控制仪表与计算机装置

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1、计算机控制装置,大块部分,一.计算机控制基础知识 二.实用计算机控制技术 (1)PLC* (2)DCS 面向：小型对象、大型对象、大型复杂对象 三.网络通信、信息集成和利用 (1)现场总线 (2)工业以太网 (3)多总线系统及信息集成,信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求： 1、要求工业自动化系统利用FB技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体性和稳定性等； 2、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。 企业信息化首先需要解决信息集成，它覆

2、盖现场检测、控制、监视、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。,第一部分 计算机控制基础知识,前言,单回路控制系统方块图,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器 （显示仪表根据需要可选）,阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀 泵：开关泵、变频泵,温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 (通常输出：420mA、15V等标准信号） 液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号) 传感器（Pt100、热电偶） ,现场仪表：主要指安装在工业现场的各种变送器、 执行器及其他测量仪表。,变送器选型：量程、安装方式、材

3、质（耐压、防腐）、防爆 执行器选型：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压） 使用：零点调整、量程调整、零点迁移以及其它日常维护和维修等,控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器 （调节器）、显示仪表等。,控制站：数字调节器、IPC、PLC （可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备）,A/D（AI）：模/数转换（模拟量输入） DI ：开关量输入（数字量输入） D/A（AO）：数/模转换（模拟量输出） DO ：开关量输出（数字量输出）,I/O模块,典型的计算机控制系统结构示意图,内 涵：生产过程自动化*（过程控制、优化控制） 信息管理自动化( +客户管理、物流管理，这是今后的发展方向) （即

4、计算机综合自动化）,重 要 性：是实现安全、高效、优质、低耗生产的基本条件和重 要保证，是现代工业生产中不可替代的神经中枢。,相关技术：涉及计算机技术、自动控制技术、检测和传感技术、先进控制技术、智能仪表技术、网络通信技术等。,发展过程：直接数字量控制（DDC） 集中型计算机控制 分布式计算机控制（DCS） 现场总线（工业以太网）控制 ？,6. 计算机控制的基本知识,6.1 计算机控制概述,6.2 网络通信基础,6.3 开放系统互联参考模型,6.4 TCP/IP协议,6.1.1 什么是计算机控制 6.1.2 计算机控制系统的基本组成 6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想 6.1.4 计算机

5、控制系统的发展过程 6.1.5 计算机控制系统的发展特征,4 mA输入0000 0000 0000,20mA输入1111 1111 1111,12mA输入？,6.1.1什么是计算机控制,典型单回路控制系统方块图,工作过程,工作过程：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值； 控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算 控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。,6.1.2 计算机控制系统的基本组成,硬件组成,6.1.2 计算机控制系统的基本组成, 系统软件 支持软件 应用软件,系统软件包括操作系统、

6、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。 如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。,它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同,应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。,软件组成,6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想,1. 可靠性,2. 可维护性,3. 实时性,4. 性能价格比,6.1.3.1 可

7、靠性,定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用概率来表示,(1)可靠性指标,可靠度,单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。 例如：在100只晶体管中有95只在上述规定条件下使用未出现故障， 则其可靠度R0.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高,(1)可靠性指标,可靠度,系统的可靠度除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关：串联连接和并联连接是两种典型的连接方式。,如果分析的是断路失效，则： 串联系统中只要有一个子系统失效，系统

8、就会失效 并联系统中全部子系统发生故障，系统才出现故障,R1=R2=0.9， R并0.99 R1=R2=0.99，R并0.9999,(1)可靠性指标,平均无故障工作时间MTBF(*)(mean time between failures),MTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间,平均故障修复时间MTTR(mean time to repair ),MTTR指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间,(2)提高可靠性的主要措施,选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。,设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。,采用

9、分散控制思想。,增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控制回路中去，保证生产过程的正常运行。,对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。,采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。,另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。,6.1.3.2 可维护性,可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。,设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。,选择系

10、列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。,系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。,软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查和排除故障。,6.1.3.3 实时性,计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。,为了满足实时性要求，需要从硬件和软件两方面来考虑。,6.1.3.4 性能价格比,一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统

11、应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。 一般我们要掌握以下两个原则： 一是系统设计的性能价格比要尽可能高； 二是投入产出比要尽可能低。,6.1.4 计算机控制系统的发展过程,1. 直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）,2. 集中型计算机控制系统,3. 集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）,4. 现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）,6.1.4.1 直接数字量控制,本质 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技

12、术。,起始于50年代末期，开辟了一个轰 轰烈烈的计算机工业应用时代,优点 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。,6.1.4.2 集中型计算机控制系统,出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。,优越性： 从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。,问 题：由

13、于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系统变得十分“脆弱”。,在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。,6.1.4.3 集散控制系统,出发点（2个方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性； (2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,DCS的功能层次,通常分为：直接控

14、制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。,直接控制,经营 管理,生产管理,过程管理,连续过程,间歇过程,离散过程,经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划,过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警,生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。,直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施

15、,在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将2个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCS得以大大简化。,DCS的发展过程,6.1.4.4 现场总线控制系统,DCS向FCS的演变,传统计算机控制系统的结构示意图,定义,是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换,把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业“革命”,FCS现场总线控制系统,6.1.

16、5 计算机控制系统的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势,6.2 网络通信基础,1.2.1 什么是计算机网络？（略）,1.2.2 计算机网络的发展（略）,1.2.3 网络通信的基本概念,1.2.4 计算机网络的拓扑结构,1.2.5 网络传输介质,6.2.3 网络通信的基本概念,(1) 模拟信号与数字信号,(2) 并行传输与串行传输,并行传输：数据的各个位同时传输，可以字或字节为单位并行进行 速度快、通信线多、成本高 不宜远距离通信,串行传输：数据的各个位逐位传输 速度较并行传输慢、通信线少（一般24根）、成本低 适宜远距离通信 几乎所有的计算机控制系统均采用串行数据通信,(3) 通信双方的交互方式,单工通信：数据只有一个方向的通信，没有反方向的交互