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第11章计算机控制系统实例

前面几章着重介绍了计算机控制系统涉及到的软硬件知识、控制算法及设计方法等方面的内容，本章将结合两个有代表性的计算机控制系统设计和应用实例：工业锅炉计算机控制系统、硫化机计算机群控系统。

锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。

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。在化工、造纸、制糖等工艺过程中，还会产生各种毫无规则的聚合物、残渣等，可利用这些“燃料”产生的热量以及在化工生产中化学反应生产的热量，来生产各个部门所需要的蒸汽，因此又形成了废热锅炉。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。

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。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要的输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。

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；燃料量的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；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、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。

燃烧过程控制系统

(1)燃烧过程控制任务

锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其控制目的是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。

在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都是等量的，也就是说，对于一个具体对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略。协调跟踪的原则，就是在多个单回路基础上，建立回路之间相互协调和跟踪的关系，以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联。

此例中，锅炉燃烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联。②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；由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料

量测量信号I

V 和I

B

之间的关系如下：

假设机组所需负荷的信号为I

Q

，当系统处于稳态时，则有：

表明系统的燃料量适合系统的要求，而且达到最佳空燃比。进一步分

析可知，燃料量控制子系统的任务在于，使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主压力为设定值。为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力，燃料量控制子系统大都采用以蒸汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。

保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。在大型机组的送风系统中，一、二次风通常各采用两台风机分别供给，锅炉的总风量主要由二次风来控制，所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。α是由烟气含氧量来反映的。因此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。

锅炉给水控制系统

其任务是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。

(2)给水控制系统的基本结构

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。单级三冲量控制系统

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，及时的改变给水流量，维持进出汽包的物质平衡，有效地减少假水位的影响，抑制水位的动态偏差；稳态时使给水流量信号与蒸汽流量信号保持平衡，以满足负荷变化的需要；汽

包水位量是被控制量、主信号，稳定时，汽包水位等于设定值。

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。

串级三冲量给水控制系统的基本结构。该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成，与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器串联工作，分工明确。蒸汽流量信号作为前馈信号，用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈—串级控制系统。

蒸汽温度控制系统

(1)蒸汽温度控制系统任务

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。

(2)过热蒸汽温度控制系统

锅炉计算机控制系统的实现

硫化机计算机群控系统

内胎硫化是橡胶厂内胎生产的最后一个环节，硫化效果将直接影响内胎的产品质量和使用寿命。因此，设计一种利用先进计算机控制技术的硫化群控及管理系统，不仅能提高企业的自动化水平，也能降低硫化机控制装置的维护成本和硫化操作人员的劳动强度，提高硫化过程中工艺参数的显示和控制精度，同时也避免了个别硫化操作人员为提高产量而出现的

“偷时”现象(即操作人员缩短硫化时间，未硫化完毕就开模) ，使内胎的产品质量得到保证。

由于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，当硫化操作人员装胎合模后，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。根据企业的现场情况，借鉴DCS (Distributed Control System，集散控制系统) 系统结构，使用PLC作为直接控制级，完成现场的控制功能; PLC 通过温度采集模块采集现场的96台硫化机温度信号，进行等效计算后，按设定型号的参数计算硫化机的硫化时间并对泄压阀、开模电机动作进行控制，完成内胎的整个硫化过程。

由于计算机本身及其操作系统的不稳定性，工业控制计算机不参与控制，即使工业控制计算机出现故障也不会影响PLC的正常运行，从而也不会影响现场的控制，但是所有的现场参数将不能被监视和存储。

自动等效硫化方式、自动定时硫化控制方式和机台原有的延时继电器手动控制方式。可以根据需要在现场利用操作台上的旋钮选择工作方式。

工业控制计算机采用研华P4 2.4G，作为控制级的PLC 共两套，采用三菱公司的FX2N 128MR。两套PLC的控制是独立的，分别通过串行口连接到工业控制计算机。

通讯模块FX2N-485BD(485信号)和通讯转换模块FX2N-485PC-IF(转换计算机的RS232信号和485BD的485信号)被用来实现PLC和工业控制计算机的串行通讯。

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 可方便的进行编程，实现内胎硫化机的等效硫化时序。工控机管理软件采用