材料加工设备与自动化第六章 工业控制计算机1（15版）.ppt

第四章工业控制计算机及集散控制系统1,4.1工业集散控制系统概述,工业生产自动化的概念,工业生产的自动化控制系统可分为过程控制自动化、制造工业自动化和混合型工业自动化。过程控制自动化主要是指大型连续生产的流程工业，如化工、石油、电力、造纸等行业的生产过程自动化控制与测量系统。制造工业自动化是指离散型制造过程，如汽车、电子设备、机械、飞机等行业及制造、加工配装过程的自动化控制与测量系统。混合型制造业(又称间隙过程工业)自动化，如冶金、食品、玻璃、半导体、轻纺等行业生产过程的自动控制与自动测量系统。,工业生产自动化的概念,流程工业自动化测控系统的控制对象是温度、流量、压力、物位等，以模拟量为主，常采用传统的模拟型(气动或电动式)单元组合式工业仪表，也可采用智能式(数字式)回路可编程调节器(ILC)或20世纪90年代流行的集散型控制系统（DCS)，以及最新的现场总线系统。离散型的制造工业自动化的主要控制对象是速度、位置、几何量等，以开关量为主，常采用传统的继电器控制系统，或可编程逻辑控制器(PLC)。混合型工业自动化控制系统的控制对象，既有模拟量又有开关量，因此，上述两类系统所采用的控制装置常混合在一起使用。目前国内轻工、食品加工业采用DCS的还很少，主要是由于DCS的价格过于昂贵，但在国外，大型的轻工、食品加工业是DCS系统的大用户。,数字式自动化控制系统,数字式控制系统的发展大致分为三个阶段:20世纪50年代为工业过程计算机应用的初期。60年代至70年代为集中式计算机控制时期，70年代中期以后，以微型计算机为基础的工业测控系统获得迅速发展和广泛的应用;尤其是80年代中期进入了以4C技术(计算机、通信、控制、CRT)为特征的集散型控制系统的发展时期。50年代，在数字计算机出现以后，控制工程师们就进行了大量的实验和研究，希望用计算机对大型生产过程进行集中检测和控制，以克服模拟式仪表过于分散、监视和操作不便的缺点、并实现比普通的比例-积分-微分(PID)更为高级的控制。当时人们主要研究数字计算机在导弹和飞机测控方面的应用，在离线状态下，对数据进行采集和分析计算。计算机与过程装置之间没有任何物理上的联系。后来，扩充了对控制器的设定值和执行器位置值的计算，但计算后的值仍由人工输入执行装置。1956年美国的TRW航空公司和Texaco公司提出了一个论证报告，决定针对美国得克萨斯州(TEXAS)的PortArthur炼油厂的一台聚合装置进行研究，采用一台TRW-300计算机。1959年投入运行并获得成功，它主要用于数据记录并可进行部分控制。这套控制系统可测控26个流量、72个温度、3个压力和成分量，其基本功能是使反应器的压力最小并确定5个反应器供料的最佳分配，根据催化剂性能的测量结果控制热水的流入量以确定最佳循环，这是世界上最早成功应用数字计算机完成的工业测控系统。,数字式自动化控制系统,60年代初，人们开始试验直接将计算机与变送器、执行器连接起来，实现过程的测检、监视以及对过程的控制并取得了成功。如1962年英国帝国化学工业公司（ICI)安装了一套FerrantiArgus计算机控制系统，替代了全部模拟式控制仪表，它可以直接测量224个过程参数并控制129个阀门。早期的数字控制在多数情况下的应用为单回路控制，每台计算机直接参与控制和管理的过程装置量比较少，称为直接数字控制系统(DirectDigitalControlSystem)简称DDC系统。它是用一台计算机配以适当的输入输出设备，例如模数(A/D)和数模(D/A)转换，从生产现场获取信息，按照预先确定的控制算法算出控制量，并通过输出通道，直接作用于执行机构上，实现生产过程的闭环控制。DDC控制是数字式控制系统中最基本的、应用最为广泛的控制形式。