工业控制计算机应用-高等过程控制第三篇.ppt

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1、工业控制计算机及其应用IPC（industrial personal computer）,第一章工业控制计算机的发展历(见参考书三),1.1 概述 工业控制计算机的发展大致可分为以下几个阶段：1.工控机的开创阶段 50-60年代 2.小型工控机的发展时期 60-70年代 3.工业微型计算机测量、控制系统和分散型工业控制系统发展时期 70年代中期 4.工业控制总线发展时期 80年代中期 如：STD总线；S-100总线 5.一体化的智能控制发展时期 机-电一体化 计控一体化 人-机一体化,1.2 计算机与工业自动化,一、电子技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的发展和完善，促进了 1.工厂自动化（

2、FA）2.农业自动化（BA）3.办公自动化（OA）4.住宅自动化（HA）“4A”技术已经成为国际上的热门话题,二、工业控制计算机的应用领域 工业过程的测、控自动化 工业过程控制是计算机的一个重要的应用领域，也是一种不同于一般计算机应用的领域。工控机正是为了满足这一 特定的应用领域而发展起来的。工控机现代工业实现自动化不可缺少的工具。包括：航空、航天、核能、电力、煤炭、石油、化工、冶金、机械、电子、交通、轻工、纺织等 举例：1、电力生产 2、化工过程 3、航空航天 4、楼宇综合自动化系统 5、其他,三、工业控制计算机的关键技术（9个方面）,环境考虑,过程 I/O总线,性能,应用接口,可靠性/可用

3、性,迁移策略,多供应商计算机联用,网络支持和管理,安全性,工业控制计算机的关键技术,1.3 我国工控机的研制与发展对策,一、我国工控机的发展概况 我国工控机有30多年的发展历史，可分如下四个阶段：,二、工控机的发展对策,我国工控机的发展对策为：（1）建立产业（2）发展阶段性原则（3）以应用促发展（4）技术上要突出 开放系统设计技术 可靠性技术 硬件工程 工程化技术 软件工程 测试工艺（5）确定发展重点功能模板、系统产品、实时软件、配套 外围产品a、分散型网络化控制系统、中小型用户同时发展b、实时软件的发展软件工程是是今后的重要任务 c、外部设备是工控机的人-机联系设备，要突出重点的发展。（6）

4、加快引进技术的消化吸收，做好国产化工作,1.4 工控机系统的基本组成,.,第二章 工控机的体系结构（参考书二）,2.1 工控机的特点 工控机工业控制机工业计算机IPC 用于工业过程检测、过程控制、数据采集处理（1）可靠性高 要求：平均无故障时间（MTBF）达到几万小时 平均故障修复时间（MTTR）尽可能低（2）实时性好 工控机需要配有实时多任务操作系统（RTDOS）（3）环境适应性强 工业现场环境恶劣，表现在：电磁干扰 供电系统波动接“地”系统复杂共模、串模干扰温度/湿度变化大另外要求：防尘、防腐蚀、防震动、耐冲击,（4）过程输入和输出配套较好 具有丰富的多种功能的I/O配套模板 如：模拟量、

5、开关量、脉冲量、频率量的I/O模板具有多种类型的信号调理功能 如：隔离型、非隔离型信号调理 各类热电偶、热电阻信号输入调理 电流、电压信号输入/输出信号调理（5）系统的可扩展性好（6）系统开放性好 便于：主机接口、网络通讯、软件兼容、升级等方面遵守开放性原则，便于:系统扩充、异机种连接、软件的可移植和互换等,（7）控制软件包功能强 要求：工控软件包 人机交互方便 画面丰富 具有系统组态和系统生成功能 实时和历史趋势记录功能 实时报警及事故追忆功能 具有丰富的控制算法：如：经典PID、模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定、在线自诊断等,（9）后备措施齐全 包括：供电后备 存储器信息保护 手

6、动/自动操作后备 紧急事故切换装置等（10）具有冗余性 例如：双机工作（双CPU）双机系统 双控制站 双操作站 双网通信 双供电系统 双电源 双机切换功能 双机监视软件,工 控 机 图 片,.,CONTEC公司产品,第三章 PC总线工业控制机（参考书二）,3.1 PC总线工控机的机械结构 PC总线 ISA总线、VESA总线、PCI总线的统称工业PC（IPC）是以PC总线为基础构成的工业计算机,工控机机械结构图,3.2 工控机的底板 例:14槽PC/AT总线底板,.,3.3 PC总线标准规范,一、概述1.ISA总线就是AT总线，是在XT总线基础上扩充设计的16位总线，寻址空间最大16MB，数据传

