1、第11章 計算機控制系統(tǒng)實例l 本章的教學(xué)目的與要求掌握各種過程通道的結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計及使用方法。l 授課主要內(nèi)容l 工業(yè)鍋爐計算機控制系統(tǒng)l 硫化機計算機群控系統(tǒng)l 主要外語詞匯Sulfurate Machine:硫化機，工業(yè)鍋爐：Industrial Boilerl 重點、難點及對學(xué)生的要求說明：帶“*”表示要掌握的重點內(nèi)容，帶“*”表示要求理解的內(nèi)容，帶“*”表示要求了解的內(nèi)容，帶“”表示難點內(nèi)容，無任何符號的表示要求自學(xué)的內(nèi)容l 工業(yè)鍋爐工藝*l 工業(yè)鍋爐計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計*l 硫化機計算機群控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計*l 輔助教學(xué)情況多媒體教學(xué)課件（POWERPOINT）l 復(fù)習(xí)思考題l

2、工業(yè)鍋爐計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計l 硫化機計算機群控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計l 參考資料劉川來，胡乃平，計算機控制技術(shù)，青島科技大學(xué)講義11.1 工業(yè)鍋爐計算機控制系統(tǒng)工業(yè)鍋爐介紹常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖11.1所示。燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設(shè)備控制供給負荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機送往煙囪，排入大氣。鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，主要的輸入變量是負荷、鍋爐

3、給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等，如圖11.2所示。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過剩空氣（煙氣含氧量）等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負壓發(fā)生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過剩空氣和爐膛負壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響；等等。鍋爐是一個典型的多變量對象，要進行自動控制，對多變量對象可按自治的原則和協(xié)調(diào)跟蹤的原則加以處理。目前，鍋爐控制系統(tǒng)大致可劃分為三個控制系統(tǒng)：鍋爐燃燒控制系統(tǒng)、鍋爐給水控制系統(tǒng)和過熱蒸汽溫度控

4、制系統(tǒng)。鍋爐計算機控制系統(tǒng)組成1. 燃燒過程控制系統(tǒng)（1）燃燒過程控制任務(wù)鍋爐的燃燒過程是一個能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程，其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經(jīng)濟效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量），提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負壓在一定的范圍內(nèi)。（2）燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)計方案在多變量對象中，調(diào)節(jié)量和被調(diào)量之間的聯(lián)系不都是等量的，也就是說，對于一個具體對象而言，在眾多的信號通道中，對某一個被調(diào)量可能只有一個通道對它有較重要的影響，其它通道的影響相對于主通道來說可以忽略。根據(jù)自治原則簡化鍋

5、爐燃燒控制系統(tǒng)，可將其大致分為三個單變量控制系統(tǒng)：燃料量汽壓子系統(tǒng)、送風(fēng)量過量空氣系數(shù)子系統(tǒng)以及引風(fēng)量爐膛負壓子系統(tǒng)。不少多變量系統(tǒng)可以利用自治原則來進行簡化，但并不是分解成多個單回路控制系統(tǒng)后，問題就全部解決。因為各回路之間往往還存在著聯(lián)系和要求，必須在設(shè)計中加以考慮。協(xié)調(diào)跟蹤的原則，就是在多個單回路基礎(chǔ)上，建立回路之間相互協(xié)調(diào)和跟蹤的關(guān)系，以彌補用幾個近似單變量對象來代替時所忽略的變量之間的關(guān)聯(lián)。此例中，鍋爐燃燒過程的上述三個子系統(tǒng)間使彼此仍有關(guān)聯(lián)。首先考慮到燃料量與送風(fēng)量子系統(tǒng)間應(yīng)滿足以下兩點:鍋爐燃燒過程中燃料量與空氣（送風(fēng)）量之間應(yīng)保持一定比例，實際空氣（送風(fēng)）量大于燃料需要空氣量，

