第 5 章计算机控制系统

第 5 章计算机控制系统

内容提要

计算机控制简介可编程逻辑控制器集散控制系统 (DCS)现场总线控制系统工业以太网

第一节计算机控制简介

计算机技术和自动控制技术是现代科学技术领域中发展最迅速的分支，计算机控制技术是二者结合的产物。

作为自动化工具的自动化仪表和计算机控制装置已经取得迅速发展，目前，计算机控制装置已经成为工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。

第一节计算机控制简介定义

用模拟控制器等常规自动化工具实现的自动化系统称之为常规控制系统常规控制系统 ,也叫模拟式控制系统。

利用计算机实现工业生产过程的自动控制系统称之为计算机控制系统计算机控制系统。


第一节计算机控制简介计算机控制的发展过程

1946 年第一台数字计算机问世 1950 年前后，为早期航天应用研制了一种专用数字计算机——数字微分分析机 (DDA)

1959 年 3月 1日第一套计算机控制系统在美国德克萨斯州某炼油厂的聚合装置上正式投入运行

目前，计算机控制系统发展迅猛 ,计算机在控制领域里的应用将向集散化和综合化发展

在连续生产过程中 ,集散控制系统仍是生产过程控制的主选装置 ,但随着计算机技术的发展，现场总线控制系统将逐渐取代集散控制系统


、计算机控制系统的组成

计算机控制系统组成框图


计算机控制的工作过程分三个步骤：

1 数据采集

2 控制决策

3 控制输出

三个步骤重复执行，就实现对现场参数的控制。


集散控制系统集散控制系统 ((Distributed Control SystemDistributed Control System )

基本设计思想：

一方面，使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现部分有限的控制目标；另一方面，强调管理的集中性，依靠计算机网络完成操作显示部分与分散控制系统之间的数据传输，使所有控制器都在生产过程的统一管理协调下动作。


现场总线控制系统现场总线控制系统（（ Fieldbus Control SysteFieldbus Control Systemm ））

用数字信号的传输来代替模拟信号的传输，这种现场信号的传输技术就叫现场总线，基于现场总线技术的控制系统就叫现场控制总线控制系统。 FCS 把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本的控制功能。

第二节可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller) 是一种以 CPU 为核心的计算机工业控制装置 ,由于其良好的性能价格比和稳定的工作状态以及简便的操作性。

可编程逻辑控制器是一种数字运算操作系统 ,专为工业环境应用而设计 ,有较强的抗干扰能力。

可编程逻辑控制器可以单独使用 ,也可以通过网络成为 DCS 控制系统的一部分。

第二节可编程逻辑控制器二、可编程控制器的功能与特点

1.1. 可编程控制器的功可编程控制器的功能能 PLC 可以进行各种复杂的开关量逻辑控制，且配置了计数器、定时器等指令，进一步丰富了逻辑控制功能，同时可以完成各种类型的计数要求。

