1、化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化 第十五章第十五章 计算机控制系统计算机控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 内容提要内容提要 计算机控制简述计算机控制简述 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统的类型计算机控制系统的类型 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 集散控制系统概述集散控制系统概述 集散控制系统的基本构成集散控制系统的基本构成 集散控制系统的特点集散控制系统的特点 1 化学工业出版社化学工业出版社 内容提要内容提要 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 CENTUMCENTUM-
2、-CSCS系统的构成系统的构成 ICSICS的组成及功能的组成及功能 CRTCRT显示画面的显示格式显示画面的显示格式 CENTUMCENTUM- -CSCS系统中的字母代号系统中的字母代号 基本操作方法基本操作方法 显示画面及操作显示画面及操作 现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线系统的产生和特征现场总线系统的产生和特征 现场总线国际标准化现场总线国际标准化 主要的现场总线系统简介主要的现场总线系统简介 2 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 定义定义 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。 以计算机
3、为主要控制装置的自动化系统称之为 计算机控制系统。 3 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 一、计算机控制系统的特点一、计算机控制系统的特点 随着生产规模的扩大,模拟控制盘越来越长,这给集 中监视和操作带来困难;而计算机采用分时操作,用一台 计算机可以代替许多台常规仪表,在一台计算机上操作与 监视则方便了许多。 常规模拟式控制系统的功能实现和方案修改比较困 难,常需要进行硬件重新配置调整和接线更改;而计算机 控制系统,由于其所实现功能的软件化,复杂控制系统的 实现或控制方案的修改可能只需修改程序、重新组态即 可实现。 4 化学工业出版社化学工业出版社 第一
4、节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 常规模拟控制无法实现各系统之间的通讯,不便全面掌 握和调度生产情况;计算机控制系统可以通过通信网络而互 通信息,实现数据和信息共享,能使操作人员及时了解生产 情况,改变生产控制和经营策略,使生产处于最优状态。 计算机具有记忆和判断功能,它能够综合生产中各方面 的信息,在生产发生异常情况下,及时做出判断,采取适当措 施,并提供故障原因的准确指导,缩短系统维修和排除故障 时间,提高系统运行的安全性,提高生产效率,这是常规仪表 所达不到的。 5 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 二、计算机控制系统的组成二、计算机控制系统
5、的组成 图15-1 计算机控制系统组成框图 6 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 三、计算机控制系统的类型三、计算机控制系统的类型 1 1. .按系统的功能分类按系统的功能分类 ( (1 1) )顺序控制和数值控制顺序控制和数值控制 ( (2 2) )直接数字控制直接数字控制 生 产 过 程 测量变送 输入通道 执行器 输出通道 计 算 机 显示 打印 报警 图15-2 DDC系统框图 7 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 ( (3 3) )计算机监督控制计算机监督控制(SCC)(SCC) SCC系统有两种结构形式
6、：一种结构是由上、下位机 构成，上位机起监控作用，下位机起DDC作用见图15-3 (a)；另一种结构是由监督计算机与模拟控制器构成 见图15-3(b)。 SCC计算机 DDC计算机 生产过程 给定 检测 控制 SCC计算机 模拟控制器 生产过程 给定 检测 控制 （a） （b） 图15-3 SCC系统原理图 8 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 就其功能功能而言，有两种形式： 一种是寻求控制手段的最优设定值，又称之为SPC 控制系统，即根据工况的变化，计算出最优的控制指 标作为DDC计算机或模拟控制器的设定值； 另一种是设计一个最优控制器，以满足一个控制
7、 系统的最优指标，即根据工况来确定控制方式或控制 器的控制规律。 9 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 ( (4 4) )递阶控制递阶控制 递阶控制系统中包含有若干台计算机，并分成几个 层次。 处于最基层的“工作计算机”直接控制生产过程, 完成DDC控制。在它上层的“监督计算机”则根据数学 模型按控制方案计算,指挥它下一级的“工作计算机” 的工作,完成 SCC控制。再上一层的“经营管理计算机” 则进行全局规划、管理和调度,向它下一级的“监督计 算机”下达指令。 这样就构成了一个金字塔形的计算机控制系统,即 为递阶控制系统递阶控制系统,又叫做分级控制系统分
8、级控制系统。 10 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 2 2. .按系统的结构分类按系统的结构分类 单机控制系统单机控制系统 多级计算机控制系统多级计算机控制系统 多级分布式计算机控制系统多级分布式计算机控制系统 11 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 计算机控制简介计算机控制简介 四、计算机控制系统的发展四、计算机控制系统的发展 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 计算机控制系
9、统发展迅猛，未来的几年内,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 12 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 集散控制系统概数集散控制系统概数 一、集散控制系统的基本构成一、集散控制系统的基本构成 13 图15-4 集散控制系统基本构 成图 图15-5 CENTUM-CS系统外观图 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 集散控制系统概述集散控制系统概述 14 图15-6 集散型控制系统的体 系结构 操作站、工程师站和上操作站、工程师站和上 位计算机
