第章计算机控制新版系统实例.doc

第11章 计算机控制系统实例
l 本章教学目与规定
掌握各种过程通道构造、原理、设计及用法。
l 授课重要内容
l 工业锅炉计算机控制系统
l 硫化机计算机群控系统
l 重要外语词汇
Sulfurate Machine:硫化机，工业锅炉：Industrial Boiler
l 重点、难点及对学生规定
阐明：带“***”表达要掌握重点内容，带“**”表达规定理解内容，带“*”表达规定理解内容，带“☆”表达难点内容，无任何符号表达规定自学内容
l 工业锅炉工艺*
l 工业锅炉计算机控制系统设计***☆
l 硫化机计算机群控系统软硬件设计***☆
l 辅助教学状况
多媒体教学课件（POWERPOINT）
l 复习思考题
l 工业锅炉计算机控制系统设计
l 硫化机计算机群控系统软硬件设计
l 参照资料
刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义

11.1 工业锅炉计算机控制系统
11.1.1工业锅炉简介
常用锅炉设备重要工艺流程如图11.1所示。

燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后通过热器，形成一定温度过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm过热蒸汽，经负荷设备控制供应负荷设备用。与此同步，燃烧过程中产生烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。
锅炉设备是一种复杂控制对象，重要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等，如图11.2所示。重要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些输入变量与输出变量之间互有关联。如果蒸汽负压发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等变化；燃料量变化不但影响蒸汽压力，同步还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量变化不但影响汽包水位，并且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；等等。
锅炉是一种典型多变量对象，要进行自动控制，对多变量对象可按自治原则和协调跟踪原则加以解决。当前，锅炉控制系统大体可划分为三个控制系统：锅炉燃烧控制系统、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。
11.1.2锅炉计算机控制系统构成
1. 燃烧过程控制系统
（1）燃烧过程控制任务
锅炉燃烧过程是一种能量转换和传递过程，其控制目是使燃料燃烧所产生热量适应蒸汽负荷需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定比值，以保证最佳经济效益燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范畴内。
（2）燃烧过程控制系统设计方案
在多变量对象中，调节量和被调量之间联系不都是等量，也就是说，对于一种详细对象而言，在众多信号通道中，对某一种被调量也许只有一种通道对它有较重要影响，其他通道影响相对于主通道来说可以忽视。依照自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大体分为三个单变量控制系统：燃料量—汽压子系统、送风量—过量空气系数子系统以及引风量——炉膛负压子系统。
不少多变量系统可以运用自治原则来进行简化，但并不是分解成各种单回路控制系统后，问题就所有解决。由于各回路之间往往还存在着联系和规定，必要在设计中加以考虑。协调跟踪原则，就是在各种单回路基本上，建立回路之间互相协调和跟踪关系，以弥补用几种近似单变量对象来代替时所忽视变量之间关联。
此例中，锅炉燃烧过程上述三个子系统间使彼此仍关于联。一方面考虑到燃料量与送风量子系统间应满足如下两点:
①锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量之间应保持一定比例，实际空气（送风）量不不大于燃料需要空气量，她们之间存在一种最佳空燃比（最佳过剩空气系数）α，即

普通状况下，α＞1。
②为了保持在任何时刻均有足够空气以实现完全燃烧，当热负荷增大时，应先增长送风量，后增长燃料量；若热负荷减少时，应先减少燃料量，再减少送风量。
为了满足上述两点规定，在这两个单回路基本上，建立交叉限制协调控制系统，如图11.3所示。其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送风量测量变送器传递函数，假设它们都是比例环节，则Wm1（s）=K1 ，Wm1（s）=K2 。由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料量测量信号IV和IB之间关系如下：

