石油工程測控基礎(chǔ)-隋秀香測控基礎(chǔ)(7)-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

第七章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)的問世，在科學(xué)技術(shù)上引起了一場深刻的革命。并隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷完善和發(fā)展。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高，存貯容量大和邏輯功能齊全等特點(diǎn)，已成為很多領(lǐng)域強(qiáng)有力的工具。在生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)作為一個(gè)強(qiáng)有力的控制工具，獲得了較廣泛的應(yīng)用。為此對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作簡單介紹。一、概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本原理框圖如圖所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)，只要運(yùn)用計(jì)算機(jī)的各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序，計(jì)算機(jī)執(zhí)行這樣的程序，就能實(shí)現(xiàn)對被調(diào)參數(shù)的控制。而在一般常規(guī)的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是由硬件電路產(chǎn)生的，改變控制規(guī)律就要改變硬件電路，對于一些復(fù)雜的，或最優(yōu)的控制規(guī)律往往難以實(shí)現(xiàn)。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律的改變只需改變程序就可以了。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸入和輸出信號都是數(shù)字信號，因此在這樣的控制系統(tǒng)中，需要有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D，以及將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器D/A。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以歸結(jié)為以下三個(gè)步驟：1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，對被調(diào)參數(shù)的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測并輸入2）實(shí)時(shí)決策。對采集到的表征被調(diào)參數(shù)狀態(tài)的量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律決定進(jìn)一步的控制過程。3）實(shí)時(shí)控制。根據(jù)決策，適時(shí)地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號。上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并且對被調(diào)參數(shù)和設(shè)備本身出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)監(jiān)督并作出迅速處理。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般來講是由硬件部分和軟件部分組成。1.硬件部分硬件部分是控制系統(tǒng)的軀體，主要包括計(jì)算機(jī)（主機(jī)）、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、自動(dòng)化儀表和操作控制臺等。下圖是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件一般組成框圖，下面分別對各個(gè)部分作一簡單介紹。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（1）主機(jī)主機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。主機(jī)根據(jù)過程輸入通道送來的被控對象的各種生產(chǎn)工況信息，按照人們預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策，以信息的形式通過輸出通道，及時(shí)發(fā)出控制命令。主機(jī)中的程序和控制數(shù)據(jù)是人們事先根據(jù)控制規(guī)律安排好的。系統(tǒng)啟動(dòng)后，計(jì)算機(jī)就從內(nèi)存貯器中逐條取出指令并執(zhí)行了。（2)常規(guī)外部設(shè)備按功能可分為三類：輸入設(shè)備，輸出設(shè)備和外存貯器。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、紙帶輸入機(jī)等。輸入設(shè)備主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)。常用的輸出設(shè)備有打印機(jī)、顯示器等。輸出設(shè)備主要用來把各種信息和數(shù)據(jù)按人們?nèi)菀捉邮艿男问?，如?shù)字、曲線、字符等提供給操作人員，以便及時(shí)了解控制過程的情況。外存貯器，如磁帶裝置、磁盤裝置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（3）外圍設(shè)備外圍設(shè)備是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特有設(shè)備，主要包括過程輸入輸出通道及顯示報(bào)警設(shè)備等。過程輸入輸出通道，又稱過程通道。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程的控制，必須在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道，這就是過程輸入輸出通道。過程通道一般分為：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道，開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸出通道等。