物联网控制技术 课件 C过控第七章 发酵控制系统设计与实现

1第七章

发酵控制系统设计与实现2第一节系统设计的原则与步骤一、系统设计的原则1、安全可靠2、操作维护方便3、实时性强4、通用性好5、经济效益高3P256图8.1确定控制任务的流程甲方：任务的委托方。有时是直接用户，有时是本单位的上级主管部门，有时也可能是中介单位。乙方：系统工程项目的承接方。国际上习惯称甲方为“买方”，称乙方为“卖方”二、系统设计的步骤1、工程项目与控制任务的确定阶段4组建项目研制小组、系统总体方案设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件和软件的调试、系统的组装。P257图8.2工程项目的设计阶段流程离线仿真和调试流程在实验室进行仿真和调试。离线仿真和调试试验后，要进行考机运行。目的是要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。2、工程项目的设计阶段3、离线仿真和调试阶段5在线调试和运行流程将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统运行正常后，再试运行一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档。4、在线调试和运行阶段6

依据合同书(或协议书)的技术要求和已作过的初步方案，开展系统的硬件总体设计。画方块图法：只需明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知道内部具体结构。主要包含以下几个方面的内容：综合考虑硬件、软件的功能划分。第二节系统的工程设计与实现一、系统总体方案设计1、硬件总体方案设计1）确定系统的结构和类型2）确定系统的构成方式3）现场设备选择4）其它方面的考虑7采用结构化的“黑箱”设计法。先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。软件总体方案还应考虑确定系统的数学模型、控制策略、控制算法等。2、软件总体方案设计8

将硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文档。系统总体文件的内容包括：

①系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。

②控制策略和控制算法。

③系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。

④方案比较和选择。

⑤保证性能指标要求的技术措施。

⑥抗干扰和可靠性设计。

⑦机柜或机箱的结构设计。

⑧经费和进度计划的安排。3、系统总体方案9采用高度模块化和插板结构的总线式工控机，可大大简化计算机控制系统的设计。二、硬件的工程设计与实现1、选择系统的总线和主机机型1）选择系统的总线

①内总线选择：STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线。

②外总线选择：IEEE-488、RS-232C、RS-422和RS-485。根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求综合分析确定。2）选择主机机型10包括DI/DO、AI/AO等模板。2、选择输入输出通道模板3、选择变送器和执行机构1）选择变送器分为气动、电动、液压三种类型。气动：结构简单、价格低、防火防爆；电动：体积小、种类多、使用方便；液压：推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动的。2）选择执行机构

各种有触点和无触点开关，也是执行机构，实现开关动作。11

一般工控机把工业控制所需的各种功能以模块形式提供给用户。包括：控制算法模块(多为PID)，运算模块，计数/计时模块，逻辑运算模块，输入模块，输出模块，打印模块，CRT显示模块等。系统设计者根据控制要求，选择所需的模块就能生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减小。

自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和各功能模块流程图，再选择程序设计语言，然后编制程序。程序编制应先模块后整体。具体程序设计内容为以下几个方面：三、软件的工程设计与实现12严格规定各个接口条件，即各接口参数的数据结构和数据类型。具体做法：将每一个执行模块要用到的参数和要输出的结果列出来，对于与不同模块都有关的参数，只取一个名称，以保证同一个参数只有一种格式。然后为每一参数规划一个数据类型和数据结构。1、数据类型和数据结构规划

数据类型：逻辑型和数值型，通常将逻辑型数据归到软件标志中去考虑。数值型可分为定点数和浮点数。

若某参数是序列数据的集合，则还有数据存放格式问题，即数据结构问题。13

系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源、I/O地址等。ROM资源用来存放程序和表格。I/O地址、定时器/计数器、中断源在任务分析时已经分配好了。因此，资源分配的主要工作是RAM资源的分配。RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程依据。

主要包括多路信号的采样、输入变换、存储等。2、资源分配3、实时控制软件设计1）数据采集及数据处理程序

数据处理程序主要包括：数字滤波程序、线性化处理和非线性补偿、标度变换程序、越限报警程序等。14

主要实现控制规律的计算，产生控制量。

实现对控制量的处理(上下限和变化率处理)、控制量的变换及输出，驱动执行机构或各种电气开关。2）控制算法程序3）控制量输出程序15时钟有两种：绝对时钟和相对时钟。

实时任务有两类：第一类是周期性的，第二类是临时性任务。

用于生产管理，主要包括画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。

主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、工业网络等系统中实现。4）实时时钟和中断处理程序5）数据管理程序6）数据通信程序16

分为：离线仿真与调试、在线调试与运行阶段。对于各种标准功能模板，检查主要功能。

调试A/D和D/A模板，检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板，现场仪表和执行机构，对分级计算机控制系统和分散型控制系统，还要调试通信功能。四、系统的调试与运行1、离线仿真和调试1）硬件调试17

顺序：子程序、功能模块和主程序。程序设计一般采用汇编语言和高级语言混合编程。对处理速度和实时性要求高的部分用汇编语言编程(如数据采集、时钟、中断、控制输出等)，对速度和实时性要求不高的部分用高级语言来编程（如数据处理、变换、图形、显示、打印、统计报表等)。控制模块的调试应分为开环和闭环两种情况进行。所有子程序和功能模块调试完毕，就可用主程序将它们连接在一起，进行整体调试。2）软件调试

方法是自底向上逐步扩大。首先调分支模块子集，再将部分模块子集连接起来进行局部调试，最后进行全局调试。18用模型代替实际生产过程进行实验和研究。系统仿真有以下三种类型：全物理仿真(在模拟环境条件下的全实物仿真)；半物理仿真(硬件闭路动态试验)；数字仿真(计算机仿真)。3）系统仿真

