第1章 计算机控制概论

第1章计算机控制概论课程特点•综合性强–计算机控制技术是计算机科学技术、自动化理论技术与客观对象紧密结合的产物，涉及到控制论、信息论、电子技术和系统工程等诸多领域。•应用广泛–从最初的炼油控制装置，到现在应用于国防、工业、航天、运输、家电等不同领域的规模和特征不同的计算机控制系统，对社会进步的重要性与日俱增。•知识更新快–随着计算机控制技术各相关学科的飞速发展，如计算方法、控制策略、软硬件技术、网络通信技术的不断推陈出新，这门综合性理论技术被不断推向新的高度，成为知识内容更新最快的学科之一。两个方面•《计算机控制技术与系统》分两个方面–计算机控制技术包括计算机控制理论和方法，如采样系统、离散系统和数字系统理论基础，数字控制器的基本控制算法、现代、预测、智能控制方法等，还包括过程通道技术、抗干扰技术、软件技术以及网络通信技术等集成计算机控制系统的重要技术。–计算机控制系统着重介绍大型过程计算机控制系统的几种型式,如DCS、FCS和管控一体化的生产企业综合自动化系统。学习意义•能源、电力等过程工业面向的是复杂、多元及综合的系统，属于技术密集型的行业，随着本体制造技术与生产工艺的进步，系统越来越向大规模的方向发展，因此该行业的安全、高效运作完全建立在高度的自动化技术平台上，对生产信息化、自动化、智能化的要求越来越高。课程的发展•控制理论的发展–控制科学的发展过程•技术更新–软硬件、检测、通信、网络技术的发展•体系的演化–从最初的数据监测与采集装置到直接控制系统，再到分层控制的SCADA系统，进一步分散化为DCS系统，以及PLC、FCS系统，规模日益扩大，系统的组成也更为灵活。为提高企业的市场竞争力，实施管控一体化的计算机集成控制系统CIPS也在过程工业自动化中，日益得到重视和发展。这门课程的内涵将日益得到丰富和发展1．1过程计算机控制系统的原理和组成•过程计算机–亦称工业控制计算机，是适应工业环境下生产要求，在线、实时工作的计算机系统。数字计算机执行器对象测量变送给定过程计算机系统输出+-D/AA/D生产过程•过程计算机控制系统原则性结构•过程计算机的工作原理–实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。–实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。–实时控制输出：根据控制策略，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。•过程计算机与通用计算机的差别•①有丰富的过程I/O及人机I/O功能；•②为了保证实时性，采用实时操作系统并增加了许多支持功能；•③为了长期稳定工作，采取了包括冗余在内的许多RAS（Reliability,Availability,Serviceability）技术。1．1．1过程计算机的硬件系统CPU内存模拟量输入通道模拟量输出通道I/O控制器I/O控制器I/O控制器输入设备输出设备后援存储器I/O接口外部设备通信接口外部总线数字量输入通道数字量输出通道测量变送执行机构电气开关电气开关生产过程内部总线•一、计算机•作用：数字控制器•结构：中央处理机（CPU）、内部存贮器（RAM、ROM）、总线（数据、地址、控制总线）及各种输入／输出（I/O）接口等。•类型：可编程序控制器（PLC）、工控机（IPC）、单片机、数字信号处理器（DSP）、智能调节器等，都是常用的控制器。•计算机与过程I/O子系统之间可以采用不同的接口关系，这就决定了计算机控制系统的结构模式，即内总线结构或外总线结构。•内总线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源，常用内总线如IBMPC总线、多总线、STD总线、ISA总线、PCI总线等；•外总线是计算机系统之间或计算机与智能设备之间进行信息传送的公共通道。常用外总线有RS-232C、RS-485和USB等。•二、计算机外部设备–通常把外部设备分为四类：输入设备和输出设备；外部存贮器；过程输入/输出设备；通信设备。1．1．2过程计算机的软件系统•软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。过程控制过程监视公共服务程序应用软件数据库管理系统语言处理程序支持软件（工具软件）操作系统（管理程序）系统软件软件•系统软件主要包括操作系统、各种支持软件（或称工具软件）以及语言和语言处理程序。•过程控制应用软件一般包括过程输入程序、基于经典、现代或智能控制理论控制算法的过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序及各种公共服务子程序。过程计算机软件系统的特点•过程计算机控制系统是实时系统。实时系统是指对响应时间要求比较高的系统，具有实时性、在线性和并发性的特点。•实时性是指在一个确定的有限时间内，系统对外部产生的激励必须作出响应。•并发性指系统要求同时完成多个相互独立的任务，如过程控制中的采样、计算、打印、控制等，这些任务一方面受到系统时钟的定时控制，另一方面相互制约，使整个系统中诸多任务并行工作，同步前进。•在线性指实时系统和被处理过程直接相连，组成了一个嵌入式的计算机系统，具有很高的可靠性要求。1．2过程计算机控制系统的分类•数据采集和处理系统•直接数字控制系统•计算机监督控制系统•集散型控制系统•现场总线控制系统。1．2．1数据采集与处理系统（DataAcquisitionSystem，DAS)•是以计算机为核心对生产过程进行智能化、全工况开环监视的系统•主要功能：–数据采集及预处理–内部信息的定期计算和处理–报警处理和操作指导–人机联系与信息输出等计算机过程输入通道测量变送生产过程显示器操作人员打印机音响灯光报警执行机构图1-3计算机数据采集与处理系统框图1．2．2直接数字控制系统（DirectDigitalControl，DDC）•DDC由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过程的控制装置，通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)实时采集数据，按控制规律进行数值计算，经模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。