第7講計算機(jī)控制

1、1第七講第七講 計算機(jī)控制系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)n7.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)u集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)）系統(tǒng)u基于基于PLC的監(jiān)督控制與采集（的監(jiān)督控制與采集（PLC-SCADA）系統(tǒng)）系統(tǒng)n7.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)27.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)n控制器采用控制計算機(jī)（包括數(shù)字調(diào)節(jié)器、控制器采用控制計算機(jī)（包括數(shù)字調(diào)節(jié)器、IPCIPC、PLCPLC、DCSDCS等），不再是模擬調(diào)節(jié)器。等），不再是模擬調(diào)節(jié)器。 n與一般個人電腦與一般個人電腦PCPC相比，特點(diǎn)：相比，特點(diǎn)：u可靠性高可靠性高；u對計算機(jī)速度和精度要求相對較低對計算機(jī)速

2、度和精度要求相對較低；u輸入輸入/ /輸出等外圍設(shè)備完善輸出等外圍設(shè)備完善；u實(shí)時響應(yīng)性好實(shí)時響應(yīng)性好；u中斷系統(tǒng)完善中斷系統(tǒng)完善。37.1.2 計算機(jī)過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成計算機(jī)過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成 47.1.3 計算機(jī)過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用型式計算機(jī)過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用型式 n（一）巡回檢測與數(shù)據(jù)處理（一）巡回檢測與數(shù)據(jù)處理 n（二）直接數(shù)字控制（二）直接數(shù)字控制（DDC） n（三）監(jiān)督控制（三）監(jiān)督控制（SCC）n（四）集散控制系統(tǒng)（四）集散控制系統(tǒng)（DCS） 5（一）巡回檢測與數(shù)據(jù)處理（一）巡回檢測與數(shù)據(jù)處理工業(yè)過程采樣A/D計算機(jī)顯示打印報警.6（二）直接數(shù)字控制（二）直接數(shù)字控制（DDC）7（

3、三）監(jiān)督控制（三）監(jiān)督控制（SCC） 8（四）集散控制系統(tǒng)（四）集散控制系統(tǒng)（DCS）n1、DCS產(chǎn)生的背景產(chǎn)生的背景u早期的集中式控制系統(tǒng)將所有功能集中于一臺計算機(jī)，包括：早期的集中式控制系統(tǒng)將所有功能集中于一臺計算機(jī)，包括：n過程數(shù)據(jù)輸入過程數(shù)據(jù)輸入/出；出；n實(shí)時數(shù)據(jù)的處理與保存；實(shí)時數(shù)據(jù)的處理與保存；n實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)庫的管理及保存；實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)庫的管理及保存；n人機(jī)界面處理；人機(jī)界面處理；n報警與日志記錄；報警與日志記錄；n報表；報表；n系統(tǒng)本身的監(jiān)督管理等。系統(tǒng)本身的監(jiān)督管理等。u集中式控制系統(tǒng)缺點(diǎn)：集中式控制系統(tǒng)缺點(diǎn)：n軟件系統(tǒng)相當(dāng)龐大，運(yùn)行效率、可靠性低；軟件系統(tǒng)相當(dāng)龐大，運(yùn)行

4、效率、可靠性低；n經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性差；經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性差；n計算機(jī)失效或故障對整個系統(tǒng)造成的危害性很大。計算機(jī)失效或故障對整個系統(tǒng)造成的危害性很大。9（四）集散控制系統(tǒng)（四）集散控制系統(tǒng)（DCS）n2、DCS設(shè)計思想設(shè)計思想u“控制分散、管理集中控制分散、管理集中”。u與集中式計算機(jī)控制系統(tǒng)相比，與集中式計算機(jī)控制系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)的危險被控制系統(tǒng)的危險被分散，可靠性大大增加。分散，可靠性大大增加。uDCS已成為大中型流程工業(yè)企業(yè)過程控制系統(tǒng)的主已成為大中型流程工業(yè)企業(yè)過程控制系統(tǒng)的主流。流。103 3、集散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)、集散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 11（1）I/O控制站控制站 n現(xiàn)場現(xiàn)場I

