14计算机控制系统的工程设计

过程控制过程控制Process Control 下篇下篇 过程计算机控制过程计算机控制 第第14章章 计算机控制系统的工程设计计算机控制系统的工程设计 本章要点本章要点 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工业锅炉计算机控制系统具体设计方法本章学习目标本章学习目标 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设计的原则与步骤 掌握计算机控制系统的工程设计方法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理解锅炉计算机控制系统设计与实现方法第第14章章 计算机控制系统的工程设计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、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。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。计与实现过程中，设计原则与步骤基本相同。可靠性高可靠性高 实时性好实时性好 操作与维护方便操作与维护方便 通用性好通用性好 性价比高性价比高 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.系统设计原则系统设计原则2.系统设计与实现的步骤系统设计与实现的步骤 测控任务的确定测控任务的确定 工程项目设计工程项目设计 设备安装与调试设备安装与调试 在线调试及运行在线调试及运行 确定系统的结构和类型确定系统的结构和类型 确定系统的主机机型确定系统的主机机型 确定控制算法确定控制算法 软、硬件功能划分软、硬件功能划分 选择现场设备选择现场设备 形成系统总体方案文件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.系统总体方案设计系统总体方案设计14.1.2 系统的工程设计与实现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：计方案主要包括以下内容：1 1）选择系统的总线类型）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，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。这就大大简化了计算机控制系统的设计工作。内部总线选择内部总线选择 外部总线选择外部总线选择PCPC总线总线；STDSTD总线总线并行通信总线并行通信总线(IEEE-488)(IEEE-488)；串行通信总线串行通信总线(RS-232C)(RS-232C)用于进行远距离通信和多站点互联的通信总线用于进行远距离通信和多站点互联的通信总线：RS-422RS-422；RS-485RS-485.（需要需要选配相应的通信接口板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。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 2）选择主机机型）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 数字量输入、输出数字量输入、输出(DI(DIDO)DO)模板选择模板选择 在选择控制系统的主机机型时，可以选择工业在选择控制系统的主机机型时，可以选择工业PCPC、PLCPLC或或智能仪表。而在总线式工业控制机中，又因采用的智能仪表。而在总线式工业控制机中，又因采用的CPUCPU不同而不同而有多种机型，设计人员要根据具体要求合理选型。有多种机型，设计人员要根据具体要求合理选型。3 3）选择输入选择输入、输出通道模板输出通道模板 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。量输出模板包括锁存器和输出电路等。PCPC总线的并行输入输总线的并行输入输出接口模板多种多样，有出接口模板多种多样，有TTLTTL电平的，也有带光电隔离的，通电平的，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常情况下，与工业控制机共地装置的接口可采用TTLTTL电平式，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。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 模拟量输入、输出模拟量输入、输出(AI(AIAO)AO)模板选择模板选择 模拟量输入模板包括模拟量输入模板包括A/DA/D转换电路和信号调理电路等，模转换电路和信号调理电路等，模拟量输出模板包括拟量输出模板包括D/AD/A转换电路和转换电路和V/IV/I转换电路等。转换电路等。AIAI模板的模板的输入信号可以是输入信号可以是0 05V DC5V DC、1 15V DC5V DC、0 010mA DC10mA DC、4 420mA 20mA DCDC、热电偶（、热电偶（TCTC）信号、热电阻（）信号、热电阻（RTDRTD）信号以及各种传感器）信号以及各种传感器和变送器的输出信号，也可以是和变送器的输出信号，也可以是-5-5+5V+5V的双极性信号。的双极性信号。AOAO模模板的输出信号可以是板的输出信号可以是0 05V DC5V DC、1 15V DC5V DC、0 010mA DC10mA DC、4 420mADC20mADC等信号。选择等信号。选择AIAIAOAO模板应重点考虑分辨率、转换速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。度、量程范围及通道数等技术指标。4 4）选择现场仪表）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 选择传感器和变送器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、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、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、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。和变送器的生产厂家与具体型号。选择执行器选择执行器 执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成，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。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。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、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、最大值开平方、最大值/最小值选择、工程量变换、上最小值选择、工程量变换、上/下限报警等）、下限报警等）、控制算法（如控制算法（如PIDPID）模块、计数）模块、计数/计时模块、逻辑运算模块、输计时模块、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。的可维护性和可移植性。具体的程序设计内容具体的程序设计内容：1 1）编程语言选择）编程语言选择2 2）数据类型和数据结构规划）数据类型和数据结构规划3 3）资源分配）资源分配4 4）应用程序设计）应用程序设计 数据采集及数据处理程序数据采集及数据处理程序 控制算法程序控制算法程序 控制量输出程序控制量输出程序 实时时钟程序实时时钟程序 数据管理程序数据管理程序 数据通信程序数据通信程序1 1）硬件系统调试）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 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。复杂回路、从局部到全局的基本原则。在仪表安装之前在仪表安装之前,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。行器等进行校验，以确保其精确度要求。检查各种接线和导压管检查各种接线和导压管,以保证连接正确。以保证连接正确。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。与设计相符。