計算機控制技術(shù)及其應用.ppt

工業(yè)控制計算機及其應用 主講人 趙明 教授 課程內(nèi)容 第一章計算機控制系統(tǒng)的組成及典型的應用形式 6學時 第二章輸入輸出接口與過程通道 8學時 第三章常規(guī)及復雜控制技術(shù) 22學時 第四章應用程序設計與實現(xiàn) 8學時 第五章DCS系統(tǒng) 6學時 第六章計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 2學時 第一章計算機控制系統(tǒng)的組成及應用形式 一 計算機控制系統(tǒng)概述二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點三 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 一 計算機控制系統(tǒng)概述 1 計算機控制系統(tǒng)及其組成 一 計算機控制系統(tǒng)概述 2 計算機控制系統(tǒng)的工作原理 1 實時數(shù)據(jù)采集 對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入 2 實時控制決策 對采集到的被控量進行分析和處理 并按已定的控制規(guī)律 決定將要采取的控制行為 3 實時控制輸出 根據(jù)控制決策 適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號 完成控制任務 一 計算機控制系統(tǒng)概述 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 1 操作指導控制系統(tǒng)該系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu) 計算機根據(jù)一定的控制算法 依賴測量元件測得的信號數(shù)據(jù) 計算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案 操作人員根據(jù)計算機輸出的信息去改變調(diào)節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機構(gòu) CRT 打印機 操作人員 調(diào)節(jié)器 生產(chǎn)過程 計算機 模擬量輸入 AI 通道 數(shù)字量輸入 DI 通道 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 2 直接數(shù)字控制 DirectDigitalControl 系統(tǒng)DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng) 計算機首先通過模擬量輸入通道 AI 和開關(guān)量輸入通道 DI 實時采集數(shù)據(jù) 然后按照一定的控制規(guī)律進行計算 最后發(fā)出控制信息 并通過模擬量輸出通道 AO 和開關(guān)量輸出通道 DO 直接控制生產(chǎn)過程 3 監(jiān)督控制 SupervisoryComputerControl 系統(tǒng)監(jiān)督控制中 計算機根據(jù)原始工藝信息和其他的參數(shù) 按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其他方法 自動地改變模擬調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的微型機中的給定值 從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況 如保持高質(zhì)量 高效率 低消耗 低成本等等 從這個角度上說 它的作用是改變設定值 又稱為設定值控制SPC SetPointControl 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 記錄顯示打印 工藝數(shù)據(jù) 生產(chǎn)過程 SSC計算機 模擬調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié) 測量 設定值 記錄顯示打印 SSC計算機 DDC計算機 生產(chǎn)過程 調(diào)節(jié) 設定值 測量 工藝數(shù)據(jù) a b 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 4 分散型控制系統(tǒng) DistributedControlSystem DCS DCS采用分散控制 集中操作 分級管理 分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則 把系統(tǒng)從上到下分為分散過程控制級 集中操作監(jiān)控級 綜合信息管理級 形成分級分布式控制 5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FieldbusControlSystem FCS FCS是新一代分布式控制結(jié)構(gòu) 20世紀80年代發(fā)展起來的DCS 其結(jié)構(gòu)模式為 操作站 控制站 現(xiàn)場儀表 三層結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)成本較高 而且各廠商的DCS又各自的標準 不能互連 FCS于DCS不同 它的結(jié)構(gòu)模式為 工作站 現(xiàn)場總線儀表 二層結(jié)構(gòu) 完成了DCS三層結(jié)構(gòu)的功能 降低了成本 提高了可靠性 國際標準統(tǒng)一后 可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 常見總線 FF CAN DeviceNet LonWorks等十幾種 3 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 1 工業(yè)控制機的硬件組成例 研華工控機 1 機箱帶ATX主板選項的14槽機架安裝機箱IPC 610 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 2 無源底版槽數(shù) 8個ISA 4PCI 2個PICMG槽尺寸 315x260mm 12 4 x10 24 3 CPU卡研華NORCO 740GVEP4級全長CPU卡支持P4478架構(gòu)系列處理器主頻高達3 06GHz 支持400 533MHz外頻 支持Intel超線程技術(shù) 采用Intel845GV ICH4 支持USB2 0板載顯示控制器 動態(tài)共享64MB內(nèi)存作為顯存 兩條184pin內(nèi)存插槽 支持200 266 333MHzDDR內(nèi)存達2GB 支持內(nèi)存異步適用于通訊 DVR 電信 交通 工業(yè)控制領(lǐng)域 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 4 I O板 24位數(shù)字量I O線 仿真8255PPI模式0 提供比8255更高驅(qū)動能力的緩沖電路 中斷處理 輸出狀態(tài)回讀PCL 724 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 5 AD與DA板 12路獨立D A輸出 12位分辨率雙緩沖D A轉(zhuǎn)換器 多種輸出范圍 5V 0 5V 0 10V和4 20mA電流環(huán) 匯 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出PCL 727 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 6 內(nèi)部與外部總線1 內(nèi)部總線IBMPC和STD2 外部總線RS 232CIEEE 488 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 7 系統(tǒng)支持功能監(jiān)控定時器 Watchdog 電源掉電檢測保護重要數(shù)據(jù)的后備存儲器體實時日歷時鐘磁盤系統(tǒng)輸入輸出通道 