水利水電自動(dòng)化

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1、 水利水電自動(dòng)化 傳感器技術(shù)（傳感器、變送器） 、計(jì)算機(jī)技術(shù)（計(jì)算機(jī)硬件、 I/O 接口技術(shù)）、通信技術(shù)、自 動(dòng)控制技術(shù)（控制方法、自動(dòng)控制原理、執(zhí)行器） 。 自動(dòng)控制： 在沒有人直接干預(yù)的情況下， 通過(guò)控制裝置使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，使之具有一定的狀態(tài)和性能。 《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》上海交通大學(xué) 謝劍英 國(guó)防工業(yè)出版社 《水利工程管理自動(dòng)化》 ，劉柏青， 2002，武漢大學(xué)出版社 《中國(guó)工控網(wǎng)》 《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》何克忠 清華大學(xué)出版社 第一章 ： 緒論（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述） 1.1 計(jì)算機(jī)

2、控制的概念 引進(jìn)計(jì)算機(jī)來(lái)代替控制器，組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 顯著特點(diǎn)：數(shù)字化量，要 A/D 、 D/A 轉(zhuǎn)換 給定值  被控參數(shù) 控制器  執(zhí)行機(jī)構(gòu)  被控對(duì)象 / 變送單元 測(cè)量元件 控制系統(tǒng)的一般形式 閉環(huán)控制系統(tǒng)；開環(huán)控制系統(tǒng)（無(wú)反饋） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制程序的過(guò)程： （ 1） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 （ 2） 實(shí)時(shí)計(jì)算 （ 3） 實(shí)時(shí)控制 （ 4） 信息管理：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(tǒng)中，甚至測(cè)、控、管同網(wǎng)，便于信息交流。目前，通常稱為監(jiān)控管理系統(tǒng)。 “在線”、“離線”、實(shí)時(shí)控制”的概念。 1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 a. 硬件 采樣設(shè)備 / 接 口 工 業(yè) 多路轉(zhuǎn)換 / 接 口 人機(jī)接口 對(duì) 開關(guān)量輸入 接 口 總 1 通信接口 線 象 開關(guān)量輸出 接 口

4、 b.軟件 系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng) 應(yīng)用軟件： 軟件開發(fā)三種方式 （1） 自行編寫 I/O 驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì) I/O 的初始化，讀、寫等操作。 （2） 利用驅(qū)動(dòng)子程序 DLL OLE 、 DDE 、 OPC （3） 采用組態(tài)軟件： c. 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1.3 典型應(yīng)用 1.3.1 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng) （水文測(cè)報(bào)） 現(xiàn) / 計(jì) 算 場(chǎng) 串口 機(jī) 1.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ DDC ） （最普遍，單機(jī)、集中控制系統(tǒng)）

5、 工 檢 測(cè) 輸入通道 接 口 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 執(zhí)行器 輸出通道 接 口 無(wú)需中間環(huán)節(jié)（調(diào)節(jié)器） 完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的 PID 調(diào)節(jié)。 只要改變軟件就可以有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 1.3.3 監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC， supervisory computer control） 在 DDC 中，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，并且直接存入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，這個(gè)給定的不能根據(jù)過(guò)程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改； —— DCC 無(wú)法使生產(chǎn)過(guò)程處于最優(yōu)工況 兩種結(jié)構(gòu)形式 工

6、 調(diào)節(jié) 模 設(shè)定值 工 調(diào)節(jié) 設(shè)定值 擬 計(jì) 計(jì) 業(yè) 測(cè)量 調(diào) 業(yè) 測(cè)量 算 算 對(duì) 節(jié) 對(duì) 器 機(jī) 機(jī) 象 象 （a） (b)  計(jì) 算 機(jī) 2

7、 國(guó)內(nèi)使用較多的是上下位機(jī)結(jié)合的方式 1.3.4 分布式控制系統(tǒng)（ DCS）（ distributed control system） （集散型控制系統(tǒng)） 控制理念：分散控制、集中管理 控制結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)化 1.3.5 泵站自動(dòng)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(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，可以認(rèn)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(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 共中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽? 應(yīng)被測(cè)量的部分； 轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或 測(cè)量的電信號(hào)部分。 由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱， 因此需要有

9、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路 對(duì)其進(jìn)行放大、 運(yùn)算調(diào)制等、 隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用． 傳感器的信號(hào) 調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感鋁的殼體內(nèi)或與敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外，信 號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源， 因此，信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電 源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。傳感器構(gòu)成框圖如圖５－１１所示。 被測(cè)量 轉(zhuǎn)換元件 敏感元件 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路 輔助電源 圖５－１１ 傳感器構(gòu)成框圖 無(wú)論何種傳感器， 作為測(cè)量與自動(dòng)控制系統(tǒng)的首

10、要環(huán)節(jié)， 通常都必須具有快速、 準(zhǔn)確可 靠而又經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)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(guò)載能力。 ２） 靈敏度高，精度適當(dāng)——即要求其輸出信號(hào)與被測(cè)輸入信號(hào)成確定關(guān)系 (通常為 線性 )，且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。 ３） 響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定、可靠性好。 ４） 適用性和適應(yīng)性強(qiáng)——體積小， 重量輕，動(dòng)作能量小， 對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響小； 內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)形式， 以便與系統(tǒng)對(duì)接。 ５） 使用經(jīng)濟(jì)——成本低，壽命長(zhǎng)，且便

