1、http:/1计算机控制与哪些知识内容有关？计算机控制与哪些知识内容有关？或或做好一个计算机控制系统需要解决些问题？做好一个计算机控制系统需要解决些问题？计算机控制计算机控制基本知识基本知识可编程控制器可编程控制器集散控制系统简介（含总线控制）集散控制系统简介（含总线控制）系统的接地技术和防雷技术简介系统的接地技术和防雷技术简介http:/2计算机控制基础知识计算机控制基础知识可编程控制器可编程控制器针对实际对象的针对实际对象的PLC系统设计系统设计点评点评交流交流模拟模拟招标招标DCS简介简介可靠性及防雷设计简介可靠性及防雷设计简介http:/31 计算机控制概述计算机控制概述2 计算机控制
2、系统的基本组成计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础网络通信基础6 数字滤波简介数字滤波简介http:/4进料口进料口变变送送器器进料口进料口出料口出料口H液位计液位计执执行行器器调调节节器器上课之前上课之前显示显示仪表仪表进料口进料口变变送送器器执执行行器器控控制制站站自动挡汽车是根据转速自动升挡或者降挡，不用驾驶员踩离合换挡特斯拉？谷歌？http:/5控制室仪表控制室仪表 现场仪表现场仪表进进料料口口变变送送器器执执行行器器调调节节器器显示显示仪表仪表控制器(调节器)对象检测仪
3、表+SP执行器显示仪表Optional执行器有哪些？执行器有哪些？阀阀门门电动调节阀、气动调节阀电动调节阀、气动调节阀电动开关阀（电磁）、气动开关阀电动开关阀（电磁）、气动开关阀泵（电机）泵（电机）变频变频开关开关检测仪表有哪些？检测仪表有哪些？连续信号：变送器（连续信号：变送器（如如T、P、L、F、A，通常输出，通常输出420mA、15V等标准信号等标准信号）传感器（传感器（热电阻、热电偶热电阻、热电偶）开关信号：液位开关、料位开关、接近开关开关信号：液位开关、料位开关、接近开关(通常输出通常输出on/off信号信号)http:/6控制室仪表控制室仪表 现场仪表现场仪表进进料料口口变变送送器
4、器执执行行器器调调节节器器显示显示仪表仪表控制器(调节器)对象检测仪表+SP执行器显示仪表Optional*执行器执行器*口径口径流量特性流量特性安装方式安装方式材质材质(耐压耐压/防腐）防腐）供电和防爆供电和防爆信号类型信号类型现场仪表选型要注意哪些因素？现场仪表选型要注意哪些因素？*检测仪表检测仪表*量程量程安装方式安装方式材质材质(耐压耐压/防腐）防腐）供电和防爆供电和防爆信号类型信号类型http:/7进进料料口口变变送送器器执执行行器器调调节节器器进进料料口口变变送送器器执执行行器器控控制制站站IPC、PLC、数字调节器、数字调节器可以广义地理解为带有可以广义地理解为带有CPU的的各种
5、控制设备各种控制设备http:/8进进料料口口变变送送器器执执行行器器调调节节器器进进料料口口变变送送器器执执行行器器控控制制站站控制器(调节器)对象检测仪表+SP执行器控制站(计算机)对象检测仪表+SP执行器？http:/9最常见的最常见的I/OI/O接口：接口：AIAI模模/数转换数转换(模拟量输入模拟量输入)DIDI开关量输入开关量输入(数字量输入数字量输入)AOAO数数/模转换模转换(模拟量输出模拟量输出)DODO开关量输出开关量输出(数字量输出数字量输出)上课之前上课之前420mA420mA等信号等信号二进制信号二进制信号IO接口接口？计算机计算机控制站控制站AI(A/D)AO(D/
6、A)现场现场仪表仪表DIDOhttp:/10网关网关FF、ProfiBus等现场总线等现场总线典型的计算机控制系统结构示意图典型的计算机控制系统结构示意图I/O系统系统控制站控制站现场设备层现场设备层控制层控制层操作站操作站Ethernet/专用总线专用总线数据服务器数据服务器高级控制器高级控制器管理层管理层WEB服务器服务器管理计算机管理计算机Ethernet互联网互联网服务器服务器Internet/Intranet上课之前上课之前http:/11内内 涵涵：工业（自动）化：工业（自动）化 信息化信息化作作 用用：是实现安全、高效、优质、低耗生产的前提：是实现安全、高效、优质、低耗生产的前提
7、是现代工业生产不可缺少的是现代工业生产不可缺少的神经中枢神经中枢 相关技术相关技术：自动控制技术、检测和传感技术、计算机技术、网络：自动控制技术、检测和传感技术、计算机技术、网络通信技术、先进控制技术、智能仪表技术通信技术、先进控制技术、智能仪表技术 发展过程发展过程：直接数字量控制（：直接数字量控制（DDCDDC）集中型计算机控制集中型计算机控制 分布式计算机控制（分布式计算机控制（DCSDCS）总线（工业以太网）控制总线（工业以太网）控制？上课之前上课之前两化融合http:/12From Industry 1.0 to Industry 4.0http:/131 计算机控制概述计算机控制概
