第八章_计算机控制系统应用举例.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 控制系统的设计与实施,*,第八章,第八章,计算机控制系统的设计与实施,Designing&,Implementation of Computer Control Systems,5/22/2026,1,第八章 控制系统的设计与实施,本章主要内容,计算机控制系统设计原则和步骤,计算机控制系统的设计与实施,过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术,计算机控制系统的应用实例,5/22/2026,2,第八章 控制系统的设计与实施,第一节,Unit 1,计算机控制系统设计原则和步骤,Designing Principles&Steps of Computer Control System,5/22/2026,3,第八章 控制系统的设计与实施,本节主要内容,计算机控制系统设计原则,设计与实施过程计算机控制系统的步骤,5/22/2026,4,第八章 控制系统的设计与实施,8-1-1,计算机控制系统设计原则,安全可靠,主机，控制方案，后备装置(冗余措施),操作、维护与维修方便,在考虑先进性的同时照顾到操作工的习惯，维修方便考虑软、硬件两个方面,实时性强,及时处理定时事件或随机事件的发生，必要时设置优先级,通用性好,从软件与硬件两个方面考虑共性问题，如，标准的算法，模块(板)化的设计，某一行业内的特殊功能等，以便于推广,经济效益高：进行经济成本核算，提高性能价格比,5/22/2026,5,第八章 控制系统的设计与实施,8-1-2,设计与实施计算机控制系统的步骤,确定任务,明确被控任务，越来越多的甲方乙方的招标形式,工程项目的设计,总体方案，硬件与软件设计，细化设计，文档工作,离线仿真和调试,在实验室环境下尽可能地仿真与对系统进行联调与测试,在线调试和投运,在现场进行在线开环试验的基础上再投入自动闭环控制,重视保留技术文档,5/22/2026,6,第八章 控制系统的设计与实施,第二节,Unit 2,计算机控制系统的设计与实施,Design and Implementation of Computer Control System,5/22/2026,7,第八章 控制系统的设计与实施,本节主要内容,计算机控制系统的总体方案设计,硬件的工程设计与实现,软件的工程设计与实现,控制系统的调试与投运,5/22/2026,8,第八章 控制系统的设计与实施,8-2-1,计算机控制系统总体方案设计,硬件总体方案设计,系统的构成方式、现场设备的选择、人机联系方式、系统的机柜或机箱结构、抗干扰措施等,软件总体方案设计,软件平台、软件结构、任务分解、参阅被控系统的数学模型、确定控制策略以及算法实现,系统总体方案,系统的总体框架、硬件与软件的设计方案以及系统的监控结合在一起便构成了整个计算机控制系统的总体方案,系统总体设计的文档,5/22/2026,9,第八章 控制系统的设计与实施,8-2-2,硬件的工程设计与实现,系统总线与主机机型,I/O,接口,选择现场设备,变送器,执行机构,其它现场设备,5/22/2026,10,第八章 控制系统的设计与实施,8-2-3,软件,的工程设计与实现,程序结构规划,资源分配,实时控制软件设计,数据采集及数据处理、实时时钟与中断处理,控制算法、控制量输出及处理,生产管理、数据通信等,5/22/2026,11,第八章 控制系统的设计与实施,8-2-4,控制系统的调试与投运,离线仿真和调试,硬件调试、软件调试、联调：全物理(模拟)仿真、半物理仿真以及数字仿真,在线调试和投运,注意与工艺技术人员的配合,从小到大、由易到难、从手动到自动、由开环到闭环。,注意到细节问题,5/22/2026,12,第八章 控制系统的设计与实施,第三节,Unit 3,过程计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术,Anti-Disturbing and Reliability Techniques of Process Computer Control Systems,5/22/2026,13,第八章 控制系统的设计与实施,本节主要内容,计算机控制系统的抗干扰技术,系统供电与接地技术,看门狗（,Watchdog）,及其电源掉电检测技术,5/22/2026,14,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,计算机控制系统的抗干扰技术,干扰来源及种类,串模干扰,(,又称横向干扰或正态干扰,),串联于信号源回路中的干扰,串模干扰示意图,A,放大器,V,n,V,s,(a),A,放大器,V,s,C,1,C,2,干扰线,I,n,(b),5/22/2026,15,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,串模干扰的抑制措施,用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线,可减少电磁感应,采用各种滤波器,采用双积分式,A/D,转换器,其它措施,5/22/2026,16,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,共模干扰,共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰,）,由不同的“地”而引起,信号源,V,s,Z,r,A,V,c,(a),V,s,V,c,Z,r,(b),共模干扰示意图,5/22/2026,17,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,对共模干扰的抑制（,1,）,共模干扰对输入信号的影响,V