第三章 计算机控制

计算机控制系统定义：计算机控制就是利用计算机实现工业生产过程的自动控制。计算机控制系统=自动化技术+计算机技术10.3可编程控制器本章主要内容：10.1概述10.2集散控制系统10.4现场总线控制系统10.5综合自动化系统10.1概述10.1.1计算机控制系统的组成图10-1计算机控制系统框图组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器图10-2计算机控制系统典型结构图连续控制系统计算机控制系统相似点：组成相同不同点：模拟控制器数字控制器多路开关、采样保持器、A/D、D/A10.1.2计算机控制系统的发展图10-3计算机控制系统的发展最初：DDC——直接数字控制系统（集中控制系统）20世纪70年代：DCS——集散控制系统（集中管理、分散控制）20世纪60年代：PLC——可编程逻辑控制器20世纪末：FCS——现场总线控制系统目前及未来：CIMS——计算机集成制造系统CIPS——计算机集成过程系统10.2集散控制系统10.2.0基本概念定义：集散控制系统又称为分散型控制系统（DistributedControlSystem）,简称为DCS系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。工作原理：该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。10.2.1集散控制系统的特点主要特征：集中管理和分散控制。具体有以下几个方面：(1)分级递阶结构

这种结构从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备的复杂性与投资成本，并且便于维修和技术更新等优化选择而得出的。图10-4DCS的结构层次每一级由若干子系统组成，形成金字塔结构。同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可通过上级互相交换信息。过程控制级：根据上层决策直接控制生产。控制管理级：对生产过程实现集中操作和统一管理。生产管理级：承担最优化任务经营管理级：全面的综合型经营管理和决策图10-4DCS的结构层次(2)采用微机智能技术DCS采用了以微处理器为基础的“智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰富的领域。现场控制单元、过程输入输出接口、数据通信等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊断和自检测等“智能”控制过程。

(3)丰富的功能软件包

DCS具有丰富的功能软件包，它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印和信息检索等功能。(4)采用局部网络通信技术

DCS的数据通信采用工业局域网络技术进行通信，传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理。大多采用光纤传输媒质，通信的可靠性和安全性大大提高。通信协议已开始向标准化前进，如采用IEEE802.3、IEEE802.4等。(5)友善的人机接口(6)高可靠性

硬件、软件采用冗余技术10.3可编程控制器可编程序控制器（ProgrammableController,PC）早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。10.3.1概述(1)可编程序控制器的发展①初创阶段：从1969年DEC公司推出第一台PLC(PDP-14)到20世纪70年代中期。该阶段产品主要用于逻辑运算、计时、计数。②扩展阶段：20世纪70年代中期到20世纪70年代末期。扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。③通信阶段：20世纪70年代末期到20世纪80年代中期。PLC在通信方面得到了发展，形成了分布式的通信网络系统。缺点是产品互通难。④开放阶段：20世纪80年代中期以后。(2)PLC的分类按结构形式可将PLC分为两大类：一体化结构、模块化结构一类（一体化结构）：CPU、电源、I/O接口、通信接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如下图所示，小型及超小型的PLC系统用此结构10-6一体化PLC结构示意图另一类（模块化结构）：各种模块在结构上是相互独立的，在实际使用的过程中可根据具体的应用要求选择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统，如下图所示。大、中型PLC系统一般采用此类结构。主要用于复杂程度较高的自动控制，并在相当程度上可以替代DCS以实现更广泛的自动化功能。10-7模块化PLC结构示意图(4)可编程序控制器的主要功能①开关逻辑和顺序控制：最主要功能②模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较多时。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。③信号联锁：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。④通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。10.3.2PLC的基本工作原理

PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，即周期扫描方式。PLC的整个扫描过程可以概括地归纳为上电初始化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序的扫描、外设端口服务五个阶段。每一次扫描所用的时间称为一个工作周期（扫描周期）。PLC的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短有关。10-8PLC扫描过程示意(1)上电初始化：CPU首先对I/O、继电器、定时器进行清零或复位处理(2)一般处理扫描：每个扫描周期前的自检，如WDT的复位、I./O总线和用户存储器的检查(3)数据I/O操作：(4)扫描用户程序：基于用户程序指令，读入外部数据和状态、运算、输出(5)外设端口服务：每次执行完用户程序后，开始外设操作请求服务，主要完成与外设端口连接的外部设备（编程器、通信适配器等）的通信。10.3.3目前较典型的PLC

经过30多年的发展，PLC已经形成了一些知名产品，如AB、金钟、日本三菱、欧姆龙、德国西门子等。1.结构•叠装式S7-300的组成模块

PS(可选)CPU

IM(可选)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

FM:-计数-定位-闭环控制

CP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网中央处理单元CPU1.结构•

指示灯SF—系统故障BATE电池故障DC5V指示RUN/STOP

…•

开关RUN/RUN-P/STOP/MRES•MPI通讯接口DP通讯接口•

电源接线端子•

存储卡插座•

电池盒电源PS3071总体结构•24VDC指示•

电压选择开关•24V通/断开关•

系统电压接线端子•24VDC输出端子2电源PS307（5A）•

输入电压：120V~230V•

输入电流：2A~1A•

输出电压：24VDC•

输出电流：5A•

功耗：18W