11、于使用，維修和校準(zhǔn)。 當(dāng)然， 能完全滿足上述性能要求的傳感器是很少有的。 應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的目的、 使用環(huán)境被測(cè)對(duì) 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(fù)性 (4) 靈敏度 靈敏度是傳感器輸出量增量與被測(cè)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(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo) 2、傳感器的動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是反映傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性

12、。 4 (1) 瞬態(tài)響應(yīng)特性 ●時(shí)間常數(shù) ：一階傳感器時(shí)間常數(shù) 越小，響應(yīng)速度越快。 ●延遲時(shí)間：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的 50％所需時(shí)間。 ●上升時(shí)間：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的 90％所需時(shí)間。 ●超調(diào)量：傳感器輸出超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大值。 (2) 頻率響應(yīng)特性 傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。●頻帶。傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶，對(duì)應(yīng)有上、 下截止頻率。 ●時(shí)間常數(shù) 。用時(shí)間常數(shù) 來(lái)表征一階傳感器的動(dòng)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(dòng)態(tài)特性。 2、水位、揚(yáng)程的檢測(cè) 一、浮子式 二、超聲波式 三、其它 第三節(jié) 位置檢測(cè) 用于現(xiàn)場(chǎng)物理位置的檢測(cè)，反映設(shè)備運(yùn)行狀況。例如：閘門位置，主泵葉片角度等。 1、 位置檢測(cè) 行程開關(guān)：機(jī)械式、磁電式、光電式 2、 位移檢測(cè) 線位移：光柵尺、磁電式 角位移：旋轉(zhuǎn)編碼器（相對(duì)量、絕對(duì)量） （參考：線位移傳感器） 第四節(jié) 電量檢測(cè) 電功率、電度、電壓、電流、功率 電量智能變送器（數(shù)字信號(hào)， RS485 接口） 第五節(jié) 流

14、量檢測(cè) 1、 管道流量 2、 明渠流量測(cè)量 堰：三角形、矩形 槽：巴歇爾，長(zhǎng)喉槽 時(shí)差式超聲波明渠流量計(jì) 5 第六節(jié) 大氣、水、土壤部分參數(shù)檢測(cè) 1、濕敏傳感器：氧化鋰濕敏電阻、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 土壤濕度：張力 2、氣敏傳感器： 檢測(cè)氣體成分或氣體濕度 3、水質(zhì) COD 指標(biāo)：在線連續(xù)測(cè)量成本很高 三參數(shù)：五參數(shù) 第七節(jié) 水利工程中常見的執(zhí)行器 自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件，直接決定控制品質(zhì)。 機(jī)構(gòu)上分成：

15、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（推動(dòng)部分） 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)部分） 按執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的能源種類：氣動(dòng) 電動(dòng) 液動(dòng) 3 2 4 P-  5 6 1 P+  7 8 9 1、 電動(dòng)閥：閘門（調(diào)節(jié)閥） 碟閥 先導(dǎo)式電磁閥結(jié)構(gòu)原理 電磁閥：直動(dòng)式 1—平衡孔 2—活動(dòng)鐵芯 3—固定鐵芯 先導(dǎo)式  4—線圈 5—閥蓋 6—復(fù)位彈簧 7—排出孔 8—上腔 9—主閥塞

16、 6 固定鐵心 復(fù)位彈簧 100 線圈 活 Q/Qmax 動(dòng) 閥蓋 相 鐵 對(duì) 中 流 心 量 閥塞 電磁閥結(jié)構(gòu) 閥門工作流量特性與使用條件有關(guān) 2、液壓?jiǎn)㈤]機(jī) 3、卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī) 4、螺桿式起閉機(jī) 5、葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：機(jī)械式 液壓式 葉片角度——拉桿行程相對(duì)應(yīng)  3 1 4 2 100 l/L 相對(duì)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(guò)程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2.1 概述 計(jì)算機(jī) 輸入 / 出通道 生產(chǎn)過(guò)程 信息傳遞和變換裝置 過(guò)程通道的組成和功用 模擬量、數(shù)字量、輸入 /輸出 標(biāo)準(zhǔn)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(guò) 檢 信號(hào)處理 多 采樣- 保持 計(jì)算機(jī) 路 / 接 口 程 放大器 / 總 線 信號(hào)處理 轉(zhuǎn) 參 換 數(shù) 測(cè) 信號(hào)處理 器 控 制 信號(hào)調(diào)理板

19、/ 卡 MUX: 機(jī)械式、電子式 選擇多路轉(zhuǎn)換器主要考慮：通路數(shù)、單端、差動(dòng)、尋址方式、最大切換速率、串?dāng)_可編程放大器 --- 可通過(guò)程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，增強(qiáng)通用性 采樣與保持： A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間（為保證轉(zhuǎn)換精度） 在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)要求輸入值不變： 控制信號(hào) 采樣 -保持器的基本組成電路 2.3 D/A 與 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù) 電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) D/A 1～5V 對(duì)應(yīng)數(shù)字量 A/D 芯片常用的轉(zhuǎn)換方法有： 計(jì)數(shù) — 比較式； 雙斜率積分

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

21、 A/D D/A 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) （1） 分辨率： 對(duì)輸入信號(hào)（模擬）變化反應(yīng)的靈敏度 表示可以對(duì)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(zhuǎn)換電壓的范圍 5V 10V5V 10V （ 3）精度 常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對(duì)精度的單位 （ 1/2） LSB 對(duì)于滿量程 10V，絕對(duì)精度為 4.88mV 分辨率 對(duì)應(yīng)輸入 精 度 對(duì)