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，然后再按满量程的满量程的2525、5050、7575、100100分档检查，并且上行和下行来回调试，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。其读入状态或输出状态的正确性。检查系统的抗干扰措施和接地情况，应符合相关技术要求。检查系统的抗干扰措施和接地情况，应符合相关技术要求。检查相关的安全防护措施是否到位。检查相关的安全防护措施是否到位。2 2）软件系统调试）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。行全局调试，完成整体调试工作。3 3）系统联调与运行系统联调与运行 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。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。进行参数整定。14.2 工业工业锅炉锅炉计算机计算机控制系统设计控制系统设计 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 工艺过程概述工艺过程概述 以以10t/h10t/h链条式蒸汽锅炉为例，介绍其计算机控制系统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。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工业锅炉采用计算机控制的意义 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。更容易掌握锅炉的运行状态。利用计算机软件代替过去的许多单元仪表，可实现利用计算机软件代替过去的许多单元仪表，可实现各种各种运算功能，这运算功能，这不仅减少了投资，同时也提高了系统的可靠性。不仅减少了投资，同时也提高了系统的可靠性。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，并可实现自动可实现自动/手动切换及手动操作等功能。手动切换及手动操作等功能。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。报表。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。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。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。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工业锅炉计算机控制系统的基本功能 实时控制功能实时控制功能 显示功能显示功能 操作功能操作功能 数据存储与打印功能数据存储与打印功能 报警功能报警功能 联锁功能联锁功能 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 工业锅炉工业锅炉直接数字控制系统设计直接数字控制系统设计 直接数字控制直接数字控制(DDC)(DDC)系统是计算机在工业控制中应用最为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、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，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。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。首先，根据工艺要求，确定检测控制参数。1 1）锅炉检测参数）锅炉检测参数表表14.1 10t/h链条式蒸汽锅炉主要检测参数表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 2）硬件系统设计）硬件系统设计10t/h10t/h链条式蒸汽锅炉链条式蒸汽锅炉DDCDDC系统硬件结构图系统硬件结构图 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 10t/h链条式蒸汽锅炉链条式蒸汽锅炉DDCDDC系统硬件主要由工业控制机系统硬件主要由工业控制机及外部设备、过程输入及外部设备、过程输入/输出通道、现场仪表等组成。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：本系统采用研华工控机，其配置为：P4 2.4GHzP4 2.4GHz处理处理器，器，80GB80GB硬盘，硬盘，1GB1GB内存，内存，5252倍速光驱，两个串行口倍速光驱，两个串行口(COMI(COMI和和COM2)COM2)，一个并行打印口，一个并行打印口，USBUSB接口，光电鼠标，接口，光电鼠标，键盘，键盘，10/100Mbps10/100Mbps网卡，网卡，2121英寸液晶显示器，激光打印英寸液晶显示器，激光打印机及机及UPSUPS电源等。电源等。工业控制机及外部设备工业控制机及外部设备 过程输入过程输入/输出通道输出通道过程量输入过程量输入/输出采用研华输出采用研华PCIPCI板卡实现。板卡实现。现场仪表现场仪表现场仪表主要包括传感器、变送器和执行机构等。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 3）软件系统设计）软件系统设计 软件系统主要包括：主程序、数据采集与处软件系统主要包括：主程序、数据采集与处理程序、数字滤波程序、标度变换程序、理程序、数字滤波程序、标度变换程序、PIDPID控控制程序、制程序、PIDPID参数修改程序、输出程序、报警程参数修改程序、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。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 工业锅炉工业锅炉IPC+PLC控制系统设计控制系统设计1 1）控制系统总体结构控制系统总体结构 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 2）硬件系统设计硬件系统设计 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（主要是算机控制系统（主要是PLCPLC）出现故障时，操作人员仍能根据）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。仪表显示数值及时进行手动操作，从而避免事故的发生。管理计算机管理计算机：远程监控与调度，选用远程监控与调度，选用PCPC机机操作站操作站：配置三个操作站，可互为备用，选用配置三个操作站，可互为备用，选用IPCIPC现场控制单元现场控制单元：选用选用PLC-300PLC-300，通过必要的扩展，实现对三台，通过必要的扩展，实现对三台 锅炉的测控任务锅炉的测控任务 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表14.2 PLC 14.2 PLC 硬件配置表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考虑锅炉运行的实际情况，保证锅炉正常运行的PLCPLC硬件配置硬件配置 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 PLC 硬件系统结构硬件系统结构 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 3）软）软件系统设计件系统设计 操作站监控软件采用操作站监控软件采用WinCCWinCC设计，监控画面包括锅炉主流设计，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。的监控功能。PLC PLC程序是整个系统的核心，它直接关系到测控系统能否程序是整个系统的核心，它直接关系到测控系统能否安全、稳定及正常运行。本系统软件设计采用结构化编程方安全、稳定及正常运行。本系统软件设计采用结构化编程方法，将测控任务分解为若干个功能块，程序运行时所需的大法，将测控任务分解为若干个功能块，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。这些程序块相互独立，它们量数据和变量存储在数据块中。这些程序块相互独立，它们被组织块或其它程序块调用，组织块通过调用程序块实现锅被组织块或其它程序块调用，组织块通过调用程序块实现锅炉生产的自动化。炉生产的自动化。本章结束！本章结束！谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH