工業(yè)過程控制工程培訓(xùn)課件.ppt

1、1,工業(yè)過程控制,鄭州科技學(xué)院 王曉冬,2,TEL電氣學(xué)院二樓 電氣教研室 期末成績=期末考試*0.7+平時(shí)成績*0.3 平時(shí)成績：出勤+作業(yè),3,第一章：生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展,生產(chǎn)過程自動化，狹義的可以定義為控制理論在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。 廣義上講還應(yīng)包括自動化工具，如參數(shù)檢測、控制執(zhí)行及調(diào)節(jié)器(計(jì)算機(jī)系統(tǒng))等。 更完善地定義還應(yīng)包括保證生產(chǎn)安全的越限報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)以及故障診斷、容錯(cuò)控制等等。 更廣的意義上講還包括操作優(yōu)化、最優(yōu)調(diào)度與生產(chǎn)管理等內(nèi)容，也就是常講的管理控制綜合系統(tǒng)。 生產(chǎn)過程自動化所包含的內(nèi)容十分豐富。,4,本課程的內(nèi)容,本課程只討論生產(chǎn)過程自動化技術(shù)

2、課程基礎(chǔ)：模擬電路傳感器與檢測技術(shù)； 數(shù)字電路微機(jī)原理與接口技術(shù)； 自動控制原理； 編程語言（匯編、C）；,5,什么是過程控制？,工業(yè)生產(chǎn)過程 指原材料經(jīng)過若干加工步驟轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品并具有一定生 產(chǎn) 規(guī)模的過程。,工業(yè)生產(chǎn)過程可分為： 連續(xù)生產(chǎn)過程和離散生產(chǎn)過程； 連續(xù)生產(chǎn)過程 、離散生產(chǎn)過程 和 間歇生產(chǎn)過程（批量生產(chǎn)過程）。,工業(yè)生產(chǎn)過程控制概述,6,工業(yè)生產(chǎn)過程的目標(biāo) 在可能獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將 原材料加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。,原材料,合格產(chǎn)品,理想條件,干擾,產(chǎn)品？,控制,過程控制,過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的過程控制,圖1.1-1 工業(yè)生產(chǎn)過程示意圖,7,一座以煤作燃

3、料的發(fā)電廠，如圖1.1-2所示。在這一工業(yè)生產(chǎn)過程中，原料是煤和水，產(chǎn)品是電能，整個(gè)生產(chǎn)過程由儲倉、鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、水冷凝器和循環(huán)水泵、相應(yīng)的管道以及控制系統(tǒng)等組成。煤通過在爐膛中燃燒產(chǎn)生熱能從而加熱水使之變成高壓蒸汽用以推動汽輪機(jī)。汽輪機(jī)通過連接軸帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。所產(chǎn)生的電能送給電網(wǎng)再供給各種各樣的用戶，如有的用于照明，有的用于驅(qū)動馬達(dá)，有的用作家電產(chǎn)品的電源等。,圖1.1-2 發(fā)電廠示意圖,8,對發(fā)電廠來說，它的工作目標(biāo)是： 安全生產(chǎn) 鍋爐、汽輪機(jī)等必須絕對安全運(yùn)作； 單位電能的煤耗 要求煤耗小，能量轉(zhuǎn)換效率高； 排出煙氣對環(huán)境污染 煙氣中灰塵及硫化物含量要低。 上述目標(biāo)，只有通

4、過良好的自動控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。,9,圖1.1-3 工業(yè)生產(chǎn)過程控制與其它學(xué)科的關(guān)系,10,生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,工業(yè)革命時(shí)發(fā)明的瓦特節(jié)速器開創(chuàng)了自動調(diào)節(jié)的先例。 19世紀(jì)中(1868年)，物理學(xué)家JCMaxwell作出關(guān)于蒸汽機(jī)調(diào)速器穩(wěn)定性分析的著名論文，人類歷史上第一篇有關(guān)控制理論的論文。 20世紀(jì)30年代以來，自動化技術(shù)首先在電子通訊工程中獲得了驚人的成就，對自動控制理論產(chǎn)生了極大的推動作用。 40年代以Nyquist的工作所開創(chuàng)的基于反饋回路的經(jīng)典控制理論，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，適用于單輸入單輸出 (SISO)線性定常系統(tǒng)的分析與綜合問題。,11,生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,系統(tǒng)分析方法有

