工业组态软件复习.ppt

内容提要本章介绍计算机控制系统的基本组成和分类，采用组态控制技术的计算机控制系统和一般计算机控制系统的异同以及常用组态控制产品。0.1计算机控制系统计算机控制就是用计算机控制某种设备使其按照要求工作。人们熟知的机器人就是在计算机的控制下工作的，工厂自动化生产线、家用电器中也普遍使用计算机控制。利用计算机控制各种设备，是电气工程师和技术人员的一项基本工作。计算机在实现其控制功能的时候往往还需要一些设备的配合，这些设备与计算机、被控设备一起统称为计算机控制系统。0.1.1人是如何对设备进行控制的？现在通过水罐水位控制实例说明人工控制的方法与过程。对于图0.1水罐，通常采用以下方法：,图0.1水罐对象,（1）观察水位用眼睛。（2）判断与计算：将实际水位和期望的水位进行比较，根据差值先判断需要开大还是关小进水阀门，再根据差值估计进水阀开度的改变量用大脑。（3）行动：改变阀门开度用手。（4）重复步骤（1）（3），直到水位达到期望范围。,0.1.2自动控制系统的组成如果用水位变送器代替人眼，用电动调节器代替人脑、用电动调节阀代替人手，用给定器输入水位给定值，就构成了一个水位自动控制系统，如图0.2所示。,图0.2水位自动控制系统,在该系统中，水位变送器不断地检测水位，并将其转换成电流信号送给电动调节器，电动调节器像人脑一样接收水位信号和水位给定信号，将两者进行比较，根据偏差计算出给水调节阀门的开度，并将开度信号以电流形式送给电动调节阀门，电动调节阀门根据电流大小改变给水阀门开度，调节给水流量，从而达到控制水位的目的。由水位自动控制系统，我们引出了一般自动控制系统的典型组成结构，如图0.3所示。,图0.3一般自动控制系统方框图1,有时候，也将一般自动控制系统的方框图画成图0.4，其中符号代表偏差计算。偏差给定值-测量值,图0.4一般自动控制系统方框图2,图0.3或图0.4所示构成的自动控制系统也称为闭环控制系统。闭环控制系统的基本工作过程是：当发生干扰时，被控参数偏离给定值，通过检测器，控制器能“感知”生产进行的情况，并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制信号。通过执行器，控制器的控制信号被转换成物料量或能量的变化，抵消了干扰对被控参数造成的影响，从而使被控参数稳定在规定范围。有时候，一个自动控制系统也可以不要检测器，这样的系统称为开环控制系统。开环控制系统的组成框图如图0.5所示。,图0.5开环控制系统方框图,开环控制用在不需要精确控制被控参数，或被控对象受到的干扰较少，被控参数不经常波动等情况下。,0.1.3计算机控制系统的组成计算机控制系统的控制器全部采用计算机。而一般自动控制系统的控制器则形式多样，可能是由继电器、接触器构成的一个电路，可能是一块独立的仪表，也可能是某种机械装置。计算机控制系统的组成框图如图0.7所示。与一般自动控制系统相比，还有一个主要的不同，它增加了输入接口（theInputInterface）和输出接口（theOutputInterface），统称为输入输出接口或I/O接口（I/OInterface）。输入接口的主要作用是将检测环节的输入信号（通常为电信号）转换为计算机能够接收的数字信号；输出接口的主要作用是将计算机输出的数字信号转换为电信号输出给执行器。,图0.7一般计算机控制系统的结构组成,0.2计算机控制系统中使用的计算机0.2.1计算机控制系统中使用计算机的种类经常使用的计算机主要有三种：IPC、PLC、MCU。IPC称为工业控制计算机或工业PC机。它与普通的PC相比，具有抗干扰性强，稳定性和可靠性好，防护性能好，运行速度快，存储容量可高可低，装备应用软件少，可组合性好等优点。PLC是一种专门用于工业控制的计算机，在外观上和使用方法上与PC机完全不同。图0.9所示是两种PLC的外观。MCU是微控制器，也称为单片机。它是一种可用于工业控制也可用于家用电器、办公设备、实验室测量等多领域的微型计算机芯片。图0.10所示是两种单片机芯片的外观。,图0.9PLC外观,图0.10两种单片机芯片,0.2.2IPC、PLC、MCU系统性能特点比较,0.3组态控制技术0.3.1在计算机控制系统中组态技术的两个层面1组态的本来含义组态（Configuration）的意思就是模块的任意组合。2在计算机控制系统中组态的两个层面在计算机控制系统中，组态含有硬件组态和软件组态两个层面的含义。