8、述2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础网络通信基础6 数字滤波简介数字滤波简介http:/14测量变送装置测量变送装置+设定值设定值4 420mA20mA4 420mA20mA执行器执行器被控对象被控对象被控被控变量变量D/AA/D001010110011000101011001100 0010101010101001010101010101 1工作工作过程过程数据采集：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：控制决策：根据采集
9、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：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。http:/15过程输入输出设备过程输入输出设备外外部部设设备备主主机机系系统统CPUCPURAMRAMROMROMCRTCRT通讯接口通讯接口人机接口人机接口打印机打印机其它其它系系统统总总线线模拟量输入（模拟量输入（AIAI）模拟量输出（模拟量输出（AOAO）开关量输入（开关量输入（DIDI）开关量输入（开关量输入（DODO）测量变送器测量变送器执行器执行器电气开关电气开关电气开关电气开关被被控控生生产产对对象象常规计算机系统常规
10、计算机系统I/OI/O系统系统（模块或卡件）（模块或卡件）现场仪表现场仪表被控被控对象对象（1）硬件组成）硬件组成http:/16系统软件系统软件支持软件支持软件应用软件应用软件操作系统操作系统用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、组态软件组态软件等。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，不同系统的支持软件会有所不同 针对特定要求而编制的控制和管理程序。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。（2）软件组成）软件组成系统开发最主要的两个方面：系统开发最主要的两个方面：根据控制
11、要求，开发硬件系统根据控制要求，开发硬件系统基于支持软件，开发应用软件基于支持软件，开发应用软件http:/171 计算机控制概述计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础网络通信基础6 数字滤波简介数字滤波简介http:/181.可靠性 单个产品：在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力（概率）单个产品：在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力（概率）系系 统：统：除了与构成系统的元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关除了与构成系统的
12、元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关衡量可靠性的两个主要指标：衡量可靠性的两个主要指标：（1）可靠度）可靠度（2）平均无故障工作时间）平均无故障工作时间(Mean Time Between Failures，简称，简称MTBF)平均平均故障修复时间故障修复时间(Mean Time To Repair，简称，简称MTTR)（本质上这是一个可维护性指标本质上这是一个可维护性指标）(1)可靠度 R 结构对可靠度的影响：结构对可靠度的影响：R1RnR1RnnRRRR21串)1()1()1(121nRRRR并指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时
13、间 ntMTBFnii1(2)MTBFhttp:/19提高控制系统可靠性的主要措施 选用高可靠性的控制设备；重视自控设备的自诊断功能。选用高可靠性的控制设备；重视自控设备的自诊断功能。设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。诊断和处理等。采用分散控制思想采用分散控制思想/增加后备手操或后备仪表控制系统增加后备手操或后备仪表控制系统/设计冗设计冗余系统。余系统。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。还有防潮、还有防潮、防震、防鼠等防震、防鼠等 提高软件可靠性提高软件
