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授课日期：

化机0531班2007年4月

授课班级：

化机0531

课题：

第十三章计算机控制系统

教学目的：

了解计算机控制系统的组成、原理、特点；为下次课DCS操作打基础。

教具及参考书：

《机组控制技术》教材、多媒体课件、现场教学。

讲授过程：

（课程内容、教学环节）

教学环节设计:

（1）复习提问

（2）导入新课

（3）讲新课

（4）现场教学

（5）小结、作业

教学内容：

13.1计算机控制系统概述

13.1.1计算机控制系统及其组成

计算机控制系统的工作原理

计算机控制系统的组成

（1）集散控制系统的构成特点

（2）现场总线控制系统构成特点

课程类型：

第一节课理论教学，第二节现场教学。

重点、难点、技能培养：

重点：

计算机控制系统的组成原理。

技能培养：

了解计算机控制系统的组成、原理、特点；为下次课DCS操作提供必备的理论基础。

作业：

1．什么是计算机控制系统？

有何特点？

2．简述计算机控制系统由哪几部分组成及各部分的作用。

3．什么是集散控制系统？

5．集散控制系统由哪几部分组成？

各部分的作用是什么？

课后记：

在锦州炼油厂内完成教学任务。

13.计算机控制系统

本章主要介绍计算机控制系统的组成、结构、特点及计算机控制系统的操作技术。

13.1计算机控制系统概述

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，而以计算机为主要控制装置的自动化系统称之为计算机控制系统。

13.1.1计算机控制系统及其组成

“计算机控制系统”就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。

（1）计算机控制系统的工作原理

典型的计算机控制系统，如图13-1。

在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，因此需要有A／D转换器和D／A转换器。

从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：

a.实时数据采集：

对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

b.实时控制决策：

对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

c.实时控制输出：

根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。

（2）在线方式和离线方式

在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。

（3）实时的含义

“实时”指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。

实时的概念不能脱离具体过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。

计算机控制系统的组成：

典型的过程计算机控制系统组成框图如图13-2。

以微型计算机为核心的过程控制系统

的基本组成有硬件和软件两部分。

（1）硬件部分功能简介

硬件部分包括:

