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重点论文网    工科论文    自动化论文    基于PLC的过程控制系统
创建时间:01-08

基于PLC的过程控制系统

文 献 综 述
1.1  PLC的发展状况
PLC是计算机家族中的一员,是为工业控制设计制造的.1969年美国数字设备公司研制出第一台PLC,在美国通用汽车自动装配线上使用,取得满意的效果,开创了PLC的新纪元.我国从1974年也开始研制,与1977年运用于工业。
由于PLC具有逻辑控制、定时控制、记数控制、步进控制、PID控制、数据处理、通信和联网功能等优点,使其很快的在冶炼、化工、石油、机电等工业领域得以广泛的运用。
目前PLC在工业领域的应用有三种形式,一是由PLC构成的单机控制系统,这种系统的控制对象是单一的机器或是生产流水线,如:可双向运转的三向感应电机的PLC控制装置、生产流水线上的记数系统、PLC风机变频调速系统、彩色套印机中的颜色套印的PLC实时控制系统等等;二是由PLC构成的集中控制系统,这种控制系统的控制器是一台PLC,而系统的对象通常是几台机器或几台流水线,均和PLC中的指定的I/O接口相接。大型的集中控制系统一般都采用多余结构设计,如使用双PLC系统;三是有由PLC构成的分布式控制系统,由于这种控制系统的控制对象比较多,对象分布的区域也比较的大,而且各控制对象之间又有互相通信的要求,因此往往采用多台PLC,每台PLC控制单个的被控对象,对象之间的通讯通过作为上位机的PLC或者工业控制计算机来实现的。
随着微处理器的出现,大规模、超大规模集成电路技术的发展和数据通信技术的不断进步,PLC技术日臻成熟,发展迅速,目前世界上有上百家工厂生产PLC,型号多达数百种。目前国内使用比较多的有日本的三菱、欧姆龙、美国AB公司以及德国西门子公司等PLC产品。本课题是用的德国西门子公司的PLC产品。
1.2  过程控制的历史发展和目前状况  
   过程控制通常是指石油、化工、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。
  自从进入20世纪90年代以来,自动化技术发展很快,并获得了很惊人的成就,已成为国家高科技的重要分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中,过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。
  在20世纪40年代前后,工业生产非常落后,大多数工业生产过程均处于手工操作状态,人们主要是凭经验、用手工方式去控制生产过程。例如生产过程中的关键参数靠人工观察,生产过程中的操作也靠人工去执行,当时的劳动生产率是很底的。
  50年代前后,一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的第一个阶段。这个阶段的主要特点是:过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统;被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数;控制的目的是保持这些过程参数的稳定,消除或减小主要扰动对生产过程的影响;过程控制的理论是以频率和根轨迹为主体的经典控制理论,主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
  自60年代来,随着工业生产的不断发展,对过程控制提出了新的要求;随着电子技术的迅速发展,也为自动化技术工具的完善创造了条件,从此开始了过程控制的第二个阶段。在仪表方面,开始大量采用气动和电动单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求,又开发了组装仪表,它将各个单元划分为更小的功能块,以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。与此同时,计算机控制系统开始应用于过程控制领域,实现了直接数字控制(DDC)与设定值控制(SPC)。在过程控制系统方面,为了提高控制质量和实现一些特殊的工艺要求,相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统,诸如串级控制、比值控制和均匀控制。尤其是前馈控制和选择性控制的开发和工业应用,使复杂控制系统达到了一个新的水平。前馈控制是按扰动量来控制的,在扰动可测的条件下,可以显著的提高控制质量。选择性控制是当生产过程遇到不正常工况,被扰动可测的条件下,可以显著的提高控制质量。选择性控制是当生产过程遇到不正常工况,被控量达到安全局限时,能自动实现保护性控制,而不必被迫连锁停车,从而扩大了自动化的范畴。在过程控制理论方面,除了仍然采用经典控制理论解决实际工业生产过程中遇到的问题外,现代控制理论得到应用,为实现高水平的过程控制奠定了理论基础,从而过程控制由单变量系统转向多变量系统。但是,由于过程机理复杂,过程建模困难等等原因,现代控制理论一时还难以应用于实际工业生产过程。在此期间,工厂企业实现了车间或大型装置的集中控制。
  70年代以来,过程控制得到了很大的发展。随着现代工业生产的迅速发展,随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世,使功能丰富的计算机的可靠性大大提高,而性能价格比有又大大提高,尤其是工业控制机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施,使其满足了工业控制的应用要求,随着微型计算机(以下简称微机)的开发,应用和普及,使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。过程控制发展到现代过程控制的新阶段——计算机时代。这是过程控制发展的第三个阶段。这一阶段的主要特点是:对全工厂或整个工艺流程的集中控制,应用计算机系统进行多参数综合控制,或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。在自动化技术工具方面有了新的发展,诸如以微处理器为核心的智能单元组合仪表(包括可编程调节器和DDZ-S系列智能仪表)的开发和广泛应用,在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用,在DDZ-III型仪表方面,不仅产品品种增加,而且可靠性有了很大提高,适应了各种复杂控制系统的要求。
  由于生产过程是一个分散系统,因此,过程控制的方式最好是分散进行(使故障分散,危险分散),而监视,操作与现代化管理,则应以集中为好。随着现代工业的迅速发展,生产规模不断扩大,控制要求越来越高,过程参数日益增多,控制回路更加复杂。为了满足工业生产过程自动化新的更高的要求,70年代中期,集散控制系统,也称为分布式控制系统开发问世了。它一出现就受到了工业控制界的青睐。
