全套課件·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第1章 概述二五四1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概論1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.3 微型機(jī)控制系統(tǒng)的分類1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概論 自動(dòng)控制技術(shù)在許多領(lǐng)域里獲得了廣泛的應(yīng)用，將自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如果計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)，就是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)和受控對(duì)象兩大部分組成。一般來說，自動(dòng)控制系統(tǒng)隨著控制對(duì)象、控制規(guī)律、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同而具有不同的特點(diǎn)，可歸納為圖1-1所示的兩種基本結(jié)構(gòu)。 (a)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 (b)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖 1-1 控制系

2、統(tǒng)的一般形式2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成圖1-2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 (2)實(shí)時(shí)控制決策 (3)實(shí)時(shí)控制輸出 (4)信息管理4、幾個(gè)術(shù)語(1)實(shí)時(shí)：指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都是在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成的，超出了這個(gè)時(shí)間就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。(2)“在線”方式：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過程直接受計(jì)算機(jī)的控制。(3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)相連接，其工作不直接受計(jì)算機(jī)的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 (1)開創(chuàng)

3、階段(19521965年) (2)小型計(jì)算機(jī)時(shí)期(19651972年) (3)微型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1972至今)2、計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過程(1)采樣定理 (2)差分方程(3)z變換法 (4)狀態(tài)空間理論(5)最優(yōu)控制與隨機(jī)控制 (6)代數(shù)系統(tǒng)理論(7)系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 普及應(yīng)用可編程序控制器 采用集散控制系統(tǒng) 研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成圖1-3 微機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 二、系統(tǒng)的軟件組成 1.系統(tǒng)軟件(1)操作系統(tǒng)(2)診斷系統(tǒng) (3)開發(fā)系統(tǒng) (4)信息處理2.應(yīng)用軟件(1)過程監(jiān)視程序 (2)過

4、程控制計(jì)算程序 (3)公共服務(wù)程序 三、微型機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.計(jì)算機(jī)控制可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬變送器、控制器、指示器、手操作器以及記錄儀等多種模擬儀表的功能，并且便于監(jiān)視和操作。2.計(jì)算機(jī)控制利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算能力。3.計(jì)算機(jī)控制利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力，4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試、整定靈活方便。5.利用網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制、管理集成系統(tǒng)，即DCS。6.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中同時(shí)存在連續(xù)型和離散型兩類信號(hào)。1.3 微型機(jī)控制系統(tǒng)的分類 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的型式：操作指導(dǎo)、直接數(shù)字控制、順序控制、監(jiān)督控制以及分布式控制系統(tǒng)等功能。如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按照其功能或工作任務(wù)分類，可以

5、分為以下幾種類型。一、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)圖1-4 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖 二、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng)) 圖1-5 DDC系統(tǒng)原理框圖圖1-5 DDC系統(tǒng)原理框圖三、計(jì)算機(jī)順序控制系統(tǒng)四、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))圖1-6 SCC系統(tǒng)原理框圖 五、分布式控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))圖1-7 分布式控制系統(tǒng)原理框圖第2章 輸入輸出過程通道二五四2.1 數(shù)字量過程通道2.2 模擬量輸入通道2.3 模擬量輸出通道2.1 數(shù)字量過程通道 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，需要及時(shí)對(duì)被控對(duì)象的各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)據(jù)形式送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；處理后的結(jié)果還需變換成合適的控制信號(hào)輸出至被控對(duì)

6、象。因此，在計(jì)算機(jī)和被控對(duì)象之間，必須設(shè)置進(jìn)行信息傳遞和轉(zhuǎn)換的連接通道，即過程通道。一、數(shù)字量輸入通道圖2-1 開關(guān)量輸入通道的典型結(jié)構(gòu)示意圖二、數(shù)字量輸出通道圖2-2 典型的數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)示意圖2.2 模擬量輸入通道圖2-3 模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)示意圖 模擬量輸入通道一般由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。2.3 模擬量輸出通道 模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是將CPU輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到控制的目的。1、模擬量輸出通道的組成 圖2-4 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、模擬量輸出通道的設(shè)

7、計(jì) (1)每個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器(2)多通道復(fù)用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第3章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的 控制算法二五四3.1 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法3.2 數(shù)字PID控制算法3.3 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定3.4 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法3.5 施密斯(Smith)預(yù)估控制3.6 大林算法3.1 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法 計(jì)算機(jī)控制屬于離散控制，可采用直接設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器的方法。當(dāng)采樣周期相對(duì)于對(duì)象的時(shí)間常數(shù)來說足夠短，離散控制與模擬控制的性能接近時(shí)，系統(tǒng)控制器亦可采用模擬控制器數(shù)字化的方法來設(shè)計(jì)，也就是將描述系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的微分方程近似為差分方程，導(dǎo)出控制算法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

8、 一、模擬化設(shè)計(jì)方法圖3-1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖二、模擬化設(shè)計(jì)步驟第一步：用連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)；第二步：選擇采樣周期T；第三步：用合適的離散化方法求出；第四步：將變?yōu)椴罘址匠袒驙顟B(tài)空間方程；第五步：編寫計(jì)算機(jī)程序。3.2 數(shù)字PID控制算法 PID控制器出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，其主要是根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制的控制規(guī)律，簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，適用性強(qiáng)，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一、基本PID算法1.比例控制器（P）比例控制器的控制規(guī)律為 比例調(diào)節(jié)器對(duì)于偏差是即時(shí)反應(yīng)，根據(jù)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)沿著減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)。