计算机过程输入通道测量变送生产过程显示器打印机报警执行机构过程输出通道操作台图1-4直接数字控制系统框图DDC的功能•巡回检测：–显示参数值、打印制表、越限报警、故障自诊断、自动/手动切换等。•多回路控制：–分时对各回路进行控制，是时间离散控制系统。•系统组态：–通过人机接口，可根据控制功能需要，用软件来指定功能块、以填表方式指定功能块的地址和参数，进行功能块连接，亦可对控制器参数进行调整，称之为系统组态。•实现各种复杂的控制算法：–在控制规律方面，不仅能实现一般的或改进的比例、积分、微分（PID）算法，还能实现如前馈控制、串级控制、解耦控制、纯滞后补偿控制、自适应控制、自校正控制、最优控制等控制算法。由于DDC是计算机应用于过程控制的典型系统，现常用来泛指计算机控制系统1．2．3计算机监督控制系统（SupervisoryComputerControl，SCC）•通常采用两级控制形式，由起监督作用的上位机和面向生产过程的下位机组成。SCC计算机DDC计算机或调节器过程I/O通道生产过程显示器打印机报警过程I/O通道DDC计算机或调节器操作台...图1-5计算机监督控制系统原理图监督控制系统SCC的功能•下位机功能：回路控制（DDC功能)•上位机功能：–子回路装置的切除或投入–子回路状态及控制效果的监视（DAS功能）–子回路控制最佳设定值的计算，使生产过程能在协调或最优化的程度上达到要求的性能指标。举例•以火电厂单元机组为例，单元机组的各个子系统，如锅炉自动控制系统（给水、燃烧、汽温控制等），锅炉燃烧器管理系统，单元机组协调控制系统，汽机自动调速系统，机组自动同期系统，发电机自动励磁调节系统等都可由监督控制系统进行监控。在正常工况下，监督计算机协调各子系统的工作，控制生产过程在经济、最优的运行状态。启停工况时，计算机对启、停进程中各参数和设备状态进行监视、判断和计算，并通过子系统进行相应控制，投入或切除各有关装置，使整个启停过程时间最短，并保证所有设备的安全。1．2．4集散型控制系统（TotalDistributedControlSystem，DCS）•以多台微型计算机为基础，采用数据通信和CRT显示技术，应用控制理论，对生产过程进行分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的系统。DCS的特点•硬件积木化–硬件采用积木化组装结构，系统配置灵活，可以方便的构成多级控制体统。•软件模块化–为用户提供了丰富的功能软件，主要包括控制软件包、操作显示软件包、报表显示软件包等，用户只需按要求选用即可。•控制组态化–具有常用的运算和控制模块，控制工程师只需按照系统的控制方案，选择模块，并以填表方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的组态。•通信网络化–通信网络是分散控制系统的神经中枢，它将物理上分散的多台计算机装置有机地联系起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。•高可靠性–DCS的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施，高性能的元件等方面。DCS的结构与功能现场变送器、执行器分布式处理单元I/OI/O...分布式处理单元I/OI/O...…...工程师站操作员站操作员站…...服务器/功能站生产管理WEB服务统计与优化设备维护…...管理层监督控制与协调优化现场直接控制•其标准体系结构按功能分为三层功能结构：–管理层主要功能为生产调度管理及厂级优化；–监督控制和协调优化层主要是机组级的集中操作、协调控制和运行优化，这部分可分为运行人员操作站、工程师工作站和监控计算机；–直接控制层由分布式多功能处理单元组成，按功能分为现场控制站、监测站，用于实现地理上分散的回路控制和检测功能。–整个DCS系统通过通信技术实现控制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。1．2．5现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）•现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。•基于现场总线和智能化仪表的现场总线控制系统是新一代的分布式控制系统。FCS特点•只有管理级－现场总线控制级两层，结构更分散，性能更可靠，造价更低–现场总线控制级一般包括工作站、现场智能仪表–控制功能分散到现场智能仪表上•开放式互联，互操性，解决信息孤岛，为生产管理的全数字化提供实现的可能。1．2．6可编程序控制器系统（ProgrammableLogicalController,PLC）•可编程序控制器（ProgrammableLogicalController,PLC）是一种工业控制计算机，能快速、可靠地构建控制系统。•与普通计算机的差别–①外观与PC机差异较大，适用于工业环境的安装使用，可靠性高；–②编程语言与PC机不同，一般采用图形化的编程方式；–③工作过程与PC机不同，为循环扫描工作方式。PLC特点•PLC可靠性高，抗干扰能力强，使用简单方便•PLC系统接线简单，设计容易，不需要用户进行电路板的设计，因此开发周期短•PLC系统具有标准的图形方式和文本方式的组态软件，编程简单直观，程序易于调试和修改•利用PLC网络和通信技术易于实现复杂的分散控制任务PLC系统的三层结构MELSECNET/H控制层(25M/10Mbps)设备层(10Mbps)现场总线CC-LinkMELSECNET/H远程网变频器远程端子人机界面机械手第三方产品信息层(100M/10Mbps)EthernetMELSECNET/H控制层(25M/10Mbps)设备层(10Mbps)现场总线CC-LinkMELSECNET/H远程网变频器远程端子人机界面机械手第三方产品信息层(100M/10Mbps)Ethernet1．2．7计算机集成控制系统（ComputerIntegratedProcessSystem,CIPS）•CIPS是针对流程工业的特点，综合运用计算机技术、现代化管理技术、信息技术、控制技术、系统工程技术来改造传统意义上的过程工业，实现生产环节