  集散控制系统(DCS)是把自动化技术,计算机技术,通信技术,故障诊断技术,冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。这种系统在结构上是分散的,就是将计算机分装到工段或装置,这不仅是系统危险分散,消除了全局性的故障点,提高了系统的可靠性,同时能方便灵活的实现各种新型的控制规律与算法。这种系统由于是分级的,因此便于实现现代化的最佳管理,并使工业生产过程自动化可是进入控制管理一体化的新模式。
  80年代以后,工业过程控制得到了一个飞跃的发展,一方面现代控制理论(与主要解决单回路系统控制的经典控制理论相比较)从本质上解决了一般多变量系统的控制问题,包括线性系统,时变系统,非线性系统,微分-积分系统等,从而大大促进了过程控制的发展。另一方面,过程控制的结构已从包括许多手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中,远动控制中心。使得过程控制的概念有了很大的发展,它不仅包括数据采集与管理,基于过程控制,而且包括先进的管理系统,调度和优化等。柔性化,分散化和集成化的综合自动化系统,已被应用于实际工业过程。专家系统,神经网络,模糊控制,过程监督和在线诊断等理论已经大大地促进了过程控制的发展。
  目前,世界各工业发达国家,正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化,就是在自动化技术,信息技术,计算机控制和各种生产加工技术的基础上,从生产过程的全局出发,通过生产活动所需的各种信息的集成,把控制,优化,调度,管理,经营,决策融为一体,形成一个能适应各种生产环境和市场需求,多变性的,总体最优的高质量,高效益,高柔性的管理生产系统。
在我国以最大的社会效益和经济效益为目标,研究和开发综合自动化技术是国民经济快速发展的需要,是参加国际市场剧烈竞争的需要。在世纪交替之际,新技术的研究和开发将大大推动工业过程自动化的发展,并带来巨大的社会效益和经济效益。
1.3   过程控制的特点
   一、连续生产过程的自动控制
   过程控制一般指连续生产过程的自动控制,其被控量需定量地控制,而且应是连续可控的。若控制动作在时间上是离散的(如采样控制系统等),但是其被控量需定量控制,也归入过程控制。
  二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成
  过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表(包括电动仪表和气动仪表,模拟仪表和智能仪表)和电子计算机(看作一台仪表)等自动化技术工具,对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器(包括计算机)、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业的特性和工艺要求,通过选用过程检测控制仪表构成系统,再通过PID参数的整定,实现对生产过程的最佳控制。
   三、被控过程是多种多样的、非电量的
   在现代工业生产过程中,工业过程很复杂。由于生产规模大小不同,工艺要求各异,产品品种多样,因此过程控制中的被控过程是多种多样的。诸如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备;热工过程中的锅炉、热交换器;冶金过程中的转炉、平炉;机械工业中的热处理炉等。它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些机理复杂(如发酵、生化过程等)的过程至今未被人们认识,所以很难用目前过程辩识方法建立其精确的数学模型,因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。
   四、过程控制的控制过程多属慢过程,而且多半为参半控制
   由于被控过程具有大惯性、大滞后等特性,因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。另外,在石油、化工、石油、冶金、轻工、建材、制药等工业生产过程中,往采用一些物理量和化学量(如温度、压力、流量、液位、成分、PH等)来表示其生产过程是否正常,因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制,故过程控制多半为参量控制。
   五、过程控制方案十分丰富
   随着现代工业生产的迅速发展,工艺条件越来越复杂,对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变,因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与工艺要求,过程控制中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量控制系统,也有满足特定要求的控制系统。
   六、定值控制是过程控制的一种常用形式
   在石油、化工、电力、冶金、轻工、环保和原子能等工业生产过程中,过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响,使被控量能稳定控制在给定值上,使工业生产能实现优质、高产和底消耗的目的。定值控制仍是目前过程控制的一种常用形式。
参考文献:
[1]廖常初.可编程控制器的编程方法与工程应用.重庆大学出版社,2010.
[2]邵裕森、戴先中.过程控制工程.机械工业出版社,2010.
[3]侯志林.过程控制与自动化仪表. 机械工业出版社,1998.
[4]王永初.自动调节系统工程设计.机械工业出版社,1983.
[5]吴勤勤.电动控制仪表及装置.化学工业出版社,1990.
[6]陈远宏.微处理机控制仪表.重庆大学出版社,1988.
[7]曹润生.过程控制仪表.浙江大学出版社,1987.
[8]陈来九.热工过程自动调节原理和应用.水利电力出版社,1982.
[9]沈平.时间滞后调节系统.化学工业出版社,1985.
[10]庞国仲.多边量控制系统实践.中国科学技术出版社,1990.
[11]Curtis D.Johnson.Process Control Instrumentation.Joho Wiley And Handware.Practice Hall Inc,1978.
[12]太原工学院,东北电力学院. DDZ-II型仪表在电厂中的应用。水利电力出版社,1979.
[13]白方周,庞国仲等编.多变量频域理论与设计技术.国防工业出版社,1998.
[14]任锦堂.系统辨识.上海交通大学出版社,1989.
[15]清华大学自动化系.过程控制(讲义),1984.
 
