第四章计算机控制系统

1、计算机控制系统计算机控制系统工业控制计算机的特点工业控制计算机的特点：l可靠性强，抗干扰能力强；可靠性强，抗干扰能力强；l与用户设备联结方便；与用户设备联结方便；l可以使用单一的计算机语言，或通用语言。可以使用单一的计算机语言，或通用语言。计算机控制基本原理：计算机控制基本原理：l计算机中，所有数据均以计算机中，所有数据均以高低电平高低电平表示表示有电、无电；有电、无电；l所有数据存在位置都以所有数据存在位置都以地址地址表示；表示；l计算机通过指定地址（包括接口位置）对数据读、写。计算机通过指定地址（包括接口位置）对数据读、写。概概 述述概概 述述外围设备的电信号（开关量或数字量）转换成一定的

2、计算机数据码后，CPU经过接口地址就可以获得外部信息，通过相反途径就可以将计算结果输出到外部设备。计算机与外部设备的联结部件称为计算机输入/输出（I/O）模块。计算机内部结构原理图计算机内部结构原理图CPUROMRAMEPROMI/OCRTPRNKBMOUSENETI/O直接数字控制系统直接数字控制系统直接数字控制系统直接数字控制系统D Direct irect D Digital igital C Control ontrol DDCDDCl用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法计算出

3、控制经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用到执行机构上，实现对生产量，并通过输出通道，直接作用到执行机构上，实现对生产过程的闭环控制。过程的闭环控制。DDCDDC控制系统实质上是以计算机为控制器过程控制系统。控制系统实质上是以计算机为控制器过程控制系统。DDCDDC控制系统的特点：控制系统的特点：l高可靠性，友好的人机对话界面，方便的显示打印功能，灵高可靠性，友好的人机对话界面，方便的显示打印功能，灵活的控制规律。活的控制规律。集散控制系统的基本概念集散控制系统的基本概念 集散控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断集散控制系统是随着现代大型工业生产

4、自动化的不断兴起和过程制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，兴起和过程制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它紧密依赖于自动控制技术、计算机技术、通信技术和它紧密依赖于自动控制技术、计算机技术、通信技术和CRTCRT显示技术显示技术(4 (4C)C)。 集散控制系统又称分散型控制系统集散控制系统又称分散型控制系统 DCS-Distributed Control SystemDCS-Distributed Control System “ “分散分散”指指： 1 1、工艺上各种设备地理位置的分散。、工艺上各种设备地理位置的分散。 2 2、功能分散。、功能分散。 “ “集集”：集中监视：集中监

5、视、集中管理。集中管理。 DCSDCS系统是一个为满足大型工业生产日益复杂的过程控系统是一个为满足大型工业生产日益复杂的过程控制的要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中制的要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中的原则构成。它具有高可靠性指标，不断以新的技术成果充的原则构成。它具有高可靠性指标，不断以新的技术成果充实和研制，以微处理器、微型计算机技术为核心实和研制，以微处理器、微型计算机技术为核心, , 与数据通与数据通信技术、信技术、CRTCRT显示、人机接口、输入输出技术相结合的，用显示、人机接口、输入输出技术相结合的，用于生产管理、数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿

6、的于生产管理、数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿的新型计算机控制系统。新型计算机控制系统。集散控制系统特点 与常规控制仪表相比较，与常规控制仪表相比较， 优点优点 控制功能齐全，可实现复杂控制、最优控制控制功能齐全，可实现复杂控制、最优控制 便于信息的综合和分析。便于信息的综合和分析。 存在问题存在问题 1 1、危险集中、危险集中 2 2、性能问题：单机负荷过载、性能问题：单机负荷过载 3 3、开发周期、开发周期 解决方法解决方法 选用高可靠性能的计算机选用高可靠性能的计算机 引入双重化，增加后备装置引入双重化，增加后备装置 DCSDCS系统的结构是一个分布式系统。其逻辑结系统的结构是一个

