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10计算机过程控制系统计算机过程控制系统l随着计算机技术的迅速发展，将计算机用于过程控制系统，称为计算机过程控制系统。计算机过程控制系统综合了计算机生产过程和自动控制理论等方面的知识。数据通信技术是工业网络的关键技术。简介简介l在一个大规模的计算机过程控制系统中，常常会有很多的测量和控制对象，即使速度很高的计算机也难以满足要求，因此必须将任务分给多个计算机（或可编程序控制器，PLC）来协调运行，这就形成了分散控制系统（DCS）与现场总线控制系统（FCS），不同地点和不同功能的计算机（PLC）之间需要交换信息，把它们按照一定的协议连接起来就构成了计算机网络以及现场总线。本章内容本章内容10.1计算机过程控制系统组成与分类10.2数据通信技术10.3工业网络技术10.4可编程序控制器(PLC)系统10.5集散控制系统(DCS)10.6现场总线控制系统(FCS)10.1计算机过程控制系统组成与分类计算机过程控制系统组成与分类l10.1.1计算机过程控制系统简介l10.1.2计算机过程控制系统的组成l10.1.3计算机过程控制系统的类型主要特点主要特点l控制器的核心器件；l控制规律的实现方法；l控制功能的灵活性与先进性。10.1.1计算机过程控制系统简介计算机过程控制系统简介10.1.2计算机过程控制系统的组成计算机过程控制系统的组成l计算机控制系统的最基本特征是一个实时系统，它由硬件和软件两大部分组成。(1)硬件组成硬件组成l 主机l 测量元件和执行机构。l 输入输出通道又称过程通道。l 接口电路。l 控制台。图图10.2计算机控制系统一般硬件组成计算机控制系统一般硬件组成(2)软件组成软件组成l 系统软件l 应用软件系统软件系统软件l系统软件是主机基本配置的软件，一般包括操作系统、监视程序、诊断程序、程序设计系统、数据库系统、通信网络软件等。应用软件应用软件l应用软件是针对某一生产过程，依照控制系统设计人员的设计思想，为达到控制目的而设计的程序。应用软件一般包括基本运算、逻辑运算、数据采集、数据处理、控制运算、控制输出、打印输出、数据存储、操作处理、显示管理等程序。10.1.3计算机过程控制系统的类型计算机过程控制系统的类型l(1)巡回检测和数据处理系统l(2)直接数字控制系统(DDC)l(3)监督控制系统(SCC)l(4)集散控制系统(DCS)l(5)现场总线(Fieldbus)控制系统l(6)现场总线集散控制型控制系统(1)巡回检测和数据处理系统巡回检测和数据处理系统(2)直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)l 在线实时控制l 分时方式控制l 灵活和多功能控制图图10.4直接数字控制系统结构图直接数字控制系统结构图(3)监督控制系统监督控制系统(SCC)(4)集散控制系统集散控制系统(DCS)l集散控制系统(Distributed Control Systems)简称DCS，也称分布式控制系统，是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。l集散控制系统通常具有二层结构模式、三层结构模式和四层结构模式。图图10.7二层结构模式的集散控制系统二层结构模式的集散控制系统(5)现场总线现场总线(Fieldbus)控制系统控制系统(6)现场总线集散控制型控制系统现场总线集散控制型控制系统l随着计算机技术的发展，通用PC机及其系统软件、工具软件的性能迅速提高，而价格直趋下跌，这促使技术人员舍弃DCS的专用计算机体系结构及其独家自成体系的系统软件，而采用通过PC机及商品化系统软件，并将先进的现场总线技术融于系统之中，淘汰DCS的输入输出结构，从而推出一种面貌全新的现场总线集散控制型控制系统。生产过程控制系统的发展生产过程控制系统的发展l模拟控制系统l直接数字控制系统l计算机监督控制系统l多级控制系统l集散控制系统10.2数据通信技术数据通信技术l10.2.1异步传送与同步传送l10.2.2面向字符和面向位的传送l10.2.3平衡与不平衡传输技术l10.2.4RS-422/RS-485接口及应用通讯方式通讯方式l并行通信：数据的各位同时传送，可以用字并行传送，也可以用字节并行传送l串行通信：数据一位一位顺序传送波特率波特率l每秒钟传递二进制数据的位数图图10.9数据编码数据编码l不归零码NRZl归零码RZl曼彻斯特(Manchester)编码l差动曼彻斯特编码10.2.1异步传送与同步传送异步传送与同步传送l在异步通信中，发送的每一个数据字符均带有起始位、停止位和可选择的奇偶位。同步传送同步传送l同步通信需要与数据一起传送时钟信息。图图10.12同步通信格式同步通信格式10.2.2面向字符和面向位的传送面向字符和面向位的传送l面向字符的传送异步传送是面向字符的。