第九章 计算机控制系统

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1、第九章 计算机控制系统华东理工大学信息学院自动化系定义：计算机控制就是利用计算机实现工业生产 过程的自动控制。计算机控制系统=自动化技术+计算机技术10.3 可编程控制器本章主要内容：10.1 概述10.2 集散控制系统10.4 现场总线控制系统10.5 综合自动化系统10.1 概述 10.1.1 计算机控制系统的组成图10-1 计算机控制系统框图组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器图10-2 计算机控制系统典型结构图连续控制系统 计算机控制系统相似点： 组成相同不同点： 模拟控制器 数字控制器多路开关、采样保持器、A/D、D/A10.1.2 计算机控制系统的发展图10-3 计算机控制系统

2、的发展最初：DDC直接数字控制系统（集中控制系统）20世纪70年代：DCS集散控制系统（集中管理、分散控制 ）20世纪60年代：PLC可编程逻辑控制器20世纪末：FCS现场总线控制系统目前及未来：CIMS计算机集成制造系统CIPS计算机集成过程系统10.2 集散控制系统10.2.0 基本概念定义：集散控制系统又称为分散型控制系统（ Distributed Control System）,简称为DCS系统，是 对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制 的一种全新的分布式计算机控制系统。工作原理：该系统将若干台微机分散应用于过程控 制，全部信息通过通信网络由上位管理机监控，实 现最优化控制，通

3、过CRT装置、通信总线、键盘、 打印机等进行集中操作、显示和报警。10.2.1 集散控制系统的特点主要特征：集中管理和分散控制 。具体有以下几个方面：(1)分级递阶结构 这种结构从系统工程出发，考虑 功能分散、危险分散、提高可靠 性、强化系统应用灵活性、减少 设备的复杂性与投资成本，并且 便于维修和技术更新等优化选择 而得出的。图10-4 DCS 的结构层次每一级由若干子系统组成，形成金字塔 结构。同一级的各决策子系统可同时对 下级施加作用，同时又受上级的干预， 子系统可通过上级互相交换信息。过程控制级：根据上层决策直接控制生 产。控制管理级：对生产过程实现集中操作 和统一管理。生产管理级：承

4、担最优化任务经营管理级：全面的综合型经营管理和 决策图10-4 DCS的 结构层次(2) 采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为基 础的“智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰富 的领域。现场控制单元、过程输入输出接口、数据 通信等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊断 和自检测等“智能”控制过程。 (3) 丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件包 ，它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印 和信息检索等功能。(4) 采用局部网络通信技术 DCS的数据通信采用工 业局域网络技术进行通信，传输实时控制信息，进 行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元 、人机接口进行控制和操作管理。

5、大多采用光纤传 输媒质，通信的可靠性和安全性大大提高。通信协 议已开始向标准化前进，如采用IEEE802.3、 IEEE802.4等。(5) 友善的人机接口 (6) 高可靠性 硬件、软件采用冗余技术10.2.2 集散控制系统的发展第一个集散控制系统TDC2000：1975年，美国 Honeywell三个时期：初创期（19751980）成熟期（19801985）扩展期（1985年以后）初创期：该时期的DCS系统是一个具有许多微处理机 的分级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散 的生产过程，通过高速数据通道将系统各个单元联系 起来。其通信系统是一初、中级的局部网络，全系统 由一个通信指挥器指挥

6、和协调。初创期具有代表性的DCS系统有Spectrum (Foxboro公 司)、Network(贝利公司)、Centum(日本横河公司)成熟期：该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向 生产管理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技 术、自动控制技术、数据通信技术、图像处理技术的 飞速发展，使得DCS系统在扩大功能、数据通信以及 工业自动化信息管理等方面有所提高，形成第二代 DCS系统。成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000 (Honeywell 公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、 YEWPACK-MARKII(日本横河公司)等扩展期：该时期的DCS系统增加了

7、第三层综合信 息管理层，把过程控制、监督控制、管理调度有机结 合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种ISO开放 互连OSI结构基础上的加工自动化协议）以及引入计 算机集成制造系统CIMS等，扩展期DCS的特点是综 合化、开放化和现场级的智能化。综合化 包括纵向和横向两方面。纵向方面加强管理功 能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检 查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理制度。 横向方面则形成过程自动化与顺序控制、电机控制相 结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。开放化 是DCS按照国际统一标准组成“开放”的系统网 络，便于不同公司生产的DCS产品之间方便地进行通 信。现场级的智能化

8、 是指现场传感器或变送器智能化， 现场仪表可以由现场通信器或系统的工作站进行远程 访问、组态、调零、调量程及自动标定。传感器输出 的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递。扩展期具有代表性的DCS系统有 TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。 这一时期DCS的基本组成与第二代相比变化不大， 但它的LAN采用MAP协议或与MAP兼容的协议，各 个节点工作站软、硬件功能均有所加强，现场级智 能仪表也有发展。MAP Mobile Application Part 是NO.7信令系统的应用层 协议。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等网 络数

