仪表与装置 第06章 (2)课件

第二部分计算机控制装置主要内容第六章*计算机控制基本知识第七章*可编程控制器第八章集散控制系统第九章*现场总线控制系统第十章工业以太网前言进料口出料口H玻璃管液位计人工控制进料口执行器变送器调节器常规仪表控制现场仪表：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。进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站控制站：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）进料口执行器变送器控制站AI、DIAO、DO控制站…………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）管理层控制层现场设备层操作站控制站I/O系统高级控制器数据服务器WEB服务器管理计算机互联网服务器Internet/IntranetEthernetEthernet/专用总线网关FF、ProfiBus等现场总线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(财务管理、客户管理、物流管理……，这是今后的发展方向)

（即计算机综合自动化）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6.4TCP/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计算机控制系统的发展过程6.1.5计算机控制系统的发展特征工作过程控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mAD/AA/D工作过程：①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；

②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

③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、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。软件组成可靠性

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R＝0.95

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。R1RnR1Rnn个串连子系统n个并联子系统a.串连系统b.并联系统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＝0.99R1=R2=0.99，R并＝0.9999(1)可靠性指标·平均无故障工作时间MTBF(*)(meantimebetweenfailures)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(meantimetorepair)

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。

①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。②选择系列化、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。③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。④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。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。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。

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术。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

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。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。CRT、键盘……过程控制计算机AIDIAODO

被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图优越性：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。DCS的功能层次通常分为：直接控制级、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……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的发展过程划分起始时间主要特征119751975年Honeywell公司推出了世界上第一套DCS系统TDC-2000，技术特征是集散。

280年代初技术特征是引入局域网LAN

380年代末期90年代初技术特征是管控一体化

490年代中期主要强调系统的开放性，特别是通信机制的开放性和标准化。总结：早期DCS的重点在于控制，DCS以“分散”作为关键字，但现代发展更着重于系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。

现场总线控制系统结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图朴素意义上的FCS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6.1.5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系统结构向网络化、网络扁平化方向发展

系统功能向综合化方向发展系统设备向多样化方向发展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

模拟信号是一个连续的物理量

数字信号是利用不连续的物理状态来表示数据，最简单的是二进制数“1”和“0”，通过高/低电平来表示。Tc101100时钟数据Tc(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2～4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，没有反方向的交互如计算机与键盘的通信控制系统中应用极少半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时控制简单、可靠、成本低控制系统中应用广泛（只需2根通信线即可）全双工通信：双方可以交互数据，可以在同时控制相对复杂、效率高、成本较高，需要2个信道控制系统中应用较广泛至少需要3根通信线（其中1根为地共用），或4根(4)通信波特率、误码率波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位bit”表示也可以用“字节”表示例如：Profibus－PA的波特率位31.25kbpsProfibus－DP的最大波特率位12Mbps误码率：错误码元（1个二进制位）数与传送码元数之比工业用通信网络一般要求误码率在10－5～10－9，甚至更小(5)基带传输与频带传输基带传输：按照数字波形的原样直接在信道上传输。采用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占有整个频带，终端设备把数字信号转换成电脉冲信号时，这个原始的电信号所固有的频带称为基本频带（baseband），基带传输也就是指在信道中直接传送基带信号。基带传输需要对数字信号进行编码，常用的数据编码手段有：非归零码NRZ、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码。频带传输：是一种采用调制、解调技术的传输形式。在发送端，将代表数据的二进制“1”和“0”，调制变换成具有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。(6)同步通信与异步通信

同步通信就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。异步通信多用于字符的传输，一个典型的异步通信过程是:************起始位若干数据位校验位若干停止位(7)RS－232/RS－422/RS－485

项目RS－232RS－422RS－485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本质上是相同的工业控制网络的首选标准6.2.4计算机网络的拓扑结构

总线型环型HUB星型树型大型网络多采样网状拓扑。6.2.5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

