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10计算机过程控制系统 随着计算机技术的迅速发展 将计算机用于过程控制系统 称为计算机过程控制系统 计算机过程控制系统综合了计算机生产过程和自动控制理论等方面的知识 数据通信技术是工业网络的关键技术 简介 在一个大规模的计算机过程控制系统中 常常会有很多的测量和控制对象 即使速度很高的计算机也难以满足要求 因此必须将任务分给多个计算机 或可编程序控制器 PLC 来协调运行 这就形成了分散控制系统 DCS 与现场总线控制系统 FCS 不同地点和不同功能的计算机 PLC 之间需要交换信息 把它们按照一定的协议连接起来就构成了计算机网络以及现场总线 本章内容 10 1计算机过程控制系统组成与分类10 2数据通信技术10 3工业网络技术10 4可编程序控制器 PLC 系统10 5集散控制系统 DCS 10 6现场总线控制系统 FCS 10 1计算机过程控制系统组成与分类 10 1 1计算机过程控制系统简介10 1 2计算机过程控制系统的组成10 1 3计算机过程控制系统的类型 主要特点 控制器的核心器件 控制规律的实现方法 控制功能的灵活性与先进性 10 1 1计算机过程控制系统简介 10 1 2计算机过程控制系统的组成 计算机控制系统的最基本特征是一个实时系统 它由硬件和软件两大部分组成 1 硬件组成 主机 测量元件和执行机构 输入输出通道又称过程通道 接口电路 控制台 图10 2计算机控制系统一般硬件组成 2 软件组成 系统软件 应用软件 系统软件 系统软件是主机基本配置的软件 一般包括操作系统 监视程序 诊断程序 程序设计系统 数据库系统 通信网络软件等 应用软件 应用软件是针对某一生产过程 依照控制系统设计人员的设计思想 为达到控制目的而设计的程序 应用软件一般包括基本运算 逻辑运算 数据采集 数据处理 控制运算 控制输出 打印输出 数据存储 操作处理 显示管理等程序 10 1 3计算机过程控制系统的类型 1 巡回检测和数据处理系统 2 直接数字控制系统 DDC 3 监督控制系统 SCC 4 集散控制系统 DCS 5 现场总线 Fieldbus 控制系统 6 现场总线集散控制型控制系统 1 巡回检测和数据处理系统 2 直接数字控制系统 DDC 在线实时控制 分时方式控制 灵活和多功能控制 图10 4直接数字控制系统结构图 3 监督控制系统 SCC 4 集散控制系统 DCS 集散控制系统 DistributedControlSystems 简称DCS 也称分布式控制系统 是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路 同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统 集散控制系统通常具有二层结构模式 三层结构模式和四层结构模式 图10 7二层结构模式的集散控制系统 5 现场总线 Fieldbus 控制系统 6 现场总线集散控制型控制系统 随着计算机技术的发展 通用PC机及其系统软件 工具软件的性能迅速提高 而价格直趋下跌 这促使技术人员舍弃DCS的专用计算机体系结构及其独家自成体系的系统软件 而采用通过PC机及商品化系统软件 并将先进的现场总线技术融于系统之中 淘汰DCS的输入输出结构 从而推出一种面貌全新的现场总线集散控制型控制系统 生产过程控制系统的发展 模拟控制系统直接数字控制系统计算机监督控制系统多级控制系统集散控制系统 10 2数据通信技术 10 2 1异步传送与同步传送10 2 2面向字符和面向位的传送10 2 3平衡与不平衡传输技术10 2 4RS 422 RS 485接口及应用 通讯方式 并行通信 数据的各位同时传送 可以用字并行传送 也可以用字节并行传送串行通信 数据一位一位顺序传送 波特率 每秒钟传递二进制数据的位数 图10 9数据编码 不归零码NRZ归零码RZ曼彻斯特 Manchester 编码差动曼彻斯特编码 10 2 1异步传送与同步传送 在异步通信中 发送的每一个数据字符均带有起始位 停止位和可选择的奇偶位 同步传送 同步通信需要与数据一起传送时钟信息 图10 12同步通信格式 10 2 2面向字符和面向位的传送 面向字符的传送 异步传送是面向字符的 在异步传送中通常采用ASCII编码 10 2 3平衡与不平衡传输技术 不平衡方式是用单线传输信号 以地线作为信号的回路 接收器是用单线输入信号的 平衡方式是用双绞线传输信号 信号在双绞线中自成回路不通过地线 接收器是用双端差动方式输入信号的 10 2 4RS 422 RS 485接口及应用 RS 232C的电气接口是单端的 双极性电源供电电路 然而 RS 232C有一系列的不足 主要有 数据传输速率局限于20kbps 传输距离局限于15m 该标准没有规定连接器 因而产生了25插针等设计方案RS 422A和RS 423A是RS 449标准的一个子集RS 485是RS 422A的变形 10 3工业网络技术 10 3 1工业网络概述10 3 2网络协议及其层次结构10 3 3IEEE802标准10 3 4工业网络的性能评价和选型 10 3 1工业网络概述 10 3 1 1网络拓扑结构10 