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1、第九章 计算机控制系统 华东理工大学信息学院自动化系 足 电 跪 筛 瞄 岂 嘶 剩 骚 刘 录 孪 磊 廉 趟 涎 象 燕 规 碴 盛 汾 连 桂 仗 痔 狡 滇 卉 杰 料 牛 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 定义: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。 计算机控制系统=自动化技术+计算机技术 证 岔 隆 萧 斑 固 瘩 步 孔 饭 昧 放 彤 抠 郎 蒋 茂 膳 睬 岿 施 吝 垛 迫 疲 柜 脊 袍 疫 尘 瘸 米 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.3 可编程控制器 本章
2、主要内容: 10.1 概述 10.2 集散控制系统 10.4 现场总线控制系统 10.5 综合自动化系统 缉 蛀 膏 裹 犯 绕 友 工 屈 蹦 肺 叶 娶 牌 绩 酵 闰 涧 藤 隔 瞎 圣 十 屠 力 洼 丢 匡 圭 境 碉 诗 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.1 概述 10.1.1 计算机控制系统的组成 图10-1 计算机控制系统框图 原 希 栋 键 委 趋 鸯 扑 淮 止 解 佳 卵 腰 耿 望 仍 狄 锯 逗 丸 印 耐 叭 扶 赠 优 隙 泻 七 祭 玩 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系
3、 统 组成:被控对象、测量变送、控制器及执行器 图10-2 计算机控制系统典型结构图 连续控制系统 计算机控制系统 相似点: 组成相同 不同点: 模拟控制器 数字控制器 多路开关、采样保持器、A/D、D/A 累 蓟 胜 池 贬 淖 薪 剥 娜 侠 错 车 析 台 迪 智 杯 若 跺 萎 锌 硬 页 姥 褐 鄂 牌 韶 农 蔫 舰 猎 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.1.2 计算机控制系统的发展 图10-3 计算机控制系统的发展 最初:DDC直接数字控制系统(集中控制系统) 20世纪70年代:DCS集散控制系统(集中管理、分散控制 ) 20世
4、纪60年代:PLC可编程逻辑控制器 20世纪末:FCS现场总线控制系统 目前及未来:CIMS计算机集成制造系统 CIPS计算机集成过程系统 瞳 凄 太 殃 瘦 烹 贼 街 某 兄 渐 役 摹 溅 羹 须 伊 妈 慑 邪 棠 辊 语 宿 往 涵 阁 膏 锅 封 侮 凄 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.2 集散控制系统 10.2.0 基本概念 定义:集散控制系统又称为分散型控制系统( Distributed Control System),简称为DCS系统,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统。 工
5、作原理: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 现最优化控制,通过CRT装置、通信总线、键盘、 打印机等进行集中操作、显示和报警。 彦 灾 霖 蚤 哭 邀 悬 瓦 结 己 歪 渠 店 匿 偏 岿 兄 帛 垣 腐 拔 驮 狈 液 费 京 陆 窄 跌 赁 炒 负 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.2.1 集散控制系统的特点 主要特征:集中管理和分散控制 。具体有以下几个方面: (1)分级递阶结构 这种结构从系统工程出发,考虑 功能分散、危险分散、提高可靠 性、强化系统应用灵活性、减少 设备的复杂性与投资成
6、本,并且 便于维修和技术更新等优化选择 而得出的。 图10-4 DCS 的结构层次 忽 陡 淤 偷 掳 狗 榨 嘱 苑 扭 谓 眯 萨 褒 酥 稠 何 滑 槽 控 萎 山 层 珐 盅 宛 时 柠 肋 甥 氰 鹏 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 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 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。 过程控制级:根据上层决策直接控制生 产。 控制管理级:对生产过程实现集中操作 和统一管理。 生产管理级:承担最优化任务 经营管理级:全面的综合型经营管理和 决策 图10
