第8章 计算机控制系统应用实例

1、ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第八章第八章 计算机控制系统应用实例计算机控制系统应用实例ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一节第一节 DCS系统系统一、一、DCSDCS的基本概念的基本概念ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一节第一节 DCS系统系统二、二、DCSDCS的基本构成的基本构成ComputerComputerControlled Controlled SystemsSy

2、stems第一节第一节 DCS系统系统三、主要三、主要DCSDCS在我国火电机组的应用情况在我国火电机组的应用情况ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一节第一节 DCS系统系统三、主要三、主要DCSDCS在我国火电机组的应用情况在我国火电机组的应用情况ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一节第一节 DCS系统系统三、主要三、主要DCSDCS在我国火电机组的应用情况在我国火电机组的应用情况ComputerComputerControlled Controll

3、ed SystemsSystems第一节第一节 DCS系统系统三、主要三、主要DCSDCS在我国火电机组的应用情况在我国火电机组的应用情况ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现一、主汽温控制方案一、主汽温控制方案 控制要求：控制要求： 主汽温度是单元机组主要的安全经济参数，在正常运主汽温度是单元机组主要的安全经济参数，在正常运行工况下主汽温度的偏差不能超过额定值的行工况下主汽温度的偏差不能超过额定值的+5-10 C，对控制性能要求比较高。对控制性能要求比较高。 被控对象

4、：被控对象： 为了克服主汽温度被控对象的滞后惯性大的影响，增为了克服主汽温度被控对象的滞后惯性大的影响，增强系统抗干扰能力，大型单元机组的主汽温度控制一般强系统抗干扰能力，大型单元机组的主汽温度控制一般采用二级喷水减温的调温方式（一级减温相当于粗调，采用二级喷水减温的调温方式（一级减温相当于粗调，二级减温相当于细调），同时又分为甲乙两侧进行分别二级减温相当于细调），同时又分为甲乙两侧进行分别控制，这样共有四个结构类似的控制回路。控制，这样共有四个结构类似的控制回路。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系

5、统的主汽温控制系统的DCS实现实现ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现 控制方案：串级控制。控制方案：串级控制。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现 其它考虑：其它考虑： 除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他主要除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他主要因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动，统称为外部干扰。因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动，统称为外

6、部干扰。为了提高控制系统抵御外部干扰的能力，主蒸汽温度为了提高控制系统抵御外部干扰的能力，主蒸汽温度控制系统中还采用了前馈方式。下图为机组实际的二控制系统中还采用了前馈方式。下图为机组实际的二级减温控制系统的结构图（级减温控制系统的结构图（SAMA图），图中给出了控图），图中给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪、手动制回路的基本结构及调节器跟踪、手动/自动切换逻辑。自动切换逻辑。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现主汽温控制主汽温控制SAMA图图ComputerCom

7、puterControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现二、控制方案的二、控制方案的DCSDCS实现实现 1、输入输出信号的连接、输入输出信号的连接 5个输入信号：主汽温度、喷水后温度、主蒸汽流量、送风量个输入信号：主汽温度、喷水后温度、主蒸汽流量、送风量和阀位反馈信号。和阀位反馈信号。 1个输出信号：（阀位指令）。个输出信号：（阀位指令）。 在在INFI-90系统中，对所有的系统中，对所有的I/O信号都要分配信号都要分配I/O模件与端模件与端子单元，端子单元与子单元，端子单元与I/O模件相对应。该系统中涉及

8、的模件相对应。该系统中涉及的I/O模件及其模件及其端子单元如下表所示。端子单元如下表所示。 使用使用IMASI03作为热电偶输入模件，相应端子单元作为热电偶输入模件，相应端子单元NTAI06，用于输入主汽温度信号和喷水后温度信号；用于输入主汽温度信号和喷水后温度信号； 使用使用IMFBS01作为电流信号输入模件，相应端子单作为电流信号输入模件，相应端子单NTAI05，用于输入主蒸汽流量信号、送风量信号和阀位信号；用于输入主蒸汽流量信号、送风量信号和阀位信号； 使用使用IMASO01作为模拟量输出模件，相应端子单元作为模拟量输出模件，相应端子单元NTDI01，用于输出阀位指令信号。用于输出阀位指

9、令信号。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现I/O模件模件端子单元端子单元通道数通道数说明说明IMASI03NTAI0616通用信号输入模件通用信号输入模件IMFBS01NTAI0515420mA/15V输入模输入模件件IMASO01NTDI0114420mA/15V输出模输出模件件IMDSI02NTDI0116开关量输入模件开关量输入模件IMDSO14NTDI0116开关量输出模件开关量输出模件ComputerComputerControlled Controlle