直接数字控制与常规模拟式仪表控制系统有很大的相似性，但是由于计算机的快速性、数字化以及是通过执行程序来实现各种控制规律，因此，DDC控制又具有下列特点:一台计算机的DDC控制器可以取代多台模拟控制器，完成比例-积分-微分运算和逻辑判断功能，且可以完成常规仪表很难甚至无法实现的通信和优化控制。控制规律的范围变化较宽，各参数之间无互相干扰，容易实现无扰动切换。对噪声较大的信号，可通过数字滤波(即滤波计算程序)来提高信号的真实性。DDC不仅能实现常规的PID调节规律，而且能灵活有效地实现各种更先进、更复杂的控制规律，如前馈控制、大滞后系统控制和解耦控制等。,数字式自动化控制系统,在70年代中期，随着石油工业的大型化，在大型工业生产中仅采用上述的一个计算机控制单个或几个回路的DDC方式，就很难适应。因此，出现了集中式计算机控制系统，集中式DDC控制系统是采用一台计算机完成对几十甚至几百个控制回路、上千个过程变量的数据采集、处理、存储、报警和控制，并且还可以实现生产调度和工厂管理的部分功能。这种集中型DDC控制系统比起常规仪表控制系统有很大的优越性，控制功能齐全，可实现模拟仪表几乎无法实现的复杂控制，并且便于信息的分析和综合，易实现整个流程的最优控制。众多的模拟仪表指示盘可以用一台操作站的CRT显示器替代，改善了人机界面。但是人们在大量应用集中型计算机控制系统的过程中，也发现它存在一些问题单台计算机集中控制了几十个甚至几百个回路，一旦计算机发生故障，将导致生产流程的全面瘫痪，即控制集中，危险也集中了。由于生产流程的控制变量和运算量很大，一台计算机的速度和容量不足，而用多台计算机，则计算机之间的数据和控制信息的交换比较困难。由于对流程的控制要求不断提高，软件更加庞大、复杂、开发周期长、修改困难。因此，人们又逐渐地把注意力转向控制系统的分散化，并要求既具有DDC的控制优点。又要解决信息集中管理，危险也集中的矛盾，于是提出了分层控制的概念，自80年代中期逐步发展为目前的集散控制系统。,集散型计算机控制系统,集散型计算机控制系统的结构是一个分布式的系统，所以又称分布式计算机控制系统DCS（DistributedComputerSystem），基本思想是管理功能集中，控制功能分散。1.集散系统组成DCS是随着计算机技术、信号处理技术、自动测量和控制技术、通信网络技术和人机接口技术的发展和相互渗透而产生的，既不同于分散的常规仪表控制系统，又不同于集中式的计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，并在此基础上发展起来的一个系统工程，具有很强的生命力和显著的优越性。如图7-2所示。,集散型计算机控制系统,显然，集散型控制系统通常可分为四级。（1）直接控制级直接控制级的过程控制计算机直接与现场各种装置相连，例如变送器、执行器、记录和显示仪表等，对现场的装置和参数实施监测和控制，例如进行数字的开环和闭环控制，对设备和控制系统进行测量或诊断。同时，它还与第二层的过程管理计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据(包括实时数据和特征数据)。该级可以采用带通信接口的可编程控制器(PLC)或单片计算机测控装置、具有网络功能的工业自动化仪表(如DDZ-S)、工业标准总线计算机(STD总线)和工业增强型个人计算机(PC总线)。,集散型计算机控制系统,（1）直接控制级（2）过程管理级过程管理级计算机(又称操作站)，可监视直接控制级各站的信息，如故障检测存档、历史数据、记录状态报告、打印显示、优化过程控制、协调各站的操作关系，控制回路状态和参数修改等。该级常采用工业控制计算机(PC总线)和专用计算机等。（3）生产管理级生产管理级计算机是根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元的产品结构和规模，并且可以随时更改产品结构，使生产线具有柔性制造的功能，是产品生产的总体协调与控制器。