计算机控制装置课件

1、计算机控制装置计算机控制与哪些知识内容有关？或做好一个计算机控制系统需要解决些问题？课程主要内容计算机控制基本知识可编程控制器集散控制系统简介（含总线控制）系统的接地技术和防雷技术简介计算机控制基础知识概念、组成、主要设计思想等可编程控制器基本工作原理、简要编程组态、集成应用主要针对：OMRON和SIEMENS PLC针对实际对象的PLC系统设计包括：工艺流程分析、仪表选型、系统集成、控制柜设计等点评交流模拟招标DCS简介可靠性及防雷设计简介主要知识体系第六章 计算机控制的基本知识1 计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程5 网络

2、通信基础6 数字滤波简介进料口变送器进料口出料口H液位计“我”来控制执行器调节器仪表控制上课之前显示仪表进料口变送器执行器控制站计算机控制手动挡汽车自动挡汽车自动驾驶汽车自动挡汽车是根据转速自动升挡或者降挡，不用驾驶员踩离合换挡特斯拉？谷歌？控制室仪表现场仪表进料口变送器执行器调节器仪表控制上课之前显示仪表安装在哪里？控制器(调节器)对象检测仪表+SP执行器显示仪表Optional执行器有哪些？阀门电动调节阀、气动调节阀电动开关阀（电磁）、气动开关阀泵（电机）变频开关检测仪表有哪些？连续信号：变送器（如T、P、L、F、A，通常输出420mA、15V等标准信号） 传感器（热电阻、热电偶）开关信号

3、：液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号)控制室仪表现场仪表进料口变送器执行器调节器仪表控制上课之前显示仪表安装在哪里？控制器(调节器)对象检测仪表+SP执行器显示仪表Optional*执行器*口径流量特性安装方式材质(耐压/防腐）供电和防爆信号类型现场仪表选型要注意哪些因素？*检测仪表*量程安装方式材质(耐压/防腐）供电和防爆信号类型进料口变送器执行器调节器仪表控制上课之前进料口变送器执行器计算机控制控制站IPC、PLC、数字调节器可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备进料口变送器执行器调节器仪表控制上课之前进料口变送器执行器计算机控制控制站控制器(调节器)对象检测仪表+

4、SP执行器控制站(计算机)对象检测仪表+SP执行器？最常见的I/O接口：AI模/数转换(模拟量输入)DI开关量输入(数字量输入)AO数/模转换(模拟量输出)DO开关量输出(数字量输出)上课之前420mA等信号二进制信号IO接口？计算机控制站AI(A/D)AO(D/A)现场仪表DIDO网关FF、ProfiBus等现场总线典型的计算机控制系统结构示意图I/O系统控制站现场设备层控制层操作站Ethernet/专用总线数据服务器高级控制器管理层WEB服务器管理计算机Ethernet互联网服务器Internet/Intranet上课之前内 涵：工业（自动）化 信息化作 用：是实现安全、高效、优质、低耗生

5、产的前提是现代工业生产不可缺少的神经中枢 相关技术：自动控制技术、检测和传感技术、计算机技术、网络通信技术、先进控制技术、智能仪表技术 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） 总线（工业以太网）控制 ？上课之前两化融合From Industry 1.0 to Industry 4.0第六章 计算机控制的基本知识1 计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础6 数字滤波简介测量变送装置+设定值420mA420mA调节器执行器被控对象被控变量控制器D/AA/D00101011001

6、10001010101010101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。 过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统I/O系统（模块或卡件）现场仪表被控对象（1）硬件组成系统软件支持软件应用软件操作系统用于开发应用软件的软件。例

7、如：汇编语言、高级语言、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，不同系统的支持软件会有所不同 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。（2）软件组成系统开发最主要的两个方面：根据控制要求，开发硬件系统基于支持软件，开发应用软件第六章 计算机控制的基本知识1 计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础6 数字滤波简介1.可靠性 单个产品：在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力（概率）系 统：除了与构成系统的元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关衡量可

8、靠性的两个主要指标：（1）可靠度（2）平均无故障工作时间 (Mean Time Between Failures，简称MTBF)平均故障修复时间 (Mean Time To Repair，简称MTTR ) （本质上这是一个可维护性指标）(1)可靠度 R 结构对可靠度的影响：R1RnR1Rn指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间 (2) MTBF提高控制系统可靠性的主要措施 选用高可靠性的控制设备；重视自控设备的自诊断功能。 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。 采用分散控制思想/增加后备手操或后备仪表控制系统/设计冗余系统。 采用安全可靠的屏蔽、隔离、接

9、地等抗干扰技术。还有防潮、防震、防鼠等 提高软件可靠性【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】设备可靠方案可靠结构可靠环境可靠软件可靠故障发生后通过维修使系统恢复的能力。本质：易于查找故障，易于排除故障。 选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备。 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。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，便于快速定位、快速排除故障。 平均故障修复时间MTTR (mean time to repair ) MTTR指设备出现故障以

10、后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间 2.可维护性 提高控制系统可维护性的主要措施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。 4.性能价格比 3.实时性第六章 计算机控制的基本知识1 计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础6 数字滤波简介常规仪表控制系统计算机控制系统上世纪80年代之前是主流，90年代开始快速减少，目前单纯的常规仪表控

