1、1,第二部分 计算机控制装置,主要内容： 第六章 计算机控制系统基本知识 第七章 可编程序控制器 * 第八章 集散控制系统 第九章 现场总线控制系统 第十章 工业以太网*,2,前 言,现 场 仪 表：主要指安装在工业现场的各种变送器、执行器及其它测量仪表。,第一部分的内容,控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器（调节器）、显示仪表等。,3,前 言,控制站：数字调节器、IPC、PLC等，它可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备。,第二部分内容,4,前 言,AI (A/D): 模拟量输入(模/数转换)DI: 开关量输入(数字量输入) AO (D/A): 模拟量输出(数/模转换)DO: 开关
2、量输出(数字量输出),第二部分内容,5,前 言,典型的计算机控制系统结构,6,前 言,计算机控制系统,特 征: 各种自动化仪表和自动控制装置已从模拟时代逐渐跨入真正数字时代。 重 要 性: 是实现安全、高效、优质、低耗生产的基本条件和重要保证，是现代工业生产中不可替代的神经中枢。 相关技术: 涉及计算机技术、自动控制技术、检测和传感技术、先进控制技术、智能仪表技术、网络通信技术等。 发展过程: 直接数字量控制(DDC)集中型计算机控制分布式计算机控制(DCS)现场总线(工业以太网)控制 功 能: 实现生产过程自动化和信息管理自动化，即计算机综合自动化。,7,第六章 计算机控制系统基本知识,主要
3、内容： 第一节 计算机控制系统概述 第二节 网络通信基础 第三节 开放系统互联参考模型 第四节 TCP/IP协议,8,第一节 计算机控制系统概述,主要内容： 一、什么是计算机控制 二、计算机控制系统的基本组成 三、计算机控制系统的主要设计思想 四、计算机控制系统的发展过程 五、计算机控制的发展特征,9,一、什么是计算机控制,10,一、什么是计算机控制,工作过程：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值； 控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算； 控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。,11,
4、二、计算机控制系统的基本组成,硬件组成,12,二、计算机控制系统的基本组成,软件组成, 系统软件支持软件应用软件,系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。 如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。,运行在系统软件的平台上，用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同。,应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。
5、,13,三、计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性 2.可维护性 3.实时性 4.性能价格比,14,三、计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用概率来表示。,(1)可靠性指标 可靠度 平均无故障工作时间MTBF 平均故障修复时间MTTR,15,三、计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,(1)可靠性指标 可靠度,单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。 例如: 在100只晶体管中有95只在上述规定条件下使用未出现
6、故障，则其可靠度 R 0.95，样本数量越大，所得可靠度的准确性就越高。,系统的可靠度除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关，串联连接和并联连接是两种典型的连接方式。,16,三、计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,(1)可靠性指标 可靠度,如果分析的是断路失效，则：串联系统中只要有一个子系统失效，系统就会失效。并联系统中全部子系统发生故障，系统才出现故障。,假设：各子系统可靠度均为0.9，子系统数分别是1、2、3时，则： 串联系统：可靠度分别是0.9、0.81、0.729， 串联子系统越多，系统的可靠度越低。 并联系统：可靠度分别是0.9、0.99、0.999
7、， 并联子系统越多，系统的可靠度越高。 当子系统数2时，并联子系统对增加系统可靠度的贡献并不显著。实际工程应用以这一理论为冗余技术的基础，多选用2个互为冗余的并联子系统。,17,三、计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,(1)可靠性指标 可靠度,平均故障修复时间MTTR MTTR指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间。,平均无故障工作时间MTBF MTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间。,18,三、计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,(1)可靠性指标 (2)提高控制系统可靠性的主要措施,选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。
8、 设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障预测和处理等。 采用分散控制思想。 增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控制回路中去，保证生产过程的正常运行。 对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。冗余系统的工作方式一般分为备份工作方式和双工工作方式两种。 采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。 另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行。,19,三、计算机控制系统的主要设计思想,2.可维护
