控制仪表课件-第06章 计算机控制系统的基本知识

第二部分计算机控制装置主要内容：第六章计算机控制系统基本知识第七章可编程序控制器*第八章集散控制系统(DCS)第九章现场总线控制系统(FCS)第十章工业以太网*1进料口执行器变送器调节器前言进料口出料口H玻璃管液位计现场仪表：主要指安装在工业现场的各种变送器、执行器及其它测量仪表。第一部分的内容控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器（调节器）、显示仪表等。2前言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等，它可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备。第二部分内容3前言进料口执行器变送器控制站AI(A/D):

模拟量输入(模/数转换)DI:

开关量输入(数字量输入)AO(D/A):

模拟量输出(数/模转换)DO:

开关量输出(数字量输出)第二部分内容AI、DIAO、DO控制站…………I/O模块4前言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5前言计算机控制系统特征:

各种自动化仪表和自动控制装置已从模拟时代逐渐跨入真正数字时代。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)控制功能:

实现生产过程自动化和信息管理自动化，即计算机综合自动化。6第六章

计算机控制系统基本知识主要内容：第一节计算机控制系统概述第二节网络通信基础*第三节开放系统互联参考模型*第四节TCP/IP协议*7第一节计算机控制系统概述主要内容：一、什么是计算机控制二、计算机控制系统的基本组成三、计算机控制系统的主要设计思想四、计算机控制系统的发展过程五、计算机控制的发展特征8一、什么是计算机控制调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器4~20mA4~20mA控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器4~20mA4~20mAD/AA/D数字信号——例如4~20mA信号经12位A/D转换以后的结果为0~40959一、什么是计算机控制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。10二、计算机控制系统的基本组成硬件组成过程输入输出设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接人机接printer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）现场仪表被控对象外部设备11二、计算机控制系统的基本组成软件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。

运行在系统软件的平台上，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。12三、计算机控制系统的主要设计思想1.可靠性2.可维护性3.实时性4.性能价格比13三、计算机控制系统的主要设计思想1.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)可靠性指标可靠度平均无故障工作时间MTBF平均故障修复时间MTTR

14三、计算机控制系统的主要设计思想1.可靠性(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，

样本数量越大，所得可靠度的准确性就越高。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。15三、计算机控制系统的主要设计思想1.可靠性(1)可靠性指标可靠度R1Rnn个串连子系统串连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。R1Rnn个并联子系统并联系统假设：各子系统可靠度均为0.9，子系统数分别是1、2、3时，则：串联系统：可靠度分别是0.9、0.81、0.729，串联子系统越多，系统的可靠度越低。并联系统：可靠度分别是0.9、0.99、0.999，并联子系统越多，系统的可靠度越高。当子系统数>2时，并联子系统对增加系统可靠度的贡献并不显著。实际工程应用以这一理论为冗余技术的基础，多选用2个互为冗余的并联子系统。16三、计算机控制系统的主要设计思想1.可靠性(1)可靠性指标可靠度平均故障修复时间MTTR

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。平均无故障工作时间MTBFMTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间。17三、计算机控制系统的主要设计思想1.可靠性(1)可靠性指标(2)提高控制系统可靠性的主要措施①选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。②设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障预测和处理等。③采用分散控制思想。④增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控制回路中去，保证生产过程的正常运行。⑤对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。冗余系统的工作方式一般分为备份工作方式和双工工作方式两种。⑥采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。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。18三、计算机控制系统的主要设计思想2.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，采用标准的模块化结构，可便于更换故障模块。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系统最好能够带电插拔维修，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。19三、计算机控制系统的主要设计思想3.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。

20三、计算机控制系统的主要设计思想4.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。

21四、计算机控制系统的发展过程1.

直接数字量控制（DirectDigitalControl－DDC）2.

集中型计算机控制系统3.

集散控制系统（DistributedControlSystem－DCS）4.

现场总线控制系统（FieldbusControlSystem－FCS）221.直接数字量控制(DDC)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。232.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

被控过程（对象）242.集中型计算机控制系统优越性：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。253.集散控制系统(DCS)出发点（2个方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要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；(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征：控制的分散性和管理的集中性26DCS的功能层次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。连续过程间歇过程离散过程在很多情况下，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。直接控制过程管理生产管理经营管理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······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。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……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……27DCS的发展过程总结：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。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。90年代中期4技术特征是管控一体化80年代末90年代初3技术特征是引入局域网LAN80年代初21975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。

19751主要特征起始时间划代284.现场总线控制系统(FCS)DCS结构FCS结构使用一对对电缆传输4~20mA电流信号使用通信线路传输数字信号294.现场总线控制系统(FCS)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的A/D、D/A转换。把控制任务下移到智能现场设备，以实现测量控制一体化。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”。30五、计算机控制的发展特征随着局域网、Internet、IT技术的迅速发展，计算