22、應(yīng)輸出 （4） 轉(zhuǎn)換時(shí)間 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間 1.0～200 s D/A 主要技術(shù)指標(biāo)： （ 1） 分辨率 （ 2） 輸出電平5～ 10V 0～ 20mA 2.4 數(shù)字量輸入輸出 TTL 電平 2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 任務(wù)： -----生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)采集后以數(shù)字量的形式進(jìn)行存貯、 處理、傳送、顯示或打印。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的速度和精度。 （ 1） 計(jì)算機(jī)工控機(jī) 各種板卡 PCI ISA PC/104 遠(yuǎn)程板卡：通過(guò)通訊端口 （串口通訊） A/D( 模擬量 ) D

23、/A 9 開關(guān)量（數(shù)字量） 繼電器輸出板 幾種典型板卡說(shuō)明書閱讀（下載） 研華： advantech PCL-818HG 高增益數(shù)據(jù)采集卡（多功能） PCL-722 144 路數(shù)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(zhuǎn)換器 ADAM4017 8 通道模擬量信號(hào)輸入模塊 ADAM4053 16 通道數(shù)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(xí)題：用高級(jí)語(yǔ)言編程采集 PCL-818HG 任一路模擬信號(hào) 2.6 過(guò)程通道的抗干擾措施 2.6.1 干擾的來(lái)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(shè)備干擾：電路開關(guān)、脈沖振蕩、整流、電路缺陷 耦合通道——傳導(dǎo)：經(jīng)導(dǎo)線直接耦合到電路中 ---熱電偶 共阻擾：兩個(gè)電路擁有公共阻擾時(shí) 電場(chǎng)：電場(chǎng) 電壓形成 互感：磁場(chǎng) 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(cè)信號(hào)上的干擾噪聲 共態(tài)干擾： A/D 轉(zhuǎn)換器兩個(gè)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(chǎng)合，必須采用雙端不對(duì)地輸入方式 <差動(dòng)放大器 > 2.6.2 常態(tài)干擾的抑制 根據(jù)干擾信號(hào)的特征和來(lái)源，采取 （ 1） 帶通濾波器 （ 2） 尖峰干擾——用雙斜率積分式A/D 轉(zhuǎn)換器 10 （ 3） 電磁感應(yīng)—— 電磁屏蔽，提高信噪比（提前放大，大信號(hào)傳輸） （ 4） 消除干擾原因——

26、 良好的接地系統(tǒng)，數(shù)字濾波技術(shù) 2.6.3 共模干擾的抑制 （ 1）利用雙端輸入的運(yùn)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(fù)載和數(shù)字信息源隔離，即將模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_ 隔離電源 光電耦合器 數(shù)字輸 入電路 利用光電耦 合開關(guān)特性 電壓- 頻率轉(zhuǎn)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(hào)進(jìn)行抗共模傳送。 2.6.4 其它抗干擾措施 （1）動(dòng)力電源

27、與控制系統(tǒng)電源隔離 （2）采用公共接地點(diǎn) 一點(diǎn)接地 （3）軟件抗干擾技術(shù)： 看門狗 Watchdog 復(fù)位計(jì)算機(jī)（程序飛或死循環(huán)） 11 第四章 自動(dòng)控制技術(shù) 3.1 自動(dòng)控制理論的內(nèi)容 時(shí)域分析法 線性控制理論 頻率特性法 根軌跡法 相平面法 經(jīng)典控制理論 描述函數(shù)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(xiàn)代控制理論 狀態(tài)空間分析法 系統(tǒng)識(shí)別 最佳估計(jì) 專家系統(tǒng) 智能控制理論 模糊控制 學(xué)習(xí)控制 （神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類和基本要求 開環(huán)控制系統(tǒng) 按信號(hào)傳遞路徑分類 閉環(huán)控制系統(tǒng) （有反饋） 恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)鎮(zhèn) 定系統(tǒng)）：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(dòng)系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系 統(tǒng)）：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(dá) 程序控制系統(tǒng)：被控制 量按照預(yù)先給定的

29、規(guī)律 或程序變化 數(shù)控機(jī)床 巡航導(dǎo)彈 （ 地形 匹配 ） 還有很多分類方法：集中 /分布 式的控制系統(tǒng)等 基本要求： 3 個(gè) 穩(wěn)定性：干擾最終會(huì)回 到平衡狀態(tài) 3個(gè) 動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí) 間短，過(guò)程平穩(wěn)，振蕩 幅度小 穩(wěn)態(tài)特性：系統(tǒng)誤差值 反映了系統(tǒng)控制的精確 程度 三個(gè)要求互相制約的。 用典型測(cè)試信號(hào)來(lái)考核： 階躍輸入函數(shù)，脈沖輸入函數(shù)，正弦函數(shù)，斜坡函數(shù)，拋物線（加速度）輸入函數(shù)。 定量分析，必需建立數(shù)學(xué)模型（針對(duì)各種物理系統(tǒng)及元件） 12 傳遞函數(shù)的概念：輸入 /輸出的關(guān)系。

