1、第十章 計算機控制系統(tǒng),華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系,定義：計算機控制就是利用計算機實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制。 計算機控制系統(tǒng)=自動化技術(shù)+計算機技術(shù),10.3 可編程控制器,本章主要內(nèi)容：,10.1 概述,10.2 集散控制系統(tǒng),10.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),10.5 綜合自動化系統(tǒng),10.1 概述,10.1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成,圖10-1 計算機控制系統(tǒng)框圖,組成：被控對象、測量變送、控制器及執(zhí)行器,圖10-2 計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖,連續(xù)控制系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng),相似點： 組成相同 不同點： 模擬控制器 數(shù)字控制器 多路開關(guān)、采樣保持器、A/D、D/A,10.1.2 計算機控制系

2、統(tǒng)的發(fā)展,圖10-3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展,最初：DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)（集中控制系統(tǒng)） 20世紀70年代：DCS集散控制系統(tǒng)（集中管理、分散控制） 20世紀60年代：PLC可編程邏輯控制器 20世紀末：FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 目前及未來：CIMS計算機集成制造系統(tǒng) CIPS計算機集成過程系統(tǒng),10.2 集散控制系統(tǒng),10.2.0 基本概念 定義：集散控制系統(tǒng)又稱為分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System）,簡稱為DCS系統(tǒng)，是對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)。 工作原理：該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過

3、通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過CRT裝置、通信總線、鍵盤、打印機等進行集中操作、顯示和報警。,10.2.1 集散控制系統(tǒng)的特點 主要特征：集中管理和分散控制。具體有以下幾個方面： (1)分級遞階結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)工程出發(fā)，考慮功能分散、危險分散、提高可靠性、強化系統(tǒng)應(yīng)用靈活性、減少設(shè)備的復(fù)雜性與投資成本，并且便于維修和技術(shù)更新等優(yōu)化選擇而得出的。,圖10-4 DCS的結(jié)構(gòu)層次,每一級由若干子系統(tǒng)組成，形成金字塔結(jié)構(gòu)。同一級的各決策子系統(tǒng)可同時對下級施加作用，同時又受上級的干預(yù)，子系統(tǒng)可通過上級互相交換信息。 過程控制級：根據(jù)上層決策直接控制生產(chǎn)。 控制管理級：對生產(chǎn)過程實現(xiàn)集

4、中操作和統(tǒng)一管理。 生產(chǎn)管理級：承擔最優(yōu)化任務(wù) 經(jīng)營管理級：全面的綜合型經(jīng)營管理和決策,圖10-4 DCS的結(jié)構(gòu)層次,(2) 采用微機智能技術(shù) DCS采用了以微處理器為基礎(chǔ)的“智能技術(shù)”，成為計算機應(yīng)用最完善、最豐富的領(lǐng)域。現(xiàn)場控制單元、過程輸入輸出接口、數(shù)據(jù)通信等均采用微處理器，可以實現(xiàn)自適應(yīng)、自診斷和自檢測等“智能”控制過程。 (3) 豐富的功能軟件包 DCS具有豐富的功能軟件包，它能提供控制運算、過程監(jiān)視、組態(tài)、報表打印和信息檢索等功能。,(4) 采用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) DCS的數(shù)據(jù)通信采用工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行通信，傳輸實時控制信息，進行全系統(tǒng)信息綜合管理，并對分散的現(xiàn)場控制單元、人機接口

5、進行控制和操作管理。大多采用光纖傳輸媒質(zhì)，通信的可靠性和安全性大大提高。通信協(xié)議已開始向標準化前進，如采用IEEE802.3、IEEE802.4等。 (5) 友善的人機接口 (6) 高可靠性 硬件、軟件采用冗余技術(shù),10.2.2 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展,第一個集散控制系統(tǒng)TDC2000：1975年，美國Honeywell 三個時期： 初創(chuàng)期（19751980） 成熟期（19801985） 擴展期（1985年以后）,初創(chuàng)期：該時期的DCS系統(tǒng)是一個具有許多微處理機的分級控制系統(tǒng)，它采用分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散的生產(chǎn)過程，通過高速數(shù)據(jù)通道將系統(tǒng)各個單元聯(lián)系起來。其通信系統(tǒng)是一初、中級的局部網(wǎng)絡(luò)，全系統(tǒng)