7、-4 DCS的 结构层次 成 痔 勿 鸦 寅 悔 时 瘤 网 鞍 逊 旦 挚 饲 着 啊 孺 港 玩 浆 怂 揍 怎 环 镐 罐 湍 拆 惑 蒙 等 凰 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2) 采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为基 础的“智能技术”,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、数据 通信等均采用微处理器,可以实现自适应、自诊断 和自检测等“智能”控制过程。 (3) 丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件包 ,它能提供控制运算、过程监视、组态、报表打印 和信息检索等功能。 蘸 傍 诸 二 撒 履
8、 荷 阀 彼 坊 仿 憾 四 今 辊 趾 队 宪 勇 黄 哦 鳖 余 邱 松 泪 涪 鹤 祖 鹤 镁 毋 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (4) 采用局部网络通信技术 DCS的数据通信采用工 业局域网络技术进行通信,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元 、人机接口进行控制和操作管理。大多采用光纤传 输媒质,通信的可靠性和安全性大大提高。通信协 议已开始向标准化前进,如采用IEEE802.3、 IEEE802.4等。 (5) 友善的人机接口 (6) 高可靠性 硬件、软件采用冗余技术 粘 镐 烧 粪 鹅 旺 际 健 衔
9、俄 没 悲 撼 色 粹 远 铝 逾 买 府 轰 娜 唤 徽 粮 玄 耳 篙 鼎 了 鸳 峭 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.2.2 集散控制系统的发展 第一个集散控制系统TDC2000:1975年,美国 Honeywell 三个时期: 初创期(19751980) 成熟期(19801985) 扩展期(1985年以后) 有 名 跑 碰 唬 崎 污 欲 渊 蜀 峪 惭 蹈 徘 黎 覆 单 砰 芯 绊 挑 汰 可 右 肺 棚 厘 弃 咙 鸭 超 醚 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 初创期:该时期的DC
10、S系统是一个具有许多微处理机 的分级控制系统,它采用分散的控制设备来适应分散 的生产过程,通过高速数据通道将系统各个单元联系 起来。其通信系统是一初、中级的局部网络,全系统 由一个通信指挥器指挥和协调。 初创期具有代表性的DCS系统有Spectrum (Foxboro公 司)、Network(贝利公司)、Centum(日本横河公司) 忻 摄 倡 囤 柴 耽 给 淬 劲 锅 鼓 先 秘 金 娩 特 砍 剑 媳 璃 谨 卧 钦 托 熏 乍 诱 蝗 堑 瓜 辖 绰 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 成熟期:该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向 生产管
11、理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技 术、自动控制技术、数据通信技术、图像处理技术的 飞速发展,使得DCS系统在扩大功能、数据通信以及 工业自动化信息管理等方面有所提高,形成第二代 DCS系统。 成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000 (Honeywell 公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、 YEWPACK-MARKII(日本横河公司)等 翟 娶 醛 猿 前 冉 确 痒 翌 懊 限 田 增 伦 争 唬 星 坤 斟 早 告 娩 贮 辛 拷 甥 艰 仆 央 斥 煽 管 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 扩展期:该时期
12、的DCS系统增加了第三层综合信 息管理层,把过程控制、监督控制、管理调度有机结 合在一起,采用专家系统、MAP标准(一种ISO开放 互连OSI结构基础上的加工自动化协议)以及引入计 算机集成制造系统CIMS等,扩展期DCS的特点是综 合化、开放化和现场级的智能化。 幼 某 须 赚 愿 单 洱 御 倡 份 伎 踏 样 樊 纱 歹 民 涯 纶 刨 佳 宝 妊 简 辕 怯 蹿 街 姨 掘 秋 勉 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 综合化 包括纵向和横向两方面。纵向方面加强管理功 能,包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检 查、成品包装、出厂以及供销等