9、誤差大則控制作用也大。比例調(diào)節(jié)器一般不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。 2.比例積分(PI)控制器 消除靜差的有效的方法是在比例控制的基礎(chǔ)上加積分控制，構(gòu)成比例積分控制。比例積分控制器的控制規(guī)律為： 積分調(diào)節(jié)的引入，可以消除或減少控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分的引入，有可能使系統(tǒng)的響應(yīng)變慢，并有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 3.比例積分微分(PID)控制器 微分的作用是在誤差剛出現(xiàn)且誤差值尚不大時(shí)，根據(jù)誤差變化的速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，使誤差盡快消除。比例積分微分控制器的控制規(guī)律為： 微分作用的增加有助于加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)減少，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但微分作用有可能放大系統(tǒng)的噪聲，減低系統(tǒng)的抗干擾能力。 二、數(shù)

10、字PID算法 1.PID算法的離散化 3.位置式PID和增量式PID的功能比較(1)位置式需要由機(jī)器外部引入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的初始位置，而增量式是不需要的。(2)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，使工藝生產(chǎn)在計(jì)算機(jī)故障時(shí)不受大的干擾，而位置式本身不具備這種功能。(3)位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差；而增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，容易取得較好的控制效果。(4)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度，若采用增量式，其輸出對(duì)應(yīng)于閥門位置的變化部分，易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。

11、三、數(shù)字PID改進(jìn)算法 1.不完全微分PID算法 由于理想的微分對(duì)高頻噪聲有很大的放大作用，容易引起控制過程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此考慮對(duì)理想的微分環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，在數(shù)字控制器中串接入低通濾波器來抑制高頻干擾， 不完全微分PID調(diào)節(jié)器框圖如上圖所示。2.積分分離PID算法 積分分離算法的思想是在較大時(shí)，取消積分作用；而在較小時(shí)將積分作用投入。3.防積分飽和PID算法(1)給定值變化限制。 (2)積分停止算法。(3)增量式算法。(4)反向計(jì)算。4.微分先行PID算法圖3-2 微分先行PID控制框圖 5.消除積分不靈敏區(qū)的PID控制圖1-5 DDC系統(tǒng)原理框圖 為了消除這種積分不靈敏區(qū)，除增加A/D

12、轉(zhuǎn)換器位數(shù)，以加長(zhǎng)字長(zhǎng)，提高運(yùn)算精度外，還可以將小于輸出精度的積分項(xiàng)累加起來，而不將其丟掉，直到累加值大于，才輸出累加和。 6.帶死區(qū)的PID算法 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動(dòng)作過于頻繁，以消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，有時(shí)采用帶有死區(qū)的PID控制系統(tǒng)。帶死區(qū)的PID控制，就是在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器前面增加一個(gè)非線性環(huán)節(jié)。3.3 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，需要確定，及系統(tǒng)的采樣周期T?？刂菩Ч暮脡?，在很大程度上取決于參數(shù)的選擇是否恰當(dāng)。 一、PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響1.比例控制對(duì)控制性能的影響2.積分控制對(duì)控制性能的影響3.微分控制對(duì)控制性能

13、的影響4.控制規(guī)律的選擇5.采樣周期的選擇二、擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)1.選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T ；2.逐漸加大比例系數(shù)，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩；3.選擇控制度；4.根據(jù)控制度，查表；5.按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。三、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)1.斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)；2.用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)變化過程曲線；3.在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，查表。四、試湊法整定PID參數(shù)1.首先只整定比例部分；2.如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須加入積

14、分環(huán)節(jié)；3.若使用比例積分控制消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。3.4 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，但是連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)要求相當(dāng)短的采樣周期，因此只能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法。由于控制任務(wù)的需要，必須根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求，應(yīng)用離散控制理論，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)，這種控制器的設(shè)計(jì)方法稱為數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法。一、數(shù)字控制器的直接法設(shè)計(jì)步驟(1)根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求和其他的約束條件，確定閉環(huán)系統(tǒng)脈沖函數(shù)；(2) 確定數(shù)字控制器；(3)編程實(shí)現(xiàn)。 二、最少拍數(shù)字控制器的設(shè)計(jì) 所謂最

15、少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無靜差的穩(wěn)態(tài)。3.5 施密斯(Smith)預(yù)估控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)工業(yè)對(duì)象具有較大的純滯后時(shí)間。對(duì)象的純滯后時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)的控制性能極為不利。但對(duì)象的純滯后時(shí)間與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比大于0.5時(shí)，采用常規(guī)的比例積分微分控制來克服大出滯后是很難適應(yīng)的，而且還會(huì)使控制過程嚴(yán)重超調(diào)，穩(wěn)定性變差。為了滿足含有純滯后對(duì)象的系統(tǒng)的控制，提出了施密斯預(yù)估算法。3.6 大林算法 大林算法適用于被控對(duì)象是帶有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)，帶有純滯后的一階或慣性環(huán)節(jié)為： 帶有純滯后的二階或慣性環(huán)節(jié)為：第4章 控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)二五四4.1