6、他們之間存在一個最佳空燃比（最佳過剩空氣系數(shù)），即一般情況下，1。為了保持在任何時刻都有足夠的空氣以實現(xiàn)完全燃燒，當(dāng)熱負荷增大時，應(yīng)先增加送風(fēng)量，后增加燃料量；若熱負荷減少時，應(yīng)先減少燃料量，再減少送風(fēng)量。為了滿足上述兩點要求，在這兩個單回路的基礎(chǔ)上，建立交叉限制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如圖11.3所示。其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送風(fēng)量測量變送器的傳遞函數(shù)，假設(shè)它們都是比例環(huán)節(jié)，則Wm1（s）=K1 ，Wm1（s）=K2 。由此可得到最佳空燃比與空氣量、燃料量測量信號IV和IB之間的關(guān)系如下：設(shè) 則 假設(shè)機組所需負荷的信號為IQ，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，則有：設(shè)定值 r1=IQ=IV/=IB設(shè)

7、定值 r2=IQ=IB =IV即 IQ=IB ；IV=IB表明系統(tǒng)的燃料量適合系統(tǒng)的要求，而且達到最佳空燃比。當(dāng)系統(tǒng)處于動態(tài)時，假如負荷突然增加，對于送風(fēng)量控制系統(tǒng)而言，高選器的兩個輸入信號中，IQ突然增大，則IQIB ，所以，增大的IQ信號通過高選器，在乘以后作為設(shè)定值送入調(diào)節(jié)器WC2，顯然該調(diào)節(jié)器將使u2增加，空氣閥門開大，送風(fēng)量增大，即IV增加。對于燃料量控制系統(tǒng)來說，盡管IQ增大，但在此瞬間IV還來不及改變，所以低選器的輸入信號IQIV ，低選器輸出不變，r1=IV/不變，此時燃料量B維持不變。只有在送風(fēng)量開始增加以后，即IV變大，低選器的輸出才隨著IV的增大而增加，即r1隨之加大，這

8、時燃料閥門才開大，燃料量加多。反之，在負荷信號減少時，則通過低選器先減少燃料量，待IB減少后，空氣量才開始隨高選器的輸出減小而減小，從而保證在動態(tài)時，滿足上述第點要求，始終保持完全燃燒。進一步分析可知，燃料量控制子系統(tǒng)的任務(wù)在于，使進入鍋爐的燃料量隨時與外界負荷要求相適應(yīng)，維持主壓力為設(shè)定值。為了使系統(tǒng)有迅速消除燃料側(cè)自發(fā)擾動的能力，燃料量控制子系統(tǒng)大都采用以主汽壓力為主參數(shù)、燃料量為副參數(shù)的串級控制方案。保證燃料在爐膛中的充分燃燒是送風(fēng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)。在大型機組的送風(fēng)系統(tǒng)中，一、二次風(fēng)通常各采用兩臺風(fēng)機分別供給，鍋爐的總風(fēng)量主要由二次風(fēng)來控制，所以這里的送風(fēng)控制系統(tǒng)是針對二次風(fēng)控制而言的

9、。送風(fēng)子控制系統(tǒng)的最終目的是達到最高的鍋爐熱效率，保證經(jīng)濟性。為保持最佳過剩空氣系數(shù)，必須同時改變風(fēng)量和燃料量。是由煙氣含氧量來反映的。因此常將送風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計為帶有氧量校正的空燃比控制系統(tǒng)，經(jīng)過燃料量與送風(fēng)量回路的交叉限制，組成串級比值的送風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上是一個有前饋的串級控制系統(tǒng)，如圖11.4所示。它首先在內(nèi)環(huán)快速保證最佳空燃比，至于給煤量測量不準(zhǔn)，則可由煙氣中氧量作串級校正。當(dāng)煙氣中含氧量高于設(shè)定值時，氧量校正調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號，修正送風(fēng)量調(diào)節(jié)器設(shè)定，使送風(fēng)調(diào)節(jié)器減少送風(fēng)量，最終保證煙氣中含氧量等于設(shè)定值。爐膛負壓控制系統(tǒng)的任務(wù)在于調(diào)節(jié)煙道引風(fēng)機導(dǎo)葉開度，以改變引風(fēng)量；保持爐膛負壓為設(shè)定值

