石油工程測控基礎-隋秀香測控基礎(7)-計算機控制系統

第七章計算機控制系統第一節計算機控制系統概述計算機的問世，在科學技術上引起了一場深刻的革命。并隨著電子技術的飛速發展，不斷完善和發展。由于計算機具有運算速度快、精度高，存貯容量大和邏輯功能齊全等特點，已成為很多領域強有力的工具。在生產過程控制領域，計算機作為一個強有力的控制工具，獲得了較廣泛的應用。為此對計算機控制系統作簡單介紹。一、概述計算機控制系統，其基本原理框圖如圖所示。計算機控制系統控制系統中引進計算機，只要運用計算機的各種指令，就能編出符合某種控制規律的程序，計算機執行這樣的程序，就能實現對被調參數的控制。而在一般常規的控制系統中，系統的控制規律是由硬件電路產生的，改變控制規律就要改變硬件電路，對于一些復雜的，或最優的控制規律往往難以實現。而在計算機控制系統中，控制規律的改變只需改變程序就可以了。在計算機控制系統中，計算機的輸入和輸出信號都是數字信號，因此在這樣的控制系統中，需要有將模擬信號轉換為數字信號的模擬數字轉換器A/D，以及將數字信號轉換為模擬信號的數字模擬轉換器D/A。計算機控制系統，可以歸結為以下三個步驟：1）實時數據采集，對被調參數的瞬時值進行檢測并輸入2）實時決策。對采集到的表征被調參數狀態的量進行分析，并按已定的控制規律決定進一步的控制過程。3）實時控制。根據決策，適時地對執行器發出控制信號。上述過程不斷重復，使整個系統能夠按照一定的品質指標進行工作，并且對被調參數和設備本身出現的異常狀態及時監督并作出迅速處理。計算機控制系統二、計算機控制系統的一般組成計算機控制系統一般來講是由硬件部分和軟件部分組成。1.硬件部分硬件部分是控制系統的軀體，主要包括計算機（主機）、外部設備、外圍設備、自動化儀表和操作控制臺等。下圖是計算機控制系統硬件一般組成框圖，下面分別對各個部分作一簡單介紹。計算機控制系統計算機控制系統圖計算機控制系統的基本組成框圖計算機控制系統（1）主機主機是控制系統的核心。主機根據過程輸入通道送來的被控對象的各種生產工況信息，按照人們預先安排的程序，自動地進行信息處理、分析和計算，并作出相應的控制決策，以信息的形式通過輸出通道，及時發出控制命令。主機中的程序和控制數據是人們事先根據控制規律安排好的。系統啟動后，計算機就從內存貯器中逐條取出指令并執行了。（2)常規外部設備按功能可分為三類：輸入設備，輸出設備和外存貯器。常用的輸入設備有鍵盤、紙帶輸入機等。輸入設備主要用來輸入程序和數據。常用的輸出設備有打印機、顯示器等。輸出設備主要用來把各種信息和數據按人們容易接受的形式，如數字、曲線、字符等提供給操作人員，以便及時了解控制過程的情況。外存貯器，如磁帶裝置、磁盤裝置。