 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告
2.开题报告:一、课题的目的与意义;二、课题发展现状和前景展望;三、课题主要内容和要求;四、研究方法、步骤和措施
                        开 题 报 告
一、课题的目的与意义
现代工业生产过程往往是流程复杂、规模庞大,同时往往又具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等特点。为了保证生产安全、稳定、可靠地进行,对过程参数的检测和自动控制提出了更严、更高的要求。
实现工业生产过程自动化,不仅能够把生产过程控制在最佳的工况下运行,减少原材料和动力的消耗,降低成本,实现优质、高产、低消耗的目标,而且能够保证安全生产,防止事故发生,延长设备使用寿命,提高设备利用率,减轻劳动强度,改善劳动条件,保护环境卫生,维护生态平衡等等。
二、课题发展现状和前景展望
   过程控制通常是指石油、化工、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。
  自从进入20世纪90年代以来,自动化技术发展很快,并获得了很惊人的成就,已成为国家高科技的重要分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中,过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。
  在20世纪40年代前后,工业生产非常落后,大多数工业生产过程均处于手工操作状态,人们主要是凭经验、用手工方式去控制生产过程。例如生产过程中的关键参数靠人工观察,生产过程中的操作也靠人工去执行,当时的劳动生产率是很底的。
  50年代前后,一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的第一个阶段。这个阶段的主要特点是:过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统;被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数;控制的目的是保持这些过程参数的稳定,消除或减小主要扰动对生产过程的影响;过程控制的理论是以频率和根轨迹为主体的经典控制理论,主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
  自60年代来,随着工业生产的不断发展,对过程控制提出了新的要求;随着电子技术的迅速发展,也为自动化技术工具的完善创造了条件,从此开始了过程控制的第二个阶段。在仪表方面,开始大量采用气动和电动单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求,又开发了组装仪表,它将各个单元划分为更小的功能块,以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。与此同时,计算机控制系统开始应用于过程控制领域,实现了直接数字控制(DDC)与设定值控制(SPC)。在过程控制系统方面,为了提高控制质量和实现一些特殊的工艺要求,相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统,诸如串级控制、比值控制和均匀控制。尤其是前馈控制和选择性控制的开发和工业应用,使复杂控制系统达到了一个新的水平。前馈控制是按扰动量来控制的,在扰动可测的条件下,可以显著的提高控制质量。选择性控制是当生产过程遇到不正常工况,被扰动可测的条件下,可以显著的提高控制质量。选择性控制是当生产过程遇到不正常工况,被控量达到安全局限时,能自动实现保护性控制,而不必被迫连锁停车,从而扩大了自动化的范畴。在过程控制理论方面,除了仍然采用经典控制理论解决实际工业生产过程中遇到的问题外,现代控制理论得到应用,为实现高水平的过程控制奠定了理论基础,从而过程控制由单变量系统转向多变量系统。但是,由于过程机理复杂,过程建模困难等等原因,现代控制理论一时还难以应用于实际工业生产过程。在此期间,工厂企业实现了车间或大型装置的集中控制。
