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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 , 也叫模拟式控制系统。

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第 5 章 计算机控制系统

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  1. 第5章 计算机控制系统

  2. 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

  3. 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。

  4. 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,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。

  5. 第一节 计算机控制简介

  6. 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

  7. 计算机控制系统组成框图 第一节 计算机控制简介 • 、计算机控制系统的组成

  8. 第一节 计算机控制简介 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。

  9. 第一节 计算机控制简介 集散控制系统(Distributed 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。

  10. 第一节 计算机控制简介 现场总线控制系统（Fieldbus Control System） 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。

  11. 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。

  12. 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.可编程控制器的功能 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。

  13. 第二节 可编程逻辑控制器 2.可编程控制器的特点 • 控制程序可编程 • 编程方便 • 扩展灵活 • 可靠性高

  14. 第二节 可编程逻辑控制器 可编程控制器与集散控制系统比较 发展初期 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。

  15. 第二节 可编程逻辑控制器 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

  16. PLC的基本组成框图 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

  17. 简化的存储映像 第二节 可编程逻辑控制器 1.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。 作用 主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。 2.存储器 （1）存储器类型： RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁带或磁盘等 （2）存储区分配

  18. 第二节 可编程逻辑控制器 3.输入输出模块 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。

  19. 第二节 可编程逻辑控制器 4.编程器 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。

  20. 第二节 可编程逻辑控制器 工作方式 在线（联机）编程方式 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 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。 分类 便携式编程器和通用计算机。

  21. 梯形图语言 • 助记符语言 • 功能表图 • 某些高级语言 目前常用的编程语言有： 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.可编程控制器的编程语言 (1)梯形图语言 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。

  22. 举例 某一过程控制系统，工艺要求开关1闭合40s后，指示灯亮，按下开关2后灯熄灭。 梯形图程序 第二节 可编程逻辑控制器 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。

  23. 注意！ 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。 第二节 可编程逻辑控制器 (2)助记符语言 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。

  24. 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。 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。 第二节 可编程逻辑控制器 • 五、可编程逻辑控制器的分类 1.按容量分 （1）小型PLC I/O点总数一般为20～128点。 （2）中型PLC 其I/O点总数通常为129～512点，内存在８K以下，适合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。

  25. 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。 第二节 可编程逻辑控制器 （3）大型PLC 其I/O点总数在513点以上。 编程可采用梯形图、功能表图及高级语言等多种方式。

  26. 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 ２.按硬件结构分 （1）整体式PLC 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。

  27. SIMENS SIMATIC S7-300的外形图 第二节 可编程逻辑控制器 （2）模块式PLC 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： • 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。 （3）叠装式PLC 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。

  28. 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PLC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PLC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。

  29. 第二节 可编程逻辑控制器 中型PLC有C500和C1000H两种，I/0容量分别为512点和1024点。 大型PLC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。

  30. SYSMAC C28H外形示意图 C200H 外观示意图 CPM1A C * * P外观图

  31. 集散控制系统基本构成图 CENTUM-CS系统外观图 第三节 集散控制系统 • 一、集散控制系统的基本构成

  32. 小结 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。 集散型控制系统的体系结构 第二节 集散控制系统概述

  33. 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

  34. CENTUM-CS系统构成 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 • 一、CENTUM-CS系统的构成

  35. CENTUM-CS系统操作站外观图 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 • 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。

  36. 操作员键盘各键的功能

  37. 续表

  38. 续表

  39. CENTUM-CS操作员键盘 第三节 CENTUM-CS集散控制系统

  40. 操作员键盘的系统维护面板图 第三节 CENTUM-CS集散控制系统

  41. 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 • 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。

  42. 显示画面格式 第三节 CENTUM-CS集散控制系统

  43. 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 • 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。

  44. 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 CENTUM-CS系统的字母代号

  45. 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 续表

  46. 系统信息区显示内容举例 第三节 CENTUM-CS集散控制系统

  47. 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 • 五、基本操作方法 1.画面的调出 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 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。

  48. 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 CENTUM－CS系统10种监视画面名称 注：××××表示页面号

  49. 控制方式更改确认窗口 第三节 CENTUM-CS集散控制系统 2.参数及控制方式的调整 (1)控制方式的调整 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。

  50. (2)改变阀位输出值(MV)仅在手动方式时能操作。(2)改变阀位输出值(MV)仅在手动方式时能操作。 (3)改变设定值(SV)在自动方式下操作同(2)； (4)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。 第三节 CENTUM-CS集散控制系统

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