計算機控制系統（3）外圍設備外圍設備是計算機控制系統的特有設備，主要包括過程輸入輸出通道及顯示報警設備等。過程輸入輸出通道，又稱過程通道。為了實現計算機對生產過程的控制，必須在計算機和生產過程之間設置信息的傳遞和變換的連接通道，這就是過程輸入輸出通道。過程通道一般分為：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道，開關量輸入通道、開關量輸出通道等。在主機運行過程中，操作人員要經常地、及時地了解生產過程的實際情況，并且當生產過程出現異常工況要危及正常生產和安全時，主機必須及時地以各種有效方式警告操作人員，以便操作人員能及時地采取措施，以免事故計算機控制系統（4）自動化儀表過程輸入輸出設備中必須通過自動化儀表與被控對象發生聯系，進行這種聯系的有檢測儀表和執行機構等。（5）操作控制臺當工藝流程發生變化時，操作人員要根據新的工藝流程要求，需要廢棄、增加或修改某些程序或參數，在系統或生產現場出現異常和故障的情況下，操作人員必須直接干預主機的工作，以達到應急或處理各種事故的目的。上述情況需要有專門的人機聯系設備，這種設備就是操作控制臺。2.軟件部分過程控制軟件分為系統軟件和應用軟件兩大類。計算機控制系統三、計算機在控制中的典型應用方式工業用計算機控制系統，不同的控制對象和不同的要求，應有不同的控制方案。簡述幾種典型應用。1.數據采集和數據處理系統計算機在進行采集和處理時，主要是對大量的生產過程的參數進行巡回檢測，數據記錄，數據計算，數據統計和整理，數據越限報警以及大量數據進行累積和實時分析。這種應用方式，計算機對生產過程不會產生直接影響。在這種應用方式中，計算機雖不直接參與生產過程的控制，但其作用還是很明顯的。首先可以代替大量的常規顯示和記錄儀表，對生產過程進行集中監視。同時由于計算機具有運算，邏輯判斷能力，可以對大量的輸入數據進行必要的集中，加工和處理，并且能以有利于指導生產過程控制的方式表示出來。另外，可預先存入各種工藝參數的極限值，處理過程中可進行越限報警，以確保生產過程的安全。數據采集與處理系統框圖計算機控制系統計算機控制系統2.直接數字控制系統直接數字控制系統（DirectDigitalControlSystem），簡稱DDC系統，是計算機在生產過程中應用最普遍的一種形式。它是一臺計算機配以適當的輸入、輸出設備，從生產中獲取信息，按照預先規定的規律進行運算，然后發出控制信號，通過輸出通道直接控制執行機構，實現對生產過程的閉環控制。一般DDC系統，有一個功能較齊全的運行操作控制臺，給定、顯示、報警等集中在這個控制臺上，操作方便。這種控制系統的結構框圖如圖所示。計算機控制系統計算機控制系統