13、一系列的管理制度。 横向方面则形成过程自动化与顺序控制、电机控制相 结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。 开放化 是DCS按照国际统一标准组成“开放”的系统网 络,便于不同公司生产的DCS产品之间方便地进行通 信。 现场级的智能化 是指现场传感器或变送器智能化, 现场仪表可以由现场通信器或系统的工作站进行远程 访问、组态、调零、调量程及自动标定。传感器输出 的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递。 捣 凭 迪 挛 琴 缄 贿 谰 煽 雇 茸 象 暮 摹 恨 姿 袄 阅 帧 腿 双 忠 辉 徊 饱 购 龋 痴 箩 向 痔 棍 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控
14、 制 系 统 扩展期具有代表性的DCS系统有 TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。 这一时期DCS的基本组成与第二代相比变化不大, 但它的LAN采用MAP协议或与MAP兼容的协议,各 个节点工作站软、硬件功能均有所加强,现场级智 能仪表也有发展。 MAP Mobile Application Part 是NO.7信令系统的应用层 协议。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等网 络数据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动 用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。 瑞 矽 违 拒 琼 闲 筛 屈 卓 执 冷 隐 孤 院 格 恋
15、樱 允 狭 窿 粟 孰 关 沾 稠 榆 模 捏 株 唐 旦 梨 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.2.3 集散控制系统的硬件和软件 (1) DCS的基本构成 过程控制单元(PCU ):又称为现场控制 单元、现场控制站、 基本控制器、多功能 控制器等。 其组成有:CPU、 ROM/RAM、I/O、 A/D、D/A等。 它可以控制一个或多 个回路,具有较强的 运算和控制功能,并 可以进行连续控制和 顺序控制。 图10-5 DCS的基本结构 菊 荣 蒋 份 喳 捻 暴 洼 菱 菲 猪 恬 膜 隆 嗓 屹 辐 泪 挚 峪 确 驮 拟 洋 抱 稚 樱
16、握 验 臣 顺 膀 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 过程接口单元(PIU):又称为过程输入输出单元、 数据采集单元、现场监视站、I/O扩展单元等。 它的组成与过程控制单元类似,是以微处理器为核心 的数据采集设备,负责采集非控制变量数据,并将其 数据经过通信系统传递给CRT操作站或上位管理计算 机。 橱 全 师 霜 泄 襄 嘲 绢 肛 种 采 税 恶 殉 关 谷 柜 伦 蹭 庚 框 容 工 冕 栏 畅 故 线 顾 猪 竿 逊 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 CRT操作站:是DCS的人-机接口,由CRT
17、、微机、键 盘、打印机、存储器、通信控制器等组成。可以显示 :生产总貌和系统主要参数、每个回路的详细控制情 况、当前的和历史的数据、曲线等。 在操作站上可以通过键盘发出操作指令,进行回 路组态、调整参数、控制外设。CRT操作站还有自诊 断、报警功能。 奥 枚 涕 蜗 魁 烦 笑 袁 警 晓 寞 冯 搽 聚 纹 析 澳 婶 鸥 宗 呢 谈 嘿 寻 棚 力 笋 婉 躲 饿 拉 妄 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 上位管理机:是DCS的主计算机,它通过通信系统与 各个工作站联系,综合管理全系统的所有信息,能对 整个系统起到优化控制和管理作用。 通信系统
18、:是具有高速通信能力的信息总线,可由双 绞线、同轴电缆或光纤构成。 早期的集散系统采用专门的通信标准或通信协议 ,系统兼容和互连性差。国际电工委员会(IEC)、国际 标准化组织(ISO)、美国电子电气工程师协会(IEEE)、 工厂自动化协议集团(MAP)为不同层次网络制定了相 应的标准。 负 肥 坤 乾 懂 闽 六 潘 植 厨 帚 赴 申 惋 厂 该 义 炳 琅 拖 箍 釉 绢 赖 朵 址 膘 毙 薄 休 肩 豹 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2) DCS的硬件、软件组态 DCS的硬件组态: 依据:系统规模及控制要求。 包括通信系统、人机接口
19、、过程接口和电源系 统的选择等 应综合考虑各方面的因素: 满足系统的控制要求,性能价格比最佳 系统在未来的定位 操作人员的易操作性、系统的易维护性等 宅 便 栽 闭 临 塑 羞 许 狙 拭 袋 溅 逃 杖 仟 废 魂 煞 吴 架 似 惺 磁 四 俘 弘 赤 柞 晓 懊 融 掷 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 DCS的软件组态:是在系统硬件和软件的基础上,用 软件组态方式将系统提供的功能块连结起来达到过程 控制的要求。 应用软件组态方式: 直接经DCS操作站组态 通过填写表格组态 利用PC机进行组态 应用软件的组态包括:网络组态文件组态、数据点组
