第1章 计算机控制概论

• 计算机与过程I/O子系统之间可以采用不同 的接口关系，这就决定了计算机控制系统 的结构模式，即内总线结构或外总线结构。 • 内总线在计算机各内部模块之间传送各种 控制、地址与数据信号，并为各模块提供 统一的电源，常用内总线如IBM PC总线、 多总线、STD总线、ISA总线、PCI总线等；
• 外总线是计算机系统之间或计算机与智能 设备之间进行信息传送的公共通道。常用 外总线有RS-232C、RS-485和USB等。
• DDC由计算机直接对生产过程进行控制， 计算机取代模拟调节器作为生产过程的控 制装置，通过模拟量输入通道(AI)和开关量 输入通道(DI)实时采集数据，按控制规律进 行数值计算，经模拟量输出通道(AO)和开 关量输出通道(DO)直接控制生产过程。
显示器 计 打印机 产 算 报警 机 操作台
图1-4 直接数字控制系统框图
• 技术更新
– 软硬件、检测、通信、网络技术的发展
• 体系的演化
– 从最初的数据监测与采集装置到直接控制系统， 再到分层控制的SCADA系统，进一步分散化 为DCS系统，以及PLC、FCS系统，规模日益 扩大，系统的组成也更为灵活。为提高企业的 市场竞争力，实施管控一体化的计算机集成控 制系统CIPS也在过程工业自动化中，日益得到 重视和发展 。
•
高可靠性
– DCS的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、 自诊断功能、抗干扰措施，高性能的元件等 方面。
DCS的结构与功能
管理层 生产管理 WEB服务 统计与优化 …... 设备维护
监督控 制与协 调优化
工程师站
操作员站
…...
操作员站
服务器/功能站
分布式处理单元 现场直 接控制 I/O ... I/O
– 整个DCS系统通过通信技术实现控 制指令及各种信息的传递和数据资 源的共享。
1．2．5 现场总线控制系统 （Fieldbus Control System, FCS）
• 现场总线是安装在制造或过程区域的 现场装置与控制室内的自动控制装置 之间的数字式、串行、多点通信的数 据总线。
• 基于现场总线和智能化仪表的现场总 线控制系统是新一代的分布式控制系 统。
PLC特点
• PLC可靠性高，抗干扰能力强，使用简单方 便 • PLC系统接线简单，设计容易，不需要用户 进行电路板的设计，因此开发周期短 • PLC系统具有标准的图形方式和文本方式的 组态软件，编程简单直观，程序易于调试 和修改 • 利用PLC网络和通信技术易于实现复杂的分 散控制任务
• ②为了保证实时性，采用实时操作系统并 增加了许多支持功能； • ③为了长期稳定工作，采取了包括冗余在 内的许多RAS（Reliability, Availability, Serviceability）技术。
1．1．1 过程计算机的硬件系统
CPU 外部设备 后援存储器 I/O接口 I/O控制器 模拟量输 入通道 模拟量输 出通道 数字量输 入通道 数字量输 出通道 测量变送 生 执行机构 产 过 程 电气开关
第1章 计算机控制概论
课程特点
• 综合性强
– 计算机控制技术是计算机科学技术、自动化理 论技术与客观对象紧密结合的产物，涉及到控 制论、信息论、电子技术和系统工程等诸多领 域。
• 应用广泛
– 从最初的炼油控制装置，到现在应用于国防、 工业、航天、运输、家电等不同领域的规模和 特征不同的计算机控制系统，对社会进步的重 要性与日俱增。
• 可编程序控制器（Programmable Logical Controller,PLC）是一种工业控制计算机， 能快速、可靠地构建控制系统。 • 与普通计算机的差别
– ①外观与PC机差异较大，适用于工业环境的安 装使用，可靠性高； – ②编程语言与PC机不同，一般采用图形化的编 程方式； – ③工作过程与PC机不同，为循环扫描工作方式。
（Supervisory Computer Control，SCC）
• 通常采用两级控制形式，由起监督作用的 上位机和面向生产过程的下位机组成。
显示器 DDC计算机 或调节器
. . .
打印机
报警
SCC 计 算 机
过程I/O 通道
生 产 过
DDC计算机 或调节器
过程I/O 通道
程
操作台
图1-5 计算机监督控制系统原理图
•
软件模块化
– 为用户提供了丰富的功能软件，主要包括控 制软件包、操作显示软件包、报表显示软件 包等，用户只需按要求选用即可。
• 控制组态化
– 具有常用的运算和控制模块 ，控制工程师只需 按照系统的控制方案 ，选择模块 ，并以填表 方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的 组态。
• 通信网络化
– 通信网络是分散控制系统的神经中枢，它将物 理上分散的多台计算机装置有机地联系起来， 实现了相互协调、资源共享的集中管理。
…...
分布式处理单元
I/O 现场变送器、执行器
...