主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台、被控对象。

a.主机

组成：

中央处理器（CPU）和内存储器（RAM和ROM）组成。

作用：

根据输入通道送来的被控对象的状态参数，进行信息处理、分析、计算，作出控制决策，通过输出通道发出控制命令。

b.接口电路

作用：

主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换时，通过接口电路的协调工作，实现信息的传送。

c.过程输入/输出通道

作用：

主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。

输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。

d.外部设备

外部设备按功能可分成三类：

输入设备、输出设备和外存储器。

常用的输入设备有键盘、磁盘驱动器、纸带输入机等，输入设备主要用来输入程序和数据。

常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

输出设备主要用来把各种信息和数据以曲线、字符、数字等形式提供给操作人员，以便及时了解控制过程。

外存储器有磁盘、磁带等，主要用来存储程序和数据。

e.操作台

一般操作台有（CRT）显示器或（LED）数码显示器，用以显示系统运行的状态；有功能键，以便操作人员输入或修改控制参数和发送命令。

（2）软件部分功能简介

软件是指计算机中使用的所有程序的总称。

软件通常又可分为系统软件和应用软件。

●系统软件

系统软件：

给用户使用维护和管理计算机专门设计的一类程序，它具有一定的通用性。

由操作系统、语言加工系统、诊断系统组成。

操作系统就是对计算机本身进行管理和控制的一种软件。

计算机自身系统中的所有硬件和软件统称为资源。

从功能上看，可把操作系统看作是资源的管理系统，实现对处理器、内存、设备以及信息的管理，例如对上述资源的分配、控制、调度和回收等。

语言加工系统就是将用户编写的源程序转换成计算机能够执行的机器代码（目的程序）。

语言加工系统主要由编辑程序、编译程序、连接、装配程序、调试程序、及子程序库组成。

a.编辑程序：

建立源程序文件的过程就是由编辑程序完成的。

该程序可对一个程序进行插入、增补、删除、修改、移动等编辑加工，并且在磁盘上建立源程序文件。

b.编译程序：

将源程序“翻译”成机器代码。

c.连接、装配程序：

使用连接、装配程序可将不同语言编写的不同的程序模块的源程序连接起来，成为一个完整的可运行的绝对地址目标程序。

d.调试程序：

调试程序用来检查源程序是否符合程序设计者的设计意图。

e.子程序库：

为了用户编程方便，系统软件中都提供了子程序库。

了解这些子程序的功能和调用条件之后，就可直接在程序中调用它们

诊断系统是用于维修计算机的软件。

●应用软件

应用软件是用户为了完成特定的任务而编写的各种程序的总称。

包括：

控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测程序和数据管理程序等。

控制程序主要实现对系统的调节和控制，它根据各种控制算法和被控对象的具体情况来编写，控制程序的主要目标是满足系统的性能指标。

数据采集及处理程序包括：

a.数据可靠性检查程序——用来检查是可靠输入数据还是故障数据；A／D转换及采样程序；

b.数字滤波程序——用来滤除干扰造成的错误数据或不宜使用的数据；

c.线性化处理程序——对检测元件或变送器的非线性特性用软件进行补偿。

巡回检测程序包括：

a.数据采集程序——完成数据的采集和处理；

b.越限报警程序——用于在生产中某些量超过限定值时报警；

c.事故预告程序——根据限定值，检查被控量的变化趋势，若有可能超过限定值，则发出事故预告信号；

d.画面显示程序——用图、表在CRT上形象地反映生产状况。

数据管理程序用于生产管理，主要包括统计报表程序；产品销售、生产调度及库存管理程序；产值利润预测程序等。

集散型控制系统：

集散控制系统以多台微处理机分散应用于过程控制，通过通信网络、CRT显示器、键盘、打印机等设备实现高度集中的操作、显示和报警管理。

这种实现集中管理、分散控制的新型控制装置，自1975年问世以来，发展十分迅速，目前已经得到了广泛的应用。

系统特点是采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制，所以又称为分散型控制系统（DistributedControlSystem－DCS）。

其结构如图13-6。

（1）集散控制系统的基本构成

集散控制系统的基本组成通常包括现场监控站（监测站和控制站）、操作站（操作员站和工程师站）、上位机和通信网络等部分，如图13-6所示。

图13-7为横河CENTUM-CS3000系统的外观图，图中前排为操作台，即操作员站和工程师站；后排立柜为现场监控站。

现场监测站又叫数据采集站，直接与生产过程相连接，实现对过程非被控制变量进行数据采集。

它完成数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工，为操作站提供数据，实现对过程变量和状态的监视和打印，实现开环监视，或为控制回路运算提供辅助数据和信息。

现场控制站也直接与生产过程相连接，对控制变量进行检测、处理，并产生控制信号驱动现场的执行机构，实现生产过程的闭环控制。

它可控制多个回路，具有极强的运算和控制功能，能够自主地完成回路控制任务，实现连续控制、顺序控制和批量控制等。

图13-7CENTUMCS3000集散控制系统外观图

操作员站简称操作站，是操作人员进行过程监视、过程控制操作的主要设备。

操作站提供良好的人机交互界面，用以实现集中显示、集中操作和集中管理等功能。

有的操作站可以进行系统组态的部分或全部工作，兼具工程师站的功能。

工程师站主要用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。

工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各站的运行情况。

管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。

管理计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息，根据建立的数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等功能。

通信网络是集散控制系统的中枢，它连接DCS的监测站、控制站、操作站、工程师站、管理计算机等部分。

各部分之间的信息传递均通过通信网络实现，完成数据、指令及其他信息的传递，从而实现整个系统协调一致地工作，进行数据和信息共享。

可见，操作站、工程师站和管理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。

（2）集散控制系统的特点

集散控制系统具有集中管理和分散控制的显著特征，与模拟仪表控制系统和集中式工业控制计算机系统相比具有显著的特点。

a.控制功能丰富DCS系统具有多种运算控制算法和其他数学、逻辑运算功能，如四则运算、逻辑运算、PID控制、前馈控制、自适应控制和滞后时间补偿等；还有顺序控制和各种联锁保护、报警等功能。

可以通过组态把以上这些功能有机地组合起来，形成各种控制方案，满足系统的要求。

b.监视操作方便DCS系统通过CRT显示器和键盘、鼠标操作可以对被控对象的变量值及其变化趋势、报警情况、软硬件运行状况等进行集中监视，实施各种操作功能，画面形象直观。

c.信息和数据共享DCS系统的各站独立工作。

同时，通过通信网络传递各种信息和数据协调工作，使整个系统信息共享。

DCS系统通信采用国际标准通信协议，符合OSI七层体系，具有极强的开放性，便于系统间的互连，提高了系统的可用性。

d.系统扩展灵活DCS系统采用标准化、模块化设计，可以根据不同规模的工程对象要求，硬件设计上采用积木搭接方式进行灵活配置，扩展灵活。

e.安装维护方便DCS采用专用的多芯电缆、标准化插接件和规格化端子板，便于装配和维修更换。

DCS具有强大的自诊断功能，为故障判别提供准确的指导，维修迅速准确。

f.系统可靠性高集散控制系统管理集中而控制分散，使得危险分散，故障影响面小。

系统的自诊断功能和采用的冗余措施等，支持系统无中断工作，平均无故障时间（MTBF）可达十万小时以上

13.1.2.5现场总线控制系统

现场总统控制系统（FieldbusControlSystem—FCS）是计算机技术和网络技术发展的产物，是建立在智能化测量与执行装置的基础上，发展起来并逐步取代DCS控制系统的一种新型自动化装置。

13.3节详细介绍。

13.1.3计算机控制系统的发展

从1946年第一台数字计算机问世以来，由于受到计算机本身的可靠性的影响，加之控制理论的不完善，计算机在控制方面的应用，远远落后于科学计算、数据处理等方面