5、/O控制站包括模擬量輸入控制站包括模擬量輸入/出、開關(guān)量出、開關(guān)量輸入輸入/出和脈沖量輸入出和脈沖量輸入/出等信號調(diào)理板。出等信號調(diào)理板。n采集現(xiàn)場各種過程量（溫度、壓力、流量、物采集現(xiàn)場各種過程量（溫度、壓力、流量、物位及各種開關(guān)狀態(tài)等），通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到操作位及各種開關(guān)狀態(tài)等），通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到操作員站、工程師站及其它現(xiàn)場員站、工程師站及其它現(xiàn)場I/O控制站?？刂普?。n在本站實(shí)現(xiàn)局部自動控制功能。在本站實(shí)現(xiàn)局部自動控制功能。12（2）操作員站）操作員站 n為系統(tǒng)的運(yùn)行操作人員提供人機(jī)界面，使操作員可及為系統(tǒng)的運(yùn)行操作人員提供人機(jī)界面，使操作員可及時了解：時了解：u現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)；現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)；u

6、各種運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值；各種運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值；u是否有異常情況發(fā)生，等等。是否有異常情況發(fā)生，等等。n并可使操作員對工藝過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，保證生產(chǎn)并可使操作員對工藝過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，保證生產(chǎn)過程安全、高效。監(jiān)控的方式：過程安全、高效。監(jiān)控的方式：u生產(chǎn)過程的模擬流程圖；生產(chǎn)過程的模擬流程圖；u實(shí)時趨勢及歷史曲線顯示；實(shí)時趨勢及歷史曲線顯示；u報警窗口，等等。報警窗口，等等。13（3）工程師站）工程師站 n對對DCS進(jìn)行離線組態(tài)，在線系統(tǒng)監(jiān)督、控制和進(jìn)行離線組態(tài)，在線系統(tǒng)監(jiān)督、控制和維護(hù)。維護(hù)。n在在DCS在線運(yùn)行時，實(shí)時監(jiān)視在線運(yùn)行時，實(shí)時監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)

7、工程師可及時調(diào)整系節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)工程師可及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，以確保統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，以確保DCS隨隨時處在最佳的工作狀態(tài)。時處在最佳的工作狀態(tài)。144、典型、典型DCSn代表廠家：代表廠家：u美國美國Honeywell公司的公司的TDC3000；u日本橫河（日本橫河（YAKOGAWA）的的CENTUM；u西屋西屋Westinghouse 的的WDPF；u西門子（西門子（Siemens）PCS7，等等。，等等。n國產(chǎn)國產(chǎn)DCS代表廠家：代表廠家：u北京和利時；北京和利時；u浙大中控。浙大中控。157.1.2 PLC-SCADA系統(tǒng)系統(tǒng)n監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集監(jiān)督控

8、制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)多）系統(tǒng)多以以PLC作為現(xiàn)場控制作為現(xiàn)場控制站。站。nPLC-SCADA系統(tǒng)具系統(tǒng)具有和有和DCS幾乎相同的幾乎相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制性能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制性能。 16（一）（一）PLC-SCADA與與DCS的區(qū)別的區(qū)別 n1、起初，、起初，PLC主要面向數(shù)字量控制；主要面向數(shù)字量控制；DCS則則面向模擬量控制。至今，兩者都能控制數(shù)字量面向模擬量控制。至今，兩者都能控制數(shù)字量和模擬量。和模擬量。n2、DCS由處理器、由處理器、I/O模塊、運(yùn)行界面和與模塊、運(yùn)行界面和與之相匹配的軟硬件組成的一個完整系統(tǒng)；之相匹配的軟硬件組成的一個完整系統(tǒng)；PLC-SCADA則將整個系統(tǒng)

