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1、第一章 计算机控制系统概述 之二杨根科杨根科杨根科杨根科上海交通大学自动化系上海交通大学自动化系上海交通大学自动化系上海交通大学自动化系2005200520052005年年年年9 9 9 9月月月月1内容提要内容提要u计算机控制技术的基本概念、特点计算机控制技术的基本概念、特点u典型工程实例等作简要介绍，以作为典型工程实例等作简要介绍，以作为整个课程教学的整个课程教学的“向导向导”。2一一 计算机控制技术的一般概念计算机控制技术的一般概念1.受控对象受控对象 2.控制基本结构控制基本结构3.控制过程的基本步骤控制过程的基本步骤4.控制目的控制目的31 典型工业受控对象典型工业受控对象u 连续过
2、程：不间断的生产过程连续过程：不间断的生产过程 如：火电厂的锅炉燃烧过程、脱硫过程、如：火电厂的锅炉燃烧过程、脱硫过程、 合成氨的生产过程合成氨的生产过程; ; 该过程中典型的控制量有该过程中典型的控制量有: : 温度、时间、压温度、时间、压 力、流量、速度、成分等随时间变化的量。力、流量、速度、成分等随时间变化的量。 本课程主要讲述该过程的控制技术本课程主要讲述该过程的控制技术u 离散过程离散过程u 批次（量）过程批次（量）过程42 计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的基本结构闭环控制结构：闭环控制结构：5u 实时数据采集（输入）实时数据采集（输入）u 实时计算（算法）实时计算（算法）u
3、 实时控制（输出）实时控制（输出）u 信息管理与协调信息管理与协调3 控制过程的基本步骤控制过程的基本步骤63 计算机过程控制目的计算机过程控制目的u 降低原材料消耗降低原材料消耗u 提高生产率提高生产率u 提高产品质量提高产品质量u 减轻劳动强度减轻劳动强度u 实现其他要求（如环保）实现其他要求（如环保）7二二 典型工业控制实例典型工业控制实例u 燃煤锅炉的计算机控制系统燃煤锅炉的计算机控制系统u 循环流化床干法烟气脱硫控制系统循环流化床干法烟气脱硫控制系统8实例一实例一: : 燃煤链条锅炉的计算机控制燃煤链条锅炉的计算机控制9u 煤块煤块炉排炉排在炉膛燃烧在炉膛燃烧加热汽包加热汽包产生蒸气
4、产生蒸气u 空气空气鼓风机鼓风机空气预热器空气预热器炉膛炉膛u 引风引风省煤器省煤器除尘脱流除尘脱流引风机引风机烟囱烟囱u 水水给水泵增压给水泵增压省煤器预热省煤器预热汽包水位汽包水位 u 煤量调节：通过改变炉排走速实现煤量调节：通过改变炉排走速实现 u 送风量调节：调节鼓风挡板开度或变频调节送风量调节：调节鼓风挡板开度或变频调节 u 引风量调节：调节引风挡板开度或变频调节引风量调节：调节引风挡板开度或变频调节 u 给水调节：保持汽包水位在允许的范围内给水调节：保持汽包水位在允许的范围内工作过程简单描述工作过程简单描述 2/10u 特点：蒸汽负荷变动频繁且不稳定特点：蒸汽负荷变动频繁且不稳定u
5、 控制系统设计目标：控制系统设计目标： 节煤节煤 蒸汽压力稳定，温度满足要求蒸汽压力稳定，温度满足要求 可靠性高，维修、操作方便可靠性高，维修、操作方便系统特点和控制目标系统特点和控制目标 3/11四个相互关联的子系统：四个相互关联的子系统：汽包水位控制汽包水位控制 炉膛负压控制炉膛负压控制热负荷控制热负荷控制 燃烧经济性控燃烧经济性控制制四个调节量：四个调节量：给水量给水量 送风量送风量引风量引风量 给煤量给煤量子系统与控制量子系统与控制量 4/12汽包水位控制系统汽包水位控制系统 5/汽包水位是一个很重要的参数汽包水位是一个很重要的参数水位过高水位过高蒸汽容积减小，影响汽包的汽水分离蒸汽容