9、性,可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力，它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。,设计合理的系统结构。例如，采用标准的模块化结构，可便于更换故障模块。 选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。 系统最好能够带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。 软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查和排除故障。,20,三、计算机控制系统的主要设计思想,3.实时性,计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号
10、的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。,为了满足实时性要求，需要从硬件和软件两方面来考虑。,21,三、计算机控制系统的主要设计思想,4.性能价格比,一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。,一般要掌握以下两个原则： 一是系统设计的性能价格比要尽可能高； 二是投入产出比要尽可能低。,22,四、计算机控制系统的发展过程,1. 直接数字量控制 （Direct Digital ControlDDC） 2. 集中型计算机控制系统 3. 集散控制系统 （Distributed Control
11、 SystemDCS） 4. 现场总线控制系统 （Fieldbus Control SystemFCS）,23,1. 直接数字量控制(DDC),本质 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。,起始于50年代末期，开辟了一个轰 轰烈烈的计算机工业应用时代,优点 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。,24,2. 集中型计算机控制系统,出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价
12、格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。,25,2. 集中型计算机控制系统,优越性：从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。,问 题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制很多个回路容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系统变得十分“脆弱”。,在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。,26,3. 集散控制系
13、统(DCS),出发点（2个方面）： (1) 不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性； (2) 考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,根本特征：控制的分散性,和 管理的集中性,27,DCS的功能层次,DCS的功能层次通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级，各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。,在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将2个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCS得以大大简化。,直接控制,过程
14、管理,生产管理,经营 管理,经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划,生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。,过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警,直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施,28,DCS的发展过程,总结：早期DCS的重点在于控制，DCS以“分散”作为关键字，但现代发展更着重于系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，
15、向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。,29,4. 现场总线控制系统(FCS),DCS结构,FCS结构,使用一对对电缆传输420mA电流信号,使用通信线路传输数字信号,30,4. 现场总线控制系统(FCS),定义,是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。,双向数据通信能力避免了反复进行的A/D、D/
