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1、2022/11/20,1,过程计算机控制系统的组成,1.1,过程计算机控制系统的发展概述,1.2,第一章 绪论,轧制过程计算机控制概述,1.3,过程计算机控制系统的基本类型,1.4,2022/11/20,2,1.4 计算机控制系统的主要类型,数据收集系统（Date Acquired System-DAS） 操作指导控制系统( Direct Digital ControlDDC系统）直接数字控制( Direct Digital ControlDDC系统）集中型计算机控制系统(Concentric Control system-CCS)分布式控制系统（Distributed Control Sys
2、temDCS系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS系统）,控制是作为一个系统与生产过程结合在一起的。根据应用特点、控制目的、控制方法和系统的构成，过程计算机控制系统大体上可分成以下几种基本类型：,2022/11/20,3,1 数据收集系统（Date Acquired System-DAS）,轧制过程中的各种过程变量，计算机可以通过检测仪器检测到，转换成数字量送入计算机内存,这种检测叫做计算机采样。计算机还可以再将这些数据经过适当的计算，量纲换算将它换成所需要的数值，或者进行其他的数学分析或数据加工。在这类系统中，计算机只对工业过程的各种参数进行巡回检测、报警
3、、结果处理，并在给定的时间间隔时，通过显示、打印等方式向操作人员提供各种数据，即不参加对过程的控制。这种巡回检测数据收集系统，现已成为各种计算机控制系统的重要组成部分，它的连接形式如下图所示。,2022/11/20,4,工业 对象,数据收集 装置,计算机,数据收集系统,参数：压力、流量、温度的输入信号；,模拟量： 脉冲量： 开关量：,通过光电编码器测量的速度、位移信号。,操作台上的开关、按钮；行程开关、极限开关；信号指示灯、音响报警、继电器的接通与断开、电磁阀的打开与关闭；电机的启动与停止；计数器的预定数值计满；定时器的预定时间已到达。,电机控制系统中的速度给定、电流给定的输入信号；控制伺服阀
4、、比例阀的输出信号。,2022/11/20,5,实例：冷轧带钢平整机的计算机数据收集系统,压力传感器,光电编码器,光电编码器,控制目的：给予带钢小压下量改善板型平直度，使之达到国家标准；被控量：平整延伸率 、轧辊辊缝巡回检测数据：轧制力、轧制速度、辊缝。应用特点：数据收集系统纪录和显示轧制过程中的各种不同情况，分析和研究轧制过程，建立和改善数学模型。,模拟量输入通道脉冲输入计数器板,2022/11/20,6,2操作指导控制系统P17,优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。,操作指导系统直接从现场输入实洲参数，由计算机进行分析和计算并给出操作指导，故
5、称其为“在线”操作指导系统。,2022/11/20,7,计算机：利用所检测的数据，根据一定的控制和管理方法进行计算，给出相应的操作指导信息，通过CRT或打印机输出给操作人员。在线操作指导控制系统离线操作指导控制系统,2022/11/20,8,实例：二辊可逆式冷轧机操作指导系统,轧制数据表道次 厚度 轧制力 辊缝 实测厚度 实测压力 实测辊缝 反算压力 自适应参数 0 2.728 2.728 1.1501 2.300 74.42 2.190 2.315 80.76 2.192 73.10 1.2152 1.900 77.83 1.780 1.925 81.22 1.782 75.90 1.259
6、3 1.600 71.18 1.499 1.590 77.09 1.497 72.04 1.302输入测量厚度 h(1)=2.315 h(2)=1.925 h(3)=1.590,Learn是自学习参数，其初值为1.08,应力状态系数QP用布兰德-福德公式的希尔简化式计算。,控制目标：厚度精度被控量：辊缝巡检参数：轧制力、辊缝、应用特点：数据收集、记录；在线操作指导，建立自适应模型。,2022/11/20,9,3 直接数字控制 ( Direct Digital ControlDDC）,本质 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路。,优点 计算灵活，精度高，可以处理多个控制回路。不仅能实
7、现常规的PID控制规律，也能实现PID以外的多种复杂控制。,问题 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。,2022/11/20,10, 要求：实时性好、可靠性高和适应性强 一台计算机通常要控制几个或几十个回路,输入通道(AI.DI）,输出通道(AO.DO),打印机,报 警,操作台,CRT,计 算 机,生 产 过 程,2022/11/20,11,3.直接数字控制系统Direct Digital Control System，DDC,被测变量,操作变量,控制规律：基于经典控制理论和现代控制理论的程序算法。DDC 特点：,信号转换控制功能强大控制方法灵活要求实时性