从小到大，从易到难，从手动到自动，从简单回路到复杂回路逐步过渡。现场安装及在线调试前先要进行下列检查：

①检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须通过校验，保证精确度要求。作为检查，可进行一些现场校验。2、在线调试和运行19

②各种接线和导管必须经过检查，保证连接正确。

③对在流量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液(封液)。

④检查调节阀能否正确工作。旁路阀及上下游截断阀关闭或打开，要搞正确。

⑤检查系统的干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应采取措施。

⑥对安全防护措施也要检查。检查并已安装正确后。即可进行系统的投运和参数的整定。投运时应先切入手动，等系统运行接近于给定值时再切入自动。20

啤酒发酵通常在锥型发酵罐中进行。在20多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁殖的快慢，确定发酵给定温度曲线。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酵等杂质含量等方面达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的土0.5℃范围内。发酵过程温度工艺曲线第三节计算机控制系统设计举例

(啤酒发酵过程计算机控制系统)一、啤酒发酵工艺及控制要求1、啤酒发酵工艺简介21

要求控制10个200m2的锥型啤酒发酵罐。在啤酒发酵期间，当罐内温度低于给定的温度时，要求关闭冷却带的阀门，使之自然发酵升温；当罐内温度高于给定温度时，要求接通冷却带的阀门，自动地将冷酒精打入冷却带循环使之降温，直至满足工艺要求为止。另外，在发酵过程中，要求发酵罐顶部气体压力恒定，以保证发酵过程的正确进行。22

①系统共有10个发酵罐，每罐测量5个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体压力和罐内发酵液(麦汁)的高度，共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个液位测量点。因此共需检测50个参数。

②自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度，使其按工艺曲线运行，温度控制误差不大于土0.5℃。共有30个控制点。

③系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。

④系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。

⑤系统具有表格、图型、曲线等显示打印功能。2、系统的控制要求23

上段温度TTa、中段温度TTb、下段温度TTc、罐内上部气体压力PT、液位LT、上段冷带调节阀TVa、中段冷带调节阀TVb、下段冷带调节阀TVc。发酵罐的测控点分布及管线图二、系统总体方案的设计1、发酵罐测控点的分布及管线结构24

温度检测采用WZP-231铂热电阻(Pt100)和RTTB-EKT温度变送器，其输入量程为-20℃～+50℃，输出4～20mA；压力检测采用CECY-150G电容式压力变送器，输入量程为0～0.25MPa，输出4～20mA；液位检测采用CECU-341G电容式液位变送器，输入量程(差压)为0～0.2MPa，输出为4～20mA。

执行机构采用ZDLP-6B电动调节阀，通径为Dg50，流通能力为Cg32，等百分比特性，并配有操作器DFQ-2100。2、检测装置和执行机构25

啤酒发酵过程中，输入量为冷却液流量，输出量为发酵液温度，被控对象具有大惯性和纯滞后特性，而且在不同发酵阶段特性参数变化很大。

为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采用PID控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点，在控制软件设计中提供了施密斯(Smith)预估控制算法。3、控制规律26

控制系统的软件主要包括：采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。

控制主机选用康拓IPC-8500工业控制机，并配有A/D和D/A模板来实现过程通道中的信号变换。过程通道模板：

IPC-5488：带DC/DC光隔12位32路A/D板。

CMB5419-1B：32路I/V变换板。

IPC-5486：8路12位光电隔离D/A转换板。4、控制系统主机及过程通道模板5、控制系统的软件27P270图8.9啤酒发酵过程计算机控制系统硬件框图

检测30个温度(T1～T30)、10个压力(Pl～P10)、10个液位(H1～H10)。温度：选用WZP-231铂热电阻30只和RTTB--EKT温度变送器30只进行温度测量和变送，即将-20～+50℃变换成4～20mA(DC)信号，送至32路I/V变换板CMB5419-lB，把4～20mA(DC)信号变换成1～5V(DC)信号，最后把l～5V(DC)信号送至32路32位光电隔离A/D板IPC-5488，从而实现温度的数据采集。三、系统硬件和软件的设计1、系统硬件的设计1）模拟量输入通道设计28压力：选用10台电容式压力变送器CECY-150G，进行压力测量变送，即将0～0.25MPa压力变换成4～20mA(DC)信号，同样经过I/V板送至A/D板。液位：选用10台电容式液位变送器CECU-341G，进行液位测量和变送，即将0～0.2MPa的差压转换成4～20mA(DC)信号，同样经I/V变换送至A/D板。

自动控制30个温度，即使用30个电动调节阀ZDLP-6B，调节冷却液(冷酒精)流量，控制发酵温度。采用8路12位光电隔离D/A转换板IPC5486，将计算机输出的控制量转换成4～20mA(DC)信号，该信号送至操作器DFQ-2100，DFQ-2100具有自动和手动切换功能，DFQ-2100输出4～20mA(DC)信号送至电动调节阀，从而实现控制30个调节阀(TVl～TV30)，达到控制温度的目的。2）模拟量输出通道设计29

配有+24V(DC)电源给变送器、操作器供电。因采用光电隔离技术，故A/D板和D/A板都采用了DC/DC电源变换模块，提供光电隔离所需的工作电源。

按顺序采集30个温度信号、10个压力信号、10个液位信号，这些信号共采集5遍并存储起来，采样周期T=2s。

将每个信号的5次测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余3个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中位值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字滤波。2、系统软件的设计1）数据采集程序2）数字滤波程序303）标度变换程序①温度的标度变换。量程-20～+50℃，变换公式为：②压力的标度变换。量程0～0.25MPa，变换公式为：③液位的标度变换。量程0～0.2MPa，变换公式为：式中