6.2计算机控制系统.ppt
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1、第十章第十章 计算机控制系统计算机控制系统湘潭大学化工学院湘潭大学化工学院定义:定义:计算机控制就是利用计算机实现工业生产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。过程的自动控制。计算机控制系统计算机控制系统=自动化技术自动化技术+计算机技术计算机技术10.3 可编程控制器可编程控制器本章主要内容:本章主要内容:10.1 概述概述10.2 集散控制系统集散控制系统10.4 现场总线控制系统现场总线控制系统10.5 综合自动化系统综合自动化系统10.1 概述概述10.1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成图图10-1 计算机控制系统框图计算机控制系统框图组成:被控对象组成:被
2、控对象、测量变送、控制器及执行器测量变送、控制器及执行器图图10-2 计算机控制系统典型结构图计算机控制系统典型结构图连续控制系统连续控制系统 计算机控制系统计算机控制系统相似点:相似点:组成相同组成相同不同点:不同点:模拟控制器模拟控制器 数字控制器数字控制器 多路开关、采样保持器、多路开关、采样保持器、A/D、D/A10.1.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展图图10-3 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展最初:最初:DDC直接数字控制系统(集中控制系统)直接数字控制系统(集中控制系统)20世纪世纪70年代:年代:DCS集散控制系统(集中管理、分散控制)集散控制系统(集中管
3、理、分散控制)20世纪世纪60年代:年代:PLC可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器20世纪末:世纪末:FCS现场总线控制系统现场总线控制系统目前及未来:目前及未来:CIMS计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIPS计算机集成过程系统计算机集成过程系统10.2 集散控制系统集散控制系统10.2.0 基本概念基本概念定义:定义:集散控制系统又称为分散型控制系统集散控制系统又称为分散型控制系统(Distributed Control System),简称为简称为DCS系统,系统,是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控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
4、统。制的一种全新的分布式计算机控制系统。工作原理:工作原理:该系统将若干台微机分散应用于过程控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,通过现最优化控制,通过CRT装置、通信总线、键盘、装置、通信总线、键盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。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集散控制系统的特点主要特征:主要特征:集中管理和分散控制。集中管理和分散控制。具体有以下几个方面:具体有以下几个方面:(1)分级递阶结构分级递阶结构 这种结构从系统工程出发,考虑这种结构从系统工程出
5、发,考虑功能分散、危险分散、提高可靠功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少性、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便于维修和技术更新等优化选择而得出的。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,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。子系统可通过上级互相交换信息。过程控制级:过程控制级:根据上层决策直接控制生根据上层决
6、策直接控制生产。产。控制管理级:控制管理级:对生产过程实现集中操作对生产过程实现集中操作和统一管理。和统一管理。生产管理级:生产管理级:承担最优化任务承担最优化任务经营管理级:经营管理级:全面的综合型经营管理和全面的综合型经营管理和决策决策图10-4 DCS的结构层次(2)采用微机智能技术采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为采用了以微处理器为基础的基础的“智能技术智能技术”,成为计算机应用最完善、最,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、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、自数据通信等均采用微处理器,可以实现
7、自适应、自诊断和自检测等诊断和自检测等“智能智能”控制过程。控制过程。(3)丰富的功能软件包丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件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。印和信息检索等功能。(4)采用局部网络通信技术采用局部网络通信技术 DCS的数据通信采用的数据通信采用工业局域网络技术工业局域网络技术进行通信,传输实时控制信息,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。大多采用光纤元、人机接口进行控
8、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,如采用协议已开始向标准化前进,如采用IEEE802.3、IEEE802.4等。等。(5)友善的人机接口友善的人机接口 (6)高可靠性高可靠性 硬件、软件采用硬件、软件采用冗余技术冗余技术10.3 可编程控制器可编程控制器可编程序控制器(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早期主要用于逻辑控制,习惯上称之为可编程逻辑控制器(制器(Programmable Logic Control
9、ler),简称简称PLC。10.3.1 概述概述(1)可编程序控制器的发展可编程序控制器的发展初创阶段:初创阶段:从从1969年年DEC公司推出第一台公司推出第一台PLC(PDP-14)到到20世纪世纪70年代中期。年代中期。该阶段产品主要该阶段产品主要用于逻辑运算、计时、计数用于逻辑运算、计时、计数。扩展阶段:扩展阶段:20世纪世纪70年代中期到年代中期到20 世纪世纪70年代末期。年代末期。扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。等功能。通信阶段:通信阶段:20世纪世纪70年代末期到年代末期到20 世纪世纪80年代中期。年代中期。
10、PLC在通信方面得到了发展,形成了分布式的通信网在通信方面得到了发展,形成了分布式的通信网络系统。络系统。缺点是产品互通难。缺点是产品互通难。开放阶段:开放阶段:20世纪世纪80年代中期以后。年代中期以后。(2)PLC的分类的分类按结构形式可将按结构形式可将PLC分为两大类分为两大类:一体化结构、模块一体化结构、模块化结构化结构一类(一体化结构):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):另一类(模块化结构):各种模块在结构上是相互独各种模块在结构上是
11、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,构成一个完整的个完整的PLC应用系统,如下图所示。应用系统,如下图所示。大、中型大、中型PLC系统一般采用此类结构。系统一般采用此类结构。主要用于复杂程度较高的自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动控制,并在相当程度上可以替代DCS以实现更广泛以实现更广泛的自动化功能。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可编程序控制器的主要功能开关逻辑和顺序控制开关逻辑
12、和顺序控制:最主要功能:最主要功能模拟控制模拟控制:过程控制点数较少,开关量控制较多时。: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。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。信号联锁:信号联锁:信号联锁是安全生产的保证,高可靠性信号联锁是安全生产的保证,高可靠性的的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。在信号联锁系统中发挥了很大作用。通信通信:PLC可作为下位机与上位机或同级的可作为下位机与上位机或同级的PLC进进行通信,完成数据处理和信息交换,实现对整个生产行通信,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。过程的信息控制和管理。10.
