第1章 火电厂计算机控制系统概论
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火电厂计算机控制技术应用的初始阶段.
普遍采用的是集中型计算机控制方式，即用 一台计算机实现几十甚至几百个控制回路和若干 过程变量的控制、显示以及操作、管理等。
与常规的模拟仪表控制系统相比，集中型计 算机控制具有更多的优越性。
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但是，集中型计算机控制也存在着严重的不足， 主要反映在：
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1、被控对象 它是被控制的生产设备或生产过程，是控制系统构
成的必备客体。实际存在的被控对象是多种多样的，按 照输入输出的个数分类，有单输入单输出对象、多输入 单输出对象、多输入多输出对象。
2、主机 是系统的核心。由CPU﹑RAM﹑ROM﹑（I/O）电路、
时钟电路和其它支持电路等组成。主机根据生产过程的 各种实时信息，按照预定的存放在ROM的程序和一定的控 制规律，自动地进行数据采集、数据处理﹑逻辑判断﹑ 越限报警、控制运算等，并产生所需要的控制作用，向 被控对象发送控制指令。
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第二节 火电厂生产自动化的历史概况
大体经历了以下三个阶段：
一、就地控制阶段（20—40年代间） 仅能对发电机组实现简单的自动控制。所有
控制系统分散在各控制对象所在的车间就地安 装，各控制系统间相互独立，没有任何联系。 运行人员在就地设置的控制表盘上进行监视和 操作。 所应用的控制设备大都是大尺寸的基地式仪表。
据格式的公共通路，是一组信号线的集合。一般有单总线﹑ 双总线和多总线之分 ，也有内部总线和外部总线之分。
接口是外部设备﹑过程通道、操作员站等与系统总线之 间的挂接部件，用来进行数据格式或电平的转换﹑信息的传 输或缓冲。通常有串行接口、并行接口、管理接口、脉冲接 口之分，也有专用和标准之别。
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1、数据采集与处理系统 2．直接数字控制系统 3、操作指导控制系统（又称计算机开环监督控制系统） 4、监督控制系统 5、分级控制系统
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1、数据采集与处理系统 （Data Acquisition System简称DAS ）
严格地说，DAS不属于计算机控制的范畴，其 输出并不直接控制生产过程，但是，任何计算机控 制系统都离不开数据的采集和处理，因此，DAS是 计算机控制系统的基础和先决条件。
7、通讯设备 是实现不同的功能﹑不同地理位置的计算机（或有关设
备）之间进行信息交换的设备。例如计算机通讯网络﹑网络 适配器﹑通讯接口、通讯媒体等。
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二．软件部分
计算机软件可分为三大类：
1、系统软件 运行和管理计算机系统的基本程序。是计算机
操作运行的基本条件之一，它一般包括管理计算机 资源的实时多任务操作系统、数据库管理系统﹑网 络管理系统、引导程序、调度执行程序、监控程序 等。
19
6、过程通道 是计算机和生产过程之间信息传递和变换的桥梁和纽带。
按照传送信号的形式可分为模拟量通道、开关量通道、数字 量通道、脉冲量通道，按照信号的传送方向可分为输入通道 和输出通道。
（1）输入通道
模拟量输入通道：接受随时间连续变化的物理量信号， 开关量输入通道：接受只有0和1两种状态的信号， 数字量输入通道：接受二进制编码、BCD码信号，
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13
综合自动化是一种集控制、管理、决策为一 体的全局自动化模式。
目前，开放型分散控制系统的应用，为综 合自动化的实现奠定良好的基础。火电厂正沿 着综合自动化的方向向前发展。
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第三节 计算机控制系统的基本组成
由系统硬件和软件两大部分组成。
一．硬件部分 组成计算机控制系统的硬件一般包括：被
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应用软件的开发人员除掌握计算机应用技术外， 还应了解被控对象的运行方式、动态特性以及控制 要求，才有可能合理开发应用软件。
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第四节 计算机控制系统的基本类型
计算机控制系统的分类方法很多，可以按系 统的功能﹑控制规律、结构﹑控制方式等进行不 同的分类。
一、按系统的功能分类 按照系统的功能分类，有以下五种类型：
系统原理框图如图1—2所示。
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过程 输入通道
被
过程
控
输入通道
对
象
过程 输入通道
接口
接口 . . . . . 接口
显示
计
算
打印
机
报警
图1--2 数据采集与处理系统
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DAS系统的基本功能：
• 参数巡回检测与采集； • 采集信息的判断、处理和运算； • 屏幕显示或打印出各种数据和图表； • 异常工况下的声、光报警； • 数据的存储和历史资料保存； • 参数的实时分析和趋势分析等。
系统构成原理如图1—5所示：
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测量
.
