计算机控制技术 第13章 计算机控制系统的设计与应用

1、2021-5-251 第第13章章 计算机控制系统的设计与应用计算机控制系统的设计与应用 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-252 控制系统实例控制系统实例 集散控制系统集散控制系统 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-253 控制系统实例控制系统实例 集散控制系统集散控制系统 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-254 控制系统实例控制系统实例 现场总线控制系统现场总线控制系统 局域网 nt 服务器 internet 监控工作站 其它工作站 现场总线接口 差压变送器 调节阀 差压变送器 差压变送器温度变送器 企业管理层 （数据网络

2、） 过程监控层 （数据网络） 现场控制层 （控制网络） 现场总线网段 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-255 过程控制中的过程控制中的hse/h1hse/h1应用系统应用系统 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-256 profinet 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-257 汽车内部网络汽车内部网络 （sae-j1939） 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-258 多网段的车辆内部网络系统多网段的车辆内部网络系统 监视屏 （驾驶室） 终端器 发动机 变速器 网桥 终端器终端器 终端器终端器 终端器 刹车

3、系统 减速器 路由器 网桥 刹车 照明 车轴/ 悬梁 终端器 终端器 至下一拖车 250kbps 拖车子网 250kbps 专用子网 牵引车子网250kbps 250kbps 牵引车 拖车 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-259 第三代第三代lonworkslonworks技术应用系统技术应用系统 （智能楼宇、连锁店）（智能楼宇、连锁店） 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2510 lonworks/ethernet 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2511 交通系统中凌华科技的交通系统中凌华科技的 数据语音混合通信应用系统

4、数据语音混合通信应用系统 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2512 主要内容主要内容 13.1 概述概述 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2513 13.1 概述概述 设计或组建计算机控制系统是一项复杂的工设计或组建计算机控制系统是一项复杂的工 作，它既是一个作，它既是一个理论问题理论问题，又是一个，又是一个工程问题工程问题， 涉及自动控制理论、计算机技术、检测技术及仪涉及自动控制理论、计算机技术、检测技术及仪 表、通信技术

5、、电气工程、工艺设备乃至控制室表、通信技术、电气工程、工艺设备乃至控制室 的规划与装修等。的规划与装修等。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2514 13.1 概述概述 理论设计：理论设计： 建立被控对象的数学模型，确定控制系统的性能指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标函数，寻求满足该性能指标函数的控制策略并整定参 数；数； 选择适当的软件平台及语言进行软硬件设计，并对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；硬件提出具体要求； 提出整个计算机控制系统的技术经济指标；提出整个计算机控制系

6、统的技术经济指标； 进行系统的体系结构、相应的计算机网络和数据通进行系统的体系结构、相应的计算机网络和数据通 信设计；信设计； 建立相关数据库等等。建立相关数据库等等。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2515 13.1 概述概述 工程设计：工程设计： 熟悉被控生产过程；熟悉被控生产过程； 掌握其工艺要求；掌握其工艺要求； 计算机控制系统的实施；计算机控制系统的实施； 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2516 13.1 概述概述 设计过程：设计过程： 1、总体方案的设计；、总体方案的设计； 2、工作计划的制订实施；、工作计划的制订实施； 3、计算

7、机及仪表的选型、订货、验收；、计算机及仪表的选型、订货、验收； 4、各方面人员的安排、调配；、各方面人员的安排、调配； 5、控制系统的研究、开发、集成、安装、调试；、控制系统的研究、开发、集成、安装、调试； 6、工程的验收和投入使用。、工程的验收和投入使用。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2517 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 1、安全可靠、安全可靠 对工业控制计算机系统最基本的要求是可靠性高。对工业控制计算机系统最基本的要求是可靠性高。 原因一：原因一：如果计算机出现故障，控制系统将会瘫痪，轻如果计算机出现

