计算机控制技术及其应用.ppt

工业控制计算机及其应用 主讲人 赵明 教授 课程内容 第一章计算机控制系统的组成及典型的应用形式 6学时 第二章输入输出接口与过程通道 8学时 第三章常规及复杂控制技术 22学时 第四章应用程序设计与实现 8学时 第五章DCS系统 6学时 第六章计算机控制系统的设计与实现 2学时 第一章计算机控制系统的组成及应用形式 一 计算机控制系统概述二 工业控制机的组成结构及特点三 计算机控制系统的发展趋势 一 计算机控制系统概述 1 计算机控制系统及其组成 一 计算机控制系统概述 2 计算机控制系统的工作原理 1 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 2 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 3 实时控制输出 根据控制决策 适时地对执行机构发出控制信号 完成控制任务 一 计算机控制系统概述 3 计算机控制系统的典型形式 1 操作指导控制系统该系统属于开环控制结构 计算机根据一定的控制算法 依赖测量元件测得的信号数据 计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案 操作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构 CRT 打印机 操作人员 调节器 生产过程 计算机 模拟量输入 AI 通道 数字量输入 DI 通道 3 计算机控制系统的典型形式 2 直接数字控制 DirectDigitalControl 系统DDC系统属于计算机闭环控制系统 计算机首先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 然后按照一定的控制规律进行计算 最后发出控制信息 并通过模拟量输出通道 AO 和开关量输出通道 DO 直接控制生产过程 3 监督控制 SupervisoryComputerControl 系统监督控制中 计算机根据原始工艺信息和其他的参数 按照描述生产过程的数学模型或其他方法 自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值 从而使生产过程始终处于最优工况 如保持高质量 高效率 低消耗 低成本等等 从这个角度上说 它的作用是改变设定值 又称为设定值控制SPC SetPointControl 3 计算机控制系统的典型形式 记录显示打印 工艺数据 生产过程 SSC计算机 模拟调节器 调节 测量 设定值 记录显示打印 SSC计算机 DDC计算机 生产过程 调节 设定值 测量 工艺数据 a b 3 计算机控制系统的典型形式 4 分散型控制系统 DistributedControlSystem DCS DCS采用分散控制 集中操作 分级管理 分而自治和综合协调的设计原则 把系统从上到下分为分散过程控制级 集中操作监控级 综合信息管理级 形成分级分布式控制 5 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS FCS是新一代分布式控制结构 20世纪80年代发展起来的DCS 其结构模式为 操作站 控制站 现场仪表 三层结构 系统成本较高 而且各厂商的DCS又各自的标准 不能互连 FCS于DCS不同 它的结构模式为 工作站 现场总线仪表 二层结构 完成了DCS三层结构的功能 降低了成本 提高了可靠性 国际标准统一后 可实现真正的开放式互连系统结构 常见总线 FF CAN DeviceNet LonWorks等十几种 3 计算机控制系统的典型形式 二 工业控制机的组成结构及特点 1 工业控制机的硬件组成例 研华工控机 1 机箱带ATX主板选项的14槽机架安装机箱IPC 610 二 工业控制机的组成结构及特点 2 无源底版槽数 8个ISA 4PCI 2个PICMG槽尺寸 315x260mm 12 4 x10 24 3 CPU卡研华NORCO 740GVEP4级全长CPU卡支持P4478架构系列处理器主频高达3 06GHz 支持400 533MHz外频 支持Intel超线程技术 采用Intel845GV ICH4 支持USB2 0板载显示控制器 动态共享64MB内存作为显存 两条184pin内存插槽 支持200 266 333MHzDDR内存达2GB 支持内存异步适用于通讯 DVR 电信 交通 工业控制领域 二 工业控制机的组成结构及特点 4 I O板 24位数字量I O线 仿真8255PPI模式0 提供比8255更高驱动能力的缓冲电路 中断处理 输出状态回读PCL 724 二 工业控制机的组成结构及特点 5 AD与DA板 12路独立D A输出 12位分辨率双缓冲D A转换器 多种输出范围 5V 0 5V 0 10V和4 20mA电流环 汇 16路数字量输入及16路数字量输出PCL 727 二 工业控制机的组成结构及特点 6 内部与外部总线1 内部总线IBMPC和STD2 外部总线RS 232CIEEE 488 二 工业控制机的组成结构及特点 7 系统支持功能监控定时器 Watchdog 电源掉电检测保护重要数据的后备存储器体实时日历时钟磁盘系统输入输出通道 二 工业控制机的组成结构及特点 2 工业控制机的软件组成系统软件支持软件应用软件 二 工业控制机的组成结构及特点 3 工业控制机的特点可靠性高和可维修性好环境适应性强控制的实时性完善的输入输出通道丰富的软件适当的计算精度和运算速度 二 工业控制机的组成结构及特点 三 计算机控制系统的发展趋势 1 计算机技术的发展过程1956年3月美国德克萨斯的一个炼油厂与TRW公司合作研究计算机控制系统开始 至今经过四个阶段 