计算机测控系统

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1、计算机测控系统新编电气工程师手册全3 册:1 概 述随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，计算机在 过程自动化、工厂自动化、计算机综合生产系统等自动化领域中得到 越来越广泛的应用。例如用它来实现对生产过程的自动监控、产品质 量的自动检验、能源自动检测与管理等。这类技术的采用，对于提高 产品的产量与质量降低成本、确保生产安全、改善工作条件、减轻劳 动强度、节省能源和材料、实现生产过程的优化控制及科学管理等都 具有重要作用。计算机测控技术的发展在国际上大致可分为三个阶段。20 世纪 50 年代至 60 年代为开创时期；60 年代末至70 年代初为系列化小型 工业控制机发展时期；进入70

2、年代中期以后，以微型机为基础的测 控技术和以4C （计算机、通讯、控制、CRT）技术为特征的分散型 控制系统得到了长足发展。目前正是这一阶段的鼎盛时期。正是这一 时期，工业计算机测控技术才真正被广泛地应用于各种生产领域，这 一阶段的工业计算机测控技术不仅注重监控，而且注重管理，把过程 监控和生产管理有机结合在一起。监控与管理集成系统、智能自动系 统已成为当前国际上工业计算机测控技术的发展方向。80 年代初，给排水行业中的工业计算机测控技术还基本上是一 片空白。80 年代中期以后，一些基于微处理器的简单控制装置开始 在给排水行业中运行。从80 年代末开始，一大批国外贷款工程的实 例，引进了多种计

3、算机检测控制产品和技术，使计算机测控技术在国 内给排水行业得到普遍应用，并带动了相关技术的发展，培养了一大 批计算机测控技术人才。今天，计算机测控技术已成为给排水行业不 可缺少的、最具活力的部分之一。出现这种情况一方面是由于工艺过 程对监控和管理的要求进一步提高；另一方面，由于计算机测控技术 的发展，新一代高性能、高可靠性、低价格的计算机控制系统确实能 够满足这种需求。总之，由于计算机测控技术的发展，在一定程度上促进了给排水 工艺技术的革新。给排水技术的革新反过来又给计算机测控技术的发 展提出了更高的要求。这种相互促进的良好态势将使计算机测控技术 在给排水行业中的应用不断向前迈进。2 计算机测

4、控系统分类 计算机测控系统根据其类控制方案、体系结构、复杂程度和技术 发展来源不同，可分成以下几种典型类型。(1)可编程控制器：可编程序控制器简称PLC,是一种数字式运 算操作的电子系统，专门为工业环境下使用而设计。它采用可编程序 的存储器,在其内部储存并执行逻辑、顺控、计时、四则运算等功能, 并通过数字或模拟式输出输入组件,控制各种生产机械和生产过程。 它是通过早期继电器逻辑控制系统与现代计算机技术相结合而发展 起来的新一代计算机控制装置。它的低端即为继电逻辑控制器件的代 用品,而其高端实际上是一种高性能的工业计算机控制系统。与普通 计算机相比，它具有更强的工业过程接口，更直接地适用于控制要

5、求 的编程语言，并具有可以在恶劣环境下运行等特点。【PLC的基本组成可用图表示（见附图）】1）中央处理器（CPU）:中央处理器（CPU）是PLC控制系统 的核心，它主要用来实现逻辑和算术运算，采用扫描的方式接受现场 输入装置的状态或数据，并存入输入状态表或寄存器中，同时可诊断 电源、内部电路的工作状态以及编程过程的语法错误。PLC运行时， 中央处理器（CPU ）从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后 按指令规定的任务产生相应的控制信号去指挥整个系统工作。目前大型PLC多采用双极型位片式处理器或16位微处理器，甚 至32位超级微处理器作为其中中央处理器（CPU）;而中、小型PLC 的中央处理

6、器主要选用8位通用微处理器，微型 PLC 的中央处理器 （CPU ）则都使用单片机。2）存储器：存储器用来存放监控程序、功能子程序、调用管理 程序和用户程序及数据等。目前使用的存储器主要有 CMOS、 RAM、 EPROM、 E2PROM。CMOSRAM是一种动态存储器。在PLC中通常用来存储那些经常发 生变化的程序和数据。为了防止因失电源掉电而造成的数据丢失，一 般使用专用电池作为其后备电池。EPROM, E2PROM属于半导体静态 储存器，读取容易，但要在线刷新则较麻烦。这种储存器的优点在于 不需要电池后备，数据不容易丢失。PLC中通常用它来储存不需要更 改的程序和数据。3）输入/输出（I

