第第13章章 计算机控制系统的设计与应用计算机控制系统的设计与应用7/23/20241 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 控制系统实例控制系统实例集散控制系统集散控制系统7/23/20242 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 控制系统实例控制系统实例集散控制系统集散控制系统7/23/20243 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 控制系统实例控制系统实例现场总线控制系统现场总线控制系统7/23/20244 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 过程控制中的过程控制中的HSE/H1HSE/H1应用系统应用系统7/23/20245 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 Profinet7/23/20246 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 汽车内部网络汽车内部网络 （SAE-J1939）7/23/20247 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 多网段的车辆内部网络系统多网段的车辆内部网络系统 7/23/20248 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 第三代第三代LonWorksLonWorks技术应用系统技术应用系统 （智能楼宇、连锁店）（智能楼宇、连锁店）7/23/20249 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 LonWorks/Ethernet7/23/202410 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 交通系统中凌华科技的交通系统中凌华科技的 数据语音混合通信应用系统数据语音混合通信应用系统7/23/202411 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 主要内容主要内容13.1 概述概述13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例7/23/202412 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.1 概述概述 设计或组建计算机控制系统是一项复杂的工设计或组建计算机控制系统是一项复杂的工作，它既是一个作，它既是一个理论问题理论问题，又是一个，又是一个工程问题工程问题，涉及自动控制理论、计算机技术、检测技术及仪涉及自动控制理论、计算机技术、检测技术及仪表、通信技术、电气工程、工艺设备乃至控制室表、通信技术、电气工程、工艺设备乃至控制室的规划与装修等。的规划与装修等。7/23/202413 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.1 概述概述理论设计：理论设计： 建立被控对象的数学模型，确定控制系统的性能指建立被控对象的数学模型，确定控制系统的性能指标函数，寻求满足该性能指标函数的控制策略并整定参标函数，寻求满足该性能指标函数的控制策略并整定参数；数； 选择适当的软件平台及语言进行软硬件设计，并对选择适当的软件平台及语言进行软硬件设计，并对硬件提出具体要求；硬件提出具体要求； 提出整个计算机控制系统的技术经济指标；提出整个计算机控制系统的技术经济指标； 进行系统的体系结构、相应的计算机网络和数据通进行系统的体系结构、相应的计算机网络和数据通信设计；信设计； 建立相关数据库等等。建立相关数据库等等。 7/23/202414 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.1 概述概述 工程设计：工程设计： 熟悉被控生产过程；熟悉被控生产过程； 掌握其工艺要求；掌握其工艺要求； 计算机控制系统的实施；计算机控制系统的实施； 7/23/202415 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.1 概述概述设计过程：设计过程： 1、总体方案的设计；、总体方案的设计； 2、工作计划的制订实施；、工作计划的制订实施； 3、计算机及仪表的选型、订货、验收；、计算机及仪表的选型、订货、验收； 4、各方面人员的安排、调配；、各方面人员的安排、调配； 5、控制系统的研究、开发、集成、安装、调试；、控制系统的研究、开发、集成、安装、调试； 6、工程的验收和投入使用。、工程的验收和投入使用。 7/23/202416 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 1、安全可靠、安全可靠 对工业控制计算机系统最基本的要求是可靠性高。