1、1,第九章 新型計算機控制系統(tǒng),9.1 嵌入式系統(tǒng) 9.2 集散控制系統(tǒng) 9.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9.4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),2,9.1 嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的定義 嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)的分類 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展狀況,3,1. 嵌入式系統(tǒng)的定義,定義：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 從以下幾個方面來理解 必須與具體應(yīng)用相結(jié)合 技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新 存在著一個較為通用的軟、硬件內(nèi)核，滿足可靠性高、成本低、體積小、開發(fā)周期短的要求,4,2. 嵌

2、入式系統(tǒng)的特點,系統(tǒng)內(nèi)核小 系統(tǒng)精簡 高實時性和高可靠性 智能化和網(wǎng)絡(luò)化 專用性強 需要有專用的開發(fā)工具和環(huán)境,5,3. 嵌入式系統(tǒng)的分類,從硬件的表現(xiàn)形式方面來看，嵌入式系統(tǒng)可以分為 芯片級嵌入 模板級嵌入 系統(tǒng)級嵌入 嵌入式系統(tǒng)硬件最核心的部分是嵌入式處理器，嵌入式處理器可以分為四類，如圖9.3所示。,圖9.3 嵌入式處理器分類,6,嵌入式系統(tǒng)的分類,從結(jié)構(gòu)上來看，嵌入式系統(tǒng)的軟件是由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成的。應(yīng)用程序運行于操作系統(tǒng)之上。 根據(jù)實時性要求，通?？蓪⑶度胧讲僮飨到y(tǒng)分為兩大類：實時嵌入式操作系統(tǒng)和非實時嵌入式操作系統(tǒng)。 實時嵌入式操作系統(tǒng) 非實時嵌入式操作系統(tǒng),圖9

3、.4 嵌入式系統(tǒng)軟件的分類,7,實時嵌入式操作系統(tǒng),實時嵌入式操作系統(tǒng)是指能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能，并對外部的異步事件做出響應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng) 。 硬實時系統(tǒng) 在硬實時系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)在指定的時間內(nèi)未能實現(xiàn)某個確定的任務(wù)，則會引起系統(tǒng)崩潰或?qū)е轮旅e誤。 軟實時系統(tǒng) 在軟實時系統(tǒng)中超時不會導致致命錯誤。,8,非實時嵌入式操作系統(tǒng),非實時嵌入式操作系統(tǒng)在軟件執(zhí)行時間上要求并不嚴格，時間上的延遲不會對系統(tǒng)造成災(zāi)難性的后果。這意味著非實時嵌入式操作系統(tǒng)更側(cè)重于功能實現(xiàn)的完整性和正確性。例如，掌上電腦和各類電子記事工具，更多的是對應(yīng)用功能的追求。,9,4. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,軍事國防領(lǐng)域 控制系

4、統(tǒng)和工業(yè)自動化 辦公自動化及消費類電子產(chǎn)品 醫(yī)療電子設(shè)備 數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域 機器人領(lǐng)域 家用電器 農(nóng)業(yè)及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,10,5. 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例 嵌入式溫室環(huán)境計算機控制系統(tǒng),采用計算機自動控制植物生長所需要的部分或全部環(huán)境條件，在一些農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)非常普及，農(nóng)業(yè)工廠化已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新途徑。溫室環(huán)境控制的目的是營造作物生長適合的人工氣候環(huán)境，使作物能夠部分或全部克服外界氣候環(huán)境和土壤因素的制約，為此必須對作物生長的溫度、濕度、CO2、營養(yǎng)液、光等加以控制。 系統(tǒng)組成 智能滴灌控制器工作原理及嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu) 嵌入式控制器應(yīng)用程序設(shè)計,11,系統(tǒng)組成,溫室環(huán)境控制系統(tǒng)要對生產(chǎn)過程進行

5、自動檢測、信息處理和實時控制；對系統(tǒng)運行的重要參數(shù)進行直接顯示和其他處理；操作人員可以隨時對生產(chǎn)過程進行干預(yù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的在線操作。為了提高系統(tǒng)的性價比和降低成本，并便于進行管理和提高系統(tǒng)的可靠性，采用嵌入式計算機控制系統(tǒng)。,圖9.5 溫室環(huán)境計算機控制系統(tǒng),12,智能滴灌控制器工作原理及 嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu),滴灌控制器的工作原理是：根據(jù)室外氣象傳感器提供的氣象信息，廢液回收系統(tǒng)的廢液品質(zhì)，以及溫室內(nèi)部的溫、濕度，土壤濕度信息和植物葉面蒸騰量，決策出不同灌溉區(qū)域的灌溉控制方式，并根據(jù)營養(yǎng)液混合管道的鹽度和酸堿度傳感器的反饋，調(diào)節(jié)營養(yǎng)液配比裝置，利用人工智能技術(shù)可以對節(jié)水灌溉的全部系統(tǒng)進行自

