过程控制仪表计算机控制装置第06章.ppt

计算机控制装置,2005年5月,张光新,主要内容,第六章*计算机控制基本知识第七章*可编程控制器第八章 集散控制系统第九章*现场总线控制系统第十章 工业以太网,大块部分,一.计算机控制基础知识二.实用计算机控制技术(1)PLC*(2)DCS 面向：小型对象、大型对象、大型复杂对象三.网络通信、信息集成和利用(1)现场总线(2)工业以太网(3)多总线系统及信息集成,信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：1、要求工业自动化系统利用FB技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体性和稳定性等；2、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。,第一部分 计算机控制基础知识,前言,单回路控制系统方块图,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）,阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀泵：开关泵、变频泵,温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪(通常输出：420mA、15V等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关(通常输出on/off信号)传感器（Pt100、热电偶）,现场仪表：主要指安装在工业现场的各种变送器、执行器及其他测量仪表。,变送器选型：量程、安装方式、材质（耐压、防腐）、防爆执行器选型：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压）使用：零点调整、量程调整、零点迁移以及其它日常维护和维修等,控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器（调节器）、显示仪表等。,控制站：数字调节器、IPC、PLC（可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备）,A/D（AI）：模/数转换（模拟量输入）DI：开关量输入（数字量输入）D/A（AO）：数/模转换（模拟量输出）DO：开关量输出（数字量输出）,I/O模块,典型的计算机控制系统结构示意图,内 涵：生产过程自动化*（过程控制、优化控制）信息管理自动化(+客户管理、物流管理，这是今后的发展方向)（即计算机综合自动化）,重 要 性：是实现安全、高效、优质、低耗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神经中枢。,相关技术：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。,发展过程：直接数字量控制（DDC）集中型计算机控制 分布式计算机控制（DCS）现场总线（工业以太网）控制？,6.计算机控制的基本知识,6.1 计算机控制概述,6.2 网络通信基础,6.3 开放系统互联参考模型,6.4 TCP/IP协议,6.1.1 什么是计算机控制 6.1.2 计算机控制系统的基本组成 6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想 6.1.4 计算机控制系统的发展过程 6.1.5 计算机控制系统的发展特征,4 mA输入0000 0000 0000,20mA输入1111 1111 1111,12mA输入？,6.1.1什么是计算机控制,典型单回路控制系统方块图,工作过程,工作过程：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：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：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。,6.1.2 计算机控制系统的基本组成,硬件组成,6.1.2 计算机控制系统的基本组成,系统软件支持软件应用软件,系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。,它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：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，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,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。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。,软件组成,6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,2.可维护性,3.实时性,4.性能价格比,6.1.3.1 可靠性,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。它通常用概率来表示,(1)可靠性指标,可靠度,单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、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）的概率。例如：在100只晶体管中有95只在上述规定条件下使用未出现故障，则其可靠度R0.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高,(1)可靠性指标,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度有关，还与系统的构成方式有关：串联连接和并联连接是两种典型的连接方式。,如果分析的是断路失效，则：串联系统中只要有一个子系统失效，系统就会失效并联系统中全部子系统发生故障，系统才出现故障,R1=R2=0.9，R并0.99R1=R2=0.99，R并0.9999,(1)可靠性指标,平均无故障工作时间MTBF(*)(mean time between failures),MTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间,平均故障修复时间MTTR(mean time to repair),MTTR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间,(2)提高可靠性的主要措施,选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。,设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。,采用分散控制思想。