对工业控制计算机系统最基本的要求是可靠性高。原因一：原因一：如果计算机出现故障，控制系统将会瘫痪，轻如果计算机出现故障，控制系统将会瘫痪，轻则影响生产，造成产品质量不合格，重则会造成人员和则影响生产，造成产品质量不合格，重则会造成人员和设备的事故。设备的事故。原因二：原因二：过程控制的对象往往是连续工艺过程控制的对象往往是连续工艺流程的一部分，一个系统的事故往往会引起前、后工序流程的一部分，一个系统的事故往往会引起前、后工序的连锁反应，最后导致整个生产线的失调。的连锁反应，最后导致整个生产线的失调。 7/23/202417 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 1、安全可靠、安全可靠措施（如计算机）措施（如计算机） 对工控机的整机机械、防振动、耐冲击、防尘、抗对工控机的整机机械、防振动、耐冲击、防尘、抗高温、抗电磁干扰和电流干扰等方面进行特殊处理，保高温、抗电磁干扰和电流干扰等方面进行特殊处理，保证系统在恶劣的工业环境下能正常运行。证系统在恶劣的工业环境下能正常运行。 在设计控制方案时考虑各种安全保护措施，使系统在设计控制方案时考虑各种安全保护措施，使系统具有诸如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全具有诸如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全联锁、不间断电源等功能。联锁、不间断电源等功能。 为预防计算机出故障，后备装置的设置也是必需的。为预防计算机出故障，后备装置的设置也是必需的。采用计算机作为后备装置的计算机控制系统称为双机系采用计算机作为后备装置的计算机控制系统称为双机系统，一般的工作方式有：备份工作方式；双工工作方式；统，一般的工作方式有：备份工作方式；双工工作方式；主从工作方式。主从工作方式。 7/23/202418 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 2、操作、维护与维修方便、操作、维护与维修方便 操作方便主要体现在要求系统便于掌握、操作简单，操作方便主要体现在要求系统便于掌握、操作简单，而且显示画面直观形象。由于系统投运后将由操作工进而且显示画面直观形象。由于系统投运后将由操作工进行日常操作与维护，所以在考虑操作的先进性同时，还行日常操作与维护，所以在考虑操作的先进性同时，还应兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工容易掌握，而应兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工容易掌握，而并不强求他们掌握计算机知识。并不强求他们掌握计算机知识。 维修方便要从维修方便要从软件软件与与硬件硬件两个方面考虑，目的是易两个方面考虑，目的是易于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模板于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模板式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修。装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修。在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时能保证系统要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时能保证系统的安全。的安全。7/23/202419 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 3、实时性强、实时性强 实时性是工业控制系统最主要的特点之一，它要对实时性是工业控制系统最主要的特点之一，它要对内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内作内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内作出相应的处理。出相应的处理。 系统处理的事件主要有两大类：系统处理的事件主要有两大类： 定时事件定时事件 随机事件随机事件7/23/202420 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 4、通用性好、通用性好 计算机控制系统的研制与开发需要一定的投资和周计算机控制系统的研制与开发需要一定的投资和周期。尽管控制的对象千变万化，但在控制功能上都存在期。尽管控制的对象千变万化，但在控制功能上都存在共性，如输入输出信号都为共性，如输入输出信号都为DC4-20mA，控制算法常用，控制算法常用PID等，因此，在设计开发过程计算机控制系统时就应尽等，因此，在设计开发过程计算机控制系统时就应尽量考虑能适应这些共性，采用积木式的模块化结构。