6、由一個通信指揮器指揮和協(xié)調(diào)。 初創(chuàng)期具有代表性的DCS系統(tǒng)有Spectrum (Foxboro公司)、Network(貝利公司)、Centum(日本橫河公司),成熟期：該時期的DCS系統(tǒng)從原來單純的工業(yè)控制向生產(chǎn)管理自動化發(fā)展。大規(guī)模IC的發(fā)展以及計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使得DCS系統(tǒng)在擴大功能、數(shù)據(jù)通信以及工業(yè)自動化信息管理等方面有所提高，形成第二代DCS系統(tǒng)。 成熟期具有代表性的DCS系統(tǒng)有TDC3000 (Honeywell公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(貝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本橫河公司)等,擴展期：該時期的DC

7、S系統(tǒng)增加了第三層綜合信息管理層，把過程控制、監(jiān)督控制、管理調(diào)度有機結(jié)合在一起，采用專家系統(tǒng)、MAP標準（一種ISO開放互連OSI結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的加工自動化協(xié)議）以及引入計算機集成制造系統(tǒng)CIMS等，擴展期DCS的特點是綜合化、開放化和現(xiàn)場級的智能化。,綜合化 包括縱向和橫向兩方面?？v向方面加強管理功能，包括從原料進廠到生產(chǎn)設(shè)計、計劃進度、質(zhì)量檢查、成品包裝、出廠以及供銷等一系列的管理制度。橫向方面則形成過程自動化與順序控制、電機控制相結(jié)合的計算機、儀表、電器綜合控制系統(tǒng)。 開放化 是DCS按照國際統(tǒng)一標準組成“開放”的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，便于不同公司生產(chǎn)的DCS產(chǎn)品之間方便地進行通信。 現(xiàn)場級的智能化 是

8、指現(xiàn)場傳感器或變送器智能化，現(xiàn)場儀表可以由現(xiàn)場通信器或系統(tǒng)的工作站進行遠程訪問、組態(tài)、調(diào)零、調(diào)量程及自動標定。傳感器輸出的數(shù)字信號直接在現(xiàn)場儀表的通信網(wǎng)絡(luò)上傳遞。,擴展期具有代表性的DCS系統(tǒng)有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。這一時期DCS的基本組成與第二代相比變化不大，但它的LAN采用MAP協(xié)議或與MAP兼容的協(xié)議，各個節(jié)點工作站軟、硬件功能均有所加強，現(xiàn)場級智能儀表也有發(fā)展。,MAP Mobile Application Part 是NO.7信令系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫之間交換與電路無

9、關(guān)的數(shù)據(jù)和指令,從而支持移動用戶漫游、頻道切換和用戶鑒權(quán)等網(wǎng)絡(luò)功能。,10.2.3 集散控制系統(tǒng)的硬件和軟件,(1) DCS的基本構(gòu)成,過程控制單元（PCU）：又稱為現(xiàn)場控制單元、現(xiàn)場控制站、基本控制器、多功能控制器等。 其組成有：CPU、ROM/RAM、I/O、A/D、D/A等。 它可以控制一個或多個回路，具有較強的運算和控制功能，并可以進行連續(xù)控制和順序控制。,圖10-5 DCS的基本結(jié)構(gòu),過程接口單元（PIU）：又稱為過程輸入輸出單元、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場監(jiān)視站、I/O擴展單元等。 它的組成與過程控制單元類似，是以微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，負責采集非控制變量數(shù)據(jù)，并將其數(shù)據(jù)經(jīng)過通信系統(tǒng)

10、傳遞給CRT操作站或上位管理計算機。,CRT操作站：是DCS的人-機接口，由CRT、微機、鍵盤、打印機、存儲器、通信控制器等組成?？梢燥@示：生產(chǎn)總貌和系統(tǒng)主要參數(shù)、每個回路的詳細控制情況、當前的和歷史的數(shù)據(jù)、曲線等。 在操作站上可以通過鍵盤發(fā)出操作指令，進行回路組態(tài)、調(diào)整參數(shù)、控制外設(shè)。CRT操作站還有自診斷、報警功能。,上位管理機：是DCS的主計算機，它通過通信系統(tǒng)與各個工作站聯(lián)系，綜合管理全系統(tǒng)的所有信息，能對整個系統(tǒng)起到優(yōu)化控制和管理作用。,通信系統(tǒng)：是具有高速通信能力的信息總線，可由雙絞線、同軸電纜或光纖構(gòu)成。 早期的集散系統(tǒng)采用專門的通信標準或通信協(xié)議，系統(tǒng)兼容和互連性差。國際電工委