设
则

假设机组所需负荷信号为IQ，当系统处在稳态时，则有：
设定值 r1=IQ=IV/β=IB
设定值 r2=βIQ=βIB =IV
即 IQ=IB ；IV=βIB
表白系统燃料量适合系统规定，并且达到最佳空燃比。当系统处在动态时，如果负荷突然增长，对于送风量控制系统而言，高选器两个输入信号中，IQ突然增大，则IQ＞IB ，因此，增大IQ信号通过高选器，在乘以β后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节器将使u2增长，空气阀门开大，送风量增大，即IV增长。对于燃料量控制系统来说，尽管IQ增大，但在此瞬间IV还来不及变化，因此低选器输入信号IQ＞IV ，低选器输出不变，r1=IV/β不变，此时燃料量B维持不变。只有在送风量开始增长后来，即IV变大，低选器输出才随着IV增大而增长，即r1随之加大，这时燃料阀门才开大，燃料量加多。反之，在负荷信号减少时，则通过低选器先减少燃料量，待IB减少后，空气量才开始随高选器输出减小而减小，从而保证在动态时，满足上述第②点规定，始终保持完全燃烧。
进一步分析可知，燃料量控制子系统任务在于，使进入锅炉燃料量随时与外界负荷规定相适应，维持主压力为设定值。为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动能力，燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数串级控制方案。
保证燃料在炉膛中充分燃烧是送风控制系统基本任务。在大型机组送风系统中，一、二次风普通各采用两台风机分别供应，锅炉总风量重要由二次风来控制，因此这里送风控制系统是针对二次风控制而言。送风子控制系统最后目是达到最高锅炉热效率，保证经济性。为保持最佳过剩空气系数α，必要同步变化风量和燃料量。α是由烟气含氧量来反映。因而常将送风控制系统设计为带有氧量校正空燃比控制系统，通过燃料量与送风量回路交叉限制，构成串级比值送风系统。构造上是一种有前馈串级控制系统，如图11.4所示。它一方面在内环迅速保证最佳空燃比，至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正。当烟气中含氧量高于设定值时，氧量校正调节器发出校正信号，修正送风量调节器设定，使送风调节器减少送风量，最后保证烟气中含氧量等于设定值。
炉膛负压控制系统任务在于调节烟道引风机导叶开度，以变化引风量；保持炉膛负压为设定值，以稳定燃烧，减少污染，保证安全。
2. 锅炉给水控制系统
（1）锅炉给水控制系统设计任务
其任务是考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包水位在规定范畴内，实现给水全程控制。给水控制也称为汽包水位控制。被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。
（2）给水控制系统基本构造
单冲量控制系统
以水位信号H为被控量、给水流量作为控制量构成单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统构造简朴、整定以便，但克服给水自发性扰动，和负荷扰动能力差，特别是大中型锅炉负荷扰动时，严重假水位现象将导致给水控制机构误动作，导致汽包水位激烈上下波动，严重影响设备寿命和安全。
单级三冲量控制系统
该系统相称于将上述单冲量控制与比例控制相结合。以负荷作为系统设定值，运用PI调节器调节流量，使给水量精确跟踪蒸汽流量，再将水位信号作为主参数负反馈，构成了单级三冲量给水控制系统，如图11.5所示。所谓“三冲量”，是指控制器接受了三个测量信号：汽包水位、蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量信号是前馈信号，当负荷变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，及时变化给水流量，维持进出汽包物质平衡，有效地减少假水位影响，抑制水位动态偏差；给水流量是局部反馈信号，动态中它能及时反映控制效果，使给水流量跟踪蒸汽流量变化而变化，蒸汽流量不变时，可及时消除给水侧自发扰动；稳态时使给水流量信号与蒸汽流量信号保持平衡，以满足负荷变化需要；汽包水位量是被控制量、主信号，稳定期，汽包水位等于设定值。显然，三冲量给水控制系统在克服干扰影响、维持水位稳定、提高给水控制方面都优于单冲量给水控制系统。事实上，由于检测、变送设备误差等因素影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一种调节器参数整定需要兼顾较多因素，动态整定过程也较复杂，因而在现场很少再采用单级三冲量给水控制系统。
串级三冲量控制系统
串级三冲量给水控制系统基本构造如图11.6所示。该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成，与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一种PI调节器，两个调节器串联工作，分工明确。PI1为水位调节器，它依照水位偏差产生给水流量设定值；PI2为给水流量调节器，它依照给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。蒸汽流量信号作为前馈信号，用来维持负荷变动时物质平衡，由此构成是一种前馈—串级控制系统。该系统构造较复杂，但各调节器任务比较单纯，系统参数整定相对单级三冲量系统要容易些，不规定稳态时给水流量蒸汽流量测量信号严格相等，即可保证稳态时汽包水位无静态偏差，其控制重量较高，是现场广泛采用给水控制系统，也是组织给水全程控制基本。
3. 蒸汽温度控制系统
（1）蒸汽温度控制系统任务
维持过热器出口温度在容许范畴内，并保证管壁温度不超过容许工作温度。被控变量普通是过热器出口温度，操纵变量是减温器喷水量。
（2）过热蒸汽温度控制系统
以过热蒸汽为主参数，选取二段过热器前蒸汽温度为辅助信号，构成串级控制系统或双冲量气温控制系统。
4. 锅炉计算机控制系统实现
工业锅炉计算机控制系统构造框图如图11.7所示。
一次仪表测得模仿信号经采用电路、滤波电路进入A/D转换电路，A/D转换电路将转换完数字信号送入计算机，计算机对数据进行解决之后，便于控制和显示。
D/A转换将计算机输出数字量转换成模仿量，并放大到0—10mA，分别控制水泵调节阀、鼓风机挡板、引风机挡板和炉排直流电动机。