5、時(shí)間域方法、頻率響應(yīng)法和根軌跡法等，這些方法中尤以頻率響應(yīng)法最主要。 自動控制理論作為一門獨(dú)立的學(xué)科則是從20世紀(jì)40年代末(1948年)開始，由NWiener發(fā)表的著名著作“控制論”為標(biāo)志，迅速發(fā)展起來。 20世紀(jì)60年代開始的現(xiàn)代控制理論作為更科學(xué)的理論獲得很大的發(fā)展。,12,現(xiàn)代控制理論,以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論： Bellman的動態(tài)規(guī)劃理論（1957年） Kalman等的最優(yōu)濾波理論（1961年） Pontryagin等的極大值原理（1962年） 建立在以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的控制器設(shè)計(jì)方法規(guī)范，理論清晰，能夠有效地處理很多復(fù)雜的系統(tǒng)控制問題。 航空、航天領(lǐng)域、機(jī)械控制領(lǐng)域。,1

6、3,生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,由于流程工業(yè)生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，和人類目前的知識水平，建模過程（包括機(jī)理建模與辨識）中必要的假設(shè)與簡化不可避免。在這樣的基礎(chǔ)上建立的工業(yè)過程被控對象模型中總包含有被稱為“未建模”動態(tài)部分。由于它的存在，使基于現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的品質(zhì)大大惡化，甚至無法穩(wěn)定。 除了被控對象模型的不確定性以外，工業(yè)生產(chǎn)過程中的干擾十分復(fù)雜，它們的統(tǒng)計(jì)特性往往未知，有時(shí)甚至干擾本身就是不確定的。 因此，現(xiàn)代控制理論在生產(chǎn)過程自動化中還很難見到成功應(yīng)用的實(shí)例。致命的不足是系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型不知。,14,生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,大多數(shù)工業(yè)過程運(yùn)行工況都不會偏離額定工況太遠(yuǎn)，許多工業(yè)過

7、程參數(shù)可以簡化為用一階或二階帶純滯后的、具有自平衡能力的集中參數(shù)特性來描述。 20世紀(jì)4060年代，經(jīng)典控制理論為生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的理論支持。以此為基礎(chǔ)的單變量控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，并達(dá)到了相當(dāng)完善的程度。 在這個(gè)時(shí)期，自動化的技術(shù)工具是氣動或電動模擬儀表（稱為調(diào)節(jié)器）。,15,生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,經(jīng)典控制理論的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法建立在試探方法基礎(chǔ)之上，通常得不到最優(yōu)控制目標(biāo)。 20世紀(jì)60年代，航天航空事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展。 系統(tǒng)的復(fù)雜性在理論上體現(xiàn)為對象是多輸入多輸出(MIMO)、時(shí)變、非線性。 這就對控制理論和工程提出了新的要求能否將在空間技術(shù)中獲得

8、應(yīng)用的現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到工業(yè)過程控制中去。 實(shí)踐證明，直到現(xiàn)在進(jìn)展不大。,16,工業(yè)過程自動化,目標(biāo)：使生產(chǎn)過程達(dá)到安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效(高產(chǎn)出、低消耗)、綠色環(huán)保。 自動化的初級階段主要目標(biāo)是使生產(chǎn)過程安全(僅限于越限報(bào)警和聯(lián)鎖)與平穩(wěn)地進(jìn)行。 在過程工業(yè)中，絕大部分的控制系統(tǒng)是對諸如溫度、壓力、流量、物位（液位、界面）等工藝變量的定值控制系統(tǒng)。 控制對象往往可用一個(gè)低階模型來描述。并且根據(jù)這樣的模型，就足以滿足平穩(wěn)生產(chǎn)要求。這就是為什么經(jīng)典控制方法至今不衰的重要原因。,17,工業(yè)過程自動化,據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，目前在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，90以上還是采用PID控制，及一些簡單的多回路控制系統(tǒng)(

