第三章 BA系统的计算机控制技术

1、第三章第三章 BA系统的计算机控制系统系统的计算机控制系统v3.1 概述概述v3.2 集散控制系统集散控制系统v3.3 现场总线现场总线3.1 概述概述 智能建筑的智能建筑的BA系统是建立在系统是建立在计算机控制技术计算机控制技术基础基础上的采用最先进的通信技术的上的采用最先进的通信技术的集散控制系统集散控制系统，允，允许对各个子系统设备的运行进行自动化的监控。许对各个子系统设备的运行进行自动化的监控。3.1.1 计算控制系统的发展计算控制系统的发展v3.1.1.1 集中式计算机控制系统集中式计算机控制系统（1）直接数字控制阶段）直接数字控制阶段DDC（2）集中型控制系统）集中型控制系统（3）

2、集散控制系统）集散控制系统（4）FCS现场控制系统现场控制系统3.1.1.1 直接数字控制阶段直接数字控制阶段DDC 用一台计算机对多个参数进行实时数据采集，按照用一台计算机对多个参数进行实时数据采集，按照一定的控制算法进行运算，然后输出调节指令到执行一定的控制算法进行运算，然后输出调节指令到执行机构，直接对生产过程施加连续调节作用，使被控参机构，直接对生产过程施加连续调节作用，使被控参数按照工艺要求的规律变化。数按照工艺要求的规律变化。计计 算算 机机生生 产产 过过 程程CRTCRT打印机打印机报警报警操作台操作台输入通道输入通道（AI,DIAI,DI）输出通道输出通道（AO,DOAO,D

3、O）DDCDDC控制系统原理图控制系统原理图计算机监控系统（计算机监控系统（SCC）计算机监控系统计算机监控系统采用两级计算机模式采用两级计算机模式。SCCSCC用计算机按用计算机按照描述生产过程的数学模型和反映生产过程的参数信息照描述生产过程的数学模型和反映生产过程的参数信息，实时计算出最佳设定值送与，实时计算出最佳设定值送与DDCDDC计算机或模拟控制器计算机或模拟控制器，由，由DDCDDC计算机或模拟控制器根据实时采集的数据信息计算机或模拟控制器根据实时采集的数据信息，按照一定的控制算法进行运算，然后输出调节指令到，按照一定的控制算法进行运算，然后输出调节指令到执行机构，执行机构对被控参

4、数按照工艺要求的规律变执行机构，执行机构对被控参数按照工艺要求的规律变化，确保生产工况处于最优状态。化，确保生产工况处于最优状态。 SCC SCC系统较系统较DDCDDC系统更接近生产实际的变化情况，是系统更接近生产实际的变化情况，是操作指导系统和操作指导系统和DDCDDC系统的综合与发展，不但能进行定系统的综合与发展，不但能进行定值调节，而且也能进行顺序控制、最优控制和自适应控值调节，而且也能进行顺序控制、最优控制和自适应控制。制。生生 产产 过过 程程SCCSCC计计算算机机DDCDDC计算机计算机调节调节测量测量最佳设定值最佳设定值工艺参数工艺参数记录记录显示显示打印打印SCC+DDCS

5、CC+DDC控制系统原理图控制系统原理图 3.1.1.2 分布式控制系统（分布式控制系统（DCS）又称集散控制系统。采用分散控制、集中操作、分级又称集散控制系统。采用分散控制、集中操作、分级管理、综合协调的设计原则，从上到下将系统分为现管理、综合协调的设计原则，从上到下将系统分为现场控制层、监控层和管理层。在同一层次中，各计算场控制层、监控层和管理层。在同一层次中，各计算机的功能和地位是相同的，分别承担整个控制系统的机的功能和地位是相同的，分别承担整个控制系统的相应任务，而它们之间的协调主要依赖上一层计算机相应任务，而它们之间的协调主要依赖上一层计算机的管理，部分依靠与同层中的其他计算机数据通

