第四章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：l可靠性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)；可靠性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)；l與用戶設(shè)備聯(lián)結(jié)方便；與用戶設(shè)備聯(lián)結(jié)方便；l可以使用單一的計(jì)算機(jī)語言，或通用語言?？梢允褂脝我坏挠?jì)算機(jī)語言，或通用語言。計(jì)算機(jī)控制基本原理：計(jì)算機(jī)控制基本原理：l計(jì)算機(jī)中，所有數(shù)據(jù)均以計(jì)算機(jī)中，所有數(shù)據(jù)均以高低電平高低電平表示表示有電、無電；有電、無電；l所有數(shù)據(jù)存在位置都以所有數(shù)據(jù)存在位置都以地址地址表示；表示；l計(jì)算機(jī)通過指定地址（包括接口位置）對數(shù)據(jù)讀、寫。計(jì)算機(jī)通過指定地址（包括接口位置）對數(shù)據(jù)讀、寫。概概 述述概概 述述外圍設(shè)備的電信號（開關(guān)量或數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成一定的

2、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)碼后，CPU經(jīng)過接口地址就可以獲得外部信息，通過相反途徑就可以將計(jì)算結(jié)果輸出到外部設(shè)備。計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的聯(lián)結(jié)部件稱為計(jì)算機(jī)輸入/輸出（I/O）模塊。計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖CPUROMRAMEPROMI/OCRTPRNKBMOUSENETI/O直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)D Direct irect D Digital igital C Control ontrol DDCDDCl用一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)配以適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲈O(shè)備，從生產(chǎn)過程中用一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)配以適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲈O(shè)備，從生產(chǎn)過程中經(jīng)輸入通道獲取信息，按照預(yù)先規(guī)定的控制算法計(jì)算出

3、控制經(jīng)輸入通道獲取信息，按照預(yù)先規(guī)定的控制算法計(jì)算出控制量，并通過輸出通道，直接作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)量，并通過輸出通道，直接作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。過程的閉環(huán)控制。DDCDDC控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是以計(jì)算機(jī)為控制器過程控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)質(zhì)上是以計(jì)算機(jī)為控制器過程控制系統(tǒng)。DDCDDC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：l高可靠性，友好的人機(jī)對話界面，方便的顯示打印功能，靈高可靠性，友好的人機(jī)對話界面，方便的顯示打印功能，靈活的控制規(guī)律。活的控制規(guī)律。集散控制系統(tǒng)的基本概念集散控制系統(tǒng)的基本概念 集散控制系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷集散控制系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)

4、自動(dòng)化的不斷興起和過程制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)，興起和過程制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)，它緊密依賴于自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和它緊密依賴于自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和CRTCRT顯示技術(shù)顯示技術(shù)(4 (4C)C)。 集散控制系統(tǒng)又稱分散型控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)又稱分散型控制系統(tǒng) DCS-Distributed Control SystemDCS-Distributed Control System “ “分散分散”指指： 1 1、工藝上各種設(shè)備地理位置的分散。、工藝上各種設(shè)備地理位置的分散。 2 2、功能分散。、功能分散。 “ “集集”：集中監(jiān)視：集中監(jiān)

5、視、集中管理。集中管理。 DCSDCS系統(tǒng)是一個(gè)為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)日益復(fù)雜的過程控系統(tǒng)是一個(gè)為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)日益復(fù)雜的過程控制的要求，從綜合自動(dòng)化角度出發(fā)，按功能分散、管理集中制的要求，從綜合自動(dòng)化角度出發(fā)，按功能分散、管理集中的原則構(gòu)成。它具有高可靠性指標(biāo)，不斷以新的技術(shù)成果充的原則構(gòu)成。它具有高可靠性指標(biāo)，不斷以新的技術(shù)成果充實(shí)和研制，以微處理器、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心實(shí)和研制，以微處理器、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心, , 與數(shù)據(jù)通與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、信技術(shù)、CRTCRT顯示、人機(jī)接口、輸入輸出技術(shù)相結(jié)合的，用顯示、人機(jī)接口、輸入輸出技術(shù)相結(jié)合的，用于生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制的處于新技術(shù)前沿

