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1、第十二课,第十章 计算机控制系统,一、计算机控制系统的组成计算机控制系统组成与典型连续控制系统组成相类似，由被控对象、测量变送、控制器和执行器组成。不同点是计算机控制系统的控制器用数字控制器实现，此外为了信号匹配，数字计算机输入侧带有多路开关、采样保持器和A/D，输出侧带有D/A和保持器。,微型机控制系统硬件结构 系统硬件主要由以下部分构成 1、主机 作用：系统核心，完成检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等功能。选型：STD总线机、工业PC机、单片机等。2、I/O接口 并行接口8255或8155 串行接口8251等 直接数据传输控制器8237 中断控制器8259 定时器/计数器8253 A
2、/D转换器ADC0809等 D/A转换器DAC0832等,3、通用外部设备 作用：显示、打印、存储、传输数据。4、检测元件 作用：对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（0-5V或4-20mA）。器件：各种传感器 5、执行机构 作用：根据控制信号进行动作，改变各个环节的参数。设备：电动的、气动的、液压传动的等。6、操作台 作用：根据实现人-机对话 组成：功能键、数字键、开关、LED数码管或CRT显示器。,微型机控制系统软件 这里所说的微型机控制系统软件，指的是应用软件。其功能结构为：1、过程监控 包括的程序有：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断
3、、过程分析等。2、过程控制计算 包括的程序有：控制算法（PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信息生成调度、文件管理、输出、打印、显示等）3、公共服务 包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。,二、计算机控制系统的发展20世纪50年代末期，第一台计算机用于控制DDCDCS现场总线系统,直接数字控制系统（DDC）DDC（Direct Digital Control）控制是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定在给定值上。如右图所
4、示。DDC控制的特点：可一机 多控而经济、灵活、可靠。可实现各种复杂控制，如串 级、前馈、自选控制、大滞 后控制等。,集散控制系统,集散控制系统的组成：1、现场控制站（过程控制单元）由基本控制器、多功能控制器和可编程控制器构成，是DCS系统的核心部分。作用：实现对现场输入输出信号的变换，对现场数据的采集和各种控制功能。,2、人机接口（操作管理站）包括具有彩色图形显示器（CRT）的操作员接口和工程师接口。作用：实现对整个工艺过程、整个工厂的系统组态和运行状态的监视及操作等人机交互功能。,3、通讯网络（通信系统）不同的系统，差别较大 作用：实现系统设备间的信息通信。,4、通用计算机接口及通用计算机
5、 为了完成更高层次的管理和控制功能，常常需要外接功能更强大的通用计算机，因此通过硬件接口和软件接口实现通用计算机与现场控制站和人机接口(操作站)的信息交换。,集散控制系统的特点,1、采用分级递阶结构 第一级为过程控制，根据上层决策直接控制过程或对象的状态；第二级为优化控制，根据上层给定的目标函数、约束条件以及数学模型得出优化控制策略，对过程进行设定点控制；第三级为自适应控制层，根据运行经验，补偿工况变化对控制规律的影响，维持系统在最佳状态运行；第四层为工厂管理，其任务是决策、计划、管理、调度与协调，根据系统总任务或总目标，规定各级任务并决策协调各级的任务。,2、采用微机智能技术 集散控制系统中
6、的现场控制站，过程输入输出接口，显示操作站和数据通信装置等均采用微处理器。有记忆、逻辑判断和数据运算功能，可以实现自适应、自诊断和自检测等“智能”。,3、采用局部网络通讯技术 集散控制系统的数据通信网络是典型的局部网络。它采用工业局部网络技术进行通信。传输实时控制信息、进行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制站、人机接口进行控制和操作管理。,4、丰富的功能软件包 5、友善的人机接口 6、高可靠性,集散控制系统的硬件,集散控制系统的硬件是通过网络系统将不同数目的现场控制站、操作站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。,1现场控制站,(1)机柜,(2)供电电源,(3)
7、主机插板,主机插板是现场控制站的核心，它包括CPU、存储器和寄存器等。,(4)信号输入输出I0插板,过程的被测信号进入输入插板引入现场控制站，经过主机板CPU按某一控制算法处理后，再通过输出插板输出控制信号或报警信息等。,2操作站,操作站设置在控制室里，实现过程状态的显示、报警、记录和操作。,(1)主机系统 主要实现集中监视、对现场直接操作、系统生成和诊断等功能。,(2)操作台(3)信息存储设备(4)显示设备(5)操作员站键盘和工程师键盘(6)打印输出设备,3通讯系统,集散控制系统的软件,1、现场控制站软件采用模块化结构设计，无操作系统。软件系统分为执行代码部分和数据部分，执行代码部分可固化在
8、EPROM中，数据部分则存在RAM中，在系统复位或开机时，这些数据的初始值从网络上装入。,2、操作站软件,有系统软件和应用软件,3、集散控制系统的组态软件4.、集散控制系统的高级功能编程,三、现场总线和现场总线控制系统,总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。,总线的产生,为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。,总线的分类,按结构和用途分类按用途和应
9、用环境分类按总线传送信号的形式分类,根据总线不同的结构和用途,专用总线 只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。非专用总线 非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。,根据总线的用途和应用环境,局部总线 系统总线 外总线,局部总线,系统总线,外总线,根据总线传送信号的形式,并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。,现场总线,现场总线的定义 现场总线是近年来迅速发展起来的一种
10、工业数据总线，是用于现场仪表与控制室系统之间的一种全开放、全数字化、双向、多节点的通信系统。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。,现场总线控制系统是建立在现场总线技术基础上的具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。,现场总线特点：1、用数字信号完全取代模拟信号，提高了可靠性和精度。2、节省大量信号电缆、隔离器、端子柜、IO卡件等，减少投资。3、将控制、报警、计算等功能分散到现场仪表，控制更及时，改善了控制性能