6、適應(yīng)檢測與控制，做到合理調(diào)配水、肥，實現(xiàn)既經(jīng)濟又適當?shù)霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水。,圖9.6智能灌溉控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),13,嵌入式控制器應(yīng)用程序設(shè)計,實時操作系統(tǒng)(RTOS)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，應(yīng)用程序是運行于RTOS之上的各個任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求進行資源管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。 后臺通信程序通過RS-485以中斷方式得到系統(tǒng)計算所需的各傳感器數(shù)據(jù)。 手動運行模式為用戶制定灌溉區(qū)域、營養(yǎng)液配比以及灌溉時間和灌溉水量；自動運行模式是利用用戶預(yù)先設(shè)定的一批灌溉參量進行自動灌溉的一種模式；智能運行模式則根據(jù)各傳感器的參數(shù)輸入，使用人工智能算法自動完成擬定動態(tài)

7、輸配水計劃，對節(jié)水灌溉的全部系統(tǒng)進行自動檢測與控制。,14,6.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展狀況,模塊化 可配置模塊 多硅片連接模塊 單硅片片上系統(tǒng) 新一輪嵌入式產(chǎn)品,15,9.2 集散控制系統(tǒng),計算機集散控制系統(tǒng)的概念 計算機集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成 計算機集散控制系統(tǒng)的特點 計算機集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例,16,1.計算機集散控制系統(tǒng)的概念,給出一個全面的集散控制系統(tǒng)的定義是困難的。簡要地說，它是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求，從綜合自動化的角度出發(fā)，按功能分散、管理集中的原則構(gòu)思，具有高可靠性指標，不斷以新的技術(shù)成果充實而研制開發(fā)出來的，以微處理器、微型計算機技術(shù)為核心的，與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、顯示

8、、人機接口技術(shù)、輸入輸出接口技術(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新型控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)(DCS)以多個微處理機為基礎(chǔ)利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和冗余技術(shù)等實現(xiàn)對分散控制對象的調(diào)節(jié)、監(jiān)視管理的控制技術(shù)。,17,2.計算機集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成,集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可包含分散過程控制裝置部分、集中操作和管理系統(tǒng)部分以及通信網(wǎng)絡(luò)部分三大部分。 分散過程控制裝置 集中操作、管理裝置 通信網(wǎng)絡(luò),18,分散過程控制裝置,分散過程控制裝置是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面，生產(chǎn)過程的各種過程變量通過分散過程控制裝置轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過分散過程控制裝置

9、送到執(zhí)行機構(gòu)。在分散過程控制裝置內(nèi)，進行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成控制算法的各種運算，對輸入與輸出量進行有關(guān)的軟件濾波及其他的一些運算。,19,集中操作、管理裝置,操作管理裝置是操作人員與集散控制系統(tǒng)間的界面。操作人員通過操作管理裝置了解生產(chǎn)過程的運行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作管理裝置上顯示，以便于操作人員監(jiān)視和操作。,20,通信網(wǎng)絡(luò),分散過程控制裝置與操作管理裝置之間需要有一個橋梁來完成數(shù)擬之間的傳遞和交換，這就是通信網(wǎng)絡(luò)。有些集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品在分散過程控制裝置內(nèi)又增加了現(xiàn)場裝置級的控制裝置和現(xiàn)場總線的通信系統(tǒng)；有些集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品則在操作管理裝置內(nèi)增

10、加廠綜合管理級的控制裝置和相應(yīng)的通信系統(tǒng)。這些集散控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的分級增加，系統(tǒng)的通信系統(tǒng)對不同的裝置有不同的要求，但是，從系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)來看，還是由三大部分組成的。,21,3.計算機集散控制系統(tǒng)的特點,集散控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用的原因是它具有優(yōu)良的特性。與模擬電動儀表比較，它具有連接方便、采用軟連接的方法連接容易更改、顯示方式靈活、顯示內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)存儲量大等優(yōu)點；與計算機集中控制系統(tǒng)比較，它具有操作管理監(jiān)督方便、風險分散、功能分散，從而系統(tǒng)具有可操作性好、可靠性高等優(yōu)點。 自主性 人機界面 系統(tǒng)適應(yīng)性和可擴充性好 通信網(wǎng)絡(luò)具有開放性 運行安全可靠,22,自主性,在集散控制系統(tǒng)中，每一個分散過程控

11、制裝置都是一個自治的小系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)的采集、信號處理、計算及數(shù)據(jù)輸出等功能。分散過程控制裝置部分可由多回路控制器、單回路控制器、多功能控制器、可編程序邏輯控制器及數(shù)據(jù)采集裝置等組成。它相當于現(xiàn)場控制級和過程控制裝置級，實現(xiàn)與過程的連接。因此，既可實現(xiàn)簡單的邏輯控制，又可根據(jù)需要實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。集散控制系統(tǒng)的各部分是各自獨立的自治系統(tǒng)，但是，在系統(tǒng)中它們又是互相協(xié)調(diào)工作的。,23,人機界面,集散控制系統(tǒng)的人機界面由操作管理裝置來實現(xiàn)。操作管理裝置完成數(shù)據(jù)的顯示、操作監(jiān)視和操縱信號的發(fā)送等功能。操作管理裝置除了可以顯示過程的總貌顯示、分組顯示、各裝置的測量值、設(shè)定值、趨勢曲線、流程顯示、故障