PLC 具有了 A/D 、 D/A 转换的功能 , 丰富了控制手段和控制范围。

PLC 有了较强的通信功能 , 可以组成 PLC 控制的计算机网络。


2.2. 可编程控制器的特可编程控制器的特点点

控制程序可编程控制程序可编程编程方便编程方便扩展灵活扩展灵活可靠性高可靠性高


集散控制系统侧重回路连续调节功能 ,在模拟量处理、反馈控制等方面具有明显优势；

可编程控制器侧重开关量顺序控制功能 ,在数字处理、顺序控制方面具有一定优势。

可编程控制器与集散控制系统比较

发展初期


网络功能方面 DCS 从一开始就十分重视网络通信 ,PLC 也在不断增强网络通信功能。

顺序控制功能方面

PLC 优势强

模拟量处理功能方面

DCS 系统较完善

第二节可编程逻辑控制器三、可编程逻辑控制器的基本组成

PLC 的基本组成框图

第二节可编程逻辑控制器1.CPU1.CPU

解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，控制整个系统协调一致地工作。

主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。

2.2. 存储存储器器（（ 11 ）存储器类型：）存储器类型：

RAM 、 ROM 、 EPROM 和 E2PROM ，外存常用盒式磁带或磁盘等

作用作用

（（ 22 ）存储区分）存储区分配配

简化的存储映像


3.3. 输入输出模输入输出模块块

I/O 模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。

PLC 连接的过程变量按信号类型可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。


4.4. 编程器编程器

功能功能

编程器是 PLC 必不可少的重要外部设备。

编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC 的用户程序存储器。

编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对 PLC 的工作状态进行监控，同时也是用户与 PLC 之间进行人机界面。

第二节可编程逻辑控制器工作方式工作方式

编程器与 PLC 上的专用插座相连，或通过专用接口相连，程序可直接写入 PLC 的用户程序存储器中，也可先在编程器的存储器内存放，然后再下装到 PLC 中。

离线（脱机）编程方式离线（脱机）编程方式

编程器先不与 PLC 相连，编制的程序先存放在编程器的存储器中，程序编写完毕，再与 PLC 连接，将程序送到 PLC 存储器中。

在线（联机）编程方式在线（联机）编程方式

分类分类便携式编程器和通用计算机。

第二节可编程逻辑控制器四、可编程逻辑控制器的软件系统

(1)(1) 梯形图语梯形图语言言

目前常用的编程目前常用的编程语言有：语言有：

梯形图语言梯形图语言

助记符语言助记符语言

功能表图功能表图

某些高级语言某些高级语言

1.1. 可编程控制器的编程语言可编程控制器的编程语言

梯形图的表达式沿用了原电气控制系统中的继电接触控制电路图的形式，二者的基本构思是一致的，只是使用符号和表达方式有所区别。

第二节可编程逻辑控制器举例举例某一过程控制系统，工艺要求开关某一过程控制系统，工艺要求开关 11 闭合闭合 40s40s 后，后，

指示灯亮，按下开关指示灯亮，按下开关 22 后灯熄灭。后灯熄灭。

下图（ a ）为实现这一功能的一种梯形图程序（ OMRON PLC ），它是由若干个梯级组成的，每一个输出元素构成一个梯级，而每个梯级可由多条支路组成。

梯形图程序


(2)(2) 助记符语助记符语言言又称为命令语句表达式语言，常用一些助记符来表示PLC 的某种操作。助记符语言类似微机中的汇编语言，但比汇编语言更直观易懂。

图（ b ）为梯形图对应的用助记符表示的指令表。

不同厂家生产的 PLC 所使用的助记符各不相同，因此同一梯形图写成的助记符语句不相同。用户在梯形图转换为助记符时，必须先弄清 PLC 的型号及内部各器件编号、使用范围和每一条助记符的使用方法。

注意！


1.1. 按容量分按容量分

（（ 11 ）小型）小型 PLCPLC　

I/O 点总数一般为 20 ～ 128 点。

主要功能主要功能逻辑运算、定时计数、移位处理等，采用专用简易编程器。

（（ 22 ））中中型型 PLCPLC　其 I/O 点总数通常为 129 ～ 512 点，内存在８ K 以下，

适合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。

主要功能主要功能除有小型 PLC 的功能外，还有算术运算、数据处理及 A/D 、 D/A 转换、联网通信、远程 I/O 等功能，可用于比较复杂过程的控制。

五、可编程逻辑控制器的分类


（（ 33 ））大大型型 PLCPLC　其 I/O 点总数在 513 点以上。

主要功能主要功能除了具有中小型 PLC 的功能外，还具有 PLD 运算及高速计数等功能，用于机床控制时，具有增加刀具精确定位、机床速度和阀门控制等功能，配有 CRT 显示及常规的计算机键盘，与工业控制计算机相似。

编程可采用梯形图、功能表图及高级语言等多种方式。

第二节可编程逻辑控制器２２ .. 按硬件结构分按硬件结构分

（（ 11 ））整体式整体式 PLCPLC　它将 PLC各组成部分集装在一个机壳内，输入、输出

接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管显示输入 / 输出状态。面板上留有编程器的插座、 EPROM 存储器插座、扩展单元的接口插座等。