9、分成不同部分，各則將整個系統(tǒng)分成不同部分，各部分之間需進(jìn)行組合和通訊。部分之間需進(jìn)行組合和通訊。17（一）（一）PLC-SCADA與與DCS的區(qū)別的區(qū)別n3、DCS只有一個全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，一旦修改了這個數(shù)據(jù)只有一個全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，一旦修改了這個數(shù)據(jù)庫，它將影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行；庫，它將影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行；PLC-SCADA至少有至少有兩個不同數(shù)據(jù)庫，一個用于兩個不同數(shù)據(jù)庫，一個用于PLC，另一個用于，另一個用于SCADA應(yīng)用程序。任何修改需在所有數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行。應(yīng)用程序。任何修改需在所有數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行。 n4、PLC-SCADA的硬件、軟件和授權(quán)與的硬件、軟件和授權(quán)與DCS相比相對相比相對便宜。便宜。 n5

10、、PLC能以毫秒級速度掃描，掃描速度由能以毫秒級速度掃描，掃描速度由I/O數(shù)量決數(shù)量決定；定；DCS只能以固定的秒級速度掃描。只能以固定的秒級速度掃描。 18（一）（一）PLC-SCADA與與DCS的區(qū)別的區(qū)別n6、起初，、起初，DCS很封閉，與其它系統(tǒng)接口設(shè)計很封閉，與其它系統(tǒng)接口設(shè)計困難；困難；SCADA系統(tǒng)基于系統(tǒng)基于PC設(shè)計，與其它系統(tǒng)設(shè)計，與其它系統(tǒng)接口通用。接口通用。n7、DCS中通訊檢測、系統(tǒng)性能管理和系統(tǒng)報中通訊檢測、系統(tǒng)性能管理和系統(tǒng)報警都使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，而警都使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，而PLC-SCADA中這些功中這些功能都需編程實(shí)現(xiàn)。能都需編程實(shí)現(xiàn)。 n8、PLC-SCADA更適用于中

11、小型工程，而更適用于中小型工程，而DCS則適用于大中型工程。則適用于大中型工程。197.1.3 組態(tài)軟件組態(tài)軟件 n通常，軟件功能由軟件人員編程實(shí)現(xiàn)，工作量大，通通常，軟件功能由軟件人員編程實(shí)現(xiàn)，工作量大，通用性差。針對不同對象，要修改或重新設(shè)計應(yīng)用軟件，用性差。針對不同對象，要修改或重新設(shè)計應(yīng)用軟件，可靠性低?？煽啃缘汀其實(shí)，對于不同對象，系統(tǒng)可執(zhí)行程序代碼一般固定其實(shí)，對于不同對象，系統(tǒng)可執(zhí)行程序代碼一般固定不變，不同對象只需改變數(shù)據(jù)實(shí)體即可。采用組態(tài)軟不變，不同對象只需改變數(shù)據(jù)實(shí)體即可。采用組態(tài)軟件，只需進(jìn)行參數(shù)配置即可生成所需應(yīng)用軟件。件，只需進(jìn)行參數(shù)配置即可生成所需應(yīng)用軟件。n組態(tài)

12、軟件使從事自動控制開發(fā)的技術(shù)人員從復(fù)雜的軟組態(tài)軟件使從事自動控制開發(fā)的技術(shù)人員從復(fù)雜的軟件編程中解放出來，可更加專注于生產(chǎn)過程控制，同件編程中解放出來，可更加專注于生產(chǎn)過程控制，同時也提高了軟件系統(tǒng)的可靠性和代碼效率。時也提高了軟件系統(tǒng)的可靠性和代碼效率。20（一）組態(tài)功能（一）組態(tài)功能 n硬件配置組態(tài)；硬件配置組態(tài)； n數(shù)據(jù)庫組態(tài)；數(shù)據(jù)庫組態(tài)；n控制回路組態(tài)；控制回路組態(tài)； n顯示畫面組態(tài)；顯示畫面組態(tài)；n報表生成組態(tài)，等等。報表生成組態(tài)，等等。212223（二）目前流行的通用組態(tài)軟件（二）目前流行的通用組態(tài)軟件nIntellution公司的公司的iFixnSiemens公司的公司的WinC