12、狀態(tài)、控制輸出等數(shù)值外，還可以設(shè)置流程圖畫面、維護畫面和報警畫面，并可以實際需要來增設(shè)新的內(nèi)容。操作人員可以通過操作管理裝置監(jiān)視工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，按預(yù)先設(shè)定的控制策略設(shè)計各個控制回路，并對各回路的控制器參數(shù)進行整定；還可以實現(xiàn)各狀態(tài)量的監(jiān)視及組態(tài)操作。極大地方便了操作人員的操作，便于集中操作和管理。,24,系統(tǒng)適應(yīng)性和可擴充性好,集散控制系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)均采用標準化、模塊化設(shè)計思路，具有靈活的組配方案，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需要來改變系統(tǒng)的配置，在生產(chǎn)流程發(fā)生改變時可以很方便地擴大或縮小系統(tǒng)的規(guī)模。進行系統(tǒng)剪裁時，不必對系統(tǒng)軟硬件部分進行重新設(shè)計，只需要根據(jù)實際情況進行系統(tǒng)硬件的重新組合和軟件

13、的重新組態(tài)既可。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能，可以說，沒有系統(tǒng)組態(tài)功能的系統(tǒng)就不能稱其為DCS。集散控制系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和擴充性。,25,通信網(wǎng)絡(luò)具有開放性,在集散控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)是DCS的骨架，是DCS的基礎(chǔ)和核心，對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)是計算機集散控制系統(tǒng)的工程師站，它對集散控制系統(tǒng)DCS進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護等方面起著重要作用。其主要功能是提供對DCS進行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可

14、以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下。,26,運行安全可靠,集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，在任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的情況下，仍然可以保持系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)的硬件包括操作站、控制站、通信網(wǎng)絡(luò)及其他一些關(guān)鍵設(shè)備均采用雙重或多重冗余設(shè)計；系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，進行組態(tài)修改時可以在線下載，而不影響其他程序的運行。系統(tǒng)還設(shè)有完善的自診斷功能，整個系統(tǒng)運行安全可靠。,27,4. 計算機集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例,1995年武鋼決定在消化、吸收新引進機組生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計、建設(shè)CA5連續(xù)退火生產(chǎn)機組。根據(jù)CA5機組的控制規(guī)模，并考慮不低于原有引進

15、機組裝備水平，在綜合考慮了多種類型的儀表控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選擇了美國Honeywell公司的TDC3000集散控制系統(tǒng)，它具有安全、可靠、操作界面友好、軟件功能齊全等優(yōu)點，能滿足工藝操作的各種要求。 CA5線TDC3000集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成及組態(tài) CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,28,CA5線TDC3000集散控制系統(tǒng) 的構(gòu)成及組態(tài),TDC3000系統(tǒng)是美國Honeywell公司開發(fā)的新一代集散控制系統(tǒng)，它具有控制功能分散（可提高系統(tǒng)安全可靠性) 、操作管理功能集中（便于操作維護人員對生產(chǎn)過程的監(jiān)控）等優(yōu)點，可實現(xiàn)對作業(yè)線中各部分爐體進行溫度、流量、壓力等連續(xù)過程量的自動控制及相關(guān)設(shè)備的安全連

16、鎖控制，并提供很強的過程監(jiān)控功能。CA5線所采用的TDC3000集散控制系統(tǒng)包括通用操作站 、歷史模件 、網(wǎng)絡(luò)接口模件 、局域控制網(wǎng) 、通用控制網(wǎng) 、高級過程管理站 。,29,CA5線TDC3000集散控制系統(tǒng) 的構(gòu)成及組態(tài),圖9.8 CA5線TDC3000集散系統(tǒng)的構(gòu)成,30,CA5線TDC3000集散控制系統(tǒng) 的構(gòu)成及組態(tài),CA5線所需控制的數(shù)據(jù)點有溫度點69個，流量、壓力、液位等一般AI點78個、模擬輸出AO點79個及DI點160個、DO點116個。在構(gòu)成系統(tǒng)時，選用兩臺APM對上述信號進行過程控制和邏輯聯(lián)鎖控制，同時選用3臺US進行監(jiān)控，其中一臺用于頭部操作室監(jiān)控，另兩臺安裝在尾部操作