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 2 工業(yè)控制機的軟件組成系統(tǒng)軟件支持軟件應用軟件 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 3 工業(yè)控制機的特點可靠性高和可維修性好環(huán)境適應性強控制的實時性完善的輸入輸出通道豐富的軟件適當?shù)挠嬎憔群瓦\算速度 二 工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點 三 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 計算機技術(shù)的發(fā)展過程1956年3月美國德克薩斯的一個煉油廠與TRW公司合作研究計算機控制系統(tǒng)開始 至今經(jīng)過四個階段 1 開創(chuàng)期 1955 1962年 2 直接數(shù)字控制時期 1962 1967 3 小型計算機時期 1967 1972 4 微型計算機時期 1972 至今 2 計算機控制理論的發(fā)展過程 1 采樣定理 香農(nóng)Shannon 1949 2 差分方程 奧爾登伯格Oldenburg和薩托里厄斯Sartorius 1948 3 Z變換 扎德Zadeh 1952 4 狀態(tài)空間理論 龐特里亞金Pontryagin等 5 最優(yōu)控制 貝爾曼1957 與隨機控制 1960 LQG 6 代數(shù)系統(tǒng)理論 7 系統(tǒng)辯識與自適應 三 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 3 計算機控制的發(fā)展趨勢成熟技術(shù)的應用智能控制系統(tǒng) 1 遞階控制 2 模糊控制 3 專家系統(tǒng) 4 學習系統(tǒng) 5 神經(jīng)網(wǎng)絡 三 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 第二章輸入輸出接口與過程通道 一 數(shù)字量通道二 模擬量通道三 通道的抗干擾技術(shù) 第二章輸入輸出接口與過程通道 接口 計算機與外部設備交換信息的橋梁 包括輸入和輸出接口 接口技術(shù) 研究計算機與外部設備交換信息的技術(shù) 過程通道 計算機和生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道 AI AO DI DO 2 1數(shù)字量輸入輸出通道 一數(shù)字量輸入輸出接口 一 輸入接口 一數(shù)字量輸入輸出接口 二 數(shù)字量輸出接口 二數(shù)字量通道 過程通道 計算機和生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道 DI DO 一 數(shù)字量輸入通道 DI 1數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu) 一 數(shù)字量輸入通道 DI 2輸入調(diào)理電路 把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換 保護 濾波 隔離轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號 a 小功率輸入調(diào)理電路 開關(guān)去抖電路 開關(guān)去抖電路 b 大功率輸入調(diào)理電路 采用光電隔離 二 數(shù)字量輸出通道 DO 1數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) 2輸出驅(qū)動電路 a 小功率直流驅(qū)動電路 功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路續(xù)流二極管在功率晶體管關(guān)閉時 為繼電器線圈產(chǎn)生的反電動勢提供旁路通道 保護晶體管 達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路MC1416 7路驅(qū)動 帶保護二極管 b 大功率直流驅(qū)動電路 固態(tài)繼電器 零交叉電路在交流電過零時產(chǎn)生觸發(fā)信號 減少干擾 2 2A D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 常用A D轉(zhuǎn)換方式 逐次逼近型 轉(zhuǎn)換時間短 抗擾性差 電壓比較 ADC0809 8位 AD574 12位 雙斜積分型 轉(zhuǎn)換時間長 抗擾性好 積分 MC14433 11位 ICL7135 14位 A D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 轉(zhuǎn)換時間 積分型毫秒級 逐次比較微秒級 分辨率 數(shù)字量位數(shù)n LSB 最低有效位 滿量程的1 2n 線性誤差 量程范圍內(nèi) 偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差 通常為1 2LSB或1LSB 量程 能轉(zhuǎn)換的電壓范圍 對基準電源的要求 電源精度 一A D轉(zhuǎn)換器 8位A D轉(zhuǎn)換器ADC0809 帶8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近A D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時間100us 誤差 1 2LSB 轉(zhuǎn)換時序 一A D轉(zhuǎn)換器 12位A D轉(zhuǎn)換器AD574A 單通道12位逐次逼近A D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時間25us 誤差 1 2LSB 單極性或雙極性輸入 量程10V或20V 二A D轉(zhuǎn)換接口技術(shù) a ADC0809與8255A接口 b AD574與8255A接口 2 3模擬量輸入通道 模擬量輸入通道 把模擬信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號 送入計算機中 模擬信號傳輸 0 10mA或4 20mA電流傳輸 一模擬量輸入通道結(jié)構(gòu) 二I V變換 電流輸出儀表DDZ 0 10mA儀表DDZ DDZ S 4 20mA無源I V變換 利用無源器件完成 0 10mA R1100 R2500 0 5V輸出4 20mA R1100 R2250 1 5V輸出 有源I V變換 利用有源器件完成 0 10mA R1200 R3100k R4150k 0 5V輸出4 20mA R1200 R3100k R425k 1 5V輸出同相放大器倍數(shù)A 1 R4 R3 三多路轉(zhuǎn)換器 多路開關(guān) 理想工作狀態(tài) 開路電阻無窮大 導通電阻為0 要求切換速度快 舉例 CD4051 8通道開關(guān)INH禁止輸入 四采樣 量化及常用的采樣保持器 信號的采樣 采樣過程 以周期時間間隔T 把時間與幅值連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐贿B串脈沖輸出信號 為采樣寬度 即K閉合的時間 香農(nóng)采樣定量 若信號的最高頻率為fmax 只要采樣頻率f 2fmax 采樣信號就能唯一復現(xiàn)原信號 量化 量化 用一組數(shù)碼逼近離散模擬信號的幅值 量化過程 模擬信號 數(shù)字信號 量化單位 A D轉(zhuǎn)換器的最低有效位LSB對應的模擬量 q ymax ymin 2n 1 量化誤差 1 2q編碼 采樣保持器 孔徑時間tA D 完成一次A D轉(zhuǎn)換需要的時間 孔徑誤差 采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差 孔徑誤差的消除 采用采樣保持器 孔徑時間內(nèi) 信號的變化導致轉(zhuǎn)換誤差 A D轉(zhuǎn)換器需要采樣保持器來提高輸入信號的頻率范圍 采樣保持器 把t KT時刻的采樣值保持到A D轉(zhuǎn)換結(jié)束 采樣 K閉合 CH快速充電 VOUT跟隨VIN保持 K斷開 