材料加工过程的计算机控制优秀PPT.ppt

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1、第八章第八章 材料加工过程材料加工过程的计算机限制的计算机限制书目8.1 引言引言8.2 计算机限制技术基础计算机限制技术基础 8.2.1 计算机限制系统的概念计算机限制系统的概念 8.2.2 生产过程限制系统的发展生产过程限制系统的发展 8.2.3 计算机限制系统的分类计算机限制系统的分类 8.2.4 限制系统计算机的分类和选择限制系统计算机的分类和选择(自修自修)8.2.5 限制系统的主要特点和基本要求限制系统的主要特点和基本要求 书目28.3 过程通道与数据采集过程通道与数据采集 8.8.1 检测技术检测技术 8.8.2 限制仪表与装置限制仪表与装置 8.8.3 过程通道及数据采集过程通

2、道及数据采集8.4 材料加工的计算机限制材料加工的计算机限制 8.4.1 高分子材料加工的计算机限制高分子材料加工的计算机限制 8.4.2 金属材料加工的计算机限制金属材料加工的计算机限制 8.4.3 无机非金属材料烧成的计算机限制无机非金属材料烧成的计算机限制u 计算机在材料加工中的应用分为：计算机在材料加工中的应用分为：u 物化性能测试数据的采集和处理物化性能测试数据的采集和处理u 计算机协助探讨计算机协助探讨u 计算机协助模具设计和制造计算机协助模具设计和制造u 加工过程自动限制（过程检测与限制）加工过程自动限制（过程检测与限制）u 材料加工过程的全面质量管理材料加工过程的全面质量管理8

3、.1 引言引言u 过程检测与限制过程检测与限制u 按预先设计的限制方法及策略，对被控过程施按预先设计的限制方法及策略，对被控过程施以有效的限制作用，使受控量按输入吩咐变更，达到以有效的限制作用，使受控量按输入吩咐变更，达到把反映过程的各种参量（状态量）或受控量数值通过把反映过程的各种参量（状态量）或受控量数值通过传感器或变送器等（统称一次仪表）检测出来，并转传感器或变送器等（统称一次仪表）检测出来，并转变为电信号，供应应限制系统显示或限制系统过程进变为电信号，供应应限制系统显示或限制系统过程进行限制的目的。这一个过程就称为过程检测与限制。行限制的目的。这一个过程就称为过程检测与限制。8.2 计

4、算机限制技术基础计算机限制技术基础8.2.1 计算机限制系统的概念计算机限制系统的概念u 基本原理基本原理控制系统与过程控制系统与过程电信号电信号受控受控量量检检测测量量电信号电信号随检测量变化随检测量变化按输入命令变化按输入命令变化 筒温筒温设定值设定值计算机计算机执行机构执行机构料筒料筒筒温筒温温度监测温度监测调节器调节器D/AA/D实时检测：将被控对象参数的瞬时值通过自实时检测：将被控对象参数的瞬时值通过自动化仪表检出，经转换为工控机能识别的数动化仪表检出，经转换为工控机能识别的数据。据。实时决策：分析、比较、推断被控参数与给实时决策：分析、比较、推断被控参数与给定目标间的差距，提出限制

5、方案。定目标间的差距，提出限制方案。实时限制：依据决策结果，将限制吩咐转换实时限制：依据决策结果，将限制吩咐转换为工业对象能够接收的限制信号。为工业对象能够接收的限制信号。u 实时限制的含义实时限制的含义8.2.2 生产过程限制系统的发展生产过程限制系统的发展u 原始生产过程限制系统u 完全由人工实现；u 通过人的感官对被控对象的工艺参数进行u 检测；u 人的大脑对偏离程度作出推断并依据阅历作u 出决策；u 由人去执行、调整。人：人：检测元件、调整器、执行器检测元件、调整器、执行器设定值设定值比较偏差比较偏差调节器调节器控制信号控制信号执行器执行器被控过程被控过程被被控控参参量量检测元件及变送