17、室，互為熱備使用。尾部操作室中的一臺US兼作為工程師站，對整個系統(tǒng)進行編程組態(tài)。,31,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,CA5機組主要用于對經(jīng)過冷軋后的無取向硅鋼進行帶鋼表面堿洗脫脂，并在保護氣氛中進行光亮退火，最后對無取向硅鋼進行絕緣涂層。機組由PH、NOF、RTF、SF、RJC、LC 及涂層后的DF、BF、AJC 等爐段構(gòu)成。,圖9.9 CA5機組主要工藝流程圖,32, 預(yù)熱爐過程控制 CA5線共設(shè)置預(yù)熱爐1段，無氧化爐5段，使用明火燒嘴加熱。預(yù)熱爐和無氧化爐每段都設(shè)有獨立的燃燒控制回路。其中無氧化爐的主燒嘴采用預(yù)熱空氣與煤氣混合燃燒，而預(yù)熱爐的主燒嘴只通預(yù)熱空氣，它與無氧化爐過來的過剩煤

18、氣及部分氣氛氣體進行進一步燃燒。,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,33,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,圖9.10 預(yù)熱爐過程控制,34, NOF 溫度控制系統(tǒng)的檢測、控制 NOF每個溫度控制段通過一對R型熱電偶進行監(jiān)控。一般情況下，用其中一支熱電偶的測量值PV作為溫度調(diào)節(jié)器（TIC5A101）的輸入值進行溫度控制，另一支用于對比監(jiān)視。用于溫度控制的熱電偶異常時，可由操作人員通過TDC3000系統(tǒng)中操作站顯示的軟件切換開關(guān)進行切換，保證溫度控制過程的連續(xù)性。 爐溫調(diào)節(jié)器采用連續(xù)PID控制方式進行自動過程控制，在TDC3000系統(tǒng)中選用常規(guī)控制點PID模塊，可實現(xiàn)爐溫調(diào)節(jié)器的上述3種控制方式，而

19、其中的自動設(shè)定功能則可通過過程控制模件APM提供的CL語言進行編程設(shè)定。,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,35,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,為保證燒嘴在一定范圍內(nèi)進行燃燒，避免燒嘴過燒及回火現(xiàn)象，需要設(shè)定爐溫調(diào)節(jié)器輸出值的上下限。同時當爐溫超高時，設(shè)置內(nèi)部報警點，與管道上的煤氣及空氣控制閥進行聯(lián)鎖控制。 流量調(diào)節(jié)器采用連續(xù)PI控制方式，具有串級、自動、手動3 種選擇方式。,36,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,圖9.11 煤氣和空氣調(diào)節(jié)器組合的控制方式,37,根據(jù)NOF溫度控制的設(shè)計要求，當正在燃燒的某一段燒嘴的負荷指令（即溫度控制回路的輸出值）低于某一設(shè)定值，同時實測的煤氣流量低于某一設(shè)

20、定值時，這時需由控制系統(tǒng)給出報警信號，并且控制系統(tǒng)將按一定的速率同時關(guān)閉煤氣與燃燒空氣調(diào)節(jié)閥。當燃燒負荷指令增大時，又需將該段的煤氣與空氣流量調(diào)節(jié)閥按一定的速率同時打開。 流量閥的關(guān)閉快慢程序以不引起較大爐壓波動為佳，同時為盡量減少爐壓的波動，保持燃燒氣氛的穩(wěn)定，當NOF爐中有多個爐段同時滿足自動Turn Down 與Turn up條件時，還需設(shè)定一定的關(guān)閉或打開順序，即不允許任意兩段爐的燒嘴在同一時刻關(guān)閉或打開，關(guān)閉的優(yōu)先順序為：1Z - 2Z -3Z - 4Z - 5Z ，打開時則按逆向的優(yōu)先順序操作。,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,38,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,圖9.12 無氧

21、化爐Turn Down連鎖控制,39,在NOF溫度控制過程中，還需處理較多的安全連鎖問題，如點火過程控制，空氣吹掃方式控制，爐壓擋板切換，煤氣、空氣壓力低連鎖及斷偶等異常處理，它們均可通過編制相應(yīng)的CL控制程序得以解決。 CA5線于1998年5月開始進行試生產(chǎn)，并在短時期內(nèi)投入正常生產(chǎn)運行，生產(chǎn)出來的硅鋼產(chǎn)品已為武鋼帶來巨大的經(jīng)濟效益。,CA5機組的主要工藝參數(shù)的控制,40,9.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),現(xiàn)場總線的概念 常用的現(xiàn)場總線 以太網(wǎng)（Ethernet） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的控制特點 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)用實例,41,1. 現(xiàn)場總線的概念,現(xiàn)場總線(

22、fieldbus)是用于過程自動化或制造自動化中的，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備(例如，變送器、執(zhí)行器、控制器)與高層設(shè)備(例如主機、網(wǎng)關(guān)、人機接口設(shè)備)之間互聯(lián)的，全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)。通過它可以實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的分布式控制。按照國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基全會FF的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。,42,2. 常用的現(xiàn)場總線,IEC技術(shù)報告 Profibus(德國西門子等公司支持) P-Net(丹麥Process Data公司支持) FF HSE(即原FF的H2，F(xiàn)isher-Rosemount等公司支持) WorldFIP(法國Als