9、它們往往在基礎(chǔ)控制級DCS上實(shí)現(xiàn))。 所以對于經(jīng)典控制理論的學(xué)習(xí)與認(rèn)識是必要的，也是學(xué)習(xí)與理解現(xiàn)代控制理論的分析與設(shè)計(jì)方法的非常重要基礎(chǔ)。 更是工程實(shí)施的需要。,18,現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論,現(xiàn)代控制理論從理論上解決了許多難以控制的問題。相對經(jīng)典控制理論來說是一大進(jìn)步。 但現(xiàn)代控制理論在應(yīng)用中出現(xiàn)了問題：嚴(yán)格地依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型。而過程工業(yè)生產(chǎn)中要得到被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。 經(jīng)典控制理論依據(jù)系統(tǒng)的測量值進(jìn)行控制：反饋控制（閉環(huán)）。 現(xiàn)代控制理論根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)控制（開環(huán)）。 盡管現(xiàn)代控制理論在理論上講是更系統(tǒng)、更規(guī)范、更強(qiáng)有力，但是其分析與設(shè)計(jì)方法的物理意義卻遠(yuǎn)沒有經(jīng)典控制

10、理論清晰。,19,現(xiàn)代控制理論,系統(tǒng)建模與辨識。 近年來控制理論界研究的熱點(diǎn)，如魯棒控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等一直長盛不衰。與此同時(shí)一些所謂無模型控制方法如模糊控制、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等也應(yīng)運(yùn)而生并且蓬勃發(fā)展。在控制理論界形成一個(gè)多角度、多方位的研究勢態(tài)。 種種現(xiàn)象體現(xiàn)出了理論上的熱烈，工程上的欠缺。 1991年IFAC控制年會重新開始重視經(jīng)典控制,20,工業(yè)過程綜合自動化,集管理與控制于一體的計(jì)算機(jī)集成綜合自動化系統(tǒng)。（CIMS，CIPS） 從更大的范圍來研究綜合自動化問題，這使得控制理論從系統(tǒng)的總體特征上遇到了前所未有的困難。解決這類問題的重要途徑可以是將控制理論、

11、運(yùn)籌學(xué)與智能控制三者相結(jié)合。 而這些問題的解決可能意味著新一代控制理論或復(fù)雜系統(tǒng)控制理論的產(chǎn)生。 自動化是一個(gè)涉及范圍廣、包含內(nèi)容極豐富的領(lǐng)域。每一種控制理論的提出都有其相應(yīng)的背景。,21,過程工業(yè)控制器,過程工業(yè)控制器習(xí)慣上稱調(diào)節(jié)器、檢測儀表稱變送器。 標(biāo)準(zhǔn)儀表信號（0.020.1MPa氣壓信號，420mA直流電流）。（15V直流電壓） 調(diào)節(jié)器電源電壓在24V以下，屬于弱電控制系統(tǒng)。 調(diào)節(jié)器分電動、氣動兩種類型。 連續(xù)生產(chǎn)過程，發(fā)電、化工、石化工業(yè)，特點(diǎn)：易燃易爆。,22,自動化儀表發(fā)展,最近50年，工業(yè)自動化儀表經(jīng)歷了從氣動儀表到電動儀表，從現(xiàn)場控制到中央控制室控制，從在儀表屏上操作到用計(jì)

12、算機(jī)操作站（CRT）操作，從模擬信號到數(shù)字信號等階段。并且重新回到現(xiàn)場控制。 20世紀(jì)50年代主要是氣動儀表和真空電子管儀表， 60年代以DDZ電動單元組合儀表（分立元件）和DQZ氣動單元組合儀表為代表， 70年代以DDZ型儀表（集成電路）為代表電動單元儀表， 到80年代，由于微處理器的發(fā)展，開始了智能化儀表時(shí)代。 目前控制儀表已完全數(shù)字化了。,23,計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的發(fā)展,世界上第一臺成熟的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年出現(xiàn)的。將數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的部件的思想萌生于1950年前后。在當(dāng)時(shí)的結(jié)論是“將已有的通用數(shù)字計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)沒有什么潛力”。 最重要的工作開始于1956年3月，當(dāng)時(shí)湯姆森拉