,增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控制回路中去，保证生产过程的正常运行。,对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。,采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。,另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。,6.1.3.2 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能力。它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。,设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。,选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。,系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。,软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查和排除故障。,6.1.3.3 实时性,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，不延误操作。,为了满足实时性要求，需要从硬件和软件两方面来考虑。,6.1.3.4 性能价格比,一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。一般我们要掌握以下两个原则：一是系统设计的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能低。,6.1.4 计算机控制系统的发展过程,1.直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）,2.集中型计算机控制系统,3.集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）,4.现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）,6.1.4.1 直接数字量控制,本质 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。,起始于50年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代,优点 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题 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。,6.1.4.2 集中型计算机控制系统,出发点：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，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。,优越性：从表面上看信息集中，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；便于实现优化控制和优化生产。,问 题：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成很多个回路容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系统变得十分“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。,6.1.4.3 集散控制系统,出发点（2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）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,DCS的功能层次,通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。,直接控制,经营管理,生产管理,过程管理,连续过程,间歇过程,离散过程,经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划,过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警,生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。,直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施,在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将2个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCS得以大大简化。,DCS的发展过程,6.1.4.4 现场总线控制系统,DCS向FCS的演变,传统计算机控制系统的结构示意图,定义,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。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换,把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点涉及整个自动化和仪表的工业“革命”,FCS现场总线控制系统,6.1.5 计算机控制系统的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，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,6.2 网络通信基础,1.2.1 什么是计算机网络？（略）,1.2.2 计算机网络的发展（略）,1.2.3 网络通信的基本概念,1.2.4 计算机网络的拓扑结构,1.2.5 网络传输介质,6.2.3 网络通信的基本概念,(1)模拟信号与数字信号,(2)并行传输与串行传输,并行传输：数据的各个位同时传输，可以字或字节为单位并行进行 速度快、通信线多、成本高 不宜远距离通信,串行传输：数据的各个位逐位传输 速度较并行传输慢、通信线少（一般24根）、成本低 适宜远距离通信 几乎所有的计算机控制系统均采用串行数据通信,(3)通信双方的交互方式,单工通信：数据只有一个方向的通信，没有反方向的交互 如计算机与键盘的通信 控制系统中应用极少,半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时 控制简单、可靠、成本低 控制系统中应用广泛（只需2根通信线即可）,全双工通信：双方可以交互数据，可以在同时 控制相对复杂、效率高、成本较高，需要2个信道 控制系统中应用较广泛 至少需要3根通信线（其中1根为地共用），或4根,(4)通信波特率、误码率,波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位bit”表示 也可以用“字节”表示 例如：ProfibusPA的波特率位31.25kbps ProfibusDP的最大波特率位12Mbps,误码率：错误码元（1个二进制位）数与传送码元数之比 工业用通信网络一般要求误码率在105109，甚至更小,(5)基带传输与频带传输,基带传输：按照数字波形的原样直接在信道上传输，数字信号几乎要占有整个频带，终端设备把数字信号转换成电(光)脉冲信号时，以“位”流为基本形式传输。