14计算机控制系统的工程设计

过程控制ProcessControl下篇过程计算机控制第14章计算机控制系统的工程设计本章要点◇计算机控制系统设计的原则与步骤◇计算机控制系统的工程设计与实现方法◇工业锅炉计算机控制系统具体设计方法本章学习目标◇掌握计算机控制系统设计的原则与步骤◇掌握计算机控制系统的工程设计方法◇理解锅炉计算机控制系统设计与实现方法第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法14.2工业锅炉计算机控制系统设计14.1计算机控制系统设计方法计算机控制系统的设计是综合运用多种知识的过程，不仅需要设计者掌握相关的工艺过程和测控要求，而且还必须掌握自动检测技术、过程检测技术及仪表、控制仪表及装置、控制理论、控制系统、计算机技术及通信技术等方面的知识。第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法14.1.1系统设计的原则与步骤计算机控制的生产过程多种多样，且系统的设计方案和具体的技术指标也是干变万化的，但在计算机控制系统的设计与实现过程中，设计原则与步骤基本相同。⑴可靠性高⑵实时性好⑶操作与维护方便⑷通用性好⑸性价比高第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法1.系统设计原则2.系统设计与实现的步骤⑴测控任务的确定⑵工程项目设计⑶设备安装与调试⑷在线调试及运行⑴确定系统的结构和类型⑵确定系统的主机机型⑶确定控制算法⑷软、硬件功能划分⑸选择现场设备⑹形成系统总体方案文件第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法1.系统总体方案设计14.1.2系统的工程设计与实现在对被控过程进行深入了解的基础上，才能确定系统的测控任务，进而最终提出切实可行的系统总体设计方案。总体设计方案主要包括以下内容：1）选择系统的总线类型第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法2.硬件系统的工程设计与实现总线式工业控制机采用插板结构，且具有高度模块化和积木化的特点，用户可根据需要选用相应的模块完成硬件组态，这就大大简化了计算机控制系统的设计工作。①内部总线选择——②外部总线选择PC总线；STD总线并行通信总线(IEEE-488)；串行通信总线(RS-232C)用于进行远距离通信和多站点互联的通信总线：RS-422；RS-485.（需要选配相应的通信接口板）选择依据是通信速率、通信距离、系统的拓扑结构及通信协议等。2）选择主机机型第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法①数字量输入、输出(DI／DO)模板选择在选择控制系统的主机机型时，可以选择工业PC、PLC或智能仪表。而在总线式工业控制机中，又因采用的CPU不同而有多种机型，设计人员要根据具体要求合理选型。3）选择输入、输出通道模板数字量输入模板包括三态缓冲器和电平转换电路等，数字量输出模板包括锁存器和输出电路等。PC总线的并行输入输出接口模板多种多样，有TTL电平的，也有带光电隔离的，通常情况下，与工业控制机共地装置的接口可采用TTL电平式，而其他装置与工业控制机之间则采用光电隔离式。另外，选择输入输出模板还应考虑的问题就是输入输出通道数。第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法②模拟量输入、输出(AI／AO)模板选择模拟量输入模板包括A/D转换电路和信号调理电路等，模拟量输出模板包括D/A转换电路和V/I转换电路等。AI模板的输入信号可以是0～5VDC、1～5VDC、0～10mADC、4～20mADC、热电偶（TC）信号、热电阻（RTD）信号以及各种传感器和变送器的输出信号，也可以是-5～+5V的双极性信号。AO模板的输出信号可以是0～5VDC、1～5VDC、0～10mADC、4～20mADC等信号。选择AI／AO模板应重点考虑分辨率、转换速度、量程范围及通道数等技术指标。4）选择现场仪表第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法①选择传感器和变送器工业中常用的传感器有热电偶、热电阻、位移传感器、振动传感器、转速传感器等，常用的变送器有压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器、温度变送器等。设计人员可根据被测参数的类型、测量范围、被测介质的种类、使用环境条件以及仪表的性能与价格等因素综合确定传感器和变送器的生产厂家与具体型号。②选择执行器执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成，它是控制系统的重要组成部分。执行机构按所用能源不同可分为电动、气动和液动三种。可根据特点及需要进行选择。第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法3.软件系统的工程设计与实现一般的工业控制机不仅给设计者提供硬件设计的方便，而且还把工业控制所需的各种软件功能都以模块的形式提供给用户，这些模块包括：输入处理模块、运算模块（如四则运算、开平方、最大值/最小值选择、工程量变换、上/下限报警等）、控制算法（如PID）模块、计数/计时模块、逻辑运算模块、输出处理模块等。设计者根据需要选择所需模块，然后利用组态语言生成用户程序即可。第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法有一些工业控制机不给用户提供软件模块，而全部应用软件都需用户自行开发。用户自行开发控制软件时，总的原则是先画出程序总体流程图和各功能模块流程图，然后选择程序设计语言，最后按先模块后整体的方式编制程序，并要注意程序的可维护性和可移植性。具体的程序设计内容：1）编程语言选择2）数据类型和数据结构规划3）资源分配4）应用程序设计①数据采集及数据处理程序②控制算法程序③控制量输出程序④实时时钟程序⑤数据管理程序⑥数据通信程序1）硬件系统调试第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法4.系统调试系统调试应遵循从易到难、从小到大、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、从局部到全局的基本原则。①在仪表安装之前,应按相关规程要求对检测元件、变送器、显示仪表、执行器等进行校验，以确保其精确度要求。