  70年代以来,过程控制得到了很大的发展。随着现代工业生产的迅速发展,随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世,使功能丰富的计算机的可靠性大大提高,而性能价格比有又大大提高,尤其是工业控制机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施,使其满足了工业控制的应用要求,随着微型计算机(以下简称微机)的开发,应用和普及,使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。过程控制发展到现代过程控制的新阶段——计算机时代。这是过程控制发展的第三个阶段。这一阶段的主要特点是:对全工厂或整个工艺流程的集中控制,应用计算机系统进行多参数综合控制,或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。在自动化技术工具方面有了新的发展,诸如以微处理器为核心的智能单元组合仪表(包括可编程调节器和DDZ-S系列智能仪表)的开发和广泛应用,在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用,在DDZ-III型仪表方面,不仅产品品种增加,而且可靠性有了很大提高,适应了各种复杂控制系统的要求。
  由于生产过程是一个分散系统,因此,过程控制的方式最好是分散进行(使故障分散,危险分散),而监视,操作与现代化管理,则应以集中为好。随着现代工业的迅速发展,生产规模不断扩大,控制要求越来越高,过程参数日益增多,控制回路更加复杂。为了满足工业生产过程自动化新的更高的要求,70年代中期,集散控制系统,也称为分布式控制系统开发问世了。它一出现就受到了工业控制界的青睐。
  集散控制系统(DCS)是把自动化技术,计算机技术,通信技术,故障诊断技术,冗余技术和图形显示技术融为一体的装置。这种系统在结构上是分散的,就是将计算机分装到工段或装置,这不仅是系统危险分散,消除了全局性的故障点,提高了系统的可靠性,同时能方便灵活的实现各种新型的控制规律与算法。这种系统由于是分级的,因此便于实现现代化的最佳管理,并使工业生产过程自动化可是进入控制管理一体化的新模式。
  80年代以后,工业过程控制得到了一个飞跃的发展,一方面现代控制理论(与主要解决单回路系统控制的经典控制理论相比较)从本质上解决了一般多变量系统的控制问题,包括线性系统,时变系统,非线性系统,微分-积分系统等,从而大大促进了过程控制的发展。另一方面,过程控制的结构已从包括许多手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中,远动控制中心。使得过程控制的概念有了很大的发展,它不仅包括数据采集与管理,基于过程控制,而且包括先进的管理系统,调度和优化等。柔性化,分散化和集成化的综合自动化系统,已被应用于实际工业过程。专家系统,神经网络,模糊控制,过程监督和在线诊断等理论已经大大地促进了过程控制的发展。
  目前,世界各工业发达国家,正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化,就是在自动化技术,信息技术,计算机控制和各种生产加工技术的基础上,从生产过程的全局出发,通过生产活动所需的各种信息的集成,把控制,优化,调度,管理,经营,决策融为一体,形成一个能适应各种生产环境和市场需求,多变性的,总体最优的高质量,高效益,高柔性的管理生产系统。
在我国以最大的社会效益和经济效益为目标,研究和开发综合自动化技术是国民经济快速发展的需要,是参加国际市场剧烈竞争的需要。在世纪交替之际,新技术的研究和开发将大大推动工业过程自动化的发展,并带来巨大的社会效益和经济效益。
 三、课题主要内容和要求
本系统以一个复杂过程(包括串级、比值、解耦、滞后等)为被控对象,研究基于PLC的控制方式的过程控制系统的结构,以及各种常规控制方法,包括:被控对象特性研究、单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、工控组态软件的使用等。是以锅炉为被控对象为说明的,包括三个系统。锅炉控制系统中汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧系统的控制。加深对一系列方法的了解和实际的运用。
四、研究方法、步骤和措施
    明确课题任务及要求,搜集课题所需资料,掌握资料查阅方法,了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。查阅相关资料,自学相关内容,确定课题总体方案,分配课题任务,确定个人研究重点,做好选题报告。根据自己研究的方向,确定自己的总体设计方案,根据对象特性进行各种算法的研究,并设计硬件总体模块图及软件模块图。完成算法研究以及过控系统的软、硬件设计及调试。主要的运用的编程器是西门子S7_201,mcgs等。

