第二单元楼宇自动化系统的计算机控制系统讲解

第二单元智能建筑的

计算机控制基础模块一楼宇自动化系统

基本概念应知：自动控制系统的基本结构、工作原理；楼宇常用传感器和执行器的工作原理和使用；楼宇控制系统（BAS）的结构和组成；控制网络概念，BACnet、LonWorks总线协议的基本概念和优缺点。应会：能够正确选择传感器和执行器；掌握PID参数对控制动态响应的影响。FASOAS5ABASSASCAS复习硬件部分计算机系统的组成软件部分一计算机控制系统组成计算机被控对象过程通道组成人-机联系设备和控制操作台1硬件部分1硬件部分图1-2计算机控制系统的组成

微处理器（CPU）存储器ROM

RAM

系统总线

1.1计算机组成计算机的主要任务按照预先编制好的程序进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、报警等。同时，通过接口电路向系统的各个部分发出各种控制命令，指挥整个计算机控制系统有条不紊地工作1.2过程通道定义：是计算机与被控对象之间交换数据信息的桥梁，是计算机控制系统按特殊要求设置的部分。传输信号的形式可分为按信号的传输方向模拟量通道开关量通道输入通道输出通道AI

过程通道AnalogInputsDI

AO

DO

Analog

OutputsDigitalOutputsDigitalInputs用来将被控对象的模拟量被控参数（被测参数），转换成数字信号，并送至计算机，检测元件（传感器）包括变送器多路采样器模/数（A/D）转换器模拟量输入通道（AnalogInputs，AI）用来将计算机输出的数字信号经D/A转换器变换为模拟量后，去控制各种执行机构动作。执行机构是气动或液动元件，还需经过电-气、电-液转换装置，将电信号转化为气体驱动和液体驱动信号。每个模拟量输出回路输出的信号在时间上是离散的，而执行机构要求是连续的模拟量，所以通过输出保持器将输出信号保持后，再去控制执行机构。模拟量输出通道（AnalogOutputs，AO）用于将现场的各种限位开关或各种继电器的状态输入计算机。各种开关量输入信号经过电平转换、光电隔离并消除抖动后，被存入寄存器中，每一路开关的状态，相应地由寄存器中的一位二进制数字0、1表示，计算机的CPU可周期性地读取输入回路每一个寄存器的状态来获取系统中各个输入开关的状态。开关量输入通道（DigitalInputs，DI）用来控制系统中的各种继电器、接触器、电磁阀门、指示灯、声光报警器等只有开、关两种状态的设备。开关量输出通道锁存来自于计算机CPU输出的二进制开关状态数据，这些二进制数据每一位的0、1值，分别对应一路输出的开、关或通、断状态，计算机输出的每一位数据经过光电隔离后，可通过OC门（集电极开路电路，具有较较强的驱动能力）、小型继电器、双向晶闸管、固态继电器等驱动元件的输出去控制交直流设备。开关量输出通道（DigitalOutputs，DO）TEXTTEXTTEXTTEXT用来对被控参数的瞬时值进行检测，即将连续变化的非电物理量转换成模拟量（电压、电流、电阻值等）用来将传感器得来的电信号经过放大、变换等环节，转换为统一的直流电流（0~10mA，4~20mA），或直流电压（0~5V，0~10V，1~5V等）称为多路模拟开关，用来对多路模拟量信号进行分时切换，将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散的模拟量信号将时间上离散的模拟量信号转化为时间上离散的数字信号，并送入计算机中检测元件变送器多路采样器A/D转换器接口是计算机与过程通道之间的中介部分，计算机控制系统通常使用的接口为数字接口，并行接口分为串行接口脉冲序列接口。1.3接口部分控制操作台