11.2 硫化机计算机群控系统
内胎硫化是橡胶厂内胎生产最后一种环节，硫化效果将直接影响内胎产品质量和使用寿命。当前国内大某些生产厂家都是使用延时继电器来控制硫化时间， 由于硫化中所需蒸汽压力和温度经常有较大波动， 单纯准时间计算也许会产生过硫或欠硫现象， 直接影响了内胎质量。因而， 设计一种运用先进计算机控制技术硫化群控及管理系统， 不但能提高公司自动化水平， 也能减少硫化机控制装置维护成本和硫化操作人员劳动强度，提高硫化过程中工艺参数显示和控制精度， 同步也避免了个别硫化操作人员为提高产量而浮现“偷时”现象(即操作人员缩短硫化时间， 未硫化完毕就开模) ， 使内胎产品质量得到保证。
11.2.1系统总体方案
内胎硫化过程共涉及四个阶段：合模、硫化、泄压、开模。由于所有硫化机控制方式相似， 因此特别适合群控。在自动模式下， 当硫化操作人员装胎合模后， 由控制系统依照温度计算内胎等效硫化时间并控制泄压阀、开模电机动作。为克服温度波动影响， 通过大量实验， 选用阿累尼乌斯(Arrhenius) 经验公式来计算等效硫化时间。
某橡胶制品有限公司硫化车间共有内胎硫化机96台，为便于整个生产过程控制和管理拟采用计算机群控及管理系统。依照公司现场状况，借鉴DCS (Distributed Control System ， 集散控制系统) 系统构造， 使用PLC作为直接控制级，完毕现场控制功能；使用工业控制计算机作为管理和监视级。系统总体方案见图11.8。
PLC 通过温度采集模块采集现场96 台硫化机温度信号，进行等效计算后，按设定型号参数计算硫化机硫化时间并对泄压阀、开模电机动作进行控制，完毕内胎整个硫化过程。采用串行通讯方式将PLC 传送上来信号采集到工业控制计算机，在监控软件主界面对96 台硫化机硫化温度和状态进行动态显示， 并自动记录有关过程数据，监控软件还具备参数设立、查询及报表打印等功能。由于计算机自身及其操作系统不稳定性，工业控制计算机不参加控制， 虽然工业控制计算机浮现故障也不会影响PLC 正常运营，从而也不会影响现场控制，但是所有现场参数将不能被监视和存储。
系统共有三种工作方式:自动等效硫化方式、自动定期硫化控制方式和机台原有延时继电器手动控制方式。可以依照需要在现场运用操作台上旋钮选取工作方式。
工业控制计算机采用研华P4 2.4G，作为控制级PLC 共两套，采用三菱公司FX2N 128MR。两套PLC控制是独立，分别通过串行口连接到工业控制计算机。
特殊模块FX2N-4AD用来采集现场热电阻温度信号，并进行模数转换后送往PLC。热电阻采用PT100，热电阻通过温度变送器变成0-5V电压信号。FX2n-4AD模块共有四路通道， 在任一时刻只能有4个温度信号进入PLC，为提高其使用效率，自行研制了模仿转换开关，模仿开关采用2片CD4501，可以完毕16选1模仿开关功能，运用PLC内部编程指令控制模仿转换开关依次选通各个通道，循环将48台热电阻信号采集到PLC。
通讯模块FX2N-485BD(485信号)和通讯转换模块FX2N-485PC-IF(转换计算机RS232信号和485BD485信号)被用来实现PLC和工业控制计算机串行通讯。