8、故障，控制系统将会瘫痪，轻 则影响生产，造成产品质量不合格，重则会造成人员和则影响生产，造成产品质量不合格，重则会造成人员和 设备的事故。设备的事故。原因二：原因二：过程控制的对象往往是连续工艺过程控制的对象往往是连续工艺 流程的一部分，一个系统的事故往往会引起前、后工序流程的一部分，一个系统的事故往往会引起前、后工序 的连锁反应，最后导致整个生产线的失调。的连锁反应，最后导致整个生产线的失调。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2518 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 1、安全可靠、安全可靠措施（如计算机）措施（

9、如计算机） 对工控机的整机机械、防振动、耐冲击、防尘、抗对工控机的整机机械、防振动、耐冲击、防尘、抗 高温、抗电磁干扰和电流干扰等方面进行特殊处理，保高温、抗电磁干扰和电流干扰等方面进行特殊处理，保 证系统在恶劣的工业环境下能正常运行。证系统在恶劣的工业环境下能正常运行。 在设计控制方案时考虑各种安全保护措施，使系统在设计控制方案时考虑各种安全保护措施，使系统 具有诸如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全具有诸如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全 联锁、不间断电源等功能。联锁、不间断电源等功能。 为预防计算机出故障，后备装置的设置也是必需的。为预防计算机出故障，后备装置的设置也是必需

10、的。 采用计算机作为后备装置的计算机控制系统称为双机系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，一般的工作方式有：备份工作方式；双工工作方式；统，一般的工作方式有：备份工作方式；双工工作方式； 主从工作方式。主从工作方式。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2519 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 2、操作、维护与维修方便、操作、维护与维修方便 操作方便主要体现在要求系统便于掌握、操作简单，操作方便主要体现在要求系统便于掌握、操作简单， 而且显示画面直观形象。由于系统投运后将由操作工进而且显示画面直观形

11、象。由于系统投运后将由操作工进 行日常操作与维护，所以在考虑操作的先进性同时，还行日常操作与维护，所以在考虑操作的先进性同时，还 应兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工容易掌握，而应兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工容易掌握，而 并不强求他们掌握计算机知识。并不强求他们掌握计算机知识。 维修方便要从维修方便要从软件软件与与硬件硬件两个方面考虑，目的是易两个方面考虑，目的是易 于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模板于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模板 式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安 装工作状态指示灯和监测点，便

12、于检修人员检查与维修。装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修。 在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必 要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时能保证系统要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时能保证系统 的安全。的安全。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2520 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 3、实时性强、实时性强 实时性是工业控制系统最主要的特点之一，它要对实时性是工业控制系统最主要的特点之一，它要对 内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时

13、限内作内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内作 出相应的处理。出相应的处理。 系统处理的事件主要有两大类：系统处理的事件主要有两大类： 定时事件定时事件 随机事件随机事件 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2521 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 4、通用性好、通用性好 计算机控制系统的研制与开发需要一定的投资和周计算机控制系统的研制与开发需要一定的投资和周 期。尽管控制的对象千变万化，但在控制功能上都存在期。尽管控制的对象千变万化，但在控制功能上都存在 共性，如输入输出信号都为共性，如输入输出信号都为dc

14、4-20ma，控制算法常用，控制算法常用 pid等，因此，在设计开发过程计算机控制系统时就应等，因此，在设计开发过程计算机控制系统时就应 尽量考虑能适应这些共性，采用积木式的模块化结构。尽量考虑能适应这些共性，采用积木式的模块化结构。 在此基础上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控在此基础上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控 制要求，灵活地构成系统。制要求，灵活地构成系统。 目的一：便于以后的扩充和改造目的一：便于以后的扩充和改造 目的二：便于系统在应用中的推广目的二：便于系统在应用中的推广 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2522 13.2 计算机控制系统设计原

15、则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 4、通用性好、通用性好措施措施 硬件方面硬件方面宜采用标准总线结构宜采用标准总线结构，配置各种通用的接，配置各种通用的接 口通道板，并留有一定的冗余，在需要扩充时只需增加口通道板，并留有一定的冗余，在需要扩充时只需增加 相应功能的通道或模板就能实现。相应功能的通道或模板就能实现。 软件方面应软件方面应采用具有易操作性和通用性组态软件采用具有易操作性和通用性组态软件。 它能组成从简单到复杂、从常规控制到优化控制、从顺它能组成从简单到复杂、从常规控制到优化控制、从顺 序控制到回路控制、从数据采集到过程优化等不同层次序控制到回路控制、从数据