16、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基本原則與方法4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用4.3 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 任何一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，都包括一個(gè)相應(yīng)的軟件支持系統(tǒng)。如何來組織這個(gè)軟件支持系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜的問題。為把軟件系統(tǒng)組織和設(shè)計(jì)好，就需要掌握程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件的組織方法等方面的內(nèi)容。4.1應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基本原則與方法 控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)最終是靠程序的執(zhí)行來完成的。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)得如何，將決定整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和它的優(yōu)劣。 一、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的目標(biāo)及原則1.設(shè)計(jì)目標(biāo)(1)可靠性(2)可修改性(3)可理解性(4)可測(cè)試性(5)效率2.軟件設(shè)計(jì)原則(1)模塊結(jié)構(gòu)性原則(2)抽象性原則(3)局部性原則(4)信息隱藏原則

17、三、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的方法1.模塊化程序設(shè)計(jì)2.結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì) 3.應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)4.工業(yè)控制組態(tài)軟件4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)的輸入輸出外，還常遇到非數(shù)值運(yùn)算。為了設(shè)計(jì)高質(zhì)量的程序，設(shè)計(jì)者不但要掌握編程技術(shù)，還要研究程序所加工的對(duì)象，即研究數(shù)據(jù)的格式、特性、數(shù)據(jù)元素間的相互關(guān)系。下面介紹常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本知識(shí)，包括線性表、數(shù)組、堆棧、隊(duì)列、鏈表和樹，以及數(shù)據(jù)查找和數(shù)據(jù)排序方法。一、基本術(shù)語數(shù)據(jù)(data)是描述客觀事物的數(shù)、字符，以及所有能輸入到計(jì)算機(jī)中并被計(jì)算機(jī)程序處理的符號(hào)的集合。數(shù)據(jù)元素(data element)是一個(gè)數(shù)據(jù)整體中相對(duì)獨(dú)立的基本單位，即

18、數(shù)據(jù)這個(gè)集合中的一個(gè)個(gè)體(客體)。數(shù)據(jù)對(duì)象(data object)是具有相同特性的數(shù)據(jù)元素的集合，是數(shù)據(jù)的一個(gè)子集。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(data structure)簡(jiǎn)單說來是指數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，是帶有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)元素的集合。被計(jì)算機(jī)加工的數(shù)據(jù)元素都不是孤立的，在它們之間存在著某種聯(lián)系。二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型1.順序結(jié)構(gòu) 2.鏈形結(jié)構(gòu)3.樹形結(jié)構(gòu)三、數(shù)據(jù)查找技術(shù)1.順序查找 2.折半查找3.分塊查找 4.直接查找四、數(shù)據(jù)排序技術(shù)1.插入排序2.希爾排序3.選擇排序4.快速排序4.3 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需對(duì)生產(chǎn)過程的各種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，一般先用傳感器把生產(chǎn)過程的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電

19、信號(hào)，然后用A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，讀入計(jì)算機(jī)中。對(duì)于這樣得到的數(shù)據(jù)，一般要進(jìn)行一些預(yù)處理，其中最基本的為線性化處理、標(biāo)度變換和系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)。一、系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn) 系統(tǒng)誤差是指在相同條件下，經(jīng)過多次測(cè)量，誤差的數(shù)值（包括大小符號(hào)）保持恒定，或按某種已知的規(guī)律變化的誤差。這種誤差的特點(diǎn)是，在一定的測(cè)量條件下，其變化規(guī)律是可以掌握的，產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。 二、標(biāo)度變換 控制系統(tǒng)在讀入被測(cè)模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，往往還要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程值。這是因?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)量綱不同。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換有各種不同類型，它取決于被測(cè)參數(shù)

20、測(cè)量傳感器的類型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法。三、線性化處理 在許多控制系統(tǒng)及智能化儀器中，一些參量往往是非線性參量，常常不便計(jì)算和處理，有時(shí)甚至很難找出明顯的數(shù)學(xué)表達(dá)式，需要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)值或采用一些特殊的方法來確定其與自變量之間的函數(shù)關(guān)系式；在某些時(shí)候，即使有較明顯的解析表達(dá)式，但計(jì)算起來也相當(dāng)麻煩。而在實(shí)際測(cè)量和控制系統(tǒng)中，都允許有一定范圍的誤差。 四、越限報(bào)警處理圖1-5 DDC系統(tǒng)原理框圖 為了實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，都要設(shè)置緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，越限報(bào)警處理就是其中的一種。1.上限報(bào)警若XnXmax，則上限報(bào)警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。2.下限報(bào)警若XnXmin，則下限報(bào)警，否則繼續(xù)

21、執(zhí)行原定操作。3.上下限報(bào)警若XnXmax，則上限報(bào)警，否則對(duì)下式作判別：XnXmin否？若是，則下限報(bào)警，否則繼續(xù)原定操作。 第5章 控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)二五四5.1 干擾的來源和分類5.2 硬件抗干擾技術(shù)5.3 軟件抗干擾技術(shù)5.4 接地技術(shù)5.5 電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)5.6 “看門狗”技術(shù)5.1 干擾的來源和分類 所謂干擾，就是有用信號(hào)以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。干擾源、傳播途徑及干擾對(duì)象構(gòu)成了干擾系統(tǒng)的三個(gè)要素。分析干擾傳播途徑，針對(duì)不同類型的干擾采取相應(yīng)抗干擾措施，是提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的重要手段。一、干擾的來源1.空間感應(yīng)的干擾2.過程通道的干擾3.電源系