模仿
选通
信号
计算机
打印机
FX2N 485BD
PLC
FX2N 128MR
PLC
FX2N 128MR
FX2N 4AD
1#—48#硫化机
49#—96#硫化机
模仿
选通
信号
温度变送器
FX2N 485PCIF
FX2N 4AD
热电阻
FX2N 485BD
模仿开关
开
关
量
输
入
输出
信
号
温度变送器
热电阻
模仿开关
开
关
量
输
入
输出
信
号
图11.8 内胎硫化计算机群控及管理系统总体方案

手动
初始化
数据采集及解决子程序
手动/自动
等效硫化计算子程序
或定期硫化
自动
逻辑动作子程序
（合模、泄压、开模等）
报警子程序
开始
图11.9 控制软件主程序流程简图
11.2.2可编程控制器控制软件设计
三菱公司FX2N 系列可编程控制器可以使用梯形图、指令表和SFC 三种编程方式， 指令多达156种，功能强大，编程非常以便。从内胎硫化流程可知，硫化控制属于过程、位置控制， 采用PLC 可以便进行编程， 实现内胎硫化机等效硫化时序。为提高运营速度、减少运营指令，在控制软件设计中采用了模块化编程，设计了各种通用子程序，如数据采样及解决子程序、等效硫化计算子程序、报警子程序等。
控制软件主程序流程简图见图11.9。

11.2.3工控机管理软件设计
1．工控机软件总体设计
图11.10 内胎硫化计算机管理系统功能图

系统管理
查询报表
顾客设立
内胎硫化计算机管理系统
主界面：实时数据监控
—添加顾客
—修改密码
—顾客切换
—数据恢复
—设立机台号
—设立内胎型号
—设立型号参数
—设立班组
—设立硫化工代号
—产品查询
—温度曲线查询
—报表
—班报表
—月报表
—机台报表
工控机管理软件采用Inprise 公司Delphi7开发，工控机RS2232 串行通讯接口通过FX2N-485PC-IF连接到可编程控制器通讯模块FX2N-485BD上， 以半双工异步串行通讯方式通讯，读取或设立参数，并在主窗口动态显示，自动记录车间内所有机台在三种控制方式下生产产品过程参数和数量、操作合法性等数据，可以随时查看硫化温度曲线，还具备报警提示、查询、报表打印等功能。系统功能图见图11.10。
2．串行通信接口数据传播软件设计
用Delphi 开发串口通讯软件普通有两种办法：一种是采用MicrosoftMSComm控件， 这种办法实现起来相对比较简朴，但效率较低；另一种是运用Windows 通讯A P I 函数，使用A P I 编写串口通讯程序较为复杂，实现功能强大，特别适合于面向低层下位机通讯， 但是需要编程人员掌握大量通讯知识，还要掌握多线程编程。
MOXA 公司提供了一种可供Delphi 调用串行通讯程序开发工具PComm serial communication library ( PComm 串口通讯库) ，PComm Library 是一种动态连接库(DLL ) 文献， 使用Microsoft Win32 API 编写， 运用PComm 编写串口通讯软件既具备A P I 强大功能， 使用起来也比较以便。
11.2.4 结束语
本系统在某橡胶制品有限公司投入运营后， 控制达到了预定工艺规定， 内胎质量稳定， 产品合格率达到99. 8%以上， 每年可增长直接经济效益200万元。同步大幅减轻了工人劳动强度，改进了工作环境， 提高了公司生产自动化和信息化限度， 并且还可以便地与公司信息管理系统相连， 构成管控一体化网络系统。
本系统群控机台数量多、投入低、抗干扰能力强、使用以便， 集控制与管理于一身， 特别适合于在各种型号硫化机控制中推广。