1 开创期 1955 1962年 2 直接数字控制时期 1962 1967 3 小型计算机时期 1967 1972 4 微型计算机时期 1972 至今 2 计算机控制理论的发展过程 1 采样定理 香农Shannon 1949 2 差分方程 奥尔登伯格Oldenburg和萨托里厄斯Sartorius 1948 3 Z变换 扎德Zadeh 1952 4 状态空间理论 庞特里亚金Pontryagin等 5 最优控制 贝尔曼1957 与随机控制 1960 LQG 6 代数系统理论 7 系统辩识与自适应 三 计算机控制系统的发展趋势 3 计算机控制的发展趋势成熟技术的应用智能控制系统 1 递阶控制 2 模糊控制 3 专家系统 4 学习系统 5 神经网络 三 计算机控制系统的发展趋势 第二章输入输出接口与过程通道 一 数字量通道二 模拟量通道三 通道的抗干扰技术 第二章输入输出接口与过程通道 接口 计算机与外部设备交换信息的桥梁 包括输入和输出接口 接口技术 研究计算机与外部设备交换信息的技术 过程通道 计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道 AI AO DI DO 2 1数字量输入输出通道 一数字量输入输出接口 一 输入接口 一数字量输入输出接口 二 数字量输出接口 二数字量通道 过程通道 计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道 DI DO 一 数字量输入通道 DI 1数字量输入通道结构 一 数字量输入通道 DI 2输入调理电路 把现场信号经转换 保护 滤波 隔离转换成计算机能够接收的逻辑信号 a 小功率输入调理电路 开关去抖电路 开关去抖电路 b 大功率输入调理电路 采用光电隔离 二 数字量输出通道 DO 1数字量输出通道结构 2输出驱动电路 a 小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路续流二极管在功率晶体管关闭时 为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道 保护晶体管 达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416 7路驱动 带保护二极管 b 大功率直流驱动电路 固态继电器 零交叉电路在交流电过零时产生触发信号 减少干扰 2 2A D转换器及接口技术 常用A D转换方式 逐次逼近型 转换时间短 抗扰性差 电压比较 ADC0809 8位 AD574 12位 双斜积分型 转换时间长 抗扰性好 积分 MC14433 11位 ICL7135 14位 A D转换器的主要技术指标 转换时间 积分型毫秒级 逐次比较微秒级 分辨率 数字量位数n LSB 最低有效位 满量程的1 2n 线性误差 量程范围内 偏离理想转换特性的最大误差 通常为1 2LSB或1LSB 量程 能转换的电压范围 对基准电源的要求 电源精度 一A D转换器 8位A D转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A D转换器 转换时间100us 误差 1 2LSB 转换时序 一A D转换器 12位A D转换器AD574A 单通道12位逐次逼近A D转换器 转换时间25us 误差 1 2LSB 单极性或双极性输入 量程10V或20V 二A D转换接口技术 a ADC0809与8255A接口 b AD574与8255A接口 2 3模拟量输入通道 模拟量输入通道 把模拟信号转换为二进制数字信号 送入计算机中 模拟信号传输 0 10mA或4 20mA电流传输 一模拟量输入通道结构 二I V变换 电流输出仪表DDZ 0 10mA仪表DDZ DDZ S 4 20mA无源I V变换 利用无源器件完成 0 10mA R1100 R2500 0 5V输出4 20mA R1100 R2250 1 5V输出 有源I V变换 利用有源器件完成 0 10mA R1200 R3100k R4150k 0 5V输出4 20mA R1200 R3100k R425k 1 5V输出同相放大器倍数A 1 R4 R3 三多路转换器 多路开关 理想工作状态 开路电阻无穷大 导通电阻为0 要求切换速度快 举例 CD4051 8通道开关INH禁止输入 四采样 量化及常用的采样保持器 信号的采样 采样过程 以周期时间间隔T 把时间与幅值连续的模拟信号转变为一连串脉冲输出信号 为采样宽度 即K闭合的时间 香农采样定量 若信号的最高频率为fmax 只要采样频率f 2fmax 采样信号就能唯一复现原信号 量化 量化 用一组数码逼近离散模拟信号的幅值 量化过程 模拟信号 数字信号 量化单位 A D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量 q ymax ymin 2n 1 量化误差 1 2q编码 采样保持器 孔径时间tA D 完成一次A D转换需要的时间 孔径误差 采样时刻的最大转换误差 孔径误差的消除 采用采样保持器 孔径时间内 信号的变化导致转换误差 A D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围 采样保持器 把t KT时刻的采样值保持到A D转换结束 采样 K闭合 CH快速充电 VOUT跟随VIN保持 K断开 VOUT保持VC 缓慢变化的信号无需采样保持器 LF398 采样保持控制引脚8 高电平 采样低电平 保持CH外接高品质电容 其减小可以提高采样频率 获取时间 CH为0 01uF时 时间为25us 五模拟量输入通道设计 器件 AD574A LF398 