VOUT保持VC 緩慢變化的信號無需采樣保持器 LF398 采樣保持控制引腳8 高電平 采樣低電平 保持CH外接高品質(zhì)電容 其減小可以提高采樣頻率 獲取時間 CH為0 01uF時 時間為25us 五模擬量輸入通道設計 器件 AD574A LF398 CD4051 8255A指標 8通道模擬量輸入 12位A D轉(zhuǎn)換 25us 量程0 10V 查詢應答方式電路邏輯 通道選擇 PC0 PC2 通道禁止 PC3 LF398采樣和保持 ADC574的STS 反相器 AD574A的R C CS CE PC4 PC6 轉(zhuǎn)換狀態(tài)檢測STS PA7 數(shù)據(jù)輸入 高4位 PA0 PA3 低8位 B口 注意問題 采樣保持器與孔徑誤差A D轉(zhuǎn)換器及性能指標信號濾波 2 4D A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) D A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標 分辨率 D A轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)的位數(shù) 建立時間 輸入數(shù)字信號的變化是滿量程時 輸出信號達到離終值 1 2LSB的所需時間 線性誤差 偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差 常見D A轉(zhuǎn)換器類型 電流輸出型 通常要轉(zhuǎn)為電壓 速度因外接放大器有滯后 電壓輸出形 速度快 僅用于高阻抗負載 一D A轉(zhuǎn)換器 8位D A轉(zhuǎn)換器ADC0832 8位電流輸出型D A轉(zhuǎn)換器 二D A轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 2 5模擬量輸出通道 一模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式1一個通路設置一個D A轉(zhuǎn)換器的形式2 多個通路共用一個D A轉(zhuǎn)換器的形式 PC總線 PC總線 通道1通道n 通道1通道n 二 V I變換和自動 手動切換 1集成V I變換器ZF2B20輸入 0 10V 輸出 4 20mA和0 10mA2集成V I變換器AD694輸出范圍 4 20mA 0 20mA 輸入范圍 或 電源范圍 4 5 36V 初始校準 4 20mA ZF2B20 0 10V 0 10mA ZF2B20 0 10V V V 500 500 0 01 0 01 32 5K 1K 3自動 手動切換 I R9 W 當R9 W 500 或250 可實現(xiàn)0 10mA或4 20mA 三模擬量輸出通道設計 見P48圖2 40 2 6硬件抗干擾技術(shù) 一干擾的產(chǎn)生 干擾源 二干擾傳播途徑三干擾抑制原則1消滅干擾源2切斷干擾傳播途徑3遠離干擾源 四 干擾的分類 1按噪聲產(chǎn)生的原因 1 放電噪聲 雷電 靜電 電動機電刷跳動 大功率觸點短開等 2 高頻震蕩噪聲 中頻電爐 感應電爐 開關(guān)電源等 3 浪涌噪聲 電動機啟動電流 電爐合閘電流 可控硅觸發(fā)電流2 按噪聲傳導模式分類 1 串模 常態(tài) 干擾 輸入信號中的干擾 2 共模 共態(tài) 干擾 地線間存在的干擾3 按噪聲波形及性質(zhì) 1 持續(xù)正弦波 2 偶發(fā)脈沖電壓 雷擊波 靜電放電 接點分斷電壓負載等 3 脈沖列 接點分斷電感負載 接點反復接通電壓等 五 抗干擾措施 1 過程通道抗干擾技術(shù) 1 串模 常態(tài) 干擾的抑制方法1 串模干擾頻率比被測信號頻率高時 采用低通濾波器2 尖峰型串模干擾時 采用雙積分型A D轉(zhuǎn)換器3 串模干擾來至于電磁感應時 對被測信號盡可能早地進行前置放大或進行A D轉(zhuǎn)換4 從選擇邏輯器件入手 低速器件抑制高頻干擾等5 采用雙絞線作信號引線 抑制電磁干擾等 2 共模 共態(tài) 干擾的抑制方法1 隔離變壓器2 光電隔離3 浮地屏蔽4 儀表放大器 差動輸入可以抑制共模干擾2 CPU抗干擾技術(shù)3 長線傳輸抗干擾技術(shù)4 電源系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 2 7實例器件 PCL 73432路隔離數(shù)字量輸出卡PCL 782B24路光耦卡 數(shù)字量通道 PCL 73512路繼電器輸出卡 本章作業(yè) 1說明圖2 39 圖2 40電路工作原理 2干擾的抑制原則是什么 3P63頁2 9 2 14 作業(yè) 1教材 P62 2 1 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2說明圖2 25 圖2 39電路工作原理 3常見A D轉(zhuǎn)換器分為哪兩種類型 應用于什么場合 4畫出模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)框圖 第三章常規(guī)及復雜控制技術(shù) 數(shù)字控制器的設計方法 連續(xù)化設計 采樣周期短 控制算法簡單的系統(tǒng) 忽略零階保持器和采樣器 求出系統(tǒng)的連續(xù)控制器 以近似方式離散化為數(shù)字控制器 離散化設計 采樣周期長的或控制復雜的系統(tǒng) 直接使用采樣控制理論設計數(shù)字控制器 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 理論依據(jù) 略 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 1 忽略控制回路中的零階保持器和采樣器 在S域中設計連續(xù)控制器 條件是采樣周期足夠短 2 通過近似方法 把連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器 例如 雙線性變換S 2 T Z 1 Z 1 用計算機實現(xiàn) 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟 設計假想的連續(xù)控制器D s 選擇采樣周期T 將D s 離散化為D z 設計由計算機實現(xiàn)的控制算法 校驗 計算機仿真 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 二 數(shù)字PID控制器的設計PID 比例P 積分I 微分D數(shù)字PID控制器 用計算機實現(xiàn)PID控制 即把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化 1模擬PID調(diào)節(jié)器 其中 Kp為比例系數(shù) Ti為積分時間常數(shù) Td為微分時間常數(shù) 比例作用 迅速反應誤差 但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差 過大容易引起不穩(wěn)定 積分作用 消除靜差 但容易引起超調(diào) 甚至出現(xiàn)振蕩 微分作用 減小超調(diào) 克服振蕩 提高穩(wěn)定性 改善系統(tǒng)的動態(tài)特性 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 2 數(shù)字PID 用數(shù)值逼近的方法實現(xiàn)PID控制規(guī)律 數(shù)值逼近的方法 用求和代替積分 用后向差分代替微分 1 數(shù)字PID位置型控制算法 2 數(shù)字PID增量型控制算法 為編程方便 可以整理得到 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 增量型算法與位置型算法比較 1 增量型算法不需做累加 計算誤差后產(chǎn)生的計算精度問題 對控制量的計算影響較小 位置型算法用到過去的誤差的累加 容易產(chǎn)生較大的累加誤差 2 增量型算法得出的是控制的增量 誤動作影響小 必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出 不會影響系統(tǒng)的工作 位置型算法的輸出是控制量的全部輸出 誤動作影響大 