2012第九章 计算机控制系统

调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mA控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mAD/AA/D数字信号——例如4～20mA信号经12位A/D转换以后的结果为0～40954mA输入——00000000000020mA输入——11111111111112mA输入——？计算机控制典型单回路控制系统方块图2012第9章计算机控制系统第一节概述工作过程控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mAD/AA/D工作过程：①数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值；②控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算③控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。第二节计算机控制系统的基本组成过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统I/O系统（模块或卡件）现场仪表被控对象硬件组成系统软件支持软件应用软件系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。软件组成计算机控制系统的主要设计思想1.可靠性2.可维护性3.实时性4.性能价格比定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用概率来表示可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。一般我们要掌握以下两个原则：一是系统设计的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能低。第三节计算机控制系统的发展过程1.直接数字量控制（DirectDigitalControl－DDC）2.集中型计算机控制系统3.集散控制系统（DistributedControlSystem－DCS）4.现场总线控制系统（FieldbusControlSystem－FCS）第四节直接数字量控制本质——用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO检测仪表执行器被控过程（对象）起始于50年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代优点——计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。问题——当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。拓展一、集中型计算机控制系统出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。CRT、键盘……过程控制计算机AIDIAODO被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图优越性：从表面上看——信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。问题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系统变得十分“脆弱”。在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。拓展二、集散控制系统出发点（2个方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征:控制的分散性和管理的集中性拓展三、现场总线控制系统传统计算机控制系统的结构示意图朴素意义上的FCS结构示意图计算机控制系统的发展特征随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势系统结构向网络化、网络扁平化方向发展系统功能向综合化方向发展系统设备向多样化方向发展概述•集散控制系统DCS是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。•DistributedControlSystem——DCS•DCS可直译为“分布式控制系统”•“集散控制系统”是按中国人习惯理解而称谓的。•DCS的主要特征是它的集中管理和分散控制•它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式•DCS在电力、冶金、石油、化工、制药等各种领域都得到了极其广泛的应用。第五节集散控制系统DCS的特点经营管理级生产管理级控制管理级过程控制级根本：管理集中和控制分散具体表现在：分级递阶结构现场仪表，各种检测仪表、执行器……DCS必不可少的两级•向开放式系统发展•智能变送器、远程I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控功能下移分散•DCS、PLC、PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统•现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势•①现场总线于DCS系统I/O总线上的集成•②现场总线于DCS系统网络层的集成•③现场总线通过网关与DCS系统并行集成DCS的发展趋势•未来的DCS将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实现分散控制，并可节约大量的布线费用，提高系统的易展性。OPC标准的出现从根本上解决了控制系统的共享问题，使系统的集成更加方便，从而导致控制系统价格的下降。•基于PC机的解决方案将使控制系统更具有开放性。Internet技术在控制系统中的应用，将使操作界面更加友好、数据访问更加方便，并且WindowNT将成为控制系统的优秀平台。总之，DCS通过不断采用新技术将向标准化、开放化、通用化的方向发展。•DCS的层次结构中，最低级是与生产过程直接相连的过程控制级。•在不同的DCS中，过程控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等，在这里，我们统称现场控制单元FCU(或控制站）。•FCU实现了DCS的分散控制功能，是DCS的核心部分。生产过程的各种参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据，而各种操作通过现场控制单元送到各执行机构。有关信号的转换、各类基本控制算法都在现场控制单元中完成。•过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成直接完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。•DCS的生产管理级、经营管理级是由功能强大的计算机来实现，没有更多的硬件构成，这里不作阐述。DCS的硬件体系结构以典型的中小型DCS－CENTUM-μXL为例论述FCU和操作站的硬件构成系统软件现场控制站应用软件报警检测、输入、输出操作站应用软件人机接口报表打印和管理过程画面显示和管理历史数据存储顺序控制连续过程控制实时数据库DCS软件系统DCS软件系统应用软件通信软件组态软件DCS的软件系统