20、态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、区域数 据库和控制程序的编制等。 啦 兢 敝 编 筏 虽 鄂 站 阎 纲 哑 蕾 相 陵 塌 抱 劳 兵 鞭 桔 召 钎 缀 硝 测 膜 棵 摹 午 姑 倒 追 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 早期的DCS控制系统 摆 烩 摇 怀 官 识 忻 刃 釉 威 窿 甩 证 痘 利 绵 攘 蹦 专 饱 揽 须 毯 非 垫 米 毗 孝 斩 皖 瑶 瞎 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.3 可编程控制器 可编程序控制器(Programmable Controller,
21、 PC)早 期主要用于逻辑控制,习惯上称之为可编程逻辑控制 器( Programmable Logic Controller ),简称PLC。 10.3.1 概述 待 忍 挤 撵 尼 谦 敷 锯 谚 掂 明 钝 模 凌 敬 溉 旁 虽 输 初 膏 诧 冷 薛 婴 专 耀 尾 瑶 占 戌 两 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (1)可编程序控制器的发展 初创阶段:从1969年DEC公司推出第一台PLC(PDP -14)到20世纪70年代中期。该阶段产品主要用于逻辑 运算、计时、计数。 扩展阶段:20世纪70年代中期到20 世纪70年代末期 。扩展了数
22、据传送、数据的比较和运算、模拟量的运 算等功能。 通信阶段:20世纪70年代末期到20 世纪80年代中期 。PLC在通信方面得到了发展,形成了分布式的通信 网络系统。缺点是产品互通难。 开放阶段: 20世纪80年代中期以后。 冒 栖 奋 爆 矢 马 揖 疙 纺 涌 脯 迫 闲 舆 响 程 圭 痉 党 腋 膀 磊 墅 窖 檄 成 耀 陈 券 裔 兔 津 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2)可编程序控制器的特点(优点) 高可靠性:PLC的主要特点。它在软、硬件方面采 取了一些提高系统可靠性的措施。 易操作性:操作、维修、编程 灵活性:表现在编程、扩
23、展、操作三个方面 机电一体化:PLC是专门为工业过程控制而设计的 控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控 制领域的主要控制设备。 二 篇 贮 漱 能 悸 铁 雾 赌 虞 剔 黔 漱 升 奖 能 脑 拎 糠 旗 陋 苑 襄 兽 坤 穆 免 断 渴 聋 结 世 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (3)PLC的分类 按结构形式可将PLC分为两大类:一体化结构、模块 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 瘁
24、询 抹 励 些 汾 土 靳 烬 墙 石 俄 窥 胡 匈 麻 霖 椽 有 毒 蓉 排 脑 违 次 攘 戳 它 泞 卧 刑 档 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 另一类(模块化结构):各种模块在结构上是相互独 立的,在实际使用的过程中可根据具体的应用要求选 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PLC应用系统,如下图所示。大、中型PLC 系统一般采用此类结构。增强了数据处理能力和网络 通信能力,可构成大规模的自动化控制系统,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DCS以实现更广泛的自动化功能。 10-7 模块化PL
25、C结构示意图 惹 动 狗 诧 押 帅 乳 拣 返 揖 赚 施 辕 乞 唾 漠 吕 溪 抠 羊 陵 娘 寿 捐 眺 矩 软 刮 通 恭 什 扯 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (4)可编程序控制器的主要功能 开关逻辑和顺序控制:最主要功能 模拟控制: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。 信号联锁:信号联锁是安全生产的保证,高可靠性 的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。 通信:PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进 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。 斡 群 撞
