建筑智能化技术22

2.2.1计算机控制系统2.2.1.1模拟信号的数字化步骤：采样（抽样）、量化和编码(1)采样1)定义将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号。2)要求用时间离散的采样序列代替原来时间连续的模拟信号，要求离散的采样序列能不失真地恢复出原模拟信号。3)奈奎斯特采样定理若采样频率fs不低于连续信号最高截止频率fm的2倍时(即fs≥2fm)，采样得到的信号能完全表达原信号的所有信息。4)对象连续的模拟信号(时间上连续，幅度上连续)。5)方法以一定的时间间隔读取模拟信号的值（称为样值），每个样值即为原模拟信号的瞬时值。6)结果得到一个时间上不连续（离散）的信号，称为原信号的PAM（PulseAmplitudeModulation）脉冲幅度调制信号。(幅度连续，波形离散)tf(t)PAM信号0采样(2)量化1)定义对连续变化的样值幅度进行离散化处理，即将信号可能取值分成若干级，每个信号按四舍五入就近取某级的值。2)对象：PAM信号样值。3)方法：1234量化值量化级3.51.50.52.501230线性量化示意图A.规定幅度等级；B.对每一个量化级规定一个量化值；C.对处于同一量化级内的PAM样值，不论其实际大小如何，均取值为该量化级的量化值。4)结果：量化的PAM信号5)量化PAM和原PAM的关系：存在量化误差(数学)存在量化噪声(信号)6)降低量化误差的方法：增加量化级数；根据信号的大小划分不同的量化级(非线性量化)。(3)编码1)定义：给一特定事物一特定符号，即用一组二进制脉冲来代表已经量化的样值幅度。2)对象：量化的PAM样值幅度3)方法确定编码位数确定码型4)结果PCM信号(PulseCodeModulation)——脉冲编码调制信号模拟信号数字化的三个过程采样量化编码定义将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号对连续变化的样值幅度进行离散化处理用一组二进制脉冲来代表已经量化的样值幅度方法以一定的时间间隔读取模拟信号的值规定幅度等级；对每一个量化级规定一个量化值；对处于同一量化级内的PAM样值，均取值为该量化级的量化值。编码位数的确定；码型的确定。对象连续的模拟信号PAM信号量化的PAM样值结果PAM信号量化的PAM样值PCM信号2.2.1.2基本计算机控制系统A/D计算机D/A控制对象r(t)e(t)e(k)u(k)u(t)y(t)直接数字控制系统DDC——DirectDigitalControl计算机监督控制系统SCC——SupervisoryComputerControl可编程逻辑控制器PLC——ProgammableLogicController(1)直接数字控制系统——DDCA/DCPUD/A采样对象执行器A.计算机在参与闭环的控制过程中，不需要中间环节（调节器），而用计算机的输出（断续的形式）去直接控制调节阀门等执行机构。B.DDC系统中的计算机能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，且不需改变硬件，只通过程序改变就能有效地实现较复杂的控制。DDC一般不设置CRT显示器和操作键盘，但可通过计算机或编程器对其进行编程和对系统参数进行修改。a.计算机模块通过输入模块完成数据采集、滤波、非线性校正、各种补偿运算、上下限报警及累积量计算等；经过运算，输出模块输出控制信号，驱动执行机构完成对控制对象的控制；可通过远程驱动模块和远程执行器实现远程控制。C.模块化DDC控制器的组成结构b.通信模块将测量值和状态监测信号送到中央管理计算机数据库，供实时显示、数据处理、优化计算、报警打印等。中央管理计算机的管理、控制指令同样可通过通信模块送入DDC控制器计算机模块，实现系统的直接调控。DDC控制器的通信方式点对点(PeertoPeer)方式：通信速率达115.2kbps。RS485方式：总线长度长度达1.2km。c.内部总线一般采用VME总线，支持多CPU的16位/32位总线。d.电源模块采用隔离变压器，将其一次、二次线圈间的屏蔽层可靠接地，隔离共模干扰；具有过压/欠压显示功能；带有板内微处理器，提供高质量的24VDC稳压电源；长寿命后备锂电池。e.输入/输出模块模拟输入模块(AI)受控对象中有许多连续性的物理量，用仪表检测后可通过AI模块送入DDC进行进行处理。其标准电信号有：电阻信号：100Ω、500Ω、1kΩ、10kΩ、20kΩ；电压信号：1-5VDC、0-5VDC、0-10VDC等；电流信号：4-20mADC。模拟输出模块(AO)输出4-20mADC电流信号或1-5VDC、0-5VDC、0-10VDC电压信号，用以操作调节阀、风门、转速等。数字输入模块(DI)输入各种限位开关、继电器、电气联动机构、电磁阀门联动触点的开、关状态等二位信号。数字输出模块(DO)用于电机启/停、电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等开关控制。脉冲输入模块(PI)转速计、涡轮流量计、脉冲电量表等脉冲信号的输入。(2)计算机监督控制系统——SCCA/DCPUD/A采样对象DDCSCC一般作为上位机监督下位DDC的计算机，构成二级控制系统。一级为监控级SCC，完成高一级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值，送给DDC级计算机直接控制生产过程。两台计算机之间通过接口进行信息交换，当DDC出现故障时，可由SCC机代替。(3)可编程逻辑控制器PLCPLC由如下四部分组成A.控制功能部件：接受输入信息，按存储器存储的数据和指令进行数据和逻辑运算，并将结果送到输出部件。B.存储器：RAM存放临时程序或信息；ROM存放已经成熟的程序和其它必要信息。C.输入/输出部分：包括输入／输出模块、光电隔离及接口电路。D.编程器：2.2.2集散控制系统——DCS（1）集散控制系统特点DCS(DistributedControlSystem)又称分散式或分布式控制系统。具有如下特点：A.采用分级递阶式控制；B.采用物理上的分散结构，实现了分散控制；C.具有计算机通信系统，可实现综合控制；D.可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作。传递其他信号在两者之间的完成数据、控制信号及现场控制器连接中央管理计算机与通信部分：相关控制软件直接数字控制器分散控制部分相关控制软件中央管理计算机集中管理部分集散控制系统(2)DCS系统结构服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet10-100Mbps高速总线DDC/PLCDCS结构图网关操作员站工程师站监控级中速总线通信接口DDC/PLCAIDIAODO过程对象过程对象现场控制级传感器执行器BUS低速总线由现场控制器（DDC）和其它现场设备组成。