10、，以穩(wěn)定燃燒，減少污染，保證安全。2. 鍋爐給水控制系統(tǒng)（1）鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)其任務(wù)是考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)給水全程控制。給水控制也稱為汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水量。（2）給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單沖量控制系統(tǒng)以水位信號H為被控量、給水流量作為控制量組成的單回路控制系統(tǒng)稱為單沖量控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、整定方便，但克服給水自發(fā)性擾動，和負荷擾動的能力差，特別是大中型鍋爐負荷擾動時，嚴重的假水位現(xiàn)象將導(dǎo)致給水控制機構(gòu)誤動作，造成汽包水位激烈的上下波動，嚴重影響設(shè)備壽命和安全。單級三沖量控制系統(tǒng)該系統(tǒng)相當(dāng)于將上述

11、單沖量控制與比例控制相結(jié)合。以負荷作為系統(tǒng)設(shè)定值，利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)流量，使給水量準(zhǔn)確跟蹤蒸汽流量，再將水位信號作為主參數(shù)負反饋，構(gòu)成了單級三沖量給水控制系統(tǒng)，如圖11.5所示。所謂“三沖量”，是指控制器接受了三個測量信號：汽包水位、蒸汽流量和給水流量。蒸汽流量信號是前饋信號，當(dāng)負荷變化時，它早于水位偏差進行前饋控制，及時的改變給水流量，維持進出汽包的物質(zhì)平衡，有效地減少假水位的影響，抑制水位的動態(tài)偏差；給水流量是局部反饋信號，動態(tài)中它能及時反映控制效果，使給水流量跟蹤蒸汽流量變化而變化，蒸汽流量不變時，可及時消除給水側(cè)自發(fā)擾動；穩(wěn)態(tài)時使給水流量信號與蒸汽流量信號保持平衡，以滿足負荷變化的需要

12、；汽包水位量是被控制量、主信號，穩(wěn)定時，汽包水位等于設(shè)定值。顯然，三沖量給水控制系統(tǒng)在克服干擾影響、維持水位穩(wěn)定、提高給水控制方面都優(yōu)于單沖量給水控制系統(tǒng)。事實上，由于檢測、變送設(shè)備的誤差等因素的影響，蒸汽流量和給水流量這兩個信號的測量值在穩(wěn)態(tài)時難以做到完全相等，且單級三沖量控制系統(tǒng)一個調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需要兼顧較多的因素，動態(tài)整定過程也較復(fù)雜，因此在現(xiàn)場很少再采用單級三沖量給水控制系統(tǒng)。串級三沖量控制系統(tǒng)串級三沖量給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖11.6所示。該系統(tǒng)由主副兩個PI調(diào)節(jié)器和三個沖量構(gòu)成，與單級三沖量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)多采用了一個PI調(diào)節(jié)器，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，分工明確。PI1為水位調(diào)節(jié)器，

13、它根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量設(shè)定值；PI2為給水流量調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給水流量偏差控制給水流量并接受前饋信號。蒸汽流量信號作為前饋信號，用來維持負荷變動時的物質(zhì)平衡，由此構(gòu)成的是一個前饋串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但各調(diào)節(jié)器的任務(wù)比較單純，系統(tǒng)參數(shù)整定相對單級三沖量系統(tǒng)要容易些，不要求穩(wěn)態(tài)時給水流量蒸汽流量測量信號嚴格相等，即可保證穩(wěn)態(tài)時汽包水位無靜態(tài)偏差，其控制重量較高，是現(xiàn)場廣泛采用的給水控制系統(tǒng)，也是組織給水全程控制的基礎(chǔ)。3. 蒸汽溫度控制系統(tǒng)（1）蒸汽溫度控制系統(tǒng)任務(wù)維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。被控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水