3.計算機監督控制系統

在DDC系統中，對生產過程產生直接影響的被調參數給定值是預先設定的，并存入計算機的內存中，這個給定值不能根據過程條件和生產工藝信息的變化及時修改，故DDC控制無法使生產過程處于最優工況，這顯然是不夠理想的。監督控制系統SCC（SupervisoryComputerControl）中，計算機根據原始工藝信息和其它參數，按照描述生產過程數學模型或其它方法，自動地改變模擬常規調節器或以DDC控制方式工作的計算機給定值，從而使生產過程處于最優工況。計算機控制系統監督控制方式的控制效果，主要取決于數學模型的優劣。這個數學模型一般是針對某一目標函數設計的，如果這一數學模型能使某一目標函數達到最優狀態，那么這種控制方式就能實現最優控制計算機控制系統該系統是由計算機系統對各參數進行巡回檢測，并按一定的數學模型對生產工況進行分析，計算后得出控制對象各參數最優給定值送給調節器，使工況保持在最優狀態。當SCC計算機出現故障時，可由常規調節器獨立完成控制。計算機控制系統4.集散控制系統集散控制系統比較合理地吸取了儀表控制系統和計算機控制系統的長處，被公認為是先進的控制系統。圖是集散控制系統的組成框圖。從圖中可以清楚地看到，它是一種典型的分級分布式控制結構計算機控制系統（1)管理計算機完成制定生產計劃，產品管理、以及工藝流程管理等功能，實現生產過程的靜態最優化。(2)監控計算機通過協調各基本控制器的工作，達到過程的動態最優化。（3)基本控制器則完成過程的現場控制任務。（4)CRT操作站是顯示操作裝置，完成人—控制系統—過程的接口任務。（5)數據采集器用來收集現場控制信息和過程變化的信息。這樣，系統中的現場控制任務，不但可以由帶有通信裝置的基本控制器來完成，而且可以由一般儀表來完成。數據采集器和基本控制器對信號進行預處理后經數據高速通道再送入上一級計算機，減少了上級計算機的負荷。計算機控制系統5、計算機控制具體實例中原油田實驗井基本情況該實驗井實鉆井深1022.40m，ψ244.475mm套管下深1006.42m，套管外有兩根氣管線，深度分別為516.81m和924.70m，其井身結構的基本數據為：（1）表層套管Φ606.40mm3A×106.37m＋Φ508mm套管×101.45m（2）技術套管Φ444.50mm3A×1022.40m＋Φ244.48mm套管×1006.45m除井筒固定外，該井與實鉆井的井身結構類似。中原油田實驗井計算機控制系統1一、實驗井套壓傳感器的安裝計算機控制系統--變送器計算機控制系統--變送器二、實驗井立壓傳感器的安裝三、絞車傳感器絞車傳感器最早是法國geoservices公司生產的綜合錄井儀中使用，現在國內的很多公司也都在生產。絞車傳感器的原理結構如圖：遼河油田：徑向水平井數據檢測與處理系統計算機控制系統--變送器制作一n齒的齒輪，齒寬不小于10mm，齒輪上裝有軸承，與絞車滾筒軸相連。齒輪外部裝有兩個非接觸式信號檢測器，不隨齒輪轉動，檢測器內裝有磁感應電路，當齒輪的齒通過時，由于磁感應增強，檢測器輸出脈沖信號。齒輪轉的越快，發出的脈沖越多。設置A、B檢測器是為了鑒別齒輪的正反轉，因為兩信號的相位角不同，通過鑒相電路，則可以判別大鉤的上下運動。當絞車的滾筒轉一周，齒輪也就轉一周。而齒輪轉一周，則發生48個脈沖。但是，滾筒同樣轉一周，鋼絲繩在不同的層，大鉤的上升與下放的距離是不相同。因此，在檢測滾筒轉動的時候還要判別鋼絲繩目前所在的層數。絞車傳感器（續）鋼絲繩在滾筒上的排列如圖所示。從上圖可以看出，相鄰兩層鋼絲繩相差一圈，即一層是奇數，與其相鄰的兩層必然是偶數。外層的周長最長。不管哪一層，每轉一圈的脈沖均為48個。在測量大勾位移時，即要判別轉的圈數，也即接收到的脈沖數，還要判別目前是哪一層，也即確定本層轉一圈的周長是多少，知道以上兩個量即可以計算大勾位移的方向與數值。絞車傳感器安裝方便，結構簡單，牢固耐用。但使用時要求滾筒上的鋼絲繩排列必須規律，否則將出現誤差絞車傳感器（續）絞車傳感器信號處理流程絞車脈沖信號鑒相計數數據采集LED數碼管顯示計算機控制系統--變送器計算機控制系統含氣檢測儀控制系統1、實時數據采集（采集流量和壓力信號并對數據進行處理）2、實時控制（控制柴油機的轉速）計算機控制系統內部構成及作用氣侵檢測儀內部主要有電源和6槽STD機籠構成，結構如下1電源234561——STD機籠2——接口板3——采集板4——濾波&放大板5——步進電機控制卡6——電源檢測系統實時采集數據流程放大放大多路轉換開關采樣保持

A/D轉換

計算機調零1立壓信號調零1套壓信號可編程增益放大濾波計算機控制系統計算機控制系統計算機控制系統步進電機計算機控制系統電機控制器計算機控制系統圖實驗井步進電機的安裝計算機控制系統調節柴油機流程圖柴油機調速手柄步進電動機驅動裝置計算機傳動副電纜電源現場用的是柴油機，通過儀器發送脈沖控制步進電動機，并通過步進電動機來調節柴油機的轉速，達到產生流速波的目的。計算機控制系統黑紅（蘭線+黑）（黃線+黑）（紅線+黑）（綠線+黑）脈沖信號（蘭色）方向信號（棕）+5V(紅)StepA+DirCO