16、采集到过程优化等不同层次 的控制系统，能适应不同生产过程的控制要求，它不仅的控制系统，能适应不同生产过程的控制要求，它不仅 提供用户生产监视、操作和控制的舞台，而且为更高层提供用户生产监视、操作和控制的舞台，而且为更高层 次的优化控制和管控一体化提供可操作性。次的优化控制和管控一体化提供可操作性。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2523 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计原则：设计原则： 5、经济效益高、经济效益高 计算机控制系统除了满足生产工艺所必需的技术质计算机控制系统除了满足生产工艺所必需的技术质 量要求以外，也应该带来良好

17、的经济效益。量要求以外，也应该带来良好的经济效益。 体现一体现一：系统的性能价格比要尽可能的高，而投入：系统的性能价格比要尽可能的高，而投入 产出比要尽可能的低，回收周期要尽可能地短。产出比要尽可能的低，回收周期要尽可能地短。 体现二体现二：要从提高产品质量与产量、降低能耗、减：要从提高产品质量与产量、降低能耗、减 少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综 合评估，有可能是一个多目标优化问题。合评估，有可能是一个多目标优化问题。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2524 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机

18、控制系统设计原则和步骤 设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 1、计算机控制系统的总体方案设计、计算机控制系统的总体方案设计 总体设计方案中要确定整个控制系统的结构和类型。总体设计方案中要确定整个控制系统的结构和类型。 比如系统是开环还是闭环控制；是单回路还是多回路控比如系统是开环还是闭环控制；是单回路还是多回路控 制；采用制；采用ddc、scc，还是，还是dcs、plc、fcs，或者是，或者是 企业综合自动化企业综合自动化cims全部层次或其中部分层次等。全部层次或其中部分层次等。 硬件总体方案设计硬件总体方案设计：系统的构成方式；现场设备及：系统的构成方式；现场

19、设备及 自动化仪表的选择；人自动化仪表的选择；人-机联系方式；系统的机柜或机箱机联系方式；系统的机柜或机箱 结构设计；抗干扰措施。结构设计；抗干扰措施。 软件总体方案设计软件总体方案设计：确定软件平台、软件结构、任：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务分解，建立系统的数学模型、控制策略和算法的实现 等。等。 尽量采用画方块图的设计方式尽量采用画方块图的设计方式 注意结构化、模块化、通用化注意结构化、模块化、通用化 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2525 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计与

20、实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 2、硬件的工程设计与实现、硬件的工程设计与实现 （尽量采用总线式的工业控制系统）尽量采用总线式的工业控制系统） #系统总线的选择系统总线的选择 #主机机型的选择主机机型的选择 #i/o接口的设计与选择接口的设计与选择 #现场设备的设计与选择现场设备的设计与选择 （变送器、执行机构、其他现场设备）（变送器、执行机构、其他现场设备） 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2526 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 3、软件

21、的工程设计与实现、软件的工程设计与实现 #程序结构规划程序结构规划 #资源分配资源分配 #实时控制软件设计实时控制软件设计 （数据采集及数据处理、实时时钟与中断（数据采集及数据处理、实时时钟与中断 处理、控制算法、控制量输出、生产管理、数据处理、控制算法、控制量输出、生产管理、数据 通信）通信） 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2527 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤 设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 4、控制系统的调试与投运、控制系统的调试与投运 #离线仿真和调试离线仿真和调试 硬件调试：检查功能模板

