第7章-系统设计VIP

1,第七章轧制过程计算机控制系统设计,基本要求：了解过程计算机控制系统设计原则，掌握冷轧机计算机控制系统及热连轧过程计算机控制系统的功能及系统组成。重点与难点：冷轧机计算机控制系统及热连轧机计算机控制系统的功能及系统组成。,2,7.1典型的过程计算机控制7.2过程计算机控制系统设计的原则及步骤7.3冷轧过程计算机控制系统设计7.4热连轧过程计算机控制系统设计,7轧制过程计算机控制系统设计,3,7.1典型的计算机控制系统概述,4,5,计算机控制系统与一般PC不同之处,计算机过程控制系统不同之处在于它专门处理来自传感器的信息，并把处理结果输出到控制机构（输入输出通道）以实现对物理过程的控制；实时性,表现在对外部发生的异步事件及时地响应和处理；抗干扰能力强；配置合适的系统软件和编制控制软件。,6,7.2过程计算机控制系统设计原则及步骤,7,一、系统设计的意义及基本要求,(一)系统设计的意义提高了生产设备的利用率，具有降低能耗、运行方式最佳、获得优质产品、节约投资和运行费用等明显的特点。,8,根据系统设计所要确定的问题,其工作可大致划分为如下三个阶段：(1)在对生产过程的分析，考虑过程计算机特性的基础上，选择自动化方法。(2)划分过程计算机与下级自动化系统及操作人员的任务范围。(3)选择过程自动化系统的硬件系统结构和确定程序结构。,9,(二)系统设计的基本要求,从事系统设计人员要具备:过程计算机及其系统软件知识;测量、调节和控制理论;数学知识:正确地描述生产过程的控制规律。具有较丰富的过程计算机和过程自动化系统的实践经验：对生产过程的工艺方法及设备特点有较全面的了解。目标：选择自动化方法和系统结构、计算机功能和应用程序组织（结构），从而为过程计算机自动化系统方案的实现做出决策。,10,二、系统设计的设计过程,（1）首先要对过程控制任务的对象进行研究，尽可能深入地掌握工艺过程。（2）在确定计算机规模时，要很好地研究任务的性质，根据任务处理的需求选择机型和计算机之间的分工。（3）过程计算机要24h不间断地运行，对可靠性要求很高。（4）系列产品的处理能力彼此是协调的，即在这个过程计算机家族里是向上兼容的，往往在一定条件下也向下兼容。（5）在确定过程计算机的中央处理机的能力时，要预计到将来任务的扩充，软件开发工具的增加等因素，要给中央处理机留有足够的余量。（6）软件总体复杂程度部分地决定了过程计算机使用的灵活性。,11,三、系统性能要求及设计方法,（一)高可靠性工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，一旦控制系统出现故障，轻者影响生产，重者造成事故，产生不良后果。因此,在设计过程中要把安全可靠放在首位。措施：（1）选用高件能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。（2）其次是设计可靠的控制方案，并且有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。,12,对于故障率的解决方案：一方面应尽量减少设备的部件数量，以严格的标准来选择部件,使用部件时应从各种角度进行长时间的考验；另一方面在使用中为了提高可靠性，可以把系统中可靠性起关键作用的部件“二重化”，也称为“双轨”系统，冗余配置。,13,冗余配置的两种方案-热备份,热备份方式中，一台作为主机投入系统运行，另一台作为备份机也处于通电工作状态。当主机出现故障时，专用程序切换装置便自动地把备份机切入系统运行，承担起主机的任务。而故障排除后的原主机，则转为备份机，处于待命状态。,14,冗余配置的两种方案双工工作方式,在双工工作方式中，两台主机并行工作，同步执行同一任务,并比较两机执行结果。如果比较相同，则表明正常工作；否则，再重复执行，再校验两机结果，以排除随机故障干扰。