水利水電自動化

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1、 水利水電自動化 傳感器技術（傳感器、變送器） 、計算機技術（計算機硬件、 I/O 接口技術）、通信技術、自 動控制技術（控制方法、自動控制原理、執(zhí)行器） 。 自動控制： 在沒有人直接干預的情況下， 通過控制裝置使被控對象或過程自動按照預定的規(guī)律運行，使之具有一定的狀態(tài)和性能。 《微型計算機控制技術》上海交通大學 謝劍英 國防工業(yè)出版社 《水利工程管理自動化》 ，劉柏青， 2002，武漢大學出版社 《中國工控網》 《計算機控制系統》何克忠 清華大學出版社 第一章 ： 緒論（計算機控制系統概述） 1.1 計算機

2、控制的概念 引進計算機來代替控制器，組成計算機控制系統 顯著特點：數字化量，要 A/D 、 D/A 轉換 給定值  被控參數 控制器  執(zhí)行機構  被控對象 / 變送單元 測量元件 控制系統的一般形式 閉環(huán)控制系統；開環(huán)控制系統（無反饋） 計算機控制系統執(zhí)行控制程序的過程： （ 1） 實時數據采集 （ 2） 實時計算 （ 3） 實時控制 （ 4） 信息管理：網絡技術和控制策略的發(fā)展，信息共享

3、和管理也介入到控制系統中，甚至測、控、管同網，便于信息交流。目前，通常稱為監(jiān)控管理系統。 “在線”、“離線”、實時控制”的概念。 1.2 計算機控制系統的組成 a. 硬件 采樣設備 / 接 口 工 業(yè) 多路轉換 / 接 口 人機接口 對 開關量輸入 接 口 總 1 通信接口 線 象 開關量輸出 接 口

4、 b.軟件 系統軟件：操作系統 應用軟件： 軟件開發(fā)三種方式 （1） 自行編寫 I/O 驅動程序，實現對 I/O 的初始化，讀、寫等操作。 （2） 利用驅動子程序 DLL OLE 、 DDE 、 OPC （3） 采用組態(tài)軟件： c. 控制系統的網絡結構 1.3 典型應用 1.3.1 數據采集和監(jiān)視系統 （水文測報） 現 / 計 算 場 串口 機 1.3.2 直接數字控制系統（ DDC ） （最普遍，單機、集中控制系統）

5、 工 檢 測 輸入通道 接 口 業(yè) 現 場 執(zhí)行器 輸出通道 接 口 無需中間環(huán)節(jié)（調節(jié)器） 完全取代模擬調節(jié)器，實現多回路的 PID 調節(jié)。 只要改變軟件就可以有效地實現復雜的控制算法。 1.3.3 監(jiān)督控制系統（ SCC， supervisory computer control） 在 DDC 中，對生產過程產生直接影響的被控參數給定值是預先設定的，并且直接存入計算機的內存，這個給定的不能根據過程條件和生產工藝信息的變化及時修改； —— DCC 無法使生產過程處于最優(yōu)工況 兩種結構形式 工

6、 調節(jié) 模 設定值 工 調節(jié) 設定值 擬 計 計 業(yè) 測量 調 業(yè) 測量 算 算 對 節(jié) 對 器 機 機 象 象 （a） (b)  計 算 機 2

7、 國內使用較多的是上下位機結合的方式 1.3.4 分布式控制系統（ DCS）（ distributed control system） （集散型控制系統） 控制理念：分散控制、集中管理 控制結構：網絡化 1.3.5 泵站自動化

8、 3 第二章 傳感器、執(zhí)行器及其工作特性 1、傳感器的基本概念 在工程科學與技術領域，可以認為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。 可把傳感器狹義地定義為能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。 通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成 共中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響 應被測量的部分； 轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或 測量的電信號部分。 由于傳感器的輸出信號一般都很微弱， 因此需要有

9、信號調理與轉換電路 對其進行放大、 運算調制等、 隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用． 傳感器的信號 調理與轉換電路可能安裝在傳感鋁的殼體內或與敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外，信 號調理轉換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源， 因此，信號調理轉換電路以及所需的電 源都應作為傳感器組成的一部分。傳感器構成框圖如圖５－１１所示。 被測量 轉換元件 敏感元件 信號調理轉換電路 輔助電源 圖５－１１ 傳感器構成框圖 無論何種傳感器， 作為測量與自動控制系統的首

10、要環(huán)節(jié)， 通常都必須具有快速、 準確可 靠而又經濟的實現信息轉換的基本要求，即： １） 足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定過載能力。 ２） 靈敏度高，精度適當——即要求其輸出信號與被測輸入信號成確定關系 (通常為 線性 )，且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求。 ３） 響應速度快，工作穩(wěn)定、可靠性好。 ４） 適用性和適應性強——體積小， 重量輕，動作能量小， 對被測對象的狀態(tài)影響?。? 內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響； 其輸出力求采用通用或標準形式， 以便與系統對接。 ５） 使用經濟——成本低，壽命長，且便