在量考虑能适应这些共性，采用积木式的模块化结构。在此基础上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控制此基础上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活地构成系统。要求，灵活地构成系统。 目的一：便于以后的扩充和改造目的一：便于以后的扩充和改造 目的二：便于系统在应用中的推广目的二：便于系统在应用中的推广7/23/202421 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 4、通用性好、通用性好措施措施 硬件方面硬件方面宜采用标准总线结构宜采用标准总线结构，配置各种通用的接，配置各种通用的接口通道板，并留有一定的冗余，在需要扩充时只需增加口通道板，并留有一定的冗余，在需要扩充时只需增加相应功能的通道或模板就能实现。相应功能的通道或模板就能实现。 软件方面应软件方面应采用具有易操作性和通用性组态软件采用具有易操作性和通用性组态软件。它能组成从简单到复杂、从常规控制到优化控制、从顺它能组成从简单到复杂、从常规控制到优化控制、从顺序控制到回路控制、从数据采集到过程优化等不同层次序控制到回路控制、从数据采集到过程优化等不同层次的控制系统，能适应不同生产过程的控制要求，它不仅的控制系统，能适应不同生产过程的控制要求，它不仅提供用户生产监视、操作和控制的舞台，而且为更高层提供用户生产监视、操作和控制的舞台，而且为更高层次的优化控制和管控一体化提供可操作性。次的优化控制和管控一体化提供可操作性。7/23/202422 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计原则：设计原则： 5、经济效益高、经济效益高 计算机控制系统除了满足生产工艺所必需的技术质计算机控制系统除了满足生产工艺所必需的技术质量要求以外，也应该带来良好的经济效益。量要求以外，也应该带来良好的经济效益。 体现一体现一：系统的性能价格比要尽可能的高，而投入：系统的性能价格比要尽可能的高，而投入产出比要尽可能的低，回收周期要尽可能地短。产出比要尽可能的低，回收周期要尽可能地短。 体现二体现二：要从提高产品质量与产量、降低能耗、减：要从提高产品质量与产量、降低能耗、减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综合评估，有可能是一个多目标优化问题。合评估，有可能是一个多目标优化问题。7/23/202423 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 1、计算机控制系统的总体方案设计、计算机控制系统的总体方案设计 总体设计方案中要确定整个控制系统的结构和类型。总体设计方案中要确定整个控制系统的结构和类型。比如系统是开环还是闭环控制；是单回路还是多回路控比如系统是开环还是闭环控制；是单回路还是多回路控制；采用制；采用DDC、SCC，还是，还是DCS、PLC、FCS，或者是，或者是企业综合自动化企业综合自动化CIMS全部层次或其中部分层次等。全部层次或其中部分层次等。 硬件总体方案设计硬件总体方案设计：系统的构成方式；现场设备及：系统的构成方式；现场设备及自动化仪表的选择；人自动化仪表的选择；人-机联系方式；系统的机柜或机箱机联系方式；系统的机柜或机箱结构设计；抗干扰措施。结构设计；抗干扰措施。 软件总体方案设计软件总体方案设计：确定软件平台、软件结构、任：确定软件平台、软件结构、任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和算法的实现务分解，建立系统的数学模型、控制策略和算法的实现等。等。 尽量采用画方块图的设计方式尽量采用画方块图的设计方式注意结构化、模块化、通用化注意结构化、模块化、通用化7/23/202424 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 2、硬件的工程设计与实现、硬件的工程设计与实现 （尽量采用总线式的工业控制系统）尽量采用总线式的工业控制系统） #系统总线的选择系统总线的选择 #主机机型的选择主机机型的选择 #I/O接口的设计与选择接口的设计与选择 #现场设备的设计与选择现场设备的设计与选择 （变送器、执行机构、其他现场设备）（变送器、执行机构、其他现场设备） 7/23/202425 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 3、软件的工程设计与实现、软件的工程设计与实现 #程序结构规划程序结构规划 #资源分配资源分配 #实时控制软件设计实时控制软件设计 （数据采集及数据处理、实时时钟与中断（数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理、控制算法、控制量输出、生产管理、数据处理、控制算法、控制量输出、生产管理、数据通信）通信） 7/23/202426 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.2 计算机控制系统设计原则和步骤计算机控制系统设计原则和步骤设计与实施计算机控制系统的步骤：设计与实施计算机控制系统的步骤： 4、控制系统的调试与投运、控制系统的调试与投运 #离线仿真和调试离线仿真和调试 硬件调试：检查功能模板的主要功能和逻辑关系；硬件调试：检查功能模板的主要功能和逻辑关系； 对现场设备进行校验；调试数据通信功能对现场设备进行校验；调试数据通信功能 。 