优点具有这种结构的可编程序控制器结构紧凑、体积小、价格低。

SIMENS SIMATIC S7-200 的外形图

第二节可编程逻辑控制器（（ 22 ））模块式模块式 PLCPLC　输入 / 输出点数较多的大型、中型和部分小型 PLC 采用模

块式结构。其优点为：

SIMENS SIMATIC S7-300 的外形图

采用积木搭接的方式组成系统，便于扩展，其 CPU 、输入、输出等都是独立的模块，有的 PLC 的电源包含在 CPU 模块之中。

品种多，硬件配置灵活，更换模块方便。（（ 33 ））叠装式叠装式 PLCPLC　它吸收了整体式和模块式 PLC 的优点，其基本单元、

扩展单元等高等宽，它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的体积小巧的长方体，而且输入、输出点数的配置也相当灵活。

第二节可编程逻辑控制器欧姆龙 PLC 简介

OMRON C 系列 PLC有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。

微型微型 PLCPLC 以 C20P 和 C40H 为代表，是整体结构， I/O容量为几十点，最多可扩至 120点。

小型小型 PLCPLC 分为 C120 和 C200H两种， C120最多可扩展256点 I/O ，是紧凑型整体结构。


中型中型 PLCPLC 有 C500 和 C1000H两种， I/0容量分别为 512点和 1024点。

大型大型 PLCPLC 有 C2000H ， I/O点数可达 2048 点，同时多处理器和双冗余结构使得 C2000H 不仅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模块化结构，外形与 C200H相近。

SYSMAC C28H 外形示意图 C200H 外观示意图

CPM1A C * * P 外观图

第三节集散控制系统一、集散控制系统的基本构成

集散控制系统基本构成图 CENTUM-CS 系统外观图

第二节集散控制系统概述

集散型控制系统的体系结构

操作站、工程师站和上位计算机构成集中管理部分；现场监测站、现场控制站构成分散控制部分；通信网络是连接集散系统各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制的关键。

小结小结

第二节集散控制系统概述二、集散控制系统的特点

① 控制功能丰富　

② 监视操作方便

③ 信息和数据共享

④ 系统扩展灵活

⑤ 安装维护方便

⑥ 系统可靠性高

第三节 CENTUM-CS 集散控制系统

一、 CENTUM-CS 系统的构成

CENTUM-CS 系统构成


二、 ICS 的组成及功能 ICS 由一个或两个 CRT 显示器、操作键盘、鼠标、工程师键盘及智能部件组成。

CENTUM-CS 系统操作站外观图

操作员键盘各键的功能

续表

续表


CENTUM-CS 操作员键盘


操作员键盘的系统维护面板图


三、 CRT 显示画面的显示格式

DCS 系统利用 CRT 显示器显示生产过程的信息 , CENTUM-CS 系统的 CRT 显示画面主要由系统信息区、主面板区、窗口区、软键区及录入区组成。


显示画面格式


四、 CENTUM-CS 系统中的字母代号

在 DCS 中用字母代号表示回路状态、报警状态、数据类型等。认识字母代号 ,才能正确认识 DCS 系统的显示画面 ,才能正确完成 DCS 的工艺操作。


类型字母代号意义字母代号意义

仪表调整面板常用参数

MODE 仪表块方式 LL 下下限报警值PV 测量值 SVH 设定点上限限位值SV 设定值 SVL 设定点下限限位值MV 阀位输出值 MH 阀位输出上限限位值DV 偏差值 ML 阀位输出下限限位值SUM 累计值 P 比例带HH 上上限报警值 I 积分时间PH 上限报警值 D 微分时间PL 下限报警值