6、器检测元件及变送器测量值测量值u 接受模拟限制器的自动限制系统接受模拟限制器的自动限制系统利用限制器代替人的分析、推断、决策功能u 计算机自动限制系统计算机自动限制系统代替人的分析、推断、决策 和常规二次仪表的功能；8.2.3 计算机限制系统的分类计算机限制系统的分类u 开环限制系统：生产过程的巡回检测和数据处理系统u 操作指导限制系统u 闭环限制系统：干脆数字限制系统（DDC）u 监督限制系统（SCC）：u SCC加模拟限制器的限制系统u SCC加DDC限制系统u分布式限制系统-分组式限制系统u集散限制系统（DCS）u 开环限制系统开环限制系统开环限制开环限制(离线限制离线限制)：计算：计算

7、机将测量数据计算后，将被机将测量数据计算后，将被限制数据显示或打印输出，限制数据显示或打印输出，供操作人员参考，以实现对供操作人员参考，以实现对生产过程的限制。计算机本生产过程的限制。计算机本身不干脆参与限制，而是由身不干脆参与限制，而是由人干脆变更调整器的设定值人干脆变更调整器的设定值或干脆操作执行机构或干脆操作执行机构生产过程生产过程计算机计算机显示打印显示打印计算结果计算结果原料原料产品产品限制限制常见系统：生产过程的巡回检测和数据处理系统；常见系统：生产过程的巡回检测和数据处理系统；操作指导限制系统操作指导限制系统u 闭环限制系统闭环限制系统闭闭环环限限制制也也称称在在线线限限制制。计

8、计算算机机将将限限制制参参数数的的数数据据采采样样并并计计算算后后，输输出出经经过过处处理理的的数数值值，干干脆脆变变更更常常规规调调整整器器的的给给定定值值或或操操纵纵执执行行机机构构以以限限制制生生产产过过程程。这这种种限限制制系系统统由由计计算算机机干干脆参与给定值整定或限制。脆参与给定值整定或限制。生产过程生产过程计算机计算机显示打印显示打印计算结果计算结果原料原料产品产品控制控制常见系统：常见系统：干脆数字限制系统（干脆数字限制系统（DDC）；）；监督限制系统（监督限制系统（SCC）。）。DDC计算机取代模拟调整器 SCC计算机既定条件下的给定值，并返回DDC级；自动变更模拟调整器或

9、DDC工控机的给定值，使生产过程优化两种形式：两种形式：SCC加模拟调整器的限制系统加模拟调整器的限制系统 SCC加加DDC限制系统限制系统u 分布式限制系统分布式限制系统由多台微处理器或微机分别担当部分限制任务由多台微处理器或微机分别担当部分限制任务企业级经营管理计算机企业级经营管理计算机车间级监控计算机车间级监控计算机(SCC)车间级监控计算机车间级监控计算机(SCC)装置控制级装置控制级DDC装置控制级装置控制级DDC加工对象加工对象A加工对象加工对象B装置控制级装置控制级DDC装置控制级装置控制级DDC加工对象加工对象C加工对象加工对象D工厂级集中控制计算机工厂级集中控制计算机至其它工

10、厂至其它工厂至其它工厂至其它工厂u 集散限制系统集散限制系统(DCS)管理计算机管理计算机监控计算机监控计算机CRT操作台操作台高速数据通道高速数据通道基本基本控制器控制器数据数据采集器采集器基本基本控制器控制器DEP面板面板工业对象工业对象小小规规模模中中规规模模大大规规模模8.3 过程通道与数据采集过程通道与数据采集输入部分：传感器、变送器、输入部分：传感器、变送器、A/D转换转换输出部分：输出部分：D/A转换、信号调整器、限制执行器转换、信号调整器、限制执行器8.3.1 检测技术检测技术 u 检测与转换技术：检测与转换技术：u 传感器传感器u 变送器变送器u 检测与转换技术u 从诸多不能

