控制儀表課件-第06章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本知識(shí)

第二部分計(jì)算機(jī)控制裝置主要內(nèi)容：第六章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本知識(shí)第七章可編程序控制器*第八章集散控制系統(tǒng)(DCS)第九章現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)第十章工業(yè)以太網(wǎng)*1進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器前言進(jìn)料口出料口H玻璃管液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)儀表：主要指安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種變送器、執(zhí)行器及其它測(cè)量?jī)x表。第一部分的內(nèi)容控制室儀表：主要指安裝在控制室內(nèi)的各種控制器（調(diào)節(jié)器）、顯示儀表等。2前言進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制站控制站：數(shù)字調(diào)節(jié)器、IPC、PLC等，它可以廣義地理解為帶有CPU的各種控制設(shè)備。第二部分內(nèi)容3前言進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制站AI(A/D):

模擬量輸入(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)DI:

開關(guān)量輸入(數(shù)字量輸入)AO(D/A):

模擬量輸出(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)DO:

開關(guān)量輸出(數(shù)字量輸出)第二部分內(nèi)容AI、DIAO、DO控制站…………I/O模塊4前言管理層控制層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層操作站控制站I/O系統(tǒng)高級(jí)控制器數(shù)據(jù)服務(wù)器WEB服務(wù)器管理計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器Internet/IntranetEthernetEthernet/專用總線網(wǎng)關(guān)FF、ProfiBus等現(xiàn)場(chǎng)總線典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5前言計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特征:

各種自動(dòng)化儀表和自動(dòng)控制裝置已從模擬時(shí)代逐漸跨入真正數(shù)字時(shí)代。重要性:

是實(shí)現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗生產(chǎn)的基本條件和重要保證，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可替代的神經(jīng)中樞。相關(guān)技術(shù):涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)和傳感技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、智能儀表技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。發(fā)展過程:直接數(shù)字量控制(DDC)

集中型計(jì)算機(jī)控制

分布式計(jì)算機(jī)控制(DCS)

現(xiàn)場(chǎng)總線(工業(yè)以太網(wǎng))控制功能:

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和信息管理自動(dòng)化，即計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化。6第六章

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本知識(shí)主要內(nèi)容：第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述第二節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)*第三節(jié)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型*第四節(jié)TCP/IP協(xié)議*7第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：一、什么是計(jì)算機(jī)控制二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想四、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程五、計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展特征8一、什么是計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器4~20mA4~20mA控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器4~20mA4~20mAD/AA/D數(shù)字信號(hào)——例如4~20mA信號(hào)經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換以后的結(jié)果為0~40959一、什么是計(jì)算機(jī)控制控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器4~20mA4~20mAD/AA/D工作過程：①數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)自于測(cè)量變送裝置的被控變量瞬時(shí)值；②控制決策：根據(jù)采集到的被控變量按一定的控制規(guī)律進(jìn)行分析和處理，決定控制行為，產(chǎn)生控制信號(hào)；如PID運(yùn)算；③控制輸出：根據(jù)控制決策實(shí)時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。10二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成硬件組成過程輸入輸出設(shè)備主機(jī)系統(tǒng)CPURAMROMCRT通訊接人機(jī)接printer其它系統(tǒng)總線模擬量輸入（AI）模擬量輸出（AO）開關(guān)量輸入（DI）開關(guān)量輸入（DO）測(cè)量變送器執(zhí)行器電氣開關(guān)電氣開關(guān)被控生產(chǎn)對(duì)象常規(guī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O系統(tǒng)（模塊或卡件）現(xiàn)場(chǎng)儀表被控對(duì)象外部設(shè)備11二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成軟件組成系統(tǒng)軟件支持軟件應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序等，它是支持軟件及各種應(yīng)用軟件的最基礎(chǔ)的運(yùn)行平臺(tái)。如：Windows操作系統(tǒng)、Unix操作系統(tǒng)等都屬于系統(tǒng)軟件。

