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PLC,A4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/IPMODBUS,1、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,（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,2、Modbus,(1)ASCIIMode,(2)RTUMode,主要功能码,例子：,Master,Slave,LongitudinalRedundancyCheck纵向冗余校验,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+B0 x0，则二进制数：10000011可表示成：B(x)=1x7+0 x6+0 x5+0 x4+0 x3+0 x2+1x1+1x0x7+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：,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=B0B2B4=B0B1B2B5=B0B1B6=B1B2,从表中可以看出：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”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),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：,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+1,3、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。,1,2,3,4,BNC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,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PLC,此外还有：欧姆龙、三菱、松下、ABB、LG等,其共同特点：可编程模块化高可靠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）,1,2,3,4,5,6,7,1，2，3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,1P,2P,3P,4P,中型断路器,3P,3P,3P,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,A1,A2,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：KT,4、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：SJ,5、按钮,代号：SB,6、指示灯,颜色电压：24VDC、220VAC代号：HL,+,-,A1,A2,7、选择开关,代号：SA,8、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=0.911ust10.45ust20.4ust3=1235us,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：0.05m500m最大测量误差：3mm响应时间：0.2s输出：420mA,RS-485工作温度：-1050,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,热电偶,Et,冷端,热电阻,Rt,Cu50,Cu10050150Pt100-200850,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、设计文件资料的整编,二、电气图设计,1、电气原理图2、接线端子图3、元件配线图4、元件布置图5、屏柜装配图,例子：泵站监控系统中渗漏排水泵控制有2台泵，要