若经几次重复执行与校对，两种结果仍然不相同，则启动故障诊断程序，将其中一台故障机切离系统，让另台主机继续执行。,15,冗余实例双重化CPU,图示为双重化CPU系统。无故障时，两个同样的CPU并行运行，执行相同的指令，只有两个CPU的执行结果相同时，才同时执行下一条指令，如果发现两个CPU执行某条指令结果不同，它就要进行下列三个动作：,(1)判断动作判断两个CPU执行结果哪个对，还是两个都错；(2)切换动作把出错的CPU系统切离，以便修理；(3)复写动作出错的CPU修复后，要把它的内存单元和寄存器的内容进行复写，以便重新投入运行。,16,通讯及主机的冗余配置,在总线上增加一台总线控制器，为总线中重要的、基础的控制器提供热备份。若主控制器停止通讯，备用控制器可继续进行控制过程，如图73所示。,17,双总线,使用双总线，可避免电缆断裂或者短线、接触不好等故障。若总线A出现故障，自动切换单元将自动切换到总线B。也可以配置成双CPU双总线的方式。,18,其它可靠性措施,设计自备操作装置；对于一般的控制回路，选用手动控制为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。,19,(二)高可利用率,计算机的使用角度来看仅仅要求可靠性高是不够的，因为即使计算机的平均故障时间间隔很长，但一旦发生故障时，如果需要很长时间才能修复，那就仍将对生产过程产生很坏的影响。所以计算机应具有尽量高的可利用率。可利用率的定义为：,20,高利用率措施,在设计时，除了要考虑提高单机的平均故障间隔时间和减少机器失效时间外，还可以采用接口的双机切换方式。这种双机切换与前面讨论所不同的是，它不但CPU切换，而且输入输出接口也切换。,21,(三)良好的响应特性,在控制过程中，当需要控制的状态发生变化时，能及时迅速地进行处理称为响应特性好。,22,(四)操作性好,操作性好表现在两个方面：一是使用方便，二是维修容易。使用方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工掌握很多计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。,23,(五)通用性好,过程控制计算机的通用灵活体现在两方面：一是硬件模板设计采用标准点线结构，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。,24,(六)经济效益高,计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比。经济效益表现在两方面：一是系统设计的性能价格比，在满足设计要求的情况下，尽量采用廉价的元器件；二是投入产出比，应该从提高产品质量与产量、易于维护、降低能耗、消除环境污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。,25,四、设计步骤,过程计算机控制系统的设计过程可以分为总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个大部分。在进行控制系统设计之前，设计人员首先应该对控制对象进入深入的调查和分析，并熟悉工艺流程及设备。根据生产中提出来的问题，确定系统所要完成的任务；根据被控对象的数量、功能、工作环境等提出切实可行的方案，并通过经济性、合理性、可扩展性的论证，在总体方案的指导下，设计或选用适当的计算机，并确定其规模。然后写出论证技术报告，提出几种控制方案进行分析比。,26,设计阶段应注意的问题,(1)根据应用目标确定系统规模(2)集成芯片的选择(3)系统的线路设计和结构设计(4)系统软件及控制软件设计(5)系统的硬件、软件分调(6)控制系统联调,27,28,7.3冷轧过程计算机控制系统设计,29,一、冷轧板带生产过程的工艺原理,一般用途冷轧薄板及带钢生产需要以下各道工序：酸洗、冷轧、退火、平整、剪切成所需要的尺寸、检查缺陷、进行分类分级以及成品包装等。