運(yùn)行在系統(tǒng)軟件的平臺(tái)上，用于開發(fā)應(yīng)用軟件的軟件。例如：匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、通信網(wǎng)絡(luò)軟件、組態(tài)軟件等。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說，需要了解并學(xué)會(huì)使用相應(yīng)的支持軟件，能夠根據(jù)系統(tǒng)要求編制開發(fā)所需要應(yīng)用軟件。不同系統(tǒng)的支持軟件會(huì)有所不同。應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)特定要求而編制的控制和管理程序。不同控制設(shè)備的應(yīng)用軟件所具備的功能是不同的。12三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想1.可靠性2.可維護(hù)性3.實(shí)時(shí)性4.性能價(jià)格比13三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想1.可靠性定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它通常用概率來(lái)表示。(1)可靠性指標(biāo)可靠度平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR

14三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想1.可靠性(1)可靠性指標(biāo)可靠度單個(gè)零件、設(shè)備的可靠度——在規(guī)定的環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)和使用方法及維護(hù)措施等條件下，在規(guī)定的工作期限內(nèi)，設(shè)備無(wú)故障地發(fā)揮規(guī)定功能（應(yīng)具備的技術(shù)指標(biāo)）的概率。例如:在100只晶體管中有95只在上述規(guī)定條件下使用未出現(xiàn)故障，則其可靠度R＝0.95，

樣本數(shù)量越大，所得可靠度的準(zhǔn)確性就越高。系統(tǒng)的可靠度——除了與構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)或元器件的可靠度有關(guān)，還與系統(tǒng)的構(gòu)成方式有關(guān)，串聯(lián)連接和并聯(lián)連接是兩種典型的連接方式。15三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想1.可靠性(1)可靠性指標(biāo)可靠度R1Rnn個(gè)串連子系統(tǒng)串連系統(tǒng)如果分析的是斷路失效，則：串聯(lián)系統(tǒng)中只要有一個(gè)子系統(tǒng)失效，系統(tǒng)就會(huì)失效。并聯(lián)系統(tǒng)中全部子系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)才出現(xiàn)故障。R1Rnn個(gè)并聯(lián)子系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)假設(shè)：各子系統(tǒng)可靠度均為0.9，子系統(tǒng)數(shù)分別是1、2、3時(shí)，則：串聯(lián)系統(tǒng)：可靠度分別是0.9、0.81、0.729，串聯(lián)子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠度越低。并聯(lián)系統(tǒng)：可靠度分別是0.9、0.99、0.999，并聯(lián)子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠度越高。當(dāng)子系統(tǒng)數(shù)>2時(shí)，并聯(lián)子系統(tǒng)對(duì)增加系統(tǒng)可靠度的貢獻(xiàn)并不顯著。實(shí)際工程應(yīng)用以這一理論為冗余技術(shù)的基礎(chǔ)，多選用2個(gè)互為冗余的并聯(lián)子系統(tǒng)。16三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想1.可靠性(1)可靠性指標(biāo)可靠度平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR

MTTR指設(shè)備出現(xiàn)故障以后經(jīng)過維修恢復(fù)并重新投入運(yùn)行所需要的平均時(shí)間。平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBFMTBF指設(shè)備在相鄰兩次故障的間隔內(nèi)正常工作的平均時(shí)間。17三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想1.可靠性(1)可靠性指標(biāo)(2)提高控制系統(tǒng)可靠性的主要措施①選用高性能的控制設(shè)備，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，仍能正常運(yùn)行。②設(shè)計(jì)可靠的控制方案，提供各種安全保護(hù)措施，如報(bào)警、故障預(yù)測(cè)和處理等。③采用分散控制思想。④增加后備手操或后備儀表控制系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以把后備裝置切換到控制回路中去，保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。⑤對(duì)于可靠性要求更高的特殊控制對(duì)象可以設(shè)計(jì)冗余系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)的工作方式一般分為備份工作方式和雙工工作方式兩種。⑥采用安全可靠的屏蔽、隔離、接地等抗干擾技術(shù)。另外，系統(tǒng)可靠性不僅取決于計(jì)算機(jī)硬件指標(biāo)，同樣也與應(yīng)用軟件直接相關(guān)。軟件可靠性要求應(yīng)用軟件的結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，具有自診斷功能，并面對(duì)任何異常操作不影響系統(tǒng)主要功能的正常運(yùn)行。18三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想2.可維護(hù)性可維護(hù)性是指故障發(fā)生后通過維修使系統(tǒng)恢復(fù)的能力，它主要體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。①設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如，采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化結(jié)構(gòu)，可便于更換故障模塊。②選擇系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、一致性好的硬件設(shè)備，可以保證故障設(shè)備更換前后的監(jiān)控程序、運(yùn)行狀態(tài)和精度不受影響。③系統(tǒng)最好能夠帶電插拔維修，降低子系統(tǒng)的故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。④軟硬件具有自診斷功能，便于維修人員對(duì)故障點(diǎn)的快速定位、分析檢查和排除故障。19三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想3.實(shí)時(shí)性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是指被控信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并能根據(jù)生產(chǎn)工況的變化進(jìn)行及時(shí)的處理，亦即系統(tǒng)對(duì)被控信號(hào)的變化具有足夠快的響應(yīng)速度，不丟失信息，不延誤操作。為了滿足實(shí)時(shí)性要求，需要從硬件和軟件兩方面來(lái)考慮。

20三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想4.性能價(jià)格比一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在充分考慮系統(tǒng)性能的同時(shí)，也需要分析系統(tǒng)應(yīng)該帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，即系統(tǒng)性能和投入之間的關(guān)系以及系統(tǒng)投入與產(chǎn)出之間的關(guān)系。一般要掌握以下兩個(gè)原則：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能價(jià)格比要盡可能高；二是投入產(chǎn)出比要盡可能低。

21四、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程1.

直接數(shù)字量控制（DirectDigitalControl－DDC）2.

集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.

集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem－DCS）4.

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem－FCS）221.直接數(shù)字量控制(DDC)本質(zhì)——用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代一組模擬調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，用數(shù)字控制技術(shù)簡(jiǎn)單地取代模擬控制技術(shù)。過程控制計(jì)算機(jī)SPAI、DIAO、DO檢測(cè)儀表執(zhí)行器被控過程（對(duì)象）起始于50年代末期，開辟了一個(gè)轟轟烈烈的計(jì)算機(jī)工業(yè)應(yīng)用時(shí)代

優(yōu)點(diǎn)——計(jì)算靈活，精度高，它不僅能實(shí)現(xiàn)典型的PID控制規(guī)律，還可以分時(shí)處理多個(gè)控制回路。此外，此DDC也很快發(fā)展到PID以外的多種復(fù)雜控制。問題——當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不能滿足快速過程實(shí)時(shí)控制的需求。232.集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出發(fā)點(diǎn)：由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體積龐大，價(jià)格非常昂貴，為了使計(jì)算機(jī)控制能與常規(guī)儀表控制相競(jìng)爭(zhēng)，企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)控制盡可能多的控制回路。CRT、鍵盤……過程控制計(jì)算機(jī)AIDIAODO被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