11、于使用，維修和校準。 當然， 能完全滿足上述性能要求的傳感器是很少有的。 應根據應用的目的、 使用環(huán)境被測對 象狀況、精度要求和信息處理等具體條件作全面綜合考慮。 1、傳感器的靜態(tài)特性 (1) 線性度 (2) 回差 (滯后 ) (3) 重復性 (4) 靈敏度 靈敏度是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。 (5) 分辨力 (6) 閾值 (7) 穩(wěn)定性 (8) 漂移 (9) 靜態(tài)誤差（精度） 這是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標 2、傳感器的動態(tài)特性 動態(tài)特性是反映傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性

12、。 4 (1) 瞬態(tài)響應特性 ●時間常數 ：一階傳感器時間常數 越小，響應速度越快。 ●延遲時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的 50％所需時間。 ●上升時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的 90％所需時間。 ●超調量：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。 (2) 頻率響應特性 傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。●頻帶。傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶，對應有上、 下截止頻率。 ●時間常數 。用時間常數 來表征一階傳感器的動態(tài)特性。 越小，頻帶越寬。 ● 固有頻率 n 二階傳感

13、器的固有頻率 n 表征了其動態(tài)特性。 2、水位、揚程的檢測 一、浮子式 二、超聲波式 三、其它 第三節(jié) 位置檢測 用于現場物理位置的檢測，反映設備運行狀況。例如：閘門位置，主泵葉片角度等。 1、 位置檢測 行程開關：機械式、磁電式、光電式 2、 位移檢測 線位移：光柵尺、磁電式 角位移：旋轉編碼器（相對量、絕對量） （參考：線位移傳感器） 第四節(jié) 電量檢測 電功率、電度、電壓、電流、功率 電量智能變送器（數字信號， RS485 接口） 第五節(jié) 流

14、量檢測 1、 管道流量 2、 明渠流量測量 堰：三角形、矩形 槽：巴歇爾，長喉槽 時差式超聲波明渠流量計 5 第六節(jié) 大氣、水、土壤部分參數檢測 1、濕敏傳感器：氧化鋰濕敏電阻、半導體陶瓷濕敏電阻 土壤濕度：張力 2、氣敏傳感器： 檢測氣體成分或氣體濕度 3、水質 COD 指標：在線連續(xù)測量成本很高 三參數：五參數 第七節(jié) 水利工程中常見的執(zhí)行器 自動控制系統的終端執(zhí)行部件，直接決定控制品質。 機構上分成：

15、執(zhí)行機構（推動部分） 調節(jié)機構（調節(jié)部分） 按執(zhí)行機構使用的能源種類：氣動 電動 液動 3 2 4 P-  5 6 1 P+  7 8 9 1、 電動閥：閘門（調節(jié)閥） 碟閥 先導式電磁閥結構原理 電磁閥：直動式 1—平衡孔 2—活動鐵芯 3—固定鐵芯 先導式  4—線圈 5—閥蓋 6—復位彈簧 7—排出孔 8—上腔 9—主閥塞

16、 6 固定鐵心 復位彈簧 100 線圈 活 Q/Qmax 動 閥蓋 相 鐵 對 中 流 心 量 閥塞 電磁閥結構 閥門工作流量特性與使用條件有關 2、液壓啟閉機 3、卷揚式啟閉機 4、螺桿式起閉機 5、葉片角度調節(jié)機構：機械式 液壓式 葉片角度——拉桿行程相對應  3 1 4 2 100 l/L 相對開

17、度 閥門理想流量特性 （差壓不變） 1— 直線 2—等百分比 3—快開 4—拋物線 7 第三章： 過程通道和數據采集系統 2.1 概述 計算機 輸入 / 出通道 生產過程 信息傳遞和變換裝置 過程通道的組成和功用 模擬量、數字量、輸入 /輸出 標準電壓、電流： 1-5V ， 0-20

18、mA(4-20mA) ——采樣、量化和編碼 2.2 模擬量輸入通道 模擬量輸入通道的一般組成： 過 檢 信號處理 多 采樣- 保持 計算機 路 / 接 口 程 放大器 / 總 線 信號處理 轉 參 換 數 測 信號處理 器 控 制 信號調理板

19、/ 卡 MUX: 機械式、電子式 選擇多路轉換器主要考慮：通路數、單端、差動、尋址方式、最大切換速率、串擾可編程放大器 --- 可通過程序調節(jié)放大倍數，增強通用性 采樣與保持： A/D 轉換器完成一次完整的轉換過程所需的時間稱為轉換時間（為保證轉換精度） 在轉換時間內要求輸入值不變： 控制信號 采樣 -保持器的基本組成電路 2.3 D/A 與 A/D 轉換技術 電阻網絡實現 D/A 1～5V 對應數字量 A/D 芯片常用的轉換方法有： 計數 — 比較式； 雙斜率積分