10、d SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现 2、控制方案组态、控制方案组态 采用的采用的INFI-90控制模件为控制模件为IMMFP02，它可与若干，它可与若干个个I/O模件相连。控制模件中固化有模件相连。控制模件中固化有200余种算法模块，余种算法模块，用户通过组态的方式生成自己的控制回路。用户通过组态的方式生成自己的控制回路。 控制模件的组态是在工程师工作站控制模件的组态是在工程师工作站EWS上通过运行上通过运行组态软件来进行的。组态的过程是以组态软件来进行的。组态的过程是以CAD图的形式将相图的形式将相应模块连接起来，生成若干页组态图。将

11、这些组态图编译应模块连接起来，生成若干页组态图。将这些组态图编译后下装到控制模件后，控制模件就可以执行组态时指定的后下装到控制模件后，控制模件就可以执行组态时指定的功能。功能。 一般来说，组态图中包含一般来说，组态图中包含I/O模件组态（如上述输模件组态（如上述输入模件入模件IMASI03、IMFBS01和输出模件和输出模件IMASO01的组的组态）、控制回路组态、例外报告组态、趋势组态等内容。态）、控制回路组态、例外报告组态、趋势组态等内容。 ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的

12、DCS实现实现 下图为主汽温控制系统的控制回路简化下图为主汽温控制系统的控制回路简化CAD组态图。组态图。 1、APID（即功能码（即功能码FC156）为改进的）为改进的PID控制算法，是一种控制算法，是一种具有相当完善功能的数字具有相当完善功能的数字PID算法，具有完善的跟踪、抗积分饱和、算法，具有完善的跟踪、抗积分饱和、高低限幅、前馈输入等功能；高低限幅、前馈输入等功能； 2、M/A（即功能码（即功能码FC80）为控制接口站，提供与数字量控制）为控制接口站，提供与数字量控制站、操作员接口单元、管理命令系统和计算机接口单元等装置之间站、操作员接口单元、管理命令系统和计算机接口单元等装置之间的

13、接口，它可以实现设定点控制以及手动的接口，它可以实现设定点控制以及手动/自动站转换。自动站转换。 上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式，其中主调节器采用上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式，其中主调节器采用PID控制，副调节器采用控制，副调节器采用PI控制，有利于克服汽温对象的大惯性、控制，有利于克服汽温对象的大惯性、大滞后特性。由于导前汽温（喷水后温度）的滞后时间和惯性时间大滞后特性。由于导前汽温（喷水后温度）的滞后时间和惯性时间常数与出口汽温（主汽温度）相比相对较小，副回路作为一个快速常数与出口汽温（主汽温度）相比相对较小，副回路作为一个快速回路，能尽快消除内扰（减温水流量）的影响，实

14、现对出口汽温的回路，能尽快消除内扰（减温水流量）的影响，实现对出口汽温的初调，同时也有利于消除外扰影响。初调，同时也有利于消除外扰影响。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现 同时，还引入了主汽流量和送风量信号作为主调节同时，还引入了主汽流量和送风量信号作为主调节器的前馈信号。当负荷或风量发生变化时，预先调整减器的前馈信号。当负荷或风量发生变化时，预先调整减温水量，以尽快消除外扰影响。前馈系数根据风量及负温水量，以尽快消除外扰影响。前馈系数根据风量及负荷对汽温对象的扰动

15、试验进行整定。荷对汽温对象的扰动试验进行整定。 此外，主调节器还采取了抗积分饱和措施，这是通此外，主调节器还采取了抗积分饱和措施，这是通过对喷水阀位指令的高低限幅块过对喷水阀位指令的高低限幅块H/L（即（即FC12）的输）的输出连接到主调节器出连接到主调节器II和和DI实现饱和时的积分限制实现的。实现饱和时的积分限制实现的。 ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现主汽温系统控制回路简化组态图主汽温系统控制回路简化组态图II：0-正常；正常；1-禁止增；禁止增；DI：0-

16、正常；正常；1-禁止减；禁止减；HComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现二、控制方案的二、控制方案的DCSDCS实现实现 3、数据库组态、数据库组态 凡是需要在操作员站凡是需要在操作员站OIS上显示操作的参数都必须在上显示操作的参数都必须在数据库中进行定义，下表数据库中进行定义，下表9所示为汽温控制的标签数据库所示为汽温控制的标签数据库示例。示例。 4、画面组态、画面组态 INFI-90中，操作员站中，操作员站OIS上的所有显示操作画面均可上的所有显示操作画面均可通过工