软件调试：对各个子程序、功能模块、主程序分别软件调试：对各个子程序、功能模块、主程序分别进行调试以及整体程序的联合调试。进行调试以及整体程序的联合调试。 #在线调试和投运在线调试和投运 现场的调试与投运过程应遵循从小及大、从易到难、现场的调试与投运过程应遵循从小及大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环、逐步过渡的原则，稳妥地实现计算机控制。逐步过渡的原则，稳妥地实现计算机控制。 7/23/202427 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例燃油加热炉燃油加热炉IPC控制系统设计控制系统设计 7/23/202428 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例1、燃油加热炉的工艺及技术要求、燃油加热炉的工艺及技术要求 燃油加热炉属于一种典型的工业窑炉。它一般通过燃油加热炉属于一种典型的工业窑炉。它一般通过燃烧油渣来获取热量，以便对工业生产中的原料和工件燃烧油渣来获取热量，以便对工业生产中的原料和工件进行加热或熔炼。炉内各区的温度可通过控制各点喷油进行加热或熔炼。炉内各区的温度可通过控制各点喷油嘴和空气的流量来控制。嘴和空气的流量来控制。 为达到最佳燃烧控制，必须解决好以下四个方面的为达到最佳燃烧控制，必须解决好以下四个方面的问题。问题。 （1）风油比调节）风油比调节 （2）废气中的残氧量控制）废气中的残氧量控制 （3）炉膛压力调节（防止冷空气侵入和火焰外喷，）炉膛压力调节（防止冷空气侵入和火焰外喷，炉膛压力要保持微正压）炉膛压力要保持微正压） （4）参数补偿（对燃料、空气的温度以及燃料的热）参数补偿（对燃料、空气的温度以及燃料的热值等进行修正）值等进行修正）7/23/202429 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例2、燃油加热炉微机控制系统组成原理、燃油加热炉微机控制系统组成原理 从经济、可靠、满足工艺要求和技术要求的角度出从经济、可靠、满足工艺要求和技术要求的角度出发，本设计采用了两级计算机控制方案。发，本设计采用了两级计算机控制方案。7/23/202430 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例2、燃油加热炉微机控制系统组成原理、燃油加热炉微机控制系统组成原理 下位机作为控制级，由下位机作为控制级，由STD工业控制机来完成对高工业控制机来完成对高温区和中温区温度的控制，并根据上位机计算的风油比温区和中温区温度的控制，并根据上位机计算的风油比实现最佳燃烧。它通过上位机的给定值和实测温度值，实现最佳燃烧。它通过上位机的给定值和实测温度值，按照模糊控制算法计算出控制量后，经按照模糊控制算法计算出控制量后，经D/A转换，送入转换，送入执行机构来调节燃油和空气阀门的开度。执行机构来调节燃油和空气阀门的开度。 上位机作为监督、管理级，由微型计算机完成。除上位机作为监督、管理级，由微型计算机完成。除了实现现场参数的显示、记录、打印和报警功能外，还了实现现场参数的显示、记录、打印和报警功能外，还可对风油比值进行优化计算，以提高燃烧效率和控制质可对风油比值进行优化计算，以提高燃烧效率和控制质量。上位机通过异步串行通信的方式，向下位机发出各量。上位机通过异步串行通信的方式，向下位机发出各种控制指令，如温度给定值、手动和自动切换等。种控制指令，如温度给定值、手动和自动切换等。7/23/202431 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例3、上位机监测及管理系统的设计、上位机监测及管理系统的设计 作为监测管理的上位机，要对现场参数进行检测，作为监测管理的上位机，要对现场参数进行检测，必要时进行控制。测量变送部分是上位机和下位机所共必要时进行控制。测量变送部分是上位机和下位机所共有的，这里采用了有的，这里采用了DDZ-III型电动单元组合仪表进行测量型电动单元组合仪表进行测量和变送。和变送。 （1）温度检测：温度检测：高中低三个温区（高中低三个温区（700-1300度），度），均采用铂铑均采用铂铑-铂热电偶。排烟温度用镍铬铂热电偶。排烟温度用镍铬-镍硅热电偶检镍硅热电偶检测。燃油总管温度、助燃风总管温度采用铂电阻（测。燃油总管温度、助燃风总管温度采用铂电阻（-200-+500度）。度）。 （2）流量检测：流量检测：燃油流量检测主要包括高、中温区燃油流量检测主要包括高、中温区重油流量。采用电容式差压流量计。高、中温区助燃风重油流量。