基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高（110Mbps），传输距离不宜过远（因信号衰减容易发生畸变）。绝大多数局域网（包括控制局域网）都采用基带传输。基带传输需要对数字信号进行编码，常用的数据编码手段有：非归零码NRZ、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码频带传输：也称为载波传输，是一种采用调制、解调技术的传输形式。在发送端，将代表数据的二进制“1”和“0”，调制变换成具有一定频带范围的模拟信号；在接收方通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为“键控”调制方式主要有：幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)宽带传输：适用于传输影像、语音信息(不适于工控网络),(6)同步通信与异步通信,同步通信：就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。所有设备都需要使用共同的时钟。,异步通信：多用于字符传输，一个典型的异步通信过程是:,因为异步传输的数据不知道什么时候到达，为防止信息丢失，每一次信息传输都包含若干起始位。异步传输的效率较前者低。如传输1个字符需要8个位，外加至少1个起始位和1个停止位，就会增加25的开销，这对网络负载大的时候就是一个严重的问题。但计时漂移不会影响通信。,(7)RS232/RS422/RS485,6.2.4 计算机网络的拓扑结构,大型网络多采样网状拓扑。,6.2.5 网络传输介质,网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路，常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质等。,控制系统多用：带屏蔽的双绞线STP、光纤,6.3 开放系统互联参考模型,6.3.1 OSI/RM层次结构,6.3.2 OSI/RM信息流动过程,6.3.3 各层的主要功能,开放系统互联参考模型,互联网的发展,Open System Interconnection/Reference Model OSI/RM,OSI/RM是一种中立、不受任何厂家的约束与限制的理想模型。,6.3.1 OSI/RM 层次结构,A公司,A收发员(到邮局投递),B公司,B收发员(分发),类比例子,OSI参考模型的层次,6.3.2 OSI/RM信息流动过程,物理层是OSI/RM的最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数据交换的一层,负责传输bit位流。,6.3.3 各层主要功能,6.3.3.1 物理层,6.3.3.2 数据链路层,把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）看起来就像是一条不出差错的理想链路。,作 用,为网络层提供服务,传输数据的帧化处理,差错检测和流量控制,应具备的功能,6.3.3.3 网络层,网络层是OSI七层协议模型中的第三层，亦称为“通信子网层”，是通信子网与高层的边界。它以数据链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。网络层提供的服务应该按照以下目标设计：提供的服务和通信子网无关 对传输层隐蔽通信子网的数量、类型和拓扑结构。,线路交换,数据交换技术,存储转发,报文交换,分组交换,线路资源的利用率很低，为此线路交换方式只适合多媒体、语音、传真等数据量大的报文交换或实时、交互式报文交换，不适于一般计算机通信。,线路交换,数据交换技术,存储转发,报文交换,分组交换,中继,转存,寻找路由,转存,寻找路由,中继,存储转发方式提高了链路的利用率，一份数据报在任何时刻都只占用一条链路的资源。目前国际上流行的公共数据网都采用分组交换的方式。,报文分组,网络层主要功能,将来自上层的报文分为一定长度的分组，每一个分组中包括一个分组头，在其中标识源节点、目的节点的地址、分组的顺序号和其它控制信息，以保证在接收端能够将分组还原为完整的报文。,路由选择,拥塞控制,从理论上讲，OSI/RM是开放特性网络体系结构的典范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得十分周全。由于OSI模型本身并没有对每层的数据传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机网络起到了规范和指导作用。,小 结,6.4 TCP/IP协议,6.4.1 TCP/IP的基本情况,6.4.2 TCP/IP的层次结构,6.4.1 TCP/IP的基本情况,TCP/IP这个术语并不是单指一个协议，而是由100多个与之相关的协议和应用程序组成的一个协议族，以下是 3 个最主要的基本协议：,网间协议IP,用户数据报协议 UDP,传输控制协议 TCP,6.4.2 TCP/IP层次结构,网间协议IP,它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标，也就是IP数据报传送及IP路由选择。,用户数据报协议 UDP,UDP建立在IP协议之上，提供面向无连接的数据报传输。,UDP是一个不可靠的传输层协议，除了可以通过校验和来判断数据的完整性之外，它不进行任何其它检查，它不能保证数据报的接收顺序同发送顺序相同，甚至也不能保证它们是否全部到达，因此，基于UDP的通信进程必须自己解决诸如报文丢失、报文重复、报文失序、流量控制等可靠性问题。,在实际应用过程中，UDP主要适用于面向传输报文较少的交互式服务。如果为此建立面向连接的数据传输服务，则网络资源的开销太大，利用不可靠的UDP进行数据传输，即使因报文出错而重传一次，也比面向连接的数据传输更为有效。,传输控制协议 TCP,传输控制协议TCP是一种面向连接的、端对端的、高可靠性的数据传输层协议，它建立在不可靠的IP协议之上，数据传输的可靠性完全由TCP自己保证。,我们可以把TCP和IP形象地理解为有两个信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，外层再套上IP大信封，发送上网。在接收端，TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP几乎可以无差错地传送数据。,讨论控制系统中通常使用无连接还是有连接的数据传输方式？,操作站,控制站,