石油工程测控基础-隋秀香测控基础(7)-计算机控制系统

第七章计算机控制系统第一节计算机控制系统概述计算机的问世，在科学技术上引起了一场深刻的革命。并随着电子技术的飞速发展，不断完善和发展。由于计算机具有运算速度快、精度高，存贮容量大和逻辑功能齐全等特点，已成为很多领域强有力的工具。在生产过程控制领域，计算机作为一个强有力的控制工具，获得了较广泛的应用。为此对计算机控制系统作简单介绍。一、概述计算机控制系统，其基本原理框图如图所示。计算机控制系统控制系统中引进计算机，只要运用计算机的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序，计算机执行这样的程序，就能实现对被调参数的控制。而在一般常规的控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路产生的，改变控制规律就要改变硬件电路，对于一些复杂的，或最优的控制规律往往难以实现。而在计算机控制系统中，控制规律的改变只需改变程序就可以了。在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字信号，因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器A/D，以及将数字信号转换为模拟信号的数字模拟转换器D/A。计算机控制系统，可以归结为以下三个步骤：1）实时数据采集，对被调参数的瞬时值进行检测并输入2）实时决策。对采集到的表征被调参数状态的量进行分析，并按已定的控制规律决定进一步的控制过程。3）实时控制。根据决策，适时地对执行器发出控制信号。上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的品质指标进行工作，并且对被调参数和设备本身出现的异常状态及时监督并作出迅速处理。计算机控制系统二、计算机控制系统的一般组成计算机控制系统一般来讲是由硬件部分和软件部分组成。1.硬件部分硬件部分是控制系统的躯体，主要包括计算机（主机）、外部设备、外围设备、自动化仪表和操作控制台等。下图是计算机控制系统硬件一般组成框图，下面分别对各个部分作一简单介绍。计算机控制系统计算机控制系统图计算机控制系统的基本组成框图计算机控制系统（1）主机主机是控制系统的核心。主机根据过程输入通道送来的被控对象的各种生产工况信息，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令。主机中的程序和控制数据是人们事先根据控制规律安排好的。系统启动后，计算机就从内存贮器中逐条取出指令并执行了。（2)常规外部设备按功能可分为三类：输入设备，输出设备和外存贮器。常用的输入设备有键盘、纸带输入机等。输入设备主要用来输入程序和数据。常用的输出设备有打印机、显示器等。输出设备主要用来把各种信息和数据按人们容易接受的形式，如数字、曲线、字符等提供给操作人员，以便及时了解控制过程的情况。外存贮器，如磁带装置、磁盘装置。计算机控制系统（3）外围设备外围设备是计算机控制系统的特有设备，主要包括过程输入输出通道及显示报警设备等。过程输入输出通道，又称过程通道。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入输出通道。过程通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道，开关量输入通道、开关量输出通道等。在主机运行过程中，操作人员要经常地、及时地了解生产过程的实际情况，并且当生产过程出现异常工况要危及正常生产和安全时，主机必须及时地以各种有效方式警告操作人员，以便操作人员能及时地采取措施，以免事故计算机控制系统（4）自动化仪表过程输入输出设备中必须通过自动化仪表与被控对象发生联系，进行这种联系的有检测仪表和执行机构等。（5）操作控制台当工艺流程发生变化时，操作人员要根据新的工艺流程要求，需要废弃、增加或修改某些程序或参数，在系统或生产现场出现异常和故障的情况下，操作人员必须直接干预主机的工作，以达到应急或处理各种事故的目的。上述情况需要有专门的人机联系设备，这种设备就是操作控制台。2.软件部分过程控制软件分为系统软件和应用软件两大类。计算机控制系统三、计算机在控制中的典型应用方式工业用计算机控制系统，不同的控制对象和不同的要求，应有不同的控制方案。简述几种典型应用。1.数据采集和数据处理系统计算机在进行采集和处理时，主要是对大量的生产过程的参数进行巡回检测，数据记录，数据计算，数据统计和整理，数据越限报警以及大量数据进行累积和实时分析。这种应用方式，计算机对生产过程不会产生直接影响。在这种应用方式中，计算机虽不直接参与生产过程的控制，但其作用还是很明显的。首先可以代替大量的常规显示和记录仪表，对生产过程进行集中监视。同时由于计算机具有运算，逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的集中，加工和处理，并且能以有利于指导生产过程控制的方式表示出来。另外，可预先存入各种工艺参数的极限值，处理过程中可进行越限报警，以确保生产过程的安全。数据采集与处理系统框图计算机控制系统计算机控制系统2.直接数字控制系统直接数字控制系统（DirectDigitalControlSystem），简称DDC系统，是计算机在生产过程中应用最普遍的一种形式。它是一台计算机配以适当的输入、输出设备，从生产中获取信息，按照预先规定的规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制执行机构，实现对生产过程的闭环控制。一般DDC系统，有一个功能较齐全的运行操作控制台，给定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便。这种控制系统的结构框图如图所示。计算机控制系统计算机控制系统