6、信实的管理，部分依靠与同层中的其他计算机数据通信实现。现。FCSFCS控制系统原理图控制系统原理图管理计算机管理计算机网关网关现场智能设备现场智能设备网关网关现场智能设备现场智能设备网关网关现场智能设备现场智能设备以太网以太网现场总线控制系统的基本组成现场总线控制系统的基本组成3.1.2 计算机控制系统的基本知识计算机控制系统的基本知识2.1.1 2.1.1 计算机控制技术计算机控制技术 1. 1. 计算机控制系统的基本原理计算机控制系统的基本原理计算机计算机D/AD/A转换转换器器执行器执行器被控对象被控对象被控参数被控参数干扰干扰给定值给定值传感器传感器/ /变送器变送器A/DA/D转换转

7、换器器+ +- - 自动控制的任务是控制某些参数按照指定的规律变自动控制的任务是控制某些参数按照指定的规律变化，满足设计要求。控制过程包括数据采集和控制两化，满足设计要求。控制过程包括数据采集和控制两个环节。个环节。3.1.2 计算机控制系统的基本知识计算机控制系统的基本知识 计算机控制系统，从本质上看，它的控制过程可计算机控制系统，从本质上看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤以归结为以下三个步骤:1.实时数据采集实时数据采集2.实时决策实时决策3.实时控制实时控制管理计算机管理计算机网关网关操作站操作站工程师站工程师站I/OI/O或或1 1I/OI/O或或2 2I/OI/O或或n nRS-

8、485RS-485以太网以太网DCSDCS控制系统原理图控制系统原理图管理层管理层监控层监控层现场控制层现场控制层3.2 集散控制系统集散控制系统3.2.1 集散控制系统基本概念集散控制系统基本概念3.2.2 集散控制系统的组成与系统结构集散控制系统的组成与系统结构基本组成基本组成v分散过程控制装置分散过程控制装置v操作管理装置操作管理装置v通信系统通信系统 现场现场I/OI/O控制站控制站 将复杂的被控对象分解为将复杂的被控对象分解为n n个简单子对象分别实施相个简单子对象分别实施相应的控制。主要功能有三项：应的控制。主要功能有三项： 实时采集表征生产过程的各种参数和状态信号，实时采集表征生

9、产过程的各种参数和状态信号，经数字化处理后送入存储器储存，形成一个反映生产经数字化处理后送入存储器储存，形成一个反映生产现场实际工况，而且对所采集的数据信息进行实时更现场实际工况，而且对所采集的数据信息进行实时更新的动态数据库。新的动态数据库。 将所采集的实时数据信息通过通讯网络送至操作将所采集的实时数据信息通过通讯网络送至操作员站、工程师站及其他现场员站、工程师站及其他现场I/OI/O控制站，实现全系统控制站，实现全系统范围内的控制、监督和管理；同时，现场范围内的控制、监督和管理；同时，现场I/OI/O站站还可以接受来自操作员站、工程师站下的指令，实现对还可以接受来自操作员站、工程师站下的指

10、令，实现对现场现场I/OI/O控制站工艺参数设定值的变更，以及现场工况的控制站工艺参数设定值的变更，以及现场工况的人工调控。人工调控。 担任现场的闭环负反馈控制、顺序控制等任务。担任现场的闭环负反馈控制、顺序控制等任务。 操作员站操作员站 由工业微机、键盘、鼠标、由工业微机、键盘、鼠标、CRTCRT和操作控制台组成，和操作控制台组成，是实现人机界面功能的网络节点，起着汇总报表及图是实现人机界面功能的网络节点，起着汇总报表及图形显示的作用。形显示的作用。 工程师站工程师站 系统工程师通过它可以及时调整系统的配置、参数系统工程师通过它可以及时调整系统的配置、参数设定，从而使设定，从而使DCSDCS

11、处于最佳工作状态之下；同时还可处于最佳工作状态之下；同时还可对各个现场对各个现场I/OI/O控制站、各个操作员站的运行状态和网控制站、各个操作员站的运行状态和网络的通信情况等进行实时监控，及时维护网络节点。络的通信情况等进行实时监控，及时维护网络节点。 DCS DCS的通信网络的通信网络 DCSDCS的基本结构是计算机网络，现场的基本结构是计算机网络，现场I/OI/O控制站、操控制站、操作员站和工程师站都是连接在这个网络上的三类节点作员站和工程师站都是连接在这个网络上的三类节点，均包括，均包括CPUCPU和网络接口等，也都有自己特和网络接口等，也都有自己特定的网定的网络络地址，可通过网络发送和