23、tom等公司支持),43,3. 以太網(wǎng),一般認為DCS是封閉性的控制系統(tǒng)，而FCS是開放性的系統(tǒng)。但事實上，為數(shù)眾多的各國標準和一些制造商的企業(yè)標準很難使FCS具有完全的開放性。目前不少公司與組織正在積極研究將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 以太網(wǎng)由Zilog公司的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來，1980年由DEC、Intel、Xerox三家公司聯(lián)合宣布了以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范。以太網(wǎng)是著名的總線網(wǎng)。集散控制系統(tǒng)中，采用CSMACD方式傳輸數(shù)據(jù)的總線網(wǎng)絡(luò)大多采用以太網(wǎng)。,44,以太網(wǎng),以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和高層用戶層。控制器插件板完成數(shù)據(jù)鏈路層的功能，同軸電纜側(cè)的收發(fā)器完成物理層的功能。,圖9.

24、13 以太網(wǎng)的分層及其物理實現(xiàn),45,以太網(wǎng),圖9.14 以太網(wǎng)各層的功能,46,4. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念,現(xiàn)場總線技術(shù)體現(xiàn)了一種全新的系統(tǒng)集成思想。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個工業(yè)設(shè)備自動化控制的一種開放的計算機局域通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將封閉、專用的系統(tǒng)變成開放的、標準的系統(tǒng)，使得不同制造商的產(chǎn)品得以互連，大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，更好地滿足了實時性要求，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。,47,5. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng) 測量系統(tǒng) 設(shè)備管理系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)通信,48,6. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點,在功能上管理集中，控制分散，在結(jié)構(gòu)上橫向分散、縱向分級 要有快

25、速實時響應(yīng)能力 產(chǎn)品要具有互操作性 要求具有較高可靠性措施,49,7. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例,在鋅焙燒和鉛燒結(jié)過程中，會產(chǎn)生大量低濃度SO2煙氣，通常只經(jīng)過傳統(tǒng)收塵就直接排空，嚴重影響了周邊環(huán)境。為了治理這種污染，株冶于2001年引進丹麥托普索WSA（濕式氣體硫酸）技術(shù)和美國孟山都動力波除塵技術(shù)，對低濃度SO2進行回收處理，并生產(chǎn)出濃度達96%以上的高質(zhì)量硫酸，尾氣中的SO2和酸霧排放指標大大優(yōu)于國家標準。整個煙氣制酸工藝由沸騰爐、鉛燒結(jié)、動力波和WSA制酸系統(tǒng)組成。工藝流程長，設(shè)備分散且分布范圍廣，本例采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成控制系統(tǒng)(FCS)，實現(xiàn)了全工藝流程管控一體化和網(wǎng)絡(luò)化控制。,5

26、0,總線選擇及系統(tǒng)構(gòu)成,本例我們在現(xiàn)場控制層采用FF(H1)和Profibus-DP總線進行集成，這兩種總線之間的通信，采用Modbus串行通信接口。FF總線由H1總線卡、M5+控制器、總線電源、終端器等組成。FF(H1)總線下掛EJA FF協(xié)議變送器和Ros2mount3051總線型變送器，分別檢測流量、壓力、液位等參數(shù)，采用DVC5010F和SmarFY302總線型定位器，實現(xiàn)對各工藝氣動調(diào)節(jié)閥的控制，溫度檢測采用了3244和848T總線型溫度變送器。,51,總線選擇及系統(tǒng)構(gòu)成,Profibus-DP總線下掛S7-300PLC主站，S7-200PLC 從站，以及具有DP接口的ABB公司AC

27、S600變頻器。具有Modbus協(xié)議的RTU高壓電力系統(tǒng)微機保護裝置，直接掛在Modbus通信接口上。上述總線全部集成在Rosemount DeltaV系統(tǒng)上,構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。DeltaV是基于Windows NT平臺的過程控制系統(tǒng)，它包含了FF的H1 、Profibus-DP、HART和Ethernet協(xié)議，具有數(shù)十種獨特的功能模塊，可以通過組態(tài)實現(xiàn)各種控制。FCS主控層由3個工程師站和7個操作員站組成，主控層通過12端口雙(10/ 100Mb)以太網(wǎng)橋、光纜和OPC服務(wù)器與管理層進行通信。,52,總線選擇及系統(tǒng)構(gòu)成,圖9.15 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),53,控制系統(tǒng)軟件,FCS軟件，采用了基于De

28、ltaV的瀏覽器軟件，控制工作室和配方工作室軟件，診斷軟件，歷史趨勢觀測軟件，歷史事件記錄軟件，AMS設(shè)備管理軟件，以及Sytech Report Manager報表軟件等。應(yīng)用軟件之間進行數(shù)據(jù)和信息交換，以及計算機內(nèi)部應(yīng)用程序?qū)ΜF(xiàn)場信息的共享與交互，都是通過一臺OPC服務(wù)器實現(xiàn)，OPC技術(shù)提供了客戶程序與服務(wù)器程序進行交互的標準，從而實現(xiàn)了各應(yīng)用軟件的集成，提高了FCS的互操作性和適應(yīng)性。,54,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層,FF現(xiàn)場總線通信模型由物理層、通信層和用戶應(yīng)用層組成。我們重點開發(fā)用戶應(yīng)用層，采用自頂向下的方法進行開發(fā)，主要包含操作界面，控制策略，設(shè)備組態(tài)、標定、管理等內(nèi)容。,圖9.