,s,Z,c,Z,c,V,cmm,(,a),单端输入,被测信号的输入方式,V,s,Z,s1,Z,c1,V,cmm,(,b),双端输入,Z,c1,Z,s2,5/22/2026,18,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,对共模干扰的抑制（,2,）,双端输入,变压器隔离,光电隔离,浮地屏蔽,采用仪表放大器提高共模抑制比,5/22/2026,19,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,长线传输干扰及其抑制,长线干扰产生原因,易受到外界干扰,具有信号延时,会引起波反射现象,消除波反射或将它抑制到最低限度,终端阻抗匹配或始端阻抗匹配,5/22/2026,20,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-1,信号线的选择和敷设,信号线的选择,屏蔽信号线性能列表见教材,P277,表8.,1,信号线的敷设,5/22/2026,21,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统供电技术（,1）,供电系统的一般保护,交 流,稳压器,低 通,滤波器,直 流,稳压器,计算机,一般计算机控制系统供电结构,220VAC,5/22/2026,22,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统供电技术（,2,）,电源异常的保护,具有不间断电源的供电结构,电 池,充电器,电池组,直 流,稳压器,220VAC,逆变器,交 流,稳压器,控制器,计算机,5/22/2026,23,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统接地技术,计算机系统接地的目的,抑制干扰,使计算机稳定地工作,保护计算机、电器设备和操作人员的安全,计算机控制系统中的,“,地,”,模拟地,数字地,安全地,系统地,交流地,5/22/2026,24,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统接地技术,计算机控制系统中的分别回流法单点接地,数字地,横汇流条,数字地,纵汇流条,模拟地,横汇流条,模拟地,纵汇流条,接地板,安全地,(,机壳地,),系统板,大地,分别回流法接地示例图,5/22/2026,25,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统的低频接地技术（,1,）,一点接地方式,串联接地（或称共同接地）,并联接地（或称分别接地）,电路,1,电路,2,电路,3,r,1,r,2,r,3,I,3,I,2,I,1,C,B,A,I,3,I,2,+I,3,I,1,+I,2,+I,3,串联一点接地,电路,1,电路,2,电路,3,r,1,r,2,r,3,I,3,I,2,I,1,C,B,A,并联一点接地,5/22/2026,26,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统的低频接地技术（,2,）,实用的低频接地,串联一点接地的综合接法,信号地线,噪声地线,金属件地线,实用低频接地方式,信号地线：低电平电路地线,噪声地线：继电器、电动机,等的地线,金属件地线：设备机壳地线,5/22/2026,27,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,系统输入通道的接地技术,电路一点地基准,即单端接地：接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。,电缆屏蔽层的接地,信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地,5/22/2026,28,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,其它（,1,）,主机外壳接地，机芯浮空,主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，即机内信号地浮空。,机,芯,主机外壳,大地,外壳接地，机芯浮空示意图,5/22/2026,29,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-2,其它（,2,）,多机系统的接地,近距离多机系统的一点接地（如图示）,远距离系统采用隔离的方法,主,机,打印机,绘图仪,操作台,过 程,通 道,大地,近距离多机系统的接地示意图,地线,5/22/2026,30,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-3,看门狗（,watchdog）,技术,看门狗（即监控定时器）作用,用来检测系统出错并自动恢复运行,也可用来检测硬件的故障,定时或启动或清零,定时器,CPU,定时到,复位或中断,时钟,CLK,看门狗,(,Watchdog),电路,5/22/2026,31,第八章 控制系统的设计与实施,8-3-3,电源掉电检测技术,系统设计时应采取当掉电发生时的安全措施和保护性处置办法,执行机构,控制计算机的状态,及时检测出发生掉电,应用程序设计的措施,5/22/2026,32,第八章 控制系统的设计与实施,第四节,Unit 4,计算机控制系统的应用实例,The Application Examples of Computer Control System,5/22/2026,33,第八章 