11、員會(IEC)、國際標準化組織(ISO)、美國電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)、工廠自動化協(xié)議集團(MAP)為不同層次網(wǎng)絡(luò)制定了相應(yīng)的標準。,(2) DCS的硬件、軟件組態(tài),DCS的硬件組態(tài)： 依據(jù)：系統(tǒng)規(guī)模及控制要求。 包括通信系統(tǒng)、人機接口、過程接口和電源系統(tǒng)的選擇等 應(yīng)綜合考慮各方面的因素： 滿足系統(tǒng)的控制要求，性能價格比最佳 系統(tǒng)在未來的定位 操作人員的易操作性、系統(tǒng)的易維護性等,DCS的軟件組態(tài)：是在系統(tǒng)硬件和軟件的基礎(chǔ)上，用軟件組態(tài)方式將系統(tǒng)提供的功能塊連結(jié)起來達到過程控制的要求。 應(yīng)用軟件組態(tài)方式： 直接經(jīng)DCS操作站組態(tài) 通過填寫表格組態(tài) 利用PC機進行組態(tài) 應(yīng)用軟件的組態(tài)包括：

12、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)文件組態(tài)、數(shù)據(jù)點組態(tài)、用戶畫面、自由格式報表和鍵定義組態(tài)、區(qū)域數(shù)據(jù)庫和控制程序的編制等。,10.3 可編程控制器,可編程序控制器（Programmable Controller, PC）早期主要用于邏輯控制，習(xí)慣上稱之為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller ）,簡稱PLC。,10.3.1 概述,(1)可編程序控制器的發(fā)展 初創(chuàng)階段：從1969年DEC公司推出第一臺PLC(PDP-14)到20世紀70年代中期。該階段產(chǎn)品主要用于邏輯運算、計時、計數(shù)。 擴展階段：20世紀70年代中期到20 世紀70年代末期。擴展了數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量

13、的運算等功能。 通信階段：20世紀70年代末期到20 世紀80年代中期。PLC在通信方面得到了發(fā)展，形成了分布式的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。缺點是產(chǎn)品互通難。 開放階段： 20世紀80年代中期以后。,(2)可編程序控制器的特點（優(yōu)點） 高可靠性：PLC的主要特點。它在軟、硬件方面采取了一些提高系統(tǒng)可靠性的措施。 易操作性：操作、維修、編程 靈活性：表現(xiàn)在編程、擴展、操作三個方面 機電一體化：PLC是專門為工業(yè)過程控制而設(shè)計的控制設(shè)備。成為當今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、過程控制領(lǐng)域的主要控制設(shè)備。,(3)PLC的分類 按結(jié)構(gòu)形式可將PLC分為兩大類：一體化結(jié)構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu) 一類（一體化結(jié)構(gòu)）：CPU、電源、I/

14、O接口、通信接口等都集成在一個機殼內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu)，如下圖所示，小型及超小型的PLC系統(tǒng)用此結(jié)構(gòu),10-6 一體化PLC結(jié)構(gòu)示意圖,另一類（模塊化結(jié)構(gòu)）：各種模塊在結(jié)構(gòu)上是相互獨立的，在實際使用的過程中可根據(jù)具體的應(yīng)用要求選擇合適的模塊，安裝在固定的機架或?qū)к壣?，?gòu)成一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)，如下圖所示。大、中型PLC系統(tǒng)一般采用此類結(jié)構(gòu)。增強了數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，可構(gòu)成大規(guī)模的自動化控制系統(tǒng)，主要用于復(fù)雜程度較高的自動控制，并在相當程度上可以替代DCS以實現(xiàn)更廣泛的自動化功能。,10-7 模塊化PLC結(jié)構(gòu)示意圖,(4)可編程序控制器的主要功能 開關(guān)邏輯和順序控制：最主要功能 模擬控制：