在异步传送中通常采用ASCII编码。10.2.3平衡与不平衡传输技术平衡与不平衡传输技术l不平衡方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的；l平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。10.2.4RS-422/RS-485接口及应用接口及应用lRS-232C的电气接口是单端的、双极性电源供电电路。然而，RS-232C有一系列的不足，主要有：数据传输速率局限于20kbps；传输距离局限于15m；该标准没有规定连接器，因而产生了25插针等设计方案lRS-422A和RS-423A是RS-449标准的一个子集lRS-485是RS-422A的变形10.3工业网络技术工业网络技术l10.3.1工业网络概述l10.3.2网络协议及其层次结构l10.3.3IEEE802标准l10.3.4工业网络的性能评价和选型10.3.1工业网络概述工业网络概述l10.3.1.1网络拓扑结构l10.3.1.2介质访问控制技术l10.3.1.3信息交换技术l10.3.1.4差错控制技术10.3.1.1网络拓扑结构网络拓扑结构l星形 环形总线形树形10.3.1.2介质访问控制技术介质访问控制技术l在微机局域网中，由于各节点通过公共传输通路(也称之为信道)传输信息，因此，任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个节点服务，即被某节点占用来传输信息，这就产生了如何合理使用信道，合理分配信道的问题，也就是各节点既充分利用信道的空间时间传送信息，也不至于发生各信息间的互相冲突。传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。常用的传输访问控制方式常用的传输访问控制方式l(1)冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)l(2)令牌环(Token Ring)l(3)令牌总线(Token Passing Bus)10.3.1.3信息交换技术信息交换技术l(1)线路交换l(2)报文交换l(3)分组交换(1)线路交换线路交换l所谓线路交换(Circuit Switching)，是指通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。(2)报文交换报文交换l报文交换(Message Switching)不需要在两个站之间建立一条专用线路。如果某站想发送一个报文，它把目的站名附加在报文上，然后把报文交给节点传送。传送过程中，节点接收整个报文，并暂存这个报文，然后发送到下一个节点，直到目的站。(3)分组交换分组交换l分组交换(Packet Switching)综合了线路交换和报文交换的优点。首先将前面所说的报文分成若干个报文段，并在每个报文段上附加传送时所必需的控制信息，如图10.24所示。这些报文段经不同的路径分别传送到目的站后，再拼装成一个完整的报文。对于这些报文段，称为报文分组，它是分组交换中的基本单位。10.3.1.4差错控制技术差错控制技术l在通信线路上传输信息时，往往由于各种干扰，使接收端收到信息出现错误。提高传输质量的方法有两种：第一种方法是改善信道的电性能，使误码率降低；第二种方法是接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重新发送，直至接收到正确的信息为止。通常把第一种方法称为差错控制技术。差错控制技术包括检验错误和纠正错误。(1)检验方法检验方法l 奇偶校验l 循环冗余校验 奇偶校验奇偶校验l奇偶校验(Parity Check)是一个字符校验一次，在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位。奇偶校验位奇偶校验位l偶校验：如果一组给定数据位中1 的个数是奇数，那么偶校验位就置为1，从而使得总的1 的个数是偶数。l1000001-01000001l奇校验：如果给定一组数据位中1 的个数是偶数，那么奇校验位就置为1，使得总的1 的个数是奇数。l1000001-11000001 循环冗余校验循环冗余校验l循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)原理是，发送端发出的信息由基本的信息位和CRC校验位两部分组成BCDlBinary-Coded Decimal l二进制编码的十进制海明距离海明距离l长度相同的两个编码的对应数字不同的比特数l我们的简单编码存在的问题是两个有效的数字（“0”和“1”）之间的海明距离也是1。