控制系统的设计与实施,本节主要内容,典型长网纸机的计算机控制系统设计实例,基于,RTLinux,和,PC/104,的微型无人空间机器人,(,MUAV),控制系统,以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统,基于,PLC,与,DCS,的大中型计算机控制系统,结论,5/22/2026,34,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1 典型的长网造纸机计算机控制系统,典型的长网造纸机工艺流程简介,成纸的重要质量指标,绝干纤维量,定量：每平方米的克重,水份：含水量的百分比,铜网与压榨部,干燥部,网前部,纸浆,成纸,1-3%,95%左右,5/22/2026,35,第八章 控制系统的设计与实施,国外高速纸机示意图,5/22/2026,36,第八章 控制系统的设计与实施,国内高速纸机示意图,5/22/2026,37,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1 典型的长网造纸机计算机控制系统,纸机计算机控制系统的总体控制方案,控制系统的被控变量为成纸质量指标：定量、水份,影响成纸产品质量的因素众多,造纸过程控制系统需要考虑的特殊问题,横向分布显示、断纸部位报警、断纸后的处理、统计报表等等,控制方案：大闭环系统控制定量与水份,小闭环系统控制各个变量,前馈系统克服主要干扰,控制方案图参见下页,5/22/2026,38,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1造纸机计算机控制系统的总体设计(1),定量水份控制,蒸汽压力给定值,浆流量控制,浆浓度控制,蒸汽压力控制,造 纸 过 程,浆浓度测量,蒸汽阀控制,白水阀控制,浆流量测量,浆阀控制,蒸汽压力测量,浆流量给定值,定量测量,水份测量,纸机定量水份控制系统方块图,5/22/2026,39,第八章 控制系统的设计与实施,建立纸机定量水份系统的数学模型,建模方法,机理分析法：建立数学模型框架,测试辨识法：确定模型的参数,机理-辨识结合法：验证模型,语言类模型：建立模糊控制数学模型,8-4-1造纸机计算机控制系统的总体设计(2),5/22/2026,40,第八章 控制系统的设计与实施,纸机定量水份系统的数学模型,G,4,(s),G,1,(s),G,2,(s),G,7,(s),G,3,(s),G,8,(s),G,10,(s),G,6,(s),G,5,(s),G,9,(s),浆阀,u,1,I,段蒸汽阀,u,2,II,段蒸汽阀,u,3,施胶前水份,y,2,成纸水份,y,1,成纸水份,y,3,表面温度,T,2,表面温度,T,1,烘缸,烘缸,网前箱,纸浆浓度,c,1,典型长网纸机定量水份系统数学模型示意图,8-4-1造纸机计算机控制系统的总体设计(3),5/22/2026,41,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1 造纸过程的控制策略,解决大纯滞后、耦合、干扰多、慢时变、非线性等控制难点,一般参数的回路可采用,PID,定量水份系统采用过许多先进控制,预测控制、模糊控制、自适应控制、最小方差控制、自校正控制、鲁棒控制、最优控制等等,控制系统仿真试验,5/22/2026,42,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1 纸机计算机控制系统的硬件设计,计算机（包括相应外围设备）,检测仪表与执行机构,特殊变量需要专用仪表测量,环境恶劣，对仪表可靠性有较高要求,需要扫描设备,安装要求高,5/22/2026,43,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1 纸机计算机控制系统的软件结构,造纸过程控制系统软件结构示意图,纸机模型,控制策略,断纸事件处理,监 控 程 序,硬件接口软件,人机接口软件,信号输入,信号处理,控制输出,图形显示,报表显示,报表打印,键盘输入,5/22/2026,44,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1 纸机计算机控制系统的实施,系统的安装,工艺管道改造,机房建设,现场仪表安装,电缆敷设与接线,调试工作：仪表校验、测试、参数整定,系统的运行：,开环观察,参数调整,输出控制变量，实施闭环控制,5/22/2026,45,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-1,纸机计算机控制系统的经济核算(1),系统的硬件、软件及人力等投资,估算系统投运后直接或间接的经济效益,纸机定量水份计算机控制系统实施后的经济效益分析,增加产量、提高质量,降低成本、纸机运转率提高,减轻操作工人的劳动强度,5/22/2026,46,第八章 控制系统的设计与实施,纸机定量水份系统实施后,提高水份1%3%,减少纤维用量2%以上,提高车速5%,减少断纸60%以上,增产5%15%,节约蒸汽10%,并大大减少定量的偏差，提高纸张的质量,8-4-1,纸机计算机控制系统的经济核算(2),5/22/2026,47,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2 基于,RTLinux,和,PC/104,的微型无人空间机器人(,MUAV),控制系统,微型,UAV,是20,世纪末至,21,世纪初，自动控制技术、嵌入式系统和机器人技术等学科高速发展的产物。,特指：体积小、重量轻、负载少的无人自主飞行器。,传统大型,UAV：,重达几吨，体长几十米,微型的,UAV：,一般只有几公斤，体长不过一米（甚至更轻，更小）,优点：与传统,UAV,相比，微型,UAV,具有灵活性好，成本低廉等优势；,难度：由于体积和负载的减少，给控制和导航等技术带来了极大的困难。