30、 3.3 程序控制和數(shù)值控制 計(jì)算機(jī)開環(huán)數(shù)字程序控制最常見的方式：順序控制、數(shù)值控制 順序控制——按預(yù)先規(guī)定的工藝要求， 按照各個(gè)輸入信號(hào)的條件， 使生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)自動(dòng)地按預(yù)先規(guī)定的順序動(dòng)作（離心泵啟動(dòng)過(guò)程） （花草噴溉） 數(shù)值控制——按預(yù)先的運(yùn)動(dòng)軌跡算出 “動(dòng)點(diǎn)” 的位置，控制機(jī)械裝置作出相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以獲得 預(yù)定的加工軌跡（數(shù)控機(jī)床，加工中心，繪圖儀，機(jī)器人等領(lǐng)域） （軸流泵葉片調(diào)節(jié)，閘門 開度） 3.3.1 順序控制器 按生產(chǎn)過(guò)程要求預(yù)先確 定程序，在輸入信號(hào)作 用下順序進(jìn)行 順序控制器兩種功能 按各工序要求，控制動(dòng) 作

31、，保證過(guò)程正常進(jìn)行 簡(jiǎn)單價(jià)格低 繼電器控制裝置：傳統(tǒng) 的 壽命短，可靠性差 — 控制功能改變困難 無(wú)觸點(diǎn)，體積小，可靠 性高 半導(dǎo)體邏輯元件控制裝 置： 壽命長(zhǎng)，無(wú)噪聲，通用 性差，故障排除困難 ROM， EPROM 存儲(chǔ)式順序控制裝置（ 可編程序控制器 PLC ） RAM ，預(yù)先存貯程序 可編程序控制器（ PLC ）特點(diǎn)： （1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) MTBF （2）控制程序可變，具有良好的可變性 1.編程簡(jiǎn)單，“梯形圖編程方式” 2.功能完善，擴(kuò)充方便，組合靈活 3.縮短設(shè)計(jì)和施工時(shí)間 3.3.2 開環(huán)數(shù)值控

32、制 基本原理：插補(bǔ)計(jì)算 常用“逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理” 步進(jìn)電機(jī)的控制 3.4 數(shù)字 PID 控制算法 按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器稱為 PID 調(diào)節(jié)器。 連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。 為什么用？ 13 控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立 采用 PID 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定（調(diào)試） 3.4.1 準(zhǔn)連續(xù) PID 調(diào)節(jié)器 （1）模擬 PID 調(diào)節(jié)器 K p K i/s 對(duì) 象 K

33、ds 圖 3.4.1 模擬 PID 控制 PID 是一種線性調(diào)節(jié)器 控制偏差 e w y 可構(gòu)成 （a） 比例調(diào)節(jié)器 基準(zhǔn)（比如 e=0 時(shí)的閘門開度） u ke u0 比例系數(shù) K 大可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定 （b） 比例積分調(diào)節(jié)器 u K e 1 0t edt u0 Ti Ti——積分時(shí)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(diào)節(jié)器 u K e 1 0t edt de u0

34、Td Ti dt Td 為微分時(shí)間 微分作用的加入將有助于減小超調(diào)， 克服振蕩， 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定， 它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度， 減小了調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等多種類型，用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。 （2） 數(shù)字 PID 控制算法 計(jì)算機(jī)控制是采樣控制， 前面式中的積分和微分不能直接準(zhǔn)確計(jì)算， 只能用數(shù)值計(jì)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(dāng)準(zhǔn)確——“準(zhǔn)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)） PID增量算

36、法 步進(jìn)電機(jī) 對(duì) 象 （ a）增量式 PID位置算法 對(duì) 象 （ b）位置式 增量式 PID 算法的優(yōu)點(diǎn)： 1.沒有累積誤差 2.手動(dòng)自動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊切換，出故障時(shí)保持原位。 3.4.2 對(duì)標(biāo)準(zhǔn) PID 算法的改進(jìn) （1）“飽和”作用的抑制 控制變量受執(zhí)行元件機(jī)械和物理性能的約束而限制在有限小范圍內(nèi) umin u umax u umax 計(jì)算結(jié)果超出上述范圍，將得不到預(yù)期效果——飽和效應(yīng) 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(diào) PID 位置算法的積分飽和現(xiàn)象 :（a）理想情況的控制 （ b）有限制時(shí)產(chǎn)生的積分飽和 15 PID 增量算法的飽和作用及其抑制 優(yōu)點(diǎn)：不出現(xiàn)積分累積效應(yīng) 可能出現(xiàn)比例及微分飽和現(xiàn)象：采用“積累補(bǔ)償法”糾正 （3） 干擾的抑制 PID 控制算法的輸入量是偏差 e，進(jìn)入正常調(diào)節(jié)后， e 值不會(huì)太大。相比而言，干擾值對(duì)調(diào) 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(jī)干擾，采用不同的濾波方法 e 1 ei 2e 0 1 i i 1 改進(jìn)差分算法（因差分項(xiàng)對(duì)噪聲敏感） 3.4.3 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 根據(jù)工程問(wèn)題的具體要求來(lái)考慮 要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能迅速和光滑地跟蹤，超調(diào)量小，抗干擾。 PID 設(shè)計(jì)：理論方法 準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型 實(shí)驗(yàn)方法 (1) 湊試法確定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù) a.比例系數(shù) K 增大： 響應(yīng)快，靜差下降；產(chǎn)生超調(diào) 振蕩，穩(wěn)定性變壞。 b.積分時(shí)間 T i 增大：超調(diào) ，穩(wěn)定性 ，靜差

