計算機控制系統(tǒng)第九章

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,計算機控制系統(tǒng),第九章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn),原則與步驟,系統(tǒng)設(shè)計的原則,1.安全可靠,系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。,平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure）MTBF反映了系統(tǒng)可靠工作的能力。,平均維修時間MTTR（Mean Time To Restoration）MTTR表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障后立即恢復(fù)工作的能力。,原則與步驟,系統(tǒng)設(shè)計的原則,（1）高性能的主控模板。,（2）可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，比如報警、事故預(yù)測、

2、事故處理和不間斷電源等。,（3）后備裝置。對于一般的控制回路選用手動操作為后備；對于重要的控制回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。,（4）各種軟、硬件的冗余設(shè)置。,原則與步驟,2.滿足工藝要求,3.操作維護(hù)方便,4.實時性強,5.通用性好,6.經(jīng)濟(jì)效益高,系統(tǒng)設(shè)計的原則,原則與步驟,系統(tǒng)設(shè)計的步驟,（1）工程項目與控制任務(wù)的確定階段；,（2）工程項目的設(shè)計階段；,（3）離線仿真和調(diào)試階段；,（4）在線調(diào)試和運行階段。,原則與步驟,1.工程項目與控制任務(wù)的確定階段,(1)甲方提出任務(wù)委托書,(2)乙方研究任務(wù)委托書,(3)雙方對委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改,(4)乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計,(5)乙方進(jìn)行

3、方案可行性論證,(6)簽訂合同書,原則與步驟,(1)組建項目研制小組,(2)系統(tǒng)總體方案設(shè)計,1)系統(tǒng)總線與主機機型,2)I/O接口,3)變送器,4)執(zhí)行機構(gòu),5)其它現(xiàn)場設(shè)備,(3)方案論證與評審,(4)硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計,(5)硬件和軟件的調(diào)試,(6)系統(tǒng)的組裝,2.工程項目的設(shè)計階段,原則與步驟,3.離線仿真和調(diào)試階段,4.在線調(diào)試和運行階段,圖,9-1,離線仿真和調(diào)試階段流程,控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟,控制系統(tǒng)的設(shè)計一般分為以下幾個步驟：系統(tǒng)總體控制方案的設(shè)計、機型的選擇、控制算法的設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。,系統(tǒng)整體控制方案的設(shè)計,1、確定控制任務(wù):控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、微機

4、的作用,2、軟硬件的功能分配,3、接口設(shè)計：,（1）、選用專門的功能接口板,（2）、選用通用的接口電路,（3）、用集成電路自行設(shè)計,4、通道設(shè)計,5、操作員控制臺的設(shè)計,微型計算機的選擇,1、組裝方案,2、單板機或單片機方案,4、通用微型計算機系統(tǒng)方案,5、通用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)方案,一、微型計算機系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇,3、可編程控制器,二、微型計算機系統(tǒng)性能指標(biāo)選擇,1、完善的中斷系統(tǒng),2、足夠的存儲容量,3、完備的輸入輸出通道和實時的時鐘,4、足夠的數(shù)據(jù)處理能力,7.1.3、控制算法的設(shè)計,控制算法的設(shè)計要充分考慮：控制速度、控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可實現(xiàn)性。,7.1.4、硬件的設(shè)計,7.1.5

5、、軟件設(shè)計,7.1.6、系統(tǒng)的聯(lián)調(diào),7.2、微型計算機控制系統(tǒng)的軟件,7.2.1、軟件的分類,1、系統(tǒng)軟件,2、應(yīng)用軟件,1）控制程序,2）數(shù)據(jù)采集及處理程序,3）巡回檢測程序,4）數(shù)據(jù)管理程序,控制程序的語言選擇及設(shè)計步驟,一、語言的選擇,1、機器語言,2、匯編語言,3、高級語言,二、應(yīng)用程序的設(shè)計步驟和方法,設(shè)計步驟：問題的定義、程序設(shè)計、編碼、調(diào)試、改進(jìn)、再改進(jìn),設(shè)計方法：模塊化設(shè)計思想、結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想,4、組態(tài)軟件,可靠性技術(shù),簡易的手動備用方式即采用手動操作方式實現(xiàn)對自動控制方式的備用。當(dāng)自動方式發(fā)生故障時，通過切換成手動工作方式，來保持系統(tǒng)的控制功能。,一般在進(jìn)行計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

