第九章 计算机控制系统

化工仪表及自动化第九章计算机控制系统

1内容提要概述216计算机控制系统的组成计算机控制系统的特点计算机控制系统的发展过程集散控制系统219集散控制系统的特点集散控制系统的基本构成CENTUM-CS集散控制系统（自学）2内容提要现场总线控制系统27现场总线控制系统的特点现场总线国际标准化主要的现场总线系统简介3第九章计算机控制系统现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最迅速的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。自20世纪50年代末期，第一台计算机应用于控制以来，开始了轰轰烈烈的计算机工业应用的时代。当时认为计算机的运算、记忆功能非常强大，同时由于计算机造价很高，为了使计算机控制能与常规仪表竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路，实现集中检测、集中控制和集中管理，这样就大大提高了对计算机可靠性的要求。4但由于当时计算机功能低、运算速度慢，再加上硬件不过关，可靠性较低，软件功能差，常常由于计算机故障或一个输入、输出回路发生故障，就要对全厂或整个装置进行停车抢修，计算机控制不仅没有给生产带来明显的好处、反而严重地影响了生产，使计算机控制经历了漫长而艰难的道路，一度陷入了困境难以自拔。为摆脱上述困境，竞相寻找新的出路。终于在1975年美国霍尼韦尔公司〔HonywellInc〕和日本横河电机株式会社分别推出新型的集散控制系统DCS(DistributedContro1System)。5DCS这类系统实现控制分散，危险分散，操作、监测和管理集中，采用分级递阶的分布式结构，使当时陷入困境的计算机集中控制和直接数字控制(DirectDigitalControl—DDC)得到新生，在全球迅速得到推广应用。但是当时各个生产集散控制系统的厂家为了技术保密，都采用封闭政策，各个厂都自成体系，数据不能与外界通信，该系统的推广应用受到限制。

6直到20世纪80年代初期，计算机过程控制已进入高一层次，现场控制站已用16位CPU，增强型用32位CPU，开始用标准化、模块化设计，增强灵活性与适应性，数据通讯用局域网(LAN)，可实现与外界数据通讯，可与MAP和以太网接口，有网间连接器，全部使用32位CPU和表面安装技术(SMT)，增强图示功能，应用多窗口技术和指触屏，相应速度更快，组态可用计算机辅助设计(CAD)，更加直观，开始引入专家系统，实现PID参数自整定，可与主机联系，构成信息管理系统。7进入20世纪90年代以来，DCS又有了新的发展，表面安装技术与专用集成电路(ASIC)使板级上元件数量很少，可靠性大大提高，RISC工作站使图形窗口更完善，操作更方便，交互图形、人机接口、容错技术和通讯网络都得到进一步发展。从而使工业自动化技术发展到一个崭新的阶段，所以对一个工程技术人员来说，了解和掌握计算机控制系统方面的知识非常重要。8我国的现状我国计算机控制系统也是从20世纪六十年代开始的，例如北京有机化工厂在20世纪六十年代就对计算机在化工生产中的应用作了一些尝试，其他一些企业（例兴平化肥厂）也作了一些相应的工作。但是计算机真正在生产上应用是在微型计算机出现以后，特别是从20世纪八十年代开始，我国陆续引进了国外先进的集散系统，首先应用于大型企业。同时，国内的一些研究、制造单位也着手开发同类的先进控制系统，使计算机在生产过程自动化中的应用，真正出现日新月异的大好局面。9第一节概述一、计算机控制系统的组成