3.计算机监督控制系统

在DDC系统中，对生产过程产生直接影响的被调参数给定值是预先设定的，并存入计算机的内存中，这个给定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，故DDC控制无法使生产过程处于最优工况，这显然是不够理想的。监督控制系统SCC（SupervisoryComputerControl）中，计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程数学模型或其它方法，自动地改变模拟常规调节器或以DDC控制方式工作的计算机给定值，从而使生产过程处于最优工况。计算机控制系统监督控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的优劣。这个数学模型一般是针对某一目标函数设计的，如果这一数学模型能使某一目标函数达到最优状态，那么这种控制方式就能实现最优控制计算机控制系统该系统是由计算机系统对各参数进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析，计算后得出控制对象各参数最优给定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC计算机出现故障时，可由常规调节器独立完成控制。计算机控制系统4.集散控制系统集散控制系统比较合理地吸取了仪表控制系统和计算机控制系统的长处，被公认为是先进的控制系统。图是集散控制系统的组成框图。从图中可以清楚地看到，它是一种典型的分级分布式控制结构计算机控制系统（1)管理计算机完成制定生产计划，产品管理、以及工艺流程管理等功能，实现生产过程的静态最优化。(2)监控计算机通过协调各基本控制器的工作，达到过程的动态最优化。（3)基本控制器则完成过程的现场控制任务。（4)CRT操作站是显示操作装置，完成人—控制系统—过程的接口任务。（5)数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。这样，系统中的现场控制任务，不但可以由带有通信装置的基本控制器来完成，而且可以由一般仪表来完成。数据采集器和基本控制器对信号进行预处理后经数据高速通道再送入上一级计算机，减少了上级计算机的负荷。计算机控制系统5、计算机控制具体实例中原油田实验井基本情况该实验井实钻井深1022.40m，ψ244.475mm套管下深1006.42m，套管外有两根气管线，深度分别为516.81m和924.70m，其井身结构的基本数据为：（1）表层套管Φ606.40mm3A×106.37m＋Φ508mm套管×101.45m（2）技术套管Φ444.50mm3A×1022.40m＋Φ244.48mm套管×1006.45m除井筒固定外，该井与实钻井的井身结构类似。中原油田实验井计算机控制系统1一、实验井套压传感器的安装计算机控制系统--变送器计算机控制系统--变送器二、实验井立压传感器的安装三、绞车传感器绞车传感器最早是法国geoservices公司生产的综合录井仪中使用，现在国内的很多公司也都在生产。绞车传感器的原理结构如图：辽河油田：径向水平井数据检测与处理系统计算机控制系统--变送器制作一n齿的齿轮，齿宽不小于10mm，齿轮上装有轴承，与绞车滚筒轴相连。齿轮外部装有两个非接触式信号检测器，不随齿轮转动，检测器内装有磁感应电路，当齿轮的齿通过时，由于磁感应增强，检测器输出脉冲信号。齿轮转的越快，发出的脉冲越多。设置A、B检测器是为了鉴别齿轮的正反转，因为两信号的相位角不同，通过鉴相电路，则可以判别大钩的上下运动。当绞车的滚筒转一周，齿轮也就转一周。而齿轮转一周，则发生48个脉冲。但是，滚筒同样转一周，钢丝绳在不同的层，大钩的上升与下放的距离是不相同。因此，在检测滚筒转动的时候还要判别钢丝绳目前所在的层数。绞车传感器（续）钢丝绳在滚筒上的排列如图所示。从上图可以看出，相邻两层钢丝绳相差一圈，即一层是奇数，与其相邻的两层必然是偶数。外层的周长最长。不管哪一层，每转一圈的脉冲均为48个。在测量大勾位移时，即要判别转的圈数，也即接收到的脉冲数，还要判别目前是哪一层，也即确定本层转一圈的周长是多少，知道以上两个量即可以计算大勾位移的方向与数值。绞车传感器安装方便，结构简单，牢固耐用。但使用时要求滚筒上的钢丝绳排列必须规律，否则将出现误差绞车传感器（续）绞车传感器信号处理流程绞车脉冲信号鉴相计数数据采集LED数码管显示计算机控制系统--变送器计算机控制系统含气检测仪控制系统1、实时数据采集（采集流量和压力信号并对数据进行处理）2、实时控制（控制柴油机的转速）计算机控制系统内部构成及作用气侵检测仪内部主要有电源和6槽STD机笼构成，结构如下1电源234561——STD机笼2——接口板3——采集板4——滤波&放大板5——步进电机控制卡6——电源检测系统实时采集数据流程放大放大多路转换开关采样保持

A/D转换

计算机调零1立压信号调零1套压信号可编程增益放大滤波计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统步进电机计算机控制系统电机控制器计算机控制系统图实验井步进电机的安装计算机控制系统调节柴油机流程图柴油机调速手柄步进电动机驱动装置计算机传动副电缆电源现场用的是柴油机，通过仪器发送脉冲控制步进电动机，并通过步进电动机来调节柴油机的转速，达到产生流速波的目的。计算机控制系统黑红（兰线+黑）（黄线+黑）（红线+黑）（绿线+黑）脉冲信号（兰色）方向信号（棕）+5V(红)StepA+DirCO