11、干脆输入计算机处理的被检测的物理量中提取所须要的信息，并转换为能反映物理量实际变更的电信号。u 传感器u 将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、传送或限制的模拟信号的器件；由敏感元件和部分测量电路构成。电阻式传感器电阻式传感器 电感式传感器电感式传感器 电容式传感器电容式传感器 电阻式传感器电阻式传感器 把被测参数转换为相应的电阻值，通过测量电阻值来反映被测参数；电位器式电阻传感器、电阻应变式传感器、热电式传感器电位器式电阻传感器、电阻应变式传感器、热电式传感器 电感式传感器电感式传感器 把被测参数转换为相应的电感值，通过测量电感值来反映被测参数；气隙式电感传感器、电涡流式传感器、差动变压

12、器气隙式电感传感器、电涡流式传感器、差动变压器 电容式传感器电容式传感器 把被测参数转换为相应的电容值，通过测量电容值来反映被测参数对温度、压力、液位、流量、成分等物理量进行对温度、压力、液位、流量、成分等物理量进行测量，并转换成统一的标准信号。测量，并转换成统一的标准信号。传感器是借助于敏感元件，接受物理量形式的信息，传感器是借助于敏感元件，接受物理量形式的信息，并按确定规律将其转换成同种或另一种物理并按确定规律将其转换成同种或另一种物理 量信息的仪表；量信息的仪表；变送器是输出标准信号的传感器；变送器是输出标准信号的传感器；为适应下一单元的须要，将各种物理量的电为适应下一单元的须要，将各种

13、物理量的电 信号进一步转换成统一的标准电信号。信号进一步转换成统一的标准电信号。u 变送器变送器8.3.2 限制仪表与装置限制仪表与装置u 调整器u 把偏差信号（被调整参数与给定值的差值）u 按确定规律运算，并给出输出信号进行调整，u 使被调整参数回到给定值。u 调 节 规 律：比例、积分、微分u 调整器类型：比例调整器、u 比例积分调整器、u 比例微分调整器、u 比例积分微分调整器 比例调整器：输出与输入成正比 刚好快速但存在静差 比例积分调整器：积分作用随输出与偏差存在的时间延长而增加，直到偏差消退；比例与积分作用合用，能消退静差，又刚好快速 比例微分调整器：微分作用的输出能反映偏差输入的

14、变更速度；比例与微分作用合用 比例积分微分调整器：最完善的调整器，通过参数调整，可以变为其它三种调整器接受调整器的限制信号，自动变更接受调整器的限制信号，自动变更操作变量，对被调参数进行调整操作变量，对被调参数进行调整 分类：气动执行器、电动执行器分类：气动执行器、电动执行器u 执行器执行器8.3.3 过程通道及数据采集过程通道及数据采集数字信号模拟量信号计算机计算机被控工业对象被控工业对象过程通道u 输入通道输入通道数数据据放放大大采采样样保保持持信号处理信号处理信号处理信号处理信号处理信号处理工工业业生生产产现现场场 被被测测参参数数 传传感感器器传传感感器器传传感感器器多多路路转转换换开

15、开关关A/D转换转换器器控制电路控制电路微微型型计计算算机机输输入入-输输出出接接口口模拟量输入通道模拟量输入通道开关量输入开关量输入数字量输入数字量输入数字量输入通道数字量输入通道u 输出通道输出通道 控制电路控制电路主主机机送送来来的的“校校正正”信信号号输输入入-输输出出接接口口模拟量输出通道模拟量输出通道数字量输出数字量输出 D/A转转换换器器多多路路转转换换开开关关 工工业业生生产产现现场场 被被测测参参数数 调节执行调节执行n调节执行调节执行1数字量输出通道数字量输出通道u 模拟量输入信号处理模拟量输入信号处理采样周期的选择采样周期的选择采样方式采样方式数字滤波数字滤波标度变换（工