功能：控制操作台是人与计算机控制系统联系的必要设备，在控制操作台上随时显示纪记录系统的当前运行状态和被控对象的参数，使操作人员及时地了解生产过程的状态，进行必要的干预，修改有关参数或紧急处理某些事件。操作台包括以下设备：1）CRT显示器或LED数码管显示器、打印机、记录仪等输出设备；2）键盘、功能控制按钮和扳键（作用开关）等输入装置；3）计算机外存器，如硬盘、磁盘机、磁带机等，用来暂存系统数据和程序；4）状态指示和报警指示的指示灯和声报警器。2软件部分计算机软件有系统软件和应用软件。系统软件是计算机操作运行的基本条件之一，它是计算机控制系统信息的指挥者和协调者，并具有数据处理、硬盘管理等功能，支持包括程序设计语言、编译程序、诊断程序等软件。计算机控制系统的应用软件是用户根据自己的需要，执行编制的控制程序、控制算法程序及一些服务程序；控制软件包括对系统进行直接检测、控制的前沿程序，包括人-机联系、对外围设备管理的服务性程序，还有保证系统可靠运行的自检程序等。二计算机控制系统分类计算机控制系统分为以下几种类型：1、操作指导控制系统2、直接数字控制系统3、集散控制系统4、现场总线与分布控制系统

1操作指导控制系统操作指导控制系统也称为数据采集和处理系统，如图1-3所示。主要对现场随时产生的大量数据（如温度、压力、流量等）进行巡回检测、收集、记录、统计、运算、分析、判断和处理，最后由显示器或打印机列出处理结果，供操作人员掌握和分析生产情况，若遇到某个参数超过限定值，操作人员可进行处理但是计算机并不直接控制生产过程。图1-3数据采集和处理系统2直接数字控制系统直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）系统使用一台计算机对一个或多个参数进行检测，并将监测结果与给定值比较，然后按照事先规定的控制规律进行计算，并将控制量通过接口直接去控制执行机构，对被控对象进行控制，如图1-4所示。图1-4直接数字控制系统3集散控制系统集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）是采用集中管理、分散控制策略的计算机控制系统，它以分布在现场的数字化控制器或计算机装置完成对被控设备的实时控制、监测和保护任务，以具有强大的数据处理、显示、记录及显示报警等工作。3集散控制系统集散控制系统的结构如图1-5所示，由图可见它是一种横向分散、纵向分层的体系结构，其功能分层可分为现场控制级、监控级和中央管理级，如图1-6所示，级与级之间通过通讯网络相连。图1-5集散控制系统结构（DCS图1-6集散控制系统的功能分层

集散控制系统功能分层可分为：123现场控制级监控级中央管理级1.现场控制级现场控制级由现场直接数字控制器DDC及现场通讯网络组成。DDC是以功能相对简单的工业控制计算机、微处理器或微控制器为核心，具有多个DO、DI、AI、AO通道，可与各种低压控制电器、传感器、执行机构等直接相连的一体化装置，用来直接控制各个被控设备，并且能与中央控制管理计算机通信。监控级的主要功能:(1)采集数据，进行数据的转换与处理；(2)进行数据的监视和存储；(3)实施连续控制、批量控制或顺序控制的运算和输出控制；(4)进行数据和设备的自诊断；(5)实施数据通信。3.中央管理级中央管理计算机是以中央控制室操作站为中心，辅以打印机、报警装置等外部设备组成，它是集散控制系统的人机联系的主要界面。中央管理级的主要功能:1)实现数据记录、存储、显示和输出；2)优化控制和优化整个集散控制系统的管理调度；3)实施故障报警、事件处理和诊断；4)实现数据通信。图1-7是集散式建筑设备监控系统的结构图现场控制层实现的是单个设备的自动化；监督控制层实现的是各个子系统内的各种设备的协调控制和集中操作管理，即分系统的自动化；管理层协调管理子系统，实现全局优化控制和管理，从而实现综合自动化的目的。图1-7集散式建筑设备监控系统结构系统的通信网路分为两层：（1）分布在现场的DDC控制器与子系统管理计算机之间构成第一层网络，用于在上位机与DDC之间上传下送大量的检测与控制数据，以及各DDC之间相互通信协调，该层网络一般通过EIA标准总线RS485或RS422进行互连，为保证信息的实时性，通信速率一般不低于9600bps。（2）各子系统管理计算机及中央管理计算机之间构成第二级网络。4现场总线与网络控制系统现场总线是适应智能仪表发展的一种计算机网络，它的每个节点均是智能仪表或设备，网络上传输的是双向的数字