29、16 DeltaV用戶應(yīng)用層,55,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 操作界面 將操作界面設(shè)計為三個層次，總貌圖、各分廠子系統(tǒng)和現(xiàn)場區(qū)域?qū)?。用戶從頂層總貌圖上可導航逐級進入各個現(xiàn)場區(qū)域的每臺總線設(shè)備。在圖形工作室定義開發(fā)環(huán)境，使之在操作接口軟件中起作用，并使用USER-GLB配置操作環(huán)境，在USER-GLB文件中定義和聲明全局變量，設(shè)置每個工作站的啟動環(huán)境。然后定義屏幕布局和創(chuàng)建操作流程圖等。,56,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 控制策略 控制策略采用自頂向下的方法進行開發(fā)。 DeltaV控制系統(tǒng)是基于模塊的控制系統(tǒng)，模塊是其中最小的邏輯控制實體，它包含了顯示、歷史趨勢、報警、狀態(tài)、算法和其它定義

30、過程設(shè)備的特性。功能塊是生成連續(xù)和離散算法的基本結(jié)構(gòu)，而算法執(zhí)行過程控制和監(jiān)控操作。算法可以進行輸入變換，也能組成復(fù)合功能塊，實現(xiàn)復(fù)合算法。參數(shù)是用戶定義的數(shù)據(jù)，用來執(zhí)行計算和邏輯。,57,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層,圖9.17 DeltaV系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),58,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 系統(tǒng)組態(tài) 首先進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，分配地址和指定位號；然后進行現(xiàn)場總線儀表中功能塊組態(tài)，DeltaV內(nèi)部功能塊組態(tài)，以及總線儀表的鏈接和參數(shù)設(shè)置；最后通過安裝在DeltaV系統(tǒng)中的控制器，將預(yù)先設(shè)定好的地址和程序，下載到現(xiàn)場總線儀表中。現(xiàn)場儀表便可在鏈接活動調(diào)度器LAS調(diào)度下進行通信和控制。,59,DeltaV系

31、統(tǒng)用戶應(yīng)用層, WSA 熔鹽系統(tǒng)溫度控制 熔鹽是熱交換的載體。通過熔鹽泵使熔鹽流體在SO2轉(zhuǎn)化器、冷卻器、加熱器、熱交換器之間循環(huán)，實現(xiàn)工藝氣體與熔鹽之間的熱交換。熔鹽系統(tǒng)溫度控制直接影響到SO2 SO3 的轉(zhuǎn)化率和煙氣的凈化效果，因此，熔鹽系統(tǒng)是WSA的心臟，其溫度控制是整個制酸工藝的核心。,60,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層,圖9.18 熔鹽系統(tǒng)溫度控制流程,61,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 燒嘴控制 燒嘴溫度控制，開發(fā)了TIC-16溫控模塊，調(diào)節(jié)燃燒空氣流量，使燒嘴專用空氣/ 液化氣比例調(diào)節(jié)器按最佳比例，自動調(diào)節(jié)空氣和液化氣的燃燒比，使燒嘴的溫度控制在TIC-16的設(shè)定值上。,圖9.19

32、 TIC- 16模塊控制策略組態(tài),62,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 高壓鼓風機控制 WSA冷凝器出口的工藝氣體溫度和冷卻風機鼓風流量組成串級調(diào)節(jié)回路，通過控制風機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻空氣流量，使冷凝器出口的工藝氣體溫度得到有效控制。開發(fā)該控制回路，采用了“RAMP”斜率變化、“ML2TY”乘法、“AND”與、“OND”延時、“OR”或、“RS”寄存器等功能塊，組成復(fù)合流量模塊，來實現(xiàn)邏輯及控制功能。燒結(jié)機出口的煙氣壓力信號，通過以太網(wǎng)進入WSA的DeltaV系統(tǒng)，由PLC控制鼓風機的智能液力耦合器，調(diào)節(jié)WSA系統(tǒng)入口煙氣鼓風機的轉(zhuǎn)速，使燒結(jié)機出口煙氣保持一定負壓。鼓風機本體的油壓、油溫、軸承和電機