17、程师站上的图形组态软件来制作。显示操作画面中主通过工程师站上的图形组态软件来制作。显示操作画面中主要包括静态图形、动态参数及操作器等，通过图形组态软件要包括静态图形、动态参数及操作器等，通过图形组态软件中相应的工具可以方便地予以实现。下图为针对本例所作的中相应的工具可以方便地予以实现。下图为针对本例所作的一个简单的主汽温系统显示操作画面。一个简单的主汽温系统显示操作画面。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二节第二节 主汽温控制系统的主汽温控制系统的DCS实现实现主汽温系统显示操作画面主汽温系统显示操作画面ComputerC

18、omputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS一、一、FCSFCS的基本概念的基本概念 FCS（FieldBus Contorl System）也是计算机控）也是计算机控制系统的一种类型（制系统的一种类型（DAS、DDC、SCC、DCS、FCS），），兴起于兴起于20世纪世纪90年代。年代。 FCS ：“现场总线是连接智能现场设备和自动化系现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、串行、双向传输、多分支结构的数据通讯统的数字式、串行、双向传输、多分支结构的数据通讯网络网络”。由现场总线与现场智能设

19、备组成的控制系统称。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统为现场总线控制系统FCS。 基本内容包括：以串行通讯方式取代传统的基本内容包括：以串行通讯方式取代传统的420mA模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层现场智能设备与高层系统设备实现多点连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质交换信息。利用公用传输介质交换信息。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerCo

20、mputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSDDCDDC、DCSDCS和和FCSFCS三种控制系统的典型结构图三种控制系统的典型结构图 ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS DDCDDC、DCSDCS和和FCSFCS三种控制系统结构的比较三种控制系统结构的比较 由图可以看出，由图可以看出，DCSDCS的出现解决了的出现解决了DDCDDC控制过于集中，系统控制过于集中，系统危险性也过于集

21、中的问题；同时伴随控制分散的过程，也使得危险性也过于集中的问题；同时伴随控制分散的过程，也使得控制算法得到了简化。但控制系统的接线仍然复杂和繁琐，危控制算法得到了简化。但控制系统的接线仍然复杂和繁琐，危险性在一定程度上还是相对集中，尤其是现场控制单元的固有险性在一定程度上还是相对集中，尤其是现场控制单元的固有结构限制了结构限制了DCSDCS的灵活性，无法实现根据控制任务的需要对控的灵活性，无法实现根据控制任务的需要对控制单元进行组态的功能。现场总线控制系统制单元进行组态的功能。现场总线控制系统FCSFCS的出现，则从的出现，则从根本上解决了控制系统接线的问题，采用双绞线即可将所有的根本上解决了

22、控制系统接线的问题，采用双绞线即可将所有的现场总线仪表单元连接在一起。它一方面大大地简化了接线，现场总线仪表单元连接在一起。它一方面大大地简化了接线，减少了系统成本；另一方面还使控制系统的灵活组态得以实现。减少了系统成本；另一方面还使控制系统的灵活组态得以实现。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS二、现场总线的特点二、现场总线的特点ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制

23、系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场

24、总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSH2H2H1ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled Syste

25、msSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS三、三、FCSFCS几种典型结构几种典型结构ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSComputerC

26、omputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS四、四、FCSFCS在电厂的应用情况在电厂的应用情况 在电厂应用领域，在电厂应用领域，从当前从当前FCSFCS的成熟程度和智能现的成熟程度和智能现场设备的配套品种和价格看场设备的配套品种和价格看，短期内还难以取代短期内还难以取代DCSDCS，只能是在只能是在DCSDCS基础上局部采用现场总线技术，组成混基础上局部采用现场总线技术，组成混合式系统或称为合式系统或称为FDCSFDCS，应用领域如下：，应用领域如下：ComputerComputerControll

27、ed Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS （1）对一些相对集中的模拟量参数采用远程智）对一些相对集中的模拟量参数采用远程智能能I/O。大型单元机组有大量温度测点，如锅炉管。大型单元机组有大量温度测点，如锅炉管壁温度、汽轮机金属温度、发电机静子温度、大型壁温度、汽轮机金属温度、发电机静子温度、大型电动机静子温度、转机的轴承温度等都相对集中且电动机静子温度、转机的轴承温度等都相对集中且点数相当多，其点数占模拟量的点数相当多，其点数占模拟量的6070%，粗略估，粗略估计约在计约在500点以上。点以上。 采用采用DCS时，对重要的较独立的温度测点，是将时，对重要的较独立的温度测点，是将热电偶或热电阻直接接入热电偶或热电阻直接接入DCS的的I/O模件，模件，而对相对而对相对集中的温度群体多数采用远程智能终端。在智能终端集中的温度群体多数采用远程智能终端。在智能终端上，对输入信号进行处理后输出统一信号至上，对输入信号进行处理后输出统一信号至DCS现场现场站或直接接入上位机网络，站或直接接入上位机网络，好处是减少了电缆数量和好处是减少了电缆数量和长度。长度。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三节第三节 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS （2 2）对一