计算机控制系统设计分析.徐群

计算机控制系统设计与分析主讲人：徐群二OO六年十一月第一讲计算机控制系统网络结构一、计算机控制系统层次结构二、星型网络结构三、总线型网络结构四、环形网络结构五、传输协议及传输介质一、计算机控制系统的层次结构二、星型网络结构图2-1计算机监控系统网络拓扑结构图监控主机上级控制调度中心服务器以太网交换机1#PLC控制屏打印机2#PLC控制屏3#PLC控制屏5#PLC控制屏4#PLC控制屏1#～8#闸门9#～18#闸门19#～28#闸门29#～35#闸门变配电以太网交换机管理所投影仪三、总线型网络四、环型网络通讯计算机10M/100M光纤以太环网（工业以太网交换机）公共系统PLC清污机PLCA4激光打印机1#监控主机A3激光打印机2#机组PLC微机励磁装置排水泵PLC供水泵PLC风机PLC主变保护装置进线保护装置站变、所变保护装置2#监控主机主机保护装置微机励磁装置1#机组PLC液晶触摸屏主机保护装置液晶触摸屏3#机组PLC微机励磁装置主机保护装置液晶触摸屏4#机组PLC微机励磁装置主机保护装置液晶触摸屏5#机组PLC微机励磁装置主机保护装置液晶触摸屏液晶触摸屏启闭机PLC五、传输协议及传输介质TCP/IPMODBUS1、TCP/IP（1）OSI参考模型开放系统互联（OpenSystemInterconnection,OSI）模型是由国际标准化组织（ISO）于1983年开发的网络参考模型，该模型广泛适用于分层的网络体系结构定义框架。OSI模型的七层体系结构如表2.1所示：表2.1OSI模型的七层体系结构层的名称功能应用协议应用层（7）提供网络与应用进程接口。Telnet,FTP,HTTP表示层（6）数据的表示，完成数据转换、压缩和加密，实现数据安全等功能。工作站服务，网络转向器会话层（5）会话的连接、管理及数据传输的同步等。NetBIOS传输层（4）建立、维护和拆除传送连接，提供端到端的错误恢复和流控制。TCP,UDP,SPX网络层（3）解决路由选择、拥塞控制、网络互连等问题。IP,SPX数据链路层（2）实现无差错传送，提供信息流量调节机制。Ethernet,ATMTokenRingFDDI物理层（1）确保位流的传输，提供链路所需的机械、电气功能和规程特性等。第5类双绞线，光纤，集线器等（2）TCP/IP参考模型与OSI参考模型不同，TCP/IP模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层次划分。它在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位，几乎所有的工作站都配有TCP/IP协议，这就使得TCP/IP成为计算机网络事实上的国际标准，即工业标准。它的设计基于美国国防部（DepartmentofDefense,DOD）模型的，由于它更强调功能分布而不是严格的功能层次的划分，因此它比OSI模型更灵活。TCP/IP的参考模型和OSI参考模型的比较如表2.2所示：表2.2两种参考模型比较TCP/IP参考模型OSI参考模型应用层（FTP，HTTP，Telnet等）应用层，表示层，会话层传输层（TCP，UDP）传输层网络互连层（IP）网络层主机和网络连接层（各种网络接口）数据链路层，物理层（底层）2、Modbus(1)ASCIIMode(2)RTUMode主要功能码例子：MasterSlaveLongitudinalRedundancyCheck－纵向冗余校验1001110011010101001001000111010100011000信息码——校验码CyclicalRedundancyCheck－循环冗余校验一个8位二进制数（B7B6B5B4B3B2B1B0)可以用一个7阶二进制码多项式表示：B(x)=B7x7+B6x6+B5x5+B4x4+B3x3+B2x2+B1x1+B0x0，则二进制数：10000011可表示成：B(x)=1x7+0x6+0x5+0x4+0x3+0x2+1x1+1x0＝x7+x1+x0一般来说，n位二进制数可以用(n-1)次多项式表示。