这样，一位错误会将一个有效的数字变成另一个有效的数字错误检测错误检测l我们所需要的编码方案是一位错误不会产生另一个有效数字无校验位1000010”B”1000011”C”有奇校验位11000010-”B”11000011-”A”错误检测错误检测l我们所需要的编码方案是一位错误不会产生另一个有效数字l如果两个数字之间的最小海明距离是D，那么我们最多可以检测出D-1位错误。l我们可以通过向任意长度的数字中加入一个挑选的奇偶校验位来增加一位错误检测功能，以确保任意两个有效数字之间的海明距离至少是2一位错误一位错误错误纠正错误纠正小结小结l要想检测D位错误：海明距离=D+1l要想纠正D位错误：海明距离=2D+1(2)纠错方式纠错方式l 重发纠错方式l 自动纠错方式l 混合纠错方式10.3.2网络协议及其层次结构网络协议及其层次结构l1977年国际标准化组织(International Standard Organization，简称ISO)提出了开放系统互联参考模型OSI(Open System Interconnection/Reference Model)。7层网络结构模型层网络结构模型10.3.3 IEEE802标准标准l电气与电子工程师协会(IEEE)是世界上最大的专业学会。成立于1980年2月的IEEE802课题组(IEEE Standards Project 802)于1981年底提出了IEEE 802局域网标准IEEE 802局域网标准与局域网标准与OSI对应关系对应关系10.3.4工业网络的性能评价和选型工业网络的性能评价和选型l从拓扑结构和介质访问控制方式的角度，对工业网络的性能进行评价，其评价准则可归纳为吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性五个方面。10.4可编程序控制器可编程序控制器(PLC)系统系统l10.4.1可编程序控制器概述l10.4.2梯形图l10.4.3PLC的指令系统l10.4.4PLC系统的设计l10.4.5PLC控制系统设计实例10.4.1可编程序控制器概述可编程序控制器概述l随着科学技术的进步，自动控制设备也在不断地更新进步，已经从传统的继电器控制、数字逻辑控制发展到了今天的计算机控制，可编程序控制器(Programmable Controller,简称PC)是针对传统继电器控制设备所存在的维护困难、编程复杂等缺点而产生的。由于早期的可编程序控制器只能实现简单的逻辑功能，故称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)。图图10.30PLC的基本结构的基本结构图图10.33PLC工作流程图工作流程图PLC的基本技术指标的基本技术指标l(1)CPU类型l(2)存储器容量l(3)I/O点数l(4)扫描速度l(5)编程软件l(6)扩展功能10.4.2梯形图梯形图l可编程序控制器是专为工业控制应用开发的。为方便广大电气技术人员使用，PLC的编程方法通常不采用一般微机的编程语言，而是各种面向控制的编程方法，如梯形图法、功能图法、逻辑图法等。其中，梯形图(Ladder Diagram)法是应用最为广泛的一种。10.4.2.1梯形图的符号梯形图的符号l(1)触点符号l(2)线圈符号l(3)数据处理指令符号l(4)“与”运算符号l(5)“或”运算符号10.4.2.2梯形图绘制原则梯形图绘制原则10.4.3PLC的指令系统的指令系统l(1)装入指令(LD，LDN)l(2)输出指令(=)l(3)取反指令(NOT)l(4)与指令(A，AN)l(5)或指令(O，ON)l(6)块与指令(ALD)PLC的指令系统的指令系统(续续)l(7)块或指令(OLD)l(8)脉冲指令(EU，ED)l(9)堆栈指令(LPS，LRD，LPP)l(10)定时器指令(TON，TONR)l(11)计数器指令(CTU、CTUD)10.4.4PLC系统的设计系统的设计l(1)功能设计l(2)结构设计l(3)梯形图设计l(4)编程设计l(5)调试运行10.4.4.2基本程序环节设计基本程序环节设计l(1)启动、停止程序l(2)二分频程序l(3)优先输入程序10.4.5PLC控制系统设计实例控制系统设计实例10.5集散控制系统集散控制系统(DCS)l10.5.1DCS概述l10.5.2DCS的分散过程控制级l10.5.3DCS的集中操作监控级l10.5.4DCS的综合信息管理级10.5.1DCS概述概述l自从美国的Honeywell公司于1975年成功地推出了世界上第一套集散型控制系统以来，经历了20多年的时间，DCS已经走向成熟并获得了广泛的应用。10.5.1.1DCS的体系结构的体系结构lDCS的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。