軋制過程計算機控制系統(tǒng)

軋制過程計算機控制系統(tǒng)2023/4/241第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

過程計算機控制系統(tǒng)的組成1.1

過程計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概述1.2第一章緒論

軋制過程計算機控制概述1.3

過程計算機控制系統(tǒng)的基本類型1.42023/4/242第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日1.4計算機控制系統(tǒng)的主要類型數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DateAcquiredSystem-DAS）操作指導控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl－DDC系統(tǒng)）直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl－DDC系統(tǒng)）集中型計算機控制系統(tǒng)(ConcentricControlsystem-CCS)分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem－DCS系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem－FCS系統(tǒng)）控制是作為一個系統(tǒng)與生產(chǎn)過程結合在一起的。根據(jù)應用特點、控制目的、控制方法和系統(tǒng)的構成，過程計算機控制系統(tǒng)大體上可分成以下幾種基本類型：2023/4/243第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日1數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

（DateAcquiredSystem-DAS）軋制過程中的各種過程變量，計算機可以通過檢測儀器檢測到，轉換成數(shù)字量送入計算機內存,這種檢測叫做計算機采樣。計算機還可以再將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過適當?shù)挠嬎悖烤V換算將它換成所需要的數(shù)值，或者進行其他的數(shù)學分析或數(shù)據(jù)加工。在這類系統(tǒng)中，計算機只對工業(yè)過程的各種參數(shù)進行巡回檢測、報警、結果處理，并在給定的時間間隔時，通過顯示、打印等方式向操作人員提供各種數(shù)據(jù)，即不參加對過程的控制。這種巡回檢測數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種計算機控制系統(tǒng)的重要組成部分，它的連接形式如下圖所示。2023/4/244第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

工業(yè)對象數(shù)據(jù)收集裝置計算機

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)參數(shù)：壓力、流量、溫度的輸入信號；模擬量：脈沖量：

開關量：通過光電編碼器測量的速度、位移信號。操作臺上的開關、按鈕；行程開關、極限開關；信號指示燈、音響報警、繼電器的接通與斷開、電磁閥的打開與關閉；電機的啟動與停止；計數(shù)器的預定數(shù)值計滿；定時器的預定時間已到達。電機控制系統(tǒng)中的速度給定、電流給定的輸入信號；控制伺服閥、比例閥的輸出信號。2023/4/245第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日實例：冷軋帶鋼平整機的計算機數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)壓力傳感器光電編碼器光電編碼器控制目的：給予帶鋼小壓下量改善板型平直度，使之達到國家標準；被控量：平整延伸率、軋輥輥縫巡回檢測數(shù)據(jù)：軋制力、軋制速度、輥縫。應用特點：數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)紀錄和顯示軋制過程中的各種不同情況，分析和研究軋制過程，建立和改善數(shù)學模型。模擬量輸入通道脈沖輸入計數(shù)器板2023/4/246第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日2．操作指導控制系統(tǒng)P17優(yōu)點：結構簡單，控制靈活和安全。缺點：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。操作指導系統(tǒng)直接從現(xiàn)場輸入實洲參數(shù)，由計算機進行分析和計算并給出操作指導，故稱其為“在線”操作指導系統(tǒng)。2023/4/247第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日計算機：利用所檢測的數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的控制和管理方法進行計算，給出相應的操作指導信息，通過CRT或打印機輸出給操作人員。在線操作指導控制系統(tǒng)離線操作指導控制系統(tǒng)2023/4/248第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日實例：二輥可逆式冷軋機操作指導系統(tǒng)

軋制數(shù)據(jù)表道次厚度軋制力輥縫實測厚度實測壓力實測輥縫反算壓力自適應參數(shù)02.7282.728?1.15012.30074.422.1902.31580.762.19273.101.21521.90077.831.7801.92581.221.78275.901.25931.60071.181.4991.59077.091.49772.041.302

輸入測量厚度h(1)=2.315h(2)=1.925h(3)=1.590Learn是自學習參數(shù)，其初值為1.08

應力狀態(tài)系數(shù)QP用布蘭德-福德公式的希爾簡化式計算。

控制目標：厚度精度被控量：輥縫巡檢參數(shù)：軋制力、輥縫、應用特點：數(shù)據(jù)收集、記錄；在線操作指導，建立自適應模型。2023/4/249第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