9、据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动 用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。 10.2.3 集散控制系统的硬件和软件 (1) DCS的基本构成过程控制单元（PCU ）：又称为现场控制 单元、现场控制站、 基本控制器、多功能 控制器等。其组成有：CPU、 ROM/RAM、I/O、 A/D、D/A等。它可以控制一个或多 个回路，具有较强的 运算和控制功能，并 可以进行连续控制和 顺序控制。图10-5 DCS的基本结构过程接口单元（PIU）：又称为过程输入输出单元、 数据采集单元、现场监视站、I/O扩展单元等。它的组成与过程控制单元类似，是以微处理器为核心 的数据采集设备，负责采集非控

10、制变量数据，并将其 数据经过通信系统传递给CRT操作站或上位管理计算 机。CRT操作站：是DCS的人-机接口，由CRT、微机、键 盘、打印机、存储器、通信控制器等组成。可以显示 ：生产总貌和系统主要参数、每个回路的详细控制情 况、当前的和历史的数据、曲线等。在操作站上可以通过键盘发出操作指令，进行回 路组态、调整参数、控制外设。CRT操作站还有自诊 断、报警功能。上位管理机：是DCS的主计算机，它通过通信系统与 各个工作站联系，综合管理全系统的所有信息，能对 整个系统起到优化控制和管理作用。 通信系统：是具有高速通信能力的信息总线，可由双 绞线、同轴电缆或光纤构成。早期的集散系统采用专门的通信

11、标准或通信协议 ，系统兼容和互连性差。国际电工委员会(IEC)、国际 标准化组织(ISO)、美国电子电气工程师协会(IEEE)、 工厂自动化协议集团(MAP)为不同层次网络制定了相 应的标准。(2) DCS的硬件、软件组态DCS的硬件组态：依据：系统规模及控制要求。包括通信系统、人机接口、过程接口和电源系 统的选择等应综合考虑各方面的因素：满足系统的控制要求，性能价格比最佳系统在未来的定位操作人员的易操作性、系统的易维护性等DCS的软件组态：是在系统硬件和软件的基础上，用 软件组态方式将系统提供的功能块连结起来达到过程 控制的要求。应用软件组态方式：直接经DCS操作站组态通过填写表格组态利用P

12、C机进行组态应用软件的组态包括：网络组态文件组态、数据点组 态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、区域数 据库和控制程序的编制等。早期的DCS控制系统10.3 可编程控制器可编程序控制器（Programmable Controller, PC）早 期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制 器（ Programmable Logic Controller ）,简称PLC。10.3.1 概述(1)可编程序控制器的发展初创阶段：从1969年DEC公司推出第一台PLC(PDP -14)到20世纪70年代中期。该阶段产品主要用于逻辑 运算、计时、计数。扩展阶段：20世纪70年代中期到20 世纪7

13、0年代末期 。扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运 算等功能。通信阶段：20世纪70年代末期到20 世纪80年代中期 。PLC在通信方面得到了发展，形成了分布式的通信 网络系统。缺点是产品互通难。开放阶段： 20世纪80年代中期以后。(2)可编程序控制器的特点（优点）高可靠性：PLC的主要特点。它在软、硬件方面采 取了一些提高系统可靠性的措施。易操作性：操作、维修、编程灵活性：表现在编程、扩展、操作三个方面机电一体化：PLC是专门为工业过程控制而设计的 控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控 制领域的主要控制设备。(3)PLC的分类按结构形式可将PLC分为两大类：一体化结构、模

14、块 化结构一类（一体化结构）：CPU、电源、I/O接口、通信 接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如下图所 示，小型及超小型的PLC系统用此结构10-6 一体化PLC结构示意图另一类（模块化结构）：各种模块在结构上是相互独 立的，在实际使用的过程中可根据具体的应用要求选 择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一 个完整的PLC应用系统，如下图所示。大、中型PLC 系统一般采用此类结构。增强了数据处理能力和网络 通信能力，可构成大规模的自动化控制系统，主要用 于复杂程度较高的自动控制，并在相当程度上可以替 代DCS以实现更广泛的自动化功能。10-7 模块化PLC结构示意图(4)可编程序控

15、制器的主要功能开关逻辑和顺序控制：最主要功能模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较多时 。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。信号联锁：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性 的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进 行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产 过程的信息控制和管理。(5)可编程序控制器的发展方向随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的 不断延伸，PLC的结构和功能也在不断地进行完善和 扩充。实现控制功能和管理功能的结合，以不同厂家 的产品构成开放型的控制系统是自动化系统主要的发 展理念之一。长期以来PLC走的是专有化

16、的道路，这 使得其成功发展的同时也带来了许多制约因素。目前，绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放 型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。10.3.2 PLC基本组成PLC基本组成包括：CPU、通信接口、外设接 口、I/O接口等。模块化PLC的应用更广泛，它在 系统配置上更灵活，用户可以根据规模和设计要求 进行配置，模块与模块之间通过外部总线连接，如 下图所示10-7 模块化PLC结构示意图在模块化PLC系统中，一组基本的功能模块可以构 成一个机架，CPU模块所在的机架通常称为中央机架， 其他机架称为扩展机架。根据安装位置的不同，机架的扩展方式又分为本地 连接扩展和远程连接扩展两种。前者要求所有机架都集 中安装在一起，机架与机架间的连接距离通常在数米之 内；后者一般通过光缆或通信电缆实现机架间的连接