CD4051 8255A指标 8通道模拟量输入 12位A D转换 25us 量程0 10V 查询应答方式电路逻辑 通道选择 PC0 PC2 通道禁止 PC3 LF398采样和保持 ADC574的STS 反相器 AD574A的R C CS CE PC4 PC6 转换状态检测STS PA7 数据输入 高4位 PA0 PA3 低8位 B口 注意问题 采样保持器与孔径误差A D转换器及性能指标信号滤波 2 4D A转换器及接口技术 D A转换器的技术指标 分辨率 D A转换器输入二进制数的位数 建立时间 输入数字信号的变化是满量程时 输出信号达到离终值 1 2LSB的所需时间 线性误差 偏离理想转换特性的最大误差 常见D A转换器类型 电流输出型 通常要转为电压 速度因外接放大器有滞后 电压输出形 速度快 仅用于高阻抗负载 一D A转换器 8位D A转换器ADC0832 8位电流输出型D A转换器 二D A转换接口技术 2 5模拟量输出通道 一模拟量输出通道的结构形式1一个通路设置一个D A转换器的形式2 多个通路共用一个D A转换器的形式 PC总线 PC总线 通道1通道n 通道1通道n 二 V I变换和自动 手动切换 1集成V I变换器ZF2B20输入 0 10V 输出 4 20mA和0 10mA2集成V I变换器AD694输出范围 4 20mA 0 20mA 输入范围 或 电源范围 4 5 36V 初始校准 4 20mA ZF2B20 0 10V 0 10mA ZF2B20 0 10V V V 500 500 0 01 0 01 32 5K 1K 3自动 手动切换 I R9 W 当R9 W 500 或250 可实现0 10mA或4 20mA 三模拟量输出通道设计 见P48图2 40 2 6硬件抗干扰技术 一干扰的产生 干扰源 二干扰传播途径三干扰抑制原则1消灭干扰源2切断干扰传播途径3远离干扰源 四 干扰的分类 1按噪声产生的原因 1 放电噪声 雷电 静电 电动机电刷跳动 大功率触点短开等 2 高频震荡噪声 中频电炉 感应电炉 开关电源等 3 浪涌噪声 电动机启动电流 电炉合闸电流 可控硅触发电流2 按噪声传导模式分类 1 串模 常态 干扰 输入信号中的干扰 2 共模 共态 干扰 地线间存在的干扰3 按噪声波形及性质 1 持续正弦波 2 偶发脉冲电压 雷击波 静电放电 接点分断电压负载等 3 脉冲列 接点分断电感负载 接点反复接通电压等 五 抗干扰措施 1 过程通道抗干扰技术 1 串模 常态 干扰的抑制方法1 串模干扰频率比被测信号频率高时 采用低通滤波器2 尖峰型串模干扰时 采用双积分型A D转换器3 串模干扰来至于电磁感应时 对被测信号尽可能早地进行前置放大或进行A D转换4 从选择逻辑器件入手 低速器件抑制高频干扰等5 采用双绞线作信号引线 抑制电磁干扰等 2 共模 共态 干扰的抑制方法1 隔离变压器2 光电隔离3 浮地屏蔽4 仪表放大器 差动输入可以抑制共模干扰2 CPU抗干扰技术3 长线传输抗干扰技术4 电源系统抗干扰技术 2 7实例器件 PCL 73432路隔离数字量输出卡PCL 782B24路光耦卡 数字量通道 PCL 73512路继电器输出卡 本章作业 1说明图2 39 图2 40电路工作原理 2干扰的抑制原则是什么 3P63页2 9 2 14 作业 1教材 P62 2 1 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2说明图2 25 图2 39电路工作原理 3常见A D转换器分为哪两种类型 应用于什么场合 4画出模拟量输入通道的结构框图 第三章常规及复杂控制技术 数字控制器的设计方法 连续化设计 采样周期短 控制算法简单的系统 忽略零阶保持器和采样器 求出系统的连续控制器 以近似方式离散化为数字控制器 离散化设计 采样周期长的或控制复杂的系统 直接使用采样控制理论设计数字控制器 一 数字控制器的连续化设计 理论依据 略 数字控制器的连续化设计 1 忽略控制回路中的零阶保持器和采样器 在S域中设计连续控制器 条件是采样周期足够短 2 通过近似方法 把连续控制器离散化为数字控制器 例如 双线性变换S 2 T Z 1 Z 1 用计算机实现 一 数字控制器的连续化设计 一 数字控制器的连续化设计步骤 设计假想的连续控制器D s 选择采样周期T 将D s 离散化为D z 设计由计算机实现的控制算法 校验 计算机仿真 一 数字控制器的连续化设计 二 数字PID控制器的设计PID 比例P 积分I 微分D数字PID控制器 用计算机实现PID控制 即把模拟PID控制规律数字化 1模拟PID调节器 其中 Kp为比例系数 Ti为积分时间常数 Td为微分时间常数 比例作用 迅速反应误差 但不能消除稳态误差 过大容易引起不稳定 积分作用 消除静差 但容易引起超调 甚至出现振荡 微分作用 减小超调 克服振荡 提高稳定性 改善系统的动态特性 一 数字控制器的连续化设计 一 数字控制器的连续化设计 2 数字PID 用数值逼近的方法实现PID控制规律 数值逼近的方法 用求和代替积分 用后向差分代替微分 1 数字PID位置型控制算法 2 数字PID增量型控制算法 为编程方便 可以整理得到 一 数字控制器的连续化设计 一 数字控制器的连续化设计 增量型算法与位置型算法比较 1 增量型算法不需做累加 计算误差后产生的计算精度问题 对控制量的计算影响较小 位置型算法用到过去的误差的累加 容易产生较大的累加误差 2 增量型算法得出的是控制的增量 误动作影响小 必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出 不会影响系统的工作 位置型算法的输出是控制量的全部输出 误动作影响大 一 数字控制器的连续化设计 