3直接數(shù)字控制

(

DirectDigitalControl－DDC）本質——

用一臺計算機取代一組模擬調節(jié)器，構成閉環(huán)控制回路。優(yōu)點——

計算靈活，精度高，可以處理多個控制回路。不僅能實現(xiàn)常規(guī)的PID控制規(guī)律，也能實現(xiàn)PID以外的多種復雜控制。問題——

當時的計算機系統(tǒng)的價格昂貴，計算機運算速度不能滿足快速過程實時控制的需求。AI、DIAO、DO控制站…………2023/4/2410第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日★要求：實時性好、可靠性高和適應性強★一臺計算機通常要控制幾個或幾十個回路輸入通道(AI.DI）輸出通道(AO.DO)打印機報警操作臺CRT計算機生產(chǎn)過程2023/4/2411第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日3.直接數(shù)字控制系統(tǒng)DirectDigitalControlSystem，DDC被測變量操作變量……控制規(guī)律：基于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的程序算法。DDC特點：信號轉換控制功能強大控制方法靈活要求實時性好、可靠性高、適應性強。2023/4/2412第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日實例：制藥廠的DDC控制土霉素生產(chǎn)車間20只發(fā)酵缸每個缸有2-4個參數(shù)，共需60個參數(shù)進行實時控制系統(tǒng)完成的功能：對20只缸共50個參數(shù)（溫度、溶氧、pH)實現(xiàn)PID控制；對10只三級缸實行消沫控制（開關量控制）；對20只缸的溫度、溶樣、pH進行巡回檢測；對以上60個參數(shù)定時制表；對上限、下限、實時鐘停等故障實現(xiàn)故障報警；土霉素車間的DDC控制框圖計算機：對各路信號按PID調節(jié)規(guī)律進行運算，并對生產(chǎn)過程進行實時控制、巡回檢測、實時制表、越限報警、事故報警。中央控制臺：在操作臺顯示各路參數(shù)值；設置和改變參數(shù)的給定值和上下限；打印。(人機接口）路給定值偏差值單位0130.00+0.06C0~10mA+24V0~10mAΤ=40ms×60=2.4s2023/4/2413第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日直接數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)的不同在模擬系統(tǒng)中，信號的傳送不需要數(shù)字化，而數(shù)字系統(tǒng)中由于采用計算機，因此在信號的傳送過程中就需要采用數(shù)模和模數(shù)轉換。另外，DDC是用程序進行控制運算，這就比模擬量控制與控制對象一一對應的控制方式靈活而又經(jīng)濟。只要改變計算機程序就可以對控制對象實現(xiàn)不同控制功能，因此可以控制幾百個回路，并可以對上下限進行監(jiān)視和報警。此外，因為計算機有較強的計算能力，所以控制方法的改變很方便，只要改變程序就可以實現(xiàn)。就一般的模擬控制而言，要改變控制方法，必須改變硬件，這不是輕而易舉的事。2023/4/2414第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日DDC系統(tǒng)對計算機的要求由于DDC系統(tǒng)中的計算機直接承擔控制任務，所以要求實時性好、可靠性高和適應性強。為了充分發(fā)揮計算機的利用率，一臺汁算機通常要控制多個回路，那就要求合理地設計應用軟件，使之不失時機地完成所有功能。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機的可靠運行。因此，必須采取抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性，使之能適應各種工業(yè)環(huán)境。2023/4/2415第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日DDC控制系統(tǒng)的存在的問題一臺DDC計算機可以控制幾百個回路，以及上千個過程變量的顯示、操作，控制集中在單一計算機上實現(xiàn)。DDC機上所實現(xiàn)的功能有：過程監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、報警、過程控制、生產(chǎn)調度、工廠管理等。局部的小故障造成整個系統(tǒng)的崩潰。2023/4/2416第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日集中型計算機控制系統(tǒng)出發(fā)點：用一臺計算機來控制盡可能多的控制回路(幾百個回路)，實現(xiàn)盡可能多的功能。數(shù)字調節(jié)器控制計算機現(xiàn)場操作臺終端顯示器I/O設備監(jiān)測儀表執(zhí)行設備數(shù)據(jù)處理、上下限報警、過程控制、顯示輸出、生產(chǎn)調度…優(yōu)點：信息集中，便于實現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)。問題：一方面容易出現(xiàn)負荷過載，另一方面控制的集中也直接導致危險的集中。2023/4/2417第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日4.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)SupervisoryComputerControlSystem,SCCSCC計算機：根據(jù)反映生產(chǎn)過程工況的數(shù)據(jù)和數(shù)學模型，進行必要的計算，給DDC計算機提供各種控制信號，如最佳給定值、最優(yōu)控制量等。一般選用高檔微型機或小型機作為SCC用計算機。2023/4/2418第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