采用电容式差压流量计。高、中温区助燃风流量采用环室喷嘴作为测量元件，用差压变送器测量喷流量采用环室喷嘴作为测量元件，用差压变送器测量喷嘴前后的压差，从而计算得到实际流量。嘴前后的压差，从而计算得到实际流量。7/23/202432 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例3、上位机监测及管理系统的设计、上位机监测及管理系统的设计 （3）压力检测：压力检测：燃油总管压力采用压力变送器检测，燃油总管压力采用压力变送器检测，测量范围为测量范围为0-0.392MPa。 （4）烟气含氧量检测：烟气含氧量检测：烟气含氧量的测量采用炉壁烟气含氧量的测量采用炉壁采样式氧化锆分析仪，测量范围有两档：采样式氧化锆分析仪，测量范围有两档：0-10%氧气含氧气含量，量，10%-20%氧气含量。氧气含量。 除了上述的检测以外，为保证系统可靠运行，还采除了上述的检测以外，为保证系统可靠运行，还采用了用了DDZ-III型单元组合仪表中的电动手操作为自动控型单元组合仪表中的电动手操作为自动控制的后备。电动执行机构用于调节空气蝶阀和燃油单座制的后备。电动执行机构用于调节空气蝶阀和燃油单座直通阀的开度。直通阀的开度。 数据采集系统配备了一块快速数据采集接口板。该数据采集系统配备了一块快速数据采集接口板。该接口板有接口板有32路模拟输入和路模拟输入和1路模拟输出。压力、差压变路模拟输出。压力、差压变送器的输出为送器的输出为4-20mA直流电流，为了与数据采集板相直流电流，为了与数据采集板相连，需要通过配电器变换成连，需要通过配电器变换成1-5V直流电压信号。直流电压信号。7/23/202433 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例3、上位机监测及管理系统的设计、上位机监测及管理系统的设计 上位机主程序框图上位机主程序框图7/23/202434 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例4、下位控制机的设计、下位控制机的设计 下位机在整个系统中起着直接控制作用，所以应选下位机在整个系统中起着直接控制作用，所以应选用高度可靠的计算机。用高度可靠的计算机。STD总线计算机是一种适合工业总线计算机是一种适合工业现场的控制计算机，而且接口模板种类齐全。现场的控制计算机，而且接口模板种类齐全。 下图为下图为STD控制系统结构图控制系统结构图7/23/202435 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例4、下位控制机的设计、下位控制机的设计 图中图中FTC为温度控制器，它根据温度信号的反馈计算出油量和为温度控制器，它根据温度信号的反馈计算出油量和风量的稳定值。风量的稳定值。FFCf和和FFCa分别为燃料流量和空气流量调节器，它分别为燃料流量和空气流量调节器，它根据燃油和空气流量反馈信号调节燃料和空气的流量，使之保持恒根据燃油和空气流量反馈信号调节燃料和空气的流量，使之保持恒定。定。FMC为输出比例因子修正控制器，它通过判断负荷变化信号，为输出比例因子修正控制器，它通过判断负荷变化信号，修正输出比例因子，保持恒定的风油比。修正输出比例因子，保持恒定的风油比。FAC为风油比模糊寻优控为风油比模糊寻优控制器，它不断发出探测信号，通过对含氧量的测量，计算最低损耗，制器，它不断发出探测信号，通过对含氧量的测量，计算最低损耗，搜索最佳风油比。搜索最佳风油比。燃烧控制原理图燃烧控制原理图7/23/202436 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例排水泵站排水泵站PLC自动化监控系统设计自动化监控系统设计 7/23/202437 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例1、泵站工况概述、泵站工况概述 （1）设备情况：）设备情况： 排水泵站作为市政建设排水泵站作为市政建设和管理工程的主要设施，担和管理工程的主要设施，担负着城市排水防涝的重要任负着城市排水防涝的重要任务。该泵站主要用于附近地务。该泵站主要用于附近地区的污水排放处理和防汛抗区的污水排放处理和防汛抗涝。服务面积涝。服务面积240km2，总，总排水量为排水量为13.8m3/s。其主要。其主要设备：进出水闸门；集水池；设备：进出水闸门；集水池；钢丝绳牵引式格栅除污机钢丝绳牵引式格栅除污机2台；台；800kVA电力变压器两电力变压器两座；座；6台台180kW的轴流水泵。的轴流水泵。进线柜两台，功率因素补偿进线柜两台，功率因素补偿柜柜4台，泵开关柜和联接柜台，泵开关柜和联接柜1台。台。 