该级容量大、运算功能强，信息的实时性要求低于过程控制计算机，一般通信速率在200ms以上，通常该级在中小企业自动化系统中，也就是最高一级了。对于具有第四级的大型企业，生产管理级可与上层交互传递数据，并接受管理指令。该级常采用计算机服务器和小型计算机。,集散型计算机控制系统,（1）直接控制级（2）过程管理级（3）生产管理级（4）经营管理级经营管理级是工厂自动化系统（factoryAutomation）的最高层，它的管理范围包括工程技术、经济和商业事务、人事活动、财务活动、规划和市场分析等，并存储和处理大量的信息，通过综合的产品计划，在各种变化条件下对各种各样的信息和装置进行合理的配调，如产品的经营、销售、订货、接受以及产品产量和质量的调整、调度生产计划、财务管理、设备管理、总厂管理等，以达到最优地解决某些问题。该级常采用小型或中型计算机，并与其他相关工厂或单位，如银行、税务、交通等组成广域网并提供大范围的产品售后服务和技术支持。目前，国内的中小企业大多只有第一层，某些发展较快的企业也只有一、二层，少数大的企业已开始具有第三层的部分功能。在国外，即使世界上目前最优秀的集散控制系统，也多局限在第一、二、三层。,集散控制系统的特点,(1)分散控制系统的可靠性高DCS采用了标准化、模块化和系列化的设计，把众多的现场实时控制交给许多台DDC来完成，控制功能分散了，负荷也分散了，当上级计算机出现故障时，DDC仍可独立完成相应回路的控制;而且当某台DDC出现问题，相关的其他DDC有可能根据上级计算机的指令，完成某项操作，补偿由于某台DDC出问题所导致的控制功能的降低，这样可大大提高整个测控系统的可靠性。(2)管理集中，易于实现更高级的控制规律各DDC与操作站是通过网络接口连接起来的，它们不仅可独立地完成分配给自己的任务，而且在上级计算机的协调管理下，可以完成整个生产流程总体功能的优化控制，使系统的操作具有更好的可控性。因为仅仅把生产线的控制系统由模拟仪表改为数字仪表，或由DDC改为DCS所带来的控制效益有限(往往只有20%)，只有充分应用DCS的功能，采用先进的测控策略，才能提高DCS的经济效益(约占运行效益的60%)。,集散控制系统的特点,(3)采用组态软件具有良好的人机界面集散型控制系统软件大都采用菜单式组态软件，它是面向工程技术人员和生产操作人员而设计的，其运行界面十分友好。集散系统的操作多为实用而简捷的人机会话系统，CRT彩色高分辨率交互图形显示，复合多窗口技术，画面日趋丰富：综观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表、摸作指导等画面，菜单功能具有实时性，采用平面密封式薄膜操作键盘或触摸式屏幕，鼠标器或跟踪球操作器等。语音输入/输出使操作员与系统对话更方便。提供的组态软件(包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态等)是集散型控制系统的关键部分。用户的方案及显示方式由它来解释生成DCS内部可理解的目标程序或数据，它是DCS的“原料”加工处理软件。使用组态软件可以生成相应的实用系统，易于用户制定新的控制策略，便于灵活扩充。(4)配置灵活，可扩展性好硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计。系统为积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同的测控需要。可根据生产要求，改变系统的大小配置，在工厂改变生产工艺、生产流程时，只需要改变某些配置和控制方案，而这些改变都不需要修改或重新开发软件，只是使用组态软件，填写一些新的表格即可实现。,集散控制系统的特点,(5)在线自诊断及报警功能强DCS系统均采用了新型的专用集成电路(ASIC)和表面安装技术(SMT)，自身的可靠性很高;有些DCS系统采用了双重化措施和硬软件自诊断设计，可自动监测DCS内部故障，并可自动隔离、自动恢复，也允许热机带电插拔模块。