三 数字PID控制器的改进积分项的改进 1 积分分离 改进原因 当有较大的扰动或大幅度改变给定值时 存在较大的偏差 以及系统有惯性和滞后 在积分项的作用下 会产生较大的超调和长时间的波动 改进思路 当被控量和给定值偏差大时 取消积分控制 以免超调量过大 当被控量和给定值接近时 积分控制投入 消除静差 改进方法 当 e k 时 采用PD控制 当 e k 时 采用PID控制 积分分离阈值 的确定 过大 达不到积分分离的目的 过小 则一旦控制量y t 无法跳出各积分分离区 只进行PD控制 将会出现残差 一 数字控制器的连续化设计 2 抗积分饱和 积分饱和 如果执行机构已到极限位置 仍然不能消除偏差 由于积分的作用 尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小 但执行结构已无相应的动作 控制信号则进入深度饱和区 影响 如果系统程序反向偏差 则u k 首先需要从饱和区退出 进入的饱和区越深 退出时间越长 导致超调量增加 改进方法 对控制量u k 限幅 以8位D A为例 u k FFH时 取u k FFH 一 数字控制器的连续化设计 3 梯形积分 改进原因 减小残差 提高积分项的运算精度 改进方法 矩形积分改为梯形积分 一 数字控制器的连续化设计 4 消除积分不灵敏区 改进原因 由于计算机字长的限制 当运算结果小于字长所能表示的数的精度 计算机就作为 零 处理 此时积分作用消失 这就称为积分不灵敏区 改进措施 增加A D转换位数 加长运算字长 提高运算精度 当积分项连续n次小于输出精度 的情况下 不要把它们作为 零 处理 而是把它们累加起来 直到累加值大于 时才输出 同时把累加单元清零 一 数字控制器的连续化设计 微分项的改进 1 不完全微分PID控制 改进原因 微分具有放大干扰信号的特点 在PID控制中 对具有高频扰动的生产过程 微分作用响应过于灵敏 容易引起控制过程振荡 改进方法 串联一阶惯性环节 作为低通滤波器抑制高频噪声 组成不完全微分PID控制器 两种方式 直接串在微分项 串在PID调节器之后 如下图 一阶惯性环节的传递函数 其拉氏反变换有 一 数字控制器的连续化设计 因为PID调节器 离散化后有 式中 一 数字控制器的连续化设计 由上式可以求得不完全微分PID控制的增量型控制算法 不完全微分PID控制的效果 抑制高频噪声 克服纯微分的不均匀性 下图 在t 0时刻出现阶跃信号 一 数字控制器的连续化设计 一 数字控制器的连续化设计 2 微分先行PID控制算式 改进原因 为避免给定值的升降给系统带来冲击 如超调过大 调节阀动作剧烈 微分先行 把微分运算放在前面 后面跟比例和积分运算 改进方法 把微分提前 只对被控量y t 微分 不对偏差e t 微分 一 数字控制器的连续化设计 3 时间最优PID控制 最优控制的含义 某个指标最优 Bang Bang控制 开关控制 对 u t 1 采用一定的方法在 1 1间切换 使时间最短 时间最优PID控制 Bang Bang控制和PID控制相结合 一 数字控制器的连续化设计 4 带死区的PID控制算法 改进原因 避免控制动作过于频繁死区阈值 PID参数整定 略 二数字控制器的离散化设计技术 数字控制器的离散化设计 技术采样周期长的或控制复杂的系统 直接使用采样控制理论设计数字控制器 其控制规律和算法更具有一般意义 一 数字控制器的离散化设计步骤Gc s 被控对象的传递函数 D z 数字控制器的脉冲传递函数 H s 零阶保持器的传递函数 二数字控制器的离散化设计技术 定义广义对象 零阶保持器与被控过程 的脉冲传递函数为 则上图的闭环脉冲传递函数为 于是有 得 由此推得数字控制器的离散化设计步骤 二数字控制器的离散化设计技术 数字控制器的离散化设计步骤 1 根据控制系统的性能要求和其它约束条件 确定所需要的闭环脉冲传递函数 z 2 求广义对象的脉冲传递函数G z 3 确定数字控制器的脉冲传递函数D z 4 根据D z 求取控制算法的递推计算公式 二数字控制器的离散化设计技术 注意 z 可根据所需要的输入及响应性能确定 D z 的一般形式 数字控制的输出U z 进行z反变换后 可得到计算机控制算法 二数字控制器的离散化设计技术 二 最少拍控制器的设计最少拍控制 就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态 且其闭环脉冲传递函数是中N是可能情况下的最小正整数 闭环脉冲 z 在N个周期后变为0 二数字控制器的离散化设计技术 1 确定闭环脉冲传递函数 z 1 定义误差脉冲传递函数根据上图有 则有 典型输入 z变换为 二数字控制器的离散化设计技术 B z 为不含1 z 1因子的z 1多项式 q 1 输入为单位阶跃输入函数 q 2 输入为单位速度输入函数 q 3 输入为单位加速度输入函数 2 根据Z变换的终值定理 求系统的稳态误差 并使其为零 无静差 即准确性约束条件 则有 要使e 0 则必须 则有 二数字控制器的离散化设计技术 3 根据最少拍控制 确定最少拍控值的闭环脉冲传递函数 z 快速性约束条件 根据上式可知 z 中z 1的最高次幂为N p q 故系统在N拍可以达到稳态 当p 0时 系统可以在最少q拍达到稳态 上述两点可得 最少拍控制器选 z 为 4 最少拍控制器D z 为 2典型输入下最少拍控制系统分析 1 单位阶跃输入 q 1 输入函数r t 1 t 其Z变换为 由上可知 因而有 所以有 说明只需一拍输出跟随输入 2 单位速度输入 q 2 输入函数r t t的Z变换为 有 则 所以 说明二拍输出跟随输入 3 单位加速度输入 q 3 单位加速度输入r t t2 2的Z变换为 有 同理 可见 只需三拍 3最少拍控制器的局限性 1 对典型输入的适应性差 