2-材料成形过程自动化-第二章计算机控制系统.ppt

材料成形过程自动化,东北大学材料与冶金学院,第2章 材料成形过程计算机控制系统,1、介绍计算机控制系统的基本概念2、通过控制系统的组成分析各个部分的作用和特性；3、通过控制系统的基本要求分析控制系统的评价指标控制系统分析设计的基本原则4、通过控制系统的分级和基本原理了解现代大型计算机控制系统的基本功能和特点。,第2章 材料成形过程计算机控制系统,2.1 控制系统的组成2.2 控制系统的基本要求2.3 控制系统的分级和基本原理2.4 系统功能简介,2.1 控制系统的组成,涵盖内容：,被控对象（传递函数 常微分方程 高阶）被控量检测环节执行变量、干扰量给定值比较环节控制器、调节器,自动控制系统基本包括以下几个部分：被控对象、被控量、干扰量、检测环节、给定量、比较环节、控制器。给定环节、检测环节、比较环节、调节器和执行结构组合在一起，构成控制系统，目的是对被动量进行控制。,2.1 控制系统的组成,系统微分方程描述,将二阶系统,系统传递函数,2.2 控制系统的基本要求,1、稳定性2、快速响应性3、稳态静差,2.2 控制系统的基本要求,经典控制理论 在复域（特别是频域）内利用传递函数（或频率特性）来研究与解决单输入单输出，线性、定常系统的稳定性、响应快速性与响应准确性问题；常微分方程描述的对象特性；闭环反馈动态,2.2 控制系统的基本要求,现代控制理论 主要是在时域内利用状态空间分析和综合的方法来研究与解决多输入多输出系统的最优化控制问题；高阶常微分方程转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即状态空间法。可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。,2.2 控制系统的基本要求,智能控制理论 研究和模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统；为了解决精确性与复杂性的矛盾，出现了模糊数学和模糊理论；人具有运用模糊概念的能力，人脑的重要特点就是能对模糊事物进行识别和判决。,2.2 控制系统的基本要求,控制分类：反馈控制最优控制随机控制，或称为试探控制，对于一个可能性空间很大的控制对象，只要选择速度快，可采用随机控制自适应控制，能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化自组织（自学习）控制，根据环境变化和运行经验来改变自身结构和行为参数进行控制智能控制,2.3 控制系统的分级和基本原理,4 企业资源计划（ERP）.公司级3 制造执行系统（MES）.车间（厂）级2 过程控制级（PCS）.生产线1 基础自动化级（BA）.设备0 检测驱动级,2.3 控制系统的分级和基本原理,4 ERP企业资源计划(Enterprise Resources Planning)四级系统(L4级)，企业资源计划系统(ERP)是整合企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬件和软件于一体的企业资源管理系统;主要实现销售与分销售、物料管理、生产计划管理、财务管理、成本控制、质量管理、设备管理、人力资源管理，以及企业生产经营各项数据、指标的统计分析。,2.3 控制系统的分级和基本原理,3 MES制造执行系统(Manufacturing Execution System),位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统。MES为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等方面）的当前状态信息。MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理。