13、莫伍爾里奇(Thomson Ramo Woolrige TRW )航空公司與得克薩柯(Texaco)公司聯(lián)合提出了一個(gè)可行性研究報(bào)告。決定針對得克薩斯州(Texas)的波特阿瑟(Port Arthur)煉油廠的一臺聚合裝置進(jìn)行研究 。,24,計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的發(fā)展,設(shè)計(jì)出采用RW-300計(jì)算機(jī)的聚合裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)于1959年3月12日在線運(yùn)行。 “控制”26個(gè)流量、72個(gè)溫度、3個(gè)壓力和3個(gè)成分。系統(tǒng)的基本功能是使反應(yīng)器的壓力最小、確定對5個(gè)反應(yīng)器供料的最佳分配、根據(jù)對催化劑活性測量的結(jié)果來控制熱水的流入量、以及確定最佳循環(huán)。 這里的“控制”意義是計(jì)算機(jī)檢測上述變量，并根據(jù)工藝計(jì)

14、算、打印出控制命令，由操作人員手動調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)，模擬儀表才是真正的控制器。 這種控制稱為計(jì)算機(jī)監(jiān)控（監(jiān)督控制）。,25,計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的發(fā)展,TRW公司的這項(xiàng)開創(chuàng)性工作，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)工業(yè)控制蓬勃發(fā)展的局面。到現(xiàn)在大致分6個(gè)發(fā)展階段 ： 開創(chuàng)期約1955年 直接數(shù)字控制期約1962年 小型計(jì)算機(jī)控制期約1972年 微型計(jì)算機(jī)控制期約1972年 數(shù)字技術(shù)普遍應(yīng)用期約1980年 集散型控制期約1990年,26,計(jì)算機(jī)控制的開創(chuàng)時(shí)期,早期計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用真空管。在1958年前后，計(jì)算機(jī)加法時(shí)間的典型值是l毫秒，乘法時(shí)間是20毫秒，一臺中央處理器的平均無故障時(shí)間(MTBF)為50l00小時(shí)。 計(jì)算機(jī)控制

15、的主要任務(wù)是尋找最佳運(yùn)行條件，完成調(diào)度和生產(chǎn)計(jì)劃，報(bào)告產(chǎn)量和原材料的消耗等。 在這里可以把尋找最好運(yùn)行條件的問題看作是一個(gè)靜態(tài)最優(yōu)化問題。,27,計(jì)算機(jī)控制的開創(chuàng)時(shí)期,計(jì)算機(jī)控制由于缺乏過程知識而受到阻礙。在這個(gè)時(shí)期，可行性研究的很大一部分努力都是花在建模上。由于缺乏有效的建模方法學(xué)，建模相當(dāng)費(fèi)時(shí)。 過程控制向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了許多特殊的要求， 作為過程控制系統(tǒng)，需要對過程中的意外變化做出迅速響應(yīng)，從而產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)概念。 作為控制用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，要直接面向工業(yè)過程的各種參數(shù)，就必須要各種各樣的傳感器。 過程參數(shù)為非電量信號，要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量信號。電量信號的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。 數(shù)字控制理論和

16、適合于數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法（程序）等。 一系列的實(shí)踐和理論研究課題。,28,計(jì)算機(jī)控制的開創(chuàng)時(shí)期,TRW公司和得克薩柯公司的工作，在工業(yè)界、計(jì)算機(jī)制造商和各種研究組織中間喚起了對過程工業(yè)控制的極大的興趣。 工業(yè)界看到的是一種提高自動化水平的潛在手段， 計(jì)算機(jī)工業(yè)界看到了新的市場， 大學(xué)則看到了新的研究領(lǐng)域。,29,計(jì)算機(jī)控制的開創(chuàng)時(shí)期,到1961年3月為止，全世界安裝了37套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。一年之后，系統(tǒng)臺數(shù)增長到159套。應(yīng)用領(lǐng)域涉及到鋼鐵、化工和電力工業(yè)的控制。不同的工業(yè)領(lǐng)域，以不同的速度推動了這種技術(shù)的發(fā)展?？尚行匝芯控灤┝苏麄€(gè)20世紀(jì)60年代和70年代。 計(jì)算機(jī)控制的開創(chuàng)時(shí)期是計(jì)算機(jī)監(jiān)