对于上述三种情况进行Z反变换得输出序列为 yyy1 2 最少拍控制器可实现问题设给定连续控制对象有d个采样周期的纯滞后 相当于前面的广义对象脉冲传函为 则所设计的闭环脉冲传函 Z 中必须含有纯滞后 且滞后时间至少要等于被控对象的滞后时间 否则系统的相应超前被控对象的输入 不可实现 01T2T3T4T5Tt 01T2T3T4T5Tt 01T2T3T4T5Tt 3 稳定性问题 前面讨论没有对G Z 没有提出约束 实践上G Z 必须是稳定的 且不含有纯滞后环节时 下式才成立 如果G Z 不稳定则需对设计原则作相应的限制 D Z 和G Z 总是成对出现 但不用需零 极点相互对消 第四章应用程序设计与实现 GENIE组态软件 研华专用 MCGS 通用 应用举例 预熔颗粒保护渣自动称量系统 一 工艺流程 二 工控机系统硬件集成 三 程序流程图 第五章集散控制系统 第一部分 系统总体概述一系统出现的背景二系统的结构三开放系统四集散控制系统的特点五集散控制系统的构成要素六集散控制系统的优越性七集散系统的发展与展望第二部分 TDC 3000集散系统 第一部分 系统总体概述 一系统出现的背景集散控制系统 TotalDistributedMicroprocessorControlSystem 是七时年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机控制系统 它是控制技术 Control 计算机技术 computer 通讯技术 Communication 和阴极射线管 CRT 图形显示技术想结合的产物 即是4C技术的结晶 当今的集散系统不仅能实现过程控制和管理 还具有综合信息管理的能力 随着科学技术的飞速发展 现代工业生产规模不断扩大 生产工艺日趋复杂 对生产过程的自动化提出了更高的要求 1 人机联系好 便于集中操作 监视和管理大型现代化工业生产装置 2 在高度可靠的前提下 按预定的工艺指标控制复杂的生产过程 除了完成一般的单参数 单回路外 还应易于实现非线性 多变量相关控制等复杂的控制功能 3 能与计算机和常规仪表相间容 4 系统构成应方便灵活 不仅易于扩展 而且模件化设备的数量最少 维修简单 5 应具有良好的性能价格比 二系统的结构 分散控制系统通常由过程控制单元 过程接口单元 CRT显示操作站 管理计算机以及高速数据通路等五个主要部分组成 基本结构如图 CRT操作站 操作者接口 管理计算机 高速数据通路 基本控制单元1 基本控制单元n 过程输入 输出接口 过程 集散控制系统的基本结构分为 1 分散控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面 生产过程的各种过程变量通过分散控制装置转化为操作监视的数据 而操作的各种信息也通过分散控制装置送到执行机构 分散控制装置内 进行A D的相互转换 完成控制算法的各种运算 对输入与输出量进行有关的软件滤波及其它的一些运算 2 操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面 操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况 并通过它发出操作指令给生产过程 生产过程的各种参数在操作管理装置上显示 以便操作人员监视和操作 3 通信系统是分散过程控制装置与操作管理装置之间数据传递和交换的桥梁 三开放系统 一 可移植性 Portability 其它厂家的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上运行 有时可能有小的改动 但从系统的应用来看 各个制造厂集散控制系统的软件有了可相互移植的可能 但软件的可移植性也带来了安全性的问题 为此必须有相应的安全措施 二 互操作性 Interoperability 网络上的各个节点 如 操作监视站 集散过程控制站等 由于网络的连接 使得在网络上其它节点的数据 资源和处理能力等被它所应用 指不同的计算机系统与通讯网相互连接起来 通过互连 能正确有效的进行数据的互通 并在此基础上协同工作 共享资源 完成应用的功能 三 可适宜性 Scalability 系统对计算机的运行要求变得更为宽松 在某些较低级别的系统中能运行的应用软件也能在高级别的系统中运行 反之 系统软件版本高的能适用于版本底的系统 四 可得到性 Availability 系统的用户可对产品进行选择 而不必考虑所购买的产品能不能用在已购的系统上 各制造厂的产品具有统一的通讯标准 四集散控制系统的特点 一 分级递阶控制集散控制系统是分级递阶控制系统 它在垂直方向或水平方向都是分级的 最简单的集散控制系统至少垂直方向分为二级 即操作管理级和过程控制级 在水平方向上各个过程控制级之间相互协调的分级 它们把数据向上送达操作管理级 同时接受操作管理级的指令 各个水平级间也进行数据的交换 集散控制系统的规模越大 系统的垂直和水平分级的范围也越广 二 分散控制分散控制是集散控制系统的另一特点 分散是针对集中而言的 国外对集散控制系统常称为分散控制系统 即DCS 其原因是把分散控制放在十分重要的位置 三 自治和协调性集散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统 它们各自完成各自的功能 相互间又有联系 数据信息相互交换 各种条件相互制约 在系统的协调下工作 分散的基础是被分散的系统应是自治的系统 递阶分级的基础是被分级的系统是相互协调的系统 五集散控制系统的构成要素 集散控制系统的结构特征 1 递阶控制结构对个子系统的控制按一定的优先和从属关系来实现 它们形成金字塔式的结构 同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用 