16、程量变换）标度变换（工程量变换）非线性补偿非线性补偿采样及采样方式采样及采样方式干扰与抑制干扰与抑制tX（t）模拟信号模拟信号tX（t）离散模拟信号离散模拟信号T2T 8T 4T 5T 6T 7T采样采样tX（t）T2T 8T 4T5T6T 7T量化量化1010110111101100100110001001 采样：采样：将连续时间的模拟量信号，按周期T采集后,输出为离散时间的数字量信号。采样及采样方式采样及采样方式 采样方式采样方式A.延时采样：延时采样：接受延时程序等待接受延时程序等待A/D转换完成。转换完成。发启动发启动A/D转换信号转换信号延时等待延时等待A/D转换结束转换结束采样读取

17、数据采样读取数据 采样方式B.查询采样查询采样 接受程序指令查询接受程序指令查询A/D转换器是否完成转换。转换器是否完成转换。查询查询A/D 转换结束？转换结束？发启动发启动A/D转换信号转换信号采样读取数据采样读取数据否否等待等待 采样方式C.中断方式中断方式 发启动发启动A/D转换信号转换信号等待中断等待中断A/D转换结束由接口发出中断请求转换结束由接口发出中断请求CPU响应中断执行响应中断执行中断服务程序采样中断服务程序采样 接受接受A/D转换后的信号送到转换后的信号送到I/O接口，由接口，由I/O接口向接口向CPU发出中断恳求，发出中断恳求，CPU响应中断时执行中断服务子程序响应中断时

18、执行中断服务子程序进行采样读取进行采样读取A/D转换后的数据。转换后的数据。A.常态干扰：常态干扰：定义：由信号源产生或引线上感应接收来的，定义：由信号源产生或引线上感应接收来的，迭加在被测直流信号上的沟通干扰信号。迭加在被测直流信号上的沟通干扰信号。VsVnm模模数数转转换换器器信信号号源源模模数数转转换换器器VsVnm 干扰与抑制干扰与抑制 抑制方法抑制方法a.接受输入滤波器.b.接受数字滤波 (对输入被测信号的平均值进行转换)变更很快的干扰变更很快的干扰a.对仪器仪表实施电、磁屏蔽b.接受带屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号连接线c.使系统良好接地频率与信号频率相近的干扰频率与信号频率相近的

19、干扰B.共态干扰：共态干扰：定义：定义：由于被测信号端地线和微机的地线之间存在的电由于被测信号端地线和微机的地线之间存在的电位差，而产生的系统两输入端共有的干扰电压称位差，而产生的系统两输入端共有的干扰电压称为共态干扰。为共态干扰。VsVcm模模/数数转换器转换器高高低低 抑制方法抑制方法a.差动放大器b.接受双层浮地屏蔽爱护多路采样系统 计计算算机机限限制制系系统统的的各各种种物物理理参参数数有有不不同同的的量量纲，如温度为纲，如温度为；压力接受；压力接受Pa；流量用；流量用m8/n 等。等。这些参数经这些参数经A/D转换后，变成数字量信息输出，转换后，变成数字量信息输出，这个数字量虽然代表

20、参数值的大小，但并不一这个数字量虽然代表参数值的大小，但并不一定等于原来带有量纲的参数值，必需将它转换定等于原来带有量纲的参数值，必需将它转换成原来参数的真实值才能进行显示，打印或运用成原来参数的真实值才能进行显示，打印或运用这种转换称为标度变换或工程量变换。这种转换称为标度变换或工程量变换。标度变换标度变换 标标度度变变换换要要求求参参数数值值与与A/D转转换换结结果果（采采样样值值）之之间间呈呈线线性性关关系系。在在参参数数量量程程起起点点（输输入入信信号号为为零零），标标度度变变换换公公式如下：式如下：A0 参数量程起点值参数量程起点值AM 参数量程终点值参数量程终点值N0 量程起点对应