7、输率16Mbps2.EISA（extend industrial standard architecture）总线是32位总线，数据传输率32Mbps3.VL-BUSVESA也称VESA总线，是ISA总线的简单扩充，可以与ISA、EISA同时使用4.PCI总线是1993年Intel公司主导推出的，它支持并发CPU和总线主控部件操作，支持64位奔腾（Pentium）处理器。这是目前普遍应用的总线。,5.比较结论：目前在市场上，最成熟的总线ISA总线 发展主流总线PCI总线 理由：ISA总线结构的I/O接口卡种类多、品种全，已经发展了很多年。ISA总线已被绝大多数的工控机工作人员接受和掌握。ISA

8、总线基本能够满足多数工业控制领域的要求。ISA总线产品价格便宜。在要求速度高的外设使用中，可采用PCI总线，一般的总线底板有45个PCI插槽。结论：总之，目前市场上还是以ISA总线、PCI总线为主。,3.3 PC总线工控机主要类型,（参考书一 第11页）一、工控机的主要类型及功能 PC总线工控机 1.国内主要工控机产品 STD总线工控机 VME总线工控机 其中：PC总线工控机发展最快，所以在此介绍PC总线工控机。影响较大的三家工控机公司：台湾研华公司（ADVANDECH）日本康泰克公司（CONTEC）北京康拓公司 http:/www.深圳研祥 http:/www.E北京中泰 http:/www

9、.台湾威达 大众等,二、工控机主要类型,BOX-PC（盒式工业控制机）PANEL（盘式工业控制机）ISA总线IPC机VESA总线IPC机PCI总线IPC机工业级工作站新型工业控制计算机PC-104总线工控机,二、工控机主要类型,二、工控机主要类型,二、工控机主要类型一体化工控机,二、工控机主要类型,。,二、工控机主要类型,二、工控机主要类型,新型结构工业控制计算机特点：（1）WINDOWS监控画面与实时性相结合 问题：WINDOWS操作系统的人机界面是十分友好的，但是实时性较差。方法：为了提高实时性，在体系结构上采用多处理机结构，这些处理机均挂接在PC总线上。主处理机运行WINDOWS操作系统

10、，用于支持人机界面，多个从处理机分别执行是市、实时数据采集、顺序控制功能。IPC-90可支持6个从处理机并行工作，极大的提高了整机的实时性。（2）VEM工业结构（直插式结构）与PC总线相结合 每一个模块均带有小型的指示面板，便于运行维护及部件的维修更换。,（3）标准化的模块式体系结构 便于故障模块的更换，特别是能够进行模块的带电插拔。例如：主控模块、显示模块、网络模块、软盘模块、硬盘模块、模拟量、数字量输入/输出模块、通用智能I/O模块等（4）IPC与PLC接线方式结合（5）标准的通信网络，便于构成DCS系统。,总线型网络的DCS系统,.,环型网络的DCS系统,.,.,3.4 外围接口产品,（

11、参考书一，P18）一、概述 1、应用计算机对生产现场的设备进行检测，首先要把各种测量参数送入计算机，计算机对这些采样数据进行一系列的计算机处理后将结果数据输出。计算机的输出结果是以数字量的形式输出的，还必须转换成可对生产过程进行控制的量。因此，构成一个工业控制系统，除了IPC主机外，还需要配备各种用途的I/O接口产品。这类产品的性能优劣同样对整个系统具有举足轻重的影响，选购时应该考虑的问题：质量 软件支持能力 价格 后继开发和服务能力 不能选择：过渡性质的试验产品,输入信号：被测参数（压力、温度、液面高度等）测量一次元件 变送器电信号（电流或电压）信号转换（如0-5V的电压信号）模拟量输入模板

12、（模/数转换）数字量输入模板（整形）计算机 输出信号：计算机处理后的输出（数字量）数字量输出模（标准的电压信号）模拟量输出模板（数/模转换）执行机构,二、模拟量输入模板,1、模/数转换技术简述在当前的数据采集/转换系统中，多采用专用的A/D转换芯片。对应的常用转换方式为：计数比较式线路简单，转换速度慢；双斜率积分式精度高，也常被采用；逐次逼近式模/数转换技术兼顾速度和精度，应用最为普遍。逐次逼近式模/数转换电路组成：逐次逼近寄存器 数字/电压转换器 比较器 时序 控制电路等,举例：.A/D转换板 PC-6330,三、模拟量输出模板,四、数字量通道板和其它配套模板,1、数字量输入/输出模板 开关