同时又受上级的干预 子系统可以通过上级互相交换信息 因此 称集散控制系统具有递阶控制 Hierarchicalcontrol 结构 递阶控制的结构形式有三种 它们是多层结构 多级结构和多重结构 1 多层结构 MultiplayerStructure 按系统中决策的复杂性分级 例如 对于一个存在不确定因素的复杂控制系统 控制功能的递阶分层可由四层实现 它们是 直接控制层 采用一般的简单控制 优化控制或监视层 在一定的对象数学模型和参数已知的条件下 按优化指标确定直接控制层的控制器设定值 学习层或自适应层 通过对实际系统的观测来辩识优化层中所使用数学模型的结构和参数 使模型和实际过程尽量保持一致 自组织层 按系统总控制目标选择下层所用模型结构 控制策略等 当目标变化时 能自动改变优化层所用优化性能指标 当辩识参数不满意时 能自动修改自适应层的学习策略等 按功能划分的多层结构多级多目标的结构 2 多级结构 Multilevelstructure 为了减少同一级的各个子系统之间信息的交换和决策的冲突 在分散的各决策子系统上添加一级调节级 用于下级决策的协调和信息的交换 如上图所示 多重结构 Stratifiedstructure 这是指用一组模型从不同角度对系统进行描述的多级结构 集散控制系统需要处理复杂的工业生产过程 分散控制既有横向的多级结构又有纵向的多层结构 它的功能也决定了必须是递阶控制结构 由于集散控制系统应用于互相关联的工业系统 它的决策不仅需要各个子系统的决策 还需要上级的协调来实现全局的优化 这也说明集散控制系统必须采用递阶控制结构 递阶控制结构采用递阶控制结构 具有经典控制结构所不具备的优点 主要包括 系统的结构灵活 容易改变 系统容量可以扩大或缩小 控制功能强 除了直接控制外 还有优化控制 自学习 自适应和自组织等功能 降低了信息存储量 计算量 减少了计算时间 可设置备用子系统 降低了成本 提高可靠性 各级的智能化进一步提高系统的性能 2 分散控制结构 分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出的 与递阶控制结构的根本区别是分散控制系统结构是一个自治 Autonomous 的闭环结构 它的结构可以是垂直型 水平型以及两者混合的复合型 集散控制系统的分散控制结构体现在如下几个方面 1 组织人事的分散集散控制系统的运行需要操作人员 管理人员 功能的分散与工厂的人员管理体制应相适应 为此 集散控制系统在组织人事的管理上采用了垂直分散的结构 其上层以数据管理 调度为主 属于全厂优化和调度管理级和车间操作管理级 下层则进行实时处理和控制 属于过程装置控制级和现场控制级 2 地域分散地域分散通常是水平型分散 当被控对象分散在较大的区域 例如油灌区的控制 则集散控制系统就需要对控制系统在地域上进行分散设置 象各车间 工段因地理位置的因素 也有分散控制的需要 3 功能的分散 集散控制系统的分级是以功能的分散为依据的 按纵向分散 则可以分为直接控制 优化控制 自学习和自适应和自组织控制 按类型的分散 则可以分为常规控制 顺序控制和批量控制 考虑到分散功能之间尽量减少关联 因此 通常采用的功能分散是 具有人机接口功能的集中操作站与具有过程接口功能的过程控制装置的分散 过程控制装置中控制功能的分散 按装置或设备进行的功能分配以及全局控制和个别控制之间的分散等 4 负荷的分散集散控制系统中负荷的分散不是由于负荷能力不够而进行负荷分散 主要目的是危险分散 分散控制结构是以良好的通信系统为基础的 过分的分散 使系统的通信量增大 响应速度下降 同样 过分的集中 因受微处理器处理速度限制而使信息得不到及时处理 造成响应速度变慢 因此 考虑到经济性 响应性 系统构成的灵活性等因素 集散控制系统纵向常分为3 4层 3 冗余化结构 Redundantstructure 为了提高系统的可靠性 集散控制系统在重要设备 对全系统有影响的公共设备上常采用冗余结构 常采用的冗余方式有 1 同步运行方式 2 待机运行方式待机运行方式的冗余结构采用N台同类设备 备用一台后备设备 平时后备设备处于准备状态 为N 1备用系统 当一台设备工作 一台设备后备时 称该系统为双工系统 或1 1备用系统 集散控制系统中 根据装置的重要性 采用了两种待机方式 通信系统为了保证高的可靠性 通常采用1 1备用方式 当发送站发出信息后的规定时间内未收到接受站的响应时 除了采用重发等差错控制外 也采用立即切入备用通信系统的方法 多路控制器常采用N 1备用方式 N的数量与制造厂产品特性有关 3 后退运转方式 正常时 N台设备各自分担各自功能以进行运转 当其中一台设备损坏时 其余设备放弃部分不重要功能 以此来完成损坏设备的功能 这种方式称为后退备用方式 这种方式的应用例子是CRT和操作站 通常 采用2台或3台操作站 通过分工 可以让第一台用于监视 第二台用于操作 第三台用于报警 当任一台故障时 监视和操作功能在正常操作台上完成 而当系统开 停车或紧急事故状态 这三台操作站都可用于监视或操作 4 多级操作方式多级操作方式是一种纵向冗余的方法 正常操作是从最高一层进行的 如该层故障则由下一层完成 这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制 六集散控制系统的优越性 集散系统的优越性体现在 1 控制功能完善 可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制 可以执行从常规PID运算到Smith预估补偿 矩阵运算等各种运算 可以进行连续的反馈控制 也可以进行间断的批量控制 逻辑控制 可以实现监控 显示 打印 报警和存储等日常全部操作要求 