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1、教案正頁授課日期：化機(jī)0531班2007年4月授課班級：化機(jī)0531課題：第十三章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)目的：了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、原理、特點(diǎn)；為下次課DCSM乍打基礎(chǔ)教具及參考書：機(jī)組控制技術(shù)教材、多媒體課件、現(xiàn)場教學(xué)。講授過程：(課程內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié))教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)：(1)復(fù)習(xí)提問(2)導(dǎo)入新課(3)講新課(4)現(xiàn)場教學(xué)(5)小結(jié)、作業(yè)教學(xué)內(nèi)容：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成(1)集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)(2)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)課程類型：第一節(jié)課理論教學(xué)，第二節(jié)現(xiàn)場教學(xué)。重點(diǎn)、難點(diǎn)、技能培養(yǎng)：重點(diǎn) ： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原理。技能培養(yǎng)

2、：了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、原理、特點(diǎn)；為下次課DCS 操作提供必備的理論基礎(chǔ)。作業(yè)：什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？有何特點(diǎn)？簡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成及各部分的作用。什么是集散控制系統(tǒng)？集散控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？課后記：在錦州煉油廠內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)。13.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的操作技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述用模擬控制器等常規(guī)自動(dòng)化工具實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化系統(tǒng)稱之為常規(guī)控制系統(tǒng)，而以計(jì)算 機(jī)為主要控制裝置的自動(dòng)化系統(tǒng)稱之為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。(1)計(jì)算機(jī)

3、控制系統(tǒng)的工作原理典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖13-1。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機(jī)的輸入和輸出是數(shù)字信號，因此需要有A/ D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟：圖13-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖a.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。b.實(shí)時(shí)控制決策： 對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定 將要采取的控制行為。c.實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對被控量和設(shè)備 本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。在計(jì)算機(jī)控制

4、系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在 線方式或聯(lián)機(jī)方式；生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系 并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。實(shí)時(shí)的含義“實(shí)時(shí)”指信號的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，超出了這個(gè)時(shí) 間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程，一個(gè) 在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成：典型的過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖13-2。以微型計(jì)算機(jī)為核心的過程控制系統(tǒng)的基本組成有硬件和軟件兩部分。(1)硬件部分功能簡介硬件部分包括：主機(jī)、接口電路、過程輸入

5、 /輸出通道、外部設(shè)備、操作臺(tái)、被控對 象。a.主機(jī)組成：中央處理器(CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM狙成。作用：根據(jù)輸入通道送來的被控對象的狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行信息處理、分析、計(jì)算，作出 控制決策，通過輸出通道發(fā)出控制命令。b.接口電路作用：主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換時(shí)，通過接口電路的協(xié)調(diào)工作， 實(shí)現(xiàn)信息的傳送。c.過程輸入/輸出通道作用：主機(jī)和被控對象實(shí)現(xiàn)信息傳送與交換的通道。輸入/輸出通道分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸 出通道?？?變行器傳感器CRT接口 +A/D接口接口接口D/A多路開關(guān)T反多路開關(guān)開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出機(jī)構(gòu)生 產(chǎn) 過 程顯示終端通用

6、外部設(shè)備 主機(jī)、操作臺(tái)I接口輸入輸出通道被控對象檢測、變送執(zhí)圖13-2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖d.外部設(shè)備外部設(shè)備按功能可分成三類：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲(chǔ)器。常用的輸入設(shè)備有 鍵盤、磁盤驅(qū)動(dòng)器、紙帶輸入機(jī)等，輸入設(shè)備主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。輸出設(shè)備主要用來把各種信息和數(shù) 據(jù)以曲線、字符、數(shù)字等形式提供給操作人員，以便及時(shí)了解控制過程。外存儲(chǔ)器有磁盤、磁帶等，主要用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。e.操作臺(tái)一般操作臺(tái)有(CRT顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器，用以顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)；有功 能鍵，以便操作人員輸入或修改控制參數(shù)和發(fā)送命令。(2)軟件部分功能簡介軟件是指計(jì)

7、算機(jī)中使用的所有程序的總稱。軟件通常又可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件：給用戶使用維護(hù)和管理計(jì)算機(jī)專門設(shè)計(jì)的一類程序，它具有一定的通用性。由操作系統(tǒng)、語言加工系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)組成。操作系統(tǒng)就是對計(jì)算機(jī)本身進(jìn)行管理和控制的一種軟件。計(jì)算機(jī)自身系統(tǒng)中的所有 硬件和軟件統(tǒng)稱為資源。從功能上看，可把操作系統(tǒng)看作是資源的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對處 理器、內(nèi)存、設(shè)備以及信息的管理，例如對上述資源的分配、控制、調(diào)度和回收等。語言加工系統(tǒng)就是將用戶編寫的源程序轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的機(jī)器代碼(目的程 序)。語言加工系統(tǒng)主要由編輯程序、編譯程序、連接、裝配程序、調(diào)試程序、及子程序 庫組成。a.編輯程序：建立源程序

