計算機控制課件

計算機控制課件第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四計算機控制系統(tǒng)是當(dāng)前自動控制系統(tǒng)的主流方向。計算機控制系統(tǒng)是利用計算機的硬件和軟件代替了自動控制系統(tǒng)的控制器，以自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、檢測技術(shù)、計算機通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計算機快速強大的數(shù)值計算、邏輯判斷等信息加工能力，使得計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。如今計算機控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地用于工業(yè)、國防和民用的各個領(lǐng)域。

第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四圖9-11發(fā)酵過程控制點示意圖實例

第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四生物發(fā)酵是食品、制藥工業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)工序之一。在發(fā)酵過程中，發(fā)酵條件是影響過程代謝變化的主要因素。因此，保證發(fā)酵在最佳的條件下進行是實施自動化控制的根本目的。綜合來說，在發(fā)酵條件方面應(yīng)有以下一些工藝要求：(1)溫度(2)壓力(3)pH值(4)溶解氧第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四圖9-11發(fā)酵過程控制點示意圖實例

第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四（1）溫度控制，溫度是影響生化反應(yīng)過程的一個重要變量，因為不僅微生物菌體本身對溫度十分敏感，而且涉及菌體生長和產(chǎn)物合成的酶都必須在一定溫度下才能具有高的活性，因此，生化反應(yīng)過程的溫度控制是很重要的。影響生化反應(yīng)溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度變化以及周圍環(huán)境溫度的改變。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵罐溫度控制采用了單回路PID控制器，由溫度測量元件，控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過程生化反應(yīng)器四部分組成。生化發(fā)酵罐通常采用冷卻水的方式帶走生化反應(yīng)熱，小型發(fā)酵罐通常采用夾套式冷卻形式，大型的生化反應(yīng)器通常采用在反應(yīng)器內(nèi)裝盤管冷卻器形式，后者冷卻效果更好，但是要占用生化反應(yīng)器的有效反應(yīng)體積。第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四如果冷卻水溫度干擾比較明顯，也可以測量冷卻水溫度，將此信號直接前饋到冷卻水調(diào)節(jié)閥上，從而補償冷卻水溫度干擾對發(fā)酵罐溫度控制的影響，即前饋補償控制，與發(fā)酵罐溫度反饋控制共同組成前饋—反饋控制系統(tǒng)。第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四（2）壓力控制，發(fā)酵罐操作壓力的變化，將會引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變，也就是說影響著溶解氧濃度的變化。影響發(fā)酵罐的壓力主要是供給的消毒空氣的壓力變化，通?？刂瓢l(fā)酵罐的壓力是通過調(diào)節(jié)排出氣體的量來控制，一般也用單回路控制方法。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四（3）pH控制，pH是發(fā)酵過程中必須控制的重要變量之一。補氨是微生物發(fā)酵過程中常用的一種調(diào)節(jié)pH的方法。但補氨只有在pH較低、氨氮也偏低的時候進行，如果pH偏高而氨氮偏低，可以補入硫酸銨或者氯化銨。pH和氨氮都偏高，則應(yīng)補糖（特別是葡萄糖）。只有當(dāng)pH偏低而氨氮偏高的情況下，才考慮補堿予以調(diào)節(jié)。無論采用什么方法調(diào)節(jié)pH，工藝要求應(yīng)平穩(wěn)進行，不能大起大落以致破壞微生物賴以生長和代謝的穩(wěn)定環(huán)境，因此在pH值控制中，必須嚴(yán)格控制好氨水的加入量，絕對不能過量。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四pH控制系統(tǒng)由pH測量電極和變送器、pH控制器（pHC）、空氣開關(guān)和氣動開關(guān)閥組成。為了防止調(diào)節(jié)閥門的泄漏，采用了氣動開關(guān)閥，由電磁空氣開關(guān)進行調(diào)節(jié)。控制器根據(jù)pH偏差信號計算開關(guān)閥門的開關(guān)周期和開與關(guān)的時間長短來控制輸入氨水的量?？刂崎_關(guān)周期通常設(shè)定為一分鐘，開關(guān)時間則由偏差信號進行PID運算。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四（4）溶解氧控制，對于耗氧的微生物發(fā)酵來說，溶氧濃度是一個十分重要的控制變量。溶解氧控制可通過控制發(fā)酵罐壓力或空氣流量的方法來進行控制，由于壓力控制系統(tǒng)與空氣流量控制系統(tǒng)互相有影響，即有耦合作用，而發(fā)酵壓力通常需保持恒定，因為提高發(fā)酵壓力，使得發(fā)酵中的二氧化碳的溶解度也增加，這不僅會改變發(fā)酵液的pH值，而且也會影響氧的溶解度，因此常用調(diào)節(jié)空氣流量的方法來控制溶解氧。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四(1)溫度探頭及變送器由于發(fā)酵溫度一般控制在28～38℃之間，對于某一特定的發(fā)酵過程其溫度控制可能要求波動在某特定溫度設(shè)定值上下的0.5℃甚至0.2℃的范圍內(nèi)，因此對溫度探頭的精度提出了很高的要求，在發(fā)酵過程當(dāng)中常用的溫度探頭為A級鎧裝PT100熱電阻或一體化溫度變送器，接線盒采用防濺式或防水式。盡量選擇熱響應(yīng)時間小的探頭，這對提高溫度控制質(zhì)量有相當(dāng)?shù)淖饔?。?3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四(2)微差壓變送器由于罐內(nèi)只要保持一定的正壓及能達到工藝要求，過大的正壓不利于生產(chǎn)的節(jié)能降耗，因此選擇0～1kPa的微差壓變送器即可，原理上可以是電容式，也可以是諧振式，還可選擇空氣壓力開關(guān)。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四(3)pH值探頭及變送器pH值測量要注意pH探頭的高溫特性，因為在發(fā)酵批次之間有一個高溫消毒過程，此時罐內(nèi)溫度高達120℃甚至更高，為避免高溫對pH值探頭的損壞，可考慮如下措施：一是對高溫消毒蒸汽的溫度進行控制，限制其溫度在不超過120℃（或更低）的范圍內(nèi)，選擇高溫型的pH值探頭；另一種是使用一種專用的帶驅(qū)動裝置的護套，在進行高溫消毒前自動將pH值探頭由罐內(nèi)抽出返回護套，消毒過后再自動將pH值探頭重新插入發(fā)酵罐內(nèi)。第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四(4)溶解氧探頭及變送器溶解氧探頭的選擇需考慮其高溫性能。溶解氧探頭有直接接觸式和膜式兩種，一般說來，發(fā)酵上使用膜式溶解氧探頭居多。第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四(5)執(zhí)行器在發(fā)酵自動化控制的過程當(dāng)中，對執(zhí)行器的選擇有著嚴(yán)格的要求。在pH值調(diào)節(jié)上需要選擇工作可靠的隔膜開關(guān)閥，它有兩個優(yōu)點：一是關(guān)斷可靠；二是閥內(nèi)不會有殘留液。另外，閥的口徑選擇要合適，不能太大，否則進行pH調(diào)整時容易過調(diào)。在溫度和壓力調(diào)節(jié)方面，執(zhí)行器沒有特殊的要求。溫度調(diào)節(jié)常采用直行程單座調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)采用碟閥。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四表9-2監(jiān)控點情況一覽表描述范圍說明描述范圍說明發(fā)酵罐內(nèi)的溫度Pt1000～1500C回水溫度Pt1000～1500C發(fā)酵罐內(nèi)的PH值4～20mA0～14進水溫度Pt1000～1500C發(fā)酵罐內(nèi)的溶氧4～20mA0～150%發(fā)酵罐內(nèi)壓力0～1KPa發(fā)酵罐的空氣流量0～10KPa/0～120m3/min冷水控制閥DO輸出電磁閥電機轉(zhuǎn)速4～20mA蒸汽控制閥DO輸出電磁閥空氣流量控制閥AO輸出電動閥氨流量控制閥DO輸出空氣開關(guān)排出氣體流量控制閥AO輸出電動閥變頻調(diào)速器AO輸出電動閥第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四圖9-13基于IPC的計算機測控系統(tǒng)示意圖第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四1.1計算機控制系統(tǒng)概述1.1.1計算機控制系統(tǒng)一般概念第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四（1）實時數(shù)據(jù)處理：對來自測量變送裝置的被控量數(shù)據(jù)的瞬時值進行巡回采集、分析處理、性能計算以及顯示、記錄、制表等；（2）實時監(jiān)督?jīng)Q策：對系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)進行越限報警、事故預(yù)報與處理，根據(jù)需要進行設(shè)備自動啟停，對整個系統(tǒng)進行診斷與管理等；（3）實時控制及輸出：根據(jù)被控生產(chǎn)過程的特點和控制要求，選擇合適的控制規(guī)律，包括復(fù)雜的先進控制策略，然后按照給定的控制策略和實時的生產(chǎn)情況，實現(xiàn)在線、實時控制。主要功能第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四1.1.2計算機控制系統(tǒng)的組成