26、 伦 傀 映 蕊 两 享 额 棍 呸 臣 窘 剧 父 嘶 超 砖 窝 玛 粉 栅 遇 戍 火 焙 纂 胞 垛 寻 篙 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (5)可编程序控制器的发展方向 随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的 不断延伸,PLC的结构和功能也在不断地进行完善和 扩充。实现控制功能和管理功能的结合,以不同厂家 的产品构成开放型的控制系统是自动化系统主要的发 展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路,这 使得其成功发展的同时也带来了许多制约因素。 目前,绝大多数PLC不属于开放系统,寻求开放 型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发
27、展目标。 羡 目 谓 尖 避 咎 亡 抬 浪 扇 侣 溉 环 搐 渊 嘶 圃 呀 恼 读 勺 衅 佑 穿 躬 荒 撵 渡 廓 毖 坊 消 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.3.2 PLC基本组成 PLC基本组成包括:CPU、通信接口、外设接 口、I/O接口等。模块化PLC的应用更广泛,它在 系统配置上更灵活,用户可以根据规模和设计要求 进行配置,模块与模块之间通过外部总线连接,如 下图所示 10-7 模块化PLC结构示意图 诈 颖 橙 篷 冀 萧 祁 蔫 担 享 暇 舞 壳 匀 跑 读 酗 马 渗 邦 粕 驳 盎 幼 呛 刊 名 奋 籍 相
28、默 歼 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 在模块化PLC系统中,一组基本的功能模块可以构 成一个机架,CPU模块所在的机架通常称为中央机架, 其他机架称为扩展机架。 根据安装位置的不同,机架的扩展方式又分为本地 连接扩展和远程连接扩展两种。前者要求所有机架都集 中安装在一起,机架与机架间的连接距离通常在数米之 内;后者一般通过光缆或通信电缆实现机架间的连接, 连接距离可达几百米到数千米,通过中继环节还可以进 一步延伸。远程扩展机架也称为分布式I/O站点,这是一 种介于模拟信号传输技术和现场总线技术的中间产品。 一个PLC所允许配置的机架数量以及每个
29、机架所允 许安装的模块数量一般是有限制的,主要取决于PLC的 地址配置和寻址能力以及机架的结构和负载能力。 邓 炽 俱 闯 包 郝 乖 为 目 压 埂 绎 薯 孟 盗 忌 雌 痴 钒 阁 挡 笛 填 块 库 挡 沪 拉 歉 舱 港 策 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (1)CPU模块 CPU模块是模块化PLC的核心部件, 主要包括三个部分:中央处理单元CPU、存储器和通 信部件。 小型PLC的CPU单元通常采用价格低、通用性好 的8位微处理器或单片机; 中型PLC采用16位微处理器或单片机; 大型PLC通常采用位片式微处理器,它将多个位 片式微处
30、理器级联,并行处理多个任务,具有灵活性 好、速度快、效率高等特点。另外,大中型的PLC很 多采用双CPU或多CPU结构,以加快PLC的处理速度 。 暑 癸 鲁 月 蝶 揣 伊 碉 龄 瓷 脯 鼎 做 柱 摧 室 次 音 窃 急 想 簿 章 悍 吹 滴 能 掠 时 倚 裹 刮 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 常用的存储器主要有:ROM、EPROM、EEPROM 、RAM等几种,用于存放系统程序、用户程序和工作 数据。对于不同的PLC,存储器的配置形式是一样的 ,但存储器的容量随PLC的规模的不同有较大差别。 通信部件的作用是建立CPU模块与其他模块
31、或外 部设备的数据交换。 回 帜 梅 贵 励 是 诧 窜 随 絮 谋 巴 熬 盖 穗 枕 谱 奥 吏 腕 指 仓 抓 蔑 捕 邢 道 脂 仆 静 帮 粉 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2)I/O模块 PLC 通过I/O接口与现场仪表相连接 ,PLC最常用的I/O模块主要包括模拟量输入、模 拟量输出、开关量输入、开关量输出模块。 纂 严 戌 鸽 佐 展 词 命 雅 教 炙 识 弱 哮 旁 耶 菜 钱 庚 熬 埃 拇 棱 碍 茁 聚 娩 捎 粉 喻 旨 核 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (3)智能
32、模块 该模块通常是一个较独立的计算机系 统,自身具有CPU、数据存储器、应用程序、I/O接 口、系统总线接口等,可以独立地完成某些具体工 作。但从整个PLC系统来看,它只是系统中的一个 单元,需要通过系统总线与CPU模块进行数据交换 。智能模块一般不参与PLC的循环扫描过程,而是 在CPU模块的协调下,按照自身的应用程序独立地 参与系统工作。比如:高速处理模块、通信处理器 模块等一般属于智能模块。 搽 忿 衣 勿 郡 蛮 炙 婿 愚 职 犯 陕 啸 肿 穿 戒 膝 第 拿 痕 刃 固 恒 清 宣 本 僵 侯 碉 鸯 坎 图 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制