16、A转换。 把控制任务下移到智能现场设备，以实现测量控制一体化。,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点。 涉及整个自动化和仪表的工业“革命” 。,31,五、计算机控制的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术的迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势。,系统结构向网络化、网络扁平化方向发展,系统功能向综合化方向发展,现场总线的应用将导致控制功能的彻底分散，将测量控制功能分散下放到现场仪表上，使传统的回路控制系统的结构发生根本性的变化。 不同的网络层面将从传统的由计算机连接的DCS多层结构改变成由网络设备(如网桥)连接的整体扁平化网络结构。
17、改变由于不同层面的信息交换受到连接计算机的网络标准、数据结构的封闭性所造成的制约，从而使计算机系统向信息化方向发展。,系统功能将不再局限于传统意义上的“控制”，而是将过程自动化和管理自动化综合为一体。不再只是设备集成，更主要的是对“信息流”的控制与分析的信息集成。 融入预测控制、模糊控制、多变量控制、神经网络控制、过程最优化、智能软测量、控制回路预整定、统计分析和质量控制等先进控制技术。,32,五、计算机控制的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术的迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势。,系统结构向网络化、网络扁平化方向发展,系统功能向综合化方向发
18、展,系统设备向多样化方向发展,DCS与PLC相互融合，使得实际生产应用中连续控制与逻辑/顺序控制能够协调统一。 发展以IPC为基础(IPC作为控制站或操作站/工程师站)的小型控制系统，发挥通用PC丰富的软硬件资源和广泛应用的技术优势。以适应小型控制系统的需求。 现场总线及工业以太网技术将得到推广应用，实现全数字化的计算机控制系统。,33,第二节 网络通信基础,主要内容： 一、网络通信的基本概念 二、计算机网络的拓扑结构 三、网络传输介质,34,一、网络通信的基本概念,什么是计算机网络 计算机网络是指在某一特定的协议规范的控制下，由若干台计算机、若干台终端设备、若干台数据传输设备等组成，能实现相
19、互间数据流动的系统的集合。计算机网络的作用 实现硬件资源、软件资源和信息资源的共享。计算机网络从作用范围的角度一般分为 局域网(LAN): 指小范围的网络(10km)，传输速度较高(10100MBps)。 用于自动化系统的计算机网络属于局域网络。 城域网(MAN): 指覆盖一个城市或地区的网络。 广域网(WAN): 指将更大范围的各种网络连接成的网络。计算机网络发展的三个阶段 第一代: 由一个主机和若干个终端设备组成的单机系统。 第二代: 由不分主从的多台计算机通过网络服务器的多机互联系统 (局域网)。 第三代: 具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化网络协议的网络系统。,35,一、网络通信的
20、基本概念,数字通信的信号,模拟信号是一个连续的物理量,数字信号是利用不连续的物理状态来表示数据，通过高/低电平来表示二进制数“1”和“0”。,36,一、网络通信的基本概念,数字通信的信号,基带传输与频带传输,采用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占有整个频带，终端设备把数字信号转换成电脉冲信号时，这个原始的电信号所固有的频带称为基本频带（baseband），基带传输也就是指在信道中直接传送基带信号。,采用模拟信号传送数据时，通常只占有限的频带宽度，因此称为频带传输。,37,一、网络通信的基本概念,数字通信的信号,基带传输与频带传输,同步通信与异步通信,同步通信就是使接收端接收的每一位数据信息都
21、要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间，多用于连续位流的传输。,异步通信多用于字符的传输，一个典型的异步通信过程是:,38,二、计算机网络的拓扑结构,网状拓扑,大型网络多采用,工控网络多采用,局域网络多采用,39,三、网络传输介质,网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路。 常用的传输介质有： 双绞线(UTP、STP)、同轴电缆、光纤 和无线传输介质等。 计算机控制系统多用： 带屏蔽的双绞线STP和光纤。,40,第三节 开放系统互联参考模型,主要内容： 一、OSI/RM的层次结构 二、OSI/RM中的信息流动过程 三、OSI/RM各层的主要功能,41,开放系统互联参考模型
22、,互联网的发展,不同制造商的网络产品众多,Open System Interconnection/Reference Model OSI/RM,需要建立标准化的网络机制,国际标准化组织1983年正式颁布 OSI/RM 国际标准ISO7498,OSI/RM 是一种中立、不受任何厂家约束与限制的理想模型。,42,一、OSI/RM的层次结构,A公司,A经理(写信),B公司,B收发员(分发),类比例子,43,一、OSI/RM的层次结构,OSI参考模型的层次,44,二、OSI/RM信息流动过程,45,物理层的主要功能,物理层是OSI参考模型的最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数据交换的一层，
23、负责传输bit流。,物理层的界定：数字信号(0/1)的表示电压、数据传输速率、最大传输距离；支持单工、半双工还是全双工通信；连接插头要多少针，每个针的作用是什么,形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑“l”，另一侧收到的也是一个逻辑“1”，而不是“0”。,具有数据处理能力的计算机等数据终端设备,数据通信或电路连接设备(如调制解调器等),46,数据链路层的主要功能,把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）看起来就像是一条不出差错的理想链路。,作用,47,数据链路层的主要功能,把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）看起来就像是一条不出差错的理想链路。,作用,为网络层