,微型无人空间飞行器(,MUAV),简介,5/22/2026,48,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2 用途广泛的,微型无人空间机器人(,MUAV),系统,电影特技,安全巡查,搜救,执法,航空测绘,工程检查,5/22/2026,49,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,微型,UAV,的自动飞行控制,UAV,是一个非线性强交耦,(,cross-coupling),对象，对其自动飞行控制的研究极具挑战性。,研究内容涉及：,系统辨识与建模,解耦控制,智能控制,信号处理与滤波,先进检测技术,多传感器信息融合技术,.,5/22/2026,50,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,微型,UAV,飞行状态的描述,6,自由度：,x y z,6,个状态变量：,u v w p q r,4,个控制量：,_1s，_1c，T_,mr,，T_,tr,4,个控制量控制,6,个被控量，必然导致控制上的耦合,主旋翼主导直升机的横纵向运动，尾翼主导直升机的航向，两者都存在非线性的空气动力学特性,：严重的耦合与非线性是,UAV,自动飞行控制的两大难点,5/22/2026,51,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2 微型无人空间机器人(,MUAV),系统架构框图,5/22/2026,52,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,MUAV,数控系统输入输出描述表,输入/输出,名称,类型,传输速率(,bps),采样频率(,Hz),输入,3维电子罗盘,标准,RS232,串口,19200,8,输入,3维微机械陀螺、3维加速度计和声纳高度计,标准,RS232,串口,38400,33,输入,GPS,定位与测速信号,多串口扩展卡，标准,RS232,串口,9600,1,输出,5路舵机控制信号,标准,RS232,串口,38400,33,5/22/2026,53,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,MUAV,系统的操作系统选择,系统有多任务实时调度的要求,控制系统必须以一个硬实时操作系统作为其运行环境,RTLinux,特点,Linux,实时性扩展,具有高效而稳定的内核,出色的硬实时性能(例如：在普通配置的,x86 PC,机上的性能指标),MUAV,的数控系统所要完成的任务,处理与外部事件接口的输入输出，特别是反映飞行器动态的多传感器串口数据的实时获取,协调实时系统内部的软件运作，,RTLinux,操作系统已经在航天器、数控机床等领域得到了成功的应用,。,5/22/2026,54,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,RTLinux,环境下多传感器串口数据的接收与处理,目的：获取传感器数据（因为这是构成闭环控制反馈的关键一环）,手段：,RTLinux,为标准串口设计的实时内核驱动模块,rt,_com.o,RTLinux,提供的几个主要串口用户接口函数(,API),对串口驱动程序加以修改，使,RTLinux,的串口驱动对用户也支持中断触发方式,避免了引入不确定测量时滞,rt,_com.o,的实现原理图,5/22/2026,55,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2 数控系统的软件结构设计,实现一个数控系统包含如下三步：,从传感器读取信号并加以融合处理,计算控制信号,将控制信号输出给伺服执行器,在硬实时的条件限制下，以上三步需要被严格地限定在确定的控制周期内完成,MUAV,的控制回路,5/22/2026,56,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2 实现,MUAV,数控系统的困难,在,RTLinux,环境下，所有的实时任务程序都是以内核模块的方式载入到内核并在其中运行，而对于,Linux,内核模块的调试与除错至今仍缺乏一种高效的工具,由于程序运行在内核态，可以使用的用户域库函数也受到极大的限制，同时从编程开发的角度讲，一般也要求放在实时域完成的任务不能太复杂,MUAV,是一个开环不稳定的高带宽难控对象，对控制的实时性要求很高，希望控制回路能够在实时域中运行,5/22/2026,57,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2 解决上述困难的折衷设计方案,实时任务和非实时任务之间采用,RTLinux,提供的实时,FIFO,机制进行通信,处于实时域的各个线程可以采用基于优先级的,FIFO,调度策略，并使用互斥和信号等机制来实现线程之间的同步与互斥,因为,MUAV,底层的姿态控制回路的带宽最高，因此将姿态控制回路，即图3中的内回路安排在实时域,将指令接收、路径规划和航迹生成等上层规划控制安排在非实时域，即普通的,Linux,用户域,5/22/2026,58,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,RTLinux,下的数控系统软件结构框图,5/22/2026,59,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,RTLinux,下的数控系统方案,实时域任务在内核中完成实时数据,I/O、,状态估计和底层姿态估计等实时性要求严格的任务；而在非实时域完成定位导航计算、路径规划、航迹生成和网络通讯等实时性要求相对不高的任务,这样的结构设计将开放和可扩展的程序部分-即可能增加的程序复杂度留在了非实时域中进行，而内核实时域的程序部分则无需经常性地进行大