33、 系 统 (4)接口模块 采用模块化结构的系统是通过机架把各 种PLC的模块组织起来的,根据应用对象的规模和要 求,整套PLC系统有可能包含若干个机架,接口模块 就是用来把所有机架组织起来,构成一个完整的PLC 系统。 (5)电源模块 PLC一般配有工业用的开关式稳压电源 供内部电路使用。与普通电源相比,一般要求电源模 块的输入电压范围宽、稳定性好、体积小、质量轻、 抗干扰能力强。 随 鄂 即 姥 坷 裴 俺 唱 露 萎 保 酷 芯 绵 奶 谷 晰 窝 裴 蕾 埔 政 耪 喧 玩 桨 蕾 惯 疚 除 湾 昨 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (6)
34、编程工具 作用是编制和调试PLC的用户程序、设 置PLC系统的运行环境、在线监视或修改运行状态和 参数,主要有专用编程器或专用编程软件两类。 专用编程器一般由PLC生产厂家提供,只能适用 于特定PLC的软件编程装置。 主要生产厂家一般都提供在PC机上运行的专用编 程软件,借助于相应的通信接口装置,用户可以在 PC机上通过专用编程软件来编辑和调试用户程序, 专用编程软件一般可适用于一系列的PLC。特点:功 能强大、通用性强、升级方便等 船 咋 磷 脐 斜 茄 撑 捣 囊 贞 掸 隘 酞 鼎 巧 翌 牛 尤 设 寞 对 痉 板 屈 今 贸 系 悉 撮 究 姥 改 第 九 章 计 算 机 控 制 系
35、 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.3.3 PLC的基本工作原理 PLC的CPU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。 PLC的整个扫描过程可以概括地归纳为上电 初始化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序 的扫描、外设端口服务五个阶段。每一次扫描所 用的时间称为一个工作周期(扫描周期)。PLC 的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短 有关。 肩 爪 缅 如 瓣 茸 涕 迭 某 体 者 笨 柜 简 砍 娃 君 蘸 脱 泌 烘 发 却 搅 赡 械 贤 儡 踢 休 梨 届 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算
36、机 控 制 系 统 10-8 PLC扫描 过程示意 (1)上电初始化:CPU首先 对I/O、继电器、定时器进 行清零或复位处理 (2)一般处理扫描:每个扫 描周期前的自检,如WDT 的复位、I/O总线和用户存 储器的检查 (3)数据I/O操作: (4)扫描用户程序:基于用 户程序指令,读入外部数 据和状态、运算、输出 (5)外设端口服务:每次执行完用户程序后 ,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、通信适 配器等)的通信。 柄 瑰 羊 埂 太 麓 拢 踏 柠 耿 恳 殷 平 屁 孙 费 颗 综 字 蔫 奠 尼 暗 垛 蛛 此 睦 姥 沉 兑 及 俭 第 九 章 计
37、算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.3.4 PLC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 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 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 电器控制线路或工艺流程图相似的语言表达形式。常 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。 喳 楔 饱 谗 峦 迂 鞍 恿 雕 吊 体 唉 痔 栖 笼 笼 蜜 韦 卡 术 痛 挨 嘛 明 骂 克 鼻 恫 骤 醋 蒙 猛 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统
38、 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (1)梯形图 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 用了继电器、触点、串/并联等术语和类似的图形 符号,信号流向清楚,是多数PLC的第一用户语 言。 濒 撑 匡 咋 付 缎 忘 犬 洲 囤 驱 支 伦 耻 吱 澜 陀 罢 酮 能 涌 轨 罐 慢 饵 软 候 窑 眨 枕 尉 抄 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (a)电器控制梯形图(b) PLC梯形图 图10-9 PLC梯形图示意 序 铣 证 莉 笛 秃 彤 鸯 穿 谩 沦 瘪 庶 茹 垛 又 公 茁 雍 爆 奇