20、式——（抗干擾能力強） ； 逐次逼近式——（精度高，轉換速度快） 。 8 輸入模擬電壓 模 擬 比較器 電 壓 第一次檢測 基準電壓 / 轉換 數 . 字 . 量 . 輸 出 （逐次逼近寄存器） 時序及控制邏輯 轉換命令 狀態(tài)線  第四次檢測 第三次檢測 第二次檢測 逐次逼近式 A/D 轉換原理圖

21、 A/D D/A 轉換器的主要技術指標 （1） 分辨率： 對輸入信號（模擬）變化反應的靈敏度 表示可以對滿量程的 1 1 28 的增量作出反映 256 8 位 10 位 12 位 16 位 0.4％ 0.024％ 0.0015 ％ （2）量程 轉換電壓的范圍 5V 10V5V 10V （ 3）精度 常用數字量的位數作為度量絕對精度的單位 （ 1/2） LSB 對于滿量程 10V，絕對精度為 4.88mV 分辨率 對應輸入 精 度 對

22、應輸出 （4） 轉換時間 逐次逼近式 A/D 轉換時間 1.0～200 s D/A 主要技術指標： （ 1） 分辨率 （ 2） 輸出電平5～ 10V 0～ 20mA 2.4 數字量輸入輸出 TTL 電平 2.5 數據采集系統 任務： -----生產現場的工藝參數采集后以數字量的形式進行存貯、 處理、傳送、顯示或打印。 數據采集系統性能的好壞，主要取決于它的速度和精度。 （ 1） 計算機工控機 各種板卡 PCI ISA PC/104 遠程板卡：通過通訊端口 （串口通訊） A/D( 模擬量 ) D

23、/A 9 開關量（數字量） 繼電器輸出板 幾種典型板卡說明書閱讀（下載） 研華： advantech PCL-818HG 高增益數據采集卡（多功能） PCL-722 144 路數字量輸入 /輸出卡 PCLD-855 16 通道功率繼電器輸出板 ADAM 4520 RS232-RS422/485 轉換器 ADAM4017 8 通道模擬量信號輸入模塊 ADAM4053 16 通道數字量輸入模塊 ADAM4060 繼電器輸出模塊： 2 路FORM A ； 2 路 FORM

24、 C ADAM4021 模擬量輸出模塊（ 1 路） 組態(tài)王軟件 練習題：用高級語言編程采集 PCL-818HG 任一路模擬信號 2.6 過程通道的抗干擾措施 2.6.1 干擾的來源和干擾的分類 干擾形成三要素：干擾源—— 自然干擾：宇宙、大氣放電、大氣熱輻射、靜電放電 電器設備干擾：電路開關、脈沖振蕩、整流、電路缺陷 耦合通道——傳導：經導線直接耦合到電路中 ---熱電偶 共阻擾：兩個電路擁有公共阻擾時 電場：電場 電壓形成 互感：磁場 電流形成 被干擾的電路： 按干擾的作用方式不同：常

25、態(tài)干擾：疊加在被測信號上的干擾噪聲 共態(tài)干擾： A/D 轉換器兩個輸入端上共有的干擾電壓 共態(tài)干擾示意： 存在共模干擾的場合，必須采用雙端不對地輸入方式 <差動放大器 > 2.6.2 常態(tài)干擾的抑制 根據干擾信號的特征和來源，采取 （ 1） 帶通濾波器 （ 2） 尖峰干擾——用雙斜率積分式A/D 轉換器 10 （ 3） 電磁感應—— 電磁屏蔽，提高信噪比（提前放大，大信號傳輸） （ 4） 消除干擾原因——

26、 良好的接地系統，數字濾波技術 2.6.3 共模干擾的抑制 （ 1）利用雙端輸入的運放器作為A/D 的前置放大器 （ 2）利用變壓器或光電耦合把模擬負載和數字信息源隔離，即將模擬地與數字地斷開 隔離電源 光電耦合器 數字輸 入電路 利用光電耦 合開關特性 電壓- 頻率轉換 線性光電耦合器 放大器 / 利用線性光電耦合器的線性耦合，直接模擬信號進行抗共模傳送。 2.6.4 其它抗干擾措施 （1）動力電源

27、與控制系統電源隔離 （2）采用公共接地點 一點接地 （3）軟件抗干擾技術： 看門狗 Watchdog 復位計算機（程序飛或死循環(huán)） 11 第四章 自動控制技術 3.1 自動控制理論的內容 時域分析法 線性控制理論 頻率特性法 根軌跡法 相平面法 經典控制理論 描述函數法 非線性控制理論 李雅普諾夫直接法 波波夫法 采樣控制理論 Z變換法