.
.
输入通道 .
.
.
被
控制
控
.
. 模拟或 数字
. 控制器
. . . .
脉冲量输入通道：接受脉冲量形式的信号，
任何输入通道皆通过传感器、变送器测量被控对象的有 关过程信息，并将这些信息转换成计算机所能识别的代码。
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（2）输出通道 模拟量输出通道：将计算机的输出经D/A转换为模拟量， 开关量输出通道：计算机逻辑信号的输出通道， 数字量输出通道：计算机数字信号的输出通道，
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3、操作站 是各类操作人员与系统之间实现信息交换的设备。常称
之为“人机联系设备” ﹑“人机接口设备” 。
操作站一般由：CRT显示装置﹑触摸屏﹑数码显示器、通 用或（和）专用键盘﹑鼠标或轨迹球﹑指示灯、声讯器、以 及专用的操作显示面板等组成。。
用于实现对系统运行的有关操作﹑操作结果的显示﹑生 产过程的状态监视和报警
电动单元组合仪表；﹑ 组件组装式仪表； 以微处理机为核心的数字式仪表。
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三、计算机控制阶段（60年代—今）
实现计算机控制的主要因素： • 过程工业的发展与需求； • 计算机的发展与普及； • 现代控制理论的产生与应用。
计算机控制的发展分三阶个段：
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（一）集中型计算机控制
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二、集中控制阶段（40—60年代间）
40—50年代，将锅炉和汽轮机的控制系统表 集中安装在一起，由运行人员同时监视和控制 机、炉的运行。 所采用的控制设备主要是电(气)动单元组合仪表。
50—60年代，将整个机组的监视和控制表盘 集中在一个控制室内，对机、炉、电三者实现集 中控制与管理。 此时采用的控制设备有：
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八十年代以来，火电机组基本上都采用分散 控制系统。
分散控制系统的应用及其自身的不断完善与 发展，加速了火电厂自动化的进程。
在此基础上，火电厂正向着更加完善、更高层 次的综合自动化方向发展。
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（三）综合自动化
综合自动化是在对各局部生产过程实现自动 控制的基础上，从全局最优的观点出发，把火电 厂的运作体系视为一个整体，在新的管理模式和 工艺指导下，综合运用现代科学技术与手段，将 各自独立的局部自动化子系统有机地综合成一个 较完整的大系统，对生产过程的物质流、管理过 程的信息流、决策过程的决策流等进行有效地控 制和协调，实现生产系统的全局自动化，适应生 产和管理过程在社会发展的新形势下提出的高速 度、高效率、高性能、高灵活性和低成本的综合 要求。
要求：发电机组的运行状态控制，必须具备 协调不同运行设备工作的功能，保证各生产 设备在运行中有机结合、协调工作、可靠运 转。
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4
（4）大多数生产设备长期处于恶劣的工作条件或 某种极限状态下运行。
要求：对主要运行设备必须进行经常性的在 线状态监测；而且火电厂的自动化系统应具 备一定的故障预测、判断、保护、处理、追 忆与分析等功能。为迅速分析事故原因和妥 善处理已发生的事故提供依据，保障设备处 于完好的运行状态。
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2．直接数字控制 （Direct Digital Control 简称DDC）系统
由计算机或数字控制器取代常规模拟控制器， 直接对生产过程进行闭环控制的系统。
如图1—3所示。
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. 被.
. 控
对
象 . . .
过程 输入通道
过程 输入通道
接口
. . . . .