前言

现代工业生产过程往往是流程复杂、规模庞大,同时往往又具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等特点。为了保证生产安全、稳定、可靠地进行,对过程参数的检测和自动控制提出了更严、更高的要求。
实现工业生产过程自动化,不仅能够把生产过程控制在最佳的工况下运行,减少原材料和动力的消耗,降低成本,实现优质、高产、低消耗的目标,而且能够保证安全生产,防止事故发生,延长设备使用寿命,提高设备利用率,减轻劳动强度,改善劳动条件,保护环境卫生,维护生态平衡等等。
    目前,世界各工业发达国家,正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化,就是在自动化技术,信息技术,计算机控制和各种生产加工技术的基础上,从生产过程的全局出发,通过生产活动所需的各种信息的集成,把控制,优化,调度,管理,经营,决策融为一体,形成一个能适应各种生产环境和市场需求,多变性的,总体最优的高质量,高效益,高柔性的管理生产系统。
    本系统以一个复杂过程(包括串级、比值、解耦、滞后等)为被控对象,研究基于PLC的控制方式的过程控制系统的结构,以及各种常规控制方法,包括:被控对象特性研究、单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、工控组态软件的使用等。是以锅炉为被控对象为说明的,包括三个系统。锅炉控制系统中汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧系统的控制。加深对一系列方法的了解和实际的运用。
    所以本课题要根据自己研究的方向,确定自己的总体设计方案,根据对象特性进行各种算法的研究,并设计硬件总体模块图及软件模块图。完成算法研究以及过控系统的软、硬件设计及调试。主要的运用的编程器是西门子S7_200,组态软件MCGS等。
 

目录

摘 要 ……………………………………………………………………………………………………I
Abstract …………………………………………………………………………………………………II
第1章  绪论 ……………………………………………………………………………………………1
    1.1  过程控制发展的简况 ………………………………………………………………………1
    1.2  过程控制仪表 ………………………………………………………………………………2
1.3  过程控制系统的分类 ………………………………………………………………………3
    1.4  过程控制的特点 ……………………………………………………………………………3
    1.5  可编程控制现状………………………………………………………………………………3
        1.5.1可编程控制技术的发展趋势 ………………………………………………………4
    1.6  本课题的任务 ………………………………………………………………………………5
第2章  控制系统的简介及方法 ……………………………………………………………………6
    2.1  控制对象的简介 ……………………………………………………………………………6
    2.2  系统运用到的控制方法 ……………………………………………………………………6
        2.2.1  前馈控制 ………………………………………………………………………………6
        2.2.2  串级控制 ………………………………………………………………………………9
        2.2.3  比值控制 ……………………………………………………………………………14
    2.3   根据对象所选用的控制方法 …………………………………………………………18
第3章  硬件和软件 …………………………………………………………………………………25
3.1  系统总体设计 ………………………………………………………………………………25
    3.2  硬件部分 ……………………………………………………………………………………27
        3.2.4  西门子PLC概述 ……………………………………………………………………27
        3.2.5  PLC的工作原理 ……………………………………………………………………27
3.3  装置的具体说明 …………………………………………………………………………27
        3.3.1  执行装置 ……………………………………………………………………………30
3.3.2  控制台组成结构 ……………………………………………………………………31
    3.4  RS-485接口转换器与通讯电缆 ………………………………………………………32
        3.4.1  RS-485接口转换器 ………………………………………………………………32
        3.4.2   通讯电缆 …………………………………………………………………………32
    3.5  系统分析原理图 …………………………………………………………………………32
3.6  程序清单 ……………………………………………………………………………………36
第4章  组态界面的设计 ……………………………………………………………………………38
    4.1  MCGS系统的构成和组成部分的功能 …………………………………………………38
    4.2  MCGS的系统需求 …………………………………………………………………………40
4.2.1  硬件要求 ……………………………………………………………………………40
        4.2.2  软件需求 ……………………………………………………………………………41
    4.3  MCGS组态软件简介 ………………………………………………………………………41
        4.3.1  主控窗口 ……………………………………………………………………………41
        4.3.2  设备窗口 ……………………………………………………………………………41
        4.3.3  用户窗口 ……………………………………………………………………………42
        4.3.4  实时数据库 …………………………………………………………………………42
4.3.5  运行策略 ……………………………………………………………………………42
    4.4  锅炉系统组态界面的设计 ………………………………………………………………43
        4.4.1  系统用户窗口界面的设计 ………………………………………………………43
        4.4.2  系统实时数据库数据定义 ………………………………………………………45
        4.4.3  系统设备窗口的参数的设定 ……………………………………………………45
总结 ………………………………………………………………………………………………………47
致谢 ………………………………………………………………………………………………………48
参考文献 ………………………………………………………………………………………………49