22、統(tǒng)的干擾4.地電位波動(dòng)的干擾5.反射波的干擾二、干擾信號(hào)的耦合方式1.直接耦合方式2.公共阻抗耦合方式3.電容耦合方式4.電磁感應(yīng)耦合方式5.輻射耦合方式6.漏電耦合方式3、干擾的作用形式1.共模干擾 共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾。2.串模干擾 串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)上的干擾，它串聯(lián)在信號(hào)源回路中，與被測(cè)信號(hào)相加輸入系統(tǒng)。3.長(zhǎng)線傳輸干擾 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)到控制計(jì)算機(jī)以及控制計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都經(jīng)過一段較長(zhǎng)的線路進(jìn)行信號(hào)傳輸，即長(zhǎng)線傳輸。5.2 硬件抗干擾技術(shù) 干擾是客觀存在的，研究干擾的目的是抑制干擾進(jìn)入計(jì)算機(jī)。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取

23、各種抗干擾措施，否則，系統(tǒng)不可能正常工作。應(yīng)用硬件抗干擾措施是經(jīng)常采用的一種有效方法，通過合理的硬件電路設(shè)計(jì)可以削弱或抑制大部分干擾。 一、共模干擾的抑制 共模干擾產(chǎn)生的原因主要是不同的地方之間存在共模電壓，以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地的漏阻抗。共模干擾的抑制方法主要有四種：變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽和具有高共模抑制比的放大器作為輸入放大器。二、串模干擾的抑制 串模干擾信號(hào)和有效信號(hào)是相串聯(lián)的，疊加在一起作為輸入信號(hào)，因此，對(duì)串模干擾的抑制較為困難。抑制串模干擾主要從干擾信號(hào)與工作信號(hào)的不同特性入手，針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的措施。三、長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)龐大系統(tǒng)。從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)到計(jì)算

24、機(jī)的連線，又從計(jì)算機(jī)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的連線，往往長(zhǎng)達(dá)幾十米，甚至數(shù)百米。連線的“長(zhǎng)”是相對(duì)的，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號(hào)的頻率很高，很多情況下傳輸線要按長(zhǎng)線對(duì)待。 5.3 軟件抗干擾技術(shù) 進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾技術(shù)以外，還要采取軟件抗干擾措施。軟件抗干擾問題越來越引起人們的普遍重視。一、軟件出錯(cuò)對(duì)系統(tǒng)的危害及抗干擾對(duì)策1.干擾對(duì)系統(tǒng)軟件的危害(1)數(shù)據(jù)采集不可靠(2)控制失靈(3)數(shù)據(jù)出錯(cuò)(4)程序運(yùn)行失常2.提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件可靠性的措施(1)分散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2)

25、容錯(cuò)技術(shù)(3)標(biāo)準(zhǔn)化 3.軟件抗干擾技術(shù)圖1-5 DDC系統(tǒng)原理框圖(1)提高數(shù)據(jù)采集可靠性的軟件對(duì)策(2)控制失靈的軟件對(duì)策(3)保護(hù) RAM 中數(shù)據(jù)的軟件對(duì)策(4)程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策二、數(shù)字濾波 所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V波。三、輸入/輸出軟件抗干擾措施 1.開關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)輸入抗干擾措施在開關(guān)量的輸入中，由于操作或外界等干擾，會(huì)引起狀態(tài)變化，造成誤判。2.開關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)輸出抗干擾措施由于干擾，可能使計(jì)算機(jī)輸出的正確數(shù)字信號(hào)，在輸出設(shè)備中得到錯(cuò)誤的信號(hào)。四、軟件冗余技術(shù)1.數(shù)據(jù)冗余2.信息冗余3.指令冗余五、程

26、序運(yùn)行失常的軟件抗干擾 為了防止“死機(jī)”，一旦發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行失常后能及時(shí)引導(dǎo)程序恢復(fù)原始狀態(tài)，必須采取一些相應(yīng)的軟件抗干擾措施5.4 接地技術(shù) 接地技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是極為重要的，接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法，接地的含義可理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，它是電路系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。 一、微機(jī)控制系統(tǒng)中的地線1.交流地 2.直流地3.模擬地 4.數(shù)字地5.安全地 6.信號(hào)地7.系統(tǒng)地二、常用的接地方法1.一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地2.模擬地和數(shù)字地的連接3.各地回流法單點(diǎn)接地4.輸入輸出的接地5.印刷電路板的底線技術(shù)6.主機(jī)外殼接地7.多機(jī)系統(tǒng)的接地5.5 電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 計(jì)算

27、機(jī)控制系統(tǒng)中的各個(gè)單元都需要直流電源供電，一般是由市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后向系統(tǒng)提供直流電源。由于變壓器的初級(jí)繞組接在市電電網(wǎng)上，電網(wǎng)上的各種干擾便會(huì)引入系統(tǒng)，影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，計(jì)算機(jī)的供電不允許中斷，因此，必須采取電源保護(hù)措施，防止電源干擾，保證不間斷供電。一、抗干擾穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)1.隔離變壓器2.低通濾波器3.交流穩(wěn)壓器4.電源變壓器5.直流穩(wěn)壓系統(tǒng)二、電源系統(tǒng)的異常保護(hù)1.不間斷電源UPS 在正常情況下，由交流電網(wǎng)向微機(jī)系統(tǒng)供電，并同時(shí)給UPS的電池組充電。一旦交流電網(wǎng)出現(xiàn)斷電，則不間斷電源UPS自動(dòng)切換到逆變器供電，逆變器將電池組的直流電壓逆變成為與