在主機(jī)運(yùn)行過程中，操作人員要經(jīng)常地、及時(shí)地了解生產(chǎn)過程的實(shí)際情況，并且當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常工況要危及正常生產(chǎn)和安全時(shí)，主機(jī)必須及時(shí)地以各種有效方式警告操作人員，以便操作人員能及時(shí)地采取措施，以免事故計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（4）自動(dòng)化儀表過程輸入輸出設(shè)備中必須通過自動(dòng)化儀表與被控對象發(fā)生聯(lián)系，進(jìn)行這種聯(lián)系的有檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。（5）操作控制臺當(dāng)工藝流程發(fā)生變化時(shí)，操作人員要根據(jù)新的工藝流程要求，需要廢棄、增加或修改某些程序或參數(shù)，在系統(tǒng)或生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)異常和故障的情況下，操作人員必須直接干預(yù)主機(jī)的工作，以達(dá)到應(yīng)急或處理各種事故的目的。上述情況需要有專門的人機(jī)聯(lián)系設(shè)備，這種設(shè)備就是操作控制臺。2.軟件部分過程控制軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三、計(jì)算機(jī)在控制中的典型應(yīng)用方式工業(yè)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不同的控制對象和不同的要求，應(yīng)有不同的控制方案。簡述幾種典型應(yīng)用。1.數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行采集和處理時(shí)，主要是對大量的生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和整理，數(shù)據(jù)越限報(bào)警以及大量數(shù)據(jù)進(jìn)行累積和實(shí)時(shí)分析。這種應(yīng)用方式，計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程不會產(chǎn)生直接影響。在這種應(yīng)用方式中，計(jì)算機(jī)雖不直接參與生產(chǎn)過程的控制，但其作用還是很明顯的。首先可以代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算，邏輯判斷能力，可以對大量的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的集中，加工和處理，并且能以有利于指導(dǎo)生產(chǎn)過程控制的方式表示出來。另外，可預(yù)先存入各種工藝參數(shù)的極限值，處理過程中可進(jìn)行越限報(bào)警，以確保生產(chǎn)過程的安全。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControlSystem），簡稱DDC系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)過程中應(yīng)用最普遍的一種形式。它是一臺計(jì)算機(jī)配以適當(dāng)?shù)妮斎?、輸出設(shè)備，從生產(chǎn)中獲取信息，按照預(yù)先規(guī)定的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。一般DDC系統(tǒng)，有一個(gè)功能較齊全的運(yùn)行操作控制臺，給定、顯示、報(bào)警等集中在這個(gè)控制臺上，操作方便。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)

在DDC系統(tǒng)中，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被調(diào)參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，并存入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，這個(gè)給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，故DDC控制無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況，這顯然是不夠理想的。監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC（SupervisoryComputerControl）中，計(jì)算機(jī)根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型或其它方法，自動(dòng)地改變模擬常規(guī)調(diào)節(jié)器或以DDC控制方式工作的計(jì)算機(jī)給定值，從而使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)督控制方式的控制效果，主要取決于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)劣。這個(gè)數(shù)學(xué)模型一般是針對某一目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)的，如果這一數(shù)學(xué)模型能使某一目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，那么這種控制方式就能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)模型對生產(chǎn)工況進(jìn)行分析，計(jì)算后得出控制對象各參數(shù)最優(yōu)給定值送給調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由常規(guī)調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4.集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)比較合理地吸取了儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的長處，被公認(rèn)為是先進(jìn)的控制系統(tǒng)。圖是集散控制系統(tǒng)的組成框圖。從圖中可以清楚地看到，它是一種典型的分級分布式控制結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（1)管理計(jì)算機(jī)完成制定生產(chǎn)計(jì)劃，產(chǎn)品管理、以及工藝流程管理等功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的靜態(tài)最優(yōu)化。(2)監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過協(xié)調(diào)各基本控制器的工作，達(dá)到過程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化。