10、构成集中管理部分；位计算机构成集中管理部分； 现场监测站、现场控制站构现场监测站、现场控制站构 成分散控制部分；通信网络成分散控制部分；通信网络 是连接集散系统各部分的纽是连接集散系统各部分的纽 带，是实现集中管理、分散带，是实现集中管理、分散 控制的关键。控制的关键。 小结小结 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 集散控制系统概述集散控制系统概述 二、集散控制系统的特点二、集散控制系统的特点 15 控制功能丰富 监视操作方便 信息和数据共享 系统扩展灵活 安装维护方便 系统可靠性高 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 16 一一、C
11、ENTUMCENTUM- -CSCS系统的构成系统的构成 图15-7 CENTUM-CS系统构成 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 二、二、 ICS的组成及功能的组成及功能 ICSICS由一个或两个由一个或两个CRTCRT显示器、操作键盘、鼠标、工程显示器、操作键盘、鼠标、工程 师键盘及智能部件组成。师键盘及智能部件组成。 图15-8 CENTUM-CS系统操作站外观图 17 化学工业出版社化学工业出版社 表15-1 操作员键盘各键的功能 18 化学工业出版社化学工业出版社 续表 19 化学工业出版社化学工业出版社 续表 20 化学工业出版
12、社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 图15-9 CENTUM-CS操作员键盘 21 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 图15-10 操作员键盘的系统维护面板图 22 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 三、三、 CRT显示画面的显示格式显示画面的显示格式 DCSDCS系统利用系统利用CRTCRT显示器显示生产过程的信息显示器显示生产过程的信息, CENTUM, CENTUM- - CSCS系统的系统的CRTCRT显示画面主要由系统信息区、主面板区、显
13、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。窗口区、软键区及录入区组成。 图图1515- -1111为流程图画面。为流程图画面。 23 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 图15-11 显示画面格式 24 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 四、四、 CENTUM-CS系统中的字母代号系统中的字母代号 在在DCSDCS中用字母代号表示回路状态、报警状态、数据类中用字母代号表示回路状态、报警状态、数据类 型等。认识字母代号型等。认识字母代号, ,才能正确认识才能正确认识DC
14、SDCS系统的显示画系统的显示画 面面, ,才能正确完成才能正确完成DCSDCS的工艺操作。的工艺操作。 常用字母代号见表常用字母代号见表1515- -2 2。 25 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 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
15、 上限报警值 D 微分时间 PL 下限报警值 表15-2 CENTUM-CS系统的字母代号 26 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 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 27 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTU
16、M-CS集散控制系统集散控制系统 图15-12 系统信息区显示内容举例 28 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 29 五五、基本操作方法基本操作方法 1 1. .画面的调出画面的调出 操作站的画面有三大类：操作画面、应用画面和 组态画面。 调出的方法调出的方法 利用画面名称调出。 利用功能键调出。 利用画面选择键或操作员应用功能键调出。 利用画面展开调出。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 30 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 综观画面综观画面 O
17、V 趋势点画面趋势点画面 TP 分组画面分组画面 CG 流程图画面流程图画面 GR 报警画面报警画面 AL 过程报警画面过程报警画面 PR 操作指导信息画面操作指导信息画面 OG 操作应用画面操作应用画面 OU 趋势组画面趋势组画面 TG 系统维护画面系统维护画面 SM 表15-3 CENTUMCS系统10种监视画面名称 注：注：表示页面号表示页面号 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 31 2 2. .参数及控制方式的调整参数及控制方式的调整 ( (1 1) )控制方式的调整控制方式的调整 DCS控制系统一般有几种控制方式，在操作过程 中，
18、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。 图15-13 控制方式更改确认窗口 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 32 ( (2 2) )改变阀位输出值改变阀位输出值( (MV) )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( (SV) )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 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。 按压DATA更改后的
19、数字。 输入错误可用BS键进行修改。 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。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 33 六六、显示画面及操作显示画面及操作 CENTUM-CS系统的操作站主要有种类型的画 面用于系统的监视和操作，它们分别是综观画面、分 组画面、调整画面、报警画面、操作指导信息画面、 流程图画面、趋势画面、用户屏幕及信息屏幕。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 1 1. .仪表图仪表图 仪表图是系统显示的主要内容，也是操作的关键
20、。 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。 34 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 35 图15-14 主要的仪表图（一） 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 36 图15-14 主要的仪表图（二） 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 37 2 2. .综观显示画面综观显示画面 作用作用 把反馈控制系统、顺序控制系统、各种操作 画
