计算机控制技术与系统 课件 11 计算机控制系统实例

1第11章

计算机控制系统实例

ExampleofComputerControlSystems2工业锅炉计算机控制系统硫化机计算机群控系统焊接机器人控制系统本章主要内容311.1工业锅炉计算机控制系统工业锅炉简介锅炉计算机控制系统组成与实现11.1.1工业锅炉介绍按燃料种类分，在各个工业部门中，应用最多的有燃油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉。在石油化工、炼油的生产过程中，往往产生各种不同的残油、残渣、释放气和炼厂气，为充分利用这些燃料，所以出现了油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。所有这些锅炉，燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。5图11.1锅炉设备主要工艺流程图6燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。

锅炉设备主要的工艺流程7锅炉设备是一个复杂的控制对象，输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些变量之间相互关联。如果蒸汽负压发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；燃料量变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响。图11.2输入变量与输出变量关系图8锅炉是一个典型的多变量对象，要进行自动控制，对多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则加以处理。目前，锅炉控制系统大致可划分为三个控制系统：

锅炉燃烧控制系统锅炉给水控制系统过热蒸汽温度控制系统

911.1.2锅炉计算机控制系统组成燃烧过程控制系统：燃烧过程控制任务：使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。燃烧过程控制系统设计方案：根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大致分为三个单变量控制系统：燃料量—汽压子系统、送风量—过量空气系数子系统以及引风量—炉膛负压子系统。1011.1.2锅炉计算机控制系统组成锅炉燃烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联。首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点:

锅炉燃烧过程中燃料量与空气(送风)量之间应保持一定比例，实际空气(送风)量大于燃料需要空气量，他们之间存在一个最佳空燃比(最佳过剩空气系数)α，即为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当热负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若热负荷减少时，应先减少燃料量，再减少送风量。11其中，Wm1(s)和Wm2(s)是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是比例环节，则Wm1(s)=K1，Wm2(s)=K2。由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料量测量信号IV和IB之间的关系如下：设，则12假设机组所需负荷的信号为IQ，当系统处于稳态时，则有设定值。即。，，表明系统的燃料量适合系统的要求，而且达到最佳空燃比。假如负荷突然增加，对于送风量控制系统而言，高选器的两个输入信号中，突然增大，则＞，所以，增大的信号通过高选器，在乘以β后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节器将使u2增加，空气阀门开大，送风量增大。对于燃料量控制系统来说，尽管增大，但在此瞬间还来不及改变，所以低选器的输入信号＞，低选器输出不变，不变，此时燃料量B维持不变。只有在送风量开始增加以后，即变大，低选器的输出才随着的增大而增加，这时燃料阀门才开大，燃料量增多。反之，在负荷信号减少时，则通过低选器先减少燃料量，待减少后，空气量才开始随高选器的输出减小而减小，满足上述第二点要求，始终保持完全燃烧。13送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率。通常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统，经过燃料量与送风量回路的交叉限制，组成串级比值的送风系统。结构上是一个有前馈的串级控制系统，如图11.4所示。14锅炉给水控制系统：控制任务：考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内，实现给水全程控制。给水控制也称为汽包水位控制。被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。基本结构：

单冲量控制系统单级三冲量控制系统串级三冲量控制系统15单冲量控制系统以水位信号H为被控量、给水流量作为控制量组成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、整定方便，但克服给水自发性扰动和负荷扰动的能力差。单级三冲量控制系统以负荷作为系统设定值，利用PI调节器调节流量，使给水量准确跟踪蒸汽流量，再将水位信号作为主参数负反馈，构成了单级三冲量控制系统。16所谓“三冲量”，是指控制器接受了三个测量信号：汽包水位、蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量信号是前馈信号，当负荷变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，有效地减少假水位的影响，抑制水位的动态偏差；给水流量是局部反馈信号，它能及时反映控制效果，稳态时使给水流量信号与蒸汽流量信号保持平衡；汽包水位量是被控制量、主信号。事实上，由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需要兼顾较多的因素，动态整定过程也较复杂，因此在现场很少再采用单级三冲量给水控制系统。17串级三冲量控制系统该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成，两个调节器串联工作。PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量设定值；PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。蒸汽流量信号作为前馈信号，由此构成的是一个前馈——串级控制系统。该系统结构较复杂，但各调节器的任务比较单纯，系统参数整定相对单级三冲量系统要容易些，是现场广泛采用的给水控制系统。18蒸汽温度控制系统：控制任务：维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。控制系统：以过热蒸汽为主参数，选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号，组成串级控制系统或双冲量气温控制系统。