21、的量程起点对应的A/D转换值转换值Nx 测量值对应的测量值对应的A/D值值(采样值采样值)，即滤波器的输出值，即滤波器的输出值Ax 参数测量值参数测量值对对于于一一个个检检测测系系统统为常数为常数 通通常常在在参参数数是是量量程程起起点点(输输入入信信号号为为零零)A/D转转换换值值为为零零(即即N0=0)，上式简化为：，上式简化为：在在工工程程应应用用和和生生产产中中，由由计计算算机机测测试试和和限限制制的的某某些些参参数数值值与与经经A/D转转换换结结果果的的数数据据（采采样样值值）之之间间呈呈非非线线性性关关系系，因因而而不不能能干干脆脆利利用用标标度变换公式，故需进行线性补偿。度变换公

22、式，故需进行线性补偿。如如温温度度测测量量时时，热热电电偶偶输输出出值值和和采采样样值值呈呈线线性性关关系系，而而测测量量温温度度值值和和采采样样值值呈呈非非线线性性关关系。系。分分两两步步处处理理：先先用用标标度度变变换换公公式式求求出出采采样样值（数字值）所代表的热电偶毫伏（值（数字值）所代表的热电偶毫伏（Mv）值，）值，非线性补偿非线性补偿A.线性方程线性方程B.将将待待测测量量温温度度范范围围分分成成若若干干段段，依依据据热热电电偶偶分分度度表表中中的的温温度度与与毫毫伏伏值值的的比比照照表表，按按最最小小二二乘法经线性回来计算求出每段线段的线性方程为：乘法经线性回来计算求出每段线段的

23、线性方程为：C.T=aU+bD.式中：式中：T 测量点实际温度值测量点实际温度值E.U 测量点热电偶毫伏值测量点热电偶毫伏值F.a、b 线线性性方方程程系系数数，由由回回来来计计算求出算求出 G.将将上上式式编编程程，把把标标度度变变换换后后得得到到的的毫毫伏伏值值代入，便可求出实际温度值。代入，便可求出实际温度值。B.插补公式插补公式 同同样样将将待待测测温温度度范范围围分分成成若若干干段段，求求出出每每始始终终线段的插补公式为：线段的插补公式为：Tx=Nx+a（Ux-Uk）式中：式中：Tx 测量点实际温度值测量点实际温度值 Ux 测量点热电偶毫伏值测量点热电偶毫伏值 Tk 直线段起始点温度

24、值直线段起始点温度值 a 斜率系数斜率系数8.4 材料加工的材料加工的计计算机限制算机限制u 高分子材料加工的计算机限制u 金属材料加工的计算机限制u 无机非金属材料烧成的计算机限制8.4.1 高分子材料加工的计算机限制高分子材料加工的计算机限制u 注塑机的计算机限制注塑机的计算机限制主要实现：主要实现：依次限制依次限制过程限制过程限制注塑制品的质量限制注塑制品的质量限制集中管理和集中监视限制集中管理和集中监视限制注塑机的机械运动注塑机的机械运动 A.模腔装置的周期运动模腔装置的周期运动 模模板板起起先先闭闭合合、正正式式闭闭模模、模模板板起起先先开开启启、正式开模正式开模 B.注射装置的周期

25、运动注射装置的周期运动 注射、保压、冷却注射、保压、冷却 注塑机的依次限制注塑机的依次限制 注射循环过程注射循环过程 A.主循环工序主循环工序 合合模模引引料料、充充模模、保保压压、倒倒流流、凝凝封封、冷冷却却、开模开模 B.协助工序协助工序 前处理即进料和预塑；前处理即进料和预塑；后处理即制品的顶出后处理即制品的顶出 注塑机的动作依次注塑机的动作依次 闭闭模模 注注射射座座前前进进 注注射射 保保压压 预塑预塑 注射座后退注射座后退 开模顶出开模顶出 注塑阶段注塑阶段充模阶段充模阶段压缩阶段压缩阶段保压阶段保压阶段加料阶段加料阶段注塑控制注塑控制注射速度控制注射速度控制速速度度/压压力力切切

