計(jì)算機(jī)控制課件

計(jì)算機(jī)控制課件第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流方向。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件代替了自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器，以自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)快速?gòu)?qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷等信息加工能力，使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。如今計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地用于工業(yè)、國(guó)防和民用的各個(gè)領(lǐng)域。

第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖9-11發(fā)酵過(guò)程控制點(diǎn)示意圖實(shí)例

第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五生物發(fā)酵是食品、制藥工業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)工序之一。在發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵條件是影響過(guò)程代謝變化的主要因素。因此，保證發(fā)酵在最佳的條件下進(jìn)行是實(shí)施自動(dòng)化控制的根本目的。綜合來(lái)說(shuō)，在發(fā)酵條件方面應(yīng)有以下一些工藝要求：(1)溫度(2)壓力(3)pH值(4)溶解氧第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖9-11發(fā)酵過(guò)程控制點(diǎn)示意圖實(shí)例

第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）溫度控制，溫度是影響生化反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)重要變量，因?yàn)椴粌H微生物菌體本身對(duì)溫度十分敏感，而且涉及菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的酶都必須在一定溫度下才能具有高的活性，因此，生化反應(yīng)過(guò)程的溫度控制是很重要的。影響生化反應(yīng)溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機(jī)攪拌熱、冷卻水本身的溫度變化以及周圍環(huán)境溫度的改變。第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五發(fā)酵罐溫度控制采用了單回路PID控制器，由溫度測(cè)量元件，控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過(guò)程生化反應(yīng)器四部分組成。生化發(fā)酵罐通常采用冷卻水的方式帶走生化反應(yīng)熱，小型發(fā)酵罐通常采用夾套式冷卻形式，大型的生化反應(yīng)器通常采用在反應(yīng)器內(nèi)裝盤(pán)管冷卻器形式，后者冷卻效果更好，但是要占用生化反應(yīng)器的有效反應(yīng)體積。第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五如果冷卻水溫度干擾比較明顯，也可以測(cè)量冷卻水溫度，將此信號(hào)直接前饋到冷卻水調(diào)節(jié)閥上，從而補(bǔ)償冷卻水溫度干擾對(duì)發(fā)酵罐溫度控制的影響，即前饋補(bǔ)償控制，與發(fā)酵罐溫度反饋控制共同組成前饋—反饋控制系統(tǒng)。第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）壓力控制，發(fā)酵罐操作壓力的變化，將會(huì)引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變，也就是說(shuō)影響著溶解氧濃度的變化。影響發(fā)酵罐的壓力主要是供給的消毒空氣的壓力變化，通?？刂瓢l(fā)酵罐的壓力是通過(guò)調(diào)節(jié)排出氣體的量來(lái)控制，一般也用單回路控制方法。第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）pH控制，pH是發(fā)酵過(guò)程中必須控制的重要變量之一。補(bǔ)氨是微生物發(fā)酵過(guò)程中常用的一種調(diào)節(jié)pH的方法。但補(bǔ)氨只有在pH較低、氨氮也偏低的時(shí)候進(jìn)行，如果pH偏高而氨氮偏低，可以補(bǔ)入硫酸銨或者氯化銨。pH和氨氮都偏高，則應(yīng)補(bǔ)糖（特別是葡萄糖）。只有當(dāng)pH偏低而氨氮偏高的情況下，才考慮補(bǔ)堿予以調(diào)節(jié)。無(wú)論采用什么方法調(diào)節(jié)pH，工藝要求應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，不能大起大落以致破壞微生物賴以生長(zhǎng)和代謝的穩(wěn)定環(huán)境，因此在pH值控制中，必須嚴(yán)格控制好氨水的加入量，絕對(duì)不能過(guò)量。第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五pH控制系統(tǒng)由pH測(cè)量電極和變送器、pH控制器（pHC）、空氣開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥組成。為了防止調(diào)節(jié)閥門(mén)的泄漏，采用了氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，由電磁空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂破鞲鶕?jù)pH偏差信號(hào)計(jì)算開(kāi)關(guān)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)周期和開(kāi)與關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制輸入氨水的量?？刂崎_(kāi)關(guān)周期通常設(shè)定為一分鐘，開(kāi)關(guān)時(shí)間則由偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算。第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）溶解氧控制，對(duì)于耗氧的微生物發(fā)酵來(lái)說(shuō)，溶氧濃度是一個(gè)十分重要的控制變量。溶解氧控制可通過(guò)控制發(fā)酵罐壓力或空氣流量的方法來(lái)進(jìn)行控制，由于壓力控制系統(tǒng)與空氣流量控制系統(tǒng)互相有影響，即有耦合作用，而發(fā)酵壓力通常需保持恒定，因?yàn)樘岣甙l(fā)酵壓力，使得發(fā)酵中的二氧化碳的溶解度也增加，這不僅會(huì)改變發(fā)酵液的pH值，而且也會(huì)影響氧的溶解度，因此常用調(diào)節(jié)空氣流量的方法來(lái)控制溶解氧。第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)溫度探頭及變送器由于發(fā)酵溫度一般控制在28～38℃之間，對(duì)于某一特定的發(fā)酵過(guò)程其溫度控制可能要求波動(dòng)在某特定溫度設(shè)定值上下的0.5℃甚至0.2℃的范圍內(nèi)，因此對(duì)溫度探頭的精度提出了很高的要求，在發(fā)酵過(guò)程當(dāng)中常用的溫度探頭為A級(jí)鎧裝PT100熱電阻或一體化溫度變送器，接線盒采用防濺式或防水式。盡量選擇熱響應(yīng)時(shí)間小的探頭，這對(duì)提高溫度控制質(zhì)量有相當(dāng)?shù)淖饔?。第十三?yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五(2)微差壓變送器由于罐內(nèi)只要保持一定的正壓及能達(dá)到工藝要求，過(guò)大的正壓不利于生產(chǎn)的節(jié)能降耗，因此選擇0～1kPa的微差壓變送器即可，原理上可以是電容式，也可以是諧振式，還可選擇空氣壓力開(kāi)關(guān)。第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五(3)pH值探頭及變送器pH值測(cè)量要注意pH探頭的高溫特性，因?yàn)樵诎l(fā)酵批次之間有一個(gè)高溫消毒過(guò)程，此時(shí)罐內(nèi)溫度高達(dá)120℃甚至更高，為避免高溫對(duì)pH值探頭的損壞，可考慮如下措施：一是對(duì)高溫消毒蒸汽的溫度進(jìn)行控制，限制其溫度在不超過(guò)120℃（或更低）的范圍內(nèi)，選擇高溫型的pH值探頭；另一種是使用一種專用的帶驅(qū)動(dòng)裝置的護(hù)套，在進(jìn)行高溫消毒前自動(dòng)將pH值探頭由罐內(nèi)抽出返回護(hù)套，消毒過(guò)后再自動(dòng)將pH值探頭重新插入發(fā)酵罐內(nèi)。第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五(4)溶解氧探頭及變送器溶解氧探頭的選擇需考慮其高溫性能。溶解氧探頭有直接接觸式和膜式兩種，一般說(shuō)來(lái)，發(fā)酵上使用膜式溶解氧探頭居多。第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五(5)執(zhí)行器在發(fā)酵自動(dòng)化控制的過(guò)程當(dāng)中，對(duì)執(zhí)行器的選擇有著嚴(yán)格的要求。在pH值調(diào)節(jié)上需要選擇工作可靠的隔膜開(kāi)關(guān)閥，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是關(guān)斷可靠；二是閥內(nèi)不會(huì)有殘留液。另外，閥的口徑選擇要合適，不能太大，否則進(jìn)行pH調(diào)整時(shí)容易過(guò)調(diào)。在溫度和壓力調(diào)節(jié)方面，執(zhí)行器沒(méi)有特殊的要求。溫度調(diào)節(jié)常采用直行程單座調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)采用碟閥。第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五表9-2監(jiān)控點(diǎn)情況一覽表描述范圍說(shuō)明描述范圍說(shuō)明發(fā)酵罐內(nèi)的溫度Pt1000～1500C回水溫度Pt1000～1500C發(fā)酵罐內(nèi)的PH值4～20mA0～14進(jìn)水溫度Pt1000～1500C發(fā)酵罐內(nèi)的溶氧4～20mA0～150%發(fā)酵罐內(nèi)壓力0～1KPa發(fā)酵罐的空氣流量0～10KPa/0～120m3/min冷水控制閥DO輸出電磁閥電機(jī)轉(zhuǎn)速4～20mA蒸汽控制閥DO輸出電磁閥空氣流量控制閥AO輸出電動(dòng)閥氨流量控制閥DO輸出空氣開(kāi)關(guān)排出氣體流量控制閥AO輸出電動(dòng)閥變頻調(diào)速器AO輸出電動(dòng)閥第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖9-13基于IPC的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)示意圖第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般概念第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值進(jìn)行巡回采集、分析處理、性能計(jì)算以及顯示、記錄、制表等；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)督?jīng)Q策：對(duì)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行越限報(bào)警、事故預(yù)報(bào)與處理，根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)備自動(dòng)啟停，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行診斷與管理等；（3）實(shí)時(shí)控制及輸出：根據(jù)被控生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)和控制要求，選擇合適的控制規(guī)律，包括復(fù)雜的先進(jìn)控制策略，然后按照給定的控制策略和實(shí)時(shí)的生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)控制。主要功能第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)系統(tǒng)軟件(2)應(yīng)用軟件2．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)用軟件功能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集控制輸出邏輯控制報(bào)警監(jiān)視畫(huà)面顯示和報(bào)表輸出可靠性功能管理功能通信功能流程畫(huà)面制作功能第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)

