过程控制系统可靠性研究及设计应用

摘要

本文共分两篇,以可靠性理论为指导,以过程测量控制系统为对象,根据系统的功能与结构之间的关系,探讨了计算机集成过程系统的研究现状与底层测控系统的可靠性建模、分析、设计、改进的方法；利用多参比浊度模块与多对管变光自补偿电路相结合探索了一种适应环境变化的过程检测方法,并应用在液体的浊度检测当中。结合一类非线性、大时滞、参数时变过程系统,介绍了一种在平衡点线性化建模的方法；研究了归一化参数整定Dahlin算法,结合硬件及软件的可靠性设计,成功地开发出智能pH控制系统--III型,研制的商品机已推向市场。 第一篇首先回顾了计算机集成过程系统(CIPS)的研究现状,介绍了CIPS系统的体系结构、研究的内容、实施步骤及其热点、难点问题,并重点讨论过程控制层(PCS),以石化厂为例,介绍测控系统的组成,研究的主要内容及系统实施的要点；接着介绍可靠性指标体系,阐述了各特征量的含义及高可信性系统保障技术,指出了当前研究中存在的主要问题,分析了安全性与可靠性研究当中的相同点与不同点,指明了安全可靠性大于功能可靠性的缘由及各种保障措施；利用功能与结构之间的关系,分析了蒸汽动力控制系统的主要功能,并作了一些模拟；最后,对控制系统当中的各个典型环节进行建模,提出了一种简化计算利用率(广义可靠性)的方法,即把组合法与模型法相结合,求出系统的稳态利用率。 第二篇首先介绍过程工业测控系统的研究热点,阐述了传感器在其中的重要地位,指出了它是最可能产生发明创造的地方,说明了目前传感器市场的基本状况及其未来的发展动向,分析了检测仪表的基本状况；目前,一般的浊度计要校准后马上进行测量才能保证精度,长期使用精度无保证(数据的可信性较差),针对浊度在线检测的难题,提出了一种新颖的浊度检测原理--一种适应环境的过程检测方法,即利用参比标准浊度模块与动平衡原理结合微差的方法来消除外部环境对检测精度的影响,硬件电路上采用多对管变光自补偿电路,软件上采取参比标准浊度点线性化展开并从高浊度向低浊度搜索的方法,分析了传感器的光学测量原理及影响检测精度的原因,分析了变送器与主机电路的功能与结构,提出了测量区段规划与测量算法,提供了程序流程图,实验数据表明,该电路能有效地消除半导体器件温漂、时漂、老化等问题,并保证测量过程的长期有效性,如果参比标准浊度模块的色值与被测液体的色值一致,那么,对色值的补偿效果也很好；该方法具有普遍的意义,其中一个直接的应用就是物质浓度的测量,只要把发射光改为该物质容易吸收的光谱,并制定标准参比浓度模块,修改测量软件即可。最后,研究可靠性工程在pH测控系统的应用,介绍传感器与过程对象的有效建模方法,推导了控制算法,并根据pH过程的非线性、大滞后、参数时变等特点,介绍了一种在平衡点线性化建模的方法,该法的特征是误差总体分散,研究并提出了一种参数归一化整定Dahlin算法,并以MATLAB/SIMULINK软件验证了该法对过程参数时变情况下的鲁棒性,提出非线性分区控制的思想来改善线性控制器的策略；以可靠性工程为指导,介绍了产品设计过程中可靠性改进的步骤,主机内部硬件通过不同的串行总线连接了3个在片系统,从而大大简化了硬件电路的设计复杂度与难度,提高了硬件的可靠性,并使得软件的开发难度大大降低了,介绍并提供了各种串行中断子程序,软件上采用功能模块化设计方法,并把功能分解成任务,由主程序调度执行相应的任务而实现该功能,从而提高软件的可靠性；为了提高安全性、维修性,分别采用了故障报警、故障隔离、硬件模块化等技术；对于外部通讯组网的问题作了探讨,介绍了RS485通讯接口硬件及Modbus协议；介绍了CAN总线组网技术、硬件接口电路与ID标示符的配置规划。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一篇计算机集成过程系统可靠性研究

第一章计算机集成过程系统

1.1计算机集成过程系统的发展

1.2过程先进控制

1.3实时数据库技术

1.4基础数据的获取与存储

1.5综合自动化应用系统设计实施例

1.6小结

第二章计算机集成过程控制系统可靠性研究

2.1可靠性发展概况

2.2可信性研究中存在的问题与对策

2.3系统的安全性

2.4可靠性数学基础

2.5蒸汽动力控制系统的主要功能

2.6控制系统可靠性建模与分析

2.7控制系统可靠性设计与提高

2.8小结

附1-1参考文献

第二篇测控系统的设计和可靠性工程应用研究

第一章 过程参数检测研究概况

1.1国内研究热点介绍

1.2传感器发展概况

1.3检测仪表

1.4小结

第二章浊度在线检测方法研究

2.1浊度的基本概念与标准物质

2.2浊度测量原理

2.3 影响检测精度的原因分析

2.4传感器改进----测量数据的可靠性

2.5多对管变光自补偿在线浊度检测方法及应用

2.6小结

第三章可靠性工程在PH测控系统的应用研究

3.1问题的提出

3.2 PH测控系统建模

3.3智能pH测控系统-Ⅲ型的研制

3.4控制算法鲁棒性模拟研究

3.5通讯组网问题

3.6 小结

结论与展望

结束语

附2-1参考文献

攻读学位期间发表的相关学术论文、专利及参与的项目

致 谢