量控制的结合 管理范围扩大 通信方式为总线式和环式 支持局域网协议 3 第三代DCS FOXBORO公司I ASeries 在局域网技术上实现10Mbps的宽带网和5Mbps的载带网 增加了自适应和自整定等控制算法 4 第四代DCS Foxbom公司的A2 集成化 信息化 体系结构更完整 DCS的功能包括 过程控制 FCS 多回路调节 智能采集和控制单元 组态软件 I O组件 PLC单元 46 分散控制系统的特点 1 开放性采用通用产品 工业计算机 工作站 网络通讯规约 2 分散化和智能化体系结构进一步分散 直接数字控制深入每个控制回路 现场设备和工作点3 综合自动化DCS系统功能丰富 能够实现企业信息集成的要求5 标准化注重标准的使用 无论是操作系统 还是计算机硬件 以及网络通讯接口 趋于更通用 更一致6 可靠性进行可靠性设计 采用容错技术 硬件包括操作站 控制站 通信链路都采用双重化 软件采用程序分段与模块化设计 积木式结构等 47 5 分散控制系统的基本结构 三点一线 传感器 现场控制单元 工作站 48 6 典型分散控制系统实例 INFI 90 过程决策管理系统 StrategicProcessManagementSystem 1 过程控制单元PCU ProcessControlUnit 2 过程控制观察站PCV ProcessControlView 3 操作员接口站OIS OperatorInterfaceStation 4 工程师工作站EWS EngineeringWorkStation 5 计算机接口单元CIU ComputerInterfaceUnit 6 通讯网络 主要设备包括 49 7 3 9现场总线控制系统 FieldbusControlSystem简称FCS DCS缺点 1 设备与设备之间 系统与系统之间 系统与外界之间无法进行信息交流 在一定程度上成为 信息孤岛 2 同时 DCS标准制定也相对落后 DCS厂家提供的系统大多是非标准的和封闭的现场总线 安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式 双向串行传输 多点通信的数据总线现场总线控制系统 将单个分散的智能设备 以现场总线为纽带 并按现场总线相互进行数据传送和信息交换的全分布式网络集协议 把他们之间以及与自动控制系统装置之间连接成可以成控制系统 50 变送器含有输入处理功能 调节阀含有控制算法功能和输出处理功能 DCS 工作站 现场控制单元 检测仪表 FCS 工作站 现场总线智能仪表 51 FCS的优点 1 全数字通讯 提高传输精度和稳定性 2 现场设备智能化 及时诊断设备状态 3 节省投资 安装 维护费用 4 系统结构高度分散 提高可靠性 5 具有高度的系统集成主动权 方便集成控制和管理功能 52 FCS与DCS的关系 1 FCS可以实现DCS的所有功能FCS比DCS更分散 更智能化2 FCS更易实现管 控一体化的全厂信息化系统FCS可以获得更多设备运行信息3 FCS比DCS更安全DCS需设置总线冗余 FCS采用自治性很强的区域隔离网络 5