6.3开放系统互联参考模型

6.3.1OSI/RM层次结构6.3.2OSI/RM信息流动过程6.3.3各层的主要功能开放系统互联参考模型

互联网的发展不同制造商的网络产品众多Open

System

Interconnection/Reference

Model——OSI/RM需要建立标准化的网络机制

1983年正式颁布OSI/RM的国际标准ISO7498OSI/RM是一种中立、不受任何厂家的约束与限制的理想模型。6.3.1OSI/RM层次结构

A公司A收发员(到邮局投递)A经理(写信)A秘书(盖章/写地址)B公司B收发员(分发)B经理B秘书(核对)邮政系统(按地址投递信件)类比例子OSI参考模型的层次

层次编号名称英文名称7654321应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层ApplicationLayerPresentationLayerSessionLayerTransportLayerNetworkLayerDatalinkLayerPhysicalLayer应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户主机HA数据数据数据数据数据数据数据H7H6H5H4H3H2T2H7H6H5H4H3H7H6H5H4H7H6H5H7H6H7报文报文报文报文分组帧bit6.3.2OSI/RM信息流动过程

网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层用户主机HB报文报文报文报文分组帧bit应用层网络协议表示层网络协议会话层网络协议传输层网络协议中继环节通信线路通信线路物理层是OSI/RM的最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数据交换的一层,负责传输bit位流。DTEDCEDCEDTE接口接口传输介质界定：数字信号(0/1)的表示电压、数据传输速率、最大传输距离；支持单工、半双工还是全双工通信；连接插头要多少针，每个针的作用是什么……

形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑“l”，另一侧收到的也是一个逻辑“1”，而不是“0”。6.3.3各层主要功能

物理层数据链路层把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）看起来就像是一条不出差错的理想链路。

作用为网络层提供服务

传输数据的帧化处理差错检测和流量控制应具备来自高层数据加工成帧物理通道检查校验信息和头尾控制信息

数据部分送往高层确认无误发送方接收方网络层网络层是OSI七层协议模型中的第三层，亦称为“通信子网层”，是通信子网与高层的边界。它以数据链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。网络层提供的服务应该按照以下目标设计：提供的服务和通信子网无关对传输层隐蔽通信子网的数量、类型和拓扑结构。

线路交换

数据交换技术存储转发报文交换分组交换线路资源的利用率很低，为此线路交换方式只适合多媒体、语音、传真等数据量大的报文交换或实时、交互式报文交换，不适于一般计算机通信。报源报宿线路交换

在数据交换之前，通过呼叫建立一条连接源节点(报源)和目的节点(报宿)的专用线路，通路上所有的链路被报源和报宿的DTE独占，直到这条线路被拆除为止。线路交换数据交换技术存储转发报文交换分组交换报源报宿发送数据中继转存寻找路由转存寻找路由中继存储转发方式提高了链路的利用率，一份数据报在任何时刻都只占用一条链路的资源。目前国际上流行的公共数据网都采用分组交换的方式。

发送数据发送数据报文分组网络层主要功能将来自上层的报文分为一定长度的分组，每一个分组中包括一个分组头，在其中标识源节点、目的节点的地址、分组的顺序号和其它控制信息，以保证在接收端能够将分组还原为完整的报文。

路由选择拥塞控制从理论上讲，OSI/RM是开放特性网络体系结构的典范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得十分周全。由于OSI模型本身并没有对每层的数据传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机网络起到了规范和指导作用。小结6.4TCP/IP协议

6.4.1TCP/IP的基本情况6.4.2TCP/IP的层次结构TCP/IP体系是涉及面最广、影响最大的网络体系。TCP/IP是Internet的核心协议。TCP/IP协议不是国际标准，但由于TCP/IP协议的简单、实用、高效和成熟，更由于Internet的流行，使得TCP/IP成为计算机网络的事实上的国际标准。目前，各种计算机控制系统的高层网络有着向EthernetTCP/IP统一的趋势发展。

6.4.1TCP/IP的基本情况

TCP/IP这个术语并不是单指一个协议，而是由100多个与之相关的协议和应用程序组成的一个协议族，以下是3个最主要的基本协议：网间协议IP用户数据报协议UDP传输控制协议TCP6.4.2TCP/IP层次结构