的调整,其优点是既保证了数控系统的可扩展性，又有效遏制了实时部分的任务复杂度，降低了开发的难度,5/22/2026,60,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-2,联机试验,在宿主机上,Redhat7.3,环境下完成导航及状态估计程序开发后，将,RTLinux,及应用程序成功地移植到,PC104,板卡上，可以通过,DOM,上电自举运行,将,PC104,板卡与各个传感器安装到60级微型直升机的电控箱内，并在直升机发动机怠速的条件下作联机振动测试,试验结果显示数控系统工作稳定，通过无线链路以33,Hz,频率输出到地面基站的直升机状态数据平稳正常,已经实现,MUAV,的完全自主飞行（无人操纵的姿态闭环控制）,进一步的试验仍在进行之中,5/22/2026,61,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,以工业控制计算机为核心的锅炉控制系统,锅炉工艺流程图,锅炉工艺流程,5/22/2026,62,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉自动控制的任务（,1,）,控制汽包水位,一般采用水位为主信号，给水量为副回路反馈信号，蒸汽量为前馈信号的三冲量控制系统,汽包水位的三冲量控制,5/22/2026,63,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉自动控制的任务（,2,）,控制蒸汽温度,一般采用串级控制。用过热器出口温度作为主信号，减温器出口温度作为副信号，通过调节减温水流量达到控制蒸汽温度的目的,蒸汽温度的串级控制,5/22/2026,64,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉自动控制的任务（,3,）,控制蒸汽压力,采用前馈,反馈控制系统。引进蒸汽流量作为前馈信号，以提高系统的响应,蒸汽压力的前馈-反馈控制系统,5/22/2026,65,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉自动控制的任务（,4,）,维持经济燃烧,关键是保持合适的风煤比。送风控制回路实现风煤的比值控制，并且用烟气含氧量进行反馈校正,送风控制回路,5/22/2026,66,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉自动控制的任务（,5,）,控制炉膛负压,炉膛一般采用负压操作。通过调节引风挡板的开度来控制，并且引入送风量作为前馈信号。炉膛负压前馈,反馈控制回路如图所示,炉膛负压前馈反馈控制系统,5/22/2026,67,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉控制系统结构,锅炉控制系统结构框图,5/22/2026,68,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉控制系统硬件配置,采用了,ISA,总线的工业控制计算机（,Industrial Personal Computer，IPC,简称工控机）。特点如下：,机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力,机箱内有专用底板，底板上有,PCI,和,ISA（,或者,Compact PCI）,总线的插槽,机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力,具有连续长时间工作能力,小型化、模块化、组合化、标准化和开放式总线结构,5/22/2026,69,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉微机控制系统硬件框图,5/22/2026,70,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉控制系统软件（,1,）,采用实时中断分时控制的方式,系统主程序如右图示,5/22/2026,71,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-3,锅炉控制系统软件（,2,）,中断服务程序的功能是每到一定时刻完成对某参数的采样和控制,控制回路程序流程如右图所示,5/22/2026,72,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-4,基于,PLC,与,DCS,的大中型计算机控制系统,PLC,系统和,DCS,的设计选型和应用原则,按过程控制系统的控制规模及复杂程度,按投资规模和项目经济效率合理选择,考虑系统连续性、兼容性及通讯性能,考虑系统生产厂家技术服务性,PLC,与,DCS,继续,5/22/2026,73,第八章 控制系统的设计与实施,PLC,与,DCS,的对比,系统,传统,PLC,传统,DCS,成本,低,高,点数,少,多,处理速度,慢,快,对环境要求,低,高,编程软件,梯形图,专用,上位机软件,多，通用组态软件,专用,返回,5/22/2026,74,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-4,基于,PLC,的自来水厂控制系统(1),自来水处理工艺,主要任务和目的,通过必要的处理方法去除水中的杂质，以价格合理、水质优良安全的水供给人们使用，并提供符合质量要求的水用于工业,基本步骤,取水、预处理,前加氯、加药,沉淀,过滤,后加氯,清水泵站加压,城市管网,示例,5/22/2026,75,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-1,1.Intake