轧制过程计算机控制系统

轧制过程计算机控制系统2023/6/141第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期三

过程计算机控制系统的组成1.1

过程计算机控制系统的发展概述1.2第一章绪论

轧制过程计算机控制概述1.3

过程计算机控制系统的基本类型1.42023/6/142第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期三1.4计算机控制系统的主要类型数据收集系统（DateAcquiredSystem-DAS）操作指导控制系统(DirectDigitalControl－DDC系统）直接数字控制(DirectDigitalControl－DDC系统）集中型计算机控制系统(ConcentricControlsystem-CCS)分布式控制系统（DistributedControlSystem－DCS系统现场总线控制系统（FieldbusControlSystem－FCS系统）控制是作为一个系统与生产过程结合在一起的。根据应用特点、控制目的、控制方法和系统的构成，过程计算机控制系统大体上可分成以下几种基本类型：2023/6/143第三页，共三十八页，编辑于2023年，星期三1数据收集系统

（DateAcquiredSystem-DAS）轧制过程中的各种过程变量，计算机可以通过检测仪器检测到，转换成数字量送入计算机内存,这种检测叫做计算机采样。计算机还可以再将这些数据经过适当的计算，量纲换算将它换成所需要的数值，或者进行其他的数学分析或数据加工。在这类系统中，计算机只对工业过程的各种参数进行巡回检测、报警、结果处理，并在给定的时间间隔时，通过显示、打印等方式向操作人员提供各种数据，即不参加对过程的控制。这种巡回检测数据收集系统，现已成为各种计算机控制系统的重要组成部分，它的连接形式如下图所示。2023/6/144第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期三

工业对象数据收集装置计算机

数据收集系统参数：压力、流量、温度的输入信号；模拟量：脉冲量：

开关量：通过光电编码器测量的速度、位移信号。操作台上的开关、按钮；行程开关、极限开关；信号指示灯、音响报警、继电器的接通与断开、电磁阀的打开与关闭；电机的启动与停止；计数器的预定数值计满；定时器的预定时间已到达。电机控制系统中的速度给定、电流给定的输入信号；控制伺服阀、比例阀的输出信号。2023/6/145第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期三实例：冷轧带钢平整机的计算机数据收集系统压力传感器光电编码器光电编码器控制目的：给予带钢小压下量改善板型平直度，使之达到国家标准；被控量：平整延伸率、轧辊辊缝巡回检测数据：轧制力、轧制速度、辊缝。应用特点：数据收集系统纪录和显示轧制过程中的各种不同情况，分析和研究轧制过程，建立和改善数学模型。模拟量输入通道脉冲输入计数器板2023/6/146第六页，共三十八页，编辑于2023年，星期三2．操作指导控制系统P17优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。操作指导系统直接从现场输入实洲参数，由计算机进行分析和计算并给出操作指导，故称其为“在线”操作指导系统。2023/6/147第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期三计算机：利用所检测的数据，根据一定的控制和管理方法进行计算，给出相应的操作指导信息，通过CRT或打印机输出给操作人员。在线操作指导控制系统离线操作指导控制系统2023/6/148第八页，共三十八页，编辑于2023年，星期三实例：二辊可逆式冷轧机操作指导系统

轧制数据表道次厚度轧制力辊缝实测厚度实测压力实测辊缝反算压力自适应参数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

输入测量厚度h(1)=2.315h(2)=1.925h(3)=1.590Learn是自学习参数，其初值为1.08

应力状态系数QP用布兰德-福德公式的希尔简化式计算。

控制目标：厚度精度被控量：辊缝巡检参数：轧制力、辊缝、应用特点：数据收集、记录；在线操作指导，建立自适应模型。2023/6/149第九页，共三十八页，编辑于2023年，星期三