15、過程控制點數(shù)較少，開關(guān)量控制較多時。采用模擬輸入輸出卡件來實現(xiàn)模擬量的控制運算。 信號聯(lián)鎖：信號聯(lián)鎖是安全生產(chǎn)的保證，高可靠性的PLC在信號聯(lián)鎖系統(tǒng)中發(fā)揮了很大作用。 通信：PLC可作為下位機與上位機或同級的PLC進行通信，完成數(shù)據(jù)處理和信息交換，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的信息控制和管理。,(5)可編程序控制器的發(fā)展方向 隨著計算機綜合技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化內(nèi)涵的不斷延伸，PLC的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷地進行完善和擴充。實現(xiàn)控制功能和管理功能的結(jié)合，以不同廠家的產(chǎn)品構(gòu)成開放型的控制系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)主要的發(fā)展理念之一。長期以來PLC走的是專有化的道路，這使得其成功發(fā)展的同時也帶來了許多制約因素。 目前，絕

16、大多數(shù)PLC不屬于開放系統(tǒng)，尋求開放型的硬件或軟件平臺成了當今PLC的主要發(fā)展目標。,10.3.2 PLC基本組成,PLC基本組成包括：CPU、通信接口、外設(shè)接口、I/O接口等。模塊化PLC的應(yīng)用更廣泛，它在系統(tǒng)配置上更靈活，用戶可以根據(jù)規(guī)模和設(shè)計要求進行配置，模塊與模塊之間通過外部總線連接，如下圖所示,10-7 模塊化PLC結(jié)構(gòu)示意圖,在模塊化PLC系統(tǒng)中，一組基本的功能模塊可以構(gòu)成一個機架，CPU模塊所在的機架通常稱為中央機架，其他機架稱為擴展機架。 根據(jù)安裝位置的不同，機架的擴展方式又分為本地連接擴展和遠程連接擴展兩種。前者要求所有機架都集中安裝在一起，機架與機架間的連接距離通常在數(shù)米之

17、內(nèi)；后者一般通過光纜或通信電纜實現(xiàn)機架間的連接，連接距離可達幾百米到數(shù)千米，通過中繼環(huán)節(jié)還可以進一步延伸。遠程擴展機架也稱為分布式I/O站點，這是一種介于模擬信號傳輸技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的中間產(chǎn)品。 一個PLC所允許配置的機架數(shù)量以及每個機架所允許安裝的模塊數(shù)量一般是有限制的，主要取決于PLC的地址配置和尋址能力以及機架的結(jié)構(gòu)和負載能力。,(1)CPU模塊 CPU模塊是模塊化PLC的核心部件，主要包括三個部分：中央處理單元CPU、存儲器和通信部件。 小型PLC的CPU單元通常采用價格低、通用性好的8位微處理器或單片機； 中型PLC采用16位微處理器或單片機； 大型PLC通常采用位片式微處理器，它

18、將多個位片式微處理器級聯(lián)，并行處理多個任務(wù)，具有靈活性好、速度快、效率高等特點。另外，大中型的PLC很多采用雙CPU或多CPU結(jié)構(gòu)，以加快PLC的處理速度。,常用的存儲器主要有：ROM、EPROM、EEPROM、RAM等幾種，用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作數(shù)據(jù)。對于不同的PLC，存儲器的配置形式是一樣的，但存儲器的容量隨PLC的規(guī)模的不同有較大差別。,通信部件的作用是建立CPU模塊與其他模塊或外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。,(2)I/O模塊 PLC 通過I/O接口與現(xiàn)場儀表相連接，PLC最常用的I/O模塊主要包括模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出模塊。,(3)智能模塊 該模塊通常是一個較獨立的計算機系統(tǒng)，自身具有CPU、數(shù)據(jù)存儲器、應(yīng)用程序、I/O接口、系統(tǒng)總線接口等，可以獨立地完成某些具體工作。但從整個PLC系統(tǒng)來看，它只是系統(tǒng)中的一個單元，需要通過系統(tǒng)總線與CPU模塊進行數(shù)據(jù)交換。智能模塊一般不參與PLC的循環(huán)掃描過程，而是在CPU模塊的協(xié)調(diào)下，按照自身的應(yīng)用程序獨立地參與系統(tǒng)工作。比如：高速處理模塊、通信處理器模塊等一般屬于智能模塊。,(4)接口模塊 采用模塊化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是通過機架把各種PLC的模塊組織起來的，根據(jù)應(yīng)用對象的規(guī)模和要求，整套PLC系統(tǒng)有可能包含若干個機架，接口模塊就是用來把所有機架組