28、 最優(yōu)控制理論 現代控制理論 狀態(tài)空間分析法 系統識別 最佳估計 專家系統 智能控制理論 模糊控制 學習控制 （神經網絡） 3.2 自動控制系統的分類和基本要求 開環(huán)控制系統 按信號傳遞路徑分類 閉環(huán)控制系統 （有反饋） 恒值控制系統（自動鎮(zhèn) 定系統）：輸出量以一 定精度接近給定值 給定值一般不變或變化緩慢 （如壓力、 溫度等） 按給定量的變化規(guī)律分 類 隨動系統（自動跟蹤系 統）：輸出量以一定精 度跟隨給定量變化 給定量不確定 如火炮、雷達 程序控制系統：被控制 量按照預先給定的

29、規(guī)律 或程序變化 數控機床 巡航導彈 （ 地形 匹配 ） 還有很多分類方法：集中 /分布 式的控制系統等 基本要求： 3 個 穩(wěn)定性：干擾最終會回 到平衡狀態(tài) 3個 動態(tài)特性：動態(tài)過程時 間短，過程平穩(wěn)，振蕩 幅度小 穩(wěn)態(tài)特性：系統誤差值 反映了系統控制的精確 程度 三個要求互相制約的。 用典型測試信號來考核： 階躍輸入函數，脈沖輸入函數，正弦函數，斜坡函數，拋物線（加速度）輸入函數。 定量分析，必需建立數學模型（針對各種物理系統及元件） 12 傳遞函數的概念：輸入 /輸出的關系。

30、 3.3 程序控制和數值控制 計算機開環(huán)數字程序控制最常見的方式：順序控制、數值控制 順序控制——按預先規(guī)定的工藝要求， 按照各個輸入信號的條件， 使生產過程的各個執(zhí)行機 構自動地按預先規(guī)定的順序動作（離心泵啟動過程） （花草噴溉） 數值控制——按預先的運動軌跡算出 “動點” 的位置，控制機械裝置作出相對運動，以獲得 預定的加工軌跡（數控機床，加工中心，繪圖儀，機器人等領域） （軸流泵葉片調節(jié)，閘門 開度） 3.3.1 順序控制器 按生產過程要求預先確 定程序，在輸入信號作 用下順序進行 順序控制器兩種功能 按各工序要求，控制動 作

31、，保證過程正常進行 簡單價格低 繼電器控制裝置：傳統 的 壽命短，可靠性差 — 控制功能改變困難 無觸點，體積小，可靠 性高 半導體邏輯元件控制裝 置： 壽命長，無噪聲，通用 性差，故障排除困難 ROM， EPROM 存儲式順序控制裝置（ 可編程序控制器 PLC ） RAM ，預先存貯程序 可編程序控制器（ PLC ）特點： （1）可靠性高，抗干擾能力強 MTBF （2）控制程序可變，具有良好的可變性 1.編程簡單，“梯形圖編程方式” 2.功能完善，擴充方便，組合靈活 3.縮短設計和施工時間 3.3.2 開環(huán)數值控

32、制 基本原理：插補計算 常用“逐點比較法插補原理” 步進電機的控制 3.4 數字 PID 控制算法 按偏差的比例、積分和微分進行控制的調節(jié)器稱為 PID 調節(jié)器。 連續(xù)系統中應用最為廣泛。 為什么用？ 13 控制對象的精確數學模型難以建立 采用 PID 根據經驗進行在線整定（調試） 3.4.1 準連續(xù) PID 調節(jié)器 （1）模擬 PID 調節(jié)器 K p K i/s 對 象 K

33、ds 圖 3.4.1 模擬 PID 控制 PID 是一種線性調節(jié)器 控制偏差 e w y 可構成 （a） 比例調節(jié)器 基準（比如 e=0 時的閘門開度） u ke u0 比例系數 K 大可能導致系統不穩(wěn)定 （b） 比例積分調節(jié)器 u K e 1 0t edt u0 Ti Ti——積分時間：積分可消除靜差 壓力變化 、流量 等。 Ti 選小 溫度等滯后較大， Ti 選大 （c）比例積分微分調節(jié)器 u K e 1 0t edt de u0

34、Td Ti dt Td 為微分時間 微分作用的加入將有助于減小超調， 克服振蕩， 使系統趨于穩(wěn)定， 它加快了系統的動作速度， 減小了調整時間，改善系統的動態(tài)性能。 模擬 PID 調節(jié)器電動、氣動、液壓等多種類型，用硬件來實現 PID 調節(jié)規(guī)律。 （2） 數字 PID 控制算法 計算機控制是采樣控制， 前面式中的積分和微分不能直接準確計算， 只能用數值計算的方法 逼近。

35、 ui K ei T i Td ei ei 1 u0 Ti ej T i 0 位置式 PID 控制算法（如閘門開度） T 是采樣周期 如果 T 足夠小，這種逼近可相當準確——“準連續(xù)控制” 14 ui uiui 1 K ei ei 1 T ei Td ei 2ei 1ei 2 Ti T 增量式 PID 控制算法（驅動步進電機） PID增量算