Crib-Raw water from the lake is drawn into the Plant by gravity through intake pipes.,5/22/2026,76,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-2,2&3 Screens-Large items like fish,plants and logs are removed from the raw water by Protective Bar Screens and,Travelling,Water Screens just as the water enters the treatment plant.,5/22/2026,77,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-3,4 Low Lift Pump Well-pumps lift the water to begin the treatment process and use gravity until the water is treated and ready to be pumped into the distribution system.,5/22/2026,78,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-4,5 Pre-chlorination-Chlorine is added to disinfect the water at this stage.,5/22/2026,79,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-5,6 Coagulation-Chemicals,known as coagulants,are added to make the small particles in the water clump together.When they clump together they weigh more and settle to the bottom of the Sedimentation Basin.,5/22/2026,80,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-6,7 Flocculation-The coagulants and water are further mixed to form even larger clumps of particles know as,floc,.This,floc,then settles over time,carrying other particles it comes in contact with to the bottom of the Sedimentation Basin.,5/22/2026,81,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-7,8 Sedimentation Basin-The thicker,denser,floc,settles to the bottom of the sedimentation tank where it is removed.,5/22/2026,82,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-8,9 Sand Filtration-The water flows by gravity through the layers of anthracite,sand and gravel.This removes the remaining,floc,and other impurities.,5/22/2026,83,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-9,10 Clear Well-Water in the clear well is used to backwash the system when required.,5/22/2026,84,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-10,11 Post Chlorination-Chlorine is added to further disinfect the water.,5/22/2026,85,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-11,12 Fluoridation-The mineral fluoride is added to make teeth more resistant to tooth decay.Although there may be some fluoride present in the water,more is added to raise the level to the recommended range of 0.8 to 1.2 mg/L.,5/22/2026,86,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-12,13 High Lift Pump Well-Once treated,the water is pumped through a series of pipes to other pumping stations,reservoirs or points