6、的于生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制的處于新技術(shù)前沿的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)特點(diǎn) 與常規(guī)控制儀表相比較，與常規(guī)控制儀表相比較， 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 控制功能齊全，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制、最優(yōu)控制控制功能齊全，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制、最優(yōu)控制 便于信息的綜合和分析。便于信息的綜合和分析。 存在問題存在問題 1 1、危險(xiǎn)集中、危險(xiǎn)集中 2 2、性能問題：單機(jī)負(fù)荷過載、性能問題：單機(jī)負(fù)荷過載 3 3、開發(fā)周期、開發(fā)周期 解決方法解決方法 選用高可靠性能的計(jì)算機(jī)選用高可靠性能的計(jì)算機(jī) 引入雙重化，增加后備裝置引入雙重化，增加后備裝置 DCSDCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)分布式系統(tǒng)。其邏輯結(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)

7、分布式系統(tǒng)。其邏輯結(jié)構(gòu)為樹結(jié)構(gòu)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直分解構(gòu)為樹結(jié)構(gòu)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直分解 各級既相互獨(dú)立由相互聯(lián)系。各級既相互獨(dú)立由相互聯(lián)系。 每一級又水平分解成若干子集。每一級又水平分解成若干子集。集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中央操作臺(tái)網(wǎng)間連接器管理計(jì)算機(jī)過程控制級（過程控制級（Process Control Unit ） 直接面向生產(chǎn)過程，是系統(tǒng)與過程之間的接口過程變量(參數(shù))操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)過程控制級過程控制級過程控制級功能 生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、反饋控制、順序控制、批量控制等。在其內(nèi)部完成：A/D轉(zhuǎn)換，各種控制算法的運(yùn)算，對模擬量進(jìn)行濾波及工程單位轉(zhuǎn)換，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到操

8、作員(工程師)站或其他I/O站。過程控制級裝置l多回路控制器 單回路控制器l多功能控制器 可編程邏輯控制器l數(shù)據(jù)采集裝置 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件控制站控制站（CONTROL STATION, 簡稱CS）: 由主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I/O卡件、供電單元組成通過不同的硬件配置和軟件設(shè)置可構(gòu)成不同功能的控制站 過程控制站PCS 邏輯控制站 LCS 數(shù)據(jù)采集站DAS核心部件是主控制卡，它能進(jìn)行多種過程控制運(yùn)算和數(shù)字邏輯運(yùn)算，并能通過下一級通信總線（SBUS)獲得各種I/O卡件的信息。I/O單元機(jī)籠I/O單元機(jī)籠機(jī)柜結(jié)構(gòu)外殼采用金屬材料以提供電磁屏蔽。 機(jī)柜內(nèi)部裝有多層機(jī)架，安裝電源及多種模件為保證散熱降溫，

9、柜內(nèi)裝有風(fēng)扇。柜內(nèi)大多設(shè)有溫度自動(dòng)控制裝置機(jī)柜示例 浙大中控JX-300系統(tǒng) 卡件實(shí)例圖電源 交流電源交流電源： 交流電源經(jīng)過集散系統(tǒng)的電盤的斷路器給系統(tǒng)供電，保證現(xiàn)場控制站供電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、無干擾。v每一現(xiàn)場控制站場均用雙相交流電源供電，兩相互為冗余。v如果附近有經(jīng)常開關(guān)的大功率用電設(shè)備，應(yīng)采用超級隔離變壓器，將其初級、次級線圈間的屏蔽層可靠接地。這樣能很好的隔離共模干擾。v對控制連續(xù)性要求特別高的場合，應(yīng)裝設(shè)不間斷供電電源UPS 。電源 柜內(nèi)直流穩(wěn)壓電源：柜內(nèi)直流穩(wěn)壓電源： 統(tǒng)一的主電源單元將交流電整流成直流電（一般為24V）供給柜內(nèi)直流母線。各層機(jī)架內(nèi)設(shè)有子電源單元，將母線上送來的單一