当内部发生异常时，通过硬件自诊断机能和测试机能检出后，汇总到操作站，然后通过CRT显示、声响报警或打印机输出，将故障信息通知操作员;各监测站、控制站的各插件上都有状态信号灯指示故障插件。,工业计算机和集散控制系统的进展,21世纪以来，由于个人计算机领域发生的革命性进展，计算机技术在办公领域获得空前成功之后，又开始进入工业领域，并把工厂自动化作为主要目标。随着计算机网络技术和管理信息系统应用得越来越普遍，管控一体化、CIMS系统、企业综合自动化的要求也越来越迫切，如何降低系统运行成本，解决底层控制系统和上层管理系统的通信以达到无缝连接的目的，成为人们普遍关心的问题。工业计算机和集散控制系统也开始了从DCS、PLC到PC-based和现场总线的不断延进过程。,1.DCS和PLC共同的局限性,工业自动化控制系统在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。8090年代，种类繁多的集散控制(DistributeControlSystem)和可编程控制器(PLC)的出现，使自动化的可靠性和实时性、可操作性和可维护性都得到极大的改善，成为控制系统的主流产品。但是，由于受技术、历史、市场和生产需求的制约，DCS和PLC有着共同的局限性：(l)由于各个厂家的DCS和PLC产品都属于专用的系统，有各自的总线和通信标准及系列产品，编程软件和运行支持软件开放性较差，与当今自动化系统的功能集成化、风险分散化、通信开放化的发展方向有较大差距。(2)DCS和PLC起到了代替常规工业自动化仪表的作用。与传统的仪表相比，在显示、打印、报警、记录、历史趋势等方面有很大改进，但是在实现优化算法比较困难。因为，优化控制需要用复杂的数学模型模拟工艺过程，运算量很大。(3)传统的DCS和PLC都采用较为简单的IC芯片和操作系统，通常比商业计算机芯片落后12代，运算能力不足，无法进行复杂的数学模型优化控制，因而也不能直接为用户产生更大的效益。(4)DCS和PLC都是采用制造商专用的集成电路和封闭型系统软件，成本高、升级慢、本系统和其他系统之间的数据通信比较困难。,2.PC-based控制系统的崛起,电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展和工艺的结合更加密切，形成了以PC为基础的工业过程控制系统(PC-basedcontrolsystern简写为PCS)。由于这种系统具有通用性强、编程方便、开放性好等特点，可以以较低的成本、方便地进行不同系统的互联，以及与MIS(管理信息系统)、CIMS(计算机集成制造系统)进行方便地升级或连接。所以，PCS的问世对传统的DCS和PLC的市场形成了冲击。近年来，PC机在工控领域的角色已由最初的人机界面工业，过渡到可以覆盖从现场设备的1/O、基础自动化、过程自动化直至生产控制和管理的全厂自动化领域。美国最早引入PLC的通用汽车公司从1994年起，采用以PC为基础的控制系统，逐步淘汰其PLC系统，这表明PC进入控制领域的时代已经来临。但是，在框架结构、防尘、抗干扰和可靠性等工业应用方面PC尚存在着一些弱点，目前限制了其在工业上，尤其是在底层自动化方面的大量应用。但就开放性和集成度方面，目前的PLC和DCS系统还是远远落后于以PC为基础的分布式控制系统(PCS)。,4.2工业控制计算机,工业控制计算机的概念与用途,在一个工业生产系统中使用的计算机集散控制系统，除去被控对象(过程或装置)、检测仪表(传感器和变送器)和执行器外，其余部分都可以归结到工业控制计算机系统。从这个意义上讲。以前章节介绍的PLC、ILC及IPC等都可称为工业控制计算机。不过，根据应用特点及习惯，工业控制计算机主要是指STD(工业标准总线工业控制计算机)、IPC(工业增强型个人计算机)、104PC(嵌入式工业控制器，与商业个人计算机兼容)等。