第五章计算机分散与总线控制简介

1、 计算机控制系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自动控制的系统。微机测控系统典型结构图 PID控制算法的数字实现 采用单片微机作为控制器核心的自动控制系统简化框图如图所示 它是单片机系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程Y稳定在设定点上。单片机自动控制系统简化框图 1. 位置式PID控制算法： 在采样时刻t=i*T（T为采样周期，i为正整数），通过数值公式近似计算得： .增量式PID控制算法： 当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，由上式可导出增量式PID计算公式：上式可以进一步改写为： 式中： 分散控制系统的基本概念

2、分散控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它紧密依赖于自动控制技术、计算机技术、通信技术和CRT显示技术(4C)。 分散型控制系统又称集散控制系统 DCS-Distributed Control System “分散”指： 1、工艺上各种设备地理位置的分散。 2、功能分散。 “集”：集中监视、集中管理。分散控制系统 分散控制系统（简称DCS）的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。 分散控制系统原理框图 过程控制级过程

3、控制级功能 生产过程的数据采集、反馈控制、顺序控制、批量控制等。在其内部完成：A/D转换，各种控制算法的运算，对模拟量进行滤波及工程单位转换，将采集到的实时数据通过网络送到操作员(工程师)站或其他I/O站。过程控制级装置多回路控制器 单回路控制器多功能控制器 可编程逻辑控制器数据采集装置 系统硬件控制站（CONTROL STATION, 简称CS）: 由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元组成通过不同的硬件配置和软件设置可构成不同功能的控制站 过程控制站PCS 逻辑控制站 LCS 数据采集站DAS核心部件是主控制卡，它能进行多种过程控制运算和数字逻辑运算，并能通过下一级通信总线（SBUS

4、)获得各种I/O卡件的信息。I/O单元机笼I/O单元机笼机柜结构外壳采用金属材料以提供电磁屏蔽。 机柜内部装有多层机架，安装电源及多种模件为保证散热降温，柜内装有风扇。柜内大多设有温度自动控制装置机柜示例 控制站插件箱I/O插件箱柜顶风扇接线端子卡件实例图电源 交流电源： 交流电源经过集散系统的电盘的断路器给系统供电，保证现场控制站供电系统高效、稳定、无干扰。每一现场控制站场均用双相交流电源供电，两相互为冗余。如果附近有经常开关的大功率用电设备，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地。这样能很好的隔离共模干扰。对控制连续性要求特别高的场合，应装设不间断供电电源UPS 。电源

5、 柜内直流稳压电源： 统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般为24V）供给柜内直流母线。各层机架内设有子电源单元，将母线上送来的单一直流电压转变成机架所需的各种电压（+5V、 12V、 15V等）。 主控电源采用1：1冗余配置。 子电源单元采用1：1或N：1冗余配置I/O通道 在过程控制计算机中，种类最多，数量最大的是各种I/O接口模件(卡件)。来自过程对象的被测信号通过输入卡件，进入现场控制站，然后按一定的算法进行数据处理，并通过输出卡件向执行设备送出控制或报警等信息。现场控制站数据处理输入卡件信号输出卡件执行设备I/O通道 AI通道 AO通道 SI通道 SO通道模拟量输入通道(AI)

6、一般由端子板、信号调节器、A/D插板、及柜内连接电缆组成。端子板：用于连接现场信号电缆，对每一路信号线路提供正负极两个接线端子及屏蔽层的接地端子。柜内电缆：端子板、信号调节器与A/D板之间的信号连接。信号调节器：将各种范围的模拟量输入信号统一转换成05V或010V的电压信号送入A/D板。 采用差动放大器，并且每一路都串接了滤波器。A/D插板：信号调节器输入的多路模拟信号，按CPU的指令逐一转变为数字量送给CPU。DCS多用12位A/D转换器。时间在100微秒左右。每块A/D插板输入864路模拟信号模拟量输出通道（AO） 输出 420mA或010mA的直流电流信号。 组成： D/A插板 输出端子