11、。4、互操作性好，用户可自由选择不同厂家产品构成最佳系统。5、组态简单、安装、运行和维修简便。,现场总线的基本设备：1、变送器2、执行器3、服务器和网桥4、辅助设备5、监控设备,现场总线的标准化,现场总线标准化情况多标准并存现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外，国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。,典型的现场总线,CAN(Control Area Network)控制器局域网络 LONWORKS(Local Operating Netwo
12、rk)局部操作网络 PROFIBUS(Process Field Bus)过程现场总线 HART(Highway Addressable Remote Transclucer)可寻址远程传感器数据通路 FF(Foundation Fieldbus 现场总线基金会)现场总线,基金会现场总线FF,支持单位:现场总线基金会(Fisher-Rosemount等100多家公司)。标准:IEC61158;IEC61784。应用领域:流程工业及其它工业控制。使用情况:已有工程投入运行。多家生产各种有FFH1接口的产品，可以满足系统集成要求。,第十一章典型化工单元的控制方案,控制方案的确定是实现生产过程自动化
13、的重要环节。要设计出一个好的控制方案，必须深入了解生产工艺，按生产过程的内在机理来探讨其自动控制方案。本章从自动控制的角度出发，根据对象特性和控制要求，分析典型操作单元中若干具有代表性的设备的控制方案，从中说明设计控制方案的共同原则和方法。,第一节 流体输送设备的控制,泵的控制,压缩机的控制,11.1.1 泵的控制,离心泵的控制往复泵的控制,离心泵的控制,（1）控制泵的出口阀门开度,离心泵的控制,（2）控制泵的转速,图中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1n2n3。,该方案从能量消耗的角度来衡量最为经济，机械效率较高，但调速机构一般较复杂，所以多用在蒸汽透平驱动离
14、心泵的场合，此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。,离心泵的控制,(3)控制泵的出口旁路,该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使总的机械效率降低，故很少采用。,往复泵的控制,往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场合，它是利用活塞在汽缸中往复滑行来输送流体的。,往复泵的控制,（1）改变原动机的转速,（2）控制泵的出口旁路,（3）改变往复泵的冲程,11.1.2 压缩机的控制,直接控制流量,2.控制旁路流量,3.调节转速,11.1.2 压缩机的控制,4.防喘振控制,喘振是出现压缩机工作点反复迅速突变这一现象时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷，机身发生振动并波及到相连的管线，表现在
15、流量计和压力表的指针大幅度摆动。喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸入状态，也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲，吸入气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。,防喘振控制方案,1、固定极限流量法,防喘振控制方案,2、可变极限流量法,第二节 传热设备的控制,1、两侧均无相变化的换热器控制方察,（1）控制载流体流量,（2）控制载热体旁路流量,（3）控制被加热体流量,（4）控制被加热体自身流量的旁路,2、载热体进行冷凝的加热器自动控制,（1）控制蒸汽流量,（2）控制换热器的有效换热面积,31,两种方案比较,控制蒸汽流量法,优点：简单易行、过
16、渡过程时间短、控制迅速。缺点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，有时凝液冷到100以下，这时加热器内蒸汽一侧会产生负压，造成冷凝液的排放不连续，影响均匀传热。,32,控制换热器的有效换热面积法,缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。优点：防止局部过热，对一些过热后会引起化学变化的过敏性介质比较适用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的体积比蒸汽体积小得多，所以可以选用尺寸较小的控制阀门。,3、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制,（1）控制冷却剂的流量,（2）改变传热面积,（3）控制汽化压力,基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。,第三节
17、精馏塔的自动控制,一、工艺要求：1、保证质量指标2、保证平稳操作3、约束条件4、节能要求和经济性,二、主要干扰因素：1、进料流量的波动2、进料成分的变化3、进料温度及进料热焓的变化4、再沸器加热剂加入热量的变化5、冷却剂在冷凝器内除去热量的变化6、环境温度的变化,三、控制方案：1、按精馏段指标的控制方案2、按提馏段指标的控制方案,1、按精馏段指标的控制方案,1、按精馏段指标的控制方案,主要特点及应用场合：(1)由于采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此，它能较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要求比塔底严格时。一般宜采用精馏段温控方案。（2）如果干扰首先进入精馏段，例如气相进料时，由于进料量的变化首先影响塔顶的成分。所以来用精馏段温控就比较及时。,2、按提馏段指标的控制方案,2、按提馏段指标的控制方案,主要特点及应用场合：(1)由于采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此，能较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品，对塔釜成分要求比对馏出液为高时常采用提馏段温控方案。(2)当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，进料量或进料成分的变化首先要影响塔底的成分，故用提馏段温控就比较及时动态过程也比较快。,