在我国STD的应用较早，应用范围也较广，但是由于它是基于8位数据总线的标准，受软硬件的局限，在技术进步的过程中已趋于淘汰;IPC由于可兼容IBMPC/XT个人计算机，能运行众多的支持软件，大有后来者居上的趋势，近几年发展势头很猛；104PC进入国内工业控制领域较晚，由于价格较高和产品供应等问题，目前主要用于某些专用的嵌入式控制器中。本节主要介绍IPC工业控制计算机。从传统上看，工业控制计算机主要应用于过程控制，如钢铁、电力、煤炭、化工、石油等连续化、流程化的生产过程;制造自动化，如机械、电子、汽车等离散加工的生产过程;单机自动化，如数控机床、智能仪器仪表、机器人、汽车电子化、变频调速电动机、电子化家用电器、医疗器械等机电一体化产品等。近年来，工业控制计算机的应用领域也在迅速扩大，应特别关注工业控制计算机在环保、公用工程、道路与交通、楼宇与社区、农业、家庭等新领域的应用。,工业控制计算机的构成,在图所示工业控制计算机组成的测控系统中，除图中左面的传感变送、执行机构以外，其余部分均属于工业控制计算机系统。显然，以总线为分界面，工业控制机系统由两大部分组成，即总线右面的主机(CPU、存储器、硬盘等)、人-机对话系统和系统支持功能等组成计算机的基本系统部分;总线左面部分的信号预处理、模拟量/数字量(A/D)转换接口、开关量输入接口(DI)、数字量/模拟量(D/A)转换输出接口、开关量输出接口(DO)以及信号转换部分组成工业控制机系统的过程输入/输出(又称过程I/O)子系统。,工业控制计算机的构成,过程输入/输出(又称过程I/O)系统：过程输入子系统_把反映生产过程的状况、各种物理化学参数和工位接点状态转换为电信号并及时地送往主机。这些信号可分为开关量、模拟量和脉冲量。过程输出子系统_把主机输出的二进制信息转换为适应各种执行器控制的相应信号。大致可分为开关量、模拟量和脉冲量。人-机接口系统:数据输入设备_用以把程序和有关数据送入计算机。如键盘、磁盘机等。数据、图形、图像输出设备_以人能够直观接受的各种形式(如字符、曲线、流程图等，输出计算机的一些动态信息和生产过程工况。如打印机、绘图仪、显示器等。报警、显示_对生产过程的工况予以声光显示和报警。,PC总线,在计算机技术中，总线是一组信号线的集合。是一种传递规定信息的公共通道。有时又称为数据公路。众所周知，计算机内都有三种总线:数据总线、地址总线和控制总线。总线一词包含着公用、共享、汇聚、枢纽和信息等思想。采用总线标准设计生产的计算机模块(包括主板，I/O板等)兼容性很强，在机械尺寸、插头座的计数、各模板的插脚定义以及总线工作的电气特性、时序分配等方面都按照统一的总线标准。这样生产出来的模板经过不同的配置、组合就可以构成不同需要的计算机系统。通常计算机的总线可分为内总线和外总线。内总线又称微型计算机总线或板总线(系统总线)，用于计算机系统中各插接板之间的信息交流，例如S-100总线、STD总线、PC总线(ISA、PCI、PXI、VXI)、VME总线等。外总线又称通信总线，它用于系统与系统之间的通信，例如RS-232C，RS-422、RS-485、IEEE-4858以及各种现场总线等。目前在工业控制计算机中最常用的是PC总线。,PC总线,PC总线个人计算机是目前国内外最流行的个人微型计算机，它是美国IBM公司于1981年推出的，共有62条线，其中8条双向数据线、20条地址线、7条中断线、8条电源线、19条控制线，它原来主要支持8088CPU，随着微处理机的迅速发展，现在支持Intel系列的80286、80386、80486、Pentium、甚至P5计算机，当然PC总线已作了相应的改进，如ESIA、PCI、PXI、VXI总线。可运行微软(Micorsoft)公司的DOS和Windows的操作系统。