8、文件的過程就是由編輯程序完成的。該程序可對一個(gè)程序進(jìn)行插入、增補(bǔ)、刪除、修改、移動(dòng)等編輯加工，并且在磁盤上建立源程序文件。b.編譯程序： 將源程序“翻譯”成機(jī)器代碼。c.連接、裝配程序：使用連接、裝配程序可將不同語言編寫的不同的程序模塊的源程序連接起來，成為一個(gè)完整的可運(yùn)行的絕對地址目標(biāo)程序。d.調(diào)試程序：調(diào)試程序用來檢查源程序是否符合程序設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。e.子程序庫：為了用戶編程方便，系統(tǒng)軟件中都提供了子程序庫。了解這些子程序的功能和調(diào)用條件之后，就可直接在程序中調(diào)用它們診斷系統(tǒng)是用于維修計(jì)算機(jī)的軟件。應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶為了完成特定的任務(wù)而編寫的各種程序的總稱。包括：控制程序、 數(shù)據(jù)采

9、集及處理程序、巡回檢測程序和數(shù)據(jù)管理程序等?？刂瞥绦蛑饕獙?shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種控制算法和被控對象的具體情況來編寫，控制程序的主要目標(biāo)是滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集及處理程序包括：a.數(shù)據(jù)可靠性檢查程序一一用來檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)；A/ D轉(zhuǎn)換及采樣程序；b.數(shù)字濾波程序一一用來濾除干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)；c.線性化處理程序一一對檢測元件或變送器的非線性特性用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。巡回檢測程序包括：a.數(shù)據(jù)采集程序一一完成數(shù)據(jù)的采集和處理；b.越限報(bào)警程序一一用于在生產(chǎn)中某些量超過限定值時(shí)報(bào)警；c.事故預(yù)告程序一一根據(jù)限定值，檢查被控量的變化趨勢，若有可能超過限定值，

10、則發(fā)出事故預(yù)告信號；d.畫面顯示程序一一用圖、表在CRT上形象地反映生產(chǎn)狀況。數(shù)據(jù)管理程序用于生產(chǎn)管理，主要包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表程序；產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)調(diào)度及庫存管理程序；產(chǎn)值利潤預(yù)測程序等。集散型控制系統(tǒng)：集散控制系統(tǒng)以多臺(tái)微處理機(jī)分散應(yīng)用于過程控制，通過通信網(wǎng)絡(luò)、CRT顯示器、鍵盤、打印機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)高度集中的操作、顯示和報(bào)警管理。這種實(shí)現(xiàn)集中管理、分散 控制的新型控制裝置，自1975年問世以來，發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)特點(diǎn)是采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，把 系統(tǒng)從上到下分為分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級，形成分級分布 式控制，所以又

11、稱為分散型控制系統(tǒng)（ Distributed Control System DCS 其結(jié)構(gòu)如 圖 13-6 。圖13-6集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1） 集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成集散控制系統(tǒng)的基本組成通常包括現(xiàn)場監(jiān)控站（監(jiān)測站和控制站）、操作站（操作員站和工程師站）、上位機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)等部分， 如圖13-6所示。圖13-7為橫河CENTUM-CS3000 系統(tǒng)的外觀圖，圖中前排為操作臺(tái)，即操作員站和工程師站；后排立柜為現(xiàn)場監(jiān)控站?，F(xiàn)場監(jiān)測站又叫數(shù)據(jù)采集站，直接與生產(chǎn)過程相連接，實(shí)現(xiàn)對過程非被控制變量進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集。它完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，并對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工，為操作站提供數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)對過程變量和狀態(tài)的監(jiān)

12、視和打印，實(shí)現(xiàn)開環(huán)監(jiān)視，或?yàn)榭刂苹芈愤\(yùn)算提供輔助數(shù)據(jù) 和信息?，F(xiàn)場控制站也直接與生產(chǎn)過程相連接，對控制變量進(jìn)行檢測、處理，并產(chǎn)生控制信 號驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。它可控制多個(gè)回路，具有極強(qiáng)的運(yùn) 算和控制功能，能夠自主地完成回路控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制、順序控制和批量控制等。圖13-7 CENTUM CS 3000集散控制系統(tǒng)外觀圖操作員站簡稱操作站，是操作人員進(jìn)行過程監(jiān)視，過程控制操作的主要設(shè)備U版作站提供良好的人機(jī)交互界面，用以實(shí)現(xiàn)集中顯示、集中操作和集中管理等功能。有的操 作站可以進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)的部分或全部工作，兼具工程師站的功能。工程師站主要用于對 DCS進(jìn)行離線的組態(tài)工

