过程控制仪表计算机控制装置第06章.ppt

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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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录1计算机控制装置计算机控制装置20052005年年5 5月月张光新张光新控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录2主要内容主要内容第六章第六章*计算机控制基本知识计算机控制基本知识第七章第七章*可编程控制器可编程控制器第八章第八章 集散控制系统集散控制系统第九章第九章*现场总线控制系统现场总线控制系统第十章第十章

2、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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录3大块部分大块部分大块部分大块部分一一.计算机控制基础知识计算机控制基础知识二二.实用计算机控制技术实用计算机控制技术(1)PLC*(2)DCS 面向：小型对象、大型对象、大型复杂对象面向：小型对象、大型对象、大型复杂对象三三.网络通信、信息集成和利用网络通信、信息集成和利用(1)现场总线现场总线(2)工业以太网工业以太网(3)多总线系统及信息集成多总线系统及信息集成 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装

3、置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录4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：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：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：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 1、要求工业自动化系统利用、要求工业自动化系统利用、要求工业自动化系统利用、要求工业自动化系统利用FBFB技术、信息技术和通信技术的发展优势，技术、信息技术和通信技术的发展优势，技术、信息技术和通信技术的发展优势，技术、信息技术和通信技术的发展优

4、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；动化的整体性和稳定性等；动化的整体性和稳定性等；动化的整体性和稳定性等；2 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、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、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、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

5、开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。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、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、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、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、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现

6、场总线、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。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录5第一部分第一部分第一部分第一部分 计算机控制基础知识计算机控制基础知识计算机控制基础知识计算机控制基础知识控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信

7、息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录6前言前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人工控制人工控制人工控制人工控制 进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调节节器器常规仪表控制常规仪表控制常规仪表控制常规仪表控制控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录7单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图单回路控制系统方块图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、执行器四个基本环节：被控对象、检测仪表、控

8、制器、执行器四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显示仪表根据需要可选）（显示仪表根据需要可选）（显示仪表根据需要可选）（显示仪表根据需要可选）通常安装通常安装于控制室于控制室通常安装通常安装于于 现场现场控制器(调节器)被控对象测量变送装置（检测仪表）+SP执行器显示仪表阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀泵：开关泵、变频泵泵：开关泵、变频泵温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪温度（压力、液位、流量）变送器、

9、在线成分分析仪 (通常输出：通常输出：通常输出：通常输出：420mA420mA、1 15V5V等标准信号）等标准信号）等标准信号）等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关液位开关、料位开关、接近开关液位开关、料位开关、接近开关液位开关、料位开关、接近开关(通常输出通常输出通常输出通常输出on/offon/off信号信号信号信号)传感器（传感器（传感器（传感器（Pt100Pt100、热电偶、热电偶、热电偶、热电偶）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录8现场仪表：主要指安装

10、在工业现场的各种现场仪表：主要指安装在工业现场的各种变送器变送器、执行器执行器及其他及其他测量仪表测量仪表。变送器选型变送器选型：量程、安装方式、材质（耐压、防腐）、防爆：量程、安装方式、材质（耐压、防腐）、防爆执行器选型执行器选型：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压）：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压）使用使用：零点调整、量程调整、零点迁移以及其它日常维护和维修等：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室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器控制器 （调节器）（调节器）、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

11、计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录9进进料料口口执执行行器器变变送送器器调调调调节节节节器器器器 进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控控控制制制制站站站站控制站：数字调节器、控制站：数字调节器、IPC、PLC（可以广义地理解为带有（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）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录10进进料料口口执执行行器器变变送送器器控控制制站

12、站 AIAI、DIDIAOAO、DODO控制站A/D（AI）：模）：模/数转换（模拟量输入）数转换（模拟量输入）DI ：开关量输入（数字量输入）：开关量输入（数字量输入）D/A（AO）：数）：数/模转换（模拟量输出）模转换（模拟量输出）DO ：开关量输出（数字量输出）：开关量输出（数字量输出）控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录11I/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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息

13、学院控制系上页上页下页下页目目 录录12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示意图典型的计算机控制系统结构示意图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录13内内 涵涵：生产

