1、材料成形過程自動化,東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,第2章 材料成形過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),1、介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念 2、通過控制系統(tǒng)的組成分析各個部分的作用和特性； 3、通過控制系統(tǒng)的基本要求分析控制系統(tǒng)的評價指標(biāo) 控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的基本原則 4、通過控制系統(tǒng)的分級和基本原理了解現(xiàn)代大型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本功能和特點(diǎn)。,第2章 材料成形過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),2.1 控制系統(tǒng)的組成 2.2 控制系統(tǒng)的基本要求 2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理 2.4 系統(tǒng)功能簡介,2.1 控制系統(tǒng)的組成,涵蓋內(nèi)容：,被控對象（傳遞函數(shù) 常微分方程 高階） 被控量 檢測環(huán)節(jié) 執(zhí)行變量、干擾量 給定值 比較環(huán)節(jié) 控制

2、器、調(diào)節(jié)器,自動控制系統(tǒng)基本包括以下幾個部分：被控對象、被控量、干擾量、檢測環(huán)節(jié)、給定量、比較環(huán)節(jié)、控制器。給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行結(jié)構(gòu)組合在一起，構(gòu)成控制系統(tǒng)，目的是對被動量進(jìn)行控制。,2.1 控制系統(tǒng)的組成,系統(tǒng)微分方程描述,將二階系統(tǒng),系統(tǒng)傳遞函數(shù),2.2 控制系統(tǒng)的基本要求,1、穩(wěn)定性 2、快速響應(yīng)性 3、穩(wěn)態(tài)靜差,2.2 控制系統(tǒng)的基本要求,經(jīng)典控制理論 在復(fù)域（特別是頻域）內(nèi)利用傳遞函數(shù)（或頻率特性）來研究與解決單輸入單輸出，線性、定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)快速性與響應(yīng)準(zhǔn)確性問題； 常微分方程描述的對象特性； 閉環(huán)反饋 動態(tài),2.2 控制系統(tǒng)的基本要求,現(xiàn)代控制理論

3、主要是在時域內(nèi)利用狀態(tài)空間分析和綜合的方法來研究與解決多輸入多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)化控制問題；高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，即狀態(tài)空間法?？梢越鉀Q多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。,2.2 控制系統(tǒng)的基本要求,智能控制理論 研究和模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)；為了解決精確性與復(fù)雜性的矛盾，出現(xiàn)了模糊數(shù)學(xué)和模糊理論；人具有運(yùn)用模糊概念的能力，人腦的重要特點(diǎn)就是能對模糊事物進(jìn)行識別和判決。,2.2 控制系統(tǒng)的基本要求,控制分類： 反饋控制 最優(yōu)控制 隨機(jī)控制，或稱為試探控制，

4、對于一個可能性空間很大的控制對象，只要選擇速度快，可采用隨機(jī)控制 自適應(yīng)控制，能修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性的變化 自組織（自學(xué)習(xí)）控制，根據(jù)環(huán)境變化和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來改變自身結(jié)構(gòu)和行為參數(shù)進(jìn)行控制智能控制,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,4 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP） .公司級 3 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES） .車間（廠）級 2 過程控制級（PCS） .生產(chǎn)線 1 基礎(chǔ)自動化級（BA） .設(shè)備 0 檢測驅(qū)動級,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,4 ERP企業(yè)資源計(jì)劃 (Enterprise Resources Planning) 四級系統(tǒng)(L4級)，企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)是整合企業(yè)管理理

5、念、業(yè)務(wù)流程、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、人力物力、計(jì)算機(jī)硬件和軟件于一體的企業(yè)資源管理系統(tǒng); 主要實(shí)現(xiàn)銷售與分銷售、物料管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、財(cái)務(wù)管理、成本控制、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、人力資源管理，以及企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各項(xiàng)數(shù)據(jù)、指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析。,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,3 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System),位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)。 MES為操作人員、管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面）的當(dāng)前狀態(tài)信息。 MES能通過信息傳遞，對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成整個的生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工

6、廠里面有實(shí)時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,三級系統(tǒng)(L3級)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)屬于生產(chǎn)車間級的管理信息系統(tǒng)，是生產(chǎn)與計(jì)劃之間的信息“集線器”，是四級企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)和二級過程自動化控制系統(tǒng)之間的“中間處理器”。 主要實(shí)現(xiàn)原料管理、生產(chǎn)訂單處理、工序詳細(xì)調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護(hù)管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和生產(chǎn)實(shí)績數(shù)據(jù)采集。一般由區(qū)域管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成在線作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度管理、質(zhì)量跟蹤控制等功能。,3 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)(Ma