22、的主要功能和逻辑关系；硬件调试：检查功能模板的主要功能和逻辑关系； 对现场设备进行校验；调试数据通信功能对现场设备进行校验；调试数据通信功能 。 软件调试：对各个子程序、功能模块、主程序分别软件调试：对各个子程序、功能模块、主程序分别 进行调试以及整体程序的联合调试。进行调试以及整体程序的联合调试。 #在线调试和投运在线调试和投运 现场的调试与投运过程应遵循从小及大、从易到难、现场的调试与投运过程应遵循从小及大、从易到难、 从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环、 逐步过渡的原则，稳妥地实现计算机控制。逐步过渡的原则，稳妥地实现计算机

23、控制。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2528 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 燃油加热炉燃油加热炉ipc控制系统设计控制系统设计 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2529 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 1、燃油加热炉的工艺及技术要求、燃油加热炉的工艺及技术要求 燃油加热炉属于一种典型的工业窑炉。它一般通过燃油加热炉属于一种典型的工业窑炉。它一般通过 燃烧油渣来获取热量，以便对工业生产中的原料和工燃烧油渣来获取热量，以便对工业生产中的原料和工 件进行加热或熔炼。炉内各区的温度可通过控制各点件进行

24、加热或熔炼。炉内各区的温度可通过控制各点 喷油嘴和空气的流量来控制。喷油嘴和空气的流量来控制。 为达到最佳燃烧控制，必须解决好以下四个方面的为达到最佳燃烧控制，必须解决好以下四个方面的 问题。问题。 （1）风油比调节）风油比调节 （2）废气中的残氧量控制）废气中的残氧量控制 （3）炉膛压力调节（防止冷空气侵入和火焰外喷，）炉膛压力调节（防止冷空气侵入和火焰外喷， 炉膛压力要保持微正压）炉膛压力要保持微正压） （4）参数补偿（对燃料、空气的温度以及燃料的热）参数补偿（对燃料、空气的温度以及燃料的热 值等进行修正）值等进行修正） 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2530 1

25、3.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 2、燃油加热炉微机控制系统组成原理、燃油加热炉微机控制系统组成原理 从经济、可靠、满足工艺要求和技术要求的角度出从经济、可靠、满足工艺要求和技术要求的角度出 发，本设计采用了两级计算机控制方案。发，本设计采用了两级计算机控制方案。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2531 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 2、燃油加热炉微机控制系统组成原理、燃油加热炉微机控制系统组成原理 下位机作为控制级，由下位机作为控制级，由std工业控制机来完成对高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

26、计算的风油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。它通过上位机的给定值和实测温度比实现最佳燃烧。它通过上位机的给定值和实测温度 值，按照模糊控制算法计算出控制量后，经值，按照模糊控制算法计算出控制量后，经d/a转换，转换， 送入执行机构来调节燃油和空气阀门的开度。送入执行机构来调节燃油和空气阀门的开度。 上位机作为监督、管理级，由微型计算机完成。除上位机作为监督、管理级，由微型计算机完成。除 了实现现场参数的显示、记录、打印和报警功能外，了实现现场参数的显示、记录、打印和报警功能外， 还可对风油比值进行优化计算，以提高燃烧效率和控还可对风油比值进行优化计算，以提高燃烧效

27、率和控 制质量。上位机通过异步串行通信的方式，向下位机制质量。上位机通过异步串行通信的方式，向下位机 发出各种控制指令，如温度给定值、手动和自动切换发出各种控制指令，如温度给定值、手动和自动切换 等。等。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2532 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 3、上位机监测及管理系统的设计、上位机监测及管理系统的设计 作为监测管理的上位机，要对现场参数进行检测，作为监测管理的上位机，要对现场参数进行检测， 必要时进行控制。测量变送部分是上位机和下位机所共必要时进行控制。测量变送部分是上位机和下位机所共 有的，这里采用了有的，这

28、里采用了ddz-iii型电动单元组合仪表进行测量型电动单元组合仪表进行测量 和变送。和变送。 （1）温度检测：温度检测：高中低三个温区（高中低三个温区（700-1300度），度）， 均采用铂铑均采用铂铑-铂热电偶。排烟温度用镍铬铂热电偶。排烟温度用镍铬-镍硅热电偶检镍硅热电偶检 测。燃油总管温度、助燃风总管温度采用铂电阻（测。燃油总管温度、助燃风总管温度采用铂电阻（-200- +500度）。度）。 （2）流量检测：流量检测：燃油流量检测主要包括高、中温区燃油流量检测主要包括高、中温区 重油流量。采用电容式差压流量计。高、中温区助燃风重油流量。采用电容式差压流量计。高、中温区助燃风 流量采用环室