所谓计算机控制系统是利用计算机实现工业生产过程的自动控制系统。图9-1是典型的计算机控制系统原理框图。图9-1计算机控制系统原理框图10第一节概述一、计算机控制系统的组成在常规控制系统中，如果用计算机来代替常规控制器，就可以构成计算机控制系统。不同于常规的仪表控制系统，在计算机控制系统中，由于计算机的输入和输出信号都是数字信号，因此在典型的计算机控制系统中需要有输入与输出的接口装置(I/O)，需要有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器，以及将数字控制信号转换为模拟信号的D/A转换器。11优势由于控制系统中引进了计算机，就可以充分运用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力。特别是系统的控制功能是通过内部的控制程序来实现的，只要改变这些程序，就可以更改对设备的控制功能以适应新的要求，而不需要改动系统的硬件结构。这种灵活性给实现许多新型的控制系统带来极大的方便和可能，容易取得较显著的控制效果。12数据采集对被控变量的瞬时值进行检测，并输入计算机；控制决策对采集到的数据进行分析，并按预先规定的控制规律进行运算，根据运算结果，决定进一步的控制行为；控制输出根据决策，适时地对控制机构发出控制信号，完成控制任务。生产过程中应用的计算机系统，除个别特殊的只用于数据采集的外，一般都应是实时计算机系统。从本质上来看，计算机控制的工作过程的三个步骤：数据采集、控制决策与控制输出。13数据采集和处理系统数据采集和处理系统框图14数据采集和处理系统数据采集和处理系统是将生产过程中的各种参数经一次仪表发送、信号调理、模数转换而定时地巡回采样到计算机中，然后由计算机对数据进行分析相处理。数据采集和处理系统在工业生产中的应用比较多，例如，流量测量中的压力、温度等参数影响的自动校正，一些工艺指标(如转化率、出料成分、热焓等）的自动计算等。15第一节概述图9-2计算机控制系统组成框图计算机控制系统主要由：传感器、过程输入输出通道、计算机及其外围设备、操作台和执行器等组成，如下图9-2所示。16第一节概述二、计算机控制系统的特点①计算机采用分时操作，用一台计算机可以代替许多台常规仪表，在一台计算机上操作与监视很方便。②计算机控制系统，由于其所实现功能的软件化，复杂控制系统的实现或控制方案的修改可能只需修改程序、重新组态即可实现。③计算机控制系统可以通过通信网络而互通信息，实现数据和信息共享，能使操作人员及时了解生产情况，改变生产控制和经营策略，使生产处于最优状态。17第一节概述④计算机具有记忆和判断功能，它能够综合生产中各方面的信息，在生产发生异常情况下，及时做出判断，采取适当措施，并提供故障原因的准确指导，缩短系统维修和排除故障时间，提高系统运行的安全性，提高生产效率，这是常规仪表所达不到的。18第一节概述三、计算机控制系统的发展过程1.直接数字控制

由于提供了计算机与过程装置间的接口，实现了“传感器—计算机—执行器”三者电气信号的直接传递，计算机在配备了传感器、执行器以及相关的电气接口后就可以实现过程的检测、监视、控制和管理。这种用数字控制技术简单地取代模拟控制技术，而不改变原有的控制功能，形成了所谓的直接数字控制(DirectDigitalControl)，简称DDC。

19直接数字控制DDC的组成DDC是计算机在工业控制上应用的最普遍最基本的一种方式。从控制方式来说，可以说它是一种由工业控制计算机代替常规控制器所组成的一种简单的计算机控制系统。计算机根据生产过程的信息，按照数字量形式，以一定的控制规律（简单PID、串级、前馈等）运算，运算的结果通过输出通道直接去改变执行机构的状态，从而实现对生产过程的闭环控制。20DDC系统的基本组成框图如图9-1所示。

DDC系统是由一台DDC用计算机（主机）、输入通道、输出通道、人机接口几部分构成。21DDC的特点一台计算机可取代多台模拟控制器的作用；控制规律中的变化范围较宽，而且参数之间无相互干扰；容易实现无扰动切换；对于噪声较大的信号，可以通过数字滤波来提高信号的真实性；对输入信号和输出信号的调理比较方便；除能实现PID控制功能外，还能方便地采用先进的、复杂的控制规律（如串级控制、前馈一反馈控制、选择性控制、解耦控制等），使系统的控制品质得到提高。22DDC的缺点在直接数字控制系统中，对生产过程产生直接影响的被控变量的给定值是预先设定的，并且存入计算机的内存中，这个给定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，故系统无法使生产过程处于最优工况，这显然是不够理想的。23第一节概述DDC的本质DDC是计算机控制技术的基础。从本质上来说，就是用一台计算机取代一组模拟控制器，构成闭环控制回路。DDC控制系统的优点DDC的突出优点是：计算灵活，它不仅能实现典型的DDC控制规律，而且能方便地对传统的PID算法进行改进或实现其他的控制算法。