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 三 數(shù)字PID控制器的改進積分項的改進 1 積分分離 改進原因 當有較大的擾動或大幅度改變給定值時 存在較大的偏差 以及系統(tǒng)有慣性和滯后 在積分項的作用下 會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動 改進思路 當被控量和給定值偏差大時 取消積分控制 以免超調(diào)量過大 當被控量和給定值接近時 積分控制投入 消除靜差 改進方法 當 e k 時 采用PD控制 當 e k 時 采用PID控制 積分分離閾值 的確定 過大 達不到積分分離的目的 過小 則一旦控制量y t 無法跳出各積分分離區(qū) 只進行PD控制 將會出現(xiàn)殘差 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 2 抗積分飽和 積分飽和 如果執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置 仍然不能消除偏差 由于積分的作用 盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小 但執(zhí)行結(jié)構(gòu)已無相應的動作 控制信號則進入深度飽和區(qū) 影響 如果系統(tǒng)程序反向偏差 則u k 首先需要從飽和區(qū)退出 進入的飽和區(qū)越深 退出時間越長 導致超調(diào)量增加 改進方法 對控制量u k 限幅 以8位D A為例 u k FFH時 取u k FFH 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 3 梯形積分 改進原因 減小殘差 提高積分項的運算精度 改進方法 矩形積分改為梯形積分 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 4 消除積分不靈敏區(qū) 改進原因 由于計算機字長的限制 當運算結(jié)果小于字長所能表示的數(shù)的精度 計算機就作為 零 處理 此時積分作用消失 這就稱為積分不靈敏區(qū) 改進措施 增加A D轉(zhuǎn)換位數(shù) 加長運算字長 提高運算精度 當積分項連續(xù)n次小于輸出精度 的情況下 不要把它們作為 零 處理 而是把它們累加起來 直到累加值大于 時才輸出 同時把累加單元清零 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 微分項的改進 1 不完全微分PID控制 改進原因 微分具有放大干擾信號的特點 在PID控制中 對具有高頻擾動的生產(chǎn)過程 微分作用響應過于靈敏 容易引起控制過程振蕩 改進方法 串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié) 作為低通濾波器抑制高頻噪聲 組成不完全微分PID控制器 兩種方式 直接串在微分項 串在PID調(diào)節(jié)器之后 如下圖 一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 其拉氏反變換有 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 因為PID調(diào)節(jié)器 離散化后有 式中 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 由上式可以求得不完全微分PID控制的增量型控制算法 不完全微分PID控制的效果 抑制高頻噪聲 克服純微分的不均勻性 下圖 在t 0時刻出現(xiàn)階躍信號 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 2 微分先行PID控制算式 改進原因 為避免給定值的升降給系統(tǒng)帶來沖擊 如超調(diào)過大 調(diào)節(jié)閥動作劇烈 微分先行 把微分運算放在前面 后面跟比例和積分運算 改進方法 把微分提前 只對被控量y t 微分 不對偏差e t 微分 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 3 時間最優(yōu)PID控制 最優(yōu)控制的含義 某個指標最優(yōu) Bang Bang控制 開關(guān)控制 對 u t 1 采用一定的方法在 1 1間切換 使時間最短 時間最優(yōu)PID控制 Bang Bang控制和PID控制相結(jié)合 一 數(shù)字控制器的連續(xù)化設計 4 帶死區(qū)的PID控制算法 改進原因 避免控制動作過于頻繁死區(qū)閾值 PID參數(shù)整定 略 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 數(shù)字控制器的離散化設計 技術(shù)采樣周期長的或控制復雜的系統(tǒng) 直接使用采樣控制理論設計數(shù)字控制器 其控制規(guī)律和算法更具有一般意義 一 數(shù)字控制器的離散化設計步驟Gc s 被控對象的傳遞函數(shù) D z 數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù) H s 零階保持器的傳遞函數(shù) 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 定義廣義對象 零階保持器與被控過程 的脈沖傳遞函數(shù)為 則上圖的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 于是有 得 由此推得數(shù)字控制器的離散化設計步驟 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 數(shù)字控制器的離散化設計步驟 1 根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求和其它約束條件 確定所需要的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z 2 求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G z 3 確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D z 4 根據(jù)D z 求取控制算法的遞推計算公式 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 注意 z 可根據(jù)所需要的輸入及響應性能確定 D z 的一般形式 數(shù)字控制的輸出U z 進行z反變換后 可得到計算機控制算法 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 二 最少拍控制器的設計最少拍控制 就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài) 且其閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)是中N是可能情況下的最小正整數(shù) 閉環(huán)脈沖 z 在N個周期后變?yōu)? 