29、喷嘴作为测量元件，用差压变送器测量喷流量采用环室喷嘴作为测量元件，用差压变送器测量喷 嘴前后的压差，从而计算得到实际流量。嘴前后的压差，从而计算得到实际流量。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2533 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 3、上位机监测及管理系统的设计、上位机监测及管理系统的设计 （3）压力检测：压力检测：燃油总管压力采用压力变送器检燃油总管压力采用压力变送器检 测，测量范围为测，测量范围为0-0.392mpa。 （4）烟气含氧量检测：烟气含氧量检测：烟气含氧量的测量采用炉壁烟气含氧量的测量采用炉壁 采样式氧化锆分析仪，测量范围有两档

30、：采样式氧化锆分析仪，测量范围有两档：0-10%氧气含氧气含 量，量，10%-20%氧气含量。氧气含量。 除了上述的检测以外，为保证系统可靠运行，还采除了上述的检测以外，为保证系统可靠运行，还采 用了用了ddz-iii型单元组合仪表中的电动手操作为自动控型单元组合仪表中的电动手操作为自动控 制的后备。电动执行机构用于调节空气蝶阀和燃油单制的后备。电动执行机构用于调节空气蝶阀和燃油单 座直通阀的开度。座直通阀的开度。 数据采集系统配备了一块快速数据采集接口板。该数据采集系统配备了一块快速数据采集接口板。该 接口板有接口板有32路模拟输入和路模拟输入和1路模拟输出。压力、差压变路模拟输出。压力、差

31、压变 送器的输出为送器的输出为4-20ma直流电流，为了与数据采集板相直流电流，为了与数据采集板相 连，需要通过配电器变换成连，需要通过配电器变换成1-5v直流电压信号。直流电压信号。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2534 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 3、上位机监测及管理系统的设计、上位机监测及管理系统的设计 上位机主程序框图上位机主程序框图 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2535 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 4、下位控制机的设计、下位控制机的设计 下位机在整个系统中起着直接控制作用，

32、所以应选下位机在整个系统中起着直接控制作用，所以应选 用高度可靠的计算机。用高度可靠的计算机。std总线计算机是一种适合工总线计算机是一种适合工 业现场的控制计算机，而且接口模板种类齐全。业现场的控制计算机，而且接口模板种类齐全。 下图为下图为std控制系统结构图控制系统结构图 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2536 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 4、下位控制机的设计、下位控制机的设计 图中图中ftc为温度控制器，它根据温度信号的反馈计算出油量和为温度控制器，它根据温度信号的反馈计算出油量和 风量的稳定值。风量的稳定值。ffcf和和ffca分

33、别为燃料流量和空气流量调节器，它分别为燃料流量和空气流量调节器，它 根据燃油和空气流量反馈信号调节燃料和空气的流量，使之保持恒根据燃油和空气流量反馈信号调节燃料和空气的流量，使之保持恒 定。定。fmc为输出比例因子修正控制器，它通过判断负荷变化信号，为输出比例因子修正控制器，它通过判断负荷变化信号， 修正输出比例因子，保持恒定的风油比。修正输出比例因子，保持恒定的风油比。fac为风油比模糊寻优控为风油比模糊寻优控 制器，它不断发出探测信号，通过对含氧量的测量，计算最低损耗，制器，它不断发出探测信号，通过对含氧量的测量，计算最低损耗， 搜索最佳风油比。搜索最佳风油比。 燃烧控制原理图燃烧控制原理