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3、应用软件
是根据用户所要解决的生产和管理实际问题， 借助支持软件而编制的具有一定针对性的计算机程 序。这些程序决定了信息在计算机内的处理方式和 算法。
一般包括：过程输入程序﹑数据处理程序﹑过 程控制程序﹑过程输出程序﹑人机接口程序﹑显示 程序﹑报警程序﹑打印程序、自检程序以及各种公 用子程序等，其质量的优劣直接影响控制系统的运 行效果。
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（2）火电厂是一个能源转换大户。 要求：各生产设备必须采用先进的自动化装 置，构成功能齐全的自动化系统，充分发挥 计算机在机组运行监测、控制和管理上的作 用，控制发电机组及其辅助设备在优良的状 态下运行，最大限度地发挥机组设计效率， 提高电力生产的经济性。
（3）热力设备众多﹑系统庞大﹑生产过程复杂。
•危险高度集中
•软件庞大复杂，开发的难度大、周期长； • 计算机工作负荷大，影响系统的实时性与
正确性
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（二）分散型计算机控制
七十年代，大规模集成电路的问世、计算机技 术的发展、与日益成熟的分散化计算机控制思想相 结合，促使火电厂自动化进入了分散型计算机控制 时代。
所谓分散型计算机控制，是指控制过程所采用 的系统，是一种以微处理器为基础、控制功能分散、 操作管理集中，兼顾复杂生产过程的局部自治与整 体协调的分布式计算机控制系统（又称分散控制系 统）。
根据使用人员、职责范围的不同操作站可分为： 系统员站﹑ 工程师站﹑ 操作员站。
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4、其它外部设备 指除主机和操作员站所用的输入输出设备之外，计算机
系统的其它必备支撑设备，它是为扩大主机的功能而配置的， 按其功能可分成三类：输入设备﹑输出设备﹑外存储器。
5、系统总线与接口 总线是主机与系统其它设备进行信息交换的某种统一数
火电厂计算机控制
2020/11/7
027—87542817
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第一章
火电厂计算机控制系统概论
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2
火力发电是现代电力生产中的一种主要生产形 式，对其生产过程实行有效的控制，是电力工业 中的一项基本任务。
第一节 火电厂生产过程的特点与控制要求
（1）电厂的产品（电能）尚不能大量地贮存。
要求：火电厂的生产过程必须是连续的，应 对负荷的变化具有很强的适应能力。电力生 产不同于其它工业，其生产的连续性和负荷 的适应性要求极为严格，必须通过有效的控 制手段予以保证。
控对象、主机、过程通道、外部设备、通讯设 备、总线、接口、操作站等。
其结构如图1—1所示：
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主机
A/D 转换
变送 单元
传感器
输入设备
系
接
被
外
部 设
输出设备
备
接 统
D/A
执行
调节
转换
机构
机构
控
外存储器
总
开关量输入通道Βιβλιοθήκη 对操作站线
口
象
口
开关量输出通道
通讯设备
过程通道
图1--1 计算机控制系统的硬件组成
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2、支持软件 是基于系统软件之上，用于开发应用软件的服务
性程序。包括程序编制语言（汇编语言﹑高级语言、 面向过程语言）﹑编译程序、编辑程序、调试程序、 诊断程序等。
系统软件和支持软件一般由计算机专业设计人 员研制，由计算机厂商提供。对于用户只要对其有 一定程度的了解，并会使用支持软件，以更好地编 制应用软件。
系统原理框图如图1—4所示。
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模拟量 输入通道
被
开关量
控
输入通道
对
象
控制仪表
CRT
显示
计
算
打印
机
报警
人
图1--4 操作指导控制系统
需要人工操作，操作
速度受到限制。
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4、监督控制系统 （Supervisory Computer Control 简称SCC）
监督控制系统是在DDC和操作指导控制系统 基础上发展起来的两级计算机闭环控制系统。 它融合了二者的功能。
接口
显示
DDC
打印
计
报警
算
外存储器
机
系统操作
图1--3 直接数字控制系统
一台计算机可代替多台模拟控制器，实现多个回路的控制。
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3、操作指导控制系统 （又称计算机开环监督控制系统）
该系统利用计算机实时地采集生产过程的有 关数据，并根据一定的控制规律、管理方法和数 学模型，计算各控制回路合适的或最优的设定值 等，操作人员则根据CRT显示或打印输出结果， 修正各控制回路的有关参数，调整系统运行状态。
普遍采用的是集中型计算机控制方式，即用 一台计算机实现几十甚至几百个控制回路和若干 过程变量的控制、显示以及操作、管理等。
与常规的模拟仪表控制系统相比，集中型计 算机控制具有更多的优越性。