28、工頻電網(wǎng)同頻的交流電壓，此電壓送給直流穩(wěn)壓器后繼續(xù)保持對(duì)系統(tǒng)的供電。2.連續(xù)備用供電系統(tǒng) 連續(xù)備用供電系統(tǒng)是由柴油發(fā)電機(jī)供電，在兩種供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換期間，由電池完成平穩(wěn)過渡，以避免電源更換對(duì)系統(tǒng)的沖擊三、微機(jī)系統(tǒng)的掉電保護(hù) 對(duì)于允許暫時(shí)停運(yùn)的微機(jī)系統(tǒng)，希望在電源掉電的瞬間，系統(tǒng)能自動(dòng)保護(hù)RAM中的有用信息和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以便當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，能自動(dòng)從掉電前的工作狀態(tài)恢復(fù)。掉電保護(hù)工作包括電源監(jiān)控和RAM的掉電保護(hù)兩個(gè)任務(wù)。 1.電源監(jiān)控電路；2.掉電保護(hù)5.6 “看門狗”技術(shù) 看門狗，又叫 Watchdog timer，是一個(gè)定時(shí)器電路，是工控機(jī)普遍采用的抗干擾和可靠性措施，Watchdog電路是自

29、行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證。一、Watchdog的工作原理二、使用Watchdog的若干問題1.定時(shí)間隔和訪問時(shí)間的選擇2.修復(fù)質(zhì)量和程序設(shè)計(jì)3.修復(fù)質(zhì)量與輸出刷新4. Watchdog的失效5. Watchdog的適用范圍第6章 集散控制系統(tǒng)二五四6.1 集散控制系統(tǒng)概述6.2 集散控制系統(tǒng)的組成6.3 集散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信概要6.4 DCS在火電廠中的應(yīng)用6.1 集散控制系統(tǒng)概述 集散控制系統(tǒng)DCS( Distributed Control System)也稱分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或分散計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是一種綜合了控制（Control）、計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communicat

30、ion）、終端顯示（CRT）或人機(jī)界面會(huì)話（Conversation）技術(shù)即4C 技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。一 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展1、第一代產(chǎn)品主要由過程控制單元PCU（Process Control Unit）、數(shù)據(jù)采集裝置 DAU（ Data Acquisition Unit）、CRT操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)高速公路（HWHighway）五部分組成。這個(gè)時(shí)期的主要技術(shù)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了分散控制，從而使危險(xiǎn)分散；引入了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集中管理，分散控制。 2、第二代集散控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)一個(gè)是系統(tǒng)的功能擴(kuò)大或者增強(qiáng)，例如，控制算法的擴(kuò)充，常規(guī)控制與邏輯控制、批量控制相結(jié)合；過程操作管理范圍

31、擴(kuò)大，功能增強(qiáng)等。另一個(gè)是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的發(fā)展，從主從式的星形網(wǎng)絡(luò)通信改變?yōu)閷?duì)等式的總線網(wǎng)絡(luò)通信或環(huán)網(wǎng)通信。3、第三代 DCS向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起來，并且加強(qiáng)斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)和以開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動(dòng)化協(xié)議MAP（Manufacture Automation Protocol）標(biāo)準(zhǔn)，以及硬件上的諸多新技術(shù)，從而克服了自動(dòng)化孤島問題。開放系統(tǒng)是第三代集散控制系統(tǒng)的主要特征。 二 DCS的特點(diǎn)1、系統(tǒng)具有極高的可靠性2、軟件模塊化3、控制系統(tǒng)用組態(tài)方法生成 4、通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用6.2 集散控制系統(tǒng)的組成圖6-1 DCS的體系結(jié)構(gòu)一 D

32、CS的分散過程控制級(jí)1、DCS的分散過程控制級(jí)，直接與生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)的傳感器(熱電偶、熱電阻)、變送器(溫度、壓力、液位、流量變送器等)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥、電磁閥等)、電氣開關(guān)(觸點(diǎn)輸入輸出)相連接，完成生產(chǎn)過程控制，并能與集中操作監(jiān)控級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收顯示操作站下傳加載的參數(shù)和作業(yè)命令，以及將現(xiàn)場(chǎng)工作情況信息整理后向顯示操作站報(bào)告。2、分散過程控制級(jí)有許多類型的測(cè)控裝置，但最常用的類型有三種，即現(xiàn)場(chǎng)控制站、可編程序控制器(PLC)、智能調(diào)節(jié)器。二 DCS的集中操作監(jiān)控級(jí) DCS 的集中操作監(jiān)控級(jí)主要是顯示操作站，它完成顯示、操作、記錄、報(bào)警等功能。它把過程參量的信息集中化，把各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)配置的控

33、制站的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并通過簡(jiǎn)單的操作，進(jìn)行過程量的顯示、各種工藝流程圖的顯示、趨勢(shì)曲線的顯示以及改變過程參數(shù)，如設(shè)定值、控制參數(shù)、報(bào)警狀態(tài)等信息，這就是它的顯示操作功能。三 DCS的綜合信息管理級(jí) 綜合信息管理級(jí)在DCS中用來實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)（或工廠）的綜合信息管理，主要執(zhí)行生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)管理功能。DCS的綜合信息管理級(jí)實(shí)際上是一個(gè)管理信息系統(tǒng)(Management Information System，簡(jiǎn)稱MIS)，MIS是借助于自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理手段進(jìn)行管理的系統(tǒng)。MIS由計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫、各種規(guī)程和人共同組成。6.3 集散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信概要 一 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1、星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 星形結(jié)