11、制系统几乎没有诞生于上世纪50年代末期70年代中期开始快速发展（标志是DCS的出现）90年代后成为主流，目前几乎“一统天下”特别说明：计算机控制也是需要“仪表”的DDC控制始于50末期里程碑意义集中型计算机控制控制集中信息集中危险集中DCS控制始于70年代控制分散信息集中半数字，半分散全数字通讯全分散控制FCS工业以太网分布式IO DCS现场信号与IO站点模拟信号一对一连接，站站之间总线连接。过渡型结构1.直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）本质: 用一台计算机取代一组模拟调节器（分时控制）优点: 精度更高，计算灵活，能容易实现除PID以外的多种复杂控制问题:

12、价格昂贵，功能极其有限，可靠性低过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象）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 企图用一台计算机来控制尽可能多的回路难以和仪表系统竞争60年代开始出现集中型计算机控制系统过程控制计算机AI/DI输入子系统被控过程（对象）被控变量操纵变量AO/DO输出子系统2. 集中型计算机控制本质: 更大规模的DDC优点：信息更集中，便于实现各种更复杂控制、优化控制功能问题：控制集中危险集中；计算机总体性能低，高度集中使系统十分“脆弱”。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各控制站的运行应当服从生产管理的总体目

13、标70年代中期出现了控制分散、管理集中的分布式计算机控制系统，简称DCS3.集散控制系统（Distributed Control System, DCS） 被控过程（对象）Part 1Part 2Part n操作站/管理计算机控制分散、危险分散信息集中、管理集中现场仪表控制站控制站控制站操作站OS工程师站ESWeb服务器远程节点管理计算机生产经营管理层现场控制层控制管理层DCS的物理层次示意DCS的结构分解次示意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DCS的功能层次示意从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。 居于系统最高层，负责广泛的工程、经济、商务、

14、人事以及其它工作。主要包括回路组态、优化、监控、故障诊断、记录、报警根据订单、库存、能耗约束等进行生产规划、调度。通常为最高层。现场数据采集、控制、安全性能和冗余性能的实施 常常将2个或多个功能层上的(部分)任务压缩到一个物理层上实现，简化DCS。 最常见的为2级DCS 4.总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）半数字、半分散朴素意义上的 FCS结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图输入子系统控制站n输出子系统输入子系统控制站1输出子系统全数字、全分散第六章 计算机控制的基本知识1 计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想4 计

15、算机控制系统的发展过程5 网络通信基础6 数字滤波简介1. 网络通信的几组基本概念(1) 模拟信号与数字信号 模拟信号是一个连续的物理量 数字信号是用不连续的物理状态来表示Tc101100时钟数据TcI/V t (2) 并行传输与串行传输并行传输：以字或字节为单位一起传输（多个位同时传输） 速度快、通信线多、成本高，不宜远距离通信串行传输：数据逐位传输、速度较并行慢、通信线少(24根)、成本低 适宜远距离通信 几乎所有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：单一方向传输，没有反向交互(如键盘、鼠标通信)半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时 控制简单、可靠、成本低

16、，应用广泛(只需2根通信线)全双工通信：双方可以在同时交互数据、控制相对复杂 效率高、需2个信道，至少3根通信线(1根为共用地)，或4根(4) 通信波特率波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位/秒”表示 例如：ProfibusPA的波特率位31.25kbps ProfibusDP的最大波特率位12Mbps(5) 基带传输与频带传输基带传输：按数字波形原样、以“位”流为基本形式直接在信道上传输基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高，远距离传输容易因信号衰减发生畸变（中继），绝大多数局域网都采用基带传输 数字信号的数字传输频带传输：也称为载波传输，采用调制、解调技术。在发送

17、端，将二进制数据，调制变换成一定频带范围的模拟信号；在接收方，通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为“键控” 调制方式主要有：幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK) 数字信号的模拟传输，如HART信号宽带传输：适用于传输影像、语音信息(一般不用于工控网络)(6)RS232/RS422/RS485串行通信协议 串行通信协议类型RS232RS422RS485接口电路单端差动差动抗干扰能力弱强强标准最大传输距离15m1200m1200m通信双方交互方式全双工全双工半双工标准最大传输速率19200bps10Mbps10Mbps本质上是相

18、同的现场总线“首选”标准(7)以太网协议介质访问控制协议：CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision DetectionTCP/IP协议：是由百余个相关的协议和应用程序组成的一个协议族， 包括3个核心协议 网间协议 IP，Internet Protocol传输控制协议 TCP，Transmission Control Protocol 提供面向连接、点对点、高可靠性的数据传输服务用户数据报协议 UDP，User Datagram Protocol 提供无连接、不进行可靠性检查的数据报传输服务2. 计算机网络的拓扑结构 总线型环型HUB星型树型

19、3. 网络传输介质 网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路，常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质等。 控制系统多用：带屏蔽的双绞线STP、光纤 第六章 计算机控制的基本知识1 计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础6 数字滤波简介常用数字滤波算法 二大类干扰：周期性的干扰，典型代表为50Hz的工频干扰； 随机干扰，大小和符号无规则变化，符合统计规律的硬件滤波、数字滤波两道防线所谓数字滤波，就是通过程序一定的计算或判断中位值滤波连续采样奇数次，将结果从大到小排列取中间值作为采样的有效数据主要用以克服偶然因素引起的干扰，对于温度、液位等缓慢变化的参数，其滤波效果较好； 但不适用于流量、压力等快速变化的参数。 算术平均滤波 连续采样n次，取其平均值适用于随机干扰信号的滤波，滤波效果n，当n，平