第九章计算机控制系统

④通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进 行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产 过程的信息控制随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的 不断延伸，PLC的结构和功能也在不断地进行完善和 扩充。实现控制功能和管理功能的结合，以不同厂家 的产品构成开放型的控制系统是自动化系统主要的发 展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路，这 使得其成功发展的同时也带来了许多制约因素。 目前，绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放 型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。
DCS的硬件组态： 依据：系统规模及控制要求。
包括通信系统、人机接口、过程接口和电源系 统的选择等
应综合考虑各方面的因素： ①满足系统的控制要求，性能价格比最佳 ②系统在未来的定位 ③操作人员的易操作性、系统的易维护性等
DCS的软件组态：是在系统硬件和软件的基础上，用 软件组态方式将系统提供的功能块连结起来达到过程 控制的要求。 应用软件组态方式：
现场级的智能化 是指现场传感器或变送器智能化， 现场仪表可以由现场通信器或系统的工作站进行远程 访问、组态、调零、调量程及自动标定。传感器输出 的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递。
扩展期具有代表性的DCS系统有 TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。 这一时期DCS的基本组成与第二代相比变化不大， 但它的LAN采用MAP协议或与MAP兼容的协议，各 个节点工作站软、硬件功能均有所加强，现场级智 能仪表也有发展。
通信系统：是具有高速通信能力的信息总线，可由双 绞线、同轴电缆或光纤构成。 早期的集散系统采用专门的通信标准或通信协议， 系统兼容和互连性差。国际电工委员会(IEC)、国际标 准化组织(ISO)、美国电子电气工程师协会(IEEE)、工 厂自动化协议集团(MAP)为不同层次网络制定了相应 的标准。
(2) DCS的硬件、软件组态
数 字 控 制 器 数/模 转换器 ┆ 数/模 转换器 保持器 ┆ 保持器 执行器 ┆ 执行器 生 产 过 程
给定值 ━
模/数 转换器
多路 采样 保持 器
测量 ┆ 测量
图10-1 计算机控制系统框图
给定值 ━
数字 控制器
数/模 转换器
被控变量 保持器 执行器 对象
模/数 转换器 数字计算机
采样 保持 器
第九章 计算机控制系统
华东理工大学信息学院自动化系
定义：计算机控制就是利用计算机实现工业生产 过程的自动控制。
计算机控制系统=自动化技术+计算机技术
本章主要内容：
10.1 概述 10.2 集散控制系统 10.3 可编程控制器 10.4 现场总线控制系统 10.5 综合自动化系统
10.1 概述
10.1.1 计算机控制系统的组成
10.2.2 集散控制系统的发展
第一个集散控制系统——TDC2000：1975年，美国 Honeywell
三个时期： •初创期（1975~1980） •成熟期（1980~1985） •扩展期（1985年以后）
初创期：该时期的DCS系统是一个具有许多微处理机 的分级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散 的生产过程，通过高速数据通道将系统各个单元联系 起来。其通信系统是一初、中级的局部网络，全系统 由一个通信指挥器指挥和协调。 初创期具有代表性的DCS系统有Spectrum (Foxboro公 司)、Network(贝利公司)、Centum(日本横河公司)
成熟期：该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向 生产管理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技 术、自动控制技术、数据通信技术、图像处理技术的 飞速发展，使得DCS系统在扩大功能、数据通信以及 工业自动化信息管理等方面有所提高，形成第二代 DCS系统。 成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000 (Honeywell 公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、 YEWPACK-MARKII(日本横河公司)等
测量 仪表 执行器
电源
10-6 一体化PLC结构示意图
另一类（模块化结构）：各种模块在结构上是相互独 立的，在实际使用的过程中可根据具体的应用要求选 择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一 个完整的PLC应用系统，如下图所示。大、中型PLC 系统一般采用此类结构。增强了数据处理能力和网络 通信能力，可构成大规模的自动化控制系统，主要用 于复杂程度较高的自动控制，并在相当程度上可以替 代DCS以实现更广泛的自动化功能。
(3) 丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件包， 它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印和 信息检索等功能。