14、量。（2）過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)以過熱蒸汽為主參數(shù)，選擇二段過熱器前的蒸汽溫度為輔助信號，組成串級控制系統(tǒng)或雙沖量氣溫控制系統(tǒng)。4. 鍋爐計算機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)工業(yè)鍋爐計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖11.7所示。一次儀表測得的模擬信號經(jīng)采用電路、濾波電路進入A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號送入計算機，計算機對數(shù)據(jù)進行處理之后，便于控制和顯示。D/A轉(zhuǎn)換將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，并放大到010mA，分別控制水泵調(diào)節(jié)閥、鼓風(fēng)機擋板、引風(fēng)機擋板和爐排直流電動機。11.2 硫化機計算機群控系統(tǒng)內(nèi)胎硫化是橡膠廠內(nèi)胎生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，硫化效果將直接影響內(nèi)胎的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。目前國內(nèi)大

15、部分生產(chǎn)廠家都是使用延時繼電器來控制硫化時間， 由于硫化中所需的蒸汽壓力和溫度經(jīng)常有較大的波動， 單純按時間計算可能會產(chǎn)生過硫或欠硫現(xiàn)象， 直接影響了內(nèi)胎的質(zhì)量。因此， 設(shè)計一種利用先進計算機控制技術(shù)的硫化群控及管理系統(tǒng)， 不僅能提高企業(yè)的自動化水平， 也能降低硫化機控制裝置的維護成本和硫化操作人員的勞動強度，提高硫化過程中工藝參數(shù)的顯示和控制精度， 同時也避免了個別硫化操作人員為提高產(chǎn)量而出現(xiàn)的“偷時”現(xiàn)象(即操作人員縮短硫化時間， 未硫化完畢就開模) ， 使內(nèi)胎的產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。系統(tǒng)總體方案內(nèi)胎硫化過程共包括四個階段: 合模、硫化、泄壓、開模。由于所有硫化機的控制方式相同， 所以特別適合

16、群控。在自動模式下， 當(dāng)硫化操作人員裝胎合模后， 由控制系統(tǒng)根據(jù)溫度計算內(nèi)胎的等效硫化時間并控制泄壓閥、開模電機的動作。為克服溫度波動的影響， 經(jīng)過大量實驗， 選用阿累尼烏斯(Arrhenius) 經(jīng)驗公式來計算等效硫化時間。某橡膠制品有限公司硫化車間共有內(nèi)胎硫化機96臺，為便于整個生產(chǎn)過程的控制和管理擬采用計算機群控及管理系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)的現(xiàn)場情況，借鑒DCS (Distributed Control System ， 集散控制系統(tǒng)) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 使用PLC作為直接控制級，完成現(xiàn)場的控制功能; 使用工業(yè)控制計算機作為管理和監(jiān)視級。系統(tǒng)總體方案見圖11.8。PLC 通過溫度采集模塊采集現(xiàn)場的96

17、 臺硫化機溫度信號，進行等效計算后，按設(shè)定型號的參數(shù)計算硫化機的硫化時間并對泄壓閥、開模電機動作進行控制，完成內(nèi)胎的整個硫化過程。采用串行通訊方式將PLC 傳送上來的信號采集到工業(yè)控制計算機，在監(jiān)控軟件主界面對96 臺硫化機的硫化溫度和狀態(tài)進行動態(tài)顯示， 并自動記錄相關(guān)過程數(shù)據(jù)，監(jiān)控軟件還具有參數(shù)設(shè)置、查詢及報表打印等功能。由于計算機本身及其操作系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，工業(yè)控制計算機不參與控制， 即使工業(yè)控制計算機出現(xiàn)故障也不會影響PLC 的正常運行，從而也不會影響現(xiàn)場的控制，但是所有的現(xiàn)場參數(shù)將不能被監(jiān)視和存儲。系統(tǒng)共有三種工作方式:自動等效硫化方式、自動定時硫化控制方式和機臺原有的延時繼電器手動控