14、过程自动化生产过程自动化*（过程控制、优化控制（过程控制、优化控制）信息管理自动化信息管理自动化(+(+客户管理、物流管理客户管理、物流管理，这是今后的，这是今后的发展方向发展方向)（即计算机综合自动化）（即计算机综合自动化）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

15、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（DDCDDC）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（DCSDCS）现场总线（工现场总线（工业以太网）控制业以太网）控制？控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录146.计算机控制的基本知识计算机控制的基本知识6.1 计算机控制概述计算机控制概述 6.2 网络通信基础网络通信基础6.3 开放系统互联参考模型开放系统互联参考模型6.4 TCP/IP协议协议 6.1.1 6.1

16、.1 什么是计算机控制什么是计算机控制什么是计算机控制什么是计算机控制 6.1.2 6.1.2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成 6.1.3 6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想 6.1.4 6.1.4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 6.1.5 6.1.5 计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征计算机控制系统的发展特征控制仪表和计算机控制装置控

17、制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录15调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mA控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mAD/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040954 mA输入输入0000 0000 000020mA输入输入1111 1111 111112mA输入输入？6.1.16.1.1什么是计算机控制什么是计算机控制典型单回路控制系统方

18、块图典型单回路控制系统方块图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录16工作过程工作过程控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mAD/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

19、置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录176.1.2 6.1.2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机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硬件组成硬件组成控制仪表和计

20、算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录186.1.2 6.1.2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本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，它是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。支持软件及各种应用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

21、统软件。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。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。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，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。

22、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。软件组成软件组成控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录196.1.3 6.1.3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学

23、信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录206.1.3.1 可靠性可靠性 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。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。它通常用它通常用概率概率来表示来表示 (1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠可靠度度单个零件、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、振动和在规定的环境温度、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。挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。例

24、如：在例如：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现故障，只在上述规定条件下使用未出现故障，则其可靠度则其可靠度R R0.950.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高样本越高，所得可靠度的准确性就越高控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录21(1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠可靠度度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度有关，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：还与系统的构成方

25、式有关：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。R1RnR1Rnn个串连子系统n个并联子系统a.串连系统 b.并联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有一个子系统失效，系统就会失效中只要有一个子系统失效，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R1=R2=0.9，R并0.99R1=R2=0.99，R并0.9999控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页

26、下页下页目目 录录22(1)1)可靠性指标可靠性指标平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBFMTBF(*)(*)(mean time between failures)(mean time between failures)MTBFMTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间 平均故障修复时间平均故障修复时间MTTRMTTR(mean time to repair)(mean time to repair)MTTRMTTR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

27、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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录23(2)(2)提高可靠性的主要措施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。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。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。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。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

28、。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。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。采用分散控制思想。采用分散控制思想。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。制回路中去，保证生产过程的正常运行。制回路中去，保证生产过程的正常

29、运行。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。对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。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。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。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。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。另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样

30、也与应用软件直接相关。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。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。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。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。控制仪表和计算机控制装

31、置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录246.1.3.2 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能力。可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。它主要体现在它主要体现在它主要体现在它主要体现在易于查找故障，易于排除故障易于查找故障，易于排除故障易于查找故障，易于排除故障易于查找故障，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。设计合理的系统结

32、构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。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。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。备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。系统

33、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。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。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。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。和排除故障。和排除故障。和排除故障。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息

34、学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录256.1.3.3 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、运算和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。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，需要从为了满足实时性要求，需要从为了满足实时性要求，需要从为了满足实时性要求

35、，需要从硬件硬件硬件硬件和和和和软件软件软件软件两方面来考虑。两方面来考虑。两方面来考虑。两方面来考虑。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录266.1.3.4 性能价格比性能价格比 一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同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，即系统性能时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能时，

36、也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能时，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。和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。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：一般我们要掌握以下两个原则：一般我们要掌握以下两个原则：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；一是系统设计的性能价格比要尽可能高；一是系统设计的性能价格比要尽可能高；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。二是投入产出比要尽可能低。二是投入产出比要

37、尽可能低。二是投入产出比要尽可能低。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录276.1.4 6.1.4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程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（Fieldbus