6、积减小，影响汽包的汽水分离 ， 产生蒸汽带水产生蒸汽带水水位过低水位过低汽包本身较小，负荷蒸汽变化大，汽包本身较小，负荷蒸汽变化大， 水量变化速度快，容易全部气化，水量变化速度快，容易全部气化， 出现脱水现象，引起事故。出现脱水现象，引起事故。水位调节任务：保持水位在允许范围内水位调节任务：保持水位在允许范围内; 保持给水量保持给水量稳定稳定13单冲量调节方案单冲量调节方案 6/14双冲量调节方案双冲量调节方案 7/ 控制器控制器执行器执行器汽包汽包X XWHH水水位位- -前馈前馈15三冲量调节方案三冲量调节方案 8/16三冲量调节方案三冲量调节方案 9/17从锅炉控制系统得到的启发从锅炉控
7、制系统得到的启发 10/ u了解工艺过程入手，按照控制要求，正了解工艺过程入手，按照控制要求，正确制定控制策略确制定控制策略u实现控制，要有恰当的控制算法实现控制，要有恰当的控制算法u要有实现检测与控制的正确手段要有实现检测与控制的正确手段u要选择可靠有效的计算机控制系统要选择可靠有效的计算机控制系统18实例二：循环流化床干法烟气脱硫实例二：循环流化床干法烟气脱硫控制系统控制系统子系统子系统吸收剂制备吸收剂制备烟气系统烟气系统CFB-吸收塔吸收塔注水系统注水系统吸收剂定量给料吸收剂定量给料电除尘器电除尘器物料循环物料循环副产品排放副产品排放 19干法脱硫除尘控制系统规模干法脱硫除尘控制系统规模
8、 2/u应用于应用于2300MW机组，共采用两套脱硫除机组，共采用两套脱硫除尘岛系统尘岛系统u采用分布式采用分布式IO配置，在现场共安装配置，在现场共安装18个工个工业控制柜业控制柜u板卡点数近千点：包含板卡点数近千点：包含DI、DO、AI、AO、RTD、PI等多种类型信号等多种类型信号2021锅炉汽包侧视图22主机锅炉和预除尘23吸收塔和脱硫除尘岛俯视24预除尘灰斗和仓泵俯视25生石灰仓26下料秤重计量阀27灰斗出料仓泵28中央控制楼29中控室控制柜30谢教授在调试中31调试顺利进行，最终完满的达到了98以上的实际脱硫率！32干法烟气脱硫控制系统平台干法烟气脱硫控制系统平台干法烟气脱硫控制系
9、统平台干法烟气脱硫控制系统平台 3/3/OS 站/WinCC机组1 OSM 工业以太网光纤交换器S7 400 417H带工业以太网通讯处理器OS 站/WinCC机组2Y-LINK用于连接吸收剂制备子系统工业以太网光纤环PCS7 工程师站榆社榆社电厂电厂2x300MW发电机组脱硫除尘岛发电机组脱硫除尘岛 #1机组机组 S7 400417H带工业以太网通讯处理器ET200M I/O 站分别位于不同工段中#2机组机组标准以太网OSM 工业以太网光纤交换器Y-LINK用于连接吸收剂制备子系统ET200M I/O 站分别位于不同工段中33PID控制策略的设计与实现控制策略的设计与实现 4/SO2排放浓度
10、控制排放浓度控制吸收塔床层压差控制吸收塔床层压差控制吸收塔温度控制吸收塔温度控制吸收塔入口烟气流量吸收塔入口烟气流量控制控制 34吸收塔入口烟气流量控制吸收塔入口烟气流量控制 5/35吸收塔温度控制吸收塔温度控制吸收塔温度控制吸收塔温度控制 6/6/36吸收塔床层压差控制吸收塔床层压差控制吸收塔床层压差控制吸收塔床层压差控制 7/7/37SO2排放浓度控制排放浓度控制 8/38SO2浓度排放回路的仿真与优化浓度排放回路的仿真与优化 9/PID算法算法实际系统实际系统仿真模型仿真模型Matlab仿真仿真DMC或或模糊控制算法模糊控制算法控制算法优化控制算法优化39u工业控制系统基本上采用三层控制