当工厂里面有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。,2.3 控制系统的分级和基本原理,三级系统(L3级)，制造执行系统(MES)属于生产车间级的管理信息系统，是生产与计划之间的信息“集线器”，是四级企业资源计划系统和二级过程自动化控制系统之间的“中间处理器”。主要实现原料管理、生产订单处理、工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和生产实绩数据采集。一般由区域管理计算机系统完成在线作业计划和生产调度管理、质量跟踪控制等功能。,3 MES制造执行系统(Manufacturing Execution System),2.3 控制系统的分级和基本原理,2 PCS过程控制级（Process Control System）,主要功能：实现控制过程设定与优化核心：基于模型的设定计算功能：初始数据输入(PDI)、跟踪、模型优化和自适应等,2.3 控制系统的分级和基本原理,2 PCS过程控制级（Process Control System）,过程自动化控制系统，一般称为二级自动化控制系统(L2级)。它是提高产品质量、保证生产过程优化控制的重要环节，主要实现控制功能设定计算、过程监视、区域跟踪等，并将最终设定的计算结果传递给基础自动化具体执行。另外，过程控制系统还具备数据通讯、实测数据处理、数据管理、跟踪管理等为设定计算服务的功能以及人机界面输出、工艺数据报表、记录等为生产过程服务的功能。设定计算功能是过程控制系统的核心，以轧制过程的数学模型为基础，通过轧制负荷分配计算、板形控制参数计算和平面形状控制参数计算来保证轧机实现高精度厚度控制、板形控制以及平面形状控制，并通过模型自学习来提高数学模型的精度。,2.3 控制系统的分级和基本原理,2.3 控制系统的分级和基本原理,2.3 控制系统的分级和基本原理,2.3 控制系统的分级和基本原理,2.3 控制系统的分级和基本原理,1 BA基础自动化级(Basic Automation)设备控制级,逻辑控制、顺序控制、状态监视和操作控制；位置自动控制系统；张力控制系统；厚度、宽度、板形、温度等自动控制；PLC和DCS系统，逻辑顺序和闭环控制系统；,2.3 控制系统的分级和基本原理,1 BA基础自动化级(Basic Automation),基础自动化系统，一般称为一级自动化系统(L1级)。承担生产工艺参数的计量检测和设备控制功能。它从过程控制系统接受过程控制指令，从零级检测系统采集并处理过程信号，并向零级设备驱动系统发出控制信号，实现单体设备以及多个设备的安全、有序、高精度的控制运转，以保证生产过程的顺利进行。基础自动化系统一般由可编程控制器PLC组成，实现顺序控制、逻辑控制、设备控制和质量控制。其中，顺序控制和逻辑控制是指辊道的运转控制、功能连锁、功能执行、停止控制等；设备控制是指基础自动化接收来自过程控制系统的各项设定值或人机界面输入的设定值(辊缝、速度、弯辊力等)，控制执行机构；质量控制是指具体执行厚度控制、板形控制、平面形状控制等。另外，基础自动化还要实现生产数据的采集和处理、故障的诊断和报警、数据通讯等辅助功能。,2.3 控制系统的分级和基本原理,2.3 控制系统的分级和基本原理,0 检测驱动级：现场各种信号的检测和各种信号的执行,信号分为以下三类（接在PLC的输入输出模板上）模拟量：AI/AO，电压/电流数字量（开关量）：DI/DO，电压脉冲量：脉冲输入和输出，增量/绝对值编码器,2.3 控制系统的分级和基本原理,0 检测驱动级,设备驱动和过程检测系统，一般称为自动控制系统的零级(L0级)。包括各种类型的电气传动设备控制系统、液压传动设备控制系统以及各种类型的过程检测仪表和传感器，它居于整个自动化控制系统的最底层，分布于生产过程的各个部位，与构成生产过程的各类装置和设备紧紧联系在一起。