8、好、可靠性高、适应性强。,2022/11/20,12,实例：制药厂的DDC控制,土霉素生产车间20只发酵缸每个缸有2-4个参数，共需60个参数进行实时控制,系统完成的功能：对20只缸共50个参数（温度、溶氧、pH)实现PID控制；对10只三级缸实行消沫控制（开关量控制）；对20只缸的温度、溶样、pH进行巡回检测；对以上60个参数定时制表；对上限、下限、实时钟停等故障实现故障报警；,土霉素车间的DDC控制框图,计算机：对各路信号按PID调节规律进行运算，并对生产过程进行实时控制、巡回检测、实时制表、越限报警、事故报警。中央控制台：在操作台显示各路参数值；设置和改变参数的给定值和上下限；打印。(
9、人机接口） 路 给定值 偏差值 单位 01 30.00 +0.06 C,010mA,+24V,010mA,=40ms60=2.4s,2022/11/20,13,直接数字控制系统与模拟系统的不同,在模拟系统中，信号的传送不需要数字化，而数字系统中由于采用计算机，因此在信号的传送过程中就需要采用数模和模数转换。另外，DDC是用程序进行控制运算，这就比模拟量控制与控制对象一一对应的控制方式灵活而又经济。只要改变计算机程序就可以对控制对象实现不同控制功能，因此可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监视和报警。此外，因为计算机有较强的计算能力，所以控制方法的改变很方便，只要改变程序就可以实现。就一般的模
10、拟控制而言，要改变控制方法，必须改变硬件，这不是轻而易举的事。,2022/11/20,14,DDC系统对计算机的要求,由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。为了充分发挥计算机的利用率，一台汁算机通常要控制多个回路，那就要求合理地设计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。工业生产现场环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使之能适应各种工业环境。,2022/11/20,15,DDC控制系统的存在的问题,一台DDC计算机可以控制几百个回路，以及上千个过程变量的显示、操作，控制集中在单一计算机上实现。DDC
11、机上所实现的功能有：过程监视、数据收集、数据处理、数据存储、报警、过程控制、生产调度、工厂管理等。 局部的小故障造成整个系统的崩溃。,2022/11/20,16,集中型计算机控制系统出发点：用一台计算机来控制尽可能多的控制回路(几百个回路)，实现尽可能多的功能。,2022/11/20,17,4.监督计算机控制系统 Supervisory Computer Control System,SCC,SCC计算机：根据反映生产过程工况的数据和数学模型，进行必要的计算，给DDC计算机提供各种控制信号，如最佳给定值、最优控制量等。一般选用高档微型机或小型机作为SCC用计算机。,2022/11/20,18,
12、3监督控制系统（Supervisory Computer Control SCC ）,DDC计算机,生 产 过 程,SSC 计算机,记录显示打印,调节,测量,设定值,(b),工艺数据,模拟调节器,生 产 过 程,SSC 计 算 机,记录显示打印,调节,测量,设定值,(a),工艺数据,IO通道,IO通道,通讯RS232,通讯RS232,2022/11/20,19,实例：武钢热轧厂计算机监督控制系统,2022/11/20,20,实例：武钢热轧厂计算机监督控制系统,过程自动化级1.初始数据输入； 5.数据采集和处理2.跟踪； 6.人机界面3.设定计算； 7.报告和纪录4.模型自适应 8.数据通信,1
13、.板坯测量；2.板坯确认；3.板坯移动和炉前定位；4.推钢机控制；5.步进梁控制；6.抽钢机控制；7.加热炉温度控制。,1.粗轧机设定；2.辊道控制；3.可逆轧机的顺序控制；4.除鳞控制；5.速度控制；6.宽度控制；,1.精轧机设定；2.飞将控制；3.速度控制；4.活套控制；5.除鳞和机架间喷水控制；6.穿带自适应控制。,1.卷取机控制；2.张力控制；3.顺序控制；4.卷取机温度控制；5.钢卷运输控制。,加热炉1# DDC,粗轧机2# DDC,飞剪、精轧机3# DDC,卷取机4# DDC,1# SCC VAX2000,2# SCC 备用,基础自动化,2022/11/20,21,SCC系统通常采
14、用两级计算机，其中DDC计算机(称为下位机)完成直接数字控制功能；SCC计算机(称为上位机)则根据反映生产过程工况的数据和数学模型进行必要的计算给DDC计算机提供各种控制信号，比如最佳给定值和最优控制量。 DDC用计算机与生产过程连接，并直接承担控制任务。因此，要求其可靠性高，抗干扰性强并能独立工作。一般选用单板机式微型机作为DDC计算机。 SCC计算机承担高级控制与管理的任务，它的信息存储量大、计算任务繁重。一般选用高档微型机或小型机作为SCC用计算机。,2022/11/20,22,SCC计算机功能有：对整个轧制线设备控制的设定计算，对整个轧制线轧件跟踪，轧制节奏控制，处理轧制过程大量的技术
15、数据、操作数据并显示。DDC计算机的功能有：以比较短的取样间距直接控制各个电机驱动设备的位置，带钢厚度和温度以及轧机的程序控制。2号SCC与4号DDC离线备用。13号DDC的控制项目下：1号DDC用来控制加热炉前后及粗轧各机械设备的动作，2号DDC用来控制精轧各机械设备的动作3号DDC用来控制卷取机各机械的动作,2022/11/20,23,五、多级控制系统,多级控制系统的产生是由于生产规模越来越大，信息来源越来越多，对计划管理信息收集的及时性要求越来越高，因此要求管理计算机系统能直接指挥过程计算机系统，过程计算机也能直接向管理计算机系统进行汇报。在现代化大型企业中，生产的原料、产品、能源调度已