13、作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制與維護(hù)。工 程師能夠借助于組態(tài)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行離線組態(tài)，并在DCS在線運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)地監(jiān)視 DCS網(wǎng)絡(luò)上各站的運(yùn)行情況。管理計(jì)算機(jī)用于全系統(tǒng)的信息管理和優(yōu)化控制。管理計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)收集系統(tǒng)中各單元的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化控制指標(biāo)進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算、優(yōu)化控制等功能。 通信網(wǎng)絡(luò)是集散控制系統(tǒng)的中樞，它連接DCS的監(jiān)測站、控制站、操作站、工程師站、管理計(jì)算機(jī)等部分。各部分之間的信息傳遞均通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)、指令及其 他信息的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息共享?？梢?，操作站、工程師站和管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成集中管理部分；現(xiàn)場監(jiān)測站、現(xiàn)場控制 站構(gòu)成分散控制

14、部分；通信網(wǎng)絡(luò)是連接集散系統(tǒng)各部分的紐帶，是實(shí)現(xiàn)集中管理、分散 控制的關(guān)鍵。(2)集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)集散控制系統(tǒng)具有集中管理和分散控制的顯著特征，與模擬儀表控制系統(tǒng)和集中式工業(yè) 控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有顯著的特點(diǎn)。a.控制功能豐富 DCS系統(tǒng)具有多種運(yùn)算控制算法和其他數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算功能，如 四則運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、 PID控制、前饋控制、自適應(yīng)控制和滯后時(shí)間補(bǔ)償?shù)?；還有順序 控制和各種聯(lián)鎖保護(hù)、報(bào)警等功能?？梢酝ㄟ^組態(tài)把以上這些功能有機(jī)地組合起來，形 成各種控制方案，滿足系統(tǒng)的要求。b.監(jiān)視操作方便 DCS系統(tǒng)通過CRT顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)操作可以對被控對象的變量值 及其變化趨勢、報(bào)警情況、軟硬件運(yùn)行

15、狀況等進(jìn)行集中監(jiān)視，實(shí)施各種操作功能，畫面 形象直觀。c.信息和數(shù)據(jù)共享 DCS系統(tǒng)的各站獨(dú)立工作。同時(shí)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞各種信息 和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)工作， 使整個(gè)系統(tǒng)信息共享。DCS系統(tǒng)通信采用國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，符合OSI七層體系，具有極強(qiáng)的開放性，便于系統(tǒng)間的互連，提高了系統(tǒng)的可用性。d.系統(tǒng)擴(kuò)展靈活 DCS系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同規(guī)模的工程對 象要求，硬件設(shè)計(jì)上采用積木搭接方式進(jìn)行靈活配置，擴(kuò)展靈活。e.安裝維護(hù)方便 DCS采用專用的多芯電纜、標(biāo)準(zhǔn)化插接件和規(guī)格化端子板，便于 裝配和維修更換。DCS具有強(qiáng)大的自診斷功能，為故障判別提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，維修迅速 準(zhǔn)確。f. 系統(tǒng)可靠性高

16、集散控制系統(tǒng)管理集中而控制分散，使得危險(xiǎn)分散，故障影響面小。系統(tǒng)的自診斷功能和采用的冗余措施等，支持系統(tǒng)無中斷工作，平均無故障時(shí)間 （MTBF）可達(dá)十萬小時(shí)以上13.1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總統(tǒng)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control SystemFCS是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是建立在智能化測量與執(zhí)行裝置的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來并逐步取代DCS控制系統(tǒng)的一種新型自動(dòng)化裝置。13.3節(jié)詳細(xì)介紹。13.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展從1946年第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以來，由于受到計(jì)算機(jī)本身的可靠性的影響，加之控制理論的不完善，計(jì)算機(jī)在控制方面的應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等方面。 真正

17、將計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)是在1950年前后，最初打算用于導(dǎo)彈和飛機(jī)控制中，但無法使用通用的數(shù)字計(jì)算機(jī)，因此為早期航天應(yīng)用研制了一種專用數(shù)字計(jì)算機(jī)一一數(shù)字微分 分析機(jī)（DDA）。在過程控制中使用計(jì)算機(jī)的思想產(chǎn)生20世紀(jì)50年代中期，1959年3月1日第一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在美國德克薩斯州某煉油廠的聚合裝置上正式投人運(yùn)行， 該系統(tǒng)控制著26個(gè)流量、72個(gè)溫度、3個(gè)壓力和3個(gè)機(jī)械位置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 初步得以體現(xiàn)，從而開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過程控制的新篇章。整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展過程很難以確切的時(shí)間劃分。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)隨著控制理 論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步完善，其發(fā)展速度可能會(huì)超乎人們的想像。 在未來的幾年，計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域里的應(yīng)用將向集散化和綜合化發(fā)展?？删幊炭刂破魇切滦偷囊蚤_關(guān)量控制為主的計(jì)算機(jī)控制