33、繞組溫度，以及振動值都由風機專用S7-200PLC進行監(jiān)控，并由Profibus-DP總線輸入DeltaV系統(tǒng)。,63,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 沸騰爐控制 沸騰爐電氣和工藝設(shè)備，采用PLC或變頻器進行控制，并通過DP總線與FCS通信。溫度檢測分別采用848T(8 路) 和3244總線型溫度變送器，壓力及差壓信號檢測，采用3051和EJA FF總線型變送器。鼓風流量、汽包水位、汽包壓力和減溫減壓調(diào)節(jié)都是采用國產(chǎn)氣動閥，分別與DVC5010F(單作用)和SmarFY302(雙作用) 定位器配套，這種方式可降低調(diào)節(jié)閥的成本約60%。沸騰爐控制中，開發(fā)了標溫控制模塊，汽包水位控制模塊，汽包壓力控

34、制模塊，減溫減壓控制模塊等。,64,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 燒結(jié)及動力波控制 燒結(jié)機的配料量，采用核子稱進行檢測，將速度信號和荷重信號以脈沖頻率輸入PLC的脈沖頻率信號模塊，再通過DP總線和Modbus傳送至DeltaV系統(tǒng)，并應(yīng)用組態(tài)工作室內(nèi)的“CALC”運算模塊建立料量數(shù)學模型，運算結(jié)果由DeltaV系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成4-20mA模擬信號，控制變頻器調(diào)節(jié)皮帶機速度，實現(xiàn)配料量控制。配料后的混合料，其濕度采用非接觸式MM710型紅外線濕度計進行快速檢測，并通過水量調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)濕度的自動控制。動力波工藝中槽罐較多，主要是液位、流量檢測和泵的連鎖控制。液位和流量檢測，采用E+H 公司的超聲波液位計

35、和Pormag53P型電磁流量計。,65,DeltaV系統(tǒng)用戶應(yīng)用層, 連鎖控制 WSA制酸，燒結(jié)及動力波，沸騰爐三大系統(tǒng)，共有24個工藝過程參數(shù)和狀態(tài)信號參與連鎖控制，各系統(tǒng)之間相互影響，某一個關(guān)鍵工藝參數(shù)不正常，都可能使全系統(tǒng)停車，因而連鎖控制的可靠性是控制的重點，采用DeltaV中的邏輯塊和定時(計數(shù))功能塊，設(shè)計連鎖邏輯程序，能大大提高連鎖控制的可靠性。連鎖控制系統(tǒng)，是采用DeltaV系統(tǒng)中的“AND”“與”邏輯塊，“OR”“或”邏輯塊，RS寄存器，“NOT”“非”邏輯塊， 以及“OND”時間延時模塊，與PLC相結(jié)合構(gòu)成。,66,現(xiàn)場總線工程中的問題及對策, 總線型閥門定位器，其零點和

36、滿量程是用軟件自動調(diào)校，調(diào)節(jié)閥本體的機械結(jié)構(gòu)和加工精度，對零點和量程調(diào)節(jié)影響較大，因而，定位器的電子功能應(yīng)和閥門機械加工精度相符，特別是采用閥門與定位器配套時，更應(yīng)注重兩者匹配后的整體性能，必須進行一體化性能測試。如果閥門定位誤差較大，易造成積分飽和，使閥門超調(diào)；另外，調(diào)節(jié)閥死區(qū)較大，將使調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)時間變長，過程偏離度變大，易使調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生振蕩。如果出現(xiàn)上述現(xiàn)象，首先應(yīng)該修正閥體與定位器的機械連接裝置。,67,現(xiàn)場總線工程中的問題及對策, 總線型閥門定位器應(yīng)與FCS系統(tǒng)的輸入阻抗相匹配，如果不匹配可加裝1臺智能中繼，以增加控制系統(tǒng)的負載能力。 重要工藝設(shè)備，應(yīng)在計算機上設(shè)置“允許啟動”和“啟動

37、”雙重按鈕，以防止誤操作。 對有些工藝參數(shù)的控制，調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有保位或限位功能，否則，當氣源(電源)發(fā)生故障時，會使調(diào)節(jié)閥失去控制。例如如果沸騰爐鼓風流量調(diào)節(jié)閥全開，將使沸騰爐內(nèi)的正壓達到最大，燒壞拋料皮帶，嚴重時，會使出料口的高溫礦料大量外溢，極易造成人身設(shè)備事故。另外，為了預(yù)防操作人員遠程手動遙控調(diào)節(jié)閥時，造成調(diào)節(jié)閥的過度調(diào)節(jié)，應(yīng)在計算機上對調(diào)節(jié)閥的開度進行限位。,68,小 結(jié),采用現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的控制網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合先進的系統(tǒng)軟件，不但提高了系統(tǒng)的控制精度和靈活性，而且降低了現(xiàn)場設(shè)備的初裝費和設(shè)計施工費，設(shè)備的維護工作量也大大減少。這套系統(tǒng)是目前我國規(guī)模較大，技術(shù)較先進的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，其