34、構(gòu)的中心節(jié)點(diǎn)是主節(jié)點(diǎn)，它接受各分散點(diǎn)的信息再轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，具有中繼交換和數(shù)據(jù)處理功能。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是線路可用性強(qiáng)、效率高，便于程序集中研制和資源共享，但是交換控制中心同時(shí)也是最大的危險(xiǎn)集中點(diǎn)，控制中心一旦出現(xiàn)問題，就可能使整個(gè)通信停頓。2、總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 總線型結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)經(jīng)其接口，通過一條或幾條通信線路與公共總線連接。所有站點(diǎn)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適配器直接掛在總線上。任何一個(gè)通信站發(fā)出的信號(hào)都沿傳輸介質(zhì)向兩個(gè)方向傳播，類同于廣播電臺(tái)發(fā)射的電磁波向四周擴(kuò)散一樣，而且能被所有其他站接收?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性較好，可連接多種不同傳輸速度、不同數(shù)據(jù)類型的設(shè)備，可以方便地增加新站或撤除故障站，而不影響網(wǎng)絡(luò)的正

35、常工作。3、樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 樹形是總線型的復(fù)合形式，形狀像一棵倒置的樹，根上有分支延伸，每個(gè)分支還可以再延伸出子分支，適合于分級(jí)管理和控制系統(tǒng)。當(dāng)站點(diǎn)發(fā)送信號(hào)時(shí)，根接收該信號(hào)，然后再重新廣播發(fā)送到全網(wǎng)。它具有與總線型相同的優(yōu)缺點(diǎn)，此外，它易于擴(kuò)展和隔離故障，但對(duì)根的依賴性太大，若根發(fā)生故障，則全網(wǎng)不能正常工作。 4、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)通過環(huán)接口連在一條首尾相連的閉合環(huán)形通信線路中。同一時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)出信息或接收信息。這種鏈路是單向的，即只能在一個(gè)方向上傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)信息從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)，必單方向地相繼通過其他各節(jié)點(diǎn)。這樣，數(shù)據(jù)就在一個(gè)方向上沿著環(huán)進(jìn)行循環(huán)。環(huán)上某站發(fā)生故障

36、時(shí)，可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的通信。為了提高可靠性，常采用雙向雙環(huán)冗余結(jié)構(gòu)。 圖6-2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)a：星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) b：總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)c：樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) d：環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 二 訪問控制方式1、沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD) 主要用于總線形和樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該控制方式的工作原理是：當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)要發(fā)送信息時(shí)，首先要偵聽網(wǎng)絡(luò)中有無其他節(jié)點(diǎn)正發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，即網(wǎng)絡(luò)中已有某節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息(信道被占用)，該節(jié)點(diǎn)就需等待一段時(shí)間，再偵聽，直至信道空閑，開始發(fā)送。載波偵聽多路訪問是指多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同使用同一條線路，任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息前都必須先檢查網(wǎng)絡(luò)的線路是否有信息傳輸。 2、令牌環(huán)(Token Ri

37、ng) 僅適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 令牌是控制標(biāo)志，網(wǎng)中只設(shè)一張令牌，只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送信息，發(fā)送完后，令牌又傳給相鄰的另一節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)占令牌期間；其他節(jié)點(diǎn)只能處于接收狀態(tài)。當(dāng)所發(fā)信息繞環(huán)一周，并由發(fā)送節(jié)點(diǎn)清除，“忙”令牌又被置為“空”狀態(tài)，繞環(huán)傳送令牌。當(dāng)下一節(jié)點(diǎn)要發(fā)送信息時(shí)，則下一節(jié)點(diǎn)便得到這一令牌，并可發(fā)送信息。 3、令牌總線(Token Passing Bus) 主要用于總線形式或樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。受令牌環(huán)的影響，它把總線或樹形傳輸介質(zhì)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)邏輯環(huán)，即人為地給各節(jié)點(diǎn)規(guī)定一個(gè)順序。邏輯環(huán)中的控制方式類同于令牌環(huán)。不同的是令牌總線中，信息可以雙向傳送、任何節(jié)點(diǎn)都能“聽到

38、”其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息。由于只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才可發(fā)送信息(此時(shí)其他節(jié)點(diǎn)只收不發(fā))，因此該方式不要檢測(cè)沖突就可以避免沖突。 三 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)和選型 1、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià) 2、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的選型6.4 DCS在火電廠中的應(yīng)用一 DCS信號(hào)流程 根據(jù)安裝位置的不同，過程控制儀表可以分為現(xiàn)場(chǎng)儀表、架裝儀表與盤裝儀表。對(duì)應(yīng)用于過程控制的DCS來說，現(xiàn)場(chǎng)變送器與執(zhí)行器為現(xiàn)場(chǎng)儀表，過程控制裝置可以認(rèn)為是架裝儀表，人機(jī)接口裝置則為盤裝儀表。在應(yīng)用DCS進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須弄清DCS中各種信號(hào)的來龍去脈，并對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出原理有足夠的理解。 二、 DCS應(yīng)用過程圖1-5 DDC系統(tǒng)原理