14、可靠性【要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干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主要功能的正常运行】设备可靠设备可靠方案可靠方案可靠结构结构可靠可靠环境可靠环境可靠软件可靠软件可靠http:/20故障发生后通过维修使系统恢复的能力。本质：易于查找故障，易于排除故障。平均故障修复时间MTTR(mean time to repair)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 ntMTTRnii12.可维护性 提高控制系统可维护性的主要措施ht
15、tp:/21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，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的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的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。4.性能价格比 3.实时性http:/221 计算机控制概述计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程5 网络通信基
16、础网络通信基础6 数字滤波简介数字滤波简介http:/23常规仪表控制系统常规仪表控制系统计算机控制系统计算机控制系统上世纪上世纪8080年代之前是主流，年代之前是主流，9090年代开始快速减少，年代开始快速减少，目前单纯的常规仪表控制系统几乎没有目前单纯的常规仪表控制系统几乎没有诞生于上世纪诞生于上世纪5050年代末期年代末期7070年代中期开始快速发展（标志是年代中期开始快速发展（标志是DCSDCS的出现）的出现）9090年代后成为主流，目前几乎年代后成为主流，目前几乎“一统天下一统天下”特别说明：计算机控制也是需要特别说明：计算机控制也是需要“仪表仪表”的的DDC控制始于始于5050末期
17、末期里程碑意义里程碑意义集中型计算机控制控制集中控制集中信息集中信息集中危险集中危险集中DCS控制始于始于7070年代年代控制分散控制分散信息集中信息集中半数字，半分散半数字，半分散全数字全数字通讯全分散全分散控制FCS工业以太网分布式IO DCS现场信号与现场信号与IO站点模拟信号一站点模拟信号一对一连接，站站对一连接，站站之间总线连接。之间总线连接。过渡型结构过渡型结构http:/241.直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）用一台计算机取代一组模拟用一台计算机取代一组模拟调节器（分时控制）调节器（分时控制）精度更高，计算灵活，能容易实现除精度更高，计算灵活，
18、能容易实现除PIDPID以外的多种复杂以外的多种复杂控制控制价格昂贵，功能极其有限，可靠性价格昂贵，功能极其有限，可靠性低低过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象）企图用一台计算机来控制尽可能多的回路企图用一台计算机来控制尽可能多的回路难以和仪表系统竞争难以和仪表系统竞争6060年代开始出现集中型计算机控制系统年代开始出现集中型计算机控制系统http:/25过程控制过程控制计算机计算机AI/DI输入子系统输入子系统被控过程（对象）被控过程（对象）被控变量被控变量操纵变量操纵变量AO/DO输出子系统输出子系统2.集中型计算机控制更大规模的更大规模的DDCDDC信
19、息更集中信息更集中，便于实现各种更复杂控制、优化控制功能，便于实现各种更复杂控制、优化控制功能控制控制集中集中危险集中危险集中；计算机计算机总体总体性能性能低低，高度，高度集中使集中使系统十分系统十分“脆弱脆弱”。把控制功能分散到若干个控制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站实现，以提高系统的可靠性各控制站的运行应当服各控制站的运行应当服从生产管理的从生产管理的总体目标总体目标7070年代中期出现了年代中期出现了控制分散、管理集中控制分散、管理集中的分布式计算机控制系统，简称的分布式计算机控制系统，简称DCSDCShttp:/263.集散控制系统（Distributed Co
20、ntrol System,DCS）被控过程（对象）被控过程（对象）控制站控制站2控制站控制站1控制站控制站n控制站控制站Part 1Part 2Part n操作站操作站/管理计算机管理计算机控制分散、危险分散控制分散、危险分散信息集中、管理集中信息集中、管理集中现场仪表现场仪表控制站控制站控制站控制站控制站控制站操作站操作站OSOS工程师站工程师站ESESWebWeb服服务器务器Internet远程远程节点节点管理计算机管理计算机生产经营管理层生产经营管理层现场控制层现场控制层控制管理层控制管理层http:/27直接控制直接控制经营经营管理管理生产管理生产管理过程管理过程管理连续过程连续过程间