I/O
• 其标准体系结构按功能分为三层功能结构： – 管理层主要功能为生产调度管理及厂级 优化；
– 监督控制和协调优化层主要是机组级的 集中操作、协调控制和运行优化，这部 分可分为运行人员操作站、工程师工作 站和监控计算机；
– 直接控制层由分布式多功能处理单 元组成，按功能分为现场控制站、 监测站，用于实现地理上分散的回 路控制和检测功能。
• 主要功能：
– 数据采集及预处理 – 内部信息的定期计算和处理
– 报警处理和操作指导
– 人机联系与信息输出等
过程输入通道 计 显示器 算 打印机 机 音响灯光 报警 操作 人员
测量变送 生 产 执行 机构 过 程
图1-3 计算机数据采集与处理系统框图
1．2．2 直接数字控制系统 （Direct Digital Control，DDC）
内
输入设备
I/O控制器
部
输出设备
I/O控制器
电气开关
总
通信接口

线
外部总线
内存
• 一、计算机 • 作用：数字控制器
• 结构：中央处理机（CPU）、内部存贮器 （RAM、ROM）、总线（数据、地址、控 制总线）及各种输入／输出（I/O）接口等。
• 类型：可编程序控制器（PLC）、工控机 （IPC）、单片机、数字信号处理器 （DSP）、智能调节器等，都是常用的控 制器。
过程输入通道
测量变送
生
过 过程输出通道 执行机构 程
DDC的功能
• 巡回检测：
– 显示参数值、打印制表、越限报警、故障自诊断、自 动/手动切换等。
• 多回路控制：
– 分时对各回路进行控制，是时间离散控制系统 。
• 系统组态：
– 通过人机接口，可根据控制功能需要，用软件来指定 功能块、以填表方式指定功能块的地址和参数，进行 功能块连接，亦可对控制器参数进行调整，称之为系 统组态。
FCS特点
• 只有管理级－现场总线控制级两层，结构 更分散，性能更可靠，造价更低
– 现场总线控制级一般包括工作站、现场 智能仪表 – 控制功能分散到现场智能仪表上
• 开放式互联，互操性，解决信息孤岛，为 生产管理的全数字化提供实现的可能。
1．2．6 可编程序控制器系统
（Programmable Logical Controller,PLC）
1．2．4 集散型控制系统
（Total Distributed Control System，DCS）
• 以多台微型计算机为基础，采用数 据通信和CRT显示技术，应用控制 理论，对生产过程进行分散控制、 集中操作、分级管理、分而自治和 综合协调的系统。
DCS的特点
• 硬件积木化
– 硬件采用积木化组装结构，系统配置灵活， 可以方便的构成多级控制体统。
学习意义
• 能源、电力等过程工业面向的是复杂、多 元及综合的系统，属于技术密集型的行业， 随着本体制造技术与生产工艺的进步，系 统越来越向大规模的方向发展，因此该行 业的安全、高效运作完全建立在高度的自 动化技术平台上，对生产信息化、自动化、 智能化的要求越来越高。
课程的发展
• 控制理论的发展
– 控制科学的发展过程
这门课程的内涵将日益得到丰富和发展
1．1 过程计算机控制系统的原理和组成
• 过程计算机控制系统原则性结构
给定 + 输出 数字计算机 D/A 执行器 对象
A/D 过程计算机系统
测量变送 生产过程
• 过程计算机
– 亦称工业控制计算机，是适应工业环境下生产 要求，在线、实时工作的计算机系统。
• 过程计算机的工作原理
• 实时性是指在一个确定的有限时间内，系 统对外部产生的激励必须作出响应。
• 并发性指系统要求同时完成多个相互独立 的任务，如过程控制中的采样、计算、打 印、控制等，这些任务一方面受到系统时 钟的定时控制，另一方面相互制约，使整 个系统中诸多任务并行工作，同步前进。 • 在线性指实时系统和被处理过程直接相连， 组成了一个嵌入式的计算机系统，具有很 高的可靠性要求。
• 系统软件主要包括操作系统、各种支持软 件（或称工具软件）以及语言和语言处理 程序。 • 过程控制应用软件一般包括过程输入程序、 基于经典、现代或智能控制理论控制算法 的过程控制程序、过程输出程序、人机接 口程序、打印显示程序及各种公共服务子 程序。
过程计算机软件系统的特点
• 过程计算机控制系统是实时系统 。实时系 统是指对响应时间要求比较高的系统，具 有实时性、在线性和并发性的特点。
• 知识更新快
– 随着计算机控制技术各相关学科的飞速发展， 如计算方法、控制策略、软硬件技术、网络通 信技术的不断推陈出新，这门综合性理论技术 被不断推向新的高度，成为知识内容更新最快 的学科之一。
两个方面
• 《计算机控制技术与系统》分两个方面