2 完善的人 机联系和集中监控功能 操作人员通过CRT和操作键盘 可以监视整个的生产情况 按预定的控制策略组态不同的控制回路 实现真正的集中操作和监控管理 3 系统扩展灵活 采用模块式结构 扩大 缩小方便 有利于分批投资 分批受益 4 可靠性高危险分散 系统关键设备双重或多重冗余 还设有无中断自动控制系统 即自动备用系统 和完善的自诊断功能 平均无故障工作时间MTBF达105天 系统的利用率A达99 9999 5 安装调试简单 安装工作量仅为常规仪表的1 2 2 3 系统采用专用软件进行调试 调试时间仅为常规仪表的1 2 6 具有良好的性能价格比 国外80个控制回路的生产过程采用集散系统的投资已与常规模拟仪表相当 且规模越大 平均每个回路的投资费用越省 七集散系统的发展与展望 一 集散系统的发展集散控制系统是70年代发展起来的新型控制系统 由于它具有众多的优越性 目前已广泛应用于冶金 纺织 石油化工 电力 食品等工业部门 具有广泛的发展前景 发展历程大致分为三个时期 1975 1980年为初创期 1980 1985年为成熟期 1985以后为扩展期 二 集散系统的展望发展方向 过程控制自动化 制造业自动化 办公室自动化和经营管理自动化相结合的计算机集成制造系统 即CIM系统 ComputerIntegratedManufacturing 从集散系统规模看 大量小型计算机和廉价的可编程控制器开始起着大型DCS的作用 因此 可靠 廉价的MicroDCS将具有强大的吸引力 但并不排斥某些工厂中大型DCS仍起着主导作用 从销售的角度看 DCS系统成套服务 SystemIntegration SI 正异军突起 由DCS硬件销售为主的状况转入从工程项目出发的成套服务 包括软件服务 传感器 变送器安装维护的全套服务 三 我国集散系统的发展概况 见下表 本章作业 一 集散控制系统的基本结构分为哪三大部分 并叙述各部分的功能 二 开放系统的基本特征是什么 三 说明集散控制系统的特点 四 递阶控制结构有哪些形式 五 画出多层递阶控制结构的组成框图 六 分散控制结构体现在哪些方面 七 冗余化结构都有哪些运行方式 八 集散控制系统的优越性体现在哪些方面 第二部分 TDC 3000集散系统 一系统概述由下图可见TDC 3000就其总体构成而言 分为 TDC 3000SSC TDC 3000BASIC TDC 3000LCN和TDC 3000UCN四个部分 TDC 3000总体构成图 一 TDC 3000SSC TDC 3000SSC包括单回路智能调节器SSC SingleStrategController 和相应的通讯接口装置SG CommunicationInterfaceForSSC SSC以微处理器为核心 具备常规模拟调节器的面板操作方式 人机对话 通过组态和编程来实现各种复杂的运算和控制功能 二 TDC 3000BASICTDC 3000BASIC是在TDC 2000的基础上发展而来 它主要包括基本控制器 BC 多功能控制器 MC 先进多功能控制器 AMC 过程接口装置 PIU 基本操作站 BOS 增强型操作站 EOS 数据通道接口 DHP 可编程控制器 PLC 45000计算机和数据高速通路 HW 等 1 基本控制器BC Basiccontroller 2 多功能控制站MC MultifunctionController 3 先进多功能控制器AMC AdvancedMultifunctionController 4 过程接口装置PIU ProcessInterfaceUnit 1 高电平过程接口单元 HL PIU 2 低电平过程接口单元 LL PIU 3 低能量过程接口单元 LE PIU 5 增强型操作站EOS EnhancedOperatorStation 6 高速数据通路HW HighWay 和高速通路通讯指挥器HTD HighWayTratticDirector 7 可编程控制器高速通路接口DHP DataHiwayPort 8 45000计算机 第六章现场总线控制系统简介 一引言现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年 然而其来势凶涌 且有愈演愈烈之趋势 那么 究竟什么是现场总线 什么是现场总线控制系统 现场总线控制系统较之目前在工控界仍占主导地位的集散控制系统 DCS 有何特点和优点 在现场总线标准尚未统一之前 能采用吗 若欲采用 40多种现场总线 应选用哪一种 二现场总线的产生 每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案 最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位 一 模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位 其显著缺点是 模拟信号精度低 易受干扰 二 集中式数字控制系统集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位 采用单片机 PLC或微机作为控制器 控制器内部传输的是数字信号 因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷 提高了系统的抗干扰能力 不足的是 对控制器本身要求很高 必须具有足够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 三 集散控制系统 DCS 集散控制系统 DCS 于八 九十年代占主导地位 其核心思想是集中管理 分散控制 即管理与控制相分离 这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷 遗憾的是 不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式 不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享 因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的 不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵 在这种情况下 用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求 四 现场总线控制系统 FCS FCS正是顺应以上潮流而诞生 它用现场总线这一开放的 具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连 构成现场总线控制系统 同时控制功能彻底下放到现场 降低了安装成本和维护费用 因此 FCS实质是一种开放的 具可互操作性的 彻底分散的分布式控制系统 有望成为21世纪控制系统的主流产品 三 现场总线及现场总线控制系统 一 现场总线的概念现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络 遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议 FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统 二 现场总线与局域网的区别1按功能比较 现场总线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 简而言之 现场总线是一种实时控制网络 局域网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 从这个意义而言 局域网是一种高速信息网络 2按实现方式比较现场总线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 局域网需要专用电缆 如同轴电缆 光纤等 实现成本高 三 现场总线控制系统体系结构 如图 所示 最底层的Infranet控制网即FCS 各控制器节点下放分散到现场 构成一种彻底的分布式控制体系结构 网络拓扑结构任意 可为总线形 星形 环形等 通讯介质不受限制 可用双绞线 电力线 无线 红外线等各种形式 FCS形成的Infranet控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连 构成一个完整的企业网络三级体系结构 四 现场总线控制系统的特点 1开放性和可互操作性开放性意味FCS将打破DCS大型厂家的垄断 给中小企业发展带来了平等竞争的机遇 可互操作性实现控制产品的 即插即用 功能 从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地 2彻底的分散性彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性 系统很容易进行重组和扩建 且易于维护 3低成本衡量一套控制系统的总体成本 不仅考虑其造价 而且应该考察系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入 相对DCS而言 FCS开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期 降低开发成本 且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对N的数字信号传输方式 节省了模拟信号传输过程中大量的A D D A转换装置 布线安装成本和维护费用 因此从总体上来看 FCS的成本大大低于DCS的成本 可以说 开放性 分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征 它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革 这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变革 必将开创自动控制的新纪元 四现场总线的发展现状 现场总线发展迅速 现处于群雄并起 百家争鸣的阶段 目前已开发出有40多种现场总线 如Interbus Bitbus DeviceNet MODbus Arcnet P Net FIP ISP等 其中最具影响力的有5种 分别是FF Profitbus HART CAN和LonWorks 性能对照见表1 1 FF FoundationFieldbus现场基金会总线 由美国仪器协 ISA 1994推出 代表公司有Honeywell和Fisher Rosemount 主要应用于石油化工 连续工业过程控制中的仪表 2 Profibus ProcessFieldbus 德国西门子公司1987年推出 主要应用于PLC 产品有三类 FMS用于主站之间的通讯 DP用于制造行业从站之间的通讯 PA用于过程行业从站之间的通讯 3 HART HighwayAddressableRemoteTranducer可寻址远程传感器数据通路 美国Rosemount公司1989年推出 主要应用于智能变送器 4 CAN ControllerAreaNetwork控制局域网络 德国Bosch6公司1993年推出 应用于汽车监控 开关量控制 制造业等 Motorala Intel Philips均生产独立的CAN芯片和带有C