第二單元樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)講解

第二單元智能建筑的

計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)模塊一樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)

基本概念應(yīng)知：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；樓宇常用傳感器和執(zhí)行器的工作原理和使用；樓宇控制系統(tǒng)（BAS）的結(jié)構(gòu)和組成；控制網(wǎng)絡(luò)概念，BACnet、LonWorks總線協(xié)議的基本概念和優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)會(huì)：能夠正確選擇傳感器和執(zhí)行器；掌握PID參數(shù)對(duì)控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。FASOAS5ABASSASCAS復(fù)習(xí)硬件部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成軟件部分一計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)被控對(duì)象過(guò)程通道組成人-機(jī)聯(lián)系設(shè)備和控制操作臺(tái)1硬件部分1硬件部分圖1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

微處理器（CPU）存儲(chǔ)器ROM

RAM

系統(tǒng)總線

1.1計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、報(bào)警等。同時(shí)，通過(guò)接口電路向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種控制命令，指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有條不紊地工作1.2過(guò)程通道定義：是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象之間交換數(shù)據(jù)信息的橋梁，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按特殊要求設(shè)置的部分。傳輸信號(hào)的形式可分為按信號(hào)的傳輸方向模擬量通道開(kāi)關(guān)量通道輸入通道輸出通道AI

過(guò)程通道AnalogInputsDI

AO

DO

Analog

OutputsDigitalOutputsDigitalInputs用來(lái)將被控對(duì)象的模擬量被控參數(shù)（被測(cè)參數(shù)），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送至計(jì)算機(jī)，檢測(cè)元件（傳感器）包括變送器多路采樣器模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道（AnalogInputs，AI）用來(lái)將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變換為模擬量后，去控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)或液動(dòng)元件，還需經(jīng)過(guò)電-氣、電-液轉(zhuǎn)換裝置，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣體驅(qū)動(dòng)和液體驅(qū)動(dòng)信號(hào)。每個(gè)模擬量輸出回路輸出的信號(hào)在時(shí)間上是離散的，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求是連續(xù)的模擬量，所以通過(guò)輸出保持器將輸出信號(hào)保持后，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量輸出通道（AnalogOutputs，AO）用于將現(xiàn)場(chǎng)的各種限位開(kāi)關(guān)或各種繼電器的狀態(tài)輸入計(jì)算機(jī)。各種開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換、光電隔離并消除抖動(dòng)后，被存入寄存器中，每一路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，相應(yīng)地由寄存器中的一位二進(jìn)制數(shù)字0、1表示，計(jì)算機(jī)的CPU可周期性地讀取輸入回路每一個(gè)寄存器的狀態(tài)來(lái)獲取系統(tǒng)中各個(gè)輸入開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。開(kāi)關(guān)量輸入通道（DigitalInputs，DI）用來(lái)控制系統(tǒng)中的各種繼電器、接觸器、電磁閥門(mén)、指示燈、聲光報(bào)警器等只有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。開(kāi)關(guān)量輸出通道鎖存來(lái)自于計(jì)算機(jī)CPU輸出的二進(jìn)制開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)每一位的0、1值，分別對(duì)應(yīng)一路輸出的開(kāi)、關(guān)或通、斷狀態(tài)，計(jì)算機(jī)輸出的每一位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光電隔離后，可通過(guò)OC門(mén)（集電極開(kāi)路電路，具有較較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力）、小型繼電器、雙向晶閘管、固態(tài)繼電器等驅(qū)動(dòng)元件的輸出去控制交直流設(shè)備。開(kāi)關(guān)量輸出通道（DigitalOutputs，DO）TEXTTEXTTEXTTEXT用來(lái)對(duì)被控參數(shù)的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，即將連續(xù)變化的非電物理量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓、電流、電阻值等）用來(lái)將傳感器得來(lái)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、變換等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的直流電流（0~10mA，4~20mA），或直流電壓（0~5V，0~10V，1~5V等）稱(chēng)為多路模擬開(kāi)關(guān)，用來(lái)對(duì)多路模擬量信號(hào)進(jìn)行分時(shí)切換，將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬量信號(hào)將時(shí)間上離散的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散的數(shù)字信號(hào)，并送入計(jì)算機(jī)中檢測(cè)元件變送器多路采樣器A/D轉(zhuǎn)換器接口是計(jì)算機(jī)與過(guò)程通道之間的中介部分，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常使用的接口為數(shù)字接口，并行接口分為串行接口脈沖序列接口。1.3接口部分控制操作臺(tái)