DDC直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制。DDC还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据。通信接口DDC/PLCAIDIAODO过程对象过程对象现场控制级传感器执行器BUSA.现场控制级(DDC)对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。一般它带有操作员站和工程师站。a.操作员站实现在线监督b.工程师站对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制和维护。网关操作员站工程师站监控级中速总线B.监控级管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监督，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高速以太局域网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信息网联网，实现信息共享。服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet10-100Mbps高速总线C.中央管理级(3)DCS的通信网络A.中央监控计算机与DDC之间的通信能适应现场恶劣环境；传输速率不低于9600bps；传输距离不大于1.2km，可采用UTP作为传输介质；抵抗高电压入侵。B.多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信在具有多台中央管理计算机的DCS系统中，常用网络型中央监控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求。2.2.3现场总线控制系统FCS(1)现场总线产生的原因模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度低，易受干扰。集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。对控制器本身要求很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。DCS虽然号称分布式控制系统，实际上只能算半分布，测控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站。FCS正是顺应以上潮流而诞生。(2)现场总线控制系统定义现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一种全数字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用于连接现场智能仪表。FCS放弃了DCS所必需的I/O模块和现场控制站，控制功能分散到现场设备上。(3)DCS与FCS结构示意图操作站现场控制站现场自动化设备(测量、执行)DCS结构示意图操作站现场自动化设备(测量、计算、执行、报警、趋势等)FCS结构示意图控制室现场(4)现场总线的优点A.全数字化B.全分布C.双向传输D.自诊断E.节省布线及控制室空间F.多功能仪表G.开放性H.互操作性I.智能化与自治性(5)现场总线主要特征A.数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关量信号；B.在车间级与设备级通信的数字化网络；C.工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；D.使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层；E.工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。(6)现场总线的要求A.传输速度快B.响应时间短指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。C.巡回时间短系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。(7)现场总线与局域网的区别项目现场总线局域网功能连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。是一种实时控制网络。用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。是一种高速信息网络。实现方式可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。(8)当前比较流行的现场总线A.Lonworks——局部操作网络B.BACnet——楼宇自动化与控制网络C.Profibus——过程现场总线D.HART——可寻址远程传感器高速通道E.CAN——控制局域网络F.FF——现场总线基金会G.ModbusH.Controllogix(9)Lonworks总线1)楼宇自动化系统的特点A.测控点分散；B.被控设备种类多，且本身配有控制系统。1992年美国的Echelon公司推出的实时测控网络——局部操作网络(LocalOperatingNetworks,Lonworks)。Lonworks是专门为实时控制而设计的，是在控制层提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到广泛应用。2)Lonworks模型分层Lonworks采用开放式ISO/OSI模型全部7层通信协议结构，如下表：3)Lonworks总线技术A.Lonworks结点a.神经元结点：以神经元芯片为核心的控制结点，采用MIP结构。b.HoseBase结点：将神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能主机实现复杂测控功能。B.路由器使Lonworks突破传统现场总线的限制，通信不受通信介质、距离和速率的限制。C.神经元芯片a.Lonworks技术的核心，内部包括三个CPU：第1个CPU为介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的1、2层；第2个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的3-6层；第3个CPU为应用处理器，执行应用程序，实现LonTal