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 1 確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z 1 定義誤差脈沖傳遞函數(shù)根據(jù)上圖有 則有 典型輸入 z變換為 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) B z 為不含1 z 1因子的z 1多項式 q 1 輸入為單位階躍輸入函數(shù) q 2 輸入為單位速度輸入函數(shù) q 3 輸入為單位加速度輸入函數(shù) 2 根據(jù)Z變換的終值定理 求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 并使其為零 無靜差 即準確性約束條件 則有 要使e 0 則必須 則有 二數(shù)字控制器的離散化設計技術(shù) 3 根據(jù)最少拍控制 確定最少拍控值的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z 快速性約束條件 根據(jù)上式可知 z 中z 1的最高次冪為N p q 故系統(tǒng)在N拍可以達到穩(wěn)態(tài) 當p 0時 系統(tǒng)可以在最少q拍達到穩(wěn)態(tài) 上述兩點可得 最少拍控制器選 z 為 4 最少拍控制器D z 為 2典型輸入下最少拍控制系統(tǒng)分析 1 單位階躍輸入 q 1 輸入函數(shù)r t 1 t 其Z變換為 由上可知 因而有 所以有 說明只需一拍輸出跟隨輸入 2 單位速度輸入 q 2 輸入函數(shù)r t t的Z變換為 有 則 所以 說明二拍輸出跟隨輸入 3 單位加速度輸入 q 3 單位加速度輸入r t t2 2的Z變換為 有 同理 可見 只需三拍 3最少拍控制器的局限性 1 對典型輸入的適應性差 對于上述三種情況進行Z反變換得輸出序列為 yyy1 2 最少拍控制器可實現(xiàn)問題設給定連續(xù)控制對象有d個采樣周期的純滯后 相當于前面的廣義對象脈沖傳函為 則所設計的閉環(huán)脈沖傳函 Z 中必須含有純滯后 且滯后時間至少要等于被控對象的滯后時間 否則系統(tǒng)的相應超前被控對象的輸入 不可實現(xiàn) 01T2T3T4T5Tt 01T2T3T4T5Tt 01T2T3T4T5Tt 3 穩(wěn)定性問題 前面討論沒有對G Z 沒有提出約束 實踐上G Z 必須是穩(wěn)定的 且不含有純滯后環(huán)節(jié)時 下式才成立 如果G Z 不穩(wěn)定則需對設計原則作相應的限制 D Z 和G Z 總是成對出現(xiàn) 但不用需零 極點相互對消 第四章應用程序設計與實現(xiàn) GENIE組態(tài)軟件 研華專用 MCGS 通用 應用舉例 預熔顆粒保護渣自動稱量系統(tǒng) 一 工藝流程 二 工控機系統(tǒng)硬件集成 三 程序流程圖 第五章集散控制系統(tǒng) 第一部分 系統(tǒng)總體概述一系統(tǒng)出現(xiàn)的背景二系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)三開放系統(tǒng)四集散控制系統(tǒng)的特點五集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成要素六集散控制系統(tǒng)的優(yōu)越性七集散系統(tǒng)的發(fā)展與展望第二部分 TDC 3000集散系統(tǒng) 第一部分 系統(tǒng)總體概述 一系統(tǒng)出現(xiàn)的背景集散控制系統(tǒng) TotalDistributedMicroprocessorControlSystem 是七時年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的分散型計算機控制系統(tǒng) 它是控制技術(shù) Control 計算機技術(shù) computer 通訊技術(shù) Communication 和陰極射線管 CRT 圖形顯示技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物 即是4C技術(shù)的結(jié)晶 當今的集散系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)過程控制和管理 還具有綜合信息管理的能力 隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大 生產(chǎn)工藝日趨復雜 對生產(chǎn)過程的自動化提出了更高的要求 1 人機聯(lián)系好 便于集中操作 監(jiān)視和管理大型現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)裝置 2 在高度可靠的前提下 按預定的工藝指標控制復雜的生產(chǎn)過程 除了完成一般的單參數(shù) 單回路外 還應易于實現(xiàn)非線性 多變量相關(guān)控制等復雜的控制功能 3 能與計算機和常規(guī)儀表相間容 4 系統(tǒng)構(gòu)成應方便靈活 不僅易于擴展 而且模件化設備的數(shù)量最少 維修簡單 5 應具有良好的性能價格比 二系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 分散控制系統(tǒng)通常由過程控制單元 過程接口單元 CRT顯示操作站 管理計算機以及高速數(shù)據(jù)通路等五個主要部分組成 基本結(jié)構(gòu)如圖 CRT操作站 操作者接口 管理計算機 高速數(shù)據(jù)通路 基本控制單元1 基本控制單元n 過程輸入 輸出接口 過程 集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分為 1 分散控制裝置是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面 生產(chǎn)過程的各種過程變量通過分散控制裝置轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù) 而操作的各種信息也通過分散控制裝置送到執(zhí)行機構(gòu) 分散控制裝置內(nèi) 進行A D的相互轉(zhuǎn)換 完成控制算法的各種運算 對輸入與輸出量進行有關(guān)的軟件濾波及其它的一些運算 2 操作管理裝置是操作人員與集散控制系統(tǒng)間的界面 操作人員通過操作管理裝置了解生產(chǎn)過程的運行狀況 并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過程 生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作管理裝置上顯示 以便操作人員監(jiān)視和操作 3 通信系統(tǒng)是分散過程控制裝置與操作管理裝置之間數(shù)據(jù)傳遞和交換的橋梁 三開放系統(tǒng) 一 可移植性 Portability 其它廠家的應用軟件能很方便地在系統(tǒng)所提供的平臺上運行 有時可能有小的改動 但從系統(tǒng)的應用來看 各個制造廠集散控制系統(tǒng)的軟件有了可相互移植的可能 但軟件的可移植性也帶來了安全性的問題 為此必須有相應的安全措施 二 互操作性 Interoperability 網(wǎng)絡上的各個節(jié)點 如 操作監(jiān)視站 集散過程控制站等 由于網(wǎng)絡的連接 使得在網(wǎng)絡上其它節(jié)點的數(shù)據(jù) 資源和處理能力等被它所應用 指不同的計算機系統(tǒng)與通訊網(wǎng)相互連接起來 通過互連 能正確有效的進行數(shù)據(jù)的互通 并在此基礎(chǔ)上協(xié)同工作 共享資源 完成應用的功能 三 可適宜性 Scalability 系統(tǒng)對計算機的運行要求變得更為寬松 在某些較低級別的系統(tǒng)中能運行的應用軟件也能在高級別的系統(tǒng)中運行 反之 系統(tǒng)軟件版本高的能適用于版本底的系統(tǒng) 四 可得到性 Availability 系統(tǒng)的用戶可對產(chǎn)品進行選擇 而不必考慮所購買的產(chǎn)品能不能用在已購的系統(tǒng)上 各制造廠的產(chǎn)品具有統(tǒng)一的通訊標準 四集散控制系統(tǒng)的特點 一 分級遞階控制集散控制系統(tǒng)是分級遞階控制系統(tǒng) 它在垂直方向或水平方向都是分級的 最簡單的集散控制系統(tǒng)至少垂直方向分為二級 即操作管理級和過程控制級 在水平方向上各個過程控制級之間相互協(xié)調(diào)的分級 它們把數(shù)據(jù)向上送達操作管理級 同時接受操作管理級的指令 各個水平級間也進行數(shù)據(jù)的交換 集散控制系統(tǒng)的規(guī)模越大 系統(tǒng)的垂直和水平分級的范圍也越廣 二 分散控制分散控制是集散控制系統(tǒng)的另一特點 分散是針對集中而言的 國外對集散控制系統(tǒng)常稱為分散控制系統(tǒng) 即DCS 其原因是把分散控制放在十分重要的位置 三 自治和協(xié)調(diào)性集散控制系統(tǒng)的各組成部分是各自為政的自治系統(tǒng) 它們各自完成各自的功能 相互間又有聯(lián)系 數(shù)據(jù)信息相互交換 各種條件相互制約 