3．監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl—SCC）

DDC計算機生產(chǎn)過程SSC計算機記錄顯示打印調節(jié)測量設定值(b)工藝數(shù)據(jù)模擬調節(jié)器生產(chǎn)過程SSC計算機記錄顯示打印調節(jié)測量設定值(a)工藝數(shù)據(jù)IO通道IO通道通訊RS232通訊RS2322023/4/2419第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日實例：武鋼熱軋廠計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)2023/4/2420第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日實例：武鋼熱軋廠計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)過程自動化級1.初始數(shù)據(jù)輸入；5.數(shù)據(jù)采集和處理2.跟蹤；6.人機界面3.設定計算；7.報告和紀錄4.模型自適應8.數(shù)據(jù)通信1.板坯測量；2.板坯確認；3.板坯移動和爐前定位；4.推鋼機控制；5.步進梁控制；6.抽鋼機控制；7.加熱爐溫度控制。1.粗軋機設定；2.輥道控制；3.可逆軋機的順序控制；4.除鱗控制；5.速度控制；6.寬度控制；1.精軋機設定；2.飛將控制；3.速度控制；4.活套控制；5.除鱗和機架間噴水控制；6.穿帶自適應控制。1.卷取機控制；2.張力控制；3.順序控制；4.卷取機溫度控制；5.鋼卷運輸控制。加熱爐1#DDC粗軋機2#DDC飛剪、精軋機3#DDC卷取機4#DDC1#SCCVAX20002#SCC備用基礎自動化2023/4/2421第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日SCC系統(tǒng)通常采用兩級計算機，其中DDC計算機(稱為下位機)完成直接數(shù)字控制功能；SCC計算機(稱為上位機)則根據(jù)反映生產(chǎn)過程工況的數(shù)據(jù)和數(shù)學模型進行必要的計算．給DDC計算機提供各種控制信號，比如最佳給定值和最優(yōu)控制量。DDC用計算機與生產(chǎn)過程連接，并直接承擔控制任務。因此，要求其可靠性高，抗干擾性強．并能獨立工作。一般選用單板機式微型機作為DDC計算機。SCC計算機承擔高級控制與管理的任務，它的信息存儲量大、計算任務繁重。一般選用高檔微型機或小型機作為SCC用計算機。2023/4/2422第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日SCC計算機功能有：對整個軋制線設備控制的設定計算，對整個軋制線軋件跟蹤，軋制節(jié)奏控制，處理軋制過程大量的技術數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)并顯示。DDC計算機的功能有：以比較短的取樣間距直接控制各個電機驅動設備的位置，帶鋼厚度和溫度以及軋機的程序控制。2號SCC與4號DDC離線備用。1—3號DDC的控制項目下：1號DDC用來控制加熱爐前后及粗軋各機械設備的動作，2號DDC用來控制精軋各機械設備的動作3號DDC用來控制卷取機各機械的動作2023/4/2423第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日五、多級控制系統(tǒng)多級控制系統(tǒng)的產(chǎn)生是由于生產(chǎn)規(guī)模越來越大，信息來源越來越多，對計劃管理信息收集的及時性要求越來越高，因此要求管理計算機系統(tǒng)能直接指揮過程計算機系統(tǒng)，過程計算機也能直接向管理計算機系統(tǒng)進行匯報。在現(xiàn)代化大型企業(yè)中，生產(chǎn)的原料、產(chǎn)品、能源調度已成為企業(yè)獲得最好經(jīng)濟效益的關鍵因素，因此設有能源調度中心、生產(chǎn)調度中心等大型計算機中心。它會帶來較監(jiān)控層更大的經(jīng)濟效益。最高一層是企業(yè)管理層，它包括生產(chǎn)計劃、財務會計、銷售、人事工資和經(jīng)營決策，屬于現(xiàn)代管理科學范疇，通常由計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)。多級控制系統(tǒng)也稱信息管理級控制系統(tǒng)MIS。(ManagmentInformationSystem）2023/4/2424第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日5.多級控制系統(tǒng)ManagementInformationSystem,MISDDC級用來直接控制生產(chǎn)過程，主要進行數(shù)字PID控制、順序控制、比值控制串級控制等各種數(shù)字直接控制，數(shù)據(jù)收集、監(jiān)視報警。SCC級主要進行最優(yōu)控制的設定計算，指揮DDC的工作，調整常規(guī)控制器的設定值和給操作者發(fā)出操作指令等。MIS級是生產(chǎn)管理級，主要進行生產(chǎn)的計劃和調度，指揮SCC級進行工作。DDC級SCC級車間管理工廠管理公司管理MIS級2023/4/2425第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