34、图 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2537 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 排水泵站排水泵站plc自动化监控系统设计自动化监控系统设计 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2538 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 1、泵站工况概述、泵站工况概述 （1）设备情况：）设备情况： 排水泵站作为市政建设排水泵站作为市政建设 和管理工程的主要设施，担和管理工程的主要设施，担 负着城市排水防涝的重要任负着城市排水防涝的重要任 务。该泵站主要用于附近地务。该泵站主要用于附近地 区的污水排放处理和防汛抗区的污水排放处

35、理和防汛抗 涝。服务面积涝。服务面积240km2，总，总 排水量为排水量为13.8m3/s。其主要。其主要 设备：进出水闸门；集水池；设备：进出水闸门；集水池； 钢丝绳牵引式格栅除污机钢丝绳牵引式格栅除污机2 台；台；800kva电力变压器两电力变压器两 座；座；6台台180kw的轴流水泵。的轴流水泵。 进线柜两台，功率因素补偿进线柜两台，功率因素补偿 柜柜4台，泵开关柜和联接柜台，泵开关柜和联接柜1 台。台。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2539 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 1、泵站工况概述、泵站工况概述 （2）控制要求：）控制要求：（

36、以泵站为设施对象，进行整个泵站的自动化监控和管（以泵站为设施对象，进行整个泵站的自动化监控和管 理的改造）理的改造） #改造泵站的水泵控制开关柜，使之具有就地和远程控制的功能；改造泵站的水泵控制开关柜，使之具有就地和远程控制的功能； #改造泵站的功率因素补偿柜，能实现就地自动补偿和远程电网监控；改造泵站的功率因素补偿柜，能实现就地自动补偿和远程电网监控； #改造泵站的变压器房对于变压器改造泵站的变压器房对于变压器a、b、c三相温度进行远程显示、三相温度进行远程显示、 高温报警等功能；高温报警等功能； #建立泵站的控制室，对泵站实施三级控制，在控制室内设置自动化监建立泵站的控制室，对泵站实施三级

37、控制，在控制室内设置自动化监 控操作台和信号处理柜；控操作台和信号处理柜； #采用采用siemens的的s7-300系列系列plc，对整个泵站实现自动化监控，水，对整个泵站实现自动化监控，水 泵将根据泵的状态、水位、雨量、电网状况、闸门位置等工况自动投泵将根据泵的状态、水位、雨量、电网状况、闸门位置等工况自动投 运切换；运切换； #通过对水位差的检测，提示或自动投切除污机；通过对水位差的检测，提示或自动投切除污机； #采用高性能的采用高性能的lcd触摸式显示屏，对整个泵站进行动态监控管理、故触摸式显示屏，对整个泵站进行动态监控管理、故 障报警、工况记录和报警打印；障报警、工况记录和报警打印；

38、#预留通信接口，可通过电话线路或预留通信接口，可通过电话线路或ddn网联网进行区域监控和数据网联网进行区域监控和数据 传送。传送。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2540 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 2、硬件系统构成、硬件系统构成 根据控制要求，研制泵站自动化监控系统。下图根据控制要求，研制泵站自动化监控系统。下图 为泵站自动化监控系统结构图。为泵站自动化监控系统结构图。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2541 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 2、硬件系统构成、硬件系统构成 （1）plc配置

39、配置 泵站自动化监控系统的泵站自动化监控系统的plc上采用上采用siemens的的s7- 300系列。根据系统要求，系列。根据系统要求，plc总体配置如下：中央处理总体配置如下：中央处理 模块，选用模块，选用cpu314，内存，内存ram扩展到扩展到64kb；数字量输；数字量输 入模块，选用入模块，选用sm321，共，共8块，处理块，处理128点输入信号；数点输入信号；数 字量输出模块：选用字量输出模块：选用sm322，共，共4块，处理块，处理96点输出信点输出信 号；模拟量输入模块，选用号；模拟量输入模块，选用sm331，共，共3块，处理块，处理24点点 输入信号；通信模块，选用输入信号；通