,30,(一)单机可逆式冷轧过程的工艺及设备,单机架可逆式冷轧机的生产过程：钢卷通过开卷、由直头机送入轧机后，在前后卷取机上咬住带钢的头尾，进入往复轧制。轧机与卷取机之间形成张力。根据钢质、规格、辊型状态、原料质量来确定轧制道次。,31,单机可逆式冷轧生产优点,这种轧制方式特点：生产灵活，易于适应轧件的钢质、宽度、厚度、卷重的变化，可以灵活应付品种规格的更换与调整，故它适合多钢种、多规格、中小批量产品的生产，且容易满足市场的需求。,32,单机可逆式冷轧生产缺点,可逆式轧机为往返轧制，每道次都要经过加速、减速、停车、换向等过程，而速度太高过渡段时间长、增厚段增加，带材质量就下降。由于在可逆式单机架轧机上，辊型配置对各道次是相同的，故板形调整较难。加上头尾及过焊缝段加减速，其成材率也低于连轧。,33,(二)冷连轧生产工艺与设备,34,35,二、冷轧计算机控制系统设计,（一）冷轧工艺对计算机控制的要求1、计算机控制的基本任务(1)要根据工艺目标和变化的实际情况确定最佳的工艺控制参数值，即最佳化设定计算；(2)按照设定值对生产过程进行实时的控制和调节。,36,2、冷轧工艺对计算机系统的要求(1)生产过程控制的数学模型化；(2)生产过程各种操作和调节的高度自动化；(3)计算机既要按一定程序进行工艺控制，又要在操作人员监视下工作，必要时还要接受干预的指令；(4)计算机过程控制的高度实时性、精确性和可靠性，要求系统在毫秒级响应、按时序节拍无误地工作。,37,(二)单机可逆式冷轧机的计算机控制系统,1、控制系统的功能(1)道次及压下分配。(2)根据各道次的出口厚度及宽度确定轧制速度。(3)确定开卷及卷取的静张力及升速、稳速、减速段的张力设定值。(4)根据厚度、宽度、速度、张力以及钢种确定轧制压力，由轧制压力及轧机刚度、预压靠力，确定轧机的辊缝设定值。(5)轧辊的预压靠及辊缝自动找平。(6)自动厚度控制。(7)自动长度记录、自动停车及自动反向轧制。(8)厚度自动分类及质量报表打印记录。(9)测量及显示轧制过程压力、厚度、速度、辊缝及轧制进程等。,38,2、硬件组成(1)压下控制采用直流数字传动控制器，英国CT公司Mentor-控制器。(2)为了实现厚度控制，轧机的前后设有测厚仪，厚度测量精度可达0.002mm。(3)压下螺丝上和轧机前后的导向辊上均安装有光电编码器，用于检测辊缝和轧机前后速度。(4)计算机系统为两级控制。上位机为工业PC控制机，主要完成预设定及质量分类、模型自习(人机接口画面)等功能。下位机也为工业PC机，内插有A/D，DA，开关量输入和输出，以及脉冲量输入模块等。上下位机通过RS485串行通讯进行信息的交换。上位机安装在主操作台，下位机安装在计算机控制室。,39,40,模块的说明：A/D转换板：为16路12位光电隔离，用于传动侧和操作侧的轧制压力测量，轧机前后的厚度测量。D/A转换板：4路光电隔离输出，用于前后张力的给定及压下控制的输出开关量的输入模块：用于操作台及控制柜的输人信号，包括静张力投入、预压靠开始、AGC的投人等信号。还有相关的连锁信号输入。开关量的输出模块：用于向操作台及操作箱输出状态显示灯，如预压靠开始、AGC正在投入及完成信号等。脉冲量的输入模块：用于检测来自压下螺丝的光电编码器脉冲信号，确定轧机的辊缝。检测来自轧机前后导向辊上的光电编码器的脉冲信号，以确定轧机前后的速度和轧制的长度。数字量输出模块：用于操作面板上显示轧制压力、轧制速度、轧机辊缝、轧机前后带钢的厚度等。,41,3、人机接口画面人机接口画面设在上位机，用于显示厚度分配、张力设定、轧制压力、厚度、速度等工艺参数。操作员可以通过键盘，根据轧制经验及现场具体情况修改轧制规程，修改参数通过串行通讯送到下位机，由下位机完成给定的任务，即APC任务。