12、接受数据信息。地址，可通过网络发送和接受数据信息。 目前应用最广的网络结构是总线型网和环形网。在这目前应用最广的网络结构是总线型网和环形网。在这两种网络结构中，各个节点地位平等，它们之间的通信两种网络结构中，各个节点地位平等，它们之间的通信均可通过网络直接进行。均可通过网络直接进行。 为了实现网络节点之间的通信，介质访问控制采用令为了实现网络节点之间的通信，介质访问控制采用令牌控制方式。令牌是一组特定的二进制码，作为有权占牌控制方式。令牌是一组特定的二进制码，作为有权占有传输介质的标志。有传输介质的标志。 令牌在网络节点之间按顺序轮流传递，形成循环。某令牌在网络节点之间按顺序轮流传递，形成循环

13、。某个节点在接到令牌的某时段内有权占有传输个节点在接到令牌的某时段内有权占有传输介质，介质，进行通信，时段结束转交下一个节点，循环反复，各进行通信，时段结束转交下一个节点，循环反复，各个节点均可定时占有传输介质，发送信息。个节点均可定时占有传输介质，发送信息。 令牌控制方式不但可以对各个节点占用传输介质的令牌控制方式不但可以对各个节点占用传输介质的时段加以确定，而且对各个节点占用传输介质的顺序时段加以确定，而且对各个节点占用传输介质的顺序也可进行设定和调整，因此信息传送的实时性好。也可进行设定和调整，因此信息传送的实时性好。 DCSDCS虽然称为分布式控制系统，但其现场测控层并虽然称为分布式控

14、制系统，但其现场测控层并未彻底实现分布。现场未彻底实现分布。现场I/OI/O站的控制器与现场自动化站的控制器与现场自动化仪表（如传感器、执行器）的测控信号联系仍为仪表（如传感器、执行器）的测控信号联系仍为DC4DC420mA20mA的模拟信号，因此为半数字化系统。的模拟信号，因此为半数字化系统。3.2.5 DCS系统特点系统特点v分级递阶控制分级递阶控制v分散控制分散控制v自治性自治性v协调性协调性v友好性友好性v适应性、灵活性、可扩展性适应性、灵活性、可扩展性v开放系统开放系统v可靠性可靠性PCS 7的特点的特点v SIMATIC PCS 7 -西门子过程控制系统之特点西门子过程控制系统之特

15、点 v 基于标准的基于标准的SIMATIC软件和硬件组件软件和硬件组件 v 先进的分布式客户机先进的分布式客户机/服务器架构服务器架构 v 可伸缩性强，从小型实验室系统，到具有高达可伸缩性强，从小型实验室系统，到具有高达60，000个过程对象的大型工厂个过程对象的大型工厂 v 可用于连续和批处理应用可用于连续和批处理应用 v 可用于所有工业领域：过程、制造以及混合工业可用于所有工业领域：过程、制造以及混合工业 v 强大的强大的HMI系统，带有集成的基于系统，带有集成的基于SQL服务器的归档服务器的归档系统系统 v PCS 7的特点的特点v 基于基于IEC 61131 的集中式，工厂范围内的工程

16、系统的集中式，工厂范围内的工程系统 v 通过现场总线通过现场总线PROFIBUS，现场设备和驱动系统均可，现场设备和驱动系统均可很灵活和容易的集成很灵活和容易的集成 v 无缝集成的安全系统，通过无缝集成的安全系统，通过TV*验证的可满足验证的可满足AK6/SIL3 v 在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和故障安在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和故障安全相结合的形式，高可用性和故障安全相结合的形式全相结合的形式，高可用性和故障安全相结合的形式 v 可在所有层级实现冗余，提高可用性可在所有层级实现冗余，提高可用性 v 符合符合ISA S 88.01 和和FDA 21 CFR Part 1

