第九章计算机控制系统

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。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图10-1 计算机控制系统框图

图10-2 计算机控制系统典型结构图 组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器连续控制系统计算机控制系统相似点：组成相同不同点：模拟控制器数字控制器多路开关、采样保持器、A/D、D/A

10.1.2 计算机控制系统的发展 图10-3 计算机控制系统的发展最初：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。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装置、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： (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。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。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。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。 (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

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：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：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

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。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。

综合化 包括纵向和横向两方面。纵向方面加强管理功能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理制度。横向方面则形成过程自动化与顺序控制、电机控制相结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。开放化是DCS按照国际统一标准组成“开放”的系统网络，便于不同公司生产的DCS产品之间方便地进行通信。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。 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（PCU）：又称为现场控制单元、现场控制站、基本控制器、多功能控制器等。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。 (1) DCS的基本构成图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。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。

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。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。 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 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。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： ①直接经DCS操作站组态 ②通过填写表格组态 ③利用PC机进行组态应用软件的组态包括：网络组态文件组态、数据点组态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、区域数据库和控制程序的编制等。

早期的DCS控制系统

10.3 可编程控制器 10.3.1 概述可编程序控制器（Programmable Controller, PC）早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller ）,简称PLC。

(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。

(2)可编程序控制器的特点（优点） ①高可靠性：PLC的主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提高系统可靠性的措施。 ②易操作性：操作、维修、编程 ③灵活性：表现在编程、扩展、操作三个方面 ④机电一体化：PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控制领域的主要控制设备。

(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 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。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。 10-7 模块化PLC结构示意图

(4)可编程序控制器的主要功能 ①开关逻辑和顺序控制：最主要功能 ②模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较多时。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。 ③信号联锁：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。 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和管理。

(5)可编程序控制器的发展方向 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。

10.3.2 PLC基本组成 PLC基本组成包括：CPU、通信接口、外设接口、I/O接口等。模块化PLC的应用更广泛，它在系统配置上更灵活，用户可以根据规模和设计要求进行配置，模块与模块之间通过外部总线连接，如下图所示 10-7 模块化PLC结构示意图

在模块化PLC系统中，一组基本的功能模块可以构成一个机架，CPU模块所在的机架通常称为中央机架，其他机架称为扩展机架。在模块化PLC系统中，一组基本的功能模块可以构成一个机架，CPU模块所在的机架通常称为中央机架，其他机架称为扩展机架。根据安装位置的不同，机架的扩展方式又分为本地连接扩展和远程连接扩展两种。前者要求所有机架都集中安装在一起，机架与机架间的连接距离通常在数米之内；后者一般通过光缆或通信电缆实现机架间的连接，连接距离可达几百米到数千米，通过中继环节还可以进一步延伸。远程扩展机架也称为分布式I/O站点，这是一种介于模拟信号传输技术和现场总线技术的中间产品。一个PLC所允许配置的机架数量以及每个机架所允许安装的模块数量一般是有限制的，主要取决于PLC的地址配置和寻址能力以及机架的结构和负载能力。

(1)CPU模块CPU模块是模块化PLC的核心部件，主要包括三个部分：中央处理单元CPU、存储器和通信部件。(1)CPU模块CPU模块是模块化PLC的核心部件，主要包括三个部分：中央处理单元CPU、存储器和通信部件。小型PLC的CPU单元通常采用价格低、通用性好的8位微处理器或单片机；中型PLC采用16位微处理器或单片机；大型PLC通常采用位片式微处理器，它将多个位片式微处理器级联，并行处理多个任务，具有灵活性好、速度快、效率高等特点。另外，大中型的PLC很多采用双CPU或多CPU结构，以加快PLC的处理速度。

常用的存储器主要有：ROM、EPROM、EEPROM、RAM等几种，用于存放系统程序、用户程序和工作数据。对于不同的PLC，存储器的配置形式是一样的，但存储器的容量随PLC的规模的不同有较大差别。常用的存储器主要有：ROM、EPROM、EEPROM、RAM等几种，用于存放系统程序、用户程序和工作数据。对于不同的PLC，存储器的配置形式是一样的，但存储器的容量随PLC的规模的不同有较大差别。通信部件的作用是建立CPU模块与其他模块或外部设备的数据交换。

(2)I/O模块PLC 通过I/O接口与现场仪表相连接，PLC最常用的I/O模块主要包括模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块。

(3)智能模块该模块通常是一个较独立的计算机系统，自身具有CPU、数据存储器、应用程序、I/O接口、系统总线接口等，可以独立地完成某些具体工作。但从整个PLC系统来看，它只是系统中的一个单元，需要通过系统总线与CPU模块进行数据交换。智能模块一般不参与PLC的循环扫描过程，而是在CPU模块的协调下，按照自身的应用程序独立地参与系统工作。比如：高速处理模块、通信处理器模块等一般属于智能模块。(3)智能模块该模块通常是一个较独立的计算机系统，自身具有CPU、数据存储器、应用程序、I/O接口、系统总线接口等，可以独立地完成某些具体工作。但从整个PLC系统来看，它只是系统中的一个单元，需要通过系统总线与CPU模块进行数据交换。智能模块一般不参与PLC的循环扫描过程，而是在CPU模块的协调下，按照自身的应用程序独立地参与系统工作。比如：高速处理模块、通信处理器模块等一般属于智能模块。