36、法 步進電機 對 象 （ a）增量式 PID位置算法 對 象 （ b）位置式 增量式 PID 算法的優(yōu)點： 1.沒有累積誤差 2.手動自動時無沖擊切換，出故障時保持原位。 3.4.2 對標準 PID 算法的改進 （1）“飽和”作用的抑制 控制變量受執(zhí)行元件機械和物理性能的約束而限制在有限小范圍內 umin u umax u umax 計算結果超出上述范圍，將得不到預期效果——飽和效應 PID 位置算法的積分飽和作用及其抑制：遇限削弱積分法 積分分離法

37、 有效偏差法 明顯超調 PID 位置算法的積分飽和現象 :（a）理想情況的控制 （ b）有限制時產生的積分飽和 15 PID 增量算法的飽和作用及其抑制 優(yōu)點：不出現積分累積效應 可能出現比例及微分飽和現象：采用“積累補償法”糾正 （3） 干擾的抑制 PID 控制算法的輸入量是偏差 e，進入正常調節(jié)后， e 值不會太大。相比而言，干擾值對調 節(jié)有較大的影響。硬件和軟件兩方面采取

38、措施。 一般隨機干擾，采用不同的濾波方法 e 1 ei 2e 0 1 i i 1 改進差分算法（因差分項對噪聲敏感） 3.4.3 PID 調節(jié)器參數選擇 根據工程問題的具體要求來考慮 要求被控過程是穩(wěn)定的，對給定量的變化能迅速和光滑地跟蹤，超調量小，抗干擾。 PID 設計：理論方法 準確建立數學模型 實驗方法 (1) 湊試法確定 PID 調節(jié)參數 a.比例系數 K 增大： 響應快，靜差下降；產生超調 振蕩，穩(wěn)定性變壞。 b.積分時間 T i 增大：超調 ，穩(wěn)定性 ，靜差

39、消除慢。無自平衡的對象，不宜采用（飛輪 為有自平衡系統） c.微分時間 T d 增大：響應 ，超調 ，穩(wěn)定性 ，但對干擾敏感。 T /min T /min 被調量 特 點 K i d 流量 時間常數小并有噪聲， K 較小， Ti 較短，不用微分 1～2.5 0.1～ 1 溫度 多容系統，有較大滯后，常用微分 1.6～ 5 3～ 10 0.5～3 壓力 多容系統，滯后不大，不用微分 1.4～ 3.5 0

40、.4～ 3 液位 允許有靜差時，不必用積分，不用微分 1.25～5 （ 2）實驗經驗法 湊試法需要進行較多的模擬或現場試驗。 利用已有經驗，再做一些實驗 經驗公式 湊試 （ 3）采樣周期的選擇理論上越小越好 香農采樣定理： T  （ max 為采樣信號的上限角頻率） max 可近似復原為模擬信號，而不丟失任何信息。 被調量 采樣周期 T/S 流量 1 壓力 5 液位 10 溫度 20 3.5 數字控制器的直接設計方法 上一節(jié)立足于連續(xù)系統 PI

41、D 調節(jié)器設計，并在計算機上數字模擬實現。 16 ——這種方法稱為模擬化設計方法，只能實現較簡單的控制算法 當采樣周期大且控制要求高時， 被控對象的特性出發(fā)， 直接根據采樣系統理論來設計數字控制器——直接數字設計 涉及采樣系統的 z 變換，采樣系統穩(wěn)定性等概念。 認為 z 傳遞函數 G（ z）是已知的 ,要求設計 D（ z） ( D(z) G(z) 3.6 模型預測控制算法 最優(yōu)控制、極點配置等基于狀態(tài)空間描述的現代控制理論 航空、航天有不少成功的應用，在工業(yè)過程控制領

42、域不能充分發(fā)揮。 原因： （ 1）要有精確數學模型（傳遞函數） ，代價太高 （ 2）工業(yè)過程不確定性大：基于理想模型的最優(yōu)控制，不改進難以兼顧控制的魯棒性 （ 3）現場微型計算機運算能力不夠，負荷太重 八十年代以來， 開始具體應用（適用于漸近穩(wěn)定的線性對象， 對于非自衡的對象， 可選用 PID 使之穩(wěn)定，再使用） （1）動態(tài)矩陣控制（基于對象階躍響應的預測控制算法） （2）模型算法控制：又稱模型預測啟發(fā)控制（ MPHC ）屬于多變量 優(yōu)化控制算法 模型預測控制算法基本特征 （1）預測模型：預測功能 洪水模型，預排措施 （2）