of supply for the local distribution systems in the area municipalities.,5/22/2026,87,第八章 控制系统的设计与实施,水厂流程示例-13,14a&14b Elevated Water Storage Towers and Ground Level Reservoirs-Water is distributed to the Regions 10 water towers and 11 water storage reservoirs to ensure a local stable water pressure and an adequate supply of water to the surrounding community during peak water use times and emergencies such as fires,water main breaks,power outages and pump failures.,5/22/2026,88,第八章 控制系统的设计与实施,主要控制目标,实现过程的基本闭环控制和全厂中央监控,对取水泵机的控制和调度,真空泵的压力控制等,对进厂水的流量、浊度、压力等进行检测,对流量进行累加,对各车间各主要设备进行开关控制,滤池的恒水位过滤和反冲洗,实现恒水压供水,8-4-4,基于,PLC,的自来水厂控制系统(2),5/22/2026,89,第八章 控制系统的设计与实施,格栅间控制,设备,格栅间：格栅除污机、液位差计,控制要求,可以设置液位差值、运行时间、启动间隔,若液位差大于设定值，则启动格栅的运行,格栅运行两分钟后停止，耙子停放在格栅顶部接触限位开关，让耙子脱离水流,若自上次运行以来时间间隔大于,30,分钟（这个数值可以设置），则启动格栅的运行,5/22/2026,90,第八章 控制系统的设计与实施,提升泵房控制,设备,提升泵、电动蝶阀、压力表、液位报警仪、浊度仪,控制要求,提升泵机开启过程,泵机关闭过程,提升泵运行的台数由液位来决定,5/22/2026,91,第八章 控制系统的设计与实施,加氯、加药控制系统,设备,加氯机、计量泵、碱液泵、引风机、搅拌器、电动球阀、漏氯报警仪、称重仪、超声波液位,控制方式,前加氯根据源水流量比例控制,后加氯根据滤后水流量和投加点后的清水的实时余氯复合环控制,加药控制：采用,SCD,自动加矾控制，调节计量泵的运行频率。,5/22/2026,92,第八章 控制系统的设计与实施,沉淀池行车排泥控制,依据：根据原水的浊度模型（依据积累资料来建立）、泥位和生产经验等，其时间间隔一般为,120,小时左右，排泥时间一般为几分钟,方式,连续往返运行；,运行到全程，返回原处，停行车；,运行到全程的,1/3,处，返回原处，停行车；,运行到全程的,1/3,处，返回原处，继续运行全行程，返回原处，停行车；,逻辑步骤,行车的正反运行控制；,潜水泵的开,/,关控制；,电磁阀的开,/,关控制；,5/22/2026,93,第八章 控制系统的设计与实施,滤池反冲洗站,设备,冲洗泵、压力表、鼓风机、空压机、压力开关、鼓风机气动旁通阀、鼓风机气动旁通阀电磁阀,方式,定时冲洗法：根据工艺要求设定每个滤池的冲洗时间,压差冲洗法：根据工艺要求设定每个滤池的最大堵塞压差，当滤格的特定开度时的压力差达到设定值时对其排序依次进行反冲洗；,人工强制法：由操作人员判断，认为某滤格需要清洗时,控制,统一协调滤池自动反冲洗控制功能,5/22/2026,94,第八章 控制系统的设计与实施,PC,PLC2,PC,PC,PLC4,PC,PLC5,RADIO,RADIO,PC,PLC1,PLC3,光纤环网,水厂原控制系统,THYSSEN PLC,取水泵站,加药加氯,滤池控制站,二级泵房,中央控制室,无线电通讯,8-4-4,基于,PLC,的自来水厂控制系统(3),5/22/2026,95,第八章 控制系统的设计与实施,新系统结构,PLC:,莫迪康,Quantum 984,新PLC2,PC,PLC2,新PLC3,PC,新PLC4,PC,PLC4,新PLC6,PC,PC,PLC5,RADIO,RADIO,PC,新PLC1,PLC1,热冗余,MB+,网,打印机,模拟屏,取水泵站,加药加氯,滤池控制站,滤池控制站,二级泵房,中央控制室,8-4-4,基于,PLC,的自来水厂控制系统(4),5/22/2026,96,第八章 控制系统的设计与实施,控制系统软件,数据平台,流程监视,事件报警,数据报表,趋势曲线,上层应用,统一数据平台,(,Excel),一期,DDE,协议,二期,ModBus,协议,二期无线通讯协议,异构数据源,二期,ModBus,协议,8-4-4,基于,PLC,的自来水厂控制系统(5),5/22/2026,97,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-4,炼油装置的,DCS,控制系统（,1,）,工艺简介,常减压蒸馏装置,250,万吨,/,年,重油催化裂化装置,140,万吨,/,年,催化重整装置,20,万吨,/,年,催化柴油、焦化柴油加氢装置,50,万吨,/,年,气体脱硫装置,30,万吨,/,年,催化氧化脱硫醇,90,万吨,/,年,气体分馏装置,20,万吨,/,年,甲基叔丁基醚装置,25,万吨,/,年,5/22/2026,98,第八章 控制系统的设计与实施,8-4-4,炼油装置的,DCS,控制系统（,2,）,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,US,管理站,工程师站,第一操作站,第二操作站,第三操作站,第四操作站,AM,HM,CM,NIM,冗余型,驱动器,上位机,VAX-3400,HM,PM21,PM22,PM11,PM12,NIM,PM41,PM42,PM