39、框圖 DCS的應(yīng)用過程包括選型、設(shè)計(jì)、組態(tài)、調(diào)試與維護(hù)等多個(gè)階段。第7章 總線技術(shù)二五四7.1 總線概述7.2 現(xiàn)場(chǎng)總線7.3 現(xiàn)場(chǎng)總線的原理和發(fā)展概況7.4 幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線7.5 典型控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)7.1 總線概述一 總線的產(chǎn)生與發(fā)展 總線的定義： 總線是一組信號(hào)線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時(shí)也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。二 總線的分類1、根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途分為： (1)專用總線 我們將只實(shí)現(xiàn)一對(duì)物理部件間連接的總線稱為專用總線。 (2)非專用總線 非專用總線可以被多種功能或多個(gè)部件所

40、共享，所以也稱之為共享總線。2、根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境分(1)局部總線 局部總線又稱為芯片總線。它是微處理器總線的延伸，是微處理器與外部硬件接口的通路，通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。圖 7-1 局部總線(2)系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線和板線總線，即微型計(jì)算機(jī)總線，用于各單片機(jī)微處理機(jī)之間、模塊之間的通信，可用于STD總線、VME總線、PC總線等。圖 7-2 系統(tǒng)總線(3)外總線 外總線又稱為通信總線，用于微處理機(jī)與其他智能儀器儀表間的通信。外總線通常通過總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上。圖 7-3 外總線3、根據(jù)總線傳送信號(hào)的形式分(1)并行總線 如果用若干根信號(hào)線同時(shí)傳遞信號(hào)，就構(gòu)

41、成了并行總線，并行總線的特點(diǎn)是能以簡(jiǎn)單的硬件來運(yùn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。(2)串行總線 串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號(hào)。其特點(diǎn)是可以用幾根信號(hào)線在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息，主要用于數(shù)據(jù)通信。7.2 現(xiàn)場(chǎng)總線一 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介 1、現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微型計(jì)算機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 2、以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶的網(wǎng)絡(luò)集成式分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS (Fieldbus Control System)。這是繼基地式氣動(dòng)儀

42、表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng) DCS 后的新一代控制系統(tǒng)。 圖7-4各階段測(cè)控儀表能力指數(shù)示意圖 3、現(xiàn)場(chǎng)總線是底層控制網(wǎng)絡(luò) 底層控制網(wǎng)絡(luò)與工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接，一方面將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制設(shè)備互聯(lián)為網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備間的信息共享；同時(shí)又將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種信息傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡(luò)的連接和信息共享。二 現(xiàn)場(chǎng)總線的種類 (1)全功能數(shù)字網(wǎng)絡(luò) (2)傳感器網(wǎng)絡(luò) (3)數(shù)字信號(hào)串行線三 現(xiàn)場(chǎng)總線的未來 (1)能否出現(xiàn)全世界統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)(2)現(xiàn)場(chǎng)總線能否全面取代現(xiàn)時(shí)風(fēng)靡世界的 DCS系統(tǒng) 7.3 現(xiàn)場(chǎng)

43、總線的原理和發(fā)展概況一 現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)質(zhì) 1、現(xiàn)場(chǎng)總線的定義(1) ISA SP50中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義 現(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備(即場(chǎng)地級(jí)設(shè)備)之間以及與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備(即車間級(jí)設(shè)備)之間的聯(lián)系。(2)國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF的定義 現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下6個(gè)方面： 現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián) 互操作性 分散功能塊 通信線供電 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 各廠家制定產(chǎn)品協(xié)議的依據(jù)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議。

44、OSI協(xié)議是為計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，各廠家在實(shí)際制定自己的通信協(xié)議時(shí)，并非都在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了這7層協(xié)議，而往往依據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，僅僅實(shí)現(xiàn)該7層的子集。 2、現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議 從物理結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有兩個(gè)主要組成部分：一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；二是形成系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)。 現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，如總線型、環(huán)型、樹型、星型及混合型等。 3、系統(tǒng)組成二 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)統(tǒng)一為層，分別是：1、物理層2、數(shù)據(jù)鏈路層3、應(yīng)用層4、用戶層三 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展概況1、現(xiàn)場(chǎng)總線是綜合自動(dòng)化的發(fā)展需要2、智能儀表為現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 3、現(xiàn)場(chǎng)總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向 發(fā)展四 現(xiàn)場(chǎng)總

45、線的特點(diǎn) (1)系統(tǒng)的開放性 (2)互可操作性與互用性 (3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 (4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 (5)一對(duì)結(jié)構(gòu)(6)可控狀態(tài) (7)互換性 (8)綜合功能 (9)統(tǒng)一組態(tài)7.4 幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線1、控制層現(xiàn)場(chǎng)總線Control Net 2、設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線 Device Net 3、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線4、FF總線5、LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)和Lon總線6、CAN總線7、Modbus 協(xié)議7.5 典型控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 經(jīng)過發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為以下幾個(gè)基本層次： (1)信息層 (2)控制層 (3)設(shè)備層圖7-5 典型的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第8章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)二五四8.1