第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)

第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.集散控制系統(tǒng)第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五其測(cè)量變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍是基于模擬儀表的，與現(xiàn)場(chǎng)總線及智能儀表的數(shù)字信號(hào)傳送相比，其抗干擾能力與傳輸精度都大為遜色。各DCS開(kāi)發(fā)生產(chǎn)企業(yè)制造的DCS使用專用平臺(tái)，使得不同廠商之間的產(chǎn)品互不兼容，互操作性差。傳統(tǒng)DCS在控制規(guī)律和控制算法方面，相對(duì)于常規(guī)儀表并沒(méi)有重大突破，所提供的編程計(jì)算工具功能仍顯簡(jiǎn)單，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，使得許多先進(jìn)的控制算法無(wú)法在DCS上直接實(shí)現(xiàn)，基于常規(guī)控制規(guī)律的DCS的控制品質(zhì)難以滿足生產(chǎn)的控制需求。集散型控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五系統(tǒng)的開(kāi)放性互可操作性與互換性現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五6.工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能及其指標(biāo)1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能分析和要求與連續(xù)控制系統(tǒng)相似，可用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性（精度）來(lái)表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)通常用穩(wěn)定裕量、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)等。第三十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.2.2控制對(duì)象對(duì)控制性能的影響第三十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于202