26、换换截截止止压压力力控控制制 保压控制保压控制背压控制背压控制时间时间 注塑机的过程限制注塑机的过程限制 温度限制温度限制 注射速度限制注射速度限制 压力限制压力限制a.料筒及喷嘴温度b.注塑加工中需限制塑料的熔融温度c.b.模具温度d.模具表面温度对成品质量有重要的影响 筒体温度限制筒体温度限制 为保证工艺须要，各节筒体均需维持温度恒定为保证工艺须要，各节筒体均需维持温度恒定 及相互间具有预定的温度梯度。及相互间具有预定的温度梯度。限制系统组成限制系统组成 嵌入式薄型工控机嵌入式薄型工控机 多路高精度测控模块多路高精度测控模块 塑料挤出机强电执行系统塑料挤出机强电执行系统u 塑料挤出过程的计

27、算机限制塑料挤出过程的计算机限制 塑料挤出过程的计算机限制塑料挤出过程的计算机限制2 多路高精度测控模块：通过串行通信口接受工控机的 指令，对塑料挤出机的各种状态进行测量，经滤波、校准和标度转换后发回工控机 嵌入式薄型工控机：把这些状态测量值以彩色图形方式 显示，并将依据测量值计算所得限制量发往测控模块 塑料挤出机强电执行系统：测控模块依据此限制量通过 强电执行机构对挤出机进行各种限制 折径宽度的限制系统折径宽度的限制系统 薄膜平均厚度的限制薄膜平均厚度的限制W=aD/2u 薄膜吹塑生产过程的计算机限制薄膜吹塑生产过程的计算机限制8.4.2 金属材料加工的计算机限制金属材料加工的计算机限制u

28、对加热炉实现温度时间气氛工序动作自动限制u 温度限制 温度信号测量与处理 温度限制：PID温度限制算法 断偶爱护报警 分区温度限制决策 温度信号测量与处理温度信号测量与处理1 温度信号测量与处理温度信号测量与处理热电偶热电偶执行器执行器I/O接接口口加加热热炉炉转换器转换器转换器转换器计计算算机机感温元件感温元件热电势热电势热电势热电势 被测温度被测温度非线性校正非线性校正 计算方法计算方法 查表法查表法 计算方法计算方法 查表法查表法曲线拟合（热电势E和对应温度T）T=F（E）程序分区计算得温度值将热电偶分度表（E与T的对应关系）或放大电势表按确定形式存入计算机；用测得的电势值，靠软件搜寻查

29、得对应温度值。温度限制温度限制1 温度限制：温度值比较 限制决策计算 温度限制量 调整输入功率 保持温度 PID温度限制算法 断偶爱护报警 分区温度限制决策 PID温度限制算法离散PID限制算法 断偶爱护报警断偶爱护报警 热电偶断偶后，感温元件输入为零或满量程。考虑加热炉是否启动 设计院延时程序再推断是否热电偶断偶 分区温度限制决策分区温度限制决策升温升温 恒温恒温 降温降温远离限制点：大幅度快速升温远离限制点：大幅度快速升温 全功率或比例限制决策全功率或比例限制决策限制点旁边：削减超调量，平滑接近并稳定于限制点限制点旁边：削减超调量，平滑接近并稳定于限制点 模糊限制推理决策或模糊限制推理决策

30、或PID限制算法限制算法8.4.3 无机非金属材料烧成的计算机限制无机非金属材料烧成的计算机限制限制炉温分级加热：限制炉温分级加热：10-20个时间段个时间段 （不同的升温速度和温度给定值）（不同的升温速度和温度给定值）不同的气氛限制区段：不同的气氛限制区段：氧化区段（氧化区段（0-800）：氧化性气氛）：氧化性气氛 上釉区段（上釉区段（800-1200 ）：还原性气氛）：还原性气氛 烧结区段（烧结区段（1200-1850 ）：弱还原性气氛）：弱还原性气氛上位机：显示和管理功能上位机：显示和管理功能下位机：检测现场限制参数、计算限制参数输出值、下位机：检测现场限制参数、计算限制参数输出值、向执行器发出限制参数指令、与上位机通信向执行器发出限制参数指令、与上位机通信