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1、第章计算机控制系统实例样本第11章 计算机控制系统实例 本章的教学目的与要求掌握各种过程通道的结构、 原理、 设计及使用方法。 授课主要内容 工业锅炉计算机控制系统 硫化机计算机群控系统 主要外语词汇Sulfurate Machine:硫化机, 工业锅炉: Industrial Boiler 重点、 难点及对学生的要求说明: 带”*”表示要掌握的重点内容, 带”*”表示要求理解的内容, 带”*”表示要求了解的内容, 带”表示难点内容, 无任何符号的表示要求自学的内容 工业锅炉工艺* 工业锅炉计算机控制系统的设计* 硫化机计算机群控系统的软硬件设计* 辅助教学情况多媒体教学课件( POWERPO

2、INT) 复习思考题 工业锅炉计算机控制系统的设计 硫化机计算机群控系统的软硬件设计 参考资料刘川来, 胡乃平, 计算机控制技术, 青岛科技大学讲义11.1 工业锅炉计算机控制系统11.1.1工业锅炉介绍常见的锅炉设备的主要工艺流程如图11.1所示。燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧, 生成的热量传递给蒸汽发生系统, 产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器, 形成一定温度的过热蒸汽D, 汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽, 经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时, 燃烧过程中产生的烟气, 除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外, 还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气, 最后经引风机送往烟囱, 排入大气。

3、锅炉设备是一个复杂的控制对象, 主要的输入变量是负荷、 锅炉给水、 燃料量、 减温水、 送风和引风等, 如图11.2所示。主要输出变量是汽包水位、 蒸汽压力、 过热蒸汽温度、 炉膛负压、 过剩空气( 烟气含氧量) 等。这些输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负压发生变化, 必将会引起汽包水位、 蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化; 燃料量的变化不但影响蒸汽压力, 同时还会影响汽包水位、 过热蒸汽温度、 过剩空气和炉膛负压; 给水量的变化不但影响汽包水位, 而且对蒸汽压力、 过热蒸汽温度等亦有影响; 等等。锅炉是一个典型的多变量对象, 要进行自动控制, 对多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则

4、加以处理。当前, 锅炉控制系统大致可划分为三个控制系统: 锅炉燃烧控制系统、 锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。11.1.2锅炉计算机控制系统组成1. 燃烧过程控制系统( 1) 燃烧过程控制任务锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程, 其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要( 常以蒸汽压力为被控变量) ; 使燃料与空气量之间保持一定的比值, 以保证最佳经济效益的燃烧( 常以烟气成分为被控变量) , 提高锅炉的燃烧效率; 使引风量与送风量相适应, 以保持炉膛负压在一定的范围内。( 2) 燃烧过程控制系统设计方案在多变量对象中, 调节量和被调量之间的联系不都是等量的, 也就是

5、说, 对于一个具体对象而言, 在众多的信号通道中, 对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响, 其它通道的影响相对于主通道来说能够忽略。根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统, 可将其大致分为三个单变量控制系统: 燃料量汽压子系统、 送风量过量空气系数子系统以及引风量炉膛负压子系统。不少多变量系统能够利用自治原则来进行简化, 但并不是分解成多个单回路控制系统后, 问题就全部解决。因为各回路之间往往还存在着联系和要求, 必须在设计中加以考虑。协调跟踪的原则, 就是在多个单回路基础上, 建立回路之间相互协调和跟踪的关系, 以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联。此例中, 锅炉燃

6、烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联。首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点:锅炉燃烧过程中燃料量与空气( 送风) 量之间应保持一定比例, 实际空气( 送风) 量大于燃料需要空气量, 她们之间存在一个最佳空燃比( 最佳过剩空气系数) , 即一般情况下, 1。为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧, 当热负荷增大时, 应先增加送风量, 后增加燃料量; 若热负荷减少时, 应先减少燃料量, 再减少送风量。为了满足上述两点要求, 在这两个单回路的基础上, 建立交叉限制协调控制系统, 如图11.3所示。其中, Wm1( s) 和Wm2( s) 是燃料量和送风量测量变送器的传递函数, 假