17、督控制階段。,30,直接數(shù)字控制時(shí)期,1962年，英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司（ICI）制造出了一套全新的控制裝置，過程控制中的全部模擬儀表由一臺名為費(fèi)倫蒂阿格斯（Ferranti Argus）的計(jì)算機(jī)來代替。一臺計(jì)算機(jī)直接測量224個(gè)變量和控制129個(gè)閥門。 開創(chuàng)了過程控制的新紀(jì)元，即模擬技術(shù)直接被數(shù)字技術(shù)所代替，而系統(tǒng)的功能保持不變。 直接數(shù)字控制（DDC）這個(gè)名字就是為了強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程這一特征。 1962年，一臺典型的過程控制計(jì)算機(jī)，完成兩數(shù)相加所花的時(shí)間為100微秒，相乘所花的時(shí)間為1毫秒。平均無故障時(shí)間大約為1000小時(shí)。,31,直接數(shù)字控制時(shí)期,控制系統(tǒng)的價(jià)格問題是DDC技術(shù)

18、得以發(fā)展的主要理由。 模擬系統(tǒng)的價(jià)格隨著控制回路數(shù)目的增加成線性增長，而一臺數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最初投資雖然很大，但增加一個(gè)回路的費(fèi)用卻很小。因此，對于大型裝置來說，數(shù)字系統(tǒng)是便宜的。 數(shù)字控制系統(tǒng)的另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是操作方式的變更，一塊操作員通信板可代替一大片墻壁的模擬儀表。用在ICI系統(tǒng)的通信板非常簡單，僅僅包含一臺數(shù)字顯示器和少數(shù)按鈕。,32,直接數(shù)字控制時(shí)期,靈活性是DDC系統(tǒng)的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。模擬系統(tǒng)要通過重新接線來改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)則只需通過重編程序，改變控制邏輯，即可改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)控制還有更多的優(yōu)點(diǎn)，比如，它容易實(shí)現(xiàn)幾個(gè)回路之間的相互作用；可以使控制環(huán)節(jié)的

19、參數(shù)成為運(yùn)行條件的函數(shù)。 采用專用的DDC語言可以簡化編程工作。 在使用者看來，DDC系統(tǒng)仿佛是用常規(guī)調(diào)節(jié)器連成的。,33,小型計(jì)算機(jī)時(shí)期,20世紀(jì)60年代，由于集成電路技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，計(jì)算機(jī)變得體積更小，速度更快，可靠性更高，并且越來越便宜。小型計(jì)算機(jī)一詞指的是新出現(xiàn)的這類計(jì)算機(jī)。 這個(gè)時(shí)期，典型的過程控制計(jì)算機(jī)的字長為16位，內(nèi)存儲器為8124K字，磁盤作為輔助存儲器，加法時(shí)間為2微秒，乘法時(shí)間為7微秒，中央處理單元的平均無故障時(shí)間為20000小時(shí)。 DDC期間，通過工程實(shí)踐獲得了越來越多的計(jì)算機(jī)過程控制的知識 。 過程控制計(jì)算機(jī)的臺數(shù)從1970年的5000臺左右增長到1975年的500

20、00臺左右。,34,微型計(jì)算機(jī)時(shí)期和計(jì)算機(jī)控制的普遍應(yīng)用,微型機(jī)與小型機(jī)時(shí)代幾乎是同時(shí)開始的 。 90年代，微處理器的價(jià)格降到僅為幾美元。 出現(xiàn)了稱為微控制器的特殊用途計(jì)算機(jī)。在微控制器中，一塊標(biāo)準(zhǔn)的處理器芯片上增添了寄存器、存儲器（包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器）、中斷邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信口，以及A/D和D/A變換器等其它的功能部件和通用接口等。使微控制器只需少量的外部電路就可以成為一完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。并且可靠性大幅度提高。,35,集散型控制,微處理器對于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響 ，極大的提高了控制系統(tǒng)的可靠性 。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常包括實(shí)現(xiàn)控制功能的過程站，具有操作監(jiān)視

