1第11章

計算機控制系統實例

ExampleofComputerControlSystems2工業鍋爐計算機控制系統硫化機計算機群控系統焊接機器人控制系統本章主要內容311.1工業鍋爐計算機控制系統工業鍋爐簡介鍋爐計算機控制系統組成與實現11.1.1工業鍋爐介紹按燃料種類分，在各個工業部門中，應用最多的有燃油鍋爐、燃氣鍋爐和燃煤鍋爐。在石油化工、煉油的生產過程中，往往產生各種不同的殘油、殘渣、釋放氣和煉廠氣，為充分利用這些燃料，所以出現了油、氣混合燃燒鍋爐和油、氣、煤混合燃燒鍋爐。所有這些鍋爐，燃料種類各不相同，但蒸汽發生系統和蒸汽處理系統是基本相同的。5圖11.1鍋爐設備主要工藝流程圖6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生系統，產生飽和蒸汽Ds。然后經過熱器，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，經負荷設備控制供給負荷設備用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，除將飽和蒸汽變為過熱蒸汽外，還經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪，排入大氣。

鍋爐設備主要的工藝流程7鍋爐設備是一個復雜的控制對象，輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等。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。這些變量之間相互關聯。如果蒸汽負壓發生變化，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。圖11.2輸入變量與輸出變量關系圖8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調跟蹤的原則加以處理。目前，鍋爐控制系統大致可劃分為三個控制系統：

鍋爐燃燒控制系統鍋爐給水控制系統過熱蒸汽溫度控制系統

911.1.2鍋爐計算機控制系統組成燃燒過程控制系統：燃燒過程控制任務：使燃料燃燒所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要（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；使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓在一定的范圍內。燃燒過程控制系統設計方案：根據自治原則簡化鍋爐燃燒控制系統，可將其大致分為三個單變量控制系統：燃料量—汽壓子系統、送風量—過量空氣系數子系統以及引風量—爐膛負壓子系統。1011.1.2鍋爐計算機控制系統組成鍋爐燃燒過程的上述三個子系統間使彼此仍有關聯。首先考慮到燃料量與送風量子系統間應滿足以下兩點:

鍋爐燃燒過程中燃料量與空氣(送風)量之間應保持一定比例，實際空氣(送風)量大于燃料需要空氣量，他們之間存在一個最佳空燃比(最佳過剩空氣系數)α，即為了保持在任何時刻都有足夠的空氣以實現完全燃燒，當熱負荷增大時，應先增加送風量，后增加燃料量；若熱負荷減少時，應先減少燃料量，再減少送風量。11其中，Wm1(s)和Wm2(s)是燃料量和送風量測量變送器的傳遞函數，假設它們都是比例環節，則Wm1(s)=K1，Wm2(s)=K2。由此可得到最佳空燃比α與空氣量、燃料量測量信號IV和IB之間的關系如下：設，則12假設機組所需負荷的信號為IQ，當系統處于穩態時，則有設定值。即。，，表明系統的燃料量適合系統的要求，而且達到最佳空燃比。假如負荷突然增加，對于送風量控制系統而言，高選器的兩個輸入信號中，突然增大，則＞，所以，增大的信號通過高選器，在乘以β后作為設定值送入調節器WC2，顯然該調節器將使u2增加，空氣閥門開大，送風量增大。對于燃料量控制系統來說，盡管增大，但在此瞬間還來不及改變，所以低選器的輸入信號＞，低選器輸出不變，不變，此時燃料量B維持不變。只有在送風量開始增加以后，即變大，低選器的輸出才隨著的增大而增加，這時燃料閥門才開大，燃料量增多。反之，在負荷信號減少時，則通過低選器先減少燃料量，待減少后，空氣量才開始隨高選器的輸出減小而減小，滿足上述第二點要求，始終保持完全燃燒。13送風子控制系統的最終目的是達到最高的鍋爐熱效率。通常將送風控制系統設計為帶有氧量校正的空燃比控制系統，經過燃料量與送風量回路的交叉限制，組成串級比值的送風系統。結構上是一個有前饋的串級控制系統，如圖11.4所示。14鍋爐給水控制系統：控制任務：考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發量，維持汽包水位在規定的范圍內，實現給水全程控制。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。基本結構：