,42,(三)冷连轧机计算机控制系统筒介,1、系统的组成与结构,根据连轧生产控制的要求，连轧机的过程控制设计成三级计算机控制系统：,43,三级控制系统的功能及分工协作关系,44,主要的功能有：(1)与生产管理计算机(MSC系统)的数据通讯。(2)钢卷数据输入与跟踪。(3)轧制道次计算，主要包括选择标准轧制规程；参数设定计设定值输出；测量值采集与处理；自适应与自学习。(4)材料跟踪。(5)带钢厚度偏差分类。(6)生产与过程记录和显示。(7)轧辊数据输入。(8)焊接程序设定。(9)人机对话终端。,45,第一级：SCC级，也称过程控制级(PCC)或称最佳化级(OR)。其基本任务是利用具有自适应、自学习功能的数学模型、完成过程控制及参数设定、控制和调节的最佳化，进行与上、下级计算机和常规自动化系统的大量数据通讯。,46,第二级：控制与调节级(RR)，即直接数字控制级(DDC)。其主要任务是根据最佳化设定值对过程进行控制、调节和数据收集。,47,1号DDC为轧机区域控制计算机，主管轧机入口到称重范围轧制过程控制。主要功能有：(1)轧制设定值输出。(2)带钢位置跟踪。(3)压下位量控制。(4)轧机速度及运行控制(5)带钢厚度自动调节(AGC)(6)测量值收集。(7)轧制线水平调整。,48,2号DDC为入口段控制计算机，主管上料开卷到1架前的过程控制。主要功能有：(1)入口段设定值输出。(2)焊缝跟踪。(3)带钢定位控制和行程控制。(4)带尾自动减速和制动。(5)活套监控。(6)焊缝监视。,49,3号DDC为板形控制机，与板形检测装置和CVC等板形调节装置构成闭环控制系统进行板形调节。主要功能有：(1)板形显示。(2)计算板形调节分量。(3)调节量的输出。,50,第三级：基础自动化级，由34台可编程序控制器组成。其作用是把大量复杂的单体控制任务分散给各个控制器，通过“母线”或“总线”系统连接彼此之间以及过程控制计算机之间进行各种信息交换。由此联合完成整个轧机的基础自动化，用以实现单机设备控制、机组联锁、顺序控制以及控制方式的切换等功能。,51,2、系统的功能,52,全连续冷轧机系统的主要功能,在众多程序中，起到协调和核心的重要作用的主要功能如下：材料跟踪轧制道次计算动态规格变换,53,（一）材料跟踪,材料跟踪：材料跟踪程序的任务是精确地感知带钢在轧机中的瞬时位置与适时地启动相应程序工作，因此这是一个协调系统工作的基本功能程序。,54,（二）轧制道次计算,道次计算的任务:根据钢卷数据选择标准轧制规程、准备模型参数和进行工艺控制参数的设定计算及自适应计算，并适时地把设定值传送到下级控制机，执行过程的控制和调节。道次计算程序:轧制规程、设定值计算、设定值输出、测量值收集、测量值处理、自适应和自学习7个模块所组成。,55,56,(1)预设定计算：对将要进入轧机的带钢进行计算，由材料跟踪程序启动，并顺序启动轧制规程、设定计算和设定值输出模块。(2)再计算：对正在轧制的带钢进行计算，由测量值处理模块周期启动，即用实测值不断对预设定值进行修正，使系统状态越来越接近实际情况，故又称之为自适应计算。执行模块有测量值处理、自适应计算、设定值计算和设定值输出。(3)自学习计算：对正在轧制的带钢进行道次计算，由自适应程序周期启动，执行自学习和设定值输出模块。(4)重新计算：对正在轧制的带钢重新进行道次计算，但只在停轧时进行。当断带分卷或操作人员需要修正规程数据时，由操作人员启动，执行轧制规程、设定值计算和设定值输出模块。,道次计算方式,57,道次计算各个模块的功能,(1)轧制规程选择，即轧制方式选择,它是对一个轧制钢卷，选择一种最佳负荷分配方案，为设定值计算提供需要的全部数据。包括：钢卷数据，轧辊数据，材料数据，自学习数据(模型系数)，轧制规程数据，焊接数据。,58,(2)设定值计算(3)测量值收集(4)测量值处理(5)设定值输出(6)自适应计算(7)自学习,59,（三）动态规格变换,动态规格变换是实现全连续轧制的关键，它是带钢还在以某种速度(约300mmin)运行时进行规格变换的轧制过程。