小结24第一节概述2.集中型计算机控制系统从系统功能上讲，集中型计算机控制系统是DDC控制的发展，由于当时计算机体积庞大，价格昂贵，人们企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路，实现集中检测、集中控制和集中管理。如图9-3所示。图9-3集中型计算机控制系统原理图25集中型计算机控制系统的特点：可以实现先进控制、联锁控制等各种复杂的控制功能；信息集中，便于实现优化控制和优化生产；灵活性大，控制回路的增减、控制方案的调整可以由软件来完成；操作方便，大量的模拟仪表盘可以由CRT取代，实现参数的监控。但是，存在危险“集中”等问题。26何谓危险“集中”？但是，集中检测、集中控制和集中管理带来的问题是：常常由于计算机故障或一个输入、输出回路发生故障，就要对全厂或整个装置进行停车检修，严重地影响了生产，成为危险“集中”。这种危险“集中”很难为生产过程所接受，从而陷入困境。怎么办呢？只有采用集散控制系统来解决27第一节概述3.集散控制系统

由于在可靠性方面存在重大缺陷，集中型计算机控制系统没有得到成功的应用。人们认识到，要提高系统的可靠性，需要把控制功能分散到若干个控制站来实现，不能采用高度集中的办法。集散控制系统（DistributedControlSystem,

DCS）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。

28集散式控制系统的主要特征是它的集中管理和分散控制

它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式。目前，DCS在化工、制药等各种领域得到了极其广泛的应用。29DCS系统为什么能够使危险“分散”？DCS由于采用了多微型机的分散控制结构，使危险也“分散”了。这是由于以微型机为核心的基本控制的可靠性，一般要比中、小型工业控制机高，并且每台基本控制器只控制少量的回路，即使发生故障，影响的面也比较小，再采用冗余技术与容错技术，使DCS的可靠性也大大地提高了。30第一节概述4.现场总线控制系统

现场总线是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

本质全数字式的，取消了原来DCS系统中独立的控制器，避免了反复进行A／D、D／A的转换。特点双向数据通信能力；把控制任务下移到智能现场设备，以实现测量控制一体化，从而提高系统固有可靠性。

定义31第二节集散控制系统集散控制系统，是4C技术，即计算机（Computer）、控制器（Controller）、通讯（Communication）和CRT（CathodeRayTube，阴极射线管显示器）显示技术相结合的产物。它以微处理机为核心，把微型计算机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、过程通道、模拟仪表等有机地结合起来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。自1975年问世以来，发展迅速，目前已得到广泛应用。32第二节集散控制系统一、集散控制系统的特点①控制功能丰富②监视操作方便③信息和数据共享④系统扩展灵活⑤安装维护方便⑥系统可靠性高33第二节集散控制系统二、集散控制系统的基本组成图9-4集散控制系统基本构成图图9-5CENTUM-CS系统外观图它主要有现场监控站（监测站和控制站）、操作站（操作员站和工程师站）、上位计算机和通信网络等部分组成。34第二节集散控制系统

操作站、工程师站和上位计算机构成集中管理部分；现场监测站、现场控制站构成分散控制部分；通信网络是连接集散系统各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制的关键。小结35第二节集散控制系统图9-6集散型控制系统的体系结构从结构上来看，它是一种典型的分级分布式控制结构。经过近30年的发展，集散型控制系统的结构不断更新。DCS的层次化系统结构已成为它的显著特征，使之充分体现集中管理、分散控制的思想。按照其功能划分，可以分成如图9-6的四层分层体系。36集散控制系统DCS的设计思想

采用全开放的软件开发平台；采用全开放的硬件平台；采用全开放的网络结构；采用全开放的高级控制模块接口；提供可随时更新的新一代硬件与系统软件的环境。37第二节集散控制系统三、CENTUM-CS集散控制系统1.CENTUM-CS系统的构成图9-7CENTUM-CS系统构成自学！38第三节现场总线控制系统现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展的基础上，与自动控制技术相结合的产物。它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。现场总线是20世纪80年代中期在国际上开始出现，90年代初发展形成的。它是应用于生产现场、微机化测量设备之间以及现场与控制室（或控制设备）之间的一种双向串行、多节点的数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。39第三节现场总线控制系统一、现场总线控制系统的特点1.现场总线控制系统的结构特点图9-16传统计算机控制系统结构示意图传统计算机控制系统的缺点

这种传输方式一方面要使用大量的信号线缆；另一方面模拟信号的传输和抗干扰能力低。

40第三节现场总线控制系统

现场总线控制系统FCS是在DCS系统的基础上发展而成的，它继承了DCS的分布式特点，但在各功能子系统之间