7、设它们都是比例环节, 则Wm1( s) =K1 , Wm1( s) =K2 。由此可得到最佳空燃比与空气量、 燃料量测量信号IV和IB之间的关系如下: 设 则 假设机组所需负荷的信号为IQ, 当系统处于稳态时, 则有: 设定值 r1=IQ=IV/=IB设定值 r2=IQ=IB =IV即 IQ=IB ; IV=IB表明系统的燃料量适合系统的要求, 而且达到最佳空燃比。当系统处于动态时, 假如负荷突然增加, 对于送风量控制系统而言, 高选器的两个输入信号中, IQ突然增大, 则IQIB , 因此, 增大的IQ信号经过高选器, 在乘以后作为设定值送入调节器WC2, 显然该调节器将使u2增加, 空气阀

8、门开大, 送风量增大, 即IV增加。对于燃料量控制系统来说, 尽管IQ增大, 但在此瞬间IV还来不及改变, 因此低选器的输入信号IQIV , 低选器输出不变, r1=IV/不变, 此时燃料量B维持不变。只有在送风量开始增加以后, 即IV变大, 低选器的输出才随着IV的增大而增加, 即r1随之加大, 这时燃料阀门才开大, 燃料量加多。反之, 在负荷信号减少时, 则经过低选器先减少燃料量, 待IB减少后, 空气量才开始随高选器的输出减小而减小, 从而保证在动态时, 满足上述第点要求, 始终保持完全燃烧。进一步分析可知, 燃料量控制子系统的任务在于, 使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应, 维

9、持主压力为设定值。为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力, 燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、 燃料量为副参数的串级控制方案。保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。在大型机组的送风系统中, 一、 二次风一般各采用两台风机分别供给, 锅炉的总风量主要由二次风来控制, 因此这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率, 保证经济性。为保持最佳过剩空气系数, 必须同时改变风量和燃料量。是由烟气含氧量来反映的。因此常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统, 经过燃料量与送风量回路的交叉限制, 组成串级比值的送风系统。结构上

10、是一个有前馈的串级控制系统, 如图11.4所示。它首先在内环快速保证最佳空燃比, 至于给煤量测量不准, 则可由烟气中氧量作串级校正。当烟气中含氧量高于设定值时, 氧量校正调节器发出校正信号, 修正送风量调节器设定, 使送风调节器减少送风量, 最终保证烟气中含氧量等于设定值。炉膛负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度, 以改变引风量; 保持炉膛负压为设定值, 以稳定燃烧, 减少污染, 保证安全。2. 锅炉给水控制系统( 1) 锅炉给水控制系统设计任务其任务是考虑汽包内部的物料平衡, 使给水量适应蒸发量, 维持汽包水位在规定的范围内, 实现给水全程控制。给水控制也称为汽包水位控制。被控变量是

11、汽包水位, 操纵变量是给水量。( 2) 给水控制系统的基本结构单冲量控制系统以水位信号H为被控量、 给水流量作为控制量组成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、 整定方便, 但克服给水自发性扰动, 和负荷扰动的能力差, 特别是大中型锅炉负荷扰动时, 严重的假水位现象将导致给水控制机构误动作, 造成汽包水位激烈的上下波动, 严重影响设备寿命和安全。单级三冲量控制系统该系统相当于将上述单冲量控制与比例控制相结合。以负荷作为系统设定值, 利用PI调节器调节流量, 使给水量准确跟踪蒸汽流量, 再将水位信号作为主参数负反馈, 构成了单级三冲量给水控制系统, 如图11.5所示。所谓”三冲量

12、”, 是指控制器接受了三个测量信号: 汽包水位、 蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量信号是前馈信号, 当负荷变化时, 它早于水位偏差进行前馈控制, 及时的改变给水流量, 维持进出汽包的物质平衡, 有效地减少假水位的影响, 抑制水位的动态偏差; 给水流量是局部反馈信号, 动态中它能及时反映控制效果, 使给水流量跟踪蒸汽流量变化而变化, 蒸汽流量不变时, 可及时消除给水侧自发扰动; 稳态时使给水流量信号与蒸汽流量信号保持平衡, 以满足负荷变化的需要; 汽包水位量是被控制量、 主信号, 稳定时, 汽包水位等于设定值。显然, 三冲量给水控制系统在克服干扰影响、 维持水位稳定、 提高给水控制方面都优于单冲量给