7、/O）接口：将工业过程信号与中央处理器（CPU） 联系起来的装置称为输入/输出（I/O）接口。它通常包括数字量（I/O） 和模拟量（I/O）。数字量输入接口将工业过程中的状态信号转换成符 合计算机电平的内部信号供中央处理器（CPU）识别。数字量输出接 口则将内部电平信号转换成外部过程状态信号。模拟量输入接口将工 业过程中可连续变化的信号转换成中央处理器（CPU）可识别的数字 信号。模拟量输出接口则将中央处理器（CPU）内部的数字量信号转 换成工业过程中可连续变化的信号。传统的接口概念是指一种能实现 电平转换的电路。由于智能输入/输出（I/O）接口的出现，使这一概 念发生了变化。这些智能输入/输

8、出（I/O）接口带有自身的处理器系 统，它们本身就是一台计算机。它们使 PLC 使用更为灵活，功能更 为强大。4）通讯接口：目前一般的 PLC 均配有通讯接口，用来实现“人 机”或“机机”对话。这类通讯接口是实现多级多机 PLC 网络 控制系统的硬件基础。它使得 PLC 可以完成整个工厂的自动化控制 任务。PLC所配通讯接口一般为标准型如：RS-232C、RS-422或RS-485 等。一台PLC可以配一个或多个通讯接口以完成不同的任务。5）编程器：PLC最大的优点是可以在不改变硬件的条件下，通 过调整程序（软件）来改变控制动作。而编程器正是用来编辑程序并 使之下载至PLC的装置。编程器除了用

9、来编写、输入、调试用户程 序外，还可以用来完成对现场工业过程的监视。它实际上也是一种“人机”接口。编程器可分为专用型和通用型两种。专用型一般带LED或LCD 显示器，较为简单的键盘，体积小且轻便，适于编写小程序或对已经 编好的程序进行调试。通用型编程器一般为普通个人计算机配以专用 软件。由于有丰富的软件支持和完善的存储手段，可以用来编写大型 程序。6）电源：PLC作为一种面向恶劣工业现场环境的控制装置其电 源必须能够抑制工业现场的电干扰和磁干扰。PLC的电源一般来源于220V交流电源。使用带屏蔽的变压器使 电源内部与电网隔离开来，防止外界电磁干扰对它的影响。电路形式 一般有串联稳压电源开关稳压

10、电源两种。使用效果都比较好。（2）单、多回路调节器是简单的计算机闭环控制系统。其功能 是用来实现工业过程中某一或多个回路的自动控制。在过去的很长一段时间内，模拟式控制仪表是生产过程自动控制 的主要手段，它具有运行容易、操作方便、价格便宜的优点，因而受 到用户的欢迎。随着计算机数字技术的发展，模拟式控制仪表逐渐显 示出它的不足。主要表现在控制精度差，功能不全，难以实现程序、 前馈控制、纯滞后控制等。特别是不能与计算机网络相连接。这些不 足促使了以微处理器为核心的数字式控制仪表逐步取代模拟式控制 仪表。单、多回路调节器亦属于这类控制仪表。它既可以单独使用， 实现某一回路的自动控制，也可以用来构筑分

11、散式控制系统的低端， 实现整个生产过程的自动控制。近年来由于计算机控制技术的不断发展，出现了智能I/O和远程 I/O 等产品。这些产品从功能上完全可以取代单、多回路调节器，而 且从功能上完全可以取代单、多回路调节器，而且在网络功能上更加 完善。但是从仪表的角度来看，单、多回路调节器仍有存在和发展的 空间。（3）微机测控系统是专为工业过程自动控制而设计的。它除可 靠性高、抗干扰能力强、能够在恶劣工业环境中长期无故障运行外， 另一个显著特点是配有较为典型的有STD总线、VME总线、MULTI 总线工业控制计算机测控系统。这类系统组态灵活，可靠性高，造价 低，非常适合一些技术改造和更新的生产过程使用