21、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。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 38 图15-15 综观显示画面 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 39 3 3. .分组显示画面分组显示画面 图15-16 分组显示画面 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 40 4 4. .调整画面调整画面 主要显示主要显示 一个工位号反馈控制的内
22、部仪表或顺序 控制的顺序元素的各种设定参数、控制参数、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。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 41 图15-17 调整画面 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 42 5 5. .趋势组画面趋势组画面 根据采集方式根据采集方式、记录周期和采样周期的不同分类：记录周期和采样周期的不同分类： 实时趋势实时趋势、历史趋势历史趋势和批量趋势批量趋势三种。 实时趋势用于记录控制系
23、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。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 43 图15-18 趋势组画面 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 44 6 6. .趋势点画面趋势点画面 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总体趋势图和 放大的详细趋势图详细趋势图。 趋势点画面与趋势组画面相似。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节
24、第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 45 7 7. .流程图画面流程图画面 流程图画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。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 46 图15-11 显示画面格式 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 47 8 8. .报警概要画面报警概要画面 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
25、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。 化学工业出版社化学工业出版社 第三节第三节 CENTUM-CS集散控制系统集散控制系统 48 图15-19 报警概要画面 化学工业出版社化学工业出版社 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 一、现场总线系统的产生和特点一、现场总线系统的产生和特点 1 1. .现场总线系统的产生现场总线系统的产生 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
26、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)。 49 化学工业出版社化学工业出版社 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 50 2 2. .现场总线系统的特征现场总线系统的特征 图15-20 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。 化学工业出版社化学工业出版社 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 51 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
27、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。 化学工业出版社化学工业出版社 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 52 现场总线控制系统的特征现场总线控制系统的特征 图15-21 现场总线控制 系统结构示意图 全数字化的现场通信网络。 开放型的互联网络。 采用数字信号传输取代模拟 信号传输。 增强了系统的自治性,系统 控制功能更加分散。 化学工业出版社化学工业出版社 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 二、现场总线国际标准化二、现场
28、总线国际标准化 53 图15-22 IEC61158采用的8种类型 IEC标准的8种类型是 平等的。 其中Type2Type8需 要对Type1提供接口，而 标准本身不要求Type2 Type8之间提供接口。 化学工业出版社化学工业出版社 第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统 三、主要的现场总线系统简介三、主要的现场总线系统简介 54 1 1. . HART 总线系统总线系统 2 2. . Profibus 总线系统总线系统 3 3. . FF 总线系统总线系统 4 4. . CAN 总线系统总线系统 5 5. . Lon Works 总线系统总线系统 化学工业出版社化学工业出版社
29、例题分析例题分析 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。 55 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 解：解： 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。 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。 56 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 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。 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 顺序,改变控制方式。 57 化学工业出版社化学工业出版社