13、水控制系统。事实上, 由于检测、 变送设备的误差等因素的影响, 蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等, 且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需要兼顾较多的因素, 动态整定过程也较复杂, 因此在现场很少再采用单级三冲量给水控制系统。串级三冲量控制系统串级三冲量给水控制系统的基本结构如图11.6所示。该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成, 与单级三冲量系统相比, 该系统多采用了一个PI调节器, 两个调节器串联工作, 分工明确。PI1为水位调节器, 它根据水位偏差产生给水流量设定值; PI2为给水流量调节器, 它根据给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。蒸汽流量信号作

14、为前馈信号, 用来维持负荷变动时的物质平衡, 由此构成的是一个前馈串级控制系统。该系统结构较复杂, 但各调节器的任务比较单纯, 系统参数整定相对单级三冲量系统要容易些, 不要求稳态时给水流量蒸汽流量测量信号严格相等, 即可保证稳态时汽包水位无静态偏差, 其控制重量较高, 是现场广泛采用的给水控制系统, 也是组织给水全程控制的基础。3. 蒸汽温度控制系统( 1) 蒸汽温度控制系统任务维持过热器出口温度在允许范围内, 并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度, 操纵变量是减温器的喷水量。( 2) 过热蒸汽温度控制系统以过热蒸汽为主参数, 选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号

15、, 组成串级控制系统或双冲量气温控制系统。4. 锅炉计算机控制系统的实现工业锅炉计算机控制系统结构框图如图11.7所示。一次仪表测得的模拟信号经采用电路、 滤波电路进入A/D转换电路, A/D转换电路将转换完的数字信号送入计算机, 计算机对数据进行处理之后, 便于控制和显示。D/A转换将计算机输出的数字量转换成模拟量, 并放大到010mA, 分别控制水泵调节阀、 鼓风机挡板、 引风机挡板和炉排直流电动机。11.2 硫化机计算机群控系统内胎硫化是橡胶厂内胎生产的最后一个环节, 硫化效果将直接影响内胎的产品质量和使用寿命。当前国内大部分生产厂家都是使用延时继电器来控制硫化时间, 由于硫化中所需的蒸

16、汽压力和温度经常有较大的波动, 单纯按时间计算可能会产生过硫或欠硫现象, 直接影响了内胎的质量。因此, 设计一种利用先进计算机控制技术的硫化群控及管理系统, 不但能提高企业的自动化水平, 也能降低硫化机控制装置的维护成本和硫化操作人员的劳动强度, 提高硫化过程中工艺参数的显示和控制精度, 同时也避免了个别硫化操作人员为提高产量而出现的”偷时”现象(即操作人员缩短硫化时间, 未硫化完毕就开模) , 使内胎的产品质量得到保证。11.2.1系统总体方案内胎硫化过程共包括四个阶段: 合模、 硫化、 泄压、 开模。由于所有硫化机的控制方式相同, 因此特别适合群控。在自动模式下, 当硫化操作人员装胎合模后

17、, 由控制系统根据温度计算内胎的等效硫化时间并控制泄压阀、 开模电机的动作。为克服温度波动的影响, 经过大量实验, 选用阿累尼乌斯(Arrhenius) 经验公式来计算等效硫化时间。某橡胶制品有限公司硫化车间共有内胎硫化机96台, 为便于整个生产过程的控制和管理拟采用计算机群控及管理系统。根据企业的现场情况, 借鉴DCS (Distributed Control System , 集散控制系统) 系统结构, 使用PLC作为直接控制级, 完成现场的控制功能; 使用工业控制计算机作为管理和监视级。系统总体方案见图11.8。PLC 经过温度采集模块采集现场的96 台硫化机温度信号, 进行等效计算后,

18、 按设定型号的参数计算硫化机的硫化时间并对泄压阀、 开模电机动作进行控制, 完成内胎的整个硫化过程。采用串行通讯方式将PLC 传送上来的信号采集到工业控制计算机, 在监控软件主界面对96 台硫化机的硫化温度和状态进行动态显示, 并自动记录相关过程数据, 监控软件还具有参数设置、 查询及报表打印等功能。由于计算机本身及其操作系统的不稳定性, 工业控制计算机不参与控制, 即使工业控制计算机出现故障也不会影响PLC 的正常运行, 从而也不会影响现场的控制, 可是所有的现场参数将不能被监视和存储。系统共有三种工作方式:自动等效硫化方式、 自动定时硫化控制方式和机台原有的延时继电器手动控制方式。能够根据