38、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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录286.1.4.1 直接数字量控制直接数字量控制本质本质本质本质 用一台计算机取代一组模拟调节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控制技术简单地取代模拟控制技术。术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象）起始于起始于起始于起始于50505050年代末期，开辟了一个轰年代末期，开辟了一个轰年

39、代末期，开辟了一个轰年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代轰烈烈的计算机工业应用时代轰烈烈的计算机工业应用时代轰烈烈的计算机工业应用时代 优点优点优点优点 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PIDPID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DDCDDC也很快发展到也很快发展到PIDPID以外以外的多种复杂控制。的多种复杂控制。问题问题问题问题 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

40、仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录296.1.4.2 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统出发点：出发点：出发点：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。尽可能多的控制回路。CRT、键盘过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控变量操作变量输入子系统输出子系

41、统集中型计算机控制系统原理图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录30优越性：优越性：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。问问 题：题：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成很多个回路用一台计算机控制成很多个回路

42、容易出现负荷过载容易出现负荷过载，而，而且控制的集中也直接导致且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，高度的集中使系统变得十分统变得十分“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浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息

43、学院控制系上页上页下页下页目目 录录316.1.4.3 集散控制系统集散控制系统出发点（出发点（出发点（出发点（2 2 2 2个方面）：个方面）：个方面）：个方面）：(1)(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)(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:控制的分散性控制的分散性控制的分

44、散性控制的分散性和和管理的集中性管理的集中性管理的集中性管理的集中性控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录32DCSDCS的功能层次的功能层次通常分为：通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从各级从“上级上级”获取指获取指示，从示，从“下级下级”获取信息，产生对获取信息，产生对“下级下级”的控制。的控制。直接控制直

45、接控制经营经营管理管理生产管理生产管理过程管理过程管理连续过程连续过程 间歇过程间歇过程 离散过程离散过程经经营营管管理理级级居居于于工工厂厂自自动动化化系系统统的的最最高高一一层层，负负责责全全厂厂广广泛泛的的工工程程、经经济济、商商务务、人人事事以以及及其其它它的的工工作作。如如：市市场场 分分 析析、销销 售售 和和 生生 产产 计计 划划过过程程管管理理级级主主要要功功能能包包括括回回路路组组态态、优优化化控控制制、性性能能监监视视、故障监测、记录、报警故障监测、记录、报警生生产产管管理理主主要要完完成成生生产产规规划划，生生产产监监视视，根根据据用用户户订订单单、库库存存、能能耗耗约

46、约束束、能能耗耗需需求求等等指指标标进进行行生生产产调调度度。在在许许多多DCSDCS中，这级就充当最高管理层中，这级就充当最高管理层。直直接接控控制制级级主主要要功功能能包包括括现现场场数数据据采采集集、过过程程监监视视、故故障障诊诊断断，控控制制输输出出、安全性能和冗余性能的实施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 2 2 2个或多个功能个或多个功能个或多个功能个或多个功能层上的任务或部

47、分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使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DCSDCSDCSDCS得以大大简化。得以大大简化。得以大大简化。得以大大简化。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录33 DCS的发展过程的发展过程划分划分起始时间起始时间主要特征主要特征119751975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

48、系统统TDC-2000，技术特征是，技术特征是集散集散。280年代初年代初技术特征是引入局域网技术特征是引入局域网LANLAN 380年代末期年代末期90年代初年代初技术特征是技术特征是管控一体化管控一体化 490年代中期年代中期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开放性和标准化和标准化。总结：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，但现代作为关键字，但现代发展更着重于系统信息综合管理，今后发展更着重于系统信息综合管理，今后“综合综合”又将成为其关键又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、

49、管理体系的综合自字，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，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、信实现设备互连和资源网络化共享，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，以至最高层的战略决策，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高度自动化的管控一体化系统。形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学

50、信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录346.1.4.4 现场总线控制系统现场总线控制系统传统计算机控制系统的结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图朴素意义上的朴素意义上的 FCS FCS结构示意图结构示意图 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录35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。结构的通信网络。支持双向、多节点、总线式的支持双向、多节点、总线式的全