7、分布式系统。其逻辑结构为树结构。按系统结构进行垂直分解构为树结构。按系统结构进行垂直分解 各级既相互独立由相互联系。各级既相互独立由相互联系。 每一级又水平分解成若干子集。每一级又水平分解成若干子集。集散控制系统结构集散控制系统结构中央操作台网间连接器管理计算机过程控制级（过程控制级（Process Control Unit ） 直接面向生产过程，是系统与过程之间的接口过程变量(参数)操作监视的数据过程控制级过程控制级过程控制级功能 生产过程的数据采集、反馈控制、顺序控制、批量控制等。在其内部完成：A/D转换，各种控制算法的运算，对模拟量进行滤波及工程单位转换，将采集到的实时数据通过网络送到操

8、作员(工程师)站或其他I/O站。过程控制级装置l多回路控制器 单回路控制器l多功能控制器 可编程逻辑控制器l数据采集装置 系统硬件系统硬件控制站控制站（CONTROL STATION, 简称CS）: 由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元组成通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站 过程控制站PCS 逻辑控制站 LCS 数据采集站DAS核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS)获得各种I/O卡件的信息。I/O单元机笼I/O单元机笼机柜结构外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。 机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件为保证散热降温，

9、柜内装有风扇。柜内大多设有温度自动控制装置机柜示例 浙大中控JX-300系统 卡件实例图电源 交流电源交流电源： 交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统供电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。v每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相互为冗余。v如果附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地。这样能很好的隔离共模干扰。v对控制连续性要求特别高的场合，应装设不间断供电电源UPS 。电源 柜内直流稳压电源：柜内直流稳压电源： 统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般为24V）供给柜内直流母线。各层机架内设有子电源单元，将母线上送来的单一

10、直流电压转变成机架所需的各种电压（+5V、 12V、 15V等）。 主控电源采用1：1冗余配置。 子电源单元采用1：1或N：1冗余配置I/O通道 在过程控制计算机中，种类最多，数量最大的是各种I/O接口模件(卡件)。来自过程对象的被测信号通过输入卡件，进入现场控制站，然后按一定的算法进行数据处理，并通过输出卡件向执行设备送出控制或报警等信息。I/O通道 AI通道 AO通道 SI通道 SO通道模拟量输入通道(AI) 一般由端子板、信号调节器、A/D插板、及柜内连接电缆组成。v端子板端子板：用于连接现场信号电缆，对每一路信号线路提供正负极两个接线端子及屏蔽层的接地端子。v柜内电缆柜内电缆：端子板、

11、信号调节器与A/D板之间的信号连接。v信号调节器信号调节器：将各种范围的模拟量输入信号统一转换成05V或010V的电压信号送入A/D板。 采用差动放大器，并且每一路都串接了滤波器。vA/DA/D插板插板：信号调节器输入的多路模拟信号，按CPU的指令逐一转变为数字量送给CPU。DCS多用12位A/D转换器。时间在100微秒左右。每块A/D插板输入864路模拟信号模拟量输出通道（模拟量输出通道（AOAO） 输出420420mAmA或010010mAmA的直流电流信号。 组成： 输出端子板输出端子板 柜内电柜内电缆缆 每板可提供48路模拟输出，精度有8位、12位几种。输出负载能力一般要求小于500欧

12、。SISI通道通道 开关量输入通道。用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可能是交流电压信号，直流电压信号或干接点。 开关量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备，它是由端子板、SO板及机柜内电缆构成。开关量输入开关量输入/ /输出通道（输出通道（SI/SOSI/SO）过程管理级控制系统工程师、操作员与DCS的界面人机界面。 MMIMan Machine Interface； OIOperator Interface操作人员了解生产过程的运行指令功能功能以操作、监视为主要任务、兼有部分管理功能，可对系统进行组织、监视和操作