7、nufacturing Execution System),2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2 PCS過程控制級（Process Control System）,主要功能：實(shí)現(xiàn)控制過程設(shè)定與優(yōu)化 核心：基于模型的設(shè)定計(jì)算 功能：初始數(shù)據(jù)輸入(PDI)、跟蹤、模型優(yōu)化和自適應(yīng)等,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2 PCS過程控制級（Process Control System）,過程自動化控制系統(tǒng)，一般稱為二級自動化控制系統(tǒng)(L2級)。它是提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)過程優(yōu)化控制的重要環(huán)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)控制功能設(shè)定計(jì)算、過程監(jiān)視、區(qū)域跟蹤等，并將最終設(shè)定的計(jì)算結(jié)果傳遞給基礎(chǔ)自動化具體執(zhí)行。另外，過程控

8、制系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)通訊、實(shí)測數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、跟蹤管理等為設(shè)定計(jì)算服務(wù)的功能以及人機(jī)界面輸出、工藝數(shù)據(jù)報(bào)表、記錄等為生產(chǎn)過程服務(wù)的功能。 設(shè)定計(jì)算功能是過程控制系統(tǒng)的核心，以軋制過程的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過軋制負(fù)荷分配計(jì)算、板形控制參數(shù)計(jì)算和平面形狀控制參數(shù)計(jì)算來保證軋機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度厚度控制、板形控制以及平面形狀控制，并通過模型自學(xué)習(xí)來提高數(shù)學(xué)模型的精度。,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,1 BA基礎(chǔ)自動化級(Basic Automation) 設(shè)備控制級,邏輯

9、控制、順序控制、狀態(tài)監(jiān)視和操作控制； 位置自動控制系統(tǒng)； 張力控制系統(tǒng)； 厚度、寬度、板形、溫度等自動控制； PLC和DCS系統(tǒng)，邏輯順序和閉環(huán)控制系統(tǒng)；,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,1 BA基礎(chǔ)自動化級(Basic Automation),基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，一般稱為一級自動化系統(tǒng)(L1級)。承擔(dān)生產(chǎn)工藝參數(shù)的計(jì)量檢測和設(shè)備控制功能。它從過程控制系統(tǒng)接受過程控制指令，從零級檢測系統(tǒng)采集并處理過程信號，并向零級設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)單體設(shè)備以及多個設(shè)備的安全、有序、高精度的控制運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。 基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)一般由可編程控制器PLC組成，實(shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制、設(shè)備控

10、制和質(zhì)量控制。其中，順序控制和邏輯控制是指輥道的運(yùn)轉(zhuǎn)控制、功能連鎖、功能執(zhí)行、停止控制等；設(shè)備控制是指基礎(chǔ)自動化接收來自過程控制系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)定值或人機(jī)界面輸入的設(shè)定值(輥縫、速度、彎輥力等)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；質(zhì)量控制是指具體執(zhí)行厚度控制、板形控制、平面形狀控制等。另外，基礎(chǔ)自動化還要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理、故障的診斷和報(bào)警、數(shù)據(jù)通訊等輔助功能。,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,0 檢測驅(qū)動級：現(xiàn)場各種信號的檢測和各種信號的執(zhí)行,信號分為以下三類（接在PLC的輸入輸出模板上） 模擬量：AI/AO，電壓/電流 數(shù)字量（開關(guān)量）：DI/DO，電壓 脈沖量：脈沖輸入

11、和輸出，增量/絕對值編碼器,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,0 檢測驅(qū)動級,設(shè)備驅(qū)動和過程檢測系統(tǒng)，一般稱為自動控制系統(tǒng)的零級(L0級)。包括各種類型的電氣傳動設(shè)備控制系統(tǒng)、液壓傳動設(shè)備控制系統(tǒng)以及各種類型的過程檢測儀表和傳感器，它居于整個自動化控制系統(tǒng)的最底層，分布于生產(chǎn)過程的各個部位，與構(gòu)成生產(chǎn)過程的各類裝置和設(shè)備緊緊聯(lián)系在一起。 在中厚板軋機(jī)自動化控制系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動和過程檢測系統(tǒng)包括：主傳動系統(tǒng)、輥道傳動系統(tǒng)、電動壓下傳動系統(tǒng)、液壓/潤滑泵站系統(tǒng)，以及各類重要的傳感器和檢測儀表，包括軋機(jī)本體上的壓頭、壓下螺絲位移傳感器、液壓缸位移傳感器、油壓傳感器等，以及布置在生產(chǎn)線上的測厚儀、測寬