21、歇过程间歇过程离散过程离散过程从从“上级上级”获取指示，从获取指示，从“下级下级”获取信息，产生对获取信息，产生对“下级下级”的控制。的控制。居于系统最高层，负责广居于系统最高层，负责广泛的工程、经济、商务、泛的工程、经济、商务、人事以及其它工作。人事以及其它工作。主要包括回路组态、主要包括回路组态、优化、监控、故障诊优化、监控、故障诊断、记录、报警断、记录、报警根据订单、库存、能耗根据订单、库存、能耗约束等进行生产规划、约束等进行生产规划、调度。通常为最高层。调度。通常为最高层。现场数据采集、控制现场数据采集、控制、安全性能和冗余性、安全性能和冗余性能的实施能的实施http:/284.总线控
22、制系统（Fieldbus Control SystemFCS）朴素意义上的朴素意义上的 FCSFCS结构示意图结构示意图 传统计算机控制系统的结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图输入子输入子系统系统控制站控制站n输出子系输出子系统统输入子输入子系统系统控制站控制站1输出子系输出子系统统http:/291 计算机控制概述计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程5 网络通信基础网络通信基础6 数字滤波简介数字滤波简介http:/301.网络通信的几组基本概念
23、 模拟信号是一个连续的物理量模拟信号是一个连续的物理量 数字信号是用不连续的物理状态来表示数字信号是用不连续的物理状态来表示Tc101100时时钟钟数数据据TcI/V t 并行传输：以并行传输：以字字或或字节字节为单位一起传输（多个位同时传输）为单位一起传输（多个位同时传输）速度快、通信线多、成本高，不宜远距离通信速度快、通信线多、成本高，不宜远距离通信串行传输：数据串行传输：数据逐位逐位传输、速度传输、速度较较并行慢并行慢、通信线、通信线少少(2(24 4根根)、成本低成本低 适宜远距离适宜远距离通信通信 http:/31单工通信：单一方向传输，没有反向交互单工通信：单一方向传输，没有反向交
24、互(如键盘、鼠标通信如键盘、鼠标通信)半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时 控制简单、可靠、成本低，控制简单、可靠、成本低，应用广泛应用广泛(只需只需2 2根通信线根通信线)全双工通信：双方可以在同时交互数据、控制相对复杂全双工通信：双方可以在同时交互数据、控制相对复杂 效率高、需效率高、需2 2个信道，至少个信道，至少3 3根通信线根通信线(1(1根为共用地根为共用地)，或，或4 4根根波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位位/秒秒”表示表示 例如：例如：ProfibusProfibusPAPA
25、的波特率位的波特率位31.25kbps31.25kbps Profibus ProfibusDPDP的最大波特率位的最大波特率位12Mbps12Mbpshttp:/32基带传输基带传输：按数字：按数字波形原样波形原样、以、以“位位”流流为基本形式直接在信道上传输为基本形式直接在信道上传输基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高，远远距离传距离传输容易输容易因信号衰减发生因信号衰减发生畸变（中继），绝大多数局域网都畸变（中继），绝大多数局域网都采用采用基带传输基带传输 数字信号的数字传输频带频带传输传输：也称为载波传输，采用：也称为
26、载波传输，采用调制、解调调制、解调技术。技术。在发送端，将二进制数据，调制变换成一定频带范围的模拟信号；在接在发送端，将二进制数据，调制变换成一定频带范围的模拟信号；在接收方，通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据时，通常只占有限收方，通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为的频带宽度。数字信号调制称为“键控键控”调制方式主要有：幅度键控调制方式主要有：幅度键控(ASK)(ASK)、频移键控、频移键控(FSK)(FSK)、相移键控、相移键控(PSK(PSK)数字信号的模拟传输，如HART信号宽带传输宽带传输：适用于传输影像、语音信息：适用于传输影像