21、作用的操作站和各種輔助的站點(diǎn) 。控制系統(tǒng)中所有的相互作用都通過通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。這種將不同的功能分散在不同的站點(diǎn)的控制系統(tǒng)稱為集散控制系統(tǒng)。 第一臺集散控制系統(tǒng)是1975年由Honeywell公司推出的TDC2000系統(tǒng)。 操作員使用一臺計(jì)算機(jī)（操作站）就能完成對整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制。,36,全廠監(jiān)督和控制,工業(yè)過程控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展是將工廠中的所有計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。這樣的相互作用就使得所有部門各得其所。 最高主管能隨時(shí)了解運(yùn)行的全貌； 生產(chǎn)主管可以在現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上規(guī)劃和調(diào)度生產(chǎn) 及時(shí)了解產(chǎn)品生產(chǎn)、庫存、銷售信息，生產(chǎn)成本賬目和質(zhì)量記錄等。 集成的基礎(chǔ)

22、是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。,37,38,我國計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,我國計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在早期與世界先進(jìn)水平比并不落后。在20世紀(jì)60年代初，我國大學(xué)就開始了在不同行業(yè)中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)研究。南京工學(xué)院（現(xiàn)在的東南大學(xué)）在化工、電力行業(yè)開始計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和工程應(yīng)用的研究。并且在70年代初已有在石油化工、電廠、造船等行業(yè)成功應(yīng)用的實(shí)例。,39,現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng),工業(yè)控制系統(tǒng)粗略的分為三層，其中，下面兩層是生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)督。上面一層實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理功能。對信息的要求也不同。 生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)督過程，面對的是過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)效性高（比如周期性的檢測數(shù)據(jù)。每次的傳送數(shù)據(jù)量一

23、般不大。屬于時(shí)效性強(qiáng)的小批量數(shù)據(jù)。,40,現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng),生產(chǎn)管理面對的是生產(chǎn)計(jì)劃、市場統(tǒng)計(jì)、財(cái)務(wù)、庫存等信息，以及生產(chǎn)過程分析等。（其中生產(chǎn)過程分析數(shù)據(jù)來源盡管同樣來自自動化系統(tǒng)），一般是來自過程自動化層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的信息。（并且，生產(chǎn)分析一般是離線分析，對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要求不強(qiáng)。作為生產(chǎn)過程的診斷分析，要求的數(shù)據(jù)不但要求多，還往往要有一定的時(shí)間跨度）。 因此在生產(chǎn)管理層，每次傳送的數(shù)據(jù)量很大。不定時(shí)。 管理自動化系統(tǒng)還可能進(jìn)一步通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成更大的管理網(wǎng)絡(luò)，直到與因特網(wǎng)相連。,41,現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng),以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問的控制方式，其通信的不確定性使人們一直認(rèn)為它

24、不適于在控制網(wǎng)絡(luò)中使用（在網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)多或通信量增加時(shí)，通信過程中發(fā)生沖突的概率將明顯增大，數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性無法保證）。 控制系統(tǒng)內(nèi)的通信協(xié)議都由各控制系統(tǒng)生產(chǎn)公司自己設(shè)計(jì)，并且各不相同。 給控制系統(tǒng)的使用帶來不方便。,42,工業(yè)以太網(wǎng),不同的控制系統(tǒng)有不同的組成、結(jié)構(gòu)，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。屬于不同的企業(yè)集團(tuán) 控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)集成，綜合自動化。統(tǒng)一信息標(biāo)準(zhǔn)。 以太網(wǎng)隨著因特網(wǎng)的發(fā)展已成為最廣泛的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)以太網(wǎng)可能是統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的一種道路。,43,集散控制系統(tǒng),儀表控制系統(tǒng)集中安裝在控制室， 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)集中安裝在控制室， 計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)集中安裝在控制室，一個(gè)CPU對所有回路進(jìn)行檢測控制

25、。控制集中，風(fēng)險(xiǎn)集中。 集散控制系統(tǒng)集中安裝在控制室，控制功能分散在各部件。分散風(fēng)險(xiǎn)。 上述控制系統(tǒng)與現(xiàn)場檢測點(diǎn)采用電纜連接，接線多，復(fù)雜。,44,現(xiàn)場儀表控制系統(tǒng),將控制功能分散到現(xiàn)場智能儀表，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 與中央控制室之間的連接僅是數(shù)據(jù)線，極大減少了連接電纜數(shù)。 現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線是系統(tǒng)的關(guān)鍵。 分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線不僅是通信線，更是控制系統(tǒng)的組成部分。安裝分散，風(fēng)險(xiǎn)分散。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)新一代控制系統(tǒng)。,45,現(xiàn)場總線定義,國際電工委員會IEC/TC65負(fù)責(zé)測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的SC65C/WG6于1984年就開始著手標(biāo)準(zhǔn)的制定，并致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線