12、儀、紅外測溫儀、熱金屬檢測器等。,2.3 控制系統(tǒng)的分級和基本原理,2.4 系統(tǒng)功能簡介,過程自動化硬件： （1）服務(wù)器：惠普PC Server DL580； （2）操作系統(tǒng)：Windows Server 2013； （3）模型開發(fā)：Visual Studio 2012，C+封裝。,基礎(chǔ)自動化硬件： （1）機(jī)架控制器：選用 SIMATIC TDC，完成高精度APC和AGC控制； （2）主令控制器：SIMATIC S7-400 PLC； （3）HMI組態(tài)軟件：WinCC； （4）通訊網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線Profibus DP。,2.4 系統(tǒng)功能簡介-PLC系統(tǒng),1、S7系列PLC系統(tǒng)組成,軋機(jī)

13、控制系統(tǒng)常用S7-300，S7-400 模板眾多，DI、DO、AI、AO、INC、AENC 支持現(xiàn)場總線Profibus DP、以太網(wǎng) 易于遠(yuǎn)程IO擴(kuò)展 使用STEP7組態(tài)工具進(jìn)行組態(tài)與編程：支持LAD(梯形圖)、STL、SCL,2.4系統(tǒng)功能簡介-PLC系統(tǒng),2、硬件組態(tài),使用 STEP 7 組態(tài)工具 HW Config 進(jìn)行組態(tài),分配各模板插槽位置，要求與實(shí)際訂貨號對應(yīng) CPU中定時中斷(OB)時間設(shè)定 DP模板組態(tài) 以太網(wǎng)模板組態(tài) 硬件組態(tài)編譯、存儲,2.4系統(tǒng)功能簡介-PLC系統(tǒng),3、Profibus DP通訊,一個主站與多個從站通訊，站與站之間通訊,CPU模板一般自帶DP通訊端口 專

14、用DP通訊模板，CP343-5，CP443-5 與其它PLC或設(shè)備通訊，速度ms級，實(shí)時 與遠(yuǎn)程IO連接，對CPU進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)分布式IO 常見：現(xiàn)場遠(yuǎn)程IO柜，操作臺，主電機(jī)控制器，輥道變頻器 組態(tài)時分配地址，程序中可直接使用 可配置為MPI形式，程序監(jiān)控與下載,2.4系統(tǒng)功能簡介-PLC系統(tǒng),4、以太網(wǎng)通訊,支持Siemens的S7協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議,組態(tài)時配置IP地址 支持與其它硬件之間使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議發(fā)送與接收數(shù)據(jù) 一個PLC可建立多個網(wǎng)絡(luò)連接 可選擇CPU帶以太網(wǎng)端口的模板 專用以太網(wǎng)模板，CP343-1，CP443-1 支持程序監(jiān)控與下載,2.4系統(tǒng)功能簡介-P

15、LC系統(tǒng),5、變量的定義與使用,組態(tài)時分配的地址,I，Q，如I0.0，I10.5，Q3.7，Q5.6 IW，QW，如IW100，IW102，QW200，QW202,內(nèi)存變量,M，布爾型，如M0.0，M10.1 MW，整形，如mw100,mw102 MD，浮點(diǎn)型或整形，如MD1000 內(nèi)存變量使用前最好在符號表中進(jìn)行定義，包括名稱、類型及對應(yīng)的地址,DB中定義變量,dbx，布爾型，如db100.dbx0.0，db100.dbx20.5 dbw，整形，如db100.dbw200，db100.dbw102 dbd,浮點(diǎn)型，如db200.dbd12，db200.dbd36,2.4系統(tǒng)功能簡介-PLC系

16、統(tǒng),6、函數(shù)FC與FB,系統(tǒng)自帶一些功能塊SFC、SFB、FC、FB,自定義功能塊FC、FB 每個FB在調(diào)用時對應(yīng)一個DB，此DB中數(shù)據(jù)在FB中直接訪問（不需要DB名稱） FC、FB中常見使用LAD（梯形圖）、STL、SCL（高級語言）編寫 FC、FB本身不執(zhí)行，完成后必須被OB直接或間接調(diào)用 FC、FB支持輸入/輸出參數(shù)定義,2.4系統(tǒng)功能簡介-PLC系統(tǒng),7、中斷調(diào)用模式,中斷時間在組態(tài)時設(shè)定,OB1特殊，大部分程序均放在OB1中調(diào)用，OB1按順序從前至后依次執(zhí)行 其它的OB由系統(tǒng)按中斷時間或觸發(fā)調(diào)用，如OB35，OB36，OB37等 OB1優(yōu)先級最低，需要等待其它OB執(zhí)行完成再繼續(xù)執(zhí)行