12、。影响这类控制系 统的关键是编程软件难度较大，需要专门 人员才能胜任，且程序通 用性较差。通用性微机测控系统是指使用通用的个人计算机配以各种I/O模 块而组成的计算机控制系统。由于个人计算机上有丰富的软件资源可 用，所以在软件方面这类系统有明显的优越性。为通用型微机测控系 统配套的各种 PC 总线 I/O 模板是为满足工业现场而设计的，同样具 有良好的抗干扰和耐冲击能力。再加上造价低，这种系统也有一定的 市场。但是由于整个系统的核心一一个人计算机并非是为工业过程控 制而设计的，虽然目前有些工业个人计算机可供选择，但在结构上仍 属个人计算机范畴，而对环境的适应性和维护性方面仍与其他工业计 算机控

13、制系统有一定差距。故在较为重要、危险的场合很少使用这类 系统。（4）集散型控制系统（DCS）：在生产过程中，很多情况下不仅 要求生产过程自动化，而且要在长时间的保持生产过程处于最优的生 产状态。为满足生产过程的这一需求， 70 年代中以后，集散型控制 系统（又称 DCS 系统）开始发展起来。目前这一系统已广泛地用于 给排水领域。并已成为所有类型的控制系统中应用范围最广，层次最 高的控制系统。集散型控制系统就是将管理和指挥权集中，将功能和控制权分 散。既把整个系统系统从地理上和功能上分散开来，降低某一部分故 障对全局的影响，又通过网络通道将信息集中起来，实现整个系统的 集中监视和管理。具体而言就

14、是采用一台中央计算机（可以是较高档 的微机甚至于小型机）指挥若干台面向过程的现场测控计算机（站） 和智能控制单元。这些测控计算机和智能控制单元直接对各自区域的 对象实施测量、控制、优化，并向中央计算机报告过程运行情况。中 央计算机负责全局综合控制、管理、调度、计划等，协调各现场测控 计算机和智能控制单元之间的工作，以及测控执行情况的报表统计等 任务。DCS 系统可以是两级的，三级的甚至是多级的。在给排水系统 中应用时，一般不超过三级。随着测控技术的发展， DCS 系统不仅可以实现生产过程的测量 和控制，而且可以实现在线优化、生产过程的实时调度、计划和统计 等，是一种集测、控、管为一体的综合系统

15、。这种综合系统不仅用于 局部的优化控制，而且能对生产过程中各种耦合和相互作用以及所有 复杂的反馈加以识别和控制，从而达到系统总体优化的目的。虽然 DCS 控制系统有较高的可靠性和强大的功能，但是目前所 介绍的几种计算机控制系统相比，其系统价格也高。在一般中、小型 给排水项目中、当经济条件不允许时，可采用其他计算机控制系统模 式。但为提高控制技术水平，缩小与发达国家的技术差距，在一些有 经济条件的大型给排水项目中，可以选用DCS系统。典型 DCS 系统组成见图（5）小结：随着技术的不断发展，上述计算机控制系统的分类 已不再是非常严格。很多界于类别之间的产品正在问世。如界于 PLC 和DCS之间的

16、PCS （过程控制系统）就是一例。甚至还出现了包容 性的计算机控制系统，如全集成自动化（TIA）系统等。当我们进行 所谓类别选择时，往往只是一种模糊的选择。为了设计的科学合理， 应对当今世界上最重要的计算机控制系统制造商和他们的产品有一 个非常深入的了解，只有这样，才能根据工程经济与技术条件，做出 最恰当的计算机控制系统类型的选择。3、算机测控系统设计步骤和方法3.1编写计算机测控系统功能说明书在进行某一项目的计算机测控系统设计时，必须首先了解测控对 象及其对测控系统的要求。所以，在进行其他工作之前，应以该项目 工艺人员工艺人员为主，电气、仪表、自控人员参加，共同编制该项 目计算机测控系统功能要求说明书。该说明书应详细列举生产过程对 计算机测控系统的功能要求，它是进行该项目计算机测控系统设计的 重要依据。这个说明书的主要内容应包括：（1）工艺情况简介（含工艺流程）。（2）工艺设备布置。（3）需测控的工艺、电气