11、网络：现场总线网络、工业控制系统基本上采用三层控制网络：现场总线网络、工业以太网、标准以太网工业以太网、标准以太网uIOIO采集方式由集中式走向分布式采集方式由集中式走向分布式u在工业上仍然采用以在工业上仍然采用以PIDPID，尤其是尤其是PIPI为主的控制算法为主的控制算法u控制算法正在逐步从经典算法（控制算法正在逐步从经典算法（PIDPID）走向高级过程控制走向高级过程控制算法（算法（DMCDMC、模糊控制等）模糊控制等）从脱硫控制系统了解现代先控从脱硫控制系统了解现代先控10/ 40实例三：布袋除尘器控制系统实例三：布袋除尘器控制系统烟气室系统烟气室系统挡板系统挡板系统布袋系统布袋系统灰
12、斗系统灰斗系统反吹臂系统反吹臂系统脉冲阀系统脉冲阀系统风机系统风机系统辅助系统辅助系统压缩空气压缩空气脉冲阀系统脉冲阀系统风机系统风机系统清洁烟气室清洁烟气室原烟气室原烟气室反吹臂系统反吹臂系统布袋除尘单元布袋除尘单元清洁烟气清洁烟气烟囱烟囱布袋系统布袋系统原烟气原烟气灰斗系统灰斗系统41布袋除尘控制系统结构图布袋除尘控制系统结构图 2/应用与脱硫系统应用与脱硫系统通过通过Y-Link连接连接主主DCS采用非冗余采用非冗余-冗余冗余的模式的模式可不自带独立上可不自带独立上位机位机ET200M 系统系统OP 270ProfibusCPU 414-2脱硫脱硫DCSY-Link42布袋控制的三个典型
13、子系统布袋控制的三个典型子系统 3/u脉冲阀控制系统：分段控制脉冲阀控制系统：分段控制u原烟气温度控制系统：自学习模糊控制原烟气温度控制系统：自学习模糊控制u风机控制系统：有级风机控制系统：有级 / 无级风机阵列控制无级风机阵列控制43脉冲阀控制策略脉冲阀控制策略 4/压差差设定定值档档 位位反吹持反吹持续时间间隙隙时间716.116.1hPahPa快速档快速档150150200200msms5 5secsec备注：在注：在“间隙隙时间”内范内范围的下限的下限即即为“最小最小间隙隙时间”分段控制策略分段控制策略根据两个烟气室的压根据两个烟气室的压力差力差P 选择档位选择档位具体反吹时间基于表具
14、体反吹时间基于表格参考时间，根据现格参考时间，根据现场情况整定场情况整定将及时响应报警将及时响应报警44原烟气温度控制策略原烟气温度控制策略 5/u自学习模糊控制策略自学习模糊控制策略u核心：基于两个实时数据决定控制量核心：基于两个实时数据决定控制量u控制输入：温度控制输入：温度T 温度变化率温度变化率dT/dtu控制策略：根据（控制策略：根据（T，dT/dt）的位置查表的位置查表 决定控制输出决定控制输出u“自学习自学习”：根据工况不断调整：根据工况不断调整“表表”值值45自学习模糊策略简介自学习模糊策略简介 6/由相应的图表建立坐标区域由相应的图表建立坐标区域“表表”和和“坐标图坐标图”将
15、根据系统在运行中的将根据系统在运行中的“自自学习学习”而变化而变化 T TdT/dtdT/dt454575757575100100100100150150- - - -5.05.0/s s s s - - - -2.52.5/s/s/s/s0%0%15%15%25%25%- - - -2.52.5/s s s s0.00.0/s/s/s/s5%5%30%30%50%50%0.00.0/s s s s2.52.5/s/s/s/s15%15%45%45%75%75%2.52.5/s s s s5.05.0/s/s/s/s20%20%60%60%100%100%ABCDEFT5.0- -2.52.5075100150dT/dt- -5.046气源风机控制策略气源风机控制策略 7/有级有级/无级风机阵列控制策略无级风机阵列控制策略37.5KW17.5KW（变频）构成变频）构成当其中一台当其中一台7.5KW风机故障时仍然能保证正常工作风机故障时仍然能保证正常工作PLC控制系统控制系统风量传感器风量传感器PLC控制系统控制系统风量传感器风量传感器47