17、如果FC或FB運(yùn)行占用時間超出了OB定義時間，PLC將崩潰,2.4 系統(tǒng)功能簡介-PLC系統(tǒng),8、示例,在允許條件下，鋼板溫度超過500度打開噴水閥門，也可以手動開啟。,DI數(shù)字量輸入模板：允許檢測I0.0，手動開啟檢測：I0.1 DO數(shù)字量輸出模板：閥門打開輸出：Q0.0 AI模擬量輸入模板：鋼板溫度測量：IW20 溫度測量值4-20mA，檢測得到0-27648，對應(yīng)0-1000度，500度對應(yīng)讀數(shù)13824,2.4 系統(tǒng)功能簡介-支撐平臺,過程控制系統(tǒng)支撐平臺規(guī)范整個過程計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)流、模型間通訊機(jī)制以及模型開發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 功能涵蓋以下方面：,進(jìn)程與線程 消息機(jī)制 共享內(nèi)存，數(shù)據(jù)

18、傳遞 進(jìn)程間通訊機(jī)制 數(shù)據(jù)管理 日志,2.4 系統(tǒng)功能簡介-支撐平臺,Siemens中厚板過程計(jì)算機(jī)模型結(jié)構(gòu),接口進(jìn)程,控制進(jìn)程,非控制進(jìn)程,SUBSYS軟件包 C語言庫:ACE+TAO 使用CORBA接口 模型C語言開發(fā),2.4 系統(tǒng)功能簡介-支撐平臺,RAL平臺，基于通訊與模型相分離的兩層進(jìn)程結(jié)構(gòu),2.4 系統(tǒng)功能簡介-支撐平臺,簡化的過程控制結(jié)構(gòu),2.4 系統(tǒng)功能簡介-基礎(chǔ)自動化,入爐 軋件跟蹤 軋件運(yùn)送 爐前定位,粗軋 鋼坯展寬控制 平面形狀控制 主機(jī)控制 輥道控制 推床對中控制,精軋 鋼坯溫度控制 APC控制 AGC控制 板形控制 主機(jī)/輥道/推床控制,中厚板軋機(jī)基礎(chǔ)自動化核心功能：

19、 （1）電液快速擺輥縫技術(shù)：節(jié)省道次輥縫切換時間； （2）軋機(jī)自動調(diào)零與剛度測試：軋機(jī)彈跳模型參數(shù)整定； （3）軋件微跟蹤：維護(hù)軋線軋件隊(duì)列，跟蹤每塊軋件的具體位置； （4）軋件水平自動運(yùn)送控制：按工藝要求實(shí)現(xiàn)軋件的調(diào)度與運(yùn)送； （5）軋件柔性待溫控制：盡可能利用待溫區(qū)長度，待溫更多軋件； （6）自動軋鋼控制：自動規(guī)程、自動軋制，減少干預(yù)； （7）模擬軋鋼技術(shù)：測試系統(tǒng)邏輯、檢測設(shè)備狀態(tài)。,2.4 系統(tǒng)功能簡介-微跟蹤,軋件微跟蹤技術(shù)是鋼板自動運(yùn)送、自動軋制的前提條件。,跟蹤信息： 軋件頭部位置； 軋件長度、寬度和厚度信息； 軋件在隊(duì)列中所處狀態(tài)。,微跟蹤方法： 對熱區(qū)建立軋件跟蹤管理隊(duì)列；

20、利用輥道速度計(jì)算軋件的位置； 利用軋線儀表修正軋件位置； 跟蹤軋制規(guī)程的變化跟蹤軋件尺寸變化； 根據(jù)隊(duì)列中軋件位置關(guān)系進(jìn)行校驗(yàn)修正。,2.4 系統(tǒng)功能簡介-推床,系統(tǒng)特點(diǎn)： 常見結(jié)構(gòu)：操作側(cè)與傳動側(cè)獨(dú)立，各采用一比例閥控制，通過電氣方式同步； 對中控制：檢測兩側(cè)位置偏差，通過PI控制器對比例閥施調(diào)整，保證推床在夾緊、打開過程中對稱軋制線，減少側(cè)彎的發(fā)生。,2.4 系統(tǒng)功能簡介-主電機(jī),主電機(jī)功能： （1）基于Profibus DP現(xiàn)場總線與PLC通訊，設(shè)定速度； （2）鋼板頭部咬入時通過設(shè)定上、下輥速度差實(shí)現(xiàn)雪橇軋制； （3）按照不同厚度規(guī)格制定速度制度，包括咬鋼、穩(wěn)定軋制和拋鋼速度； （4）軋制過程中，根據(jù)鋼板長度，軋機(jī)前后輥道速度隨動主機(jī)。,速度制度： 低速咬鋼 高速軋制 低速拋鋼,