13、CnWanderware公司的公司的Intouchn國產(chǎn)組態(tài)王國產(chǎn)組態(tài)王KingView，等等。，等等。 247.2 現(xiàn)場總線（現(xiàn)場總線（Fieldbus ）n1、現(xiàn)場總線定義、現(xiàn)場總線定義u所謂現(xiàn)場總線，是指將現(xiàn)場設(shè)備（如數(shù)字傳感器、所謂現(xiàn)場總線，是指將現(xiàn)場設(shè)備（如數(shù)字傳感器、變送器、執(zhí)行器等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操變送器、執(zhí)行器等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操作站等互連而成的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有全數(shù)字化、分作站等互連而成的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有全數(shù)字化、分散、雙向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)散、雙向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)展的產(chǎn)物。展的產(chǎn)物。252、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)、現(xiàn)場總線的特

14、點(diǎn) n實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的集成實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的集成 ：u現(xiàn)場設(shè)備已成為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，現(xiàn)場設(shè)備已成為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，彼此通過傳輸媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）以彼此通過傳輸媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）以總線拓?fù)湎噙B；總線拓?fù)湎噙B；u摒棄了摒棄了DCS中的中的I/O控制站，將這一級功能分配給控制站，將這一級功能分配給通信網(wǎng)絡(luò)完成；通信網(wǎng)絡(luò)完成；u分散的功能模塊，便于系統(tǒng)維護(hù)、管理與擴(kuò)展，提分散的功能模塊，便于系統(tǒng)維護(hù)、管理與擴(kuò)展，提高可靠性；高可靠性；u開放式互連結(jié)構(gòu)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可通過開放式互連結(jié)構(gòu)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)

15、相連，也可通過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與控制級網(wǎng)絡(luò)或管理信息級網(wǎng)絡(luò)相連；網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與控制級網(wǎng)絡(luò)或管理信息級網(wǎng)絡(luò)相連；u互操作性，在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可將不互操作性，在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可將不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)。同廠家的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)。263、現(xiàn)場總線的發(fā)展、現(xiàn)場總線的發(fā)展n現(xiàn)場總線技術(shù)始于現(xiàn)場總線技術(shù)始于80年代，年代，許多國家都投入巨許多國家都投入巨資與人力研發(fā)。資與人力研發(fā)。n已形成各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)及國際現(xiàn)已形成各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)及國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，已出現(xiàn)的現(xiàn)場總線場總線標(biāo)準(zhǔn)，已出現(xiàn)的現(xiàn)場總線100多種。多種。274、現(xiàn)場總線通信協(xié)議、現(xiàn)場總線通信協(xié)

16、議 n基本遵照基本遵照ISO/OSI參考模型，該模型共有七參考模型，該模型共有七層；層；n現(xiàn)場總線主要實(shí)現(xiàn)第一層（物理層）、第二層現(xiàn)場總線主要實(shí)現(xiàn)第一層（物理層）、第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和第七層（應(yīng)用層）的功能：（數(shù)據(jù)鏈路層）和第七層（應(yīng)用層）的功能： u物理層多采用物理層多采用 RS485協(xié)議；協(xié)議；u數(shù)據(jù)鏈路層媒體訪問控制多采用受控訪問（包括輪數(shù)據(jù)鏈路層媒體訪問控制多采用受控訪問（包括輪詢和令牌）協(xié)議。詢和令牌）協(xié)議。285 5、代表性的現(xiàn)場總線、代表性的現(xiàn)場總線nHART（過渡性協(xié)議）（過渡性協(xié)議）nFFnLONWORKS nPROFIBUSnCANnMODBUSnDEVICENETnINDUSTRIAL ETHERNET296、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 307、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展前景、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展前景nF