(4) 采用局部网络通信技术 DCS的数据通信采用工 业局域网络技术进行通信，传输实时控制信息，进 行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元、 人机接口进行控制和操作管理。大多采用光纤传输 媒质，通信的可靠性和安全性大大提高。通信协议 已开始向标准化前进，如采用IEEE802.3、 IEEE802.4等。 (5) 友善的人机接口 (6) 高可靠性 硬件、软件采用冗余技术
(1)可编程序控制器的发展
①初创阶段：从1969年DEC公司推出第一台 PLC(PDP-14)到20世纪70年代中期。该阶段产品主要 用于逻辑运算、计时、计数。 ②扩展阶段：20世纪70年代中期到20 世纪70年代末期。 扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算 等功能。
③通信阶段：20世纪70年代末期到20 世纪80年代中期。 PLC在通信方面得到了发展，形成了分布式的通信网 络系统。缺点是产品互通难。 ④开放阶段： 20世纪80年代中期以后。
(3)PLC的分类
按结构形式可将PLC分为两大类：一体化结构、模块 化结构 一类（一体化结构）：CPU、电源、I/O接口、通信 接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如下图所 示，小型及超小型的PLC系统用此结构
上位机 ┇ ┇ 其他 外设 通 信 接 口 ROM RAM CPU 电池 I/O 接 口 AI DI ┇ ┇ AO DO
工作原理：该系统将若干台微机分散应用于过程控 制，全部信息通过通信网络由上位管理机监控，实 现最优化控制，通过CRT装臵、通信总线、键盘、 打印机等进行集中操作、显示和报警。
10.2.1 集散控制系统的特点
主要特征：集中管理和分散控制。 具体有以下几个方面：
经营管理级
生产管理级
(1)分级递阶结构
这种结构从系统工程出发，考虑 功能分散、危险分散、提高可靠 性、强化系统应用灵活性、减少 设备的复杂性与投资成本，并且 便于维修和技术更新等优化选择 而得出的。
CRT操作站：是DCS的人-机接口，由CRT、微机、键 盘、打印机、存储器、通信控制器等组成。可以显示： 生产总貌和系统主要参数、每个回路的详细控制情况、 当前的和历史的数据、曲线等。 在操作站上可以通过键盘发出操作指令，进行回 路组态、调整参数、控制外设。CRT操作站还有自诊 断、报警功能。
上位管理机：是DCS的主计算机，它通过通信系统与 各个工作站联系，综合管理全系统的所有信息，能对 整个系统起到优化控制和管理作用。
过程控 制单元 … 过程控 制单元 过程接 口单元
其组成有：CPU、 ROM/RAM、I/O、 A/D、D/A等。 它可以控制一个或多 个回路，具有较强的 运算和控制功能，并 可以进行连续控制和 顺序控制。
过程
图10-5 DCS的基本结构
过程接口单元（PIU）：又称为过程输入输出单元、 数据采集单元、现场监视站、I/O扩展单元等。 它的组成与过程控制单元类似，是以微处理器为核心 的数据采集设备，负责采集非控制变量数据，并将其 数据经过通信系统传递给CRT操作站或上位管理计算 机。
控制管理级
过程控制级
经营管理级：全面的综合型经营管理和 决策
图10-4 DCS的 结构层次
(2) 采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为基 础的“智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰 富的领域。现场控制单元、过程输入输出接口、数 据通信等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊 断和自检测等“智能”控制过程。
控制管理级
过程控制级
图10-4 DCS 的结构层次
每一级由若干子系统组成，形成金字塔 结构。同一级的各决策子系统可同时对 下级施加作用，同时又受上级的干预， 子系统可通过上级互相交换信息。
经营管理级
生产管理级
过程控制级：根据上层决策直接控制生 产。
控制管理级：对生产过程实现集中操作 和统一管理。 生产管理级：承担最优化任务
最初：DDC——直接数字控制系统（集中控制系统）
20世纪70年代：DCS——集散控制系统（集中管理、分散控制） 20世纪60年代：PLC——可编程逻辑控制器
20世纪末：FCS——现场总线控制系统
目前及未来：CIMS——计算机集成制造系统 CIPS——计算机集成过程系统
10.2 集散控制系统 10.2.0 基本概念 定义：集散控制系统又称为分散型控制系统 （Distributed Control System）,简称为DCS系统， 是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控 制的一种全新的分布式计算机控制系统。
MAP [Mobile Application Part] 是NO.7信令系统的应用层 协议。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等网 络数据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动 用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。
10.2.3 集散控制系统的硬件和软件 过程控制单元 (1) DCS的基本构成 （PCU）：又称为现 管理计算机 CRT 操作站 场控制单元、现场控 (操作员接口) 制站、基本控制器、 通信系统 多功能控制器等。
扩展期：该时期的DCS系统增加了第三层——综合信 息管理层，把过程控制、监督控制、管理调度有机结 合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种ISO开放 互连OSI结构基础上的加工自动化协议）以及引入计 算机集成制造系统CIMS等，扩展期DCS的特点是综 合化、开放化和现场级的智能化。