第1章  绪论

1.1  过程控制发展的简况

    在现代工业生产过程自动化中,作为自动控制技术的过程控制是极其重要的组成部分。根据过程的特点与生产工艺要求,实现过程控制的目的与要求可归纳为:抑制外界扰动的影响;确保过程的稳定性;使生产过程的工况最优化。
    回顾工业生产过程自动化的发展历程,在20世纪40年代前后,大多数工业生产过程均处于手工操作状态。当时人们主要是凭经验由人工去控制生产。生产过程中的关键参数靠人工观察,生产过程控制经历里下述几个阶段。
一、仪表与局部自动化(50-60年代)阶段
    这一阶段的主要特点是:采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表,而且多数是气动仪表。
    过程控制系统的结构方案绝大多数是单输入-单输出的单回路定植控制系统,逐步开发应用串级控制系统。
    过程控制的主要工艺参数为温度、压力、流量、液位等热工参数。
    过程控制的主要目的是保持工业生产过程的生产稳定,减少或消除生产过程中的主要扰动。
    过程控制系统设计、分析的理论基础是经典控制理论中的根轨迹法和频域法。
二、综合自动化(60-70年代中期)阶段
    在这一阶段中,工业生产过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化,其主要特点是采用的过程检测控制仪表是单元组合式仪表(QDZ和DDZ仪表)和组装式仪表,并逐步采用数字计算机以及以微处理器为基础的集散控制系统。
    在过程控制系统结构方案的开发和应用方面,相继出现了各种复杂的常规控制系统和计算机控制系统,如均匀控制、比值控制、前馈控制、分程控制、选择性控制、多变量控制和DDC控制等。
    过程控制的主要目的是提高控制质量,或实现特种要求。
    过程控制系统设计的理论基础,由经典控制理论发展到现代控制理论。
    在这一时期,数字计算机开始应用于过程控制领域,如闭环计算机监控系统(SCC),DDC系统、SPC系统,从而引起了过程控制技术的重大变化,实现了局部最优化,推动了过程控制的新发展。
三、全盘自动化(70年代中期至今)阶段
    在这一阶段里,现代工业生产过程自动化的程度很高,实现了全车间、全厂、甚至全企业无人或很少人参与操作管理,实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合的方式。其主要特点是:
    新型过程检测控制仪表的开发和应用,如成分在线检测与数据处理;智能化仪表的开发和应用;微型计算机的开发和应用等。
    新型过程控制系统的研究、开发和应用,由单变量控制系统发展到多变量控制系统;由PID    控制规律发展到各种特殊的控制规律;由生产过程的定植控制发展到最优控制、自适应控制;由仪表控制系统发展到智能化的计算机分布式控制系统等。
    在控制理论的应用方面,现代控制理论移用到过程控制领域。如状态空间分析,系统辨识与状态估计,最优滤波与预报等。
    据预言: 如果80年代过程控制是以分散控制、局部高级控制和局部最优控制为代表的话,则90年代将以开发多变量动态模型和多变量动态分析为中心,向着实现高级控制,最优控制发展。在最优控制方法方面,分散控窒息统会全面应用。在各种控制中将普遍使用微机。到2000年,将以系统化为主,实现超自动化,过程模型、控制方法实现高度结合。在过程控制中将实现在线自动检测动态特性,自动构成控制模型,自动决定控制参数,自动调整软件,自动诊断检查和安全处理异常事故,自动开车、停车等。