10、直流電壓轉(zhuǎn)變成機(jī)架所需的各種電壓（+5V、 12V、 15V等）。 主控電源采用1：1冗余配置。 子電源單元采用1：1或N：1冗余配置I/O通道 在過程控制計(jì)算機(jī)中，種類最多，數(shù)量最大的是各種I/O接口模件(卡件)。來自過程對象的被測信號通過輸入卡件，進(jìn)入現(xiàn)場控制站，然后按一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過輸出卡件向執(zhí)行設(shè)備送出控制或報(bào)警等信息。I/O通道 AI通道 AO通道 SI通道 SO通道模擬量輸入通道(AI) 一般由端子板、信號調(diào)節(jié)器、A/D插板、及柜內(nèi)連接電纜組成。v端子板端子板：用于連接現(xiàn)場信號電纜，對每一路信號線路提供正負(fù)極兩個(gè)接線端子及屏蔽層的接地端子。v柜內(nèi)電纜柜內(nèi)電纜：端子板、

11、信號調(diào)節(jié)器與A/D板之間的信號連接。v信號調(diào)節(jié)器信號調(diào)節(jié)器：將各種范圍的模擬量輸入信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成05V或010V的電壓信號送入A/D板。 采用差動(dòng)放大器，并且每一路都串接了濾波器。vA/DA/D插板插板：信號調(diào)節(jié)器輸入的多路模擬信號，按CPU的指令逐一轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送給CPU。DCS多用12位A/D轉(zhuǎn)換器。時(shí)間在100微秒左右。每塊A/D插板輸入864路模擬信號模擬量輸出通道（模擬量輸出通道（AOAO） 輸出420420mAmA或010010mAmA的直流電流信號。 組成： 輸出端子板輸出端子板 柜內(nèi)電柜內(nèi)電纜纜 每板可提供48路模擬輸出，精度有8位、12位幾種。輸出負(fù)載能力一般要求小于500歐

12、。SISI通道通道 開關(guān)量輸入通道。用來輸入各種限位開關(guān)、繼電器或電磁閥門連動(dòng)觸點(diǎn)的開、關(guān)狀態(tài)；輸入信號可能是交流電壓信號，直流電壓信號或干接點(diǎn)。 開關(guān)量輸出通道，用于控制電磁閥門、繼電器、指示燈、聲報(bào)警器等只具有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備，它是由端子板、SO板及機(jī)柜內(nèi)電纜構(gòu)成。開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入/ /輸出通道（輸出通道（SI/SOSI/SO）過程管理級控制系統(tǒng)工程師、操作員與DCS的界面人機(jī)界面。 MMIMan Machine Interface； OIOperator Interface操作人員了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行指令功能功能以操作、監(jiān)視為主要任務(wù)、兼有部分管理功能，可對系統(tǒng)進(jìn)行組織、監(jiān)視和操作

13、，對生產(chǎn)過程控制管理、故障診斷等。特征特征 信息量大信息量大 易操作性易操作性 容錯(cuò)性好容錯(cuò)性好 構(gòu)成裝置構(gòu)成裝置過程管理級生產(chǎn)管理級生產(chǎn)管理級指定區(qū)域生產(chǎn)計(jì)劃； 各單元間的協(xié)調(diào)控制；裝置的故障診斷處理和記錄；各類操作數(shù)據(jù)的顯示和記錄。綜合（經(jīng)營）管理級綜合（經(jīng)營）管理級主要任務(wù)主要任務(wù)： 收集各種信息(經(jīng)濟(jì)情報(bào)、市場預(yù)測、 銷售合同、原材料庫存狀況、生產(chǎn)進(jìn) 度、工藝流程及工藝參數(shù)). 產(chǎn)生綜合性報(bào)表 進(jìn)行長期性的趨勢分析 審查最優(yōu)化 協(xié)調(diào)和調(diào)度各車間生產(chǎn)計(jì)劃和各部門的關(guān)系管理范圍管理范圍：工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)實(shí)務(wù)、人事活動(dòng)操作站操作站（OPERATER STATION, 簡稱OS） 以工業(yè)P