19锅炉计算机控制系统实现：一次仪表测得的模拟信号经采用电路、滤波电路进入A/D转换电路，A/D转换电路将转换完的数字信号送入计算机，计算机对数据进行处理之后，便于控制和显示。D/A转换将计算机输出的数字量转换成模拟量，并放大到0—10mA，分别控制水泵调节阀、鼓风机挡板、引风机挡板和炉排直流电动机。

202111.2硫化机计算机群控系统系统总体方案可编程控制器控制软件设计工控机管理软件设计22系统总体方案：内胎硫化过程共包括四个阶段:合模、硫化、泄压、开模。所有硫化机的控制方式相同，所以特别适合群控。在自动模式下，由控制系统根据温度计算内胎的等效硫化时间并控制泄压阀、开模电机的动作。为克服温度波动的影响，用阿累尼乌斯(Arrhenius)经验公式来计算等效硫化时间。某橡胶制品有限公司硫化车间共有内胎硫化机96台，为便于整个生产过程的控制和管理拟采用计算机群控及管理系统。根据企业的现场情况，借鉴DCS系统结构，使用PLC作为直接控制级，完成现场的控制功能;使用工业控制计算机作为管理和监视级。2324可编程控制器控制软件设计：从内胎硫化的流程可知，硫化的控制属于过程、位置控制，采用PLC可方便地进行编程，实现内胎硫化机的等效硫化时序。为提高运行速度、减少运行指令，在控制软件设计中采用了模块化编程，设计了多种通用子程序，如数据采样及处理子程序、等效硫化计算子程序、报警子程序等。控制软件主程序流程简图见图11.9。