3直接数字控制

(

DirectDigitalControl－DDC）本质——

用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路。优点——

计算灵活，精度高，可以处理多个控制回路。不仅能实现常规的PID控制规律，也能实现PID以外的多种复杂控制。问题——

当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。AI、DIAO、DO控制站…………2023/6/1410第十页，共三十八页，编辑于2023年，星期三★要求：实时性好、可靠性高和适应性强★一台计算机通常要控制几个或几十个回路输入通道(AI.DI）输出通道(AO.DO)打印机报警操作台CRT计算机生产过程2023/6/1411第十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期三3.直接数字控制系统DirectDigitalControlSystem，DDC被测变量操作变量……控制规律：基于经典控制理论和现代控制理论的程序算法。DDC特点：信号转换控制功能强大控制方法灵活要求实时性好、可靠性高、适应性强。2023/6/1412第十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期三实例：制药厂的DDC控制土霉素生产车间20只发酵缸每个缸有2-4个参数，共需60个参数进行实时控制系统完成的功能：对20只缸共50个参数（温度、溶氧、pH)实现PID控制；对10只三级缸实行消沫控制（开关量控制）；对20只缸的温度、溶样、pH进行巡回检测；对以上60个参数定时制表；对上限、下限、实时钟停等故障实现故障报警；土霉素车间的DDC控制框图计算机：对各路信号按PID调节规律进行运算，并对生产过程进行实时控制、巡回检测、实时制表、越限报警、事故报警。中央控制台：在操作台显示各路参数值；设置和改变参数的给定值和上下限；打印。(人机接口）路给定值偏差值单位0130.00+0.06C0~10mA+24V0~10mAΤ=40ms×60=2.4s2023/6/1413第十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期三直接数字控制系统与模拟系统的不同在模拟系统中，信号的传送不需要数字化，而数字系统中由于采用计算机，因此在信号的传送过程中就需要采用数模和模数转换。另外，DDC是用程序进行控制运算，这就比模拟量控制与控制对象一一对应的控制方式灵活而又经济。只要改变计算机程序就可以对控制对象实现不同控制功能，因此可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监视和报警。此外，因为计算机有较强的计算能力，所以控制方法的改变很方便，只要改变程序就可以实现。就一般的模拟控制而言，要改变控制方法，必须改变硬件，这不是轻而易举的事。2023/6/1414第十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期三DDC系统对计算机的要求由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。为了充分发挥计算机的利用率，一台汁算机通常要控制多个回路，那就要求合理地设计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。工业生产现场环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使之能适应各种工业环境。2023/6/1415第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期三DDC控制系统的存在的问题一台DDC计算机可以控制几百个回路，以及上千个过程变量的显示、操作，控制集中在单一计算机上实现。DDC机上所实现的功能有：过程监视、数据收集、数据处理、数据存储、报警、过程控制、生产调度、工厂管理等。局部的小故障造成整个系统的崩溃。2023/6/1416第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期三集中型计算机控制系统出发点：用一台计算机来控制尽可能多的控制回路(几百个回路)，实现尽可能多的功能。数字调节器控制计算机现场操作台终端显示器I/O设备监测仪表执行设备数据处理、上下限报警、过程控制、显示输出、生产调度…优点：信息集中，便于实现优化控制和优化生产。问题：一方面容易出现负荷过载，另一方面控制的集中也直接导致危险的集中。2023/6/1417第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期三4.监督计算机控制系统SupervisoryComputerControlSystem,SCCSCC计算机：根据反映生产过程工况的数据和数学模型，进行必要的计算，给DDC计算机提供各种控制信号，如最佳给定值、最优控制量等。一般选用高档微型机或小型机作为SCC用计算机。2023/6/1418第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期三

