控制仪表课件-第06章 计算机控制系统的基本知识

1、控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录1第二部分第二部分 计算机控制装置计算机控制装置主要内容：主要内容：第六章第六章 计算机控制系统基本知识计算机控制系统基本知识第七章第七章 可编程序控制器可编程序控制器 * *第八章第八章 集散控制系统集散控制系统(DCS)(DCS)第九章第九章 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)(FCS)第十章第十章 工业以太网工业以太网* *控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录2进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调节节器器前前 言言进进料料口口出出料料口口H玻璃管液位计玻璃管液位计现

2、现 场场 仪仪 表：表：主要指安装在工业现场的各种主要指安装在工业现场的各种变送器变送器、执行执行器器及其它测量仪表。及其它测量仪表。控制室仪表：控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种主要指安装在控制室内的各种控制器（调节控制器（调节器）器）、显示仪表等。、显示仪表等。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录3前前 言言进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调节节器器进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控制制站站控制站：控制站：数字调节器、数字调节器、IPC、PLC等，它可以广义地理解为带有等，它可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备。的各种控制设备。控制

3、仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录4前前 言言进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控制制站站AI (A/D): 模拟量输入模拟量输入(模模/数转换数转换)DI: 开关量输入开关量输入(数字量输入数字量输入)AO (D/A): 模拟量输出模拟量输出(数数/模转换模转换)DO: 开关量输出开关量输出(数字量输出数字量输出)AI、DIAO、DO控制站控制站I/O模块模块控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录5前前 言言管理层管理层控制层控制层现场设备层现场设备层操作站操作站控制站控制站I/O系统系统高级控制器高级控制器数据服务

4、器数据服务器WEB服务器服务器管理计算机管理计算机互联网互联网服务器服务器Internet/IntranetEthernetEthernet/专用总线专用总线网关网关FF、ProfiBus等现场总线等现场总线典型的计算机控制系统结构典型的计算机控制系统结构控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录6前前 言言计算机控制系统计算机控制系统特特 征征: 各种自动化仪表和自动控制装置已从模拟时代逐渐跨各种自动化仪表和自动控制装置已从模拟时代逐渐跨入入真正数字时代真正数字时代。重重 要要 性性: 是实现安全、高效、优质、低耗生产的基本条件和重是实现安全、高效、优质、低耗

5、生产的基本条件和重要保证，是现代工业生产中不可替代的要保证，是现代工业生产中不可替代的神经中枢神经中枢。 相关技术相关技术: 涉及计算机技术、自动控制技术、检测和传感技术、涉及计算机技术、自动控制技术、检测和传感技术、先进控制技术、智能仪表技术、网络通信技术等。先进控制技术、智能仪表技术、网络通信技术等。 发展过程发展过程: 直接数字量控制直接数字量控制(DDC) 集中型计算机控制集中型计算机控制 分布式计算机控制分布式计算机控制(DCS) 现场总线现场总线(工业以太网工业以太网)控制控制功功 能能: 实现生产过程自动化和信息管理自动化，即实现生产过程自动化和信息管理自动化，即计算机综计算机综

6、合自动化合自动化。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录7第六章第六章 计算机控制系统基本知识计算机控制系统基本知识主要内容：主要内容：第一节第一节 计算机控制系统概述计算机控制系统概述第二节第二节 网络通信基础网络通信基础*第三节第三节 开放系统互联参考模型开放系统互联参考模型*第四节第四节 TCP/IP协议协议*控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录8第一节第一节 计算机控制系统概述计算机控制系统概述主要内容：主要内容：一、什么是计算机控制一、什么是计算机控制二、计算机控制系统的基本组成二、计算机控制系统的基本组成三、

7、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想四、计算机控制系统的发展过程四、计算机控制系统的发展过程五、计算机控制的发展特征五、计算机控制的发展特征控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录9一、什么是计算机控制一、什么是计算机控制调节器被控对象测量变送装置+SP执行器420mA420mA控制器被控对象测量变送装置+SP执行器420mA420mAD/AA/D数字信号数字信号例如例如420mA信号经信号经12位位A/D转换以后的结果为转换以后的结果为04095控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录10一、什么是计