單沖量控制系統單級三沖量控制系統串級三沖量控制系統15單沖量控制系統以水位信號H為被控量、給水流量作為控制量組成的單回路控制系統稱為單沖量控制系統。這種系統結構簡單、整定方便，但克服給水自發性擾動和負荷擾動的能力差。單級三沖量控制系統以負荷作為系統設定值，利用PI調節器調節流量，使給水量準確跟蹤蒸汽流量，再將水位信號作為主參數負反饋，構成了單級三沖量控制系統。16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，當負荷變化時，它早于水位偏差進行前饋控制，有效地減少假水位的影響，抑制水位的動態偏差；給水流量是局部反饋信號，它能及時反映控制效果，穩態時使給水流量信號與蒸汽流量信號保持平衡；汽包水位量是被控制量、主信號。事實上，由于檢測、變送設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態時難以做到完全相等，且單級三沖量控制系統一個調節器參數整定需要兼顧較多的因素，動態整定過程也較復雜，因此在現場很少再采用單級三沖量給水控制系統。17串級三沖量控制系統該系統由主副兩個PI調節器和三個沖量構成，兩個調節器串聯工作。PI1為水位調節器，它根據水位偏差產生給水流量設定值；PI2為給水流量調節器，它根據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，由此構成的是一個前饋——串級控制系統。該系統結構較復雜，但各調節器的任務比較單純，系統參數整定相對單級三沖量系統要容易些，是現場廣泛采用的給水控制系統。18蒸汽溫度控制系統：控制任務：維持過熱器出口溫度在允許范圍內，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量。控制系統：以過熱蒸汽為主參數，選擇二段過熱器前的蒸汽溫度為輔助信號，組成串級控制系統或雙沖量氣溫控制系統。

19鍋爐計算機控制系統實現：一次儀表測得的模擬信號經采用電路、濾波電路進入A/D轉換電路，A/D轉換電路將轉換完的數字信號送入計算機，計算機對數據進行處理之后，便于控制和顯示。D/A轉換將計算機輸出的數字量轉換成模擬量，并放大到0—10mA，分別控制水泵調節閥、鼓風機擋板、引風機擋板和爐排直流電動機。

202111.2硫化機計算機群控系統系統總體方案可編程控制器控制軟件設計工控機管理軟件設計22系統總體方案：內胎硫化過程共包括四個階段:合模、硫化、泄壓、開模。所有硫化機的控制方式相同，所以特別適合群控。在自動模式下，由控制系統根據溫度計算內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，用阿累尼烏斯(Arrhenius)經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胎硫化機96臺，為便于整個生產過程的控制和管理擬采用計算機群控及管理系統。根據企業的現場情況，借鑒DCS系統結構，使用PLC作為直接控制級，完成現場的控制功能;使用工業控制計算機作為管理和監視級。2324可編程控制器控制軟件設計：從內胎硫化的流程可知，硫化的控制屬于過程、位置控制，采用PLC可方便地進行編程，實現內胎硫化機的等效硫化時序。為提高運行速度、減少運行指令，在控制軟件設計中采用了模塊化編程，設計了多種通用子程序，如數據采樣及處理子程序、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。