3．监督控制系统（SupervisoryComputerControl—SCC）

DDC计算机生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(b)工艺数据模拟调节器生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(a)工艺数据IO通道IO通道通讯RS232通讯RS2322023/6/1419第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期三实例：武钢热轧厂计算机监督控制系统2023/6/1420第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期三实例：武钢热轧厂计算机监督控制系统过程自动化级1.初始数据输入；5.数据采集和处理2.跟踪；6.人机界面3.设定计算；7.报告和纪录4.模型自适应8.数据通信1.板坯测量；2.板坯确认；3.板坯移动和炉前定位；4.推钢机控制；5.步进梁控制；6.抽钢机控制；7.加热炉温度控制。1.粗轧机设定；2.辊道控制；3.可逆轧机的顺序控制；4.除鳞控制；5.速度控制；6.宽度控制；1.精轧机设定；2.飞将控制；3.速度控制；4.活套控制；5.除鳞和机架间喷水控制；6.穿带自适应控制。1.卷取机控制；2.张力控制；3.顺序控制；4.卷取机温度控制；5.钢卷运输控制。加热炉1#DDC粗轧机2#DDC飞剪、精轧机3#DDC卷取机4#DDC1#SCCVAX20002#SCC备用基础自动化2023/6/1421第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期三SCC系统通常采用两级计算机，其中DDC计算机(称为下位机)完成直接数字控制功能；SCC计算机(称为上位机)则根据反映生产过程工况的数据和数学模型进行必要的计算．给DDC计算机提供各种控制信号，比如最佳给定值和最优控制量。DDC用计算机与生产过程连接，并直接承担控制任务。因此，要求其可靠性高，抗干扰性强．并能独立工作。一般选用单板机式微型机作为DDC计算机。SCC计算机承担高级控制与管理的任务，它的信息存储量大、计算任务繁重。一般选用高档微型机或小型机作为SCC用计算机。2023/6/1422第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期三SCC计算机功能有：对整个轧制线设备控制的设定计算，对整个轧制线轧件跟踪，轧制节奏控制，处理轧制过程大量的技术数据、操作数据并显示。DDC计算机的功能有：以比较短的取样间距直接控制各个电机驱动设备的位置，带钢厚度和温度以及轧机的程序控制。2号SCC与4号DDC离线备用。1—3号DDC的控制项目下：1号DDC用来控制加热炉前后及粗轧各机械设备的动作，2号DDC用来控制精轧各机械设备的动作3号DDC用来控制卷取机各机械的动作2023/6/1423第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期三五、多级控制系统多级控制系统的产生是由于生产规模越来越大，信息来源越来越多，对计划管理信息收集的及时性要求越来越高，因此要求管理计算机系统能直接指挥过程计算机系统，过程计算机也能直接向管理计算机系统进行汇报。在现代化大型企业中，生产的原料、产品、能源调度已成为企业获得最好经济效益的关键因素，因此设有能源调度中心、生产调度中心等大型计算机中心。它会带来较监控层更大的经济效益。最高一层是企业管理层，它包括生产计划、财务会计、销售、人事工资和经营决策，属于现代管理科学范畴，通常由计算机网络系统实现。多级控制系统也称信息管理级控制系统MIS。(ManagmentInformationSystem）2023/6/1424第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期三5.多级控制系统ManagementInformationSystem,MISDDC级用来直接控制生产过程，主要进行数字PID控制、顺序控制、比值控制串级控制等各种数字直接控制，数据收集、监视报警。SCC级主要进行最优控制的设定计算，指挥DDC的工作，调整常规控制器的设定值和给操作者发出操作指令等。MIS级是生产管理级，主要进行生产的计划和调度，指挥SCC级进行工作。DDC级SCC级车间管理工厂管理公司管理MIS级2023/6/1425第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期三

DDC级用来直接控制生产过程，在这一级主要进行比例、积分、微分等各种数字直接控制，并可进行程序控制、顺序控制、比值控制、串级控制、前馈控制以及延迟补偿等各种的控制计算。此外，它还可以进行数据收集和监视报警等。SCC级主要进行最优控制的设定计算，指挥DDC级的工作，调整常规控制器的设定值和向操作者发出操作指令等。MIS级是生产管理级，它主要进行生产的计划和调度，指挥SCC级进行工作。这一级又可以按企业的规模和管理范围的大小，分成几级，例如车间管理级、分厂管理级和公司管理级。MIS级的计算机都是大型的通用计算机，要求数据处理和科学计算的能力强，内存和外存的容量大。2023/6/1426第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6分布式控制系统

DistributedControlSystem出发点（2个方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征:控制的分散性和管理的集中性2023/6/1427第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期三微型机的优点：运算速度快、可靠性高、价格便宜、体积小。新技术：测量控制技术control、通讯技术communication人机接口技术CRT以及上述的计算机技术computer即4C技术的相互发展、相互渗透产生的。特征：利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理，分散控制、分散负载、分散危险的一种新型控制技术。它既不同于分散的仪表控制，也不同于集中的计算机控制系统。它吸收两者的优点，在此基础上发展起来的。6分布式控制系统DistributedControlSystem2023/6/1428第二十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6.分布式控制系统DistributedControlSystem,DCS服务器工作站终端终端网关网关网关打印机工程师站操作员站管理网络MNET系统网络SNET现场I/O控制站控制网络CNET2023/6/1429第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6.分布式控制系统

大型控制系统2023/6/1430第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6.分布式控制系统

大型控制系统1.将现场发生的过程量进行数字化，并将数字化后的量存在存储器的本地数据库中，并能按实际运行情况实时地改变和更新现场过程量。2.将本站采集的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站、其他I/O站，以实现全范围内的监督和控制。同时现场I/O还可以接受由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制，或对本站的参数设定。3.在本站实现局部自动控制，回路计算。及闭环控制、顺序控制等经典算法，也可下装非标准算法。2023/6/1431第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6.分布式控制系统

大型控制系统与运行操作有关的人机界面功能的网络节点。为操作员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态，各种运行参数的当前值，是否由异常发生，并通过输出设备对工艺过程进行控制和调节。2023/6/1432第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6.分布式控制系统

大型控制系统对DCS进行离线配置、组态工作和在线系统监督、控制、维护的网络节点。2023/6/1433第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期三6.分布式控制系统

大型控制系统企业内部管理数据通信