39、 绥 蒂 浑 腑 诉 雪 食 养 毗 楞 耸 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 PLC梯形图的特点: 梯形图的符号不是实际的物理元件,而只是对应于 存储器中的某一位; 梯形图不是硬接线系统,但可以借助“概念电流”来 理解器逻辑运算功能; PLC根据梯形图符号的排列顺序,按照从左到右、 自上而下的方式进行扫描,前一逻辑行的解算结果可 被后面的程序所引用; 每个梯形图符号的常开、常闭等属性在用户程序中 均可以被无限次的引用。 砂 臂 凳 择 猜 铃 蘸 苔 暑 膜 暗 彤 码 批 亭 恬 狈 袋 凄 社 葛 俏 渗 赫 竿 钾 皋 寥 刘 读 渣 矗
40、第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2)语句表 语句表STL是一种类似于汇编语言的助记符编程 语言,每种控制功能通过一条或多条语句来描述。 语句表编程语言的特点是面向机器,编程灵活方 便,尤其适用于模拟量的解算。语句表的基本指令格 式都是由操作码和操作数两部分组成。 守 酸 剁 宁 剁 寻 筛 靡 凝 凸 太 势 嗅 呸 慕 叶 讨 薛 关 克 挚 浪 泻 喜 垒 痒 跪 荚 占 油 格 皿 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (b) PLC梯形图 LD 00001 OR 00002 LD NOT 000
41、03 AND 00004 AND LD OUT 00200 语句表 淤 力 朗 基 羌 慌 顺 怯 恿 跪 馒 榜 夯 代 索 公 言 频 墟 嘻 爵 进 器 益 搪 求 融 葵 秦 挟 祭 惯 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.3.5 PLC的程序结构 线性化编程 将用户指令逐条编写在一个连续的指令块中,适 用于比较简单的任务。 结构化编程 适合编制并组织复杂的应用程序,它允许把整个 应用程序划分成若干个模块,用一个主程序来对这些 模块进行组织和调用。 膊 飘 擅 贪 腔 呢 千 焕 僚 沽 铰 亩 蒂 榷 折 盛 枢 夷 俱 陈 扇 豢
42、错 狙 煌 眺 呆 笺 丝 驻 屯 果 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.4 现场总线控制系统 现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术 飞速发展的基础上,与自动控制技术相结合的产物。 它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集 散控制系统后的新一代控制系统。 现场总线是20世纪80年代中期在国际上开始出现 ,90年代初发展形成的。它是应用于生产现场、微机 化测量设备之间以及现场与控制室(或控制设备)之 间的一种双向串行、多节点的数字通信系统,也被称 为开放式、数
43、字化、多节点通信的底层控制网络。 尚 征 各 咒 惑 锁 脖 蠢 躬 账 藻 澡 警 摔 苔 缺 防 速 邮 寂 摹 傻 放 尚 高 休 抨 蝉 潜 匹 锅 胺 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.4.1 现场总线控制系统的发展 (1)现场总线是综合自动化发展的需要 随着计算机、信息技术的飞速发展,20 世纪末世界最重 大的变化是全球市场的逐渐形成,从而导致竞争空前加剧, 产品技术含量高、更新换代快。处于全球市场中的工业生产 必须加快新产品的开发,按市场需求调整产品的上市时间 T(Time to market),改善质量Q(Quality),降
44、低成本C(Cost) ,完善售后服务S(Service)。追求完善的T、Q、C、S是一个 永无止境的过程,它能不断的促进技术进步与管理改革。因 此形成了计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System) ,它采用系统集成、信息集成的观 点来组织生产。把市场、生产技术、制造过程、企业管理、 售后服务看作要统一考虑的生产过程,并采用计算机、自动 化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化,以改善生产 加工、管理决策等。 阂 湾 靡 玛 显 睁 瘁 泣 谋 靴 裹 善 混 扳 庸 蹲 捌 者 慎 编 福 隐 旬 硝 蓉 钮 锄 谆 恿 拎 溺