13、，对生产过程控制管理、故障诊断等。特征特征 信息量大信息量大 易操作性易操作性 容错性好容错性好 构成装置构成装置过程管理级生产管理级生产管理级指定区域生产计划； 各单元间的协调控制；装置的故障诊断处理和记录；各类操作数据的显示和记录。综合（经营）管理级综合（经营）管理级主要任务主要任务： 收集各种信息(经济情报、市场预测、 销售合同、原材料库存状况、生产进 度、工艺流程及工艺参数). 产生综合性报表 进行长期性的趋势分析 审查最优化 协调和调度各车间生产计划和各部门的关系管理范围管理范围：工程技术、经济、商业实务、人事活动操作站操作站（OPERATER STATION, 简称OS） 以工业P

14、C机为基础的人及接口设备，实现工艺过程监视、操作、记录等功能。可以一机配多 CRT，并配有薄膜键盘、触摸屏幕等输入方式。 具有丰富、使用、友好的实时监控界面。具有分组显示、趋势图、动态流程、报警管理、报表及记录、存档等监控功能。当今的当今的DCSDCS操作站的功能强，速度快，记录数据大，所操作站的功能强，速度快，记录数据大，所以对操作员站内的处理机系统提出了更高的要求。以对操作员站内的处理机系统提出了更高的要求。（1）操作员键盘 通常采用防水、防尘能力，有明确图案（或名称）标志的薄膜键盘。操作键根据其功能可以分为 ：系统功能键、控制调节键、翻页控制键、光标控制键、报警控制键、字母数字键、可编程

15、功能键、用户自定义键。（2）工程师键盘： 在组态和编制程序时使用。键盘的键采用便于系统生成的打字机键排列，键盘只有在系统生成时才和主体连接。概貌显示画面概貌显示画面 仪表面板显示画面仪表面板显示画面 时间范围前翻半页后翻半页当前显示在数据库中位置本页时间本页描述时间轴时 间 轴指示时间显示全部曲线消隐全部曲线趋势曲线显示画面趋势曲线显示画面 报警显示画面报警显示画面 故障诊断画面故障诊断画面 调整画面调整画面系统软件系统软件操作站监控软件操作站监控软件 系统简介 系统总貌 报警一览 控制分组 调整画面 趋势图 流程图 数据一览 故障诊断 组态软件组态软件 I/O组态 常规控制方案组态 SCX语

16、言组态 标准画面组态 流程图登录组态 网络交换数据组态 报表登录组态 语言报警组态 图形化控制方案组态 工程师站（ENGINEERING STATION 简称ES)用于控制应用软件组态、系统监视、系统维护的工程设备组态软件组态软件计算机控制的发展、方向和前景一、控制理论的发展控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互渗透的产物。早期，自动控制系统发展的主要特点是凭借直觉的实证性发明，1948年维纳所著的控制论的发表标志着这门科学的正式诞生。根据自动控制技术发展的不同阶段，控制理论大致分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。19401960年间，经典控制理论得到了广泛的应用，它

17、主要以传递函数、微分方程为数学基础，所用的数学工具为常微分方程、复变函数、拉普拉斯变换等，对单输入单输出线性定常系统的分析与设计，采用的方法主要是频率法和根轨迹法，控制器以模拟硬件为主。但频率法只适于研究系统的输入、输出信号的关系，无法反映系统一些中间变量关系的内部特性，而这些中间变量对实现最优控制是很重要的信息，并且对于时变系统、复杂的非线性系统、多输入多输出系统、最优控制系统和自适应控制系统等，经典控制就显得不适用了。为了摆脱其局限性，1960年后，现代控制理论得到了迅速发展，它主要以传递函数、状态方程为数学基础，所用的数学工具为线性代数、泛函分析、概率统计等，对多输入多输出、变参数、非线性、高精度、高性能控制系统的分析与设计，最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域的主要研究课题，控制器以数字软件为主。80年代以来，自动控制理论又取得了突破性的发展，这就是鲁棒控制理论的诞生和走向成熟。由