13、量信号生产现场的各种两态开关信号，即高低电平信号。数字量模板完成工业现场的各类开关信号的输入/输出控制。是进行顺序控制所必须的。数字量模板 非隔离型TTL电平，抗干扰能力差 隔离型 光电隔离、磁电隔离 数字量输入板数字量模板 数字量输出板 数字量双向通道板（用于系统中的输入点和输出 点较少时）使用注意：“输入共阴”信号源的一端与光隔离的某一点相连，另一端接电源的负极“输出共阳”将输出的一端与电源的正极相连，另一端与负载相连。,举例：开关量输入卡6405,2、信号调理（Signal conditioning）板,作用：（1）将现场来的输入信号经过隔离、放大，成为工控机所能接受的统一信号电平（2）

14、将计算机的输出信号经过放大、隔离，转换成工业现场所需的信号电平。进行电平的移位。例如：开关型测量信号 频率脉冲型测量信号 调理成标准信号0-5V、0-1V 连续型信号 计算机的数据端口,。,3、通信模板,属于外围模板作用：沟通PC与PC之间、PC与其它设备之间的数据通信分为：智能型、非智能型两种通信方式 484/232方式或两种方式兼而有之通信口 416通道不等 可供选择通信波特率 7556000bps不等,5、远程I/O模块,远程I/O模块是近年来新发展起来的新型模板，它可以直接被放置在现场，将现场信号转换成数据信号，然后经远程通信线路传送给计算机作进一步的处理。由于各模块均是隔离的，因此，

15、可将这些来自不同模块的信号成组地与通信网络连接，大大减少了现场接线的成本。目前，远程I/O模块的通信网络采用RS-485标准总线，今后将向现场总线（Field BUS）方向发展。,。,5、远程I/O模块,。,。,远程I/O模块连接图,第四章 控制系统中的采集控制软件 4.1 概述（参考书一）,在实时工业控制系统中，高质量的硬件体系固然是十分重要的，但是，要完成控制任务，最终还要靠控制软件的执行来完成。因此，应用软件的性能优劣与整个系统关系是极大的，并在很大程度上决定了整个控制系统的运行效率和各项性能指标的最终实现。也就是说，为了实现特定的目标，需要进行应用程序的设计和开发。过去 现在的做法,3

16、、控制软件包(ONSPEC control pack)控制软件包用来在电脑里直接数字控制（DIRECT DIQITAL CONTROL）。（1）算法包括：人工神经网络控制 1 FOR 3 ANN标准PID Standard PID误差平方 Error-squared PID积分分离 Integral-tracking PID斜波 Ramp积分 Integrator超前滞后 Lead-Lag二阶滤波 Second order filter纯滞后 Dead time线性 Linear比率 Ratio,高选（High Slect）低选（Low Slect）中选（Middle Slect）限制（Lim

17、it）输入（Loader）（2）控制结构包括：反馈控制（Feedback Control)前馈控制(Feedforward Control)串级控制(Cascade Control)史密斯滤波(Smith Predictor)比率控制(Ratio Control)监督控制(Supervisory Control)设定值控制(Setpoint Control),4、PID自适应调节包（ONSPEC PID Self-Tuner）该软件包括以下功能：在线闭环调节(Online Close-LOOP Tuning)在线开环调节(Online Open-LOOP Tuning)批量触发调节(Batch

18、 Based Tuning)过程模型分析(Process Model Analysis)用户调节指导(Advisory MODE)自动热启动(Automatic Startup Warm Start),4.4 实时工业控制软件包FIX,FIX DMACS 控制软件由美国Intettution公司推出，是一种执行数据采集和控制、报警图形数据显示等功能的完整的工业自动化软件。有单机及分布式版本，可对生产过程进行全面的控制。FIX DMACS Windows是在Windows环境中运行的版本。1、主要功能（1）数据采集和控制功能：FIX DMACS提供了一个帮助监控生产过程的实时数据库。数据可以以文

19、本、模拟量或数字量的形式从控制现场采集到，通过对实时数据的操作实现监视或控制功能。,（2）统计过程控制：统计选项提供图表和基于实时处理数据的报警功能，操作员可以监视和调整生产过程。（3）图象化组态：FIX DMACS允许使用图象化的组态方式进行系统控制配置而不需编程，容易开发和维护应用系统。（4）报警和报警管理：FIX DMACS 对生产过程进行持续的监视并对潜在的问题环节进行及时报警。使用者可通过报警组态定义所需的报警上下限值。报警信息可由画面或打印机输出，并形成报警文件予以存储，并自动记录操作信息。FIX DMACS 的操作员画面为生产过程提供了快速的、直观的分析工具。,据此，操作员可以很