19、需要在现场利用操作台上的旋钮选择工作方式。工业控制计算机采用研华P4 2.4G, 作为控制级的PLC 共两套, 采用三菱公司的FX2N 128MR。两套PLC的控制是独立的, 分别经过串行口连接到工业控制计算机。特殊模块FX2N-4AD用来采集现场的热电阻温度信号, 并进行模数转换后送往PLC。热电阻采用PT100, 热电阻经过温度变送器变成0-5V的电压信号。FX2n-4AD模块共有四路通道, 在任一时刻只能有4个温度信号进入PLC, 为提高其使用效率, 自行研制了模拟转换开关, 模拟开关采用2片CD4501, 能够完成16选1的模拟开关功能, 利用PLC内部的编程指令控制模拟转换开关依次选

20、通各个通道, 循环将48台热电阻信号采集到PLC。通讯模块FX2N-485BD(485信号)和通讯转换模块FX2N-485PC-IF(转换计算机的RS232信号和485BD的485信号)被用来实现PLC和工业控制计算机的串行通讯。模拟选通信号计算机打印机FX2N 485BDPLC FX2N 128MRPLCFX2N 128MR FX2N 4AD1#48#硫化机49#96#硫化机模拟选通信号温度变送器FX2N 485PCIFFX2N 4AD热电阻FX2N 485BD模拟开关开关量输入输出信号温度变送器热电阻模拟开关开关量输入输出信号图11.8 内胎硫化计算机群控及管理系统总体方案11.2.2可编

21、程控制器控制软件的设计三菱公司FX2N 系列可编程控制器能够使用梯形图、 指令表和SFC 三种编程方式, 指令多达156种, 功能强大, 编程非常方便。从内胎硫化的流程可知, 硫化的控制属于过程、 位置控制, 采用PLC 可方便的进行编程, 实现内胎硫化机的等效硫化时序。为提高运行速度、 减少运行指令, 在控制软件设计中采用了模块化编程, 设计了多种通用子程序, 如数据采样及处理子程序、 等效硫化计算子程序、 报警子程序等。控制软件主程序流程简图见图11.9。11.2.3工控机管理软件设计1工控机软件总体设计图11.10 内胎硫化计算机管理系统功能图系统管理查询报表用户设置内胎硫化计算机管理系

22、统主界面: 实时数据监控添加用户修改密码用户切换数据恢复设置机台号设置内胎型号设置型号参数设置班组设置硫化工代号产品查询温度曲线查询报表班报表月报表机台报表工控机管理软件采用Inprise 公司的Delphi7开发, 工控机的RS2232 串行通讯接口经过FX2N-485PC-IF连接到可编程控制器的通讯模块FX2N-485BD上, 以半双工异步串行通讯方式通讯, 读取或设置参数, 并在主窗口动态显示, 自动记录车间内所有机台在三种控制方式下生产的产品的过程参数和数量、 操作合法性等数据, 能够随时查看硫化温度曲线, 还具有报警提示、 查询、 报表打印等功能。系统功能图见图11.10。2串行通

23、信接口数据传输的软件设计用Delphi 开发串口通讯软件一般有两种方法: 一种是采用Microsoft的MSComm控件, 这种方法实现起来相对比较简单, 但效率较低; 另一种是利用Windows 的通讯A P I 函数, 使用A P I 编写的串口通讯程序较为复杂, 实现的功能强大, 特别适合于面向低层的下位机通讯, 可是需要编程人员掌握大量的通讯知识, 还要掌握多线程编程。MOXA 公司提供了一个可供Delphi 调用的串行通讯程序开发工具PComm serial communication library ( PComm 串口通讯库) , PComm Library 是一个动态连接库(D

24、LL ) 文件, 使用Microsoft Win32 API 编写, 利用PComm 编写串口通讯软件既具有A P I 的强大功能, 使用起来也比较方便。11.2.4 结束语本系统在某橡胶制品有限公司投入运行后, 控制达到了预定的工艺要求, 内胎质量稳定, 产品合格率达到99. 8%以上, 每年可增加直接经济效益200万元。同时大幅减轻了工人的劳动强度, 改进了工作环境, 提高了企业生产的自动化和信息化程度, 而且还可方便地与企业的信息管理系统相连, 组成管控一体化的网络系统。本系统群控机台数量多、 投入低、 抗干扰能力强、 使用方便, 集控制与管理于一身, 特别适合于在各种型号的硫化机控制中推广。