在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作 分散的基礎(chǔ)是被分散的系統(tǒng)應是自治的系統(tǒng) 遞階分級的基礎(chǔ)是被分級的系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng) 五集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成要素 集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征 1 遞階控制結(jié)構(gòu)對個子系統(tǒng)的控制按一定的優(yōu)先和從屬關(guān)系來實現(xiàn) 它們形成金字塔式的結(jié)構(gòu) 同一級的各決策子系統(tǒng)可同時對下級施加作用 同時又受上級的干預 子系統(tǒng)可以通過上級互相交換信息 因此 稱集散控制系統(tǒng)具有遞階控制 Hierarchicalcontrol 結(jié)構(gòu) 遞階控制的結(jié)構(gòu)形式有三種 它們是多層結(jié)構(gòu) 多級結(jié)構(gòu)和多重結(jié)構(gòu) 1 多層結(jié)構(gòu) MultiplayerStructure 按系統(tǒng)中決策的復雜性分級 例如 對于一個存在不確定因素的復雜控制系統(tǒng) 控制功能的遞階分層可由四層實現(xiàn) 它們是 直接控制層 采用一般的簡單控制 優(yōu)化控制或監(jiān)視層 在一定的對象數(shù)學模型和參數(shù)已知的條件下 按優(yōu)化指標確定直接控制層的控制器設定值 學習層或自適應層 通過對實際系統(tǒng)的觀測來辯識優(yōu)化層中所使用數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 使模型和實際過程盡量保持一致 自組織層 按系統(tǒng)總控制目標選擇下層所用模型結(jié)構(gòu) 控制策略等 當目標變化時 能自動改變優(yōu)化層所用優(yōu)化性能指標 當辯識參數(shù)不滿意時 能自動修改自適應層的學習策略等 按功能劃分的多層結(jié)構(gòu)多級多目標的結(jié)構(gòu) 2 多級結(jié)構(gòu) Multilevelstructure 為了減少同一級的各個子系統(tǒng)之間信息的交換和決策的沖突 在分散的各決策子系統(tǒng)上添加一級調(diào)節(jié)級 用于下級決策的協(xié)調(diào)和信息的交換 如上圖所示 多重結(jié)構(gòu) Stratifiedstructure 這是指用一組模型從不同角度對系統(tǒng)進行描述的多級結(jié)構(gòu) 集散控制系統(tǒng)需要處理復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程 分散控制既有橫向的多級結(jié)構(gòu)又有縱向的多層結(jié)構(gòu) 它的功能也決定了必須是遞階控制結(jié)構(gòu) 由于集散控制系統(tǒng)應用于互相關(guān)聯(lián)的工業(yè)系統(tǒng) 它的決策不僅需要各個子系統(tǒng)的決策 還需要上級的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)全局的優(yōu)化 這也說明集散控制系統(tǒng)必須采用遞階控制結(jié)構(gòu) 遞階控制結(jié)構(gòu)采用遞階控制結(jié)構(gòu) 具有經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)點 主要包括 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活 容易改變 系統(tǒng)容量可以擴大或縮小 控制功能強 除了直接控制外 還有優(yōu)化控制 自學習 自適應和自組織等功能 降低了信息存儲量 計算量 減少了計算時間 可設置備用子系統(tǒng) 降低了成本 提高可靠性 各級的智能化進一步提高系統(tǒng)的性能 2 分散控制結(jié)構(gòu) 分散控制結(jié)構(gòu)是針對集中控制可靠性差的缺點而提出的 與遞階控制結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別是分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個自治 Autonomous 的閉環(huán)結(jié)構(gòu) 它的結(jié)構(gòu)可以是垂直型 水平型以及兩者混合的復合型 集散控制系統(tǒng)的分散控制結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在如下幾個方面 1 組織人事的分散集散控制系統(tǒng)的運行需要操作人員 管理人員 功能的分散與工廠的人員管理體制應相適應 為此 集散控制系統(tǒng)在組織人事的管理上采用了垂直分散的結(jié)構(gòu) 其上層以數(shù)據(jù)管理 調(diào)度為主 屬于全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級和車間操作管理級 下層則進行實時處理和控制 屬于過程裝置控制級和現(xiàn)場控制級 2 地域分散地域分散通常是水平型分散 當被控對象分散在較大的區(qū)域 例如油灌區(qū)的控制 則集散控制系統(tǒng)就需要對控制系統(tǒng)在地域上進行分散設置 象各車間 工段因地理位置的因素 也有分散控制的需要 3 功能的分散 集散控制系統(tǒng)的分級是以功能的分散為依據(jù)的 按縱向分散 則可以分為直接控制 優(yōu)化控制 自學習和自適應和自組織控制 按類型的分散 則可以分為常規(guī)控制 順序控制和批量控制 考慮到分散功能之間盡量減少關(guān)聯(lián) 因此 通常采用的功能分散是 具有人機接口功能的集中操作站與具有過程接口功能的過程控制裝置的分散 過程控制裝置中控制功能的分散 按裝置或設備進行的功能分配以及全局控制和個別控制之間的分散等 4 負荷的分散集散控制系統(tǒng)中負荷的分散不是由于負荷能力不夠而進行負荷分散 主要目的是危險分散 分散控制結(jié)構(gòu)是以良好的通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的 過分的分散 使系統(tǒng)的通信量增大 響應速度下降 同樣 過分的集中 因受微處理器處理速度限制而使信息得不到及時處理 造成響應速度變慢 因此 考慮到經(jīng)濟性 響應性 系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性等因素 集散控制系統(tǒng)縱向常分為3 4層 3 冗余化結(jié)構(gòu) Redundantstructure 為了提高系統(tǒng)的可靠性 集散控制系統(tǒng)在重要設備 對全系統(tǒng)有影響的公共設備上常采用冗余結(jié)構(gòu) 常采用的冗余方式有 1 同步運行方式 2 待機運行方式待機運行方式的冗余結(jié)構(gòu)采用N臺同類設備 備用一臺后備設備 平時后備設備處于準備狀態(tài) 為N 1備用系統(tǒng) 當一臺設備工作 一臺設備后備時 稱該系統(tǒng)為雙工系統(tǒng) 或1 1備用系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)中 根據(jù)裝置的重要性 采用了兩種待機方式 通信系統(tǒng)為了保證高的可靠性 通常采用1 1備用方式 當發(fā)送站發(fā)出信息后的規(guī)定時間內(nèi)未收到接受站的響應時 除了采用重發(fā)等差錯控制外 也采用立即切入備用通信系統(tǒng)的方法 多路控制器常采用N 1備用方式 N的數(shù)量與制造廠產(chǎn)品特性有關(guān) 3 后退運轉(zhuǎn)方式 正常時 N臺設備各自分擔各自功能以進行運轉(zhuǎn) 當其中一臺設備損壞時 其余設備放棄部分不重要功能 以此來完成損壞設備的功能 這種方式稱為后退備用方式 這種方式的應用例子是CRT和操作站 通常 采用2臺或3臺操作站 通過分工 可以讓第一臺用于監(jiān)視 