26、標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。 現(xiàn)場總線技術(shù)基本內(nèi)容包括：以串行通信方式取代傳統(tǒng)的420mA的模擬信號；一條現(xiàn)場總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接、支持底層的現(xiàn)場智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)利用公用傳播介質(zhì)交換信息。,46,現(xiàn)場總線,現(xiàn)場總線技術(shù)的核心是它的通信協(xié)議。它是工業(yè)控制領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)）。自1993年通過了IEC61158現(xiàn)場總線物理層標(biāo)準(zhǔn)之后，由于種種經(jīng)濟(jì)、社會與技術(shù)原因，使現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定一直處于混亂狀態(tài)。 2000年初宣布 8種現(xiàn)場

27、總線標(biāo)準(zhǔn)為IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)子集 ：,47,現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),IEC61158技術(shù)規(guī)范（即FF-H1） ControlNET（美國羅克韋爾自動化公司Rockwell Automation, 1995）、 Profibus(德國西門子公司支持，1989；1996年它贏得了43的德國市場，在歐洲市場也占首位)、 P-Net(丹麥 PROCES-DATA，1984年)、 Foundation Fieldbus FF-HSE(美國Fisher Rosemount公司支持)、 Netcomer SwiftNet（SHIP STAR協(xié)會應(yīng)波音公司的要求開發(fā)的一種現(xiàn)場總線）、 WorldFIP（法國Alst

28、om支持）、 Interbus-S(德國的Phoenix Contact公司，1984)，,48,其它控制總線標(biāo)準(zhǔn),Lonworks(美國ECHELON) CC-Link(三菱電機(jī)，1996） CAN （德國Bosch, 1994) DeviceNet(開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供貨商協(xié)會) AS-I(11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國科技部的支持) 所有控制總線產(chǎn)品相互之間不兼容。,49,工業(yè)以太網(wǎng),當(dāng)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)爭執(zhí)不斷的時(shí)候，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)隨Internet的發(fā)展，取得了長足的發(fā)展，從10M100M 1000M。 許多公司開始工業(yè)以太網(wǎng)研究，并取得了很大的進(jìn)展。 工業(yè)以太網(wǎng)可能是可以統(tǒng)一未來現(xiàn)場總線

29、標(biāo)準(zhǔn)。 工業(yè)以太網(wǎng)是一種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。,50,分布式工業(yè)控制系統(tǒng),自從采用數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)后，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，有兩個(gè)分布式的過程。 DCS的出現(xiàn)，使控制系統(tǒng)從單個(gè)處理器的集中控制模式，轉(zhuǎn)向多處理器的分散控制模式。早期的DCS控制系統(tǒng)，還是集中在中央控制室。 智能儀表和現(xiàn)場總線通信技術(shù)，使得控制系統(tǒng)從集中在總控制室，轉(zhuǎn)向真正分布到工業(yè)控制現(xiàn)場,51,嵌入式系統(tǒng),隨著IC（集成電路）技術(shù)和IT（信息）技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)又將面臨新的變化，這就是嵌入式系統(tǒng)。 我們這里所說的嵌入式系統(tǒng)有兩層含義，一是控制系統(tǒng)嵌入到控制對象中（即被控對象與控制系統(tǒng)結(jié)合成新的智能化設(shè)備），二是系統(tǒng)軟件嵌入到IC（SOC）芯片中去。,52,智能化設(shè)備,控制系統(tǒng)嵌入到控制對象： 嵌入式控制系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)與被控對象成為一體，成為新的系統(tǒng)：機(jī)電一體化系統(tǒng)。典型的機(jī)器人。 嵌入式系統(tǒng)具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信接口、人機(jī)接口和完善的檢測控制功能，它是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，又是設(shè)備的一個(gè)組成部分，是在設(shè)備的制造過程中，量身定做的控制系統(tǒng)，不再需要進(jìn)行二次開發(fā)。,53,芯上系統(tǒng)（SOC：System On chip）