14、C機(jī)為基礎(chǔ)的人及接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工藝過程監(jiān)視、操作、記錄等功能?？梢砸粰C(jī)配多 CRT，并配有薄膜鍵盤、觸摸屏幕等輸入方式。 具有豐富、使用、友好的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。具有分組顯示、趨勢圖、動(dòng)態(tài)流程、報(bào)警管理、報(bào)表及記錄、存檔等監(jiān)控功能。當(dāng)今的當(dāng)今的DCSDCS操作站的功能強(qiáng)，速度快，記錄數(shù)據(jù)大，所操作站的功能強(qiáng)，速度快，記錄數(shù)據(jù)大，所以對操作員站內(nèi)的處理機(jī)系統(tǒng)提出了更高的要求。以對操作員站內(nèi)的處理機(jī)系統(tǒng)提出了更高的要求。（1）操作員鍵盤 通常采用防水、防塵能力，有明確圖案（或名稱）標(biāo)志的薄膜鍵盤。操作鍵根據(jù)其功能可以分為 ：系統(tǒng)功能鍵、控制調(diào)節(jié)鍵、翻頁控制鍵、光標(biāo)控制鍵、報(bào)警控制鍵、字母數(shù)字鍵、可編程

15、功能鍵、用戶自定義鍵。（2）工程師鍵盤： 在組態(tài)和編制程序時(shí)使用。鍵盤的鍵采用便于系統(tǒng)生成的打字機(jī)鍵排列，鍵盤只有在系統(tǒng)生成時(shí)才和主體連接。概貌顯示畫面概貌顯示畫面 儀表面板顯示畫面儀表面板顯示畫面 時(shí)間范圍前翻半頁后翻半頁當(dāng)前顯示在數(shù)據(jù)庫中位置本頁時(shí)間本頁描述時(shí)間軸時(shí) 間 軸指示時(shí)間顯示全部曲線消隱全部曲線趨勢曲線顯示畫面趨勢曲線顯示畫面 報(bào)警顯示畫面報(bào)警顯示畫面 故障診斷畫面故障診斷畫面 調(diào)整畫面調(diào)整畫面系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件操作站監(jiān)控軟件操作站監(jiān)控軟件 系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)總貌 報(bào)警一覽 控制分組 調(diào)整畫面 趨勢圖 流程圖 數(shù)據(jù)一覽 故障診斷 組態(tài)軟件組態(tài)軟件 I/O組態(tài) 常規(guī)控制方案組態(tài) SCX語

16、言組態(tài) 標(biāo)準(zhǔn)畫面組態(tài) 流程圖登錄組態(tài) 網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)組態(tài) 報(bào)表登錄組態(tài) 語言報(bào)警組態(tài) 圖形化控制方案組態(tài) 工程師站（ENGINEERING STATION 簡稱ES)用于控制應(yīng)用軟件組態(tài)、系統(tǒng)監(jiān)視、系統(tǒng)維護(hù)的工程設(shè)備組態(tài)軟件組態(tài)軟件計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展、方向和前景一、控制理論的發(fā)展控制論是自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科相互滲透的產(chǎn)物。早期，自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn)是憑借直覺的實(shí)證性發(fā)明，1948年維納所著的控制論的發(fā)表標(biāo)志著這門科學(xué)的正式誕生。根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，控制理論大致分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。19401960年間，經(jīng)典控制理論得到了廣泛的應(yīng)用，它

17、主要以傳遞函數(shù)、微分方程為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所用的數(shù)學(xué)工具為常微分方程、復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換等，對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，采用的方法主要是頻率法和根軌跡法，控制器以模擬硬件為主。但頻率法只適于研究系統(tǒng)的輸入、輸出信號的關(guān)系，無法反映系統(tǒng)一些中間變量關(guān)系的內(nèi)部特性，而這些中間變量對實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制是很重要的信息，并且對于時(shí)變系統(tǒng)、復(fù)雜的非線性系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)、最優(yōu)控制系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)等，經(jīng)典控制就顯得不適用了。為了擺脫其局限性，1960年后，現(xiàn)代控制理論得到了迅速發(fā)展，它主要以傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所用的數(shù)學(xué)工具為線性代數(shù)、泛函分析、概率統(tǒng)計(jì)等，對多輸入多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高性能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域的主要研究課題，控制器以數(shù)字軟件為主。80年代以來，自動(dòng)控制理論又取得了突破性的發(fā)展，這就是魯棒控制理論的誕生和走向成熟。由