20、快进行确认，分析和判断报警，进行需要的过程调整操作，并可直接从计算机上根据图象监视调整结果。（5）历史趋势：FIX DMACS 提供的历史数据和趋势显示功能可供进行离线分析过程数据之用。历史趋势显示功能可用曲线方式表示各种趋势，并可表现不同变量之间动态关系。由历史数据形成的历史文件也可被输出到其他的管理程序中，以便进行进一步的详细分析。（6）安全保护：FIX DMACS 提供了用户操作的安全功能，使之能够控制对系统应用和数据的访问。用户可被定义为独立特权和组特权，系统同时自动生成跟踪文件。,（7）交叉平台集成功能：FIX DMACS For Windows可以很容易地与FIX DMACS的DO

21、S，OS/2，VMS版本连接在一起，由FIX DMACS采集的实时数据可被连接到同一网络中的所有平台共享 这种灵活性使用户可兼顾考虑不同的操作系统的成本和相应的功能，选择其中所需功能进行最优化混合组态，取得最佳效果。FIX DMACS GUI上生成的数据库、操作员画面和历史文件能够在不同的操作平台（Windows，OS/2，VMS）之间实现传递和共享，从而大大简化了多个操作系统共存时的网络设置。（8）分布式数据库管理：FIX DMACS可根据应用需要将数据发送到需要这些数据的节点机上。这样，在网络的每一个节点上，不需要数据库的拷贝，使网络数据流量减至最少，并确保当前数据就是用于决策分析的所需数

22、据。FIX DMACS的分布式结构还允许在不停机的情况下方便地扩充系统配置。,4.5 实时工业控制软件包_组态王,制作一个工程的一般过程 建立新组态王工程的一般过程是：1.设计图形界面（定义画面）2.定义设备3.构造数据库（定义变量）4.建立动画连接5.运行和调试需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：图形 用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。数据 怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各

23、种属性，比如温度，压力等。连接 数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。,5.5 工业控制系统设计的一般步骤,一、确定系统任务必须针对控制对象的工作过程和工艺流程进行分析归纳，明确具体要求，确定系统所要完成的任务.形成说明书。二、选择工控机主机和外围设备主机考虑运算速度、寻址范围、环境适应性等都满足要求；外形：涉及到安装方式。三、确定总体方案 1、确定主要的控制算法，确定控制对象的各种控制量，并描述好与其对应的输出量间的数学关系，这就是控制量的数学形式，也称为控制算法。软件产品中带有算法库可供调用，用户也可

24、以添加一些特殊的算法进去。2、根据控制要求和算法需要进行存储器容量、主要是内存区域分配。,3、确定过程输入输出通道，是总体设计的重要内容。应根据控制对象的要求确定I/O通道点数和类型。包括I/O通道中的位数长度、数据转换和传输速率，数据采集和传输所需的I/O通道的数量等。4、中断方式和优先级别的确定程序处理中断灵活，但速度慢用硬件处理中断响应速度快，但要配备中断控制部件用中断处理的专用模板来解决5、系统总线的选择,第六章 其它工控机应用,6.1 计算机集成制造系统一、计算机集成制造或计算机集成制造系统的含义 计算机集成制造和计算机综合制造（CIMcomputer Integrated Mann

25、ufacturing）是在1973年由美国Joseph Harrington博士首先提出的。20多年来，CIM的概念不断丰富，但是至今尚无权威性的定义。计算机集成制造是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理。它借助计算机硬、软件技术，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术、将企业生产全过程中人、技术、经营管理三大要素及其信息与物流有机集成并优化运行，以实现产品的高质量、地消耗，从而使企业在激烈的市场竞争中保持不败。图6-1是计算机集成制造的三要素示意图。,图6.1 计算机集成制造的三要素示意图,计算机集成制造系统（CIMScomputer Integrated Man

26、nufacturing Systems）是基于CIM组成的系统。它是通过计算机硬、软件技术，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术、将企业生产全过程中人、技术、经营管理三大要素及其信息与物流有机集成并优化运行的综合自动化系统。图6-2是计算机集成制造系统及其信息与物流组成的系统示意图。,图6-2 计算机集成制造系统及其信息与物流组成的系统示意图,值得注意的是，根据企业实际情况，各企业中实现的计算机集成制造系统在规模、组成、实现途径及运行模式等方面将各有差异。目前，计算机集成制造系统有多种分类方法。按设计时间相对产品发送周期可分为：库存生产型（Production