18、制方式。可以根據(jù)需要在現(xiàn)場利用操作臺上的旋鈕選擇工作方式。工業(yè)控制計算機采用研華P4 2.4G，作為控制級的PLC 共兩套，采用三菱公司的FX2N 128MR。兩套PLC的控制是獨立的，分別通過串行口連接到工業(yè)控制計算機。特殊模塊FX2N-4AD用來采集現(xiàn)場的熱電阻溫度信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往PLC。熱電阻采用PT100，熱電阻經(jīng)過溫度變送器變成0-5V的電壓信號。FX2n-4AD模塊共有四路通道， 在任一時刻只能有4個溫度信號進入PLC，為提高其使用效率，自行研制了模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，模擬開關(guān)采用2片CD4501，可以完成16選1的模擬開關(guān)功能，利用PLC內(nèi)部的編程指令控制模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)依次選通各

19、個通道，循環(huán)將48臺熱電阻信號采集到PLC。通訊模塊FX2N-485BD(485信號)和通訊轉(zhuǎn)換模塊FX2N-485PC-IF(轉(zhuǎn)換計算機的RS232信號和485BD的485信號)被用來實現(xiàn)PLC和工業(yè)控制計算機的串行通訊。模擬選通信號計算機打印機FX2N 485BDPLC FX2N 128MRPLCFX2N 128MR FX2N 4AD1#48#硫化機49#96#硫化機模擬選通信號溫度變送器FX2N 485PCIFFX2N 4AD熱電阻FX2N 485BD模擬開關(guān)開關(guān)量輸入輸出信號溫度變送器熱電阻模擬開關(guān)開關(guān)量輸入輸出信號圖11.8 內(nèi)胎硫化計算機群控及管理系統(tǒng)總體方案手動初始化數(shù)據(jù)采集及處

20、理子程序手動/自動等效硫化計算子程序或定時硫化自動邏輯動作子程序（合模、泄壓、開模等）報警子程序開始圖11.9 控制軟件主程序流程簡圖可編程控制器控制軟件的設(shè)計三菱公司FX2N 系列可編程控制器可以使用梯形圖、指令表和SFC 三種編程方式， 指令多達156種，功能強大，編程非常方便。從內(nèi)胎硫化的流程可知，硫化的控制屬于過程、位置控制， 采用PLC 可方便的進行編程， 實現(xiàn)內(nèi)胎硫化機的等效硫化時序。為提高運行速度、減少運行指令，在控制軟件設(shè)計中采用了模塊化編程，設(shè)計了多種通用子程序，如數(shù)據(jù)采樣及處理子程序、等效硫化計算子程序、報警子程序等。控制軟件主程序流程簡圖見圖11.9。工控機管理軟件設(shè)計1工控機軟件總體設(shè)計圖11.10 內(nèi)胎硫化計算機管理系統(tǒng)功能圖系統(tǒng)管理查詢報表用戶設(shè)置內(nèi)胎硫化計算機管理系統(tǒng)主界面：實時數(shù)據(jù)監(jiān)控添加用戶修改密碼用戶切換數(shù)據(jù)恢復(fù)設(shè)置機臺號設(shè)置內(nèi)胎型號設(shè)置型號參數(shù)設(shè)置班組設(shè)置硫化工代號產(chǎn)品查詢溫度曲線查詢報表班報表月報表機臺報表工控機管理軟件采用Inprise 公司的Delphi7開發(fā)，工控機的RS2232 串行通訊接口通過FX2N-485PC-IF連接到可編程控制器的通訊模塊FX2N-485BD上， 以半雙工異步串行通訊方式通訊，讀取或