2526工控機管理軟件設計：總體設計：工控機的RS-232串行通信接口通過FX2N-485PC-IF連接到可編程控制器的通信模塊FX2N-485BD上，以半雙工異步串行通信方式通信，讀取或設置參數，并在主窗口動態顯示，自動記錄車間內所有機臺在三種控制方式下生產的產品的過程參數和數量、操作合法性等數據，可以隨時查看硫化溫度曲線，還具有報警提示、查詢、報表打印等功能。管理系統功能圖如圖11.10所示。2728工控機管理軟件設計：串行通信接口數據傳輸的軟件設計：開發串口通信軟件一般有兩種方法：一種是采用Microsoft的MSComm控件，這種方法實現起來相對比較簡單，但效率較低；另一種是利用Windows的通信API函數，實現的功能強大，特別適合于面向底層的下位機通信，但是需要編程人員掌握大量的通信知識，還要掌握多線程編程。利用PComm編寫串口通信軟件，開發者可以充分利用API的強大功能，使用起來也比較方便。串行通信程序設計主要分為兩部分，一是通信設備資源的初始化，包括串行口打開、關閉及串口參數設置等;二是通訊事件的處理。29（1）通信初始化程序初始化程序完成傳輸信號的通訊端口選擇、打開，并設定相關參數，包括波特率、數據位、停止位、奇偶校驗等。30（2）通信事件的處理工控機與PLC進行通訊必須有相同的通訊協議。PLC的通訊格式在其特殊數據寄存器D8120中設置。D8120的第0至15位分別表示:數據長度、奇偶校驗、停止位、波特率、數據頭、數據尾、控制以及校驗、協議、傳輸的控制協議。例如，數據長度7位、偶校驗、2位停止位、波特率為9600bit/s、不使用數據頭和數據尾、傳輸數據協議采用模式1、D8120設置為0C8E。在模式1的條件下，傳輸數據的基本格式為控制碼、站號、PC號、命令、等待時間、字符和校驗。例如，當計算機讀PLC寄存器D1000中的數據時，傳輸數據的格式見表11.1。3111.3焊接機器人控制系統系統組成與工作原理焊接機器人控制方案設計與實施32系統組成與工作原理：焊接機器人系統通常由機器人本體、機器人控制器、焊機、底座平臺、焊接夾具和PLC控制系統等組成，如圖所示。33焊接機器人控制的基本原理是，得到焊接要求、生成焊槍路徑規劃、完成焊接和信息反饋。首先，用戶手動輸入焊接參數指令，按照實際焊接軌跡控制焊接機器人工作一次，這個過程中記錄下機器人的不同位姿，生成一個完整的焊接程序。在示教完成后，機器人就能依據設定好的焊接程序進行循環焊接工作，同時傳感器能夠及時反饋運動信息和焊接參數信息。從本質上來說，機器人焊接生產作業時，對機器人本體位姿的控制實際上是對電動機的控制，電動機驅動器將脈沖輸入信號轉換為電動機軸端的旋轉運動，通過每一個機械關節上電動機旋轉軸的轉角與轉速相互配合，來實現機器人工作要求的各個位姿。34圖11.12焊接機器人控制系統結構框圖焊接機器人控制方案設計與實施35由焊接機器人控制系統的結構組成和系統工作原理可知，運動控制系統是焊接機器人的核心。整個控制系統由PLC控制系統、機器人控制器（運動控制器）、電動機系統、機器人機械本體、焊接機、焊接夾具、傳感器系統、人機界面（HMI）等組成。PLC控制系統負責整個焊接機器人系統的邏輯控制和協調、焊接參數控制、傳感器數據處理、安全監控、人機界面（HMI）集成和通信與數據管理。機器人控制器（運動控制器）負責路徑規劃、插補控制、伺服控制、同步控制、實時反饋與調整、防碰撞控制。36電動機系統負責控制伺服電動機的運行，驅動機器人機械臂和末端執行器。機器人機械本體通過多自由度機械臂，實現復雜的焊接路徑，完成焊接功能。焊接機提供焊接所需的電流和電壓，實現焊接功能。焊接夾具確保工件在焊接過程中的位置穩定。傳感器系統反饋各種物理參數，包括位置、焊接和視覺等。人機界面（HMI）實現人機交互的功能。37硬件選擇

PLC：應選用選擇適合工業應用的高性能PLC，如西門子S7-1200/1500、三菱FX5U、歐姆龍CJ2M等。I/O模塊：根據需求選擇數字I/O和模擬I/O模塊，確保能夠連接所有傳感器和執行器。焊接機器人控制器：需要考慮多種因素，包括機器人型號、焊接工藝要求、控制精度、系統兼容性和擴展性等。庫卡的KRC4、ABB的IRC5、FANUC的R-30iBPlus和安川的DX200都是業界知名的高性能控制器，能夠滿足不同應用場景下的焊接需求。具體選型應結合實際應用場景和需求，確保系統的高效運行和焊接質量。38焊接機器人：應選用六軸或多軸工業機器人，如ABBIRB系列、庫卡KR系列、安川MH系列等。焊接工具：焊接工具可選用MIG、TIG、點焊槍等，根據具體焊接需求選擇合適的焊接工具。傳感器：1）位置傳感器：光電傳感器、激光傳感器等，用于精確定位焊接位置。2）溫度傳感器：熱電偶、紅外溫度傳感器，用于監測焊接溫度。3）電流傳感器：霍爾效應傳感器，用于監測焊接電流。人機界面（HMI）：人機界面可選用工業觸摸屏，如西門子TP系列、威綸通MT系列等，提供直觀的操作界面。39軟件設計軟件功能模塊需求分析：需要從機器人使用過程中所涉及的作業條件、運動軌跡特性、控制