②检查各种接线和导压管,以保证连接正确。③检查执行器能否灵活动作，调节阀开度与阀位反馈信号的对应关系是否与设计相符。④对于模拟量输入输出模板，应首先检查信号的零点和满量程，然后再按满量程的25％、50％、75％、100％分档检查，并且上行和下行来回调试，以检查其线性度是否满足要求。如果有多路切换开关，还应检查各通道是否能正确切换。对于开关量输入输出模板，可利用开关量输入输出程序来检查其读入状态或输出状态的正确性。⑤检查系统的抗干扰措施和接地情况，应符合相关技术要求。⑥检查相关的安全防护措施是否到位。2）软件系统调试第14章计算机控制系统的工程设计14.1计算机控制系统设计方法软件调试的顺序是从子程序、功能模块到主程序。待所有的子程序和功能模块调试完毕，即可用主程序将它们连接在一起进行整体调试，以检查模块之间的连接关系。整体调试的方法是自底向上逐步扩大，先按分支将模块组合成模块子集进行调试，然后再将部分模块子集连接起来进行局部调试，最后进行全局调试，完成整体调试工作。3）系统联调与运行在对硬件系统和软件系统分别联调之后，即可进行全系统的硬件与软件联机统调，这其中的重要工作之一就是参数整定。控制系统投运时应先切换到手动状态，等系统运行趋于平稳且被控变量的实际值接近给定值时，再切换到自动状态，然后再进行参数整定。14.2工业锅炉计算机控制系统设计第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计14.2.1工艺过程概述以10t/h链条式蒸汽锅炉为例，介绍其计算机控制系统的工程设计与实现方法。第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计14.2.2工业锅炉采用计算机控制的意义⑴能集中且直观地显示锅炉数十个工艺参数的瞬时值和给定值，并可显示各个调节阀门的开度大小，这就方便了操作人员的观察和比较，进而更容易掌握锅炉的运行状态。⑵利用计算机软件代替过去的许多单元仪表，可实现各种运算功能，这不仅减少了投资，同时也提高了系统的可靠性。⑶在系统运行过程中，能快速且方便地修改各种被控参数的设定值，并可实现自动/手动切换及手动操作等功能。⑷可长时间保存各种运行参数，并可根据生产或管理需要随时打印相关报表。⑸可对主要参数的历史数据和变化趋势进行分析，可设计并实现锅炉燃烧优化控制和各种复杂控制算法，以提高锅炉热效率和控制质量。⑹可根据需要构成集中式控制系统、集散型控制系统或现场总线控制系统，以满足不同的用户需要。第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计14.2.3工业锅炉计算机控制系统的基本功能⑴实时控制功能⑵显示功能⑶操作功能⑷数据存储与打印功能⑸报警功能⑹联锁功能第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计14.2.4工业锅炉直接数字控制系统设计直接数字控制(DDC)系统是计算机在工业控制中应用最为普遍的一种方式。它以一台工业控制机代替多台常规单元调节仪表，用计算机对锅炉汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛压力及烟气含氧量等参数进行巡回检测，检测信号由过程输入通道转换成数字量信息，再经滤波等运算处理后，送往对应控制回路的控制程序，按各自的控制规律进行处理，最后由过程输出通道将控制信号输出至相应的执行机构，完成锅炉自动控制任务。第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计首先，根据工艺要求，确定检测控制参数。1）锅炉检测参数表14.110t/h链条式蒸汽锅炉主要检测参数表第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计2）硬件系统设计10t/h链条式蒸汽锅炉DDC系统硬件结构图第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计10t/h链条式蒸汽锅炉DDC系统硬件主要由工业控制机及外部设备、过程输入/输出通道、现场仪表等组成。本系统采用研华工控机，其配置为：P42.4GHz处理器，80GB硬盘，1GB内存，52倍速光驱，两个串行口(COMI和COM2)，一个并行打印口，USB接口，光电鼠标，键盘，10/100Mbps网卡，21英寸液晶显示器，激光打印机及UPS电源等。①工业控制机及外部设备②过程输入/输出通道过程量输入/输出采用研华PCI板卡实现。③现场仪表现场仪表主要包括传感器、变送器和执行机构等。第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计3）软件系统设计软件系统主要包括：主程序、数据采集与处理程序、数字滤波程序、标度变换程序、PID控制程序、PID参数修改程序、输出程序、报警程序、通信程序、数据库管理程序及报表、图形与曲线显示程序等。第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计14.2.5工业锅炉IPC+PLC控制系统设计1）控制系统总体结构第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计2）硬件系统设计硬件系统主要包括管理计算机、操作站和现场控制单元三部分。另外，为了提高系统的可靠性，除了计算机控制系统外，还可设置单元仪表过程测控系统，对汽包水位等重要的参数设置显示仪表，对各控制回路设置手动操作器，以便计算机控制系统（主要是PLC）出现故障时，操作人员仍能根据仪表显示数值及时进行手动操作，从而避免事故的发生。管理计算机：远程监控与调度，选用PC机操作站：配置三个操作站，可互为备用，选用IPC现场控制单元：选用PLC-300，通过必要的扩展，实现对三台锅炉的测控任务第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计表14.2PLC硬件配置表考虑锅炉运行的实际情况，保证锅炉正常运行的PLC硬件配置第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计PLC硬件系统结构第14章计算机控制系统的工程设计14.2工业锅炉计算机控制系统设计3）软件系统设计操作站监控软件采用WinCC设计，监控画面包括锅炉主流程画面、工艺参数画面、控制回路画面、报警显示画面、实时曲线画面、历史曲线画面及报表打印画面等，可实现锅炉的监控功能。PLC程序是整个系统的核心，它直接关系到测控系统能否安全、稳定