（3)基本控制器則完成過程的現(xiàn)場控制任務(wù)。（4)CRT操作站是顯示操作裝置，完成人—控制系統(tǒng)—過程的接口任務(wù)。（5)數(shù)據(jù)采集器用來收集現(xiàn)場控制信息和過程變化的信息。這樣，系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制任務(wù)，不但可以由帶有通信裝置的基本控制器來完成，而且可以由一般儀表來完成。數(shù)據(jù)采集器和基本控制器對信號進(jìn)行預(yù)處理后經(jīng)數(shù)據(jù)高速通道再送入上一級計(jì)算機(jī)，減少了上級計(jì)算機(jī)的負(fù)荷。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5、計(jì)算機(jī)控制具體實(shí)例中原油田實(shí)驗(yàn)井基本情況該實(shí)驗(yàn)井實(shí)鉆井深1022.40m，ψ244.475mm套管下深1006.42m，套管外有兩根氣管線，深度分別為516.81m和924.70m，其井身結(jié)構(gòu)的基本數(shù)據(jù)為：（1）表層套管Φ606.40mm3A×106.37m＋Φ508mm套管×101.45m（2）技術(shù)套管Φ444.50mm3A×1022.40m＋Φ244.48mm套管×1006.45m除井筒固定外，該井與實(shí)鉆井的井身結(jié)構(gòu)類似。中原油田實(shí)驗(yàn)井計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1一、實(shí)驗(yàn)井套壓傳感器的安裝計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)--變送器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)--變送器二、實(shí)驗(yàn)井立壓傳感器的安裝三、絞車傳感器絞車傳感器最早是法國geoservices公司生產(chǎn)的綜合錄井儀中使用，現(xiàn)在國內(nèi)的很多公司也都在生產(chǎn)。絞車傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖：遼河油田：徑向水平井?dāng)?shù)據(jù)檢測與處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)--變送器制作一n齒的齒輪，齒寬不小于10mm，齒輪上裝有軸承，與絞車滾筒軸相連。齒輪外部裝有兩個(gè)非接觸式信號檢測器，不隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測器內(nèi)裝有磁感應(yīng)電路，當(dāng)齒輪的齒通過時(shí)，由于磁感應(yīng)增強(qiáng)，檢測器輸出脈沖信號。齒輪轉(zhuǎn)的越快，發(fā)出的脈沖越多。設(shè)置A、B檢測器是為了鑒別齒輪的正反轉(zhuǎn)，因?yàn)閮尚盘柕南辔唤遣煌?，通過鑒相電路，則可以判別大鉤的上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)絞車的滾筒轉(zhuǎn)一周，齒輪也就轉(zhuǎn)一周。而齒輪轉(zhuǎn)一周，則發(fā)生48個(gè)脈沖。但是，滾筒同樣轉(zhuǎn)一周，鋼絲繩在不同的層，大鉤的上升與下放的距離是不相同。因此，在檢測滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候還要判別鋼絲繩目前所在的層數(shù)。絞車傳感器（續(xù)）鋼絲繩在滾筒上的排列如圖所示。從上圖可以看出，相鄰兩層鋼絲繩相差一圈，即一層是奇數(shù)，與其相鄰的兩層必然是偶數(shù)。外層的周長最長。不管哪一層，每轉(zhuǎn)一圈的脈沖均為48個(gè)。在測量大勾位移時(shí)，即要判別轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也即接收到的脈沖數(shù)，還要判別目前是哪一層，也即確定本層轉(zhuǎn)一圈的周長是多少，知道以上兩個(gè)量即可以計(jì)算大勾位移的方向與數(shù)值。絞車傳感器安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，牢固耐用。但使用時(shí)要求滾筒上的鋼絲繩排列必須規(guī)律，否則將出現(xiàn)誤差絞車傳感器（續(xù)）絞車傳感器信號處理流程絞車脈沖信號鑒相計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)采集LED數(shù)碼管顯示計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)--變送器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)含氣檢測儀控制系統(tǒng)1、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集（采集流量和壓力信號并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理）2、實(shí)時(shí)控制（控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成及作用氣侵檢測儀內(nèi)部主要有電源和6槽STD機(jī)籠構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如下1電源234561——STD機(jī)籠2——接口板3——采集板4——濾波&放大板5——步進(jìn)電機(jī)控制卡6——電源檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)流程放大放大多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持

A/D轉(zhuǎn)換

計(jì)算機(jī)調(diào)零1立壓信號調(diào)零1套壓信號可編程增益放大濾波計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)控制器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖實(shí)驗(yàn)井步進(jìn)電機(jī)的安裝計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)流程圖柴油機(jī)調(diào)速手柄步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置計(jì)算機(jī)傳動(dòng)副電纜電源現(xiàn)場用的是柴油機(jī)，通過儀器發(fā)送脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到產(chǎn)生流速波的目的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)黑紅（蘭線+黑）（黃線+黑）（紅線+黑）（綠線+黑）脈沖信號（蘭色）方向信號（棕）+5V(紅)StepA+DirCO