图图10.43DCS的体系结构的体系结构10.5.1.2DCS的特点的特点l(1)硬件积木化l(2)软件模块化l(2)软件模块化l(4)通信网络的应用l(5)可靠性高10.5.1.3典型的典型的DCS10.5.2DCS的分散过程控制级的分散过程控制级l10.5.2.1现场控制站l10.5.2.2智能调节器l10.5.2.3可编程序控制器(PLC)10.5.3DCS的集中操作监控级的集中操作监控级l10.5.3.1显示操作站的构成l10.5.3.2显示操作站的功能10.5.3.1显示操作站的构成显示操作站的构成l监控计算机l键盘 操作员键盘工程师键盘lCRT显示器l打印机10.5.3.2显示操作站的功能显示操作站的功能l(1)操作员功能l(2)工程师功能(1)操作员功能操作员功能(2)工程师功能工程师功能l DDC标准三画面l 图形显示功能l 趋势曲线画面l 操作指导画面l 报警画面DDC标准三画面标准三画面l总貌画面l组貌画面l回路画面总貌画面总貌画面l用来监视集散型控制系统的运行状态，可指示出仪表的位号，测量的光柱图形。在本画面中可指示出一些运行状态发生异常时，相应的仪表位号指示变成红色，在闪光的同时，发出报警声音。组貌画面组貌画面l将DDC控制回路分成小组，通常每组8个回路，在操作时操作对应的键，就可选择出相应的组貌画面。DDC组貌画面每幅显示8个DDC回路。回路画面回路画面l也称调整画面。回路画面显示单个DDC回路的各参数，利用此画面可进行控制参数的修改、设定，完成单个回路的控制作用。在回路处于串级状态下，在回路画面上可同时显示出相关回路的状态及参数。10.5.4DCS的综合信息管理级的综合信息管理级l综合信息管理级在DCS中用来实现整个企业(或工厂)的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。DCS的综合信息管理实际上是一个管理信息系统(Management Information System，简称MIS)，MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。MIS由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成。本部分内容本部分内容l10.5.4.1MIS的基本概念l10.5.4.2MIS的组成l10.5.4.3DCS中MIS的功能10.6现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)l10.6.1现场总线网络系统l10.6.2现场总线控制系统(FCS)10.6.1现场总线网络系统现场总线网络系统10.6.1.2基金会现场总线网络系统基金会现场总线网络系统的组态信息的组态信息l为了使现场总线系统成为一个完整的、协调而有序工作的自动作系统与网络系统，在系统启动运行之前，要对作为系统组成部分的每个自控设备、网络节点规定其在系统中的作用与角色，设置某些特定参数，然后按一定的程序，使各部分设备进入各自的工作状态，并集成为一个有序工作的系统。组态信息层次组态信息层次l(1)制造商定义层组态信息l(2)网络定义层组态信息l(3)分布式应用层组态信息l(4)设备层组态信息10.6.2现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)l10.6.2.1现场总线控制系统的设计与组态l10.6.2.2现场总线控制系统软件现场总线控制系统的设计与组态现场总线控制系统的设计与组态l作为控制系统，现场总线控制系统在控制方案的制定和选择上与普通控制系统基本相同。下面将以锅炉汽包水位的三冲量系统为例，介绍现场总线控制系统在设计、安装、运行方面的特色，以及如何一步步实现现场总线控制系统。锅炉汽包水位的三冲量系统方案锅炉汽包水位的三冲量系统方案几个需考虑的问题几个需考虑的问题l(1)根据控制方案选择必需的现场智能仪表l(2)选择计算机与网络配件l(3)选择组态软件、人机接口软件MMIl(4)根据控制系统结构和控制策略所需功能块，以及智能现场设备具备的功能块库的条件，分配功能块所在位置。l(5)通过组态软件完成功能块之间的连接l(6)通过功能块的特征化，为每个功能块确定相应的参数l(7)网络组态10.6.2.2现场总线控制系统软件现场总线控制系统软件l(1)组态软件l(2)维护软件l(3)仿真软件l(4)现场设备管理软件l(5)监控软件本章小结本章小结l本章主要介绍了计算机过程控制系统的几种典型形式并对数据通信技术进行了较为详细的讨论，介绍了异步与同步传输、面向字符与面向位的传输、平衡与不平衡传输技术、RS-422/RS-485的接口与应用；对工业网络的拓扑结构、介质访问控制技术、信息交换与差错控制技术、网络协议及其层次结构、IEEE802标准、工业网络的性能评价和选型进行了介绍；本章小结（续）本章小结（续）l对可编程序控制器的基本结构、工作原理、梯形图的基本符号与绘制原则进行了介绍，并结合实例对PLC控制系统的设计方法进行了讨论；对计算机过程控制系统的两种典型形式集散控制系统、现场总线控制系统进行了详细的介绍。