27、Tostock）、成批生产型（Variant Mass Production）和作业定单生产型（Job Order Production）。按企业生产方式可分为：连续型、离散型和混合型。按包含的企业生产过程中环节的范围又可分为：局部计算机集成制造系统、全面计算机继承制造系统等。,二、计算机集成制造系统的组成、功能和结构1、计算机集成制造系统的功能 计算机集成制造系统的功能如图6-3所示,一般，计算机集成制造系统可分为四个子系统：管理经营子系统、工程分析/设计子系统、数据信息管理、与通讯子系统。每个子系统皆由人、硬件、软件组成。各子系统间有信息流交换与集成。在制造子系统中还有物料（原材料、外购器

28、件、零部件、自制件、外购部件、半成品、产品）及工具的流动。经营管理子系统包括（1）经营分析决策（企业规划、年度生产经营计划等）；（2）销售管理（市场、定单、合同执行、销售分析等）；（3）物料管理（采购、库存、物料供应等）；（4）生产管理（生产计划、能力平衡、计划执行和评估等）；（5）人事管理（工时定额、劳资、劳资、劳动力、培训计划等）；,（6）财务管理（成本、资金、帐目、收支、财务计划等）；（7）资源管理（物资、设备等）；（8）质量管理（质量保证体系、质量信息、质量法规控制执行）等 工程分析与设计子系统包括 工程分析、产品设计、工艺规划、工具设计、数控编程等。对离散型制造业，制造子系统包括车间

29、、单元、工作站作业调度与监控；工具、加工设备、仓库、物料传递、测量设备等的管理与控制；物流系统的调度与监控等。数据信息管理与通讯子系统包括 基于计算机硬件、系统软件和支撑软件的开发环境，数据库管理系统以及网络通讯调度协议与硬件等。,2、计算机集成制造系统递阶控制系统 计算机集成制造系统是一个复杂的大系统，通常采用递阶控制体系结构。图6-4所示的是AMRF五层递阶控制结构。,五层递阶控制结构示意图,6.2 智能机器人,机器人Robot是一种能够模仿和执行人类四肢操作与运功能动的机电计控一体化的多功能机器。机电计控机械、电子、仪器、计算机、控制智能机器人是一种能够在各种环境下自主地或交互地执行各种

30、拟人任务的机器人。一、机器人的体系结构1、组成 任务 四部分 环境 控制器 执行装置 执行机构 高速机构 关节机构,智能机器人系统的典型框图,二、机器人的分类,1、30年来，机器人经历了3代的发展。第一代：示教再现型机器人第二代：感觉型机器人第三代：智能型机器人 机器人的迅速发展是在1980年以后才开始的。此后，机器人的产量和产值都以平均每年20%30%的速度增长，世界机器人的需求每两年翻两翻。2、机器人的分类操作机器人 操作机器人是指具有移动、操作的控制器和执行机构，由操作人员遥控的机器人；,顺序控制机器人 顺序控制机器人是指按照给出的信息顺序操作的机器人；示教再现机器人 示教再现机器人是指

31、在操作控制下对机器人进行运动示教，然后可进行重复操作的机器人；数控机器人 数控机器人是指依照输入的数字信息或程序来操作的机器人；智能机器人 智能机器人是指通过人工智能决定自己动作的机器人。后三类机器人越来越受到人们的欢迎。,三、机器人的研究领域,机器人研究领域,传感与感知系统,驱动建模控制,自动规划与调度,计算机系统,其他领域,应用研究,1、传感器与感知系统 传感器与感知系统的研究包括：各种新型传感器的开发，包括视觉、触觉、听觉、接近感、力觉、临场感等；多传感系统与传感器融合；恶劣工况下的传感技术传感器数据集成连续语言理解与处理主动视觉与高速运动视觉传感系统软化传感器硬件模块化,2、驱动、建模

32、与控制驱动、建模与控制的研究包括：超低惯性驱动电机直接驱动与交流驱动离散事件驱动系统的建模、控制与性能评价控制机理控制系统结构控制器接口控制算法在线控制和实时控制分组协调控制与群控自主操作与自主控制控制系统动力学分析声音控制与语言控制,3、自动规划与调度环境模型的描述协调操作规则控制知识的表示装配规则路径规则基于传感信息的规则任务规则任务协商与调度非结构环境下的调度制造系统中机器人的调度含有不确定性时的规划,4、计算机系统智能机器人控制计算机的系统结构神经计算机与并行计算机通用与专用计算机语言人机通讯标准化接口5、智能机器人的应用领域机器人在工业、农业、建筑和医疗中的应用机器人在核能、高空、水下和其他危险环境中的应用采矿机器人,康复机器人军用机器人排险机器人和抗暴机器人灾难救援机器人机器人在CIMS和FMS中的应用微电子-机械系统的设计与超微型机器人产品及其自动加工的协同设计机器人,