39、消除慢。無(wú)自平衡的對(duì)象，不宜采用（飛輪 為有自平衡系統(tǒng)） c.微分時(shí)間 T d 增大：響應(yīng) ，超調(diào) ，穩(wěn)定性 ，但對(duì)干擾敏感。 T /min T /min 被調(diào)量 特 點(diǎn) K i d 流量 時(shí)間常數(shù)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(tǒng)，有較大滯后，常用微分 1.6～ 5 3～ 10 0.5～3 壓力 多容系統(tǒng)，滯后不大，不用微分 1.4～ 3.5 0

40、.4～ 3 液位 允許有靜差時(shí)，不必用積分，不用微分 1.25～5 （ 2）實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法 湊試法需要進(jìn)行較多的模擬或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 利用已有經(jīng)驗(yàn)，再做一些實(shí)驗(yàn) 經(jīng)驗(yàn)公式 湊試 （ 3）采樣周期的選擇理論上越小越好 香農(nóng)采樣定理： T  （ max 為采樣信號(hào)的上限角頻率） max 可近似復(fù)原為模擬信號(hào)，而不丟失任何信息。 被調(diào)量 采樣周期 T/S 流量 1 壓力 5 液位 10 溫度 20 3.5 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 上一節(jié)立足于連續(xù)系統(tǒng) PI

41、D 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，并在計(jì)算機(jī)上數(shù)字模擬實(shí)現(xiàn)。 16 ——這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法，只能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法 當(dāng)采樣周期大且控制要求高時(shí)， 被控對(duì)象的特性出發(fā)， 直接根據(jù)采樣系統(tǒng)理論來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器——直接數(shù)字設(shè)計(jì) 涉及采樣系統(tǒng)的 z 變換，采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性等概念。 認(rèn)為 z 傳遞函數(shù) G（ z）是已知的 ,要求設(shè)計(jì) D（ z） ( D(z) G(z) 3.6 模型預(yù)測(cè)控制算法 最優(yōu)控制、極點(diǎn)配置等基于狀態(tài)空間描述的現(xiàn)代控制理論 航空、航天有不少成功的應(yīng)用，在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)

42、域不能充分發(fā)揮。 原因： （ 1）要有精確數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)） ，代價(jià)太高 （ 2）工業(yè)過(guò)程不確定性大：基于理想模型的最優(yōu)控制，不改進(jìn)難以兼顧控制的魯棒性 （ 3）現(xiàn)場(chǎng)微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力不夠，負(fù)荷太重 八十年代以來(lái)， 開始具體應(yīng)用（適用于漸近穩(wěn)定的線性對(duì)象， 對(duì)于非自衡的對(duì)象， 可選用 PID 使之穩(wěn)定，再使用） （1）動(dòng)態(tài)矩陣控制（基于對(duì)象階躍響應(yīng)的預(yù)測(cè)控制算法） （2）模型算法控制：又稱模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制（ MPHC ）屬于多變量 優(yōu)化控制算法 模型預(yù)測(cè)控制算法基本特征 （1）預(yù)測(cè)模型：預(yù)測(cè)功能 洪水模型，預(yù)排措施 （2）

43、滾動(dòng)優(yōu)化 在線反復(fù)進(jìn)行 （3）反饋校正 補(bǔ)充一節(jié) 3.7 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.7.1 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和特點(diǎn) （ 1）系統(tǒng)操作性能好 使用方便和維修容易 （ 2）通用性好，便于擴(kuò)充 還要留有一定的余量 （ 3）可靠性高 手動(dòng)，自動(dòng)兩套： 采用雙機(jī)系統(tǒng)：備份、主從、雙工 采用分布式控制系統(tǒng)：一臺(tái)故障，只影響局部 3.7.2 設(shè)計(jì)的一般步驟 17 （1）確定控制任務(wù) （2）選擇微處理器（工控機(jī)、 PLC 、 PC-Base

44、d PLC） 主要針對(duì)中高層應(yīng)用，低層嵌入式控制系統(tǒng)不涉及。 （ 3）控制算法 （ 4）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) （ 5）硬 /軟件具體設(shè)計(jì) 第五章 分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概論 5.1 概念 計(jì)算機(jī)技術(shù) 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 自動(dòng)化技術(shù) 過(guò)程控制自動(dòng)化 流程工業(yè)（化工，石油 ，電力） — — DCS CIMS 工業(yè)自動(dòng)化 制造工業(yè)自動(dòng)化 離散型制造過(guò)程（汽車 ，飛機(jī)，機(jī)床） PLC 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng) 混合型制造業(yè)（間隙過(guò) 程工業(yè)）（冶金，食品 ，紡織） ＋

45、 DCS PLC 其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、 操作、管理和分散控制的一種新型控制 技術(shù)。 5.2 DCS 的設(shè)計(jì)思想及特點(diǎn) （1）自主性 各工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口鏈接起來(lái)， 各工作站獨(dú)立自主地完成合理分配給自己規(guī)定任務(wù)，如：數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算、監(jiān)視、操作、控制等。 控制功能分散，負(fù)荷分散，從而危險(xiǎn)分散，提高了系統(tǒng)的可靠性。 （ 2）協(xié)調(diào)性 各工作站通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種信息協(xié)調(diào)地工作，以完成控制系統(tǒng)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(shù)人員和生產(chǎn)操作人員設(shè)計(jì)的，使用界面就要與之相適應(yīng)。 （ 4）適應(yīng)性、靈活性和可擴(kuò)充性 （ 5）在線性 （ 6）可靠性 生命力所在 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用雙重容錯(cuò)設(shè)計(jì) 硬件采用雙重化 * 冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì) 容錯(cuò)設(shè)計(jì)則是從全系統(tǒng)出發(fā)以另一個(gè)角度考慮問(wèn)題，其出發(fā)點(diǎn)是承認(rèn)各單元發(fā)生故障的可 能，進(jìn)而設(shè)法保證即使某單元發(fā)生故障， 系統(tǒng)仍能完全正常地工作， 也就是說(shuō)給系統(tǒng)增了容忍故障的能力。 冗余和容錯(cuò)是一種高級(jí)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)， 通常由多個(gè)部分組成，其中主要包括： (1)故障檢測(cè)技術(shù)。為了保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)將冗余部分