1.2  过程控制仪表

    过程控制仪表包括调节器(含可编程调节器)、执行器、操作器等各种新型控制仪表及装置。
    过程控制仪表按使用能源不同,可分为气动仪表和电动仪表;按结构形式不同,可分为基地式仪表,单元组合式仪表,组装式仪表和集散控制装置;按信号类型不同,可分为模拟式仪表和数字式仪表。
    单元组合式仪表有气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。
    气动单元组合仪表,简称QDZ仪表。它以140kPa压缩空气为能源,以20~100kPa标准统一信号输出。QDZ仪表开发应用最早,至今已有数十年的历史,并已经历I型、II型、III型三代产品。由于其结构简单、工作可靠、价格便宜、性能稳定,而且具有本质安全防爆等特点,所以特别适用于石油、化工等易燃已爆等场合。
电动单元组合仪表,简称DDZ仪表。它也已经了I型、II型(均已停产)和III型三个产品系列。由于其信号传输、放大、变换、处理比QDZ仪表方便,以便于远传,易于与计算机联用,所以在过程控制工程中应用很广,而QDZ现很少使用。
以微出微处理器为核心的可编程调节器是于80年代问世的一种新型数字过程控制仪表(智能仪表),在工业生产过程自动化中得到了广泛的应用。

1.3  过程控制系统的分类

    过程控制系统分类方法很多,若按被控参数的名称分,有温度、压力、液位流量、成分等控制系统;若按被控量的多少分,有单变量和多变量控制系统;若按完成特定工艺要求分,有比值、均匀、分程和选择性控制系统等;若按常规仪表和计算机分,有 常规仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。此外,若按系统的某些特点分类还有下列几种。
    按系统的结构特点分:反馈控制系统、前馈控制系统、前馈—反馈复合控制系统。
    按给定值信号的特点分:定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。

1.4  过程控制的特点

    1.系统由系列化生产的过程检测控制仪表组成,并通过对控制系统调节器参数的整定,使系统运行在最佳状态,实现对生产过程的最佳控制。
    2.被控过程多种多样,,
    3.控制方案十分丰富。通常既有单变量控制系统,也有多变量控制系统;有常规仪表控制系统,也有计算机控制系统;有提高控制品质的控制系统,也有实现特殊工艺要求的控制系统;有传统的PID控制,也有新型的自适应控制、预测控制、推理控制、模糊控制等。
    4.控制过程多属过程参量控制
    5.定值控制是过程的一种主要形式

1.5  可编程控制技术的现状

    在现代工业设备及自动化项目中,我们会遇到大量的开关量、脉冲量以及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止;电磁阀的开闭;工件的位置、速度、加速度等的测定;产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。
传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。众所周知,这种控制方式虽然造价便宜,但却存在着许多致命弱点:如只能适用于简单的逻辑控制;仅适用于某种控制项目,缺乏通用性,一旦要实现改动或优化,只能通过硬件的重新组合来实现。
目前工业界比较有代表性的控制方式主要由下几个类别:
1.单板机控制系统
 单板机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及I/O接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的汇编语言。一般说来单板机或单片机系统的应用只是为某个特定产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当的差
  2.工业控制机(IPC)
    工业控制机是从PC(Personal Computer)的基础上通过应用推广发展起来的。由于它是由微机及芯片的专业厂家开发出来的,所以其硬件品种兼容性强且总线标准化程度高,其软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支持,运行速度快、实时性强,可适用于模型复杂的项目。能把控制任务和图文显示功能集成在一起。但工业控制机有两个方面的缺点:第一有较长的装置访问时间;
第二I/O控制点数不能随意扩展。
  3.计算机集散控制系统
  计算机集散控制系统是由回路仪表控制系统发展起来的。它的优势在于模拟量的处理和回路调节功能。自70年代初期问世以来,得到了迅速的发展。微处理器特别是单片机的出现和通信技术的成熟,使得计算机集散控制系统把顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表有机地结合在一起,形成了满足各种不同要求的集散型控制系统。
  4.传统的可编程逻辑控制器(PLC)
  传统的可编程逻辑控制器的最初控制概念和设计思想是将计算机软件的控制思想代替继电器逻辑。其硬件的构成与微机相似在可编程逻辑控制器发展的初期,其主要的开发意图和应用领域是数字式控制,它按照用户程序存储器里的指令安排,通过输入接口采入现场信息,执行逻辑或数值运算,然后通过输出接口去控制各种执行机构动作。然而经历了近30年的发展之

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