13、3.2 PLC的基本工作原理的基本工作原理 PLC的的CPU采用分时操作的原理,其工作方式是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。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的整个扫描过程可以概括地归纳为上电初始上电初始化、一般处理扫描、数据化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序的扫描、操作、用户程序的扫描、外设端口服务五个阶段外设端口服务五个阶段。每一次扫描所用的时间称为。每一次扫描所用的时间称为一个工作周期(扫描周期)。一个工作周期(扫描周期)。PLC的扫描周期与的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短有关。
14、的硬件特性和用户程序的长短有关。10-8 PLC10-8 PLC扫描扫描过程示意过程示意(1)上电初始化上电初始化:CPU首先首先对对I/O、继电器、定时器进继电器、定时器进行清零或复位处理行清零或复位处理(2)一般处理扫描一般处理扫描:每个扫每个扫描周期前的自检,如描周期前的自检,如WDT的复位、的复位、I./O总线和用户总线和用户存储器的检查存储器的检查(3)数据数据I/O操作操作:(4)扫描用户程序扫描用户程序:基于用基于用户程序指令,读入外部数户程序指令,读入外部数据和状态、运算、输出据和状态、运算、输出(5)外设端口服务外设端口服务:每次执行完用户程序每次执行完用户程序后,开始外设操
15、作请求服务,主要完成与后,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、通信外设端口连接的外部设备(编程器、通信适配器等)的通信。适配器等)的通信。10.3.3 目前较典型的目前较典型的PLC 经过经过30多年的发展,多年的发展,PLC已经形成了一已经形成了一些知名产品,如些知名产品,如AB、金钟、日本三菱、欧、金钟、日本三菱、欧姆龙、德国西门子等。姆龙、德国西门子等。1.结构 叠装式S7-300的组成模块 PS(可选)CPU IM(可选)SM:DISM:DOSM:AISM:AO FM:-计数-定位-闭环控制 CP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网中央处理单元CPU
16、1.结构 指示灯 SF系统故障 BATE电池故障 DC5V指示 RUN/STOP 开关 RUN/RUN-P /STOP/MRES MPI通讯接口 DP通讯接口 电源接线端子 存储卡插座 电池盒电源PS3071 总体结构 24VDC指示 电压选择开关 24V通/断开关 系统电压接线端子 24VDC输出端子2 电源PS 307(5A)输入电压:120V230V 输入电流:2A1A 输出电压:24VDC 输出电流:5A 功耗:18W 防短路和开路保护 可靠隔离 向总线提供电流;1.2安S7-300的配置近程扩展 确定数字量信号地址:确定模拟量信号地址:举例 近程扩展(例s7_pro3)总体结构 机架
17、0(例s7_pro3)机架1(例s7_pro3)机架2(例s7_pro3)机架3(例s7_pro3)10.3.4 PLC的程序设计语言的程序设计语言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。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。电器控制
18、线路或工艺流程图相似的语言表达形式。常常见的程序设计语言有:梯形图、语句表、逻辑功能图、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。计算机高级语言等。(1)梯形图梯形图 梯形图是在继电器控制的电器原理图基础上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、串用了继电器、触点、串/并联等术语和类似的图形并联等术语和类似的图形符号,信号流向清楚,符号,信号流向清楚,是多数是多数PLC的第一用户语的第一用户语言言。(a)电器控制梯形电器控制梯形图图(b)PLC梯形图梯形图图图10-9 P
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