CENTUM-CS 系统的字母代号


类型字母代号意义字母代号意义

常用报警状态字

IOP 输入开路 DV+ 正偏差报警OOP 输出开路 NR 正常HH 上上限报警 ANS+(ON) 回讯不正常HI 上限报警 ANS-

(OFF)回讯不正常

LO 下限报警 PERR 两回讯均不正常LL 下下限报警 CAL 校验状态DV- 负偏差报警 AOF 报警功能取消

续表


系统信息区显示内容举例

第三节 CENTUM-CS 集散控制系统五、基本操作方法

1.1. 画面的调画面的调出出操作站的画面有三大类：操作画面、应用画面和组态画面。

调出的方法调出的方法

① 利用画面名称调出。

② 利用功能键调出。

③ 利用画面选择键或操作员应用功能键调出。

④ 利用画面展开调出。


画面类别画面类别画面名称画面名称画面类别画面类别画面名称画面名称

综观画面 · OV×××× 趋势点画面 · TP××××

分组画面 · CG×××× 流程图画面 · GR××××

报警画面 · AL×××× 过程报警画面 · PR

操作指导信息画面 · OG 操作应用画面 · OU

趋势组画面 · TG×××× 系统维护画面 · SM

CENTUM－ CS 系统 10 种监视画面名称

注：××××表示页面号


2.2. 参数及控制方式的调参数及控制方式的调整整

(1)(1) 控制方式的调控制方式的调整整 DCS 控制系统一般有几种控制方式，在操作过程中，可以调整。调出要进行操作的控制系统对应的仪表图，根据仪表图下的软键号调整对应控制键上的手动、自动按键。

控制方式更改确认窗口


(2)(2) 改变阀位输出值改变阀位输出值 ((MVMV)) 仅在手动方式时能操作。仅在手动方式时能操作。

(3)(3) 改变设定值改变设定值 ((SVSV)) 在自动方式下操作同在自动方式下操作同 (2)(2) ；；

(4)(4) 数据录入数据录入

①按压［ ITEM］［数据类型］［□］键来确定更改数据类型。但在流程图上利用光标调出字符输入区时例外。

②按压［ DATA］［更改后的数字］［□］。

③输入错误可用［ BS←］键进行修改。

④数据输入后或控制方式更改后，按［确认键］数据真正进入内部仪表。最后用［ CL］键关闭录入窗口。


六、显示画面及操作 CENTUM-CS 系统的操作站主要有９种类型的画面用于系统的监视和操作，它们分别是综观画面综观画面、分分组画面组画面、、调整画面调整画面、、报警画面报警画面、、操作指导信息画面操作指导信息画面、、流程图画面流程图画面、、趋势画面趋势画面、、用户屏幕用户屏幕及信息屏幕信息屏幕。


1.1. 仪表仪表图图仪表图是系统显示的主要内容，也是操作的关键。仪表图没有单独的显示画面，但在大部分显示画面中都可调出。仪表图显示由工位号说明、工程单位、数字显示、方式状态显示、模拟显示和工位号几部分组成。


主要的仪表图（一）


主要的仪表图（二）


2.2. 综观显示画综观显示画面面

作用作用

把反馈控制系统、顺序控制系统、各种操作画面定义在一个个显示块中，以便了解过程系统的综合概貌。若发生报警时，可用声光通知操作人员进行确认。利用光标的操作，也可以从综观画面转移到其他画面上。