47、投入工作，必需有高精度的在線故障檢測(cè)措施，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)、故障定位和故障報(bào)警。 18 (2)切換技術(shù)。精確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障后，還必需及時(shí)地將控制切換到冗余部分切換時(shí)必須保證安全、無(wú)擾。 (3)修復(fù)技術(shù)。由式 (9.21) 可見，為保證容錯(cuò)系統(tǒng)具有高可靠度，必須盡力減小系統(tǒng)的平均故障修復(fù)時(shí)間 MTTR ，要做到這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)努力提高單元的可修復(fù)性，同時(shí)還應(yīng)提高維護(hù)人員的水平，建立具有快速反應(yīng)能力的維修機(jī)構(gòu)。 程序分段與模塊化設(shè)計(jì) “電磁兼容性”設(shè)計(jì)：抗干擾能力與系統(tǒng)內(nèi)外的干擾相適應(yīng) 在線快速排除故障的設(shè)計(jì)： 自動(dòng)隔離、自動(dòng)

48、分析、自動(dòng)恢復(fù)、熱機(jī)插撥技術(shù)、報(bào)警功能。 在可靠性工程方面， DCS 具有集中型系統(tǒng)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)單元簡(jiǎn)單的原則。在集中型系統(tǒng)中，全系統(tǒng)是一個(gè)難以分割的大單元，而在 可靠性理論中，單元越復(fù)雜，可靠性越低。 DCS 則將全系統(tǒng)分為自律性極強(qiáng)的多個(gè)獨(dú)立單元，每個(gè)單元都比較簡(jiǎn)單，可靠性大為提高。 (2)危險(xiǎn)分散的原則。集中型系統(tǒng)是一個(gè)耦合系統(tǒng)，其中任何一部分的微小故障 都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。兩 DCS 是由多個(gè)獨(dú)立工作的單元組成的柜耦合系統(tǒng)，即使某一部分發(fā)生故障，也不致影響整個(gè)系統(tǒng)。另外，結(jié)構(gòu)上的分散也就意味著控 制的

49、分散、供電的分散、負(fù)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(tǒng)能夠達(dá)到很高的可靠性。 (3)易于容錯(cuò)的原則。 在集中型系統(tǒng)中如果進(jìn)行冗余容錯(cuò)必須對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行冗余， 這是很復(fù)雜而又很不經(jīng)濟(jì)的，在 DCS 中，由于各單元的相對(duì)獨(dú)立和相對(duì)簡(jiǎn)化，使得冗余容錯(cuò)比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還便于在冗余時(shí)突出重點(diǎn)，減少不必要的冗余，從而 使系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 5.3 分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 1975 年 Honeywell 公司 世界上第一套分布式控制系統(tǒng) TDC2000 （ 1）體系結(jié)構(gòu) 集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，兩大應(yīng)用指標(biāo)就是中央

50、計(jì)算機(jī)的處理速度和自身的可靠性。所有車間設(shè)備都連到計(jì)算機(jī)上，連線多：計(jì)算機(jī)出問(wèn)題，意味著所有功能失效。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)非常便宜， 可以用小型計(jì)算機(jī)來(lái)替代中央計(jì)算機(jī)的局部工作。對(duì)其周圍的裝置進(jìn) 中央計(jì)算機(jī) 變送器 執(zhí)行器 車間設(shè)備 行過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制， 這些小型機(jī)稱為第一級(jí)計(jì)算機(jī)， 而中央計(jì)算機(jī)只處理中心自動(dòng)化問(wèn)題和管理方面的問(wèn)題，產(chǎn)生了二級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 中央計(jì)算機(jī) 前端計(jì)算機(jī) 前端計(jì)算機(jī) 前端計(jì)算機(jī) 甲設(shè)備 乙設(shè)備 丙設(shè)備 車間設(shè)備 19 圖：二級(jí)自動(dòng)化控制系

51、統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 適合于小型工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程 控制規(guī)范增大后，產(chǎn)生了三層計(jì)算機(jī)控制模式，工廠自動(dòng)化方面應(yīng)用較多 中央計(jì)算機(jī) 中間計(jì)算機(jī) 中間計(jì)算機(jī) 微 微 微 微 型 型 機(jī) 機(jī) 機(jī) 機(jī) 設(shè)備單元 設(shè)備單元 車間設(shè)備 圖：具有三層結(jié)構(gòu)模式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) （2）功能分層 層次化是 DCS 的體系特點(diǎn)，體現(xiàn)出集中管理，分散控制的思想。 經(jīng)營(yíng) 第四層 管理級(jí) 生產(chǎn)管理級(jí) 第三層 過(guò) 程 管 理 級(jí) 第二層 直 接 控 制