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但是，集中型计算机控制也存在着严重的不足， 主要反映在：
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1、被控对象 它是被控制的生产设备或生产过程，是控制系统构
成的必备客体。实际存在的被控对象是多种多样的，按 照输入输出的个数分类，有单输入单输出对象、多输入 单输出对象、多输入多输出对象。
2、主机 是系统的核心。由CPU﹑RAM﹑ROM﹑（I/O）电路、
时钟电路和其它支持电路等组成。主机根据生产过程的 各种实时信息，按照预定的存放在ROM的程序和一定的控 制规律，自动地进行数据采集、数据处理﹑逻辑判断﹑ 越限报警、控制运算等，并产生所需要的控制作用，向 被控对象发送控制指令。
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第二节 火电厂生产自动化的历史概况
大体经历了以下三个阶段：
一、就地控制阶段（20—40年代间） 仅能对发电机组实现简单的自动控制。所有
控制系统分散在各控制对象所在的车间就地安 装，各控制系统间相互独立，没有任何联系。 运行人员在就地设置的控制表盘上进行监视和 操作。 所应用的控制设备大都是大尺寸的基地式仪表。
据格式的公共通路，是一组信号线的集合。一般有单总线﹑ 双总线和多总线之分 ，也有内部总线和外部总线之分。
接口是外部设备﹑过程通道、操作员站等与系统总线之 间的挂接部件，用来进行数据格式或电平的转换﹑信息的传 输或缓冲。通常有串行接口、并行接口、管理接口、脉冲接 口之分，也有专用和标准之别。
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1、数据采集与处理系统 2．直接数字控制系统 3、操作指导控制系统（又称计算机开环监督控制系统） 4、监督控制系统 5、分级控制系统
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1、数据采集与处理系统 （Data Acquisition System简称DAS ）
严格地说，DAS不属于计算机控制的范畴，其 输出并不直接控制生产过程，但是，任何计算机控 制系统都离不开数据的采集和处理，因此，DAS是 计算机控制系统的基础和先决条件。
7、通讯设备 是实现不同的功能﹑不同地理位置的计算机（或有关设
备）之间进行信息交换的设备。例如计算机通讯网络﹑网络 适配器﹑通讯接口、通讯媒体等。
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二．软件部分
计算机软件可分为三大类：
1、系统软件 运行和管理计算机系统的基本程序。是计算机
操作运行的基本条件之一，它一般包括管理计算机 资源的实时多任务操作系统、数据库管理系统﹑网 络管理系统、引导程序、调度执行程序、监控程序 等。
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6、过程通道 是计算机和生产过程之间信息传递和变换的桥梁和纽带。
按照传送信号的形式可分为模拟量通道、开关量通道、数字 量通道、脉冲量通道，按照信号的传送方向可分为输入通道 和输出通道。
（1）输入通道
模拟量输入通道：接受随时间连续变化的物理量信号， 开关量输入通道：接受只有0和1两种状态的信号， 数字量输入通道：接受二进制编码、BCD码信号，
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综合自动化是一种集控制、管理、决策为一 体的全局自动化模式。
目前，开放型分散控制系统的应用，为综 合自动化的实现奠定良好的基础。火电厂正沿 着综合自动化的方向向前发展。
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第三节 计算机控制系统的基本组成
由系统硬件和软件两大部分组成。
一．硬件部分 组成计算机控制系统的硬件一般包括：被
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应用软件的开发人员除掌握计算机应用技术外， 还应了解被控对象的运行方式、动态特性以及控制 要求，才有可能合理开发应用软件。
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第四节 计算机控制系统的基本类型
计算机控制系统的分类方法很多，可以按系 统的功能﹑控制规律、结构﹑控制方式等进行不 同的分类。
一、按系统的功能分类 按照系统的功能分类，有以下五种类型：
系统原理框图如图1—2所示。
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过程 输入通道
被
过程
控
输入通道
对
象
过程 输入通道
接口
接口 . . . . . 接口
显示
计
算
打印
机
报警
图1--2 数据采集与处理系统
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DAS系统的基本功能：
• 参数巡回检测与采集； • 采集信息的判断、处理和运算； • 屏幕显示或打印出各种数据和图表； • 异常工况下的声、光报警； • 数据的存储和历史资料保存； • 参数的实时分析和趋势分析等。
系统构成原理如图1—5所示：
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测量
.