38、中采用部分國產(chǎn)氣動閥與進口定位器配套，已成功用于沸騰爐和余熱鍋爐控制，以及848T和EJA FF總線型變送器在我國首次成功應(yīng)用，這些為我國自動化裝備向現(xiàn)場總線技術(shù)升級提供了寶貴的經(jīng)驗。,69,9.4 網(wǎng)絡(luò)控制,網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識 基于網(wǎng)絡(luò)的控制 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況,70,1. 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識,計算機網(wǎng)絡(luò)的概念、特點及功能 計算機網(wǎng)絡(luò)的分類和基本組成 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡介 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,71,計算機網(wǎng)絡(luò)的概念、特點及功能,計算機網(wǎng)絡(luò)，就是把分布在不同地理區(qū)域的計算機與專門的外部設(shè)備用通信線路互連成一個規(guī)模大、功能強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而使眾多的計算機可以方便地互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數(shù)據(jù)信息等資源。

39、計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程大致可以分為具有通信功能的單機系統(tǒng)、具有通信功能的多機系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)三個階段。 計算機網(wǎng)絡(luò)的特點及功能,72,計算機網(wǎng)絡(luò)的特點及功能,數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和處理，以實現(xiàn)實時管理和實時監(jiān)控 可共享計算機系統(tǒng)資源 提高了計算機的可靠性 能均衡負載、互相協(xié)作 能進行分布處理 提高綜合信息服務(wù)的水平,73,計算機網(wǎng)絡(luò)的分類和基本組成,局域網(wǎng)（LAN） 網(wǎng)卡（NIC） 集線器（Hub） 交換機（Switch） 市域網(wǎng)（MAN） 廣域網(wǎng)（WAN） 路由器（Router） 調(diào)制解調(diào)器（Modem）,74,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡介,計算機網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)通信必須有一些約定，即通信協(xié)議，對速率、傳輸代碼、代碼

40、結(jié)構(gòu)、傳輸控制步驟、出錯控制等制定標準。為了使兩個結(jié)點之間能進行對話，必須在它們之間建立通信工具(即接口)，使彼此之間能進行信息交換。接口包括兩部分：一是硬件裝置，功能是實現(xiàn)結(jié)點之間的信息傳送；二是軟件裝置，功能是規(guī)定雙方進行通信的約定協(xié)議。,75,TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)議是為美國ARPA網(wǎng)設(shè)計的，目的是使不同廠家生產(chǎn)的計算機能在共同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行。 TCP是傳輸控制協(xié)議，規(guī)定一種可靠的數(shù)據(jù)信息傳遞服務(wù) IP協(xié)議又稱互連網(wǎng)協(xié)議，是支持網(wǎng)間互連的數(shù)據(jù)報協(xié)議。它提供網(wǎng)間連接的完善功能，包

41、括IP數(shù)據(jù)包規(guī)定互連網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的地址格式,76,2. 基于網(wǎng)絡(luò)的控制,網(wǎng)絡(luò)控制特點 網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用問題 網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實例,77,網(wǎng)絡(luò)控制特點,非定常性 數(shù)據(jù)到達的時刻不再是定常和有規(guī)則的 非完整性 數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯 非有序性 數(shù)據(jù)到達的次序可能不再遵守原有的時間順序 非確定性 數(shù)據(jù)到達是隨機的,78,網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu),根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常具備如圖9.20所示的結(jié)構(gòu)或圖9.21所示的結(jié)構(gòu)。其非定常性、非完整性、非有序性和非確定性體現(xiàn)在反饋傳輸和決策傳輸兩個環(huán)節(jié)中。,圖9.20 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一,79,網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu),圖9.21 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖二,80,網(wǎng)絡(luò)控

42、制應(yīng)用問題,明確系統(tǒng)性能指標 網(wǎng)絡(luò)用戶界面設(shè)計 對網(wǎng)絡(luò)時延的補償控制問題 多用戶登陸問題 網(wǎng)絡(luò)安全問題,81,網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實例,圖9.24 物理實驗裝置,本節(jié)講述基于Internet網(wǎng)絡(luò)的三容液位實驗控制系統(tǒng)的設(shè)計，該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是為教學實驗所設(shè)計，下面對基于網(wǎng)絡(luò)的三容控制系統(tǒng)設(shè)計過程加以簡要介紹。 過程描述 三容系統(tǒng)的物理實驗裝置如圖9.24所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9.25所示。,圖9.25 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,82,三容系統(tǒng)中存在著兩路輸入，分別是容器1和容器2的進水調(diào)節(jié)閥的流量，調(diào)節(jié)閥通過D/A輸出010V DC信號控制，對應(yīng)著調(diào)節(jié)閥門的不同開度。容器1和容器2之間靠容器3連接著，且第一個和第三個容器都帶有泄漏閥。通過物理機理建模可得如下三容系統(tǒng)模型：,網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實例,83,網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實例,該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，在本地側(cè)應(yīng)用PID算法來整定三容系統(tǒng)的控制性能，采用圖9.21所示的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，并使用了圖9.23所示的控制器參數(shù)調(diào)整策略以補償網(wǎng)絡(luò)延時帶來的影響。,圖9.23 控制器參數(shù)調(diào)整策略示意圖,84,網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實例,網(wǎng)絡(luò)控制策略 該網(wǎng)絡(luò)