16、成为企业获得最好经济效益的关键因素，因此设有能源调度中心、生产调度中心等大型计算机中心。它会带来较监控层更大的经济效益。最高一层是企业管理层，它包括生产计划、财务会计、销售、人事工资和经营决策，属于现代管理科学范畴，通常由计算机网络系统实现。多级控制系统也称信息管理级控制系统MIS。(Managment Information System）,2022/11/20,24,5.多级控制系统 Management Information System,MIS,DDC级用来直接控制生产过程，主要进行数字PID控制、顺序控制、比值控制串级控制等各种数字直接控制，数据收集、监视报警。SCC级主要进行最优
17、控制的设定计算，指挥DDC的工作，调整常规控制器的设定值和给操作者发出操作指令等。MIS级是生产管理级，主要进行生产的计划和调度，指挥SCC级进行工作。,DDC级,SCC级,车间管理,工厂管理,公司管理,MIS级,2022/11/20,25,DDC级用来直接控制生产过程，在这一级主要进行比例、积分、微分等各种数字直接控制，并可进行程序控制、顺序控制、比值控制、串级控制、前馈控制以及延迟补偿等各种的控制计算。此外，它还可以进行数据收集和监视报警等。 SCC级主要进行最优控制的设定计算，指挥DDC级的工作，调整常规控制器的设定值和向操作者发出操作指令等。 MIS级是生产管理级，它主要进行生产的计划
18、和调度，指挥SCC级进行工作。这一级又可以按企业的规模和管理范围的大小，分成几级，例如车间管理级、分厂管理级和公司管理级。MIS级的计算机都是大型的通用计算机，要求数据处理和科学计算的能力强，内存和外存的容量大。,2022/11/20,26,6 分布式控制系统 Distributed Control System,出发点（2个方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,2022/11/20,27,微型机的优点：运算速度快、可靠性高、价格便
19、宜、体积小。新技术：测量控制技术control、通讯技术communication 人机接口技术CRT 以及上述的计算机技术computer 即4C技术的相互发展、相互渗透产生的。特征：利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理，分散控制、分散负载、分散危险的一种新型控制技术。它既不同于分散的仪表控制，也不同于集中的计算机控制系统。它吸收两者的优点，在此基础上发展起来的。,6 分布式控制系统 Distributed Control System,2022/11/20,28,6.分布式控制系统 Distributed Control System,DCS,服务器,工作站,终端,终端,网关,
20、网关,网关,打印机,工程师站,操作员站,管理网络 MNET,系统网络 SNET,现场I/O控制站,控制网络 CNET,2022/11/20,29,6.分布式控制系统,2022/11/20,30,6.分布式控制系统,1.将现场发生的过程量进行数字化，并将数字化后的量存在存储器的本地数据库中，并能按实际运行情况实时地改变和更新现场过程量。,2.将本站采集的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站、其他I/O站，以实现全范围内的监督和控制。同时现场I/O还可以接受由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制，或对本站的参数设定。,3.在本站实现局部自动控制，回路计算。及闭环控制、顺序控制等经
21、典算法，也可下装非标准算法。,2022/11/20,31,6.分布式控制系统,与运行操作有关的人机界面功能的网络节点。,为操作员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态，各种运行参数的当前值，是否由异常发生，并通过输出设备对工艺过程进行控制和调节。,2022/11/20,32,6.分布式控制系统,对DCS进行离线配置、组态工作和在线系统监督、控制、维护的网络节点。,2022/11/20,33,6.分布式控制系统,2022/11/20,34,4集散型控制系统 （Distributed Control SystemDCS）,2022/11/20,35,管理级,控制级,现场设备级,
22、操作站,控制站,I/O系统,高级控制器,数据服务器,WEB服务器,管理计算机,互联网服务器,Internet/Intranet,Ethernet,Ethernet/专用总线,网关,FF、ProfiBus等现场总线,典型的分布式计算机控制系统结构示意图,控制站,控制站,I/O系统,I/O系统,2022/11/20,36,生产管理级,操作站,控制站,I/O系统,高级控制器,数据服务器,工程师站,管理计算机,互联网服务器,Internet/Intranet,Ethernet,WestHouse-net,网关,热轧厂分布式计算机控制系统结构示意图,基础自动化级,加热炉控制站,粗轧机控制站,精轧机控制站,过程自动化级,工程师站,操作站,I/O系统,I/O系统,I/O系统,2022/11/20,37,Thanks,