第二臺用于操作 第三臺用于報警 當任一臺故障時 監(jiān)視和操作功能在正常操作臺上完成 而當系統(tǒng)開 停車或緊急事故狀態(tài) 這三臺操作站都可用于監(jiān)視或操作 4 多級操作方式多級操作方式是一種縱向冗余的方法 正常操作是從最高一層進行的 如該層故障則由下一層完成 這樣逐步向下形成對最終元件執(zhí)行器的控制 六集散控制系統(tǒng)的優(yōu)越性 集散系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在 1 控制功能完善 可以完成從簡單的單回路控制到復雜的多變量模型優(yōu)化控制 可以執(zhí)行從常規(guī)PID運算到Smith預估補償 矩陣運算等各種運算 可以進行連續(xù)的反饋控制 也可以進行間斷的批量控制 邏輯控制 可以實現(xiàn)監(jiān)控 顯示 打印 報警和存儲等日常全部操作要求 2 完善的人 機聯(lián)系和集中監(jiān)控功能 操作人員通過CRT和操作鍵盤 可以監(jiān)視整個的生產(chǎn)情況 按預定的控制策略組態(tài)不同的控制回路 實現(xiàn)真正的集中操作和監(jiān)控管理 3 系統(tǒng)擴展靈活 采用模塊式結(jié)構(gòu) 擴大 縮小方便 有利于分批投資 分批受益 4 可靠性高危險分散 系統(tǒng)關(guān)鍵設備雙重或多重冗余 還設有無中斷自動控制系統(tǒng) 即自動備用系統(tǒng) 和完善的自診斷功能 平均無故障工作時間MTBF達105天 系統(tǒng)的利用率A達99 9999 5 安裝調(diào)試簡單 安裝工作量僅為常規(guī)儀表的1 2 2 3 系統(tǒng)采用專用軟件進行調(diào)試 調(diào)試時間僅為常規(guī)儀表的1 2 6 具有良好的性能價格比 國外80個控制回路的生產(chǎn)過程采用集散系統(tǒng)的投資已與常規(guī)模擬儀表相當 且規(guī)模越大 平均每個回路的投資費用越省 七集散系統(tǒng)的發(fā)展與展望 一 集散系統(tǒng)的發(fā)展集散控制系統(tǒng)是70年代發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng) 由于它具有眾多的優(yōu)越性 目前已廣泛應用于冶金 紡織 石油化工 電力 食品等工業(yè)部門 具有廣泛的發(fā)展前景 發(fā)展歷程大致分為三個時期 1975 1980年為初創(chuàng)期 1980 1985年為成熟期 1985以后為擴展期 二 集散系統(tǒng)的展望發(fā)展方向 過程控制自動化 制造業(yè)自動化 辦公室自動化和經(jīng)營管理自動化相結(jié)合的計算機集成制造系統(tǒng) 即CIM系統(tǒng) ComputerIntegratedManufacturing 從集散系統(tǒng)規(guī)?？?大量小型計算機和廉價的可編程控制器開始起著大型DCS的作用 因此 可靠 廉價的MicroDCS將具有強大的吸引力 但并不排斥某些工廠中大型DCS仍起著主導作用 從銷售的角度看 DCS系統(tǒng)成套服務 SystemIntegration SI 正異軍突起 由DCS硬件銷售為主的狀況轉(zhuǎn)入從工程項目出發(fā)的成套服務 包括軟件服務 傳感器 變送器安裝維護的全套服務 三 我國集散系統(tǒng)的發(fā)展概況 見下表 本章作業(yè) 一 集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分為哪三大部分 并敘述各部分的功能 二 開放系統(tǒng)的基本特征是什么 三 說明集散控制系統(tǒng)的特點 四 遞階控制結(jié)構(gòu)有哪些形式 五 畫出多層遞階控制結(jié)構(gòu)的組成框圖 六 分散控制結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在哪些方面 七 冗余化結(jié)構(gòu)都有哪些運行方式 八 集散控制系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在哪些方面 第二部分 TDC 3000集散系統(tǒng) 一系統(tǒng)概述由下圖可見TDC 3000就其總體構(gòu)成而言 分為 TDC 3000SSC TDC 3000BASIC TDC 3000LCN和TDC 3000UCN四個部分 TDC 3000總體構(gòu)成圖 一 TDC 3000SSC TDC 3000SSC包括單回路智能調(diào)節(jié)器SSC SingleStrategController 和相應的通訊接口裝置SG CommunicationInterfaceForSSC SSC以微處理器為核心 具備常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的面板操作方式 人機對話 通過組態(tài)和編程來實現(xiàn)各種復雜的運算和控制功能 二 TDC 3000BASICTDC 3000BASIC是在TDC 2000的基礎(chǔ)上發(fā)展而來 它主要包括基本控制器 BC 多功能控制器 MC 先進多功能控制器 AMC 過程接口裝置 PIU 基本操作站 BOS 增強型操作站 EOS 數(shù)據(jù)通道接口 DHP 可編程控制器 PLC 45000計算機和數(shù)據(jù)高速通路 HW 等 1 基本控制器BC Basiccontroller 2 多功能控制站MC MultifunctionController 3 先進多功能控制器AMC AdvancedMultifunctionController 4 過程接口裝置PIU ProcessInterfaceUnit 1 高電平過程接口單元 HL PIU 2 低電平過程接口單元 LL PIU 3 低能量過程接口單元 LE PIU 5 增強型操作站EOS EnhancedOperatorStation 6 高速數(shù)據(jù)通路HW HighWay 和高速通路通訊指揮器HTD HighWayTratticDirector 7 可編程控制器高速通路接口DHP DataHiwayPort 8 45000計算機 第六章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介 一引言現(xiàn)場總線在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過是最近幾年 然而其來勢兇涌 且有愈演愈烈之趨勢 那么 究竟什么是現(xiàn)場總線 什么是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導地位的集散控制系統(tǒng) DCS 有何特點和優(yōu)點 在現(xiàn)場總線標準尚未統(tǒng)一之前 能采用嗎 若欲采用 40多種現(xiàn)場總線 應選用哪一種 二現(xiàn)場總線的產(chǎn)生 每一代新的控制系統(tǒng)推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案 最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動下占領(lǐng)市場的主導地位 一 模擬儀表控制系統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導地位 其顯著缺點是 模擬信號精度低 易受干擾 二 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導地位 采用單片機 PLC或微機作為控制器 控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號 因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷 提高了系統(tǒng)的抗干擾能力 不足的是 對控制器本身要求很高 必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性 當系統(tǒng)任務增加時 控制器的效率和可靠性將急劇下降 三 集散控制系統(tǒng) DCS 集散控制系統(tǒng) DCS 于八 九十年代占主導地位 其核心思想是集中管理 分散控制 即管理與控制相分離 