由于IBMPC微型机应用十分广泛，又具有上面许多优势，因此，从20世纪90年代中期开始，世界上很多主要从事工业控制的公司也纷纷将IBMPC机进行增强性改造，在保持原来软硬件充分兼容的前提下，使之可适应工业现场的恶劣环境。1996年以来，由于IPC(IndustryPersonal-Computer)的价格下降和工业组态软件的推出，其市场迅速扩大，可靠性也高达数万小时。如Intel公司的302i机型MTBF(平均无故障间隔时间)可达160000h。目前，国内工业计算机领域PC总线为国家优选工业标准总线机型，在国内的中小型测控系统中得到了越来越广泛地应用。,工业控制计算机的特点,1.实时性强工业控制计算机与一般的商业个人计算机最大的不同点，在于工业控制对实时性要求较高。工业实时计算机系统是指在限定时间内对外来事件能够作出反应的系统，与此相对应的是分时系统，在这种分时系统中，各种操作是按平分的时间段处理事务的。打个比喻，实时性计算机系统相当于医生看病，分时系统相当于售票口买票的情况。前者，医生按照病人排队顺序一个接一个地问诊，这时如果来了急诊，医生就要中断就诊顺序首先处理急诊病人，而后再接着给其他等着的人看病，而对排队买票的人。售票员总是按排队顺序售票。实时性计算机系统中各种操作的优先级是不同的，高优先级操作应该首先得到处理，优先级的高低是由程序根据实时要求预先设定的。,工业控制计算机的特点,1.实时性强2.可靠性强工业控制对计算机的可靠性要求高。因为实时工业计算机控制系统总是直接控制工业生产流程的各项操作，一旦计算机系统发生故障，将会造成重大的损失。计算机系统的可靠性指标一般用平均无故障时间MTBF(Mean-time-BetweenFaiures)和平均故障维修时间MTTR(Mean-time-to-repair)来衡量。根据国标微型数字电子计算机通用技术条例(GB98B-88)规定:一般通用微机的MTBF不得低于2000h,微机产品的MTBF不得低于4000h，而在实时工业计算机系统中，美国Pro-Log公司的STD产品System的主机系统的MTBF大于12年，板级产品寿命已超过60年，美国Intel公司的302i工业PC主机系统的MTBF为168000h(相当于26.7年)，并且可以采用双重冗余技术，确保控制系统的正常运行。工业控制计算机的可维护性很强，I/O和CPU模板等都是模块化小板结构，一旦系统出了故障，可在几分钟内查出坏模块，把好的模块插上去，并且可以带电插拔。例如。美国Intel公司302i控制计算机就是采用快速拆卸结构，机内所有部件包括风扇、电源等。都可在几十秒至几分钟内更换，并且列出了每种更换操作的典型时间(仅用一把螺丝刀)，而一般的商用个人计算机是很难做到这一点的。,工业控制计算机的特点,1.实时性强2.可靠性强3.抗干扰能力和环境适应性强工业控制计算机用于生产现场。环境非常恶劣，存在着高电压、强电流以及大型电动设备频繁启停时的触点火花等造成的高低频电磁干扰、大幅度的瞬时电压波动，工业现场还有振动、冲击、粉尘及高湿度等问题。工业控制机的设计和制造已经充分考虑了上述问题，并采用了许多软硬件措施，如全钢机壳、双风扇冷却、内部微正压、弹性支承、机械加固、ROM/RAM电子盘、固化操作系统等。因此，不需要任何机房条件就可在恶劣的工业环境中长期正常运行。,工业控制计算机的特点,1.实时性强2.可靠性强3.抗干扰能力和环境适应性强4.I/O模板功能强。品种齐全、兼容性好工业控制机与工业生产控制系统紧密结合，主要面向机电产品和成套装置的控制应用，是与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分，它必须与调节控制仪表、显示仪表、传输接口、检测仪表、执行器以及联锁保护系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置的控制。因此，除了计算机的基本部分如