27、、语音信息(一般不用于工控网络一般不用于工控网络)http:/33串行通信协议类型串行通信协议类型RSRS232232RSRS422422RSRS485485接口电路接口电路单端单端差动差动差动差动抗干扰能力抗干扰能力弱弱强强强强标准最大传输距离标准最大传输距离15m15m1200m1200m1200m1200m通信双方交互方式通信双方交互方式全双工全双工全双工全双工半双工半双工标准最大传输速率标准最大传输速率19200bps19200bps10Mbps10Mbps10Mbps10Mbps本质上是相同的本质上是相同的现场总线现场总线“首选首选”标准标准介质访问控制协议：介质访问控制协议：CSM
28、A/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision DetectionTCP/IP协议：协议：是由百余个相关的协议和应用程序组成的一个协议族，包括3个核心协议 网间协议网间协议 IP，Internet Protocol传输控制协议传输控制协议 TCP，Transmission Control Protocol 提供面向连接、点对点、高提供面向连接、点对点、高可靠性的数据可靠性的数据传输服务传输服务用户数据报用户数据报协议协议 UDP，User Datagram Protocol 提供提供无无连接、不进行可靠性检查连接、不进行可靠性检查的的数据报数据报传输服
29、务传输服务http:/342.计算机网络的拓扑结构 总线型总线型环型环型HUB星型星型树型树型http:/353.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，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：常用的传输介质有：双绞线双绞线、同轴电缆、同轴电缆、光纤光纤和无线传输介质等。和无线传输介质等。控制系统多用：控制系统多用：http:/361 计算机控制概述计算机控制概述2 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成3 计算机控制系统的主要设计思想计算机控制系统的主要设计思想4 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过
30、程5 网络通信基础网络通信基础6 数字滤波简介数字滤波简介http:/37二大类干扰：二大类干扰：，典型代表为，典型代表为50Hz50Hz的工频干扰；的工频干扰；，大小和符号无规则变化，符合统计规律的，大小和符号无规则变化，符合统计规律的所谓所谓，就是通过就是通过程序一定的计算或程序一定的计算或判断判断连续采样奇数次，将结果从大到小排列取中间值作为采样的有效数据连续采样奇数次，将结果从大到小排列取中间值作为采样的有效数据主要用以克服偶然因素引起的干扰，对于温度、液位等缓慢变化的参数，主要用以克服偶然因素引起的干扰，对于温度、液位等缓慢变化的参数，其滤波效果较好；其滤波效果较好；但不适用于流量、
31、压力等快速变化的参数。但不适用于流量、压力等快速变化的参数。连续采样连续采样n次，取其平均值次，取其平均值适用于适用于随机干扰信号随机干扰信号的滤波，滤波的滤波，滤波效果效果n n，当当n n，平滑度平滑度，灵敏度，灵敏度11niiyxnhttp:/38把把n个数据看成一队列，每次采样一个新数据，去掉最早的那个个数据看成一队列，每次采样一个新数据，去掉最早的那个数据，求其均值数据，求其均值(每次滤波只需进行一次测量每次滤波只需进行一次测量)11niiyxn该算法对该算法对周期性干扰周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低，但对偶然出现有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低，但对偶然出现的的
32、脉冲性干扰脉冲性干扰的抑制作用差。的抑制作用差。n 值的选取与算术平均滤波相似，值的选取与算术平均滤波相似，n的工程经验值：的工程经验值：流量流量(816)，压力可取，压力可取4，液位，液位(412)，温度，温度(24)为了提高系统对当前采样值的灵敏度，可以采用加权递推平均滤波算法，即为了提高系统对当前采样值的灵敏度，可以采用加权递推平均滤波算法，即不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近当前时刻的数据，权越大。不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近当前时刻的数据，权越大。1niiiyc x12121nncccccc前述两种滤波法中前述两种滤波法中n个数据样本的权重是相等的，会引入个数据样本的权重是相等的，会引入测量滞后，测量滞后，n越大滞后越严重。越大滞后越严重。http:/39实质上是硬件实质上是硬件RC滤波器的数字实现滤波器的数字实现()1()1fY sX sT s)()()1()(nxnyTnynyTsf()()(1)fsfsfsTTy nx ny nTTTT()X s()Y shttp:/40