1．計算機控制系統(tǒng)硬件第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四(1)系統(tǒng)軟件(2)應(yīng)用軟件2．計算機控制系統(tǒng)軟件第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四應(yīng)用軟件功能實時數(shù)據(jù)采集控制輸出邏輯控制報警監(jiān)視畫面顯示和報表輸出可靠性功能管理功能通信功能流程畫面制作功能第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四1.1.3計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)

第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四3．計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)

第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四4.集散控制系統(tǒng)第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四其測量變送和執(zhí)行機構(gòu)仍是基于模擬儀表的，與現(xiàn)場總線及智能儀表的數(shù)字信號傳送相比，其抗干擾能力與傳輸精度都大為遜色。各DCS開發(fā)生產(chǎn)企業(yè)制造的DCS使用專用平臺，使得不同廠商之間的產(chǎn)品互不兼容，互操作性差。傳統(tǒng)DCS在控制規(guī)律和控制算法方面，相對于常規(guī)儀表并沒有重大突破，所提供的編程計算工具功能仍顯簡單，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，使得許多先進的控制算法無法在DCS上直接實現(xiàn)，基于常規(guī)控制規(guī)律的DCS的控制品質(zhì)難以滿足生產(chǎn)的控制需求。集散型控制系統(tǒng)存在的問題

第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四系統(tǒng)的開放性互可操作性與互換性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四6.工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四1.2計算機控制系統(tǒng)性能及其指標(biāo)1.2.1計算機控制系統(tǒng)性能指標(biāo)計算機控制系統(tǒng)的性能分析和要求與連續(xù)控制系統(tǒng)相似，可用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性（精度）來表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)通常用穩(wěn)定裕量、動態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)等。第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期四1.2.2控制對象對控制性能的影響第34頁，共37頁，2023年，2月2