3 1 2介质访问控制技术10 3 1 3信息交换技术10 3 1 4差错控制技术 10 3 1 1网络拓扑结构 星形环形总线形树形 10 3 1 2介质访问控制技术 在微机局域网中 由于各节点通过公共传输通路 也称之为信道 传输信息 因此 任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个节点服务 即被某节点占用来传输信息 这就产生了如何合理使用信道 合理分配信道的问题 也就是各节点既充分利用信道的空间时间传送信息 也不至于发生各信息间的互相冲突 传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配 常用的传输访问控制方式 1 冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 2 令牌环 TokenRing 3 令牌总线 TokenPassingBus 10 3 1 3信息交换技术 1 线路交换 2 报文交换 3 分组交换 1 线路交换 所谓线路交换 CircuitSwitching 是指通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送 传送结束再 拆除 线路 2 报文交换 报文交换 MessageSwitching 不需要在两个站之间建立一条专用线路 如果某站想发送一个报文 它把目的站名附加在报文上 然后把报文交给节点传送 传送过程中 节点接收整个报文 并暂存这个报文 然后发送到下一个节点 直到目的站 3 分组交换 分组交换 PacketSwitching 综合了线路交换和报文交换的优点 首先将前面所说的报文分成若干个报文段 并在每个报文段上附加传送时所必需的控制信息 如图10 24所示 这些报文段经不同的路径分别传送到目的站后 再拼装成一个完整的报文 对于这些报文段 称为报文分组 它是分组交换中的基本单位 10 3 1 4差错控制技术 在通信线路上传输信息时 往往由于各种干扰 使接收端收到信息出现错误 提高传输质量的方法有两种 第一种方法是改善信道的电性能 使误码率降低 第二种方法是接收端检验出错误后 自动纠正错误 或让发送端重新发送 直至接收到正确的信息为止 通常把第一种方法称为差错控制技术 差错控制技术包括检验错误和纠正错误 1 检验方法 奇偶校验 循环冗余校验 奇偶校验 奇偶校验 ParityCheck 是一个字符校验一次 在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位 奇偶校验位 偶校验 如果一组给定数据位中1的个数是奇数 那么偶校验位就置为1 从而使得总的1的个数是偶数 1001奇校验 如果给定一组数据位中1的个数是偶数 那么奇校验位就置为1 使得总的1的个数是奇数 1001 循环冗余校验 循环冗余校验CRC CyclicRedundancyCheck 原理是 发送端发出的信息由基本的信息位和CRC校验位两部分组成 BCD Binary CodedDecimal二进制编码的十进制 海明距离 长度相同的两个编码的对应数字不同的比特数我们的简单编码存在的问题是两个有效的数字 0 和 1 之间的海明距离也是1 这样 一位错误会将一个有效的数字变成另一个有效的数字 错误检测 我们所需要的编码方案是一位错误不会产生另一个有效数字无校验位1000010 B 1000011 C 有奇校验位11000010 B 11000011 A 错误检测 我们所需要的编码方案是一位错误不会产生另一个有效数字如果两个数字之间的最小海明距离是D 那么我们最多可以检测出D 1位错误 我们可以通过向任意长度的数字中加入一个挑选的奇偶校验位来增加一位错误检测功能 以确保任意两个有效数字之间的海明距离至少是2 一位错误 错误纠正 小结 要想检测D位错误 海明距离 D 1要想纠正D位错误 海明距离 2D 1 2 纠错方式 重发纠错方式 自动纠错方式 混合纠错方式 10 3 2网络协议及其层次结构 1977年国际标准化组织 InternationalStandardOrganization 简称ISO 提出了开放系统互联参考模型OSI OpenSystemInterconnection ReferenceModel 7层网络结构模型 10 3 3IEEE802标准 电气与电子工程师协会 IEEE 是世界上最大的专业学会 成立于1980年2月的IEEE802课题组 IEEEStandardsProject802 于1981年底提出了IEEE802局域网标准 IEEE802局域网标准与OSI对应关系 10 3 4工业网络的性能评价和选型 从拓扑结构和介质访问控制方式的角度 对工业网络的性能进行评价 其评价准则可归纳为吞吐能力 稳定性 确定性 可靠性和灵活性五个方面 10 4可编程序控制器 PLC 系统 10 4 1可编程序控制器概述10 4 2梯形图10 4 3PLC的指令系统10 4 4PLC系统的设计10 4 5PLC控制系统设计实例 10 4 1可编程序控制器概述 随着科学技术的进步 自动控制设备也在不断地更新进步 已经从传统的继电器控制 数字逻辑控制发展到了今天的计算机控制 