工艺要求轧机在极短时间内平稳连续地实行两种不同轧制规程的过渡，使过渡段厚度不合格长度减到最小范围，同时在规格变换前后轧制正常。,60,(1)楔区长度LK最大不得超过最后两个机架的间距。(2)楔区位置LGK是楔区起始点到焊缝的距离，也是随着楔区的延伸而变化的。,61,三、软件设计,(一)软件设计方法流程图法模块化法层次结构法自顶向下法自底向上法这几种方法的综合。,62,(二)层次结构框图,1顺序结构2分支结构3循环结构,63,(三)程序编制,一个好的源程序应该是编写正确、运行时间短、占用内存空间少、层次分明、便于阅读和容易修改。比如乘法、除法、开平方、二一十进制转换、十到二进制转换等，可编写公共子程序库，并规定每个子程序的入口和出口，以便被调用。层次结构框图中，按层次或按模块分割成多个大小不等的子集，每个子集用一段子程序来实现。这种化整为零的子程序设计方法，便于程序调试。子程序应具备通用性、可浮动性、可重入性和可嵌套性。,64,(四)单机可逆式冷轧计算机控制系统软件设计,下位机的子程序及功能模块有：(1)模拟量输入子程序；(2)模拟量输出子程序；(3)脉冲量输入子程序；(4)开关量输入子程序；(5)开关量输出子程序；(6)数字量输出子程序；(7)串行通讯子程序；(8)预压靠功能模块；(9)AGC功能模块；(10)自动停车及长度计算功能模块；(11)辊缝清零及初始化功能模块。,65,上位机功能模块有：(1)设定功能模块；(2)模型自学习功能模块；(3)参数修改功能模块；(4)画面显示功能模块；(5)串行通讯功能模块；(6)质量分类功能模块；(7)报表打印功能模块等：,66,67,四、系统调试,系统调试包括：硬件调试软件调试模拟调试现场投运,68,(一)硬件调试,按照说明书检查主机的性能，检查CPU的定时功能，打印接口功能和中断功能等，检查内存读写功能；,69,(二)软件调试,软件调试的顺序是子程序，功能模块和主程序。有些程序的调试比较简单，结合硬件调试过程就可以完成。,70,(三)模拟调试,所谓模拟调试，就是在实验室模拟被控对象和现场条件，由计算机对模拟对象进行控制，检查控制性能是否符合要求，对计算机的硬件和软件进行全面系统的检查，并进行长时间运行试验和特殊运行条件(如振动、抗干扰等)的考验。,71,（四)现场投运,在上述调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，在现场投运中，设计人员与用户要密切配合，在投运前制定一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场投运过程是从小到大，从易到难，从手动致自动，从简单回路到复杂回路逐步过渡。,72,7.4热连轧过程计算机控制系统设计,73,一、热连轧过程工艺与设备,74,（一）加热区的控制对象,板坯确认B辊道自动位置控制APC推钢机、出钢机行程控制加热炉入口跟踪、加热炉炉内跟踪和加热炉出口跟踪计算机利用有限差分法在线模拟板坯在加热炉内的加热过程轧制节奏(MillPacing)控制,75,（二）粗轧区的控制对象,（1）粗轧机组各设备的基本设定项目R1、R3和R4轧机的压下位置；R2轧机的轧制道次及其各道次的压下位置；大立辊(VSB)和小立辊(E3，E4)的开口度度以及E2小立辊机架奇数次的开口度；VSB、R1、R4的入口侧导板的位置以及R2轧机前后侧导板的位置；R1轧机咬钢和抛钢的速度，R2和R3轧机的轧制速度，R2轧机的轧制时间和反转时间的设定；R2轧机前后侧以及R3和R4轧机入口侧高压水除鳞喷嘴的设粗轧机组出口侧测宽仪和测温仪的整定以及其他等。,76,(2)带坯宽度的控制根据在精轧机组出口侧实测所得到的成品带钢的宽度，将它反馈到粗轧机组E3和E4进行再设定，对带坯进行宽度控制。,77,