2526工控机管理软件设计：总体设计：工控机的RS-232串行通信接口通过FX2N-485PC-IF连接到可编程控制器的通信模块FX2N-485BD上，以半双工异步串行通信方式通信，读取或设置参数，并在主窗口动态显示，自动记录车间内所有机台在三种控制方式下生产的产品的过程参数和数量、操作合法性等数据，可以随时查看硫化温度曲线，还具有报警提示、查询、报表打印等功能。管理系统功能图如图11.10所示。2728工控机管理软件设计：串行通信接口数据传输的软件设计：开发串口通信软件一般有两种方法：一种是采用Microsoft的MSComm控件，这种方法实现起来相对比较简单，但效率较低；另一种是利用Windows的通信API函数，实现的功能强大，特别适合于面向底层的下位机通信，但是需要编程人员掌握大量的通信知识，还要掌握多线程编程。利用PComm编写串口通信软件，开发者可以充分利用API的强大功能，使用起来也比较方便。串行通信程序设计主要分为两部分，一是通信设备资源的初始化，包括串行口打开、关闭及串口参数设置等;二是通讯事件的处理。29（1）通信初始化程序初始化程序完成传输信号的通讯端口选择、打开，并设定相关参数，包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验等。30（2）通信事件的处理工控机与PLC进行通讯必须有相同的通讯协议。PLC的通讯格式在其特殊数据寄存器D8120中设置。D8120的第0至15位分别表示:数据长度、奇偶校验、停止位、波特率、数据头、数据尾、控制以及校验、协议、传输的控制协议。例如，数据长度7位、偶校验、2位停止位、波特率为9600bit/s、不使用数据头和数据尾、传输数据协议采用模式1、D8120设置为0C8E。在模式1的条件下，传输数据的基本格式为控制码、站号、PC号、命令、等待时间、字符和校验。例如，当计算机读PLC寄存器D1000中的数据时，传输数据的格式见表11.1。3111.3焊接机器人控制系统系统组成与工作原理焊接机器人控制方案设计与实施32系统组成与工作原理：焊接机器人系统通常由机器人本体、机器人控制器、焊机、底座平台、焊接夹具和PLC控制系统等组成，如图所示。33焊接机器人控制的基本原理是，得到焊接要求、生成焊枪路径规划、完成焊接和信息反馈。首先，用户手动输入焊接参数指令，按照实际焊接轨迹控制焊接机器人工作一次，这个过程中记录下机器人的不同位姿，生成一个完整的焊接程序。在示教完成后，机器人就能依据设定好的焊接程序进行循环焊接工作，同时传感器能够及时反馈运动信息和焊接参数信息。从本质上来说，机器人焊接生产作业时，对机器人本体位姿的控制实际上是对电动机的控制，电动机驱动器将脉冲输入信号转换为电动机轴端的旋转运动，通过每一个机械关节上电动机旋转轴的转角与转速相互配合，来实现机器人工作要求的各个位姿。34图11.12焊接机器人控制系统结构框图焊接机器人控制方案设计与实施35由焊接机器人控制系统的结构组成和系统工作原理可知，运动控制系统是焊接机器人的核心。整个控制系统由PLC控制系统、机器人控制器（运动控制器）、电动机系统、机器人机械本体、焊接机、焊接夹具、传感器系统、人机界面（HMI）等组成。PLC控制系统负责整个焊接机器人系统的逻辑控制和协调、焊接参数控制、传感器数据处理、安全监控、人机界面（HMI）集成和通信与数据管理。机器人控制器（运动控制器）负责路径规划、插补控制、伺服控制、同步控制、实时反馈与调整、防碰撞控制。36电动机系统负责控制伺服电动机的运行，驱动机器人机械臂和末端执行器。机器人机械本体通过多自由度机械臂，实现复杂的焊接路径，完成焊接功能。焊接机提供焊接所需的电流和电压，实现焊接功能。焊接夹具确保工件在焊接过程中的位置稳定。传感器系统反馈各种物理参数，包括位置、焊接和视觉等。人机界面（HMI）实现人机交互的功能。37硬件选择

PLC：应选用选择适合工业应用的高性能PLC，如西门子S7-1200/1500、三菱FX5U、欧姆龙CJ2M等。I/O模块：根据需求选择数字I/O和模拟I/O模块，确保能够连接所有传感器和执行器。焊接机器人控制器：需要考虑多种因素，包括机器人型号、焊接工艺要求、控制精度、系统兼容性和扩展性等。库卡的KRC4、ABB的IRC5、FANUC的R-30iBPlus和安川的DX200都是业界知名的高性能控制器，能够满足不同应用场景下的焊接需求。具体选型应结合实际应用场景和需求，确保系统的高效运行和焊接质量。38焊接机器人：应选用六轴或多轴工业机器人，如ABBIRB系列、库卡KR系列、安川MH系列等。焊接工具：焊接工具可选用MIG、TIG、点焊枪等，根据具体焊接需求选择合适的焊接工具。传感器：1）位置传感器：光电传感器、激光传感器等，用于精确定位焊接位置。2）温度传感器：热电偶、红外温度传感器，用于监测焊接温度。3）电流传感器：霍尔效应传感器，用于监测焊接电流。人机界面（HMI）：人机界面可选用工业触摸屏，如西门子TP系列、威纶通MT系列等，提供直观的操作界面。39软件设计软件功能模块需求分析：需要从机器人使用过程中所涉及的作业条件、运动轨迹特性、控制