40、信模块，选用cp340，共，共2块，块，1块为块为rs- 232接口，接口，1块为块为rs-485接口。接口。 （2）电网监控配置）电网监控配置 电网监控采用法国电网监控采用法国socomec公司的公司的diris-m型的型的 电量监控器，可检测三相四线制的相电压、线电压、相电量监控器，可检测三相四线制的相电压、线电压、相 电流、零线电流、有功无共功率、功率因数、频率及相电流、零线电流、有功无共功率、功率因数、频率及相 应的最大值。监控器以应的最大值。监控器以rs-485接口采用接口采用modbus协议与协议与 plc的的cp340连接，传送电网监控数据。连接，传送电网监控数据。 计计 算算

41、机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2542 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 3、软件监控实现、软件监控实现 （1）plc监控软件监控软件 #系统检测模块：处理所有输入信号，并根据具体情况作系统检测模块：处理所有输入信号，并根据具体情况作 出不同响应。处理信号主要有：出不同响应。处理信号主要有：6台泵电动机的温度和振动；台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；两台电源变压进出水闸门状态；存水房液位；防火防盗安全；两台电源变压 器温度；雨量；器温度；雨量；4台功率因素补偿柜工况；电网工况；污水池台功率因素补偿柜工况；电网工况；污水池 水

42、位等。水位等。 #故障处理模块：三级故障。一级故障将禁止所有控制输故障处理模块：三级故障。一级故障将禁止所有控制输 出、声光报警、记录打印、在显示屏上显示故障类型和解决办出、声光报警、记录打印、在显示屏上显示故障类型和解决办 法；二级故障将禁止故障点的控制输出，系统做自动调整继续法；二级故障将禁止故障点的控制输出，系统做自动调整继续 当前操作。三级故障仅做声光预警，不中断当前操作。当前操作。三级故障仅做声光预警，不中断当前操作。 #除污机和排水泵的运行处理：除污机的运行监控；除污机和排水泵的运行处理：除污机的运行监控；6台水台水 泵的联锁控制。泵的联锁控制。 #数据处理和人机界面处理：数据统计

43、；数据设置；与触数据处理和人机界面处理：数据统计；数据设置；与触 摸式显示屏的数据通信；打印处理。摸式显示屏的数据通信；打印处理。 （2）触摸屏图控软件）触摸屏图控软件 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2543 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 排水泵站排水泵站plc自动化监控系统自动化监控系统 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2544 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 循环流化床锅炉循环流化床锅炉dcs控制系统设计控制系统设计 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2545 13.3

44、 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 循环流化床锅炉循环流化床锅炉(cfb锅炉锅炉)是从鼓泡床沸腾炉和化是从鼓泡床沸腾炉和化 工行业的循环流化床工艺发展而来。作为清洁、高效工行业的循环流化床工艺发展而来。作为清洁、高效 的一种煤燃烧技术，循环流化床锅炉从的一种煤燃烧技术，循环流化床锅炉从20世纪世纪80年代年代 初进入燃煤锅炉的商业市场，并在小型锅炉中占有相初进入燃煤锅炉的商业市场，并在小型锅炉中占有相 当份额，随着技术的发展，容量从早期的当份额，随着技术的发展，容量从早期的50t/h发展到发展到 几百几百t/h。 某热电厂采用按福斯特某热电厂采用按福斯特.惠勒公司技术由东方锅炉惠勒

45、公司技术由东方锅炉 厂生产的厂生产的dg450/9.81-1型循环流化床锅炉是目前国内型循环流化床锅炉是目前国内 容量最大的容量最大的cfb锅炉。整个锅炉。整个2*450t/h循环流化床、循环流化床、 2*100mw双抽汽轮机发电机组采用了新华公司的双抽汽轮机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，单台机组的控制等，单台机组的i/o接近接近5000点，规模与新建点，规模与新建 300mw燃煤机组的分散控制系统相当，

46、它和新华公司燃煤机组的分散控制系统相当，它和新华公司 的的deh-iiia组成组成300mw热工控制一体化系统。热工控制一体化系统。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2546 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 与常规煤粉锅炉相似，与常规煤粉锅炉相似，cfb锅炉具有多参数、非锅炉具有多参数、非 线性、时变和多变量紧耦合的特点，而且，线性、时变和多变量紧耦合的特点，而且，cfb煤粉煤粉 锅炉比普通锅炉具有更多的输入锅炉比普通锅炉具有更多的输入/输出变量，耦合关系输出变量，耦合关系 更为复杂。更为复