二进制多项式的乘除法与普通代数多项式乘除法相同，二进制多项式的加减法就是将对应系数按模2运算，即半加不进位。按照模2运算，二进制多项式的加减法的运算结果是相同的，实际上是按位异或运算。假设一个信息长度为k位二进制序列附加r=(n-k)位校验位组成一个总长为n位的循环码：K位r位(n-k)n位循环码如果(n-k)个校验位中每一位均由k个信息位中某几位线性模2相加得到，这样的码也称为线性分组码。设k=3,r=4,按如下规则组成一个线性分组码：B3=B0⊕B2B4=B0⊕B1⊕B2B5=B0⊕B1B6=B1⊕B2信息位校验位码字B0B1B2B3B4B5B6B0B1B2B3B4B5B60000000000000000111010011101010011101001110111010011101010011101001110101001110100111101001110100111101001110100从表中可以看出：(1)任意两个码字模2相加，所得结果仍为8个码字中的一个码；——线性码的“封闭性”(2)将一个码字循环右移一位，所得的码仍为8个码字中的一个码。——线性码是一个循环码每个循环码均有自己的生成多项式G(x)，循环码中的每一位都由这个生成多项式生成。假设原信息多项式用B(x)表示，附加r位检验位后，B(x)提高了xr阶，即xrB(x)，用xrB(x)除以生成多项式G(x)，可以得到商多项式Q(x)和余数多项式R(x)，即：xrB(x)/G(X)=Q(x)+R(X)/G(x)xrB(x)=Q(x)G(x)+R(X)xrB(x)－R(X)=Q(x)G(x)；模2运算加减法一样，则xrB(x)＋R(X)=Q(x)G(x)；这说明信息多项式和余数多项式可以合成一个新的多项式V(x)＝xrB(x)＋R(X)，该多项式是生成多项式的整数倍，即能被G(x)整除。同时信息位与校验位是分开的，不会破坏信息码多项式，也就是说，高次多项式xrB(x)的系数仍为原信息码，余数多项式R(X)的系数则作为校验码，这就是通常所说的“CRC”校验码。上列中生成多项式G(x)=x4+x3+x2+1，设信息码B=(101)，即B(x)=x2+1，附加r=4位校验码，B(x)提高4阶，r4B(x)=x6+x4，将其除以生成多项式G(x)x4+x3+x2+1√x6+x4x2+x+1x6+x5+x4+x2x5+x2x5+x4+x3+xx4+x3+x2+xx4+x3+x2+1x+1商式余式所以V(x)=r4B(x)+R(x)=x6+x4+x+1，即码字V=(1010011)与表中第6行相同，用同样的方法可以生成其它码字。在接收端，当接收到多项式V(x)后，用同样的生成多项式进行校验：x4+x3+x2+1√x6+x4+x+1x2+x+1x6+x5+x4+x2x5+x2+x+1x5+x4+x3+xx4+x3+x2+1x4+x3+x2+10余数经校验，余数为“0”，即被整除，表明信息码在传输过程中没有误码，信息传输正确。♥磁盘控制器生成多项式CRC-16:G(x)=x16+x15+x2+1通常：♥同步通信(SDLC/HDLC)中生成多项式CCITT(SDLC-CRC):G(x)=x16+x12+x5+1♥ModbusRTU模式中生成多项式CRC-16:G(x)=x16+x15+x2+13、传输介质(1)、光缆室外光缆室内光缆ST连接器型号WFST-01-MC连接损耗0.3db以下,反射衰减40db以上500次插拔SC连接器型号WFSC-01-MC,连接损耗0.3db以下,反射衰减40db以上,500次插拔SC适配器ST适配器(a)(b)(c)(d)(2)、同轴电缆1——镀银铜线2——聚四氟乙烯（PTFE）3——镀银铜线编织4——聚全氟乙丙烯（FEP）适用于无线电通讯设备，固定敷设的高频、超高频传输线及类似的高频电子装置中，作设备内外射频信号的传输。