7、板 柜内电缆D/A插板 每板可提供48路模拟输出，精度有8位、12位几种。输出负载能力一般要求小于500欧。SI通道 开关量输入通道。用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态；输入信号可能是交流电压信号，直流电压信号或干接点。 SO通道 开关量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备，它是由端子板、SO板及机柜内电缆构成。开关量输入/输出通道（SI/SO）过程管理级控制系统工程师、操作员与DCS的界面人机界面。 MMIMan Machine Interface； OIOperator Interface操作人员了解生产过程的运行指令给生

8、产过程发出操作指令操作管理装置功能： 以操作、监视为主要任务、兼有部分管理功能，可对系统进行组织、监视和操作，对生产过程控制管理、故障诊断等。显示各种参数特征 信息量大 易操作性 容错性好 构成装置 监控计算机 工程师操作台 操作员操作站(配有技术手段齐备、功能强的计算机、CRT显示器、操作键盘、及较大存储量的软、硬盘)过程管理级生产管理级指定区域生产计划； 各单元间的协调控制；装置的故障诊断处理和记录；各类操作数据的显示和记录。综合（经营）管理级主要任务： 收集各种信息(经济情报、市场预测、 销售合同、原材料库存状况、生产进 度、工艺流程及工艺参数). 产生综合性报表 进行长期性的趋势分析

9、审查最优化 协调和调度各车间生产计划和各部门的关系管理范围：工程技术、经济、商业实务、人事活动操作站（OPERATER STATION, 简称OS） 以工业PC机为基础的人及接口设备，实现工艺过程监视、操作、记录等功能。可以一机配多 CRT，并配有薄膜键盘、触摸屏幕等输入方式。 具有丰富、使用、友好的实时监控界面。具有分组显示、趋势图、动态流程、报警管理、报表及记录、存档等监控功能。处理机-高性能的工业控制机当今的DCS操作站的功能强，速度快，记录数据大，所以对操作员站内的处理机系统提出了更高的要求。操作员键盘和工程师键盘（1）操作员键盘 通常采用防水、防尘能力，有明确图案（或名称）标志的薄膜

10、键盘。操作键根据其功能可以分为 ：系统功能键、控制调节键、翻页控制键、光标控制键、报警控制键、字母数字键、可编程功能键、用户自定义键。（2）工程师键盘： 在组态和编制程序时使用。键盘的键采用便于系统生成的打字机键排列，键盘只有在系统生成时才和主体连接。概貌显示画面 仪表面板显示画面 时间范围前翻半页后翻半页当前显示在数据库中位置本页时间本页描述时间轴时 间 轴指示时间显示全部曲线消隐全部曲线趋势曲线显示画面 报警显示画面 故障诊断画面 调整画面系统软件操作站监控软件 系统简介 系统总貌 报警一览 控制分组 调整画面 趋势图 流程图 数据一览 故障诊断 组态软件 I/O组态 常规控制方案组态 S

11、CX语言组态 标准画面组态 流程图登录组态 网络交换数据组态 报表登录组态 语言报警组态 图形化控制方案组态 现场总线的概述传统控制系统现场仪表(I/O)控制器一对一连接420mA010mA24VDC80年代开始智能现场设备普遍应用a.包含CPUb.能直接数字通信c.具有很强的功能例如，智能化变送器除了具有常规意义上的信号测量和变送功能以外，往往它还具有自诊断、报警、在线标定甚至PID运算等功能智能现场设备与主机系统间待传输的信息量急剧增加。现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设

12、备的监控。 3C技术的发展微机化仪器仪表的成熟和应用现场总线控制系统 现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。 FCS控制层原理图 现场总线的结构 按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参考模型建立的。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层，如图所示。工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级 IBM CompatibleASCII PrinterPlotterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工厂管理级工厂骨干网车间监控网车间监控级现场级网络现场设备级现场总线的结构特点IPC、PLCI/O子系统Ethernet