6、時，主要包括如下關(guān)鍵部件的冗余設(shè)置：電源冗余、輸入/輸出模塊冗余、控制回路冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余以及操作站冗余等。,基于工業(yè)PC的計算機測控系統(tǒng)設(shè)計,圖9-11 發(fā)酵過程控制點示意圖,1.溫度控制,圖9-12 分程控制系統(tǒng)原理圖,應(yīng)用實例,2.壓力控制,3.pH值控制,4.溶解氧（DO）值的控制,應(yīng)用實例,表9-2 監(jiān)控點情況一覽表,描述,范圍說明,描述,范圍說明,發(fā)酵罐內(nèi)的溫度,Pt100 0150,0,C,回水溫度,Pt100 0150,0,C,發(fā)酵罐內(nèi)的PH值,420mA 014,進(jìn)水溫度,Pt100 0150,0,C,發(fā)酵罐內(nèi)的溶氧,420mA 0150%,發(fā)酵罐內(nèi)壓力,01KPa,發(fā)酵罐

7、的空氣流量,010KPa/0120m,3,/min,冷水控制閥,DO輸出電磁閥,電機轉(zhuǎn)速,420mA,蒸汽控制閥,DO輸出電磁閥,空氣流量控制閥,AO輸出電動閥,氨流量控制閥,DO輸出空氣開關(guān),排出氣體流量控制閥,AO輸出電動閥,變頻調(diào)速器,AO輸出電動閥,應(yīng)用實例,圖9-13 基于IPC的計算機測控系統(tǒng)示意圖,基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的計算機測控系統(tǒng)設(shè)計,圖9-14 污水處理廠工藝流程圖,人工控制,當(dāng)污水廠處于檢修、手動工況時采用人工控制方式。操作人員通過污水廠操作臺上的操作按鈕，啟動或停止相關(guān)的設(shè)備，RTU只檢測設(shè)備的運行工況、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和故障判斷，并送中央控制計算機進(jìn)行顯示，不進(jìn)行故障保護(hù)控制。,1.

8、污水廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式,RTU自動控制,就地RTU采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)（如液位、流量、壓力和溶解氧濃度等），經(jīng)分析處理，自動控制現(xiàn)場的機械設(shè)備如閥、格柵、轉(zhuǎn)碟和泵等。它主要包括：RTU對氧化溝溶解氧濃度的自動控制，RTU對機械格柵清污的自動控制，RTU對回流污泥的自動控制，故障監(jiān)測和保護(hù)控制。,中控室遠(yuǎn)程遙控,操作人員在中央監(jiān)控計算機上通過鍵盤發(fā)布控制指令至各個現(xiàn)場RTU控制器，遠(yuǎn)程遙控各現(xiàn)場設(shè)備的工作。,1.污水廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式,考慮一座氧化溝設(shè)置有3臺溶解氧分析儀，18臺轉(zhuǎn)碟（其中6臺可變頻調(diào)速）。其控制流程如圖9-15所示。溶解氧的控制可有兩種方案：,第一種是由2臺可變頻調(diào)速轉(zhuǎn)碟和4臺二級

9、調(diào)速轉(zhuǎn)碟與一臺溶解氧分析儀組成一套控制系統(tǒng)，這樣一座氧化溝有三套控制系統(tǒng)。,該方案調(diào)節(jié)響應(yīng)較快，也有利于整個氧化溝中溶解氧的均勻分布，但對溶解氧分析儀的可靠性要求較高，必須每臺正確。,(2)氧化溝溶解氧控制,另一種方案是對3臺溶解氧分析儀的檢測信號先進(jìn)行前置處理，包括信號可靠性分析和信號平滑濾波等，得到一個較為正確的平均信號值。然后按此值同時去控制6臺可變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)碟和12臺二級調(diào)速轉(zhuǎn)碟。,該方案與第一種方案相反，只要其中一臺溶解氧分析儀可靠即能實現(xiàn)正常自動運行。,(2)氧化溝溶解氧控制,圖9-15 氧化溝溶解氧控制流程示意圖,初沉污泥泵房內(nèi)設(shè)兩臺進(jìn)泥泵。進(jìn)泥管上各設(shè)一個進(jìn)泥閥，泵房前池內(nèi)設(shè)置