這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷 遺憾的是 不同的DCS廠家為達到壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡采用各自專用的封閉形式 不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet Internet信息網(wǎng)絡之間難以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連和信息共享 因此集散控制系統(tǒng)從該角度而言實質(zhì)是一種封閉專用的 不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價昂貴 在這種情況下 用戶對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求 四 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS FCS正是順應以上潮流而誕生 它用現(xiàn)場總線這一開放的 具有可互操作的網(wǎng)絡將現(xiàn)場各控制器及儀表設備互連 構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場 降低了安裝成本和維護費用 因此 FCS實質(zhì)是一種開放的 具可互操作性的 徹底分散的分布式控制系統(tǒng) 有望成為21世紀控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品 三 現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 一 現(xiàn)場總線的概念現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡 遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議 FCS則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 二 現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別1按功能比較 現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備 網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息 如檢測信息 狀態(tài)信息 控制信息等 傳輸速率低 但實時性高 簡而言之 現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡 局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機 網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息 如文本 聲音 圖像等 傳輸速率高 但不要求實時性 從這個意義而言 局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡 2按實現(xiàn)方式比較現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì) 如雙絞線 電力線 光纖 無線 紅外線等 實現(xiàn)成本低 局域網(wǎng)需要專用電纜 如同軸電纜 光纖等 實現(xiàn)成本高 三 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 如圖 所示 最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS 各控制器節(jié)點下放分散到現(xiàn)場 構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)任意 可為總線形 星形 環(huán)形等 通訊介質(zhì)不受限制 可用雙絞線 電力線 無線 紅外線等各種形式 FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連 構(gòu)成一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡三級體系結(jié)構(gòu) 四 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點 1開放性和可互操作性開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷 給中小企業(yè)發(fā)展帶來了平等競爭的機遇 可互操作性實現(xiàn)控制產(chǎn)品的 即插即用 功能 從而使用戶對不同廠家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地 2徹底的分散性徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性 系統(tǒng)很容易進行重組和擴建 且易于維護 3低成本衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本 不僅考慮其造價 而且應該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運行維護整個生命周期內(nèi)總投入 相對DCS而言 FCS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期 降低開發(fā)成本 且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對1模擬信號傳輸方式變?yōu)?對N的數(shù)字信號傳輸方式 節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A D D A轉(zhuǎn)換裝置 布線安裝成本和維護費用 因此從總體上來看 FCS的成本大大低于DCS的成本 可以說 開放性 分散化和低成本是現(xiàn)場總線最顯著的三大特征 它的出現(xiàn)將使傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生劃時代的變革 這場變革的深度和廣度將超過歷史上任何一次變革 必將開創(chuàng)自動控制的新紀元 四現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)場總線發(fā)展迅速 現(xiàn)處于群雄并起 百家爭鳴的階段 目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線 如Interbus Bitbus DeviceNet MODbus Arcnet P Net FIP ISP等 其中最具影響力的有5種 分別是FF Profitbus HART CAN和LonWorks 性能對照見表1 1 FF FoundationFieldbus現(xiàn)場基金會總線 由美國儀器協(xié) ISA 1994推出 代表公司有Honeywell和Fisher Rosemount 主要應用于石油化工 連續(xù)工業(yè)過程控制中的儀表 2 Profibus ProcessFieldbus 德國西門子公司1987年推出 主要應用于PLC 產(chǎn)品有三類 FMS用于主站之間的通訊 DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊 PA用于過程行業(yè)從站之間的通訊 3 HART HighwayAddressableRemoteTranducer可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路 美國Rosemount公司1989年推出 主要應用于智能變送器 4 CAN ControllerAreaNetwork控制局域網(wǎng)絡 德國Bosch6公司1993年推出 應用于汽車監(jiān)控 開關(guān)量控制 制造業(yè)等 Motorala Intel Philips均生產(chǎn)獨立的CAN芯片和帶有C