7/23/202438 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例1、泵站工况概述、泵站工况概述（2）控制要求：）控制要求：（以泵站为设施对象，进行整个泵站的自动化监控和管（以泵站为设施对象，进行整个泵站的自动化监控和管理的改造）理的改造） #改造泵站的水泵控制开关柜，使之具有就地和远程控制的功能；改造泵站的水泵控制开关柜，使之具有就地和远程控制的功能； #改造泵站的功率因素补偿柜，能实现就地自动补偿和远程电网监控；改造泵站的功率因素补偿柜，能实现就地自动补偿和远程电网监控； #改造泵站的变压器房对于变压器改造泵站的变压器房对于变压器A、B、C三相温度进行远程显示、高三相温度进行远程显示、高温报警等功能；温报警等功能； #建立泵站的控制室，对泵站实施三级控制，在控制室内设置自动化监建立泵站的控制室，对泵站实施三级控制，在控制室内设置自动化监控操作台和信号处理柜；控操作台和信号处理柜； #采用采用SIEMENS的的S7-300系列系列PLC，对整个泵站实现自动化监控，水，对整个泵站实现自动化监控，水泵将根据泵的状态、水位、雨量、电网状况、闸门位置等工况自动投泵将根据泵的状态、水位、雨量、电网状况、闸门位置等工况自动投运切换；运切换； #通过对水位差的检测，提示或自动投切除污机；通过对水位差的检测，提示或自动投切除污机； #采用高性能的采用高性能的LCD触摸式显示屏，对整个泵站进行动态监控管理、故触摸式显示屏，对整个泵站进行动态监控管理、故障报警、工况记录和报警打印；障报警、工况记录和报警打印； #预留通信接口，可通过电话线路或预留通信接口，可通过电话线路或DDN网联网进行区域监控和数据传网联网进行区域监控和数据传送。送。7/23/202439 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例2、硬件系统构成、硬件系统构成 根据控制要求，研制泵站自动化监控系统。下图根据控制要求，研制泵站自动化监控系统。下图为泵站自动化监控系统结构图。为泵站自动化监控系统结构图。 7/23/202440 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例2、硬件系统构成、硬件系统构成 （1）PLC配置配置 泵站自动化监控系统的泵站自动化监控系统的PLC上采用上采用SIEMENS的的S7-300系列。根据系统要求，系列。根据系统要求，PLC总体配置如下：中央处理总体配置如下：中央处理模块，选用模块，选用CPU314，内存，内存RAM扩展到扩展到64KB；数字量输；数字量输入模块，选用入模块，选用SM321，共，共8块，处理块，处理128点输入信号；数点输入信号；数字量输出模块：选用字量输出模块：选用SM322，共，共4块，处理块，处理96点输出信号；点输出信号；模拟量输入模块，选用模拟量输入模块，选用SM331，共，共3块，处理块，处理24点输入信点输入信号；通信模块，选用号；通信模块，选用CP340，共，共2块，块，1块为块为RS-232接口，接口，1块为块为RS-485接口。接口。 （2）电网监控配置）电网监控配置 电网监控采用法国电网监控采用法国SOCOMEC公司的公司的DIRIS-M型的型的电量监控器，可检测三相四线制的相电压、线电压、相电量监控器，可检测三相四线制的相电压、线电压、相电流、零线电流、有功无共功率、功率因数、频率及相电流、零线电流、有功无共功率、功率因数、频率及相应的最大值。监控器以应的最大值。监控器以RS-485接口采用接口采用MODBUS协议与协议与PLC的的CP340连接，传送电网监控数据。连接，传送电网监控数据。 7/23/202441 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例3、软件监控实现、软件监控实现 （1）PLC监控软件监控软件 #系统检测模块：处理所有输入信号，并根据具体情况作系统检测模块：处理所有输入信号，并根据具体情况作出不同响应。处理信号主要有：出不同响应。处理信号主要有：6台泵电动机的温度和振动；台泵电动机的温度和振动；进出水闸门状态；存水房液位；防火防盗安全；两台电源变压进出水闸门状态；存水房液位；防火防盗安全；两台电源变压器温度；雨量；器温度；雨量；4台功率因素补偿柜工况；电网工况；污水池台功率因素补偿柜工况；电网工况；污水池水位等。水位等。 #故障处理模块：三级故障。一级故障将禁止所有控制输故障处理模块：三级故障。一级故障将禁止所有控制输出、声光报警、记录打印、在显示屏上显示故障类型和解决办出、声光报警、记录打印、在显示屏上显示故障类型和解决办法；二级故障将禁止故障点的控制输出，系统做自动调整继续法；二级故障将禁止故障点的控制输出，系统做自动调整继续当前操作。三级故障仅做声光预警，不中断当前操作。当前操作。三级故障仅做声光预警，不中断当前操作。 #除污机和排水泵的运行处理：除污机的运行监控；除污机和排水泵的运行处理：除污机的运行监控；6台水台水泵的联锁控制。泵的联锁控制。 #数据处理和人机界面处理：数据统计；数据设置；与触数据处理和人机界面处理：数据统计；数据设置；与触摸式显示屏的数据通信；打印处理。摸式显示屏的数据通信；打印处理。 （2）触摸屏图控软件）触摸屏图控软件 7/23/202442 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例排水泵站排水泵站PLC自动化监控系统自动化监控系统 7/23/202443 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例循环流化床锅炉循环流化床锅炉DCS控制系统设计控制系统设计 7/23/202444 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例 循环流化床锅炉循环流化床锅炉(CFB锅炉锅炉)是从鼓泡床沸腾炉和化是从鼓泡床沸腾炉和化工行业的循环流化床工艺发展而来。作为清洁、高效的工行业的循环流化床工艺发展而来。作为清洁、高效的一种煤燃烧技术，循环流化床锅炉从一种煤燃烧技术，循环流化床锅炉从20世纪世纪80年代初年代初进入燃煤锅炉的商业市场，并在小型锅炉中占有相当份进入燃煤锅炉的商业市场，并在小型锅炉中占有相当份额，随着技术的发展，容量从早期的额，随着技术的发展，容量从早期的50t/h发展到几百发展到几百t/h。 某热电厂采用按福斯特某热电厂采用按福斯特.惠勒公司技术由东方锅炉惠勒公司技术由东方锅炉厂生产的厂生产的DG450/9.81-1型循环流化床锅炉是目前国内型循环流化床锅炉是目前国内容量最大的容量最大的CFB锅炉。整个锅炉。整个2*450t/h循环流化床、循环流化床、2*100MW双抽汽轮机发电机组采用了新华公司的双抽汽轮机发电机组采用了新华公司的XDPS-400系统。包括数据采集、模拟量控制、顺序控系统。包括数据采集、模拟量控制、顺序控制、炉膛安全保护、电气控制、厂用公用控制、热网控制、炉膛安全保护、电气控制、厂用公用控制、热网控制等，单台机组的制等，单台机组的I/O接近接近5000点，规模与新建点，规模与新建300MW燃煤机组的分散控制系统相当，它和新华公司的燃煤机组的分散控制系统相当，它和新华公司的DEH-IIIA组成组成300MW热工控制一体化系统。热工控制一体化系统。7/23/202445 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 与常规煤粉锅炉相似，与常规煤粉锅炉相似，CFB锅炉具有多参数、非线锅炉具有多参数、非线性、时变和多变量紧耦合的特点，而且，性、时变和多变量紧耦合的特点，而且，CFB煤粉锅煤粉锅炉比普通锅炉具有更多的输入炉比普通锅炉具有更多的输入/输出变量，耦合关系更输出变量，耦合关系更为复杂。为复杂。 下图为下图为CFB锅炉对象的输入输出特性。锅炉对象的输入输出特性。7/23/202446 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 典型的循环流化床锅炉主要有下列模拟量控制系统：典型的循环流化床锅炉主要有下列模拟量控制系统：1、负荷指令回路、负荷指令回路2、主气压、主气温控制、主气压、主气温控制3、床温控制、床温控制4、给煤量控制、给煤量控制5、总风量控制、总风量控制6、石灰石量控制、石灰石量控制7、一次、二次风量控制、一次、二次风量控制8、二次风压控制、二次风压控制9、高压风压力控制、高压风压力控制10、汽包水位控制、汽包水位控制11、燃油母管压力控制、燃油母管压力控制12、启动燃烧器风量控制、启动燃烧器风量控制13、启动燃烧器燃油压力、流量控制、启动燃烧器燃油压力、流量控制14、床枪燃油压力、流量控制、床枪燃油压力、流量控制15、炉膛压力控制、炉膛压力控制16、料层压差控制、料层压差控制17、底灰压力、温度控制、底灰压力、温度控制7/23/202447 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 循环流化床锅炉的生产过程流程图如图所示。与常规煤粉锅循环流化床锅炉的生产过程流程图如图所示。与常规煤粉锅炉比较，炉比较，CFB锅炉的燃烧设备主要由给煤系统、燃烧室、分离器锅炉的燃烧设备主要由给煤系统、燃烧室、分离器和返料系统组成。和返料系统组成。7/23/202448 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例1、循环流化床锅炉控制的特点、循环流化床锅炉控制的特点 循环循环：指：指CFB锅炉的燃料的循环燃烧。该锅炉的燃料（煤粒锅炉的燃料的循环燃烧。该锅炉的燃料（煤粒和石灰石）由给料口进入炉膛密相区下部，在高温物料包围和石灰石）由给料口进入炉膛密相区下部，在高温物料包围下迅速着火，并在燃烧室中由高速风流吹沸，使物料在沸腾下迅速着火，并在燃烧室中由高速风流吹沸，使物料在沸腾悬浮状态下燃烧。高温烟气携带炉料和大部分未燃尽的煤粒悬浮状态下燃烧。高温烟气携带炉料和大部分未燃尽的煤粒飞逸出燃烧室顶部，经旋风分离器分离出的未燃尽燃料由返飞逸出燃烧室顶部，经旋风分离器分离出的未燃尽燃料由返料器送回炉膛底部，再次进入炉膛循环燃烧。由于燃料在炉料器送回炉膛底部，再次进入炉膛循环燃烧。由于燃料在炉膛内以一定的循环率不停地循环燃烧，所以膛内以一定的循环率不停地循环燃烧，所以CFB锅炉能够燃锅炉能够燃用各种劣质煤，适用范围广。用各种劣质煤，适用范围广。 流化流化：是指燃烧反应过程是在流化床中进行的，因此，反应：是指燃烧反应过程是在流化床中进行的，因此，反应转化率高。转化率高。