.
.
输入通道 .
.
.
被
控制
控
.
. 模拟或 数字
. 控制器
. . . .
脉冲量输入通道：接受脉冲量形式的信号，
任何输入通道皆通过传感器、变送器测量被控对象的有 关过程信息，并将这些信息转换成计算机所能识别的代码。
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（2）输出通道 模拟量输出通道：将计算机的输出经D/A转换为模拟量， 开关量输出通道：计算机逻辑信号的输出通道， 数字量输出通道：计算机数字信号的输出通道，
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3、操作站 是各类操作人员与系统之间实现信息交换的设备。常称
之为“人机联系设备” ﹑“人机接口设备” 。
操作站一般由：CRT显示装置﹑触摸屏﹑数码显示器、通 用或（和）专用键盘﹑鼠标或轨迹球﹑指示灯、声讯器、以 及专用的操作显示面板等组成。。
用于实现对系统运行的有关操作﹑操作结果的显示﹑生 产过程的状态监视和报警
电动单元组合仪表；﹑ 组件组装式仪表； 以微处理机为核心的数字式仪表。
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三、计算机控制阶段（60年代—今）
实现计算机控制的主要因素： • 过程工业的发展与需求； • 计算机的发展与普及； • 现代控制理论的产生与应用。
计算机控制的发展分三阶个段：
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二、集中控制阶段（40—60年代间）
40—50年代，将锅炉和汽轮机的控制系统表 集中安装在一起，由运行人员同时监视和控制 机、炉的运行。 所采用的控制设备主要是电(气)动单元组合仪表。
50—60年代，将整个机组的监视和控制表盘 集中在一个控制室内，对机、炉、电三者实现集 中控制与管理。 此时采用的控制设备有：
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八十年代以来，火电机组基本上都采用分散 控制系统。
分散控制系统的应用及其自身的不断完善与 发展，加速了火电厂自动化的进程。
在此基础上，火电厂正向着更加完善、更高层 次的综合自动化方向发展。
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（三）综合自动化
综合自动化是在对各局部生产过程实现自动 控制的基础上，从全局最优的观点出发，把火电 厂的运作体系视为一个整体，在新的管理模式和 工艺指导下，综合运用现代科学技术与手段，将 各自独立的局部自动化子系统有机地综合成一个 较完整的大系统，对生产过程的物质流、管理过 程的信息流、决策过程的决策流等进行有效地控 制和协调，实现生产系统的全局自动化，适应生 产和管理过程在社会发展的新形势下提出的高速 度、高效率、高性能、高灵活性和低成本的综合 要求。
要求：发电机组的运行状态控制，必须具备 协调不同运行设备工作的功能，保证各生产 设备在运行中有机结合、协调工作、可靠运 转。
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（4）大多数生产设备长期处于恶劣的工作条件或 某种极限状态下运行。
要求：对主要运行设备必须进行经常性的在 线状态监测；而且火电厂的自动化系统应具 备一定的故障预测、判断、保护、处理、追 忆与分析等功能。为迅速分析事故原因和妥 善处理已发生的事故提供依据，保障设备处 于完好的运行状态。
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2．直接数字控制 （Direct Digital Control 简称DDC）系统
由计算机或数字控制器取代常规模拟控制器， 直接对生产过程进行闭环控制的系统。
如图1—3所示。
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. 被.
. 控
对
象 . . .
过程 输入通道
过程 输入通道
接口
. . . . .
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3、应用软件
是根据用户所要解决的生产和管理实际问题， 借助支持软件而编制的具有一定针对性的计算机程 序。这些程序决定了信息在计算机内的处理方式和 算法。
一般包括：过程输入程序﹑数据处理程序﹑过 程控制程序﹑过程输出程序﹑人机接口程序﹑显示 程序﹑报警程序﹑打印程序、自检程序以及各种公 用子程序等，其质量的优劣直接影响控制系统的运 行效果。
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（2）火电厂是一个能源转换大户。 要求：各生产设备必须采用先进的自动化装 置，构成功能齐全的自动化系统，充分发挥 计算机在机组运行监测、控制和管理上的作 用，控制发电机组及其辅助设备在优良的状 态下运行，最大限度地发挥机组设计效率， 提高电力生产的经济性。
（3）热力设备众多﹑系统庞大﹑生产过程复杂。
•危险高度集中
•软件庞大复杂，开发的难度大、周期长； • 计算机工作负荷大，影响系统的实时性与
正确性
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（二）分散型计算机控制
七十年代，大规模集成电路的问世、计算机技 术的发展、与日益成熟的分散化计算机控制思想相 结合，促使火电厂自动化进入了分散型计算机控制 时代。
所谓分散型计算机控制，是指控制过程所采用 的系统，是一种以微处理器为基础、控制功能分散、 操作管理集中，兼顾复杂生产过程的局部自治与整 体协调的分布式计算机控制系统（又称分散控制系 统）。
根据使用人员、职责范围的不同操作站可分为： 系统员站﹑ 工程师站﹑ 操作员站。
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4、其它外部设备 指除主机和操作员站所用的输入输出设备之外，计算机
系统的其它必备支撑设备，它是为扩大主机的功能而配置的， 按其功能可分成三类：输入设备﹑输出设备﹑外存储器。
5、系统总线与接口 总线是主机与系统其它设备进行信息交换的某种统一数
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第一章
火电厂计算机控制系统概论
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火力发电是现代电力生产中的一种主要生产形 式，对其生产过程实行有效的控制，是电力工业 中的一项基本任务。
第一节 火电厂生产过程的特点与控制要求
（1）电厂的产品（电能）尚不能大量地贮存。
要求：火电厂的生产过程必须是连续的，应 对负荷的变化具有很强的适应能力。电力生 产不同于其它工业，其生产的连续性和负荷 的适应性要求极为严格，必须通过有效的控 制手段予以保证。
控对象、主机、过程通道、外部设备、通讯设 备、总线、接口、操作站等。
其结构如图1—1所示：
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主机
A/D 转换
变送 单元
传感器
输入设备
系
接
被
外
部 设
输出设备
备
接 统
D/A
执行
调节
转换
机构
机构
控
外存储器
总
开关量输入通道Βιβλιοθήκη 对操作站线
口
象
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开关量输出通道
通讯设备
过程通道
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2、支持软件 是基于系统软件之上，用于开发应用软件的服务
性程序。包括程序编制语言（汇编语言﹑高级语言、 面向过程语言）﹑编译程序、编辑程序、调试程序、 诊断程序等。
系统软件和支持软件一般由计算机专业设计人 员研制，由计算机厂商提供。对于用户只要对其有 一定程度的了解，并会使用支持软件，以更好地编 制应用软件。
系统原理框图如图1—4所示。
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模拟量 输入通道
被
开关量
控
输入通道
对
象
控制仪表
CRT
显示
计
算
打印
机
报警
人
图1--4 操作指导控制系统
需要人工操作，操作
速度受到限制。
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4、监督控制系统 （Supervisory Computer Control 简称SCC）
监督控制系统是在DDC和操作指导控制系统 基础上发展起来的两级计算机闭环控制系统。 它融合了二者的功能。
接口
显示
DDC
打印
计
报警
算
外存储器
机
系统操作
图1--3 直接数字控制系统
一台计算机可代替多台模拟控制器，实现多个回路的控制。
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3、操作指导控制系统 （又称计算机开环监督控制系统）
该系统利用计算机实时地采集生产过程的有 关数据，并根据一定的控制规律、管理方法和数 学模型，计算各控制回路合适的或最优的设定值 等，操作人员则根据CRT显示或打印输出结果， 修正各控制回路的有关参数，调整系统运行状态。