47、杂。 下图为下图为cfb锅炉对象的输入输出特性。锅炉对象的输入输出特性。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2547 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 典型的循环流化床锅炉主要有下列模拟量控制系统：典型的循环流化床锅炉主要有下列模拟量控制系统： 1、负荷指令回路、负荷指令回路 2、主气压、主气温控制、主气压、主气温控制 3、床温控制、床温控制 4、给煤量控制、给煤量控制 5、总风量控制、总风量控制 6、石灰石量控制、石灰石量控制 7、一次、二次风量控制、一次、二次风量控制 8、二次风压控制、二次

48、风压控制 9、高压风压力控制、高压风压力控制 10、汽包水位控制、汽包水位控制 11、燃油母管压力控制、燃油母管压力控制 12、启动燃烧器风量控制、启动燃烧器风量控制 13、启动燃烧器燃油压力、流量控制、启动燃烧器燃油压力、流量控制 14、床枪燃油压力、流量控制、床枪燃油压力、流量控制 15、炉膛压力控制、炉膛压力控制 16、料层压差控制、料层压差控制 17、底灰压力、温度控制、底灰压力、温度控制 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2548 13.3 计算机控制系统设计举例 1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 循环流化床锅炉的生产过程流程图如图所示。与

49、常规煤粉锅循环流化床锅炉的生产过程流程图如图所示。与常规煤粉锅 炉比较，炉比较，cfb锅炉的燃烧设备主要由给煤系统、燃烧室、分离器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。和返料系统组成。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2549 13.3 计算机控制系统设计举例 1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 循环循环：指：指cfb锅炉的燃料的循环燃烧。该锅炉的燃料（煤粒锅炉的燃料的循环燃烧。该锅炉的燃料（煤粒 和石灰石）由给料口进入炉膛密相区下部，在高温物料包围和石灰石）由给料口进入炉膛密相区下部，在高温物料包围 下迅速着火，并在燃烧室中

50、由高速风流吹沸，使物料在沸腾下迅速着火，并在燃烧室中由高速风流吹沸，使物料在沸腾 悬浮状态下燃烧。高温烟气携带炉料和大部分未燃尽的煤粒悬浮状态下燃烧。高温烟气携带炉料和大部分未燃尽的煤粒 飞逸出燃烧室顶部，经旋风分离器分离出的未燃尽燃料由返飞逸出燃烧室顶部，经旋风分离器分离出的未燃尽燃料由返 料器送回炉膛底部，再次进入炉膛循环燃烧。由于燃料在炉料器送回炉膛底部，再次进入炉膛循环燃烧。由于燃料在炉 膛内以一定的循环率不停地循环燃烧，所以膛内以一定的循环率不停地循环燃烧，所以cfb锅炉能够燃锅炉能够燃 用各种劣质煤，适用范围广。用各种劣质煤，适用范围广。 流化流化：是指燃烧反应过程是在流化床中进行

51、的，因此，反应：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。转化率高。 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 2021-5-2550 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 2、燃烧部分的控制系统分析、燃烧部分的控制系统分析 （1）风煤比和风油比控制系统（逻辑提量和逻辑减量控制系统）风煤比和风油比控制系统（逻辑提量和逻辑减量控制系统） （2）脱硫串级前馈控制系统（将二氧化硫参数作为主被控变量，石灰石）脱硫串级前馈控制系统（将二氧化硫参数作为主被控变量，石灰石 旋转给料机转速作为副被控变量，以总给煤量作为前馈控制系统，组成旋转给料机转速作为副被控变量，以总给煤量作为前馈控制系统，组成 串级控制系统）串级控制系统） （3）总风量控制系统（目的是保证燃料的完全燃烧。风量控制包括一、）总风量控制系统（目的是保证燃料的完全燃烧。风量控制包括一