综观显示画面


3.3. 分组显示画分组显示画面面

分组显示画面


4.4. 调整画调整画面面

主要显示主要显示一个工位号反馈控制的内部仪表或顺序控制的顺序元素的各种设定参数、控制参数、３点调整趋势图和仪表图。

主要内容主要内容包括工位号标记、工位号、工位号说明、该工位号的设定及控制参数、调整趋势图和仪表图。


调整画面


5.5. 趋势组画趋势组画面面

根据采集方式、记录周期和采样周期的不同分类：根据采集方式、记录周期和采样周期的不同分类：

实时趋势、历史趋势和批量趋势三种。

实时趋势用于记录控制系统的过渡过程曲线，可以进行 PID参数的整定；

历史趋势用于记录控制系统的运行状况，以备检查，或将其数据存入硬盘及软盘；

批量趋势用于记录批量过程的数据。


趋势组画面


6.6. 趋势点画趋势点画面面

趋势点画面显示趋势组画面中某一个数据项，显示两组趋势图：包含所有采样点的总体趋势图和放大的详细趋势图。

趋势点画面与趋势组画面相似。


7.7. 流程图画流程图画面面

流程图画面可以用图形、颜色和数据，将设备和控制系统图案化，以满足用户监视和操作的要求。

在主显示区显示的内容是用户自己编制的工艺设备、控制系统的显示图案以及仪表图。


显示画面格式


8.8. 报警概要画报警概要画面面

报警画面报警画面按报警发生的顺序，依次在主显示区显示 20个报警信息。

每个报警信息按序号，工位号标记，报警发生的月、日、分、秒，工位号，工位号说明，报警状态这一顺序进行显示。


报警概要画面

第四节现场总线控制系统一、现场总线系统的产生和特点

1.1. 现场总线系统的产现场总线系统的产生生目前的 DCS 的检测、变送和执行等现场仪表仍采用模拟信号连接 ,无法满足上位机系统对现场仪表的信息要求 , 产生了上位机与现场仪表进行数字通信的要求。智能化现场仪表的出现 , 也要求与上位机系统实现数字通信。

在上述因素的驱动下 , 要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路即现场总线现场总线 (FCS) 。

第四节现场总线控制系统

2.2. 现场总线系统的特现场总线系统的特征征

传统计算机控制系统结构示意图

传统计算机控制系统的缺点传统计算机控制系统的缺点

这种传输方式一方面要使用大量的信号线缆；另一方面模拟信号的传输和抗干扰能力低。


现场总线控制系统 FCS 是在 DCS 系统的基础上发展而成的，它继承了 DCS 的分布式特点，但在各功能子系统之间，尤其是在现场设备和仪表之间的连接上，采用了开放式的现场网络，从而使系统现场设备的连接形式发生了根本的改变，具有自己所特有的性能和特征。


现场总线控制系统的特征现场总线控制系统的特征

现场总线控制系统结构示意图

① 全数字化的现场通信网络。

② 开放型的互联网络。

③ 采用数字信号传输取代模拟信号传输。

④ 增强了系统的自治性 ,系统控制功能更加分散。

第四节现场总线控制系统二、现场总线国际标准化

IEC61158 采用的 8 种类型

IECIEC 标准标准的 8种类型是平等的。

其中 Type2～ Type8需要对 Type1提供接口，而标准本身不要求 Type2～ Type8之间提供接口。

第四节现场总线控制系统三、主要的现场总线系统简介

1. HART 总线系统

2. Profibus 总线系统

3. FF 总线系统

4. CAN 总线系统

5. Lon Works 总线系统

例题分析

操作员想要更改某控制系统的输出值 (MV) 为 70%，将采用哪些操作步骤？

分析：分析：我们知道 , 控制系统的输出值只有在手动控制方式下更改才有效 ,因此 ,先调出该仪表图 , 将控制方式调整为手动方式 ,然后更改其输出值。

例题分析

解：解：

① 仪表图调出。在流程图画面或分组显示画面或调整画面中，双击或触摸触屏点 , 调出该控制系统的仪表图。

② 控制方式更改。按键盘上对应该仪表图的控制键的 [MAN 键 ]，在提示是否更改为手动方式的情况下，按确认键。

例题分析

③ 变量调整。按 [ITEM]，输入字母代号 MV，按进入键 [ ]，确定更改的数据类型 ;按 [DATA] 键 ,输入更改后的数据 70% ,确定无误后 ,再按 [ ] 键。

④ 确定修改。数据更改前 , 系统提示是否进行修改 ,检查无误后 ,按 [ 确认键 ] , 数据真正进入内部仪表。用 [ CL] 键关闭录入窗口。如想回到自动状态 ,按步骤②顺序 ,改变控制方式。

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第 5 章 计算机控制系统

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