7/23/202449 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例2、燃烧部分的控制系统分析、燃烧部分的控制系统分析 （1）风煤比和风油比控制系统（逻辑提量和逻辑减量控制系统）风煤比和风油比控制系统（逻辑提量和逻辑减量控制系统） （2）脱硫串级前馈控制系统（将二氧化硫参数作为主被控变量，石灰石）脱硫串级前馈控制系统（将二氧化硫参数作为主被控变量，石灰石旋转给料机转速作为副被控变量，以总给煤量作为前馈控制系统，组成串旋转给料机转速作为副被控变量，以总给煤量作为前馈控制系统，组成串级控制系统）级控制系统） （3）总风量控制系统（目的是保证燃料的完全燃烧。风量控制包括一、）总风量控制系统（目的是保证燃料的完全燃烧。风量控制包括一、二次风、返料风、播煤风）二次风、返料风、播煤风）7/23/202450 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例2、燃烧部分的控制系统分析、燃烧部分的控制系统分析 （4）床温控制系统（保证脱硫脱硝的质量，最佳床）床温控制系统（保证脱硫脱硝的质量，最佳床温温850-950度，影响因素有煤种、燃料粒径、床料量、度，影响因素有煤种、燃料粒径、床料量、一次风量、二次风量、返料量和冷灰循环量）一次风量、二次风量、返料量和冷灰循环量） （5）床压控制系统（循环流化床底部床料由灰、渣）床压控制系统（循环流化床底部床料由灰、渣及大颗粒燃料组成，料层厚度会影响床温，而且影响及大颗粒燃料组成，料层厚度会影响床温，而且影响锅炉的经济运行，料层厚度大，压差高，使播风板阻锅炉的经济运行，料层厚度大，压差高，使播风板阻力增大，造成风道和风室振动。料层厚度小，压差低，力增大，造成风道和风室振动。料层厚度小，压差低，负荷上不去。床压通过调节排渣量进行控制）负荷上不去。床压通过调节排渣量进行控制） （6）炉膛负压控制系统（通常采用调节引风机入口）炉膛负压控制系统（通常采用调节引风机入口挡板来调节炉膛压力为某一设定的负压，挡板来调节炉膛压力为某一设定的负压，CFB锅炉炉锅炉炉膛负压设定随负荷变化）膛负压设定随负荷变化）7/23/202451 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例3、炉膛安全监控系统、炉膛安全监控系统FSSS CFB锅炉安全保护系统主要用于燃料投运的正确操作顺序锅炉安全保护系统主要用于燃料投运的正确操作顺序和联锁关系，保证锅炉稳定燃烧。分为锅炉安全系统和联锁关系，保证锅炉稳定燃烧。分为锅炉安全系统FSS和燃和燃烧器控制系统烧器控制系统BCS。 主要控制功能：主要控制功能： 主燃料跳闸主燃料跳闸MFT；CFB锅炉吹扫；启动油系统泄漏试验；锅炉吹扫；启动油系统泄漏试验；CFB锅炉冷态启动、升温控制、热态启动；风道油和启动油燃锅炉冷态启动、升温控制、热态启动；风道油和启动油燃烧器控制；油燃烧器火焰检测；煤及石灰石系统控制；一次风烧器控制；油燃烧器火焰检测；煤及石灰石系统控制；一次风机、二次风机、高压风机、引风机、播煤风机的联锁控制等。机、二次风机、高压风机、引风机、播煤风机的联锁控制等。油燃烧器的顺序控制油燃烧器的顺序控制7/23/202452 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例计算机控制系统设计举例4、450t/h循环流化床锅炉控制系统简介循环流化床锅炉控制系统简介 CFB锅炉锅炉控制控制系统系统结构结构图图7/23/202453 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 13.3 计算机控制系统设计举例4、450t/h循环流化床锅炉控制系统简介循环流化床锅炉控制系统简介 7/23/202454 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 本章要点本章要点学习计算机控制系统的设计原则学习计算机控制系统的设计原则初步掌握计算机控制系统的设计步骤初步掌握计算机控制系统的设计步骤学习实例，加深认识与初步掌握学习实例，加深认识与初步掌握IPC、PLC和和DCS控制系统的设计思路。控制系统的设计思路。7/23/202455 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 思考题思考题1-简述计算机控制系统的设计原则。简述计算机控制系统的设计原则。2-在做计算机控制系统总体设计方案时，要在做计算机控制系统总体设计方案时，要考虑哪些问题？考虑哪些问题？3-针对水槽的液位问题设计一个计算机控制针对水槽的液位问题设计一个计算机控制系统。系统。进进料料口口出出料料口口H玻璃管液位计玻璃管液位计7/23/202456 计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术 参考：水槽液位的简单控制系统参考：水槽液位的简单控制系统进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调节节器器7/23/202457