1234BNC连接器(3)、双绞线(TP:TwistedPairwire)非屏蔽双绞线(UTP:UnshildedTwistedPair)屏蔽双绞线(STP:ShieldedTwistedPair)RJ-45水晶头导线色彩编码线对色彩码1白/蓝//蓝2白/橙//橙3白/绿//绿4白/棕//棕第二讲控制设备与控制元件一、工业控制计算机二、可编程控制器PLCGEFANUCPACSystems90-7090-30VersaMaxSchneiderModiconPremiumQuantumMicroNezaSiemensS7-400S7-300S7-200Allen-Bradley(A-B)MicroLogix1500系列Controllogix/1756系列CompactLogix/1769系列此外还有：欧姆龙、三菱、松下、ABB、LG等其共同特点：(1)可编程(2)模块化(3)高可靠(4)配置灵活能满足各种自动化系统的要求PLC组成机架电源模块CPU模块开关量输入(DI)模块开关量输出(DO)模块模拟量输入(AI)模块模拟量输出(AO)模块RTD模块高速计数模块PID调节模块通信模块等三、主要控制元件1、断路器——自动空气开关（空开）12345671，2，3——弹簧4——主触点5——脱扣钩子6——电流释放线圈7——欠压释放线圈小型断路器1P2P3P4P中型断路器3P3P3P额定电压：230-400VAC额定电流：6-63A分断能力：4.5-15kA额定电压：380-415VAC额定电流：80-1250A分断能力：25-50kA高压断路器：6kV/10kV/35kV/110kV/220kV/500kV符号代号QFSF热磁脱扣曲线2、接触器/中间继电器铁芯线圈衔铁反力弹簧磁路动触头静触头功率线圈工作电压220VAC/380AC符号代号KM线圈A1A2常开常闭代号：KKA线圈3、热继电器发热丝双金属片脱扣弹簧传动机构绝缘连杆动触头静触头常开常闭代号：KT4、时间继电器线圈弹簧活塞杆进气孔排气孔调节螺丝软膜托板撞块空气阻尼式时间继电器线圈常开延时闭合常闭延时断开常开延时断开常闭延时闭合代号：SJ5、按钮代号：SB6、指示灯颜色电压：24VDC、220VAC代号：HL+-A1A27、选择开关代号：SA8、万能转换开关四、主要测量元件1、位置及行程开关行程开关接近开关光电式电容器式霍尔元件等主令开关2、测量传感器(1)、旋转编码器增量型绝对型也可用作位移、转速、加速度等测量T=0.9—11ust10.45ust2≤0.4ust3=12—35us绝对的位置值由时钟信号触发,从高位(MSB)开始输出与时钟信号同步的串行信号,SSI标准的信号单转为13位(串行),多转为25位(13+12位串行).当不传送信号时,时钟和数据位均是高位(2)、激光测距反射板测量距离：0.05m—500m最大测量误差：±3mm响应时间：0.2s输出：4—20mA,RS-485工作温度：-10℃—50℃可用于长距离位移的检测(3)、超声波传感器可用于液位、料舱物位等位置的检测(4)、压力传感器大气压力——指由于空气的重量垂直作用在单位面积上所产生的力；绝对压力——指流体承受的实际压力；相对压力——指流体的绝对压力与当时当地的大气压力之差；表压力——当绝对压力大于大气压力时，其相对压力称为表压力；真空度——当绝对压力小于大气压力时，其相对压力称为真空度(负压力)；(5)、温度传感器产品名称分度号温度范围℃铂铑10-铂S0-1300镍铬硅-镍硅N0-1100镍铬-镍硅K镍铬-铜镍E0-600铜-铜镍T0-350铁-铜镍J0-500热电偶Et冷端热电阻RtCu50,Cu100——－50℃－150℃Pt100——-200℃－850℃接线方式：Rt二线制Rt三线制Rt四线制(6)、电量测量电压电流有功无功功率因素有功电度无功电度频率等第三讲典型控制系统设计一、设计步骤1、工程需求分析2、输入、输出接点统计3、控制与检测方法设计4、设备选型5、系统总体设计6、系统详细设计7、系统设计的审查与论证8、