24、提供服务 无确认的无连接服务(不预先建立连接, 也不对收到的数据帧确认答复, 用于误码率低或实时要求高、数据延误比数据损坏影响更严重的场合) 有确认的无连接服务(不预先建立连接, 若在规定时间内无数据帧到达的确认答复, 就重发, 适用于无线传送等不可靠信道) 有确认的有连接服务(预先建立连接, 对每一数据帧都确认答复, 提供可靠的“位流”传输服务)传输数据的帧化处理 将数据加上帧编码及帧控制信息, 打包成帧。差错检测和流量控制 协调收/发端不同速度下的数据损坏、丢失、重份, 进行信息流量调节, “检错重发”。,功能,产品,链路产品有：网卡、网桥等,48,网络层的作用,网络层是OSI七层协议模型
25、中的第三层，亦称为“通信子网层”，是通信子网与高层的边界。 它以数据链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。 网络层提供的服务的设计目标是： 对高层(传输层)来说，所提供的数据传输服务与通信子网无关，即对传输层隐蔽通信子网的数量、类型和拓扑结构。,49,数据交换技术,网络层的数据交换方式按照传输过程中数据流在中继节点上的转接方式不同, 分为 “线路交换” 和 “存储转发” 两种方式,线路资源的利用率很低，为此线路交换方式只适合多媒体、语音、传真等数据量大的报文交换或实时、交互式报文交换，不适于一般的计算机通信。,50,数据交换技术,网络层的数据交换方式按照
26、传输过程中数据流在中继节点上的转接方式不同, 分为 “线路交换” 和 “存储转发” 两种方式,转存,寻找路由,转存,寻找路由,存储转发方式提高了链路的利用率，一份数据报在任何时刻都只占用一条链路的资源。目前国际上流行的公共数据网都采用分组交换的方式。,转存,寻找路由,寻找路由,转存,51,网络层的主要功能,报文分组 将来自上层的报文分为一定长度的分组，每一个分组中包括一个分组头，在其中标识源节点、目的节点的地址、分组的顺序号和其它控制信息，以保证在接收端能够将分组还原为完整的报文。路由选择 根据源节点和目的节点的地址信息，使用路由选择算法获得传输路径。 路由选择算法有：最短路径选择、基于流量的
27、路由选择、距离矢量路由选择等。拥塞控制 用流量控制解决网络拥塞，以保证通信网络性能。根据交换网的状态，为每个分组选择不同的空闲路由（分组交换）。,52,传输层、会话层、表示层、应用层,传输层 传输层起承上启下的作用，负责建立和维护端端之间的逻辑连接，以通信子网为基础，为会话层提供隐蔽了通信细节的界面端口。会话层 向会话进程提供会话组织和同步服务，负责在两个通信的实体(可以发送或接收信息的软件或设备，如终端、数据库管理程序、电子邮件系统等)之间建立、组织、协调及交互，对数据的传送提供控制和管理。表示层 为两个应用层实体提供抽象语法交换报文的途径。解决如何描述数据结构并使之与机器无关；如何将发送方
28、的bit序列转换成符合接收方的bit序列等。应用层 提供完成特定网络服务功能所需的各种应用协议，是计算机网络与最终用户间的界面。,53,OSI/RM总结,从理论上讲，OSI/RM是开放特性网络体系结构的典范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得十分周全。由于OSI模型本身并没有对每层的数据传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机网络起到了规范和指导作用。,54,第四节 TCP/IP协议,主要内容： 一、TCP/IP的基本情况 二、TCP/IP的层次结构 三、网间协议IP 四、用户数据报协议UDP 五
29、、传输控制协议TCP,55,一、TCP/IP的基本情况,TCP/IP体系是涉及面最广、影响最大的网络体系。 TCP/IP是Internet的核心协议。 TCP/IP协议不是国际标准，但由于TCP/IP协议的简单、实用、高效和成熟，更由于Internet的流行，使得TCP/IP成为计算机网络的事实上的国际标准。 TCP/IP这个术语并不是单指一个协议，而是由100多个与之相关的协议和应用程序组成的一个协议族，以下是 3 个最主要的基本协议： 网间协议IP 用户数据报协议 UDP 传输控制协议 TCP 目前，各种计算机控制系统的高层网络有向Ethernet TCP/IP统一的趋势发展。,56,二、
30、TCP/IP的层次结构,OSI与TCP/IP模型的对应关系,57,三、网间协议IP,它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标，也就是IP数据报传送及IP路由选择。 IP协议具有两个非常重要的特点： IP协议采用无连接的数据报传输机制，即只管对数据进行“尽力传递”，将分组传往目的地，不保证分组的正确顺序，一切可靠性工作均交由上层协议负责，如验证、确认等都由TCP协议处理。 提供在同一物理网络中的点到点通信，决定一条从源节点到目的节点的传输路径。,58,四、用户数据报协议UDP,UDP建立在IP协议之上，提供面向无连接的数据报传输。 UDP是一个不可靠的传输层协议，除了可以通
31、过校验和来判断数据的完整性之外，它不进行任何其它检查，它不能保证数据报的接收顺序同发送顺序相同，甚至也不能保证它们是否全部到达，因此，基于UDP的通信进程必须自己解决诸如报文丢失、报文重复、报文失序、流量控制等可靠性问题。 UDP的效率高，主要适用于面向传输报文较少的交互式服务。如果为此建立面向连接的数据传输服务，则网络资源的开销太大，利用不可靠的UDP进行数据传输，即使因报文出错而重传一次，也比面向连接的数据传输更为有效。,59,五、传输控制协议TCP,传输控制协议TCP是一种面向连接的、端对端的、高可靠性的数据传输层协议，它建立在不可靠的IP协议之上，数据传输的可靠性完全由TCP自己保证。 我们可以把TCP和IP形象地理解为有两个信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，外层再套上IP大信封，发送上网。在接收端，TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP几乎可以无差错地传送数据。,60,问题讨论,通过UDP发送,控制系统中通常使用 无连接还是有连接的数据传输方式？,