43、滾動優(yōu)化 在線反復進行 （3）反饋校正 補充一節(jié) 3.7 微型計算機控制系統設計 3.7.1 微型計算機控制系統設計的基本要求和特點 （ 1）系統操作性能好 使用方便和維修容易 （ 2）通用性好，便于擴充 還要留有一定的余量 （ 3）可靠性高 手動，自動兩套： 采用雙機系統：備份、主從、雙工 采用分布式控制系統：一臺故障，只影響局部 3.7.2 設計的一般步驟 17 （1）確定控制任務 （2）選擇微處理器（工控機、 PLC 、 PC-Base

44、d PLC） 主要針對中高層應用，低層嵌入式控制系統不涉及。 （ 3）控制算法 （ 4）系統總體方案設計 （ 5）硬 /軟件具體設計 第五章 分布式計算機控制系統概論 5.1 概念 計算機技術 計算機控制技術 自動化技術 過程控制自動化 流程工業(yè)（化工，石油 ，電力） — — DCS CIMS 工業(yè)自動化 制造工業(yè)自動化 離散型制造過程（汽車 ，飛機，機床） PLC 自動化測量系統 混合型制造業(yè)（間隙過 程工業(yè)）（冶金，食品 ，紡織） ＋

45、 DCS PLC 其實質是利用計算機技術對生產過程進行集中監(jiān)視、 操作、管理和分散控制的一種新型控制 技術。 5.2 DCS 的設計思想及特點 （1）自主性 各工作站通過網絡接口鏈接起來， 各工作站獨立自主地完成合理分配給自己規(guī)定任務，如：數據采集、處理、計算、監(jiān)視、操作、控制等。 控制功能分散，負荷分散，從而危險分散，提高了系統的可靠性。 （ 2）協調性 各工作站通過通信網絡傳送各種信息協調地工作，以完成控制系統的總體功能和優(yōu)化處理。 （ 3）友好性 DCS 軟件是面向

46、工業(yè)控制人員，工藝技術人員和生產操作人員設計的，使用界面就要與之相適應。 （ 4）適應性、靈活性和可擴充性 （ 5）在線性 （ 6）可靠性 生命力所在 系統結構采用雙重容錯設計 硬件采用雙重化 * 冗余與容錯設計 容錯設計則是從全系統出發(fā)以另一個角度考慮問題，其出發(fā)點是承認各單元發(fā)生故障的可 能，進而設法保證即使某單元發(fā)生故障， 系統仍能完全正常地工作， 也就是說給系統增了容忍故障的能力。 冗余和容錯是一種高級的可靠性設計技術， 通常由多個部分組成，其中主要包括： (1)故障檢測技術。為了保證系統在出現故障時及時將冗余部分

47、投入工作，必需有高精度的在線故障檢測措施，實現故障發(fā)現、故障定位和故障報警。 18 (2)切換技術。精確及時地發(fā)現故障后，還必需及時地將控制切換到冗余部分切換時必須保證安全、無擾。 (3)修復技術。由式 (9.21) 可見，為保證容錯系統具有高可靠度，必須盡力減小系統的平均故障修復時間 MTTR ，要做到這一點，在設計上應努力提高單元的可修復性，同時還應提高維護人員的水平，建立具有快速反應能力的維修機構。 程序分段與模塊化設計 “電磁兼容性”設計：抗干擾能力與系統內外的干擾相適應 在線快速排除故障的設計： 自動隔離、自動

48、分析、自動恢復、熱機插撥技術、報警功能。 在可靠性工程方面， DCS 具有集中型系統所無法比擬的優(yōu)勢，這主要體現在以下幾個方面： (1)單元簡單的原則。在集中型系統中，全系統是一個難以分割的大單元，而在 可靠性理論中，單元越復雜，可靠性越低。 DCS 則將全系統分為自律性極強的多個獨立單元，每個單元都比較簡單，可靠性大為提高。 (2)危險分散的原則。集中型系統是一個耦合系統，其中任何一部分的微小故障 都有可能導致整個系統失效。兩 DCS 是由多個獨立工作的單元組成的柜耦合系統，即使某一部分發(fā)生故障，也不致影響整個系統。另外，結構上的分散也就意味著控 制的

49、分散、供電的分散、負荷的分散及干擾的分散，因此從根本上分散了影響可靠性的外部因素，從而保證系統能夠達到很高的可靠性。 (3)易于容錯的原則。 在集中型系統中如果進行冗余容錯必須對全系統進行冗余， 這是很復雜而又很不經濟的，在 DCS 中，由于各單元的相對獨立和相對簡化，使得冗余容錯比較容易實現，同時還便于在冗余時突出重點，減少不必要的冗余，從而 使系統更為經濟實用。 5.3 分布式控制系統的體系結構 1975 年 Honeywell 公司 世界上第一套分布式控制系統 TDC2000 （ 1）體系結構 集中式計算機控制系統，兩大應用指標就是中央