所谓硬件组态，是指系统大量选用各种专业设备生产厂家提供的成熟通用的硬件设备，通过对这些设备的简单组合与连接实现自动控制系统。,这些通用设备包括控制器（IPC、PLC和以MCU为核心的各种控制器）、各种检测设备（传感器和变送器）、各种执行设备（电磁阀、气缸、电动机等）、各种命令输入设备（按钮、给定设备），还有各种I/O接口设备。这些通用设备一般都做成具有标准尺寸和标准信号输出的模板或模块，它们就像积木一样，可以根据需要组合在一起。所谓软件组态就是利用专业软件公司提供的工控软件进行系统程序设计。这些软件提供了大量工具包供设计者组合使用，因此被称为组态软件。利用组态软件工程技术人员可以方便地进行监控画面制作和程序编制。,0.3.2采用组态技术的计算机控制系统的优越性采用硬件组态和软件组态的方式构成控制系统有以下优越性：（1）开发周期短。（2）系统可靠性高。（3）对工程技术人员的要求不高，便于推广。（4）构成的系统通用性强，便于维护。,0.4计算机控制系统有哪些形式？0.4.1数据采集系统的功能与结构数据采集系统也称为DASDataAcquisitionSystem。其结构如图0.12所示。被控对象中待检测的各种模拟量和开关量通过传感器和变送器，分别经模拟量和开关量输入接口进入计算机，计算机对各信号进行采集、处理后，送显示器、打印机、报警器等设备。DAS系统的特点是只进行参数检测，不进行控制。I/O接口只有模拟量输入（AIAnalogInput）和开关量输入（DIDigitalInput）接口。这种系统常用于早期的计算机检测系统中，其优点是可以用一台计算机对多个参数进行巡回采集和处理，显示界面好，便于管理。,图0.12数据采集系统,0.4.2直接数字控制系统的功能与结构直接数字控制称为DDCDirectDigitalControl。其系统结构如图0.13所示。计算机既可对生产过程中的各个参数进行巡回检测，还可根据检测结果，按照一定的算法，计算出执行器应该的状态（电磁阀的通与断、调节阀的开度、电动机的启动与停止、电动机的转速等）。DDC系统的I/O接口除了AI和DI外，还有模拟量输出（AOAnalogOutput）接口和开关量输出（DODigitalOutput）接口。DDC控制是真正的计算机控制系统，与DAS相比，其特点是既检测，也控制。由于控制算法用程序编制，可以实现继电器和仪表不能实现的许多功能。DDC适用于控制回路较少的场合。,图0.13直接数字控制系统,0.4.3集散控制系统的功能与结构集散式控制系统也称为分布式控制系统，简称DCSDistributedControlSystem。集散式控制常用于较大规模的控制系统中，可以很好地解决DDC系统可靠性和统筹性的矛盾。其总体思想是分散控制，集中管理，即用几台计算机分别控制若干个回路，再用一台计算机与这些计算机进行通信，了解各个计算机的工作情况，根据需要向它们发出不同命令。集散式控制系统的规模可大可小，可以只有两级（称下位机和上位机），也可以多级。典型的三级结构为过程控制级、控制管理级和生产管理级，如图0.14所示。过程控制级由各控制站组成，控制站可以是DAS，也可以是DDC，用来进行生产的前沿检测与控制。控制管理级由工程师站、操作员站、数据记录检索站等组成，供工程师进行程序调试；操作员进行生产监控、手动操作、报表打印、数据查询等。生产管理级由生产管理信息系统组成，可进行生产情况汇总与调度。,图0.14DCS系统的组成,0.4.4现场总线控制系统的功能与结构现场总线系统简称FCSFieldControlSystem。DDC系统中计算机与计算机之间的通信采用数字信号通过网络连接。但现场传感器、变送器、执行器仍使用模拟信号。每个传感器、变送器或执行器至少有两根信号线需要连接。当系统中需要检测和控制的参数较多时，施工工作量较大。另一方面，模拟信号在传输时的抗干扰性能比较差，造成系统可靠性下降。,本项目小结计算机控制系统由被控对象、检测器、I/O接口、计算机和执行器几部分组成。计算机控制系统使用的计算机有PLC、MCU、IPC等。它们具有不同的特点，分别用于不同的控制领域。计算机控制系统可分为：数据采集系统（DAS）、直接数字控制（DDC）系统、集散式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。组态控制技术是计算机控制技术发展的结果，采用组态控制技术的