52、 級(jí) 第一層 過(guò)程控制 過(guò) 程 批量過(guò)程 離散過(guò)程 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 a.直接控制級(jí)（過(guò)程控制級(jí)） 計(jì)算機(jī)直接與現(xiàn)場(chǎng)和各類裝置相連： 對(duì)所連裝置實(shí)施監(jiān)測(cè)、 控制，接收上層的管理信息，傳遞裝置的特性數(shù)據(jù)和采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 b.過(guò)程管理級(jí) 監(jiān)控計(jì)算機(jī)、操作站、工程師站。 綜合監(jiān)視過(guò)程各站的所有信息，集中操作 /顯示，控制回路組態(tài)和參數(shù)修改，優(yōu)化過(guò)程處理等。 c.產(chǎn)品管理級(jí)（生產(chǎn)管理級(jí)） 協(xié)調(diào)各單元級(jí)的參數(shù)設(shè)定，是產(chǎn)品的總體協(xié)調(diào)員和控制器。 d.經(jīng)營(yíng)管理級(jí) 與辦公室自動(dòng)化連接，擔(dān)負(fù)全廠的總體協(xié)調(diào)管理。 經(jīng)營(yíng)，人事。

53、 20 （3）各層的功能 ＃市場(chǎng)和用戶分析；訂貨和銷售軟件 ＃銷售計(jì)劃，產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)，合同事 宜，期限監(jiān)測(cè)等 規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)模，產(chǎn)品監(jiān)視，產(chǎn) 品報(bào)告，工廠生產(chǎn)監(jiān)視 過(guò)程操作測(cè)試，裝置間協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程 控制，自適應(yīng)控制，錯(cuò)誤控制，數(shù)據(jù) 存檔 進(jìn)行過(guò)程數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)檢查，進(jìn)行 數(shù)字開環(huán)和閉環(huán)控制，設(shè)備監(jiān)測(cè)和系 統(tǒng)測(cè)試和診斷，實(shí)施安全性，冗余化 措施 車間設(shè)備 （4）分散型控制系統(tǒng)

54、典型結(jié)構(gòu)（實(shí)例）  工廠 經(jīng)營(yíng)管理 生產(chǎn)管理 過(guò)程管理 直接控制 5．4 DCS的網(wǎng)絡(luò)體系 5.4.1 概述 （ 1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) （ 2）網(wǎng)絡(luò)分類： 很多種：廣播式，點(diǎn)到點(diǎn)；專用網(wǎng)，公用網(wǎng)；局域網(wǎng) LAN , 城域網(wǎng) MAN ，廣域網(wǎng) WAN ； （3）數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) a.數(shù)據(jù)通信模型 信道與信號(hào) 模擬傳輸，數(shù)字傳輸 數(shù)據(jù)通信模型 信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ? b.數(shù)據(jù)傳輸 單工方式：數(shù)據(jù)信號(hào)沿 一

55、個(gè)方向傳輸 數(shù)據(jù)在線路上的傳送方 式 半雙工方式：信號(hào)可沿 兩個(gè)方向傳輸，但某一 時(shí)刻只允許單方向傳遞全雙工方式：數(shù)據(jù)信號(hào) 可以同時(shí)沿相反的兩個(gè) 方向傳送 c.數(shù)據(jù)編碼 模擬信號(hào)：載波調(diào)制 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號(hào) d.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信技術(shù) 21 同步技術(shù)：同步方式及異步方式 e.數(shù)據(jù)交換技術(shù) 電路交換（公用電話網(wǎng)廣泛使用） 報(bào)文交換（數(shù)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(wú)線：無(wú)線電（無(wú)線管理委員會(huì)申請(qǐng)，水文免申請(qǐng)專用頻道） 微波（也要有關(guān)部門

56、申請(qǐng)） 紅外 h.網(wǎng)絡(luò)控制方法 主從方式：存在一個(gè)主站，例： Intel bitbus 總線 無(wú)主方式：爭(zhēng)用方式 CSMA/CD 以太網(wǎng) 令牌傳送方式 ARCnet. (4)DCS 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力；極高的可靠性；適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。 分層結(jié)構(gòu)：集散型控制系統(tǒng)是分層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通常也分層 現(xiàn)場(chǎng)總線＋車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)＋工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò) 趨勢(shì)————管控同網(wǎng)，便于信息直接交換 5.4.2 通信協(xié)議 計(jì)算機(jī)界，開放的要求已成為一個(gè)最基本的要求。 開放——就是要求各個(gè)廠家的產(chǎn)品具有互操作性、 互換性、 可替代性、

57、可擴(kuò)充性（可增值性） 和支持多平臺(tái)（可移植性） 。 （1） ISO 于 1977 年，提出了開放系統(tǒng)互連（ OSI ）參考模型 ISO 的 OSI 參考模型包括七層。 以太網(wǎng)早于 IEEE802 標(biāo)準(zhǔn) 與 802.3 相當(dāng)，但仍有少量差別 采用 CSMA/CD 技術(shù) 制造造化協(xié)議—— MAP （通用公司 1982 年） 能實(shí)現(xiàn)完整的 OSI 七層協(xié)議 應(yīng)用層 表示層

58、 會(huì)話層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 IEEE802 標(biāo)準(zhǔn)，局域網(wǎng) 例子： RS232C 數(shù)據(jù)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(wǎng) 訪問(wèn)方式 訪問(wèn)方式 訪問(wèn)方式 訪問(wèn)方式