在中厚板轧机自动化控制系统中，设备驱动和过程检测系统包括：主传动系统、辊道传动系统、电动压下传动系统、液压/润滑泵站系统，以及各类重要的传感器和检测仪表，包括轧机本体上的压头、压下螺丝位移传感器、液压缸位移传感器、油压传感器等，以及布置在生产线上的测厚仪、测宽仪、红外测温仪、热金属检测器等。,2.3 控制系统的分级和基本原理,2.4 系统功能简介,过程自动化硬件：（1）服务器：惠普PC Server DL580；（2）操作系统：Windows Server 2013；（3）模型开发：Visual Studio 2012，C+封装。,基础自动化硬件：（1）机架控制器：选用 SIMATIC TDC，完成高精度APC和AGC控制；（2）主令控制器：SIMATIC S7-400 PLC；（3）HMI组态软件：WinCC；（4）通讯网络：以太网、现场总线Profibus DP。,2.4 系统功能简介-PLC系统,1、S7系列PLC系统组成,轧机控制系统常用S7-300，S7-400模板众多，DI、DO、AI、AO、INC、AENC支持现场总线Profibus DP、以太网易于远程IO扩展使用STEP7组态工具进行组态与编程：支持LAD(梯形图)、STL、SCL,2.4系统功能简介-PLC系统,2、硬件组态,使用 STEP 7 组态工具 HW Config 进行组态,分配各模板插槽位置，要求与实际订货号对应CPU中定时中断(OB)时间设定DP模板组态以太网模板组态硬件组态编译、存储,2.4系统功能简介-PLC系统,3、Profibus DP通讯,一个主站与多个从站通讯，站与站之间通讯,CPU模板一般自带DP通讯端口专用DP通讯模板，CP343-5，CP443-5与其它PLC或设备通讯，速度ms级，实时与远程IO连接，对CPU进行扩展，实现分布式IO常见：现场远程IO柜，操作台，主电机控制器，辊道变频器组态时分配地址，程序中可直接使用可配置为MPI形式，程序监控与下载,2.4系统功能简介-PLC系统,4、以太网通讯,支持Siemens的S7协议及标准的TCP/IP协议,组态时配置IP地址支持与其它硬件之间使用标准的TCP/IP协议发送与接收数据一个PLC可建立多个网络连接可选择CPU带以太网端口的模板专用以太网模板，CP343-1，CP443-1支持程序监控与下载,2.4系统功能简介-PLC系统,5、变量的定义与使用,组态时分配的地址,I，Q，如I0.0，I10.5，Q3.7，Q5.6IW，QW，如IW100，IW102，QW200，QW202,内存变量,M，布尔型，如M0.0，M10.1MW，整形，如mw100,mw102MD，浮点型或整形，如MD1000内存变量使用前最好在符号表中进行定义，包括名称、类型及对应的地址,DB中定义变量,dbx，布尔型，如db100.dbx0.0，db100.dbx20.5dbw，整形，如db100.dbw200，db100.dbw102dbd,浮点型，如db200.dbd12，db200.dbd36,2.4系统功能简介-PLC系统,6、函数FC与FB,系统自带一些功能块SFC、SFB、FC、FB,自定义功能块FC、FB每个FB在调用时对应一个DB，此DB中数据在FB中直接访问（不需要DB名称）FC、FB中常见使用LAD（梯形图）、STL、SCL（高级语言）编写FC、FB本身不执行，完成后必须被OB直接或间接调用FC、FB支持输入/输出参数定义,2.4系统功能简介-PLC系统,7、中断调用模式,中断时间在组态时设定,OB1特殊，大部分程序均放在OB1中调用，OB1按顺序从前至后依次执行其它的OB由系统按中断时间或触发调用，如OB35，OB36，OB37等OB1优先级最低，需要等待其它OB执行完成再继续执行如果FC或FB运行占用时间超出了OB定义时间，PLC将崩溃,2.4 系统功能简介-PLC系统,8、示例,在允许条件下，钢板温度超过500度打开喷水阀门，也可以手动开启。