50、計算機的處理速度和自身的可靠性。所有車間設備都連到計算機上，連線多：計算機出問題，意味著所有功能失效。 現在計算機非常便宜， 可以用小型計算機來替代中央計算機的局部工作。對其周圍的裝置進 中央計算機 變送器 執(zhí)行器 車間設備 行過程監(jiān)測和控制， 這些小型機稱為第一級計算機， 而中央計算機只處理中心自動化問題和管理方面的問題，產生了二級自動化控制系統的結構。 中央計算機 前端計算機 前端計算機 前端計算機 甲設備 乙設備 丙設備 車間設備 19 圖：二級自動化控制系

51、統的結構 適合于小型工業(yè)自動化過程 控制規(guī)范增大后，產生了三層計算機控制模式，工廠自動化方面應用較多 中央計算機 中間計算機 中間計算機 微 微 微 微 型 型 機 機 機 機 設備單元 設備單元 車間設備 圖：具有三層結構模式的計算機控制系統 （2）功能分層 層次化是 DCS 的體系特點，體現出集中管理，分散控制的思想。 經營 第四層 管理級 生產管理級 第三層 過 程 管 理 級 第二層 直 接 控 制

52、 級 第一層 過程控制 過 程 批量過程 離散過程 現場設備 a.直接控制級（過程控制級） 計算機直接與現場和各類裝置相連： 對所連裝置實施監(jiān)測、 控制，接收上層的管理信息，傳遞裝置的特性數據和采集到的實時數據。 b.過程管理級 監(jiān)控計算機、操作站、工程師站。 綜合監(jiān)視過程各站的所有信息，集中操作 /顯示，控制回路組態(tài)和參數修改，優(yōu)化過程處理等。 c.產品管理級（生產管理級） 協調各單元級的參數設定，是產品的總體協調員和控制器。 d.經營管理級 與辦公室自動化連接，擔負全廠的總體協調管理。 經營，人事。

53、 20 （3）各層的功能 ＃市場和用戶分析；訂貨和銷售軟件 ＃銷售計劃，產品制造協調，合同事 宜，期限監(jiān)測等 規(guī)劃產品結構和規(guī)模，產品監(jiān)視，產 品報告，工廠生產監(jiān)視 過程操作測試，裝置間協調優(yōu)化過程 控制，自適應控制，錯誤控制，數據 存檔 進行過程數據采集，數據檢查，進行 數字開環(huán)和閉環(huán)控制，設備監(jiān)測和系 統測試和診斷，實施安全性，冗余化 措施 車間設備 （4）分散型控制系統

54、典型結構（實例）  工廠 經營管理 生產管理 過程管理 直接控制 5．4 DCS的網絡體系 5.4.1 概述 （ 1）計算機網絡 （ 2）網絡分類： 很多種：廣播式，點到點；專用網，公用網；局域網 LAN , 城域網 MAN ，廣域網 WAN ； （3）數據通信基礎 a.數據通信模型 信道與信號 模擬傳輸，數字傳輸 數據通信模型 信號傳輸的通道 b.數據傳輸 單工方式：數據信號沿 一

55、個方向傳輸 數據在線路上的傳送方 式 半雙工方式：信號可沿 兩個方向傳輸，但某一 時刻只允許單方向傳遞全雙工方式：數據信號 可以同時沿相反的兩個 方向傳送 c.數據編碼 模擬信號：載波調制 數字數據編碼成數字信號 d.數字數據通信技術 21 同步技術：同步方式及異步方式 e.數據交換技術 電路交換（公用電話網廣泛使用） 報文交換（數字通信常用） 分組交換 f. 傳輸媒體 有線：雙絞線，同軸電纜，光纖 無線：無線電（無線管理委員會申請，水文免申請專用頻道） 微波（也要有關部門

56、申請） 紅外 h.網絡控制方法 主從方式：存在一個主站，例： Intel bitbus 總線 無主方式：爭用方式 CSMA/CD 以太網 令牌傳送方式 ARCnet. (4)DCS 網絡特點 快速實時響應能力；極高的可靠性；適應惡劣的工業(yè)現場環(huán)境。 分層結構：集散型控制系統是分層結構，網絡通常也分層 現場總線＋車間級網絡＋工廠級網絡 趨勢————管控同網，便于信息直接交換 5.4.2 通信協議 計算機界，開放的要求已成為一個最基本的要求。 開放——就是要求各個廠家的產品具有互操作性、 互換性、 可替代性、

57、可擴充性（可增值性） 和支持多平臺（可移植性） 。 （1） ISO 于 1977 年，提出了開放系統互連（ OSI ）參考模型 ISO 的 OSI 參考模型包括七層。 以太網早于 IEEE802 標準 與 802.3 相當，但仍有少量差別 采用 CSMA/CD 技術 制造造化協議—— MAP （通用公司 1982 年） 能實現完整的 OSI 七層協議 應用層 表示層

58、 會話層 傳輸層 網絡層 IEEE802 標準，局域網 例子： RS232C 數據鏈路層 802.1 參考文件 物理層 RS422/RS485 802.2 邏輯鏈控制 LLC X.21 的一部分 802.3 802.4 802.5 802.6 CSMA CD 令牌總線 令牌環(huán) 大城市地區(qū)網 訪問方式 訪問方式 訪問方式 訪問方式