10、高低泥位開關(guān)。泵房前池泥位控制策略為：按時間周期控制泵和閥的啟停。而時間周期的設(shè)定修正有兩種方式：人工設(shè)定；按泥位開關(guān)的動作來作出修正。如圖9-16所示，若高位開關(guān)動作，一方面立即啟動第二臺泵，另一方面修正時間周期的設(shè)定，減小T（T可“正”可“負(fù)”，“負(fù)”表示兩臺污泥泵同時運轉(zhuǎn)）。若低位開關(guān)動作，則相反。,(3)初沉池污泥泵房前池泥位控制,應(yīng)用實例,圖9-16 進(jìn)泥泵運行時間示意圖,應(yīng)用實例,回流污泥系統(tǒng)把二沉池中沉淀下來的絕大部分活性污泥再回流到氧化溝，以保證氧化溝中有足夠的微生物濃度?；亓魑勰嗔亢突亓鞅仁腔钚晕勰嘞到y(tǒng)的重要工藝參數(shù)。,回流比是指回流污泥量與入流污水量之比,回流系統(tǒng)的控制有三

11、種方式：保持回流量恒定；保持回流比恒定；定期或隨時調(diào)節(jié)回流量及回流比，使系統(tǒng)狀態(tài)處于最佳。,(4)回流污泥控制,實際采用第2種和第3種相結(jié)合的方式,圖9-17 活性污泥回流比控制示意圖,應(yīng)用實例,按時間周期啟停。,按格柵前后液位差來決定啟停。當(dāng)液位差超過某個數(shù)值（如0.2m）時，啟動格柵除污機；液位差小于某個值（如0.1m）時，停格柵除污機。,當(dāng)液位差低于某個值時，按時間周期啟停，而當(dāng)液位差高于某個值時立即啟動并連續(xù)運行，直到液位差達(dá)到正常范圍，格柵恢復(fù)按時間周期運行。,(5)柵渣清除控制,應(yīng)用實例,圖,9-18,柵渣清除控制示意圖,應(yīng)用實例,圖9-19 污水處理廠計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

12、,應(yīng)用實例,(1)精確度 指在正常使用條件下，儀表測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，誤差越小，精確度越高。一般生產(chǎn)過程物理量檢測儀表的精確度為1%，水質(zhì)分析儀表的精確度為2%（測高濁水的濁度儀的精確度為5%）。,(2)響應(yīng)時間 當(dāng)對被測量進(jìn)行測量時，儀表指示值總要經(jīng)過一段時間才能顯示出來，這段時間即為儀表的響應(yīng)時間。水質(zhì)分析儀表響應(yīng)時間應(yīng)不超過3min。,(3)輸出信號 儀表的模擬輸出應(yīng)是420mA DC信號，負(fù)載能力不小于600。,儀表選配的一般要求,應(yīng)用實例,(4)儀表的防護(hù)等級 應(yīng)滿足所在環(huán)境的要求，一般應(yīng)不低于IP65，用于藥劑投加系統(tǒng)的檢測儀表要求能耐腐蝕。,(5)電源 四線制的儀表電源多為220V AC、50Hz，兩線制的儀表電源為24V DC。,(6)現(xiàn)場監(jiān)測儀表 宜選用數(shù)顯儀。,(7)儀表的工作電源 應(yīng)獨立，不應(yīng)和計算機共用電源，以保證發(fā)生故障和檢修時電源互不干擾，使各自都能穩(wěn)定可靠地運行。,儀表選配的一般要求,圖9-20 總圖,圖9-21 4#PLC,