,DI数字量输入模板：允许检测I0.0，手动开启检测：I0.1DO数字量输出模板：阀门打开输出：Q0.0AI模拟量输入模板：钢板温度测量：IW20温度测量值4-20mA，检测得到0-27648，对应0-1000度，500度对应读数13824,2.4 系统功能简介-支撑平台,过程控制系统支撑平台规范整个过程计算机数学模型的数据流、模型间通讯机制以及模型开发的结构设计。功能涵盖以下方面：,进程与线程消息机制共享内存，数据传递进程间通讯机制数据管理日志,2.4 系统功能简介-支撑平台,Siemens中厚板过程计算机模型结构,接口进程,控制进程,非控制进程,SUBSYS软件包C语言库:ACE+TAO使用CORBA接口模型C语言开发,2.4 系统功能简介-支撑平台,RAL平台，基于通讯与模型相分离的两层进程结构,2.4 系统功能简介-支撑平台,简化的过程控制结构,2.4 系统功能简介-基础自动化,入炉轧件跟踪轧件运送炉前定位,粗轧钢坯展宽控制平面形状控制主机控制辊道控制推床对中控制,精轧钢坯温度控制APC控制AGC控制板形控制主机/辊道/推床控制,中厚板轧机基础自动化核心功能：（1）电液快速摆辊缝技术：节省道次辊缝切换时间；（2）轧机自动调零与刚度测试：轧机弹跳模型参数整定；（3）轧件微跟踪：维护轧线轧件队列，跟踪每块轧件的具体位置；（4）轧件水平自动运送控制：按工艺要求实现轧件的调度与运送；（5）轧件柔性待温控制：尽可能利用待温区长度，待温更多轧件；（6）自动轧钢控制：自动规程、自动轧制，减少干预；（7）模拟轧钢技术：测试系统逻辑、检测设备状态。,2.4 系统功能简介-微跟踪,轧件微跟踪技术是钢板自动运送、自动轧制的前提条件。,跟踪信息：轧件头部位置；轧件长度、宽度和厚度信息；轧件在队列中所处状态。,微跟踪方法：对热区建立轧件跟踪管理队列；利用辊道速度计算轧件的位置；利用轧线仪表修正轧件位置；跟踪轧制规程的变化跟踪轧件尺寸变化；根据队列中轧件位置关系进行校验修正。,2.4 系统功能简介-推床,系统特点：常见结构：操作侧与传动侧独立，各采用一比例阀控制，通过电气方式同步；对中控制：检测两侧位置偏差，通过PI控制器对比例阀施调整，保证推床在夹紧、打开过程中对称轧制线，减少侧弯的发生。,2.4 系统功能简介-主电机,主电机功能：（1）基于Profibus DP现场总线与PLC通讯，设定速度；（2）钢板头部咬入时通过设定上、下辊速度差实现雪橇轧制；（3）按照不同厚度规格制定速度制度，包括咬钢、稳定轧制和抛钢速度；（4）轧制过程中，根据钢板长度，轧机前后辊道速度随动主机。,速度制度：低速咬钢高速轧制低速抛钢,2.4 系统功能简介-温度预测,温度在线预测：（1）基于PLC计算轧线队列中每块钢板温度变化；（2）通过关键测温点时对温度计算误差进行修正；（3）实时查看轧件温度分布；（4）预测值变化平滑稳定，弥补了现场温度测量误差对模型设定精度的影响。,计算方法：采用一维显式有限差分公式队列中轧件每100ms计算一次热物性参数基于碳含量和温度通过插值求解,2.4 系统功能简介-均匀冷却控制,辊道微加速控制，长度方向均匀性控制,利用辊道速度的连续变化，采用辊道微加速控制消除钢板长度方向的整体温度梯度，防止出现控制结果的波动,2.4 系统功能简介-均匀冷却控制,边部遮蔽控制，宽度方向均匀性控制,遮挡宽度方向钢板两侧的冷却水，减少边部热量损失，使钢板宽度方向温度分布更加均匀。,2.4 系统功能简介-模型计算,轧制规程计算由跟踪模型进行触发调用，具体如下：轧制规程预计算。轧件第一道次开轧前的所有计算都称为预计算。预计算需要计算出完整的轧制规程，确定各阶段目标尺；确定各阶段的道次压下量和参数设定值；道次修正计算。在钢坯完成一道次或一阶段的轧制后，由数据采集和处理系统得到实测的道次数据，根据这些数据进行模型参数的短期自学习，并对后续道次的压下量进行重新分配，消除实测的道次数据和设定数据的偏差；阶段修正计算。在每个轧制阶段阶段前，根据实测宽度和实测温度，重新进行规程设定计算。自学习计算。自学习计算就是在轧制结束后，根据实际轧制数据得到模型的自学习系数。包含：轧制力自学习、主电机力矩自学习、厚度自学习、温度自学习、宽度自学习等。,