被控過程（對(duì)象）242.集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)越性：從表面上看——信息集中，集中型計(jì)算機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、聯(lián)鎖控制等各種更復(fù)雜控制功能；便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)。問題：由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)總體性能低，運(yùn)算速度慢，容量小，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制很多個(gè)回路容易出現(xiàn)負(fù)荷過載，而且控制的集中也直接導(dǎo)致危險(xiǎn)的集中，高度的集中使系統(tǒng)變得十分“脆弱”。在當(dāng)時(shí)，集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅沒有給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)明顯的好處，反而可能嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，因此這種危險(xiǎn)集中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程所接受，曾一度陷入困境。253.集散控制系統(tǒng)(DCS)出發(fā)點(diǎn)（2個(gè)方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的設(shè)計(jì)思想，需要把控制功能分散到若干個(gè)控制站實(shí)現(xiàn)，以提高系統(tǒng)的可靠性；(2)考慮到整個(gè)生產(chǎn)過程的整體性，各個(gè)控制系統(tǒng)（回路）的運(yùn)行應(yīng)當(dāng)服從工業(yè)生產(chǎn)管理的總體目標(biāo)。根本特征：控制的分散性和管理的集中性26DCS的功能層次DCS的功能層次通常分為：直接控制級(jí)、過程管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)、經(jīng)營(yíng)管理級(jí)，各級(jí)從“上級(jí)”獲取指示，從“下級(jí)”獲取信息，產(chǎn)生對(duì)“下級(jí)”的控制。連續(xù)過程間歇過程離散過程在很多情況下，功能層次和物理層次不一定完全相同，常常將2個(gè)或多個(gè)功能層上的任務(wù)或部分任務(wù)壓縮到一個(gè)物理層次上去實(shí)現(xiàn)，這使DCS得以大大簡(jiǎn)化。直接控制過程管理生產(chǎn)管理經(jīng)營(yíng)管理經(jīng)營(yíng)管理級(jí)居于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的最高一層，負(fù)責(zé)全廠廣泛的工程、經(jīng)濟(jì)、商務(wù)、人事以及其它的工作。如：市場(chǎng)分析、銷售和生產(chǎn)計(jì)劃······生產(chǎn)管理主要完成生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)監(jiān)視，根據(jù)用戶訂單、庫(kù)存、能耗約束、能耗需求等指標(biāo)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度。在許多DCS中，這級(jí)就充當(dāng)最高管理層。過程管理級(jí)主要功能包括回路組態(tài)、優(yōu)化控制、性能監(jiān)視、故障監(jiān)測(cè)、記錄、報(bào)警……直接控制級(jí)主要功能包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)視、故障診斷，控制輸出、安全性能和冗余性能的實(shí)施……27DCS的發(fā)展過程總結(jié)：早期DCS的重點(diǎn)在于控制，DCS以“分散”作為關(guān)鍵字，但現(xiàn)代發(fā)展更著重于系統(tǒng)信息綜合管理，今后“綜合”又將成為其關(guān)鍵字，向?qū)崿F(xiàn)控制體系、運(yùn)行體系、計(jì)劃體系、管理體系的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，通過由網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)）或者串、并行通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備互連和資源網(wǎng)絡(luò)化共享，實(shí)施從最底層的實(shí)時(shí)控制、優(yōu)化控制上升到生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理，以至最高層的戰(zhàn)略決策，形成一個(gè)具有柔性的高度自動(dòng)化的管控一體化系統(tǒng)。主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的開放性，特別是通信機(jī)制的開放性和標(biāo)準(zhǔn)化。90年代中期4技術(shù)特征是管控一體化80年代末90年代初3技術(shù)特征是引入局域網(wǎng)LAN80年代初21975年Honeywell公司推出了世界上第一套DCS系統(tǒng)TDC-2000，技術(shù)特征是集散。

19751主要特征起始時(shí)間劃代284.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)DCS結(jié)構(gòu)FCS結(jié)構(gòu)使用一對(duì)對(duì)電纜傳輸4~20mA電流信號(hào)使用通信線路傳輸數(shù)字信號(hào)294.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)定義是連接智能現(xiàn)場(chǎng)裝置和自動(dòng)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)。支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。雙向數(shù)據(jù)通信能力避免了反復(fù)進(jìn)行的A/D、D/A轉(zhuǎn)換。把控制任務(wù)下移到智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制一體化。本質(zhì)特點(diǎn)評(píng)價(jià)已成為全世界范圍自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。涉及整個(gè)自動(dòng)化和儀表的工業(yè)“革命”。30五、計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展特征隨著局域網(wǎng)、Internet、IT技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算