可编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 是针对传统继电器控制设备所存在的维护困难 编程复杂等缺点而产生的 由于早期的可编程序控制器只能实现简单的逻辑功能 故称为可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogicController 简称PLC 图10 30PLC的基本结构 图10 33PLC工作流程图 PLC的基本技术指标 1 CPU类型 2 存储器容量 3 I O点数 4 扫描速度 5 编程软件 6 扩展功能 10 4 2梯形图 可编程序控制器是专为工业控制应用开发的 为方便广大电气技术人员使用 PLC的编程方法通常不采用一般微机的编程语言 而是各种面向控制的编程方法 如梯形图法 功能图法 逻辑图法等 其中 梯形图 LadderDiagram 法是应用最为广泛的一种 10 4 2 1梯形图的符号 1 触点符号 2 线圈符号 3 数据处理指令符号 4 与 运算符号 5 或 运算符号 10 4 2 2梯形图绘制原则 10 4 3PLC的指令系统 1 装入指令 LD LDN 2 输出指令 3 取反指令 NOT 4 与指令 A AN 5 或指令 O ON 6 块与指令 ALD PLC的指令系统 续 7 块或指令 OLD 8 脉冲指令 EU ED 9 堆栈指令 LPS LRD LPP 10 定时器指令 TON TONR 11 计数器指令 CTU CTUD 10 4 4PLC系统的设计 1 功能设计 2 结构设计 3 梯形图设计 4 编程设计 5 调试运行 10 4 4 2基本程序环节设计 1 启动 停止程序 2 二分频程序 3 优先输入程序 10 4 5PLC控制系统设计实例 10 5集散控制系统 DCS 10 5 1DCS概述10 5 2DCS的分散过程控制级10 5 3DCS的集中操作监控级10 5 4DCS的综合信息管理级 10 5 1DCS概述 自从美国的Honeywell公司于1975年成功地推出了世界上第一套集散型控制系统以来 经历了20多年的时间 DCS已经走向成熟并获得了广泛的应用 10 5 1 1DCS的体系结构 DCS的体系结构通常为三级 第一级为分散过程控制级 第二级为集中操作监控级 第三级为综合信息管理级 各级之间由通信网络连接 级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系 图10 43DCS的体系结构 10 5 1 2DCS的特点 1 硬件积木化 2 软件模块化 2 软件模块化 4 通信网络的应用 5 可靠性高 10 5 1 3典型的DCS 10 5 2DCS的分散过程控制级 10 5 2 1现场控制站10 5 2 2智能调节器10 5 2 3可编程序控制器 PLC 10 5 3DCS的集中操作监控级 10 5 3 1显示操作站的构成10 5 3 2显示操作站的功能 10 5 3 1显示操作站的构成 监控计算机键盘操作员键盘工程师键盘CRT显示器打印机 10 5 3 2显示操作站的功能 1 操作员功能 2 工程师功能 1 操作员功能 2 工程师功能 DDC标准三画面 图形显示功能 趋势曲线画面 操作指导画面 报警画面 DDC标准三画面 总貌画面组貌画面回路画面 总貌画面 用来监视集散型控制系统的运行状态 可指示出仪表的位号 测量的光柱图形 在本画面中可指示出一些运行状态发生异常时 相应的仪表位号指示变成红色 在闪光的同时 发出报警声音 组貌画面 将DDC控制回路分成小组 通常每组8个回路 在操作时操作对应的键 就可选择出相应的组貌画面 DDC组貌画面每幅显示8个DDC回路 回路画面 也称调整画面 回路画面显示单个DDC回路的各参数 利用此画面可进行控制参数的修改 设定 完成单个回路的控制作用 在回路处于串级状态下 在回路画面上可同时显示出相关回路的状态及参数 10 5 4DCS的综合信息管理级 综合信息管理级在DCS中用来实现整个企业 或工厂 的综合信息管理 主要执行生产管理和经营管理功能 DCS的综合信息管理实际上是一个管理信息系统 ManagementInformationSystem 简称MIS MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统 MIS由计算机硬件 软件 数据库 各种规程和人共同组成 本部分内容 10 5 4 1MIS的基本概念10 5 4 2MIS的组成10 5 4 3DCS中MIS的功能 10 6现场总线控制系统 FCS 10 6 1现场总线网络系统10 6 2现场总线控制系统 FCS 10 6 1现场总线网络系统 10 6 1 2基金会现场总线网络系统的组态信息 为了使现场总线系统成为一个完整的 协调而有序工作的自动作系统与网络系统 在系统启动运行之前 要对作为系统组成部分的每个自控设备 网络节点规定其在系统中的作用与角色 设置某些特定参数 然后按一定的程序 使各部分设备进入各自的工作状态 并集成为一个有序工作的系统 组态信息层次 1 制造商定义层组态信息 2 网络定义层组态信息 3 分布式应用层组态信息 4 设备层组态信息 10 6 2现场总线控制系统 FCS 10 6 2 1现场