DDC級用來直接控制生產(chǎn)過程，在這一級主要進行比例、積分、微分等各種數(shù)字直接控制，并可進行程序控制、順序控制、比值控制、串級控制、前饋控制以及延遲補償?shù)雀鞣N的控制計算。此外，它還可以進行數(shù)據(jù)收集和監(jiān)視報警等。SCC級主要進行最優(yōu)控制的設定計算，指揮DDC級的工作，調整常規(guī)控制器的設定值和向操作者發(fā)出操作指令等。MIS級是生產(chǎn)管理級，它主要進行生產(chǎn)的計劃和調度，指揮SCC級進行工作。這一級又可以按企業(yè)的規(guī)模和管理范圍的大小，分成幾級，例如車間管理級、分廠管理級和公司管理級。MIS級的計算機都是大型的通用計算機，要求數(shù)據(jù)處理和科學計算的能力強，內存和外存的容量大。2023/4/2426第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6分布式控制系統(tǒng)

DistributedControlSystem出發(fā)點（2個方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的設計思想，需要把控制功能分散到若干個控制站實現(xiàn)，以提高系統(tǒng)的可靠性；(2)考慮到整個生產(chǎn)過程的整體性，各個控制系統(tǒng)（回路）的運行應當服從工業(yè)生產(chǎn)管理的總體目標。根本特征:控制的分散性和管理的集中性2023/4/2427第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日微型機的優(yōu)點：運算速度快、可靠性高、價格便宜、體積小。新技術：測量控制技術control、通訊技術communication人機接口技術CRT以及上述的計算機技術computer即4C技術的相互發(fā)展、相互滲透產(chǎn)生的。特征：利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理，分散控制、分散負載、分散危險的一種新型控制技術。它既不同于分散的儀表控制，也不同于集中的計算機控制系統(tǒng)。它吸收兩者的優(yōu)點，在此基礎上發(fā)展起來的。6分布式控制系統(tǒng)DistributedControlSystem2023/4/2428第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6.分布式控制系統(tǒng)DistributedControlSystem,DCS服務器工作站終端終端網(wǎng)關網(wǎng)關網(wǎng)關打印機工程師站操作員站管理網(wǎng)絡MNET系統(tǒng)網(wǎng)絡SNET現(xiàn)場I/O控制站控制網(wǎng)絡CNET2023/4/2429第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6.分布式控制系統(tǒng)

大型控制系統(tǒng)2023/4/2430第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6.分布式控制系統(tǒng)

大型控制系統(tǒng)1.將現(xiàn)場發(fā)生的過程量進行數(shù)字化，并將數(shù)字化后的量存在存儲器的本地數(shù)據(jù)庫中，并能按實際運行情況實時地改變和更新現(xiàn)場過程量。2.將本站采集的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡送到操作員站、工程師站、其他I/O站，以實現(xiàn)全范圍內的監(jiān)督和控制。同時現(xiàn)場I/O還可以接受由操作員站、工程師站下發(fā)的信息，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的人工控制，或對本站的參數(shù)設定。3.在本站實現(xiàn)局部自動控制，回路計算。及閉環(huán)控制、順序控制等經(jīng)典算法，也可下裝非標準算法。2023/4/2431第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6.分布式控制系統(tǒng)

大型控制系統(tǒng)與運行操作有關的人機界面功能的網(wǎng)絡節(jié)點。為操作員提供人機界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)，各種運行參數(shù)的當前值，是否由異常發(fā)生，并通過輸出設備對工藝過程進行控制和調節(jié)。2023/4/2432第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6.分布式控制系統(tǒng)

大型控制系統(tǒng)對DCS進行離線配置、組態(tài)工作和在線系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護的網(wǎng)絡節(jié)點。2023/4/2433第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日6.分布式控制系統(tǒng)

大型控制系統(tǒng)企業(yè)內部管理數(shù)據(jù)通