功能：控制操作臺(tái)是人與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)系的必要設(shè)備，在控制操作臺(tái)上隨時(shí)顯示紀(jì)記錄系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和被控對(duì)象的參數(shù)，使操作人員及時(shí)地了解生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)，進(jìn)行必要的干預(yù)，修改有關(guān)參數(shù)或緊急處理某些事件。操作臺(tái)包括以下設(shè)備：1）CRT顯示器或LED數(shù)碼管顯示器、打印機(jī)、記錄儀等輸出設(shè)備；2）鍵盤(pán)、功能控制按鈕和扳鍵（作用開(kāi)關(guān)）等輸入裝置；3）計(jì)算機(jī)外存器，如硬盤(pán)、磁盤(pán)機(jī)、磁帶機(jī)等，用來(lái)暫存系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序；4）狀態(tài)指示和報(bào)警指示的指示燈和聲報(bào)警器。2軟件部分計(jì)算機(jī)軟件有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)操作運(yùn)行的基本條件之一，它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信息的指揮者和協(xié)調(diào)者，并具有數(shù)據(jù)處理、硬盤(pán)管理等功能，支持包括程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、編譯程序、診斷程序等軟件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是用戶(hù)根據(jù)自己的需要，執(zhí)行編制的控制程序、控制算法程序及一些服務(wù)程序；控制軟件包括對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接檢測(cè)、控制的前沿程序，包括人-機(jī)聯(lián)系、對(duì)外圍設(shè)備管理的服務(wù)性程序，還有保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的自檢程序等。二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類(lèi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為以下幾種類(lèi)型：1、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)3、集散控制系統(tǒng)4、現(xiàn)場(chǎng)總線與分布控制系統(tǒng)

1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)也稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，如圖1-3所示。主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量等）進(jìn)行巡回檢測(cè)、收集、記錄、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、分析、判斷和處理，最后由顯示器或打印機(jī)列出處理結(jié)果，供操作人員掌握和分析生產(chǎn)情況，若遇到某個(gè)參數(shù)超過(guò)限定值，操作人員可進(jìn)行處理但是計(jì)算機(jī)并不直接控制生產(chǎn)過(guò)程。圖1-3數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC）系統(tǒng)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與給定值比較，然后按照事先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，并將控制量通過(guò)接口直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，如圖1-4所示。圖1-4直接數(shù)字控制系統(tǒng)3集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）是采用集中管理、分散控制策略的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它以分布在現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化控制器或計(jì)算機(jī)裝置完成對(duì)被控設(shè)備的實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)任務(wù)，以具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、顯示、記錄及顯示報(bào)警等工作。3集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，由圖可見(jiàn)它是一種橫向分散、縱向分層的體系結(jié)構(gòu)，其功能分層可分為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)和中央管理級(jí)，如圖1-6所示，級(jí)與級(jí)之間通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)相連。圖1-5集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（DCS圖1-6集散控制系統(tǒng)的功能分層

集散控制系統(tǒng)功能分層可分為：123現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)監(jiān)控級(jí)中央管理級(jí)1.現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)由現(xiàn)場(chǎng)直接數(shù)字控制器DDC及現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)組成。DDC是以功能相對(duì)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器為核心，具有多個(gè)DO、DI、AI、AO通道，可與各種低壓控制電器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等直接相連的一體化裝置，用來(lái)直接控制各個(gè)被控設(shè)備，并且能與中央控制管理計(jì)算機(jī)通信。監(jiān)控級(jí)的主要功能:(1)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理；(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視和存儲(chǔ)；(3)實(shí)施連續(xù)控制、批量控制或順序控制的運(yùn)算和輸出控制；(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備的自診斷；(5)實(shí)施數(shù)據(jù)通信。3.中央管理級(jí)中央管理計(jì)算機(jī)是以中央控制室操作站為中心，輔以打印機(jī)、報(bào)警裝置等外部設(shè)備組成，它是集散控制系統(tǒng)的人機(jī)聯(lián)系的主要界面。中央管理級(jí)的主要功能:1)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、顯示和輸出；2)優(yōu)化控制和優(yōu)化整個(gè)集散控制系統(tǒng)的管理調(diào)度；3)實(shí)施故障報(bào)警、事件處理和診斷；4)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。圖1-7是集散式建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場(chǎng)控制層實(shí)現(xiàn)的是單個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化；監(jiān)督控制層實(shí)現(xiàn)的是各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備的協(xié)調(diào)控制和集中操作管理，即分系統(tǒng)的自動(dòng)化；管理層協(xié)調(diào)管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制和管理，從而實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的目的。圖1-7集散式建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的通信網(wǎng)路分為兩層：（1）分布在現(xiàn)場(chǎng)的DDC控制器與子系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)之間構(gòu)成第一層網(wǎng)絡(luò)，用于在上位機(jī)與DDC之間上傳下送大量的檢測(cè)與控制數(shù)據(jù)，以及各DDC之間相互通信協(xié)調(diào)，該層網(wǎng)絡(luò)一般通過(guò)EIA標(biāo)準(zhǔn)總線RS485或RS422進(jìn)行互連，為保證信息的實(shí)時(shí)性，通信速率一般不低于9600bps。（2）各子系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)及中央管理計(jì)算機(jī)之間構(gòu)成第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)。4現(xiàn)場(chǎng)總線與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線是適應(yīng)智能儀表發(fā)展的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均是智能儀表或設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖请p向的數(shù)字