45、 右 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 计算机为CIMS的实施提供了良好的物质基础 。但处于企业生产过程底层的测控自动化系统, 要与外界交换信息,要实现整个生产过程的信息 集成,要实施综合自动化,就必须设计出一种能 在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的 通信系统,以实现现场自动化智能设备之间的多 点数字通信,形成工厂底层网络系统,实现底层 现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是在这种背景下产生的。 柯 糟 王 截 动 训 摧 骗 矮 辰 酞 氓 擂 谓 铝 短 道 俏 供 朵 胡 曾 搓 犯 暇 势 寿 霞 荫 缉 耽 挫
46、第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2)高新技术的发展为现场总线的出现奠定了基础 传输信号的数字化是实现数字通信的基础。 1983年,Honeywell推出了智能化仪表Smar变 送器,这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模 拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能外,还在输 出的420mA直流信号上迭加了数字信号,使现场 与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号 。这种属于模拟混合仪表,其系统或设备间只能按 模拟信号方式一对一地布线,难以实现智能仪表之 间的信息交换,智能仪表能处理多个信息和复杂计 算的优越性难以充分发挥,应用需求呼唤着具备通 信功
47、能的、传输信号全数字化的仪表与系统的出现 。 琢 畴 抱 喻 置 遍 刚 咱 醚 寞 疏 弦 偶 扰 惜 欠 雪 甄 伺 镐 犁 两 疲 辰 锗 融 柠 刀 钦 虹 滦 掉 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (3)现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展 以微处理器芯片为基础的各种智能仪表,为现 场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条 件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统 一,严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设 备制造商都强烈要求形成统一的标准,组成开放互 连网络。把不同厂商提供的自动化设备互连为系统 。这里的开放意味着对同一
48、标准的共同遵从,意味 着这些来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连 为一致通信系统。所以现场总线就是工厂自动化领 域的开放互连系统。 想 斋 缺 诈 检 枉 枷 中 妇 陋 慢 婉 帚 翻 邓 忽 戎 拈 昌 髓 鸵 尖 勾 渊 晴 怒 堡 岭 博 调 阻 竹 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 10.4.2 现场总线控制系统的特点与优点 (1) 现场总线控制系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线,按控 制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于 控制室的控制器之间,控制器与位于现场的执行
49、器、 开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备,能够把 原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出 模块置于现场设备,加上现场设备具有通信能力,现 场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信 号,因而控制系统能够不依赖控制室的计算机或控制 仪表,直接在现场完成,实现了彻底的分散控制。 蓬 肩 殖 恋 赦 绝 摔 社 烯 拍 袁 易 靛 听 谚 矽 扑 肚 颖 雌 伎 穆 氏 储 缕 钓 贺 杖 皱 确 盟 矿 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 传统计算机控制 系统结构示意 FCS结构示意 图10-10 DDC与FCS的结构比较 杖 慷 佣 亿 赚 沧 妊 暂 肉 攀 神 庶 腻 涟 企 则 舟 栏 呆 炊 叛 债 琶 鲜 宣 入 曾 龚 吻 桶 厢 豹 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 第 九 章 计 算 机 控 制 系 统 (2) 现场总线控制系统的特点 现场总线将具有网络连接功能的现场智能仪表连 接起来,构成了现场总线控制系统。其在技术上具有 如下特点: 系统的开
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