(4)接口模块 采用模块化结构的系统是通过机架把各种PLC的模块组织起来的，根据应用对象的规模和要求，整套PLC系统有可能包含若干个机架，接口模块就是用来把所有机架组织起来，构成一个完整的PLC系统。 (5)电源模块PLC一般配有工业用的开关式稳压电源供内部电路使用。与普通电源相比，一般要求电源模块的输入电压范围宽、稳定性好、体积小、质量轻、抗干扰能力强。

(6)编程工具 作用是编制和调试PLC的用户程序、设置PLC系统的运行环境、在线监视或修改运行状态和参数，主要有专用编程器或专用编程软件两类。专用编程器一般由PLC生产厂家提供，只能适用于特定PLC的软件编程装置。主要生产厂家一般都提供在PC机上运行的专用编程软件，借助于相应的通信接口装置，用户可以在PC机上通过专用编程软件来编辑和调试用户程序，专用编程软件一般可适用于一系列的PLC。特点：功能强大、通用性强、升级方便等

10.3.3 PLC的基本工作原理 PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，即周期扫描方式。 PLC的整个扫描过程可以概括地归纳为上电初始化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序的扫描、外设端口服务五个阶段。每一次扫描所用的时间称为一个工作周期（扫描周期）。PLC的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短有关。

(1)上电初始化：CPU首先对I/O、继电器、定时器进行清零或复位处理(1)上电初始化：CPU首先对I/O、继电器、定时器进行清零或复位处理 (2)一般处理扫描：每个扫描周期前的自检，如WDT的复位、I/O总线和用户存储器的检查 (3)数据I/O操作： (4)扫描用户程序：基于用户程序指令，读入外部数据和状态、运算、输出 (5)外设端口服务：每次执行完用户程序后，开始外设操作请求服务，主要完成与外设端口连接的外部设备（编程器、通信适配器等）的通信。 10-8 PLC扫描过程示意

10.3.4 PLC的程序设计语言 PLC的程序设计就是利用特定的表达方式（编程语言）把控制任务描述出来。 PLC是一种工业控制装置，它的程序设计多采用面向现场、面向问题、简单而直观的自然语言，它能直接表达被控对象的动作及输入输出关系，通常是与电器控制线路或工艺流程图相似的语言表达形式。常见的程序设计语言有：梯形图、语句表、逻辑功能图、计算机高级语言等。

(1)梯形图 梯形图是在继电器控制的电器原理图基础上开发出来的一种直观形象的图形编程语言。它沿用了继电器、触点、串/并联等术语和类似的图形符号，信号流向清楚，是多数PLC的第一用户语言。

(a)电器控制梯形图 (b) PLC梯形图图10-9 PLC梯形图示意

PLC梯形图的特点： ①梯形图的符号不是实际的物理元件，而只是对应于存储器中的某一位； ②梯形图不是硬接线系统，但可以借助“概念电流”来理解器逻辑运算功能； ③PLC根据梯形图符号的排列顺序，按照从左到右、自上而下的方式进行扫描，前一逻辑行的解算结果可被后面的程序所引用； ④每个梯形图符号的常开、常闭等属性在用户程序中均可以被无限次的引用。

(2)语句表 语句表STL是一种类似于汇编语言的助记符编程语言，每种控制功能通过一条或多条语句来描述。语句表编程语言的特点是面向机器，编程灵活方便，尤其适用于模拟量的解算。语句表的基本指令格式都是由操作码和操作数两部分组成。

语句表 LD 00001 OR 00002 LD NOT 00003 AND 00004 AND LD OUT 00200 (b) PLC梯形图

10.3.5 PLC的程序结构 • 线性化编程 • 将用户指令逐条编写在一个连续的指令块中，适用于比较简单的任务。 • 结构化编程 • 适合编制并组织复杂的应用程序，它允许把整个应用程序划分成若干个模块，用一个主程序来对这些模块进行组织和调用。

10.4 现场总线控制系统 现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展的基础上，与自动控制技术相结合的产物。它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。现场总线是20世纪80年代中期在国际上开始出现，90年代初发展形成的。它是应用于生产现场、微机化测量设备之间以及现场与控制室（或控制设备）之间的一种双向串行、多节点的数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。

10.4.1 现场总线控制系统的发展 (1)现场总线是综合自动化发展的需要随着计算机、信息技术的飞速发展，20 世纪末世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。处于全球市场中的工业生产必须加快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间T(Time to market)，改善质量Q(Quality)，降低成本C(Cost)，完善售后服务S(Service)。追求完善的T、Q、C、S是一个永无止境的过程，它能不断的促进技术进步与管理改革。因此形成了计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System) ，它采用系统集成、信息集成的观点来组织生产。把市场、生产技术、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。

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