17、1规范的模块规范的模块化批处理系统化批处理系统SIMATIC BATCH v 通过通过SIMATIC IT架构实现架构实现 MES/ERP层级的接口层级的接口优势优势v 具有多用户能力的具有多用户能力的HMI组件组件 v 大容量架构大容量架构 v 客户机客户机-服务器结构服务器结构 v 冗余冗余 v 在线修改在线修改 v AS, I/O 模块模块, I/O v 热插拔（运行中插入和拔出模块）热插拔（运行中插入和拔出模块） v 运行中可进行扩展运行中可进行扩展 / 修改修改 v 用于危险区域的用于危险区域的I/O 模块模块 v 冗余（控制器、模块和冗余（控制器、模块和PROFIBUS） v 集成

18、的故障安全技术集成的故障安全技术 v 智能现场设备智能现场设备/驱动设备的集成驱动设备的集成通讯通讯 v 快速以太网和快速以太网和PROFIBUS DP/PA v 光纤交换技术光纤交换技术 v 冗余（系统总线和现场总线）冗余（系统总线和现场总线） v 在线扩展在线扩展 v 工程工程 v 集中式工程工具，简单易用，通用操作集中式工程工具，简单易用，通用操作 v 批量工程，具有导入批量工程，具有导入/导出功能导出功能 v 应用图形化和面向应用图形化和面向PLT的工具进行全面、有效的工程的工具进行全面、有效的工程 v 集成的集成的SIMATIC PDM软件对智能现场设备进行集中参数化软件对智能现场设

19、备进行集中参数化 v 软件模拟和测试软件模拟和测试 v 修改跟踪功能修改跟踪功能 v 分布式、并行工程功能分布式、并行工程功能 v 工程工程v 集中式工程工具，简单易用，通用操作集中式工程工具，简单易用，通用操作 v 批量工程，具有导入批量工程，具有导入/导出功能导出功能 v 应用图形化和面向应用图形化和面向PLT的工具进行全面、有效的工程的工具进行全面、有效的工程 v 集成的集成的SIMATIC PDM软件对智能现场设备进行集中软件对智能现场设备进行集中参数化参数化 v 软件模拟和测试软件模拟和测试 v 修改跟踪功能修改跟踪功能 v 分布式、并行工程功能分布式、并行工程功能 Batchv配方

20、与单元和设备无关配方与单元和设备无关 v层级配方，符合层级配方，符合ISA S88.01 v从小型工厂到超大型工厂，灵活伸缩单用从小型工厂到超大型工厂，灵活伸缩单用户系统或客户机户系统或客户机-服务器结构服务器结构 v冗余性冗余性 v符合符合21 CFR Part 11 规范，查账索引，路径规范，查账索引，路径保护，电子签名保护，电子签名 v紧密集成在紧密集成在HMI和工程系统中和工程系统中现场总线是连接现场智能仪表和自动控制系统的数字现场总线是连接现场智能仪表和自动控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，即现场总线式、双向传输、多分支结构的通信网络，即现场总线是控制系统中最底层的通

21、信网络，它以串行通信方式是控制系统中最底层的通信网络，它以串行通信方式取代传统的取代传统的DC4DC420mA20mA模拟信号，能为众多现场模拟信号，能为众多现场智能智能仪表仪表实现多点连接。它支持处于底层的现场智能仪表实现多点连接。它支持处于底层的现场智能仪表，利用公共传输介质与上层系统互相交流信息，具备，利用公共传输介质与上层系统互相交流信息，具备双向数字通信功能。双向数字通信功能。3.3 现场总线现场总线 现场总线控制系统的特点现场总线控制系统的特点 现场通信网络现场通信网络 现场总线将通信线一直延伸到生产现现场总线将通信线一直延伸到生产现场的生产设备，构成现场智能仪表互连的通信网络，场的生产设备，构成现场智能仪表互连的通信网络，信号传输全数字化，抗干扰能力强，精度高。信号传输全数字化，抗干扰能力强，精度高。 现场设备互连现场设备互连 由于现场智能节点之间通过一对信号由于现场智能节点之间通过一对信号互连，一对信号传输线使得互连，一对信号传输线使得N N个现场智能节点能够双向个现场智能节点能够双向传输信号。传输信号。 互操作性互操作性 由于现场总线设备实现了功能模块及其参由于现场总线设备实现了功能模块及其参数的标准化，因此设备间有