46、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟8.2 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8.3 啤酒發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟一 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 1、安全可靠 2、操作維護(hù)方便 3、實(shí)時(shí)性強(qiáng) 4、通用性 5、經(jīng)濟(jì)效益高二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 系統(tǒng)工程項(xiàng)目的研制可分為四個(gè)階段： 工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段 工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段 離線仿真和調(diào)試階段 在線調(diào)試和運(yùn)行階段1、工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段圖8-1 確定控制任務(wù)的流程2、工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段圖8-2 工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段流程3、離線仿真調(diào)試階段及在線調(diào)試運(yùn)行階段 圖8-3 離線仿真調(diào)試及在線調(diào)試運(yùn)行流程8.2 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 1、

47、硬件總體方案設(shè)計(jì) (1)確定系統(tǒng)的控制策略 (2)確定系統(tǒng)的類型 (3)確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 (4)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇 (5)其他方面的考慮2、軟件總體方案設(shè)計(jì) 依據(jù)合同書(或協(xié)議書)的技術(shù)要求和已做過的初步方案，進(jìn)行軟件的總體設(shè)計(jì)。軟件總體設(shè)計(jì)和硬件總體設(shè)計(jì)一樣，也是采用結(jié)構(gòu)化的“黑箱”設(shè)計(jì)法。先畫出較高一級(jí)的方框圖，然后再將大的方框分解成小的方框，直到能表達(dá)清楚為止。3、軟件總體方案設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框圖及文字說明(2)控制策略和控制算法(3)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置，主要的軟件功能、結(jié)構(gòu)及框圖。(4)方案比較和選擇。(5)保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。(6)抗干擾和可靠性設(shè)計(jì)

48、。(7)機(jī)柜或機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(8)經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度計(jì)劃的安排。二 硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型2、選擇輸入輸出通道模板3、選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4、控制操作面板設(shè)計(jì)三 軟件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1、控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的要求 2、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃 3、資源分配 4、實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)四 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行 1、離線仿真和調(diào)試 (1)硬件調(diào)試 (2)軟件調(diào)試圖8-4 開環(huán)特性調(diào)試原理框圖 圖8-5 PID控制模塊的閉環(huán)調(diào)試框圖2、在線調(diào)試和運(yùn)行 現(xiàn)場(chǎng)安裝及在線調(diào)試前先要進(jìn)行硬件檢查，經(jīng)過檢查并已安裝正確后，可進(jìn)行系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)的整定。8.3 啤酒發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一 啤酒發(fā)酵

49、工藝及控制要求 啤酒發(fā)酵工藝簡(jiǎn)介圖8-6 發(fā)酵過程溫度工藝曲線示意圖二 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 1、發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)的分布及管線結(jié)構(gòu) 圖8-7 檢測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)的分布圖 2、檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3、控制規(guī)律 為適應(yīng)溫度給定值為折線的情況，在恒溫段采用增量型PI控制算法，在升溫、降溫段采用PID 控制算法，考慮到被控對(duì)象大慣性和純滯后的特點(diǎn)，在控制軟件設(shè)計(jì)中提供了施密斯（Smith）預(yù)估控制算法。4、控制系統(tǒng)主機(jī)及過程通道模板5、控制系統(tǒng)的軟件 三 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)圖8-8 啤酒發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖 2、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)(1)數(shù)據(jù)采集程序(2)數(shù)字濾波程序(3)標(biāo)度變換程序 溫

50、度的標(biāo)度變換 壓力的標(biāo)度變換 液位的標(biāo)度變換(4)給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算(5)控制算法(6)其他應(yīng)用程序四 系統(tǒng)的安裝調(diào)試運(yùn)行及控制效果 調(diào)試工作主要是對(duì)變送器進(jìn)行滿度和零點(diǎn)校準(zhǔn)，A/D板和D/A板滿度和零點(diǎn)校準(zhǔn)；另外就是利用試湊法確定PID控制器的控制參數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試后，投入運(yùn)行，并滿足系統(tǒng)的控制要求。第9章 控制系統(tǒng)組態(tài)軟件WinCC二五四9.1 WinCC簡(jiǎn)介9.2 WinCC項(xiàng)目9.3 變量管理9.4 畫面組態(tài)9.5 故障處理9.5 系統(tǒng)的安全性 1、多數(shù)組態(tài)軟件提供多種數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序，用戶可進(jìn)行配置。 2、腳本語言是擴(kuò)充組態(tài)系統(tǒng)功能的重要手段。 3、可擴(kuò)展性為用戶提供了在

51、不改變?cè)邢到y(tǒng)的情況下，向系統(tǒng)內(nèi)增加新功能的能力。4、組態(tài)軟件應(yīng)用具有高度的開放性。 5、與MES和EPR系統(tǒng)緊密集成。6、現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)已趨向國(guó)際化、分布式的生產(chǎn)方式 。 組態(tài)軟件的發(fā)展方向9.1 WinCC簡(jiǎn)介一 性能特點(diǎn)1、創(chuàng)新軟件的使用。 2、包括所有SCADA功能在內(nèi)的客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)。 3、可靈活剪裁，由簡(jiǎn)單任務(wù)擴(kuò)展到復(fù)雜任務(wù)。 4、眾多的選件和附加件擴(kuò)展了基本功能。5、使用Microsoft SQL Server 2000作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可使用ODBC、DAO、ADO等方便的訪問歸檔數(shù)據(jù)。6、強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口（如OLE ActiveX、OPC）。7、 WinCC可編寫ANSI-S、visual Basic腳本程序。8、開放API編程接口可以訪問WinCC的模塊。 9