59、 22 （ 2） TCP/IP 協議集 （傳輸控制協議 /網際協議） 不是 ISO 標準，事實上的標準。 5.4.3 局域網技術 在一個小區(qū)域范圍內，將獨立系統互邊起來實現資源共享，便構成局域網。 局域網是一種通信網 “數據通信設備” ：包括計算機、終端、外圍設備、電話、傳真等網絡覆蓋范圍從幾公里到幾十公里 傳輸速率 10Mbps 100Mbps 1000Mbps 1Gbps 光纜，雙絞線，無線局域網發(fā)展很快 局域網模型以 IEEE802 工作文件為基礎。 （1）局域網的拓撲結構 連至網絡的

60、未端總線或站實現互連的方式 星 型 取代（總線型和環(huán)型） 環(huán) 型 星型拓撲結構的局域網 使用廉價的雙絞線，也可用光纜 穩(wěn)定可靠 結構簡單，易于安裝和維護 可管理性 擴展性和伸縮性 有利于向交換型局域發(fā)展 與電話通信系統一致的拓撲結構，布線規(guī)則一致。 （2）局域網互連 a.中繼器： Repeater） (Ethernet 最多四個 ) 500m b.集線器： hub 現發(fā)展成為交換集線

61、器（ Switching hub ） c.網橋：相同通信協議，傳輸媒體及尋址結構 局域網互連 d.路由器：  總線型 樹 型 23 e:網關： Gateway 不同類型且差別較大的網絡系統間互連 （ 3） 10Mbps 以太網 以太網認為和 IEEE802.3 是同義詞。 CSMA/CD 技術（碰撞檢測的載波偵聽多路訪問） 廣播型 10 BASET 雙絞線，網卡，集

62、線器組成。 網卡 RJ45 連線器 集線器 （水晶頭） 1 第1對 2 3 雙絞線 4 第2對 5 網卡 多模光纖 6 第3對 2 7 第4對 8 1 1 1 1 網卡 2 2 2 2 3 3 3 3 6 6 6 6

63、 集線器最多為 4 個，端點間最長距離不會超過 500m （ 4） 100Mbps 高速以太網 100BASETX 100BASEFX 2 對 5 類 UTP 光纖 100 100 集線器 光纖 集線器 光纖 網卡 網卡 網卡 網卡 3 類 UTP ： 1000m 62.5 m /125 多模光纜 2km (不屏蔽 ) 9/125 m 單模光纜 20km

64、,40km,60km,100km 光波長 nm 5.5 分散控制系統的工程化設計 5.5.1 概述 采用 DCS 的目的，提高生產控制管理水平，改善生產過程控制品質，實現安全平穩(wěn)生產，提高企業(yè)的經濟效益。 （1） DCS 工程化設計應達到的目的 a.了解幾種代表性的 DCS 系統 b.掌握評估 DCS 的方法和一般準則 24 c.能正確地選擇適合工程需求的 DCS （2）應完成的工作 a.確定系統功能結構 b.確定系統的規(guī)模 c.提出軟、硬件要求

65、d.評估幾種 DCS e.投資核算，選擇 DCS f.制定實施大綱 5.5.2 DCS 的評估 （1）評估的意義和一般準則 實際工程的設計者， 主要任務不是去設計、 開發(fā)一個新的應用系統， 而是從市場上去選擇一 個成熟的系統，然后結合生產過程開發(fā)一些應用功能。 一般準則：（ a、 b、 c 為判斷 DCS 系統可靠性的三個準則） a.系統運行不受故障影響準則（冗余，降級使用） b.系統運行不易發(fā)生故障的準則。 MTBF （平均無故障時間） c.迅速排除故障的準則。 MTTR （平均修復時間） d.可靠性與經濟性折中的原則

66、 （2）評估人員的選擇 a.實際操作人員 b.生產工藝人員 c.計算機人員 d.儀表人員 e.過程控制工程師 （3）評估內容 a.技術性能評估 現場控制站的評價：結構分散性 現場適應性 I/O 結構 信號處理功能評價 人機接口的評價：操作站 工程師站 通信系統評價：線路成本，網絡結構 節(jié)點間長度，傳輸速率 軟件評價：操作系統 組態(tài)及控制軟件 作圖軟件 數據庫管理 報表生成 系統維護軟件 b.使用性能評價 技術延續(xù)性和可鑒性 25 系統的柔性 制造廠家的能力 售后服務 可維護性 c.可靠性與經濟性評價 可靠性評價： MTBF 熱備份 冷備份 1： 1 1： n MTTR 容錯能力  冗余 安全性：分級操作，授權操作 經濟性評價 （ 4）評估方法及應用“基于加權因素的評估矩陣”方法。