59、 22 （ 2） TCP/IP 協(xié)議集 （傳輸控制協(xié)議 /網(wǎng)際協(xié)議） 不是 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。 5.4.3 局域網(wǎng)技術(shù) 在一個(gè)小區(qū)域范圍內(nèi)，將獨(dú)立系統(tǒng)互邊起來(lái)實(shí)現(xiàn)資源共享，便構(gòu)成局域網(wǎng)。 局域網(wǎng)是一種通信網(wǎng) “數(shù)據(jù)通信設(shè)備” ：包括計(jì)算機(jī)、終端、外圍設(shè)備、電話、傳真等網(wǎng)絡(luò)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(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展很快 局域網(wǎng)模型以 IEEE802 工作文件為基礎(chǔ)。 （1）局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 連至網(wǎng)絡(luò)的

60、未端總線或站實(shí)現(xiàn)互連的方式 星 型 取代（總線型和環(huán)型） 環(huán) 型 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng) 使用廉價(jià)的雙絞線，也可用光纜 穩(wěn)定可靠 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝和維護(hù) 可管理性 擴(kuò)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(tǒng)一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線規(guī)則一致。 （2）局域網(wǎng)互連 a.中繼器： Repeater） (Ethernet 最多四個(gè) ) 500m b.集線器： hub 現(xiàn)發(fā)展成為交換集線

61、器（ Switching hub ） c.網(wǎng)橋：相同通信協(xié)議，傳輸媒體及尋址結(jié)構(gòu) 局域網(wǎng)互連 d.路由器：  總線型 樹 型 23 e:網(wǎng)關(guān)： Gateway 不同類型且差別較大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間互連 （ 3） 10Mbps 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)認(rèn)為和 IEEE802.3 是同義詞。 CSMA/CD 技術(shù)（碰撞檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(wèn)） 廣播型 10 BASET 雙絞線，網(wǎng)卡，集

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

63、 集線器最多為 4 個(gè)，端點(diǎn)間最長(zhǎng)距離不會(huì)超過(guò) 500m （ 4） 100Mbps 高速以太網(wǎng) 100BASETX 100BASEFX 2 對(duì) 5 類 UTP 光纖 100 100 集線器 光纖 集線器 光纖 網(wǎng)卡 網(wǎng)卡 網(wǎng)卡 網(wǎng)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(zhǎng) nm 5.5 分散控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì) 5.5.1 概述 采用 DCS 的目的，提高生產(chǎn)控制管理水平，改善生產(chǎn)過(guò)程控制品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)生產(chǎn)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 （1） DCS 工程化設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的 a.了解幾種代表性的 DCS 系統(tǒng) b.掌握評(píng)估 DCS 的方法和一般準(zhǔn)則 24 c.能正確地選擇適合工程需求的 DCS （2）應(yīng)完成的工作 a.確定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) b.確定系統(tǒng)的規(guī)模 c.提出軟、硬件要求

65、d.評(píng)估幾種 DCS e.投資核算，選擇 DCS f.制定實(shí)施大綱 5.5.2 DCS 的評(píng)估 （1）評(píng)估的意義和一般準(zhǔn)則 實(shí)際工程的設(shè)計(jì)者， 主要任務(wù)不是去設(shè)計(jì)、 開發(fā)一個(gè)新的應(yīng)用系統(tǒng)， 而是從市場(chǎng)上去選擇一 個(gè)成熟的系統(tǒng)，然后結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程開發(fā)一些應(yīng)用功能。 一般準(zhǔn)則：（ a、 b、 c 為判斷 DCS 系統(tǒng)可靠性的三個(gè)準(zhǔn)則） a.系統(tǒng)運(yùn)行不受故障影響準(zhǔn)則（冗余，降級(jí)使用） b.系統(tǒng)運(yùn)行不易發(fā)生故障的準(zhǔn)則。 MTBF （平均無(wú)故障時(shí)間） c.迅速排除故障的準(zhǔn)則。 MTTR （平均修復(fù)時(shí)間） d.可靠性與經(jīng)濟(jì)性折中的原則

66、 （2）評(píng)估人員的選擇 a.實(shí)際操作人員 b.生產(chǎn)工藝人員 c.計(jì)算機(jī)人員 d.儀表人員 e.過(guò)程控制工程師 （3）評(píng)估內(nèi)容 a.技術(shù)性能評(píng)估 現(xiàn)場(chǎng)控制站的評(píng)價(jià)：結(jié)構(gòu)分散性 現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性 I/O 結(jié)構(gòu) 信號(hào)處理功能評(píng)價(jià) 人機(jī)接口的評(píng)價(jià)：操作站 工程師站 通信系統(tǒng)評(píng)價(jià)：線路成本，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 節(jié)點(diǎn)間長(zhǎng)度，傳輸速率 軟件評(píng)價(jià)：操作系統(tǒng) 組態(tài)及控制軟件 作圖軟件 數(shù)據(jù)庫(kù)管理 報(bào)表生成 系統(tǒng)維護(hù)軟件 b.使用性能評(píng)價(jià) 技術(shù)延續(xù)性和可鑒性 25 系統(tǒng)的柔性 制造廠家的能力 售后服務(wù) 可維護(hù)性 c.可靠性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià) 可靠性評(píng)價(jià)： MTBF 熱備份 冷備份 1： 1 1： n MTTR 容錯(cuò)能力  冗余 安全性：分級(jí)操作，授權(quán)操作 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià) （ 4）評(píng)估方法及應(yīng)用“基于加權(quán)因素的評(píng)估矩陣”方法。