8、算机控制一、什么是计算机控制控制器被控对象测量变送装置+SP执行器420mA420mAD/AA/D工作过程：工作过程：数据采集：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的 被控变量瞬时值；控制决策：控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算；控制输出：控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录11二、计算机控制系统的基本组成二、计算机控制系统的基本组成硬件组成硬件组成过程输入输出设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接人机接printer

9、其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统常规计算机系统I/O系统系统（模块或卡件）（模块或卡件）现场仪表现场仪表被控被控对象对象外部设备控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录12二、计算机控制系统的基本组成二、计算机控制系统的基本组成软件组成软件组成系统软件系统软件支持软件支持软件应用软件应用软件系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。是支持软件及各种应用

10、软件的最基础的运行平台。如：如：WindowsWindows操作系统、操作系统、UnixUnix操作系统等都属于系统软件。操作系统等都属于系统软件。 运行在系统软件的平台上，用于开发应用软件的软件。运行在系统软件的平台上，用于开发应用软件的软件。例例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同。支持软件会有所不同。应用软

11、件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录13三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想1.1.可靠性可靠性2.2.可维护性可维护性3.3.实时性实时性4.4.性能价格比性能价格比控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录14三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想1.1.可靠性可靠性定义：

12、产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用定功能的能力。它通常用概率概率来表示。来表示。 (1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBF平均故障修复时间平均故障修复时间MTTR 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录15三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想1.1.可靠性可靠性(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度单个零件、设备的可靠度单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件

13、下，在规定的工作期限动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。的概率。例如例如: : 在在100100只晶体管中有只晶体管中有9595只在上述规定条件下使用未出只在上述规定条件下使用未出现故障，则其可靠度现故障，则其可靠度 R R 0.950.95， 样本数量越大，所得可靠度的准确性就越高。样本数量越大，所得可靠度的准确性就越高。系统的可靠度系统的可靠度除了与构成系统的子系统或元器件的可靠除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关，度有关，还与系统的构成方式有关

14、，串联连接串联连接和和并联连接并联连接是两种典型的连接方式。是两种典型的连接方式。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录16三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想1.1.可靠性可靠性(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度R1Rnn个串连子系统个串连子系统串连系统串连系统如果分析的是如果分析的是断路失效断路失效，则：，则：串联系统串联系统中只要中只要有一个子系统失效，系统就会失效。有一个子系统失效，系统就会失效。并联系统并联系统中全部子系统发生故障，系统才出现故障。中全部子系统发生故障，系统才出现故障。nRRRR21串)1 ()1

15、()1 (121nRRRR并R1Rnn个并联子系统个并联子系统并联系统并联系统假设：各子系统可靠度均为假设：各子系统可靠度均为0.9，子系统数分别是，子系统数分别是1、2、3时，则：时，则：串联系统：串联系统：可靠度分别是可靠度分别是0.9、0.81、0.729，串联子系统越多，系统的可靠度越低。串联子系统越多，系统的可靠度越低。并联系统：并联系统：可靠度分别是可靠度分别是0.9、0.99、0.999，并联子系统越多，系统的可靠度越高。并联子系统越多，系统的可靠度越高。当子系统数当子系统数2时，并联子系统对增加系统可靠度的贡献并不显著。时，并联子系统对增加系统可靠度的贡献并不显著。实际工程实际

16、工程应用应用以这一理论为冗余技术的基础，以这一理论为冗余技术的基础，多选用多选用2个互为冗余的并联子系统个互为冗余的并联子系统。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录17三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想1.1.可靠性可靠性(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度平均故障修复时间平均故障修复时间MTTR MTTR指设备出现故障以后经过维修指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时恢复并重新投入运行所需要的平均时间。间。ntMTBFnii1ntMTTRnii1平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBFMTBF指设备

17、在相邻两次故障的间隔指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间。内正常工作的平均时间。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录18三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想1.1.可靠性可靠性(1)可靠性指标可靠性指标(2)提高控制系统可靠性的主要措施提高控制系统可靠性的主要措施控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录19三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想2.2.可维护性可维护性可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力，它主

18、要体现在易于查找故障，易于排除故障。能力，它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录20三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想3.3.实时性实时性计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不

19、延误操作。作。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录21三、计算机控制系统的主要设计思想三、计算机控制系统的主要设计思想4.4.性能价格比性能价格比 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录22四、计算机控制系统的发展过程四、计算机控制系统的发展过程1. 直接数字量控制直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）2. 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统3. 集散控制系统集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）4. 现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbu

20、s Control SystemFCS）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录231. 直接数字量控制直接数字量控制(DDC)用用一台一台计算机取代计算机取代一组一组模拟调模拟调节器，构成闭环控制回路，节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。模拟控制技术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象） 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展

21、到也很快发展到PID以以外的多种复杂控制。外的多种复杂控制。当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。过程实时控制的需求。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录242. 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。计算机来控制尽可能多的控制回路。CRT、键

22、盘 过程控制计算机AIDIAODO被控变量操作变量输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图 被控过程（对象）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录252. 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统：从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。优化控制和优化生产。：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制很多个回路用一台计算机

23、控制很多个回路容易出现负荷过载容易出现负荷过载，而且，而且控制的集中也直接导致控制的集中也直接导致危险的集中危险的集中，高度的集中使系统，高度的集中使系统变得十分变得十分“脆弱脆弱”。在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录263. 集散控制系统集散控制系统(D

24、CS)（2个方面）：个方面）：(1) 不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2) 考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征：根本特征：和和 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录27DCS的功能层次的功能层次DCS的的功能层次功能层次通常分为：通常分为：直接控制级、过程管

25、理级、生产管理级、直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级，经营管理级，各级从各级从“上级上级”获取指示，从获取指示，从“下级下级”获取信息，产获取信息，产生对生对“下级下级”的控制。的控制。连续过程连续过程 间歇过程间歇过程 离散过程离散过程经营经营管理管理经营管理级居于工厂自动化系经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划、销售和生产计划生产管理主要完成生产规划，生产生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗监视

26、，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多度。在许多DCSDCS中，这级就充当最中，这级就充当最高管理层高管理层。过程管理级主要功能包括回过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警视、故障监测、记录、报警直接控制级主要功能包括现场直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施余性能的实施控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录28DCS的发展过程的发展过程总结

27、：早期总结：早期DCS的重点在于控制，的重点在于控制，DCS以以“分散分散”作为关键字，但现作为关键字，但现代发展更着重于系统信息综合管理，今后代发展更着重于系统信息综合管理，今后“综合综合”又将成为其又将成为其关键字，关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，综合自动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通信并行通信实现设备互连和资源网络化共享实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的时控制

28、、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性的战略决策，形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统高度自动化的管控一体化系统。 主要强调系统的开放性，特别是通信机制的主要强调系统的开放性，特别是通信机制的开放性和标准化。开放性和标准化。90年代中期年代中期4技术特征是管控一体化技术特征是管控一体化80年代末年代末90年代初年代初3技术特征是引入局域网技术特征是引入局域网LAN80年代初年代初21975年年Honeywell公司推出了世界上第一套公司推出了世界上第一套DCS系统系统 TDC-2000，技术特征是集散。，技术特征是集散。 19751主要特征主要特征起

29、始时间起始时间划代划代控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录294. 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)DCS结构结构FCS结构结构使用一对对电缆传输420mA电流信号使用通信线路传输数字信号控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录304. 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的多分支结构的通信网络通信网络。 支持双向、多节点、总线式的支持双向、多节点、总线式的全数字通讯全数字通讯。 双向数据通信能力避

30、免了反复进行的双向数据通信能力避免了反复进行的A/D、D/A转换。转换。 把控制任务下移到智能现场设备，以实现把控制任务下移到智能现场设备，以实现测量控制一测量控制一体化体化。 已成为全世界范围自动化技术发展的已成为全世界范围自动化技术发展的热点热点。 涉及整个自动化和仪表的工业涉及整个自动化和仪表的工业“革命革命” 。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录31五、计算机控制的发展特征五、计算机控制的发展特征随着局域网、随着局域网、Internet、IT技术的迅速发展，计算机控制系统向技术的迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势。集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势。系统结构系统结构向向网络化网络化、网络扁平化网络扁平化方向发展方向发展系统功能系统功能向向综合化综合化方向发展方向发展现场总线的应用将导致控制功能的彻底分散，将测量控制功能分散下现场总线的应用将导致控制功能的彻底分散，将测量控制功能分散下放到现场仪表上，使传统的回路控制系统的结构发生根本性的变化。放到现场仪表上，使传统的回路控制系统的