计算机控制系统

第九章第九章 计算机控制系统计算机控制系统定义：定义：计算机控制计算机控制就是利用就是利用计算机计算机实现工业生产实现工业生产过程的过程的自动控制自动控制。计算机控制系统计算机控制系统=自动化技术自动化技术+计算机技术计算机技术10.3 可编程控制器可编程控制器本章主要内容：本章主要内容：10.1 概述概述10.2 集散控制系统集散控制系统10.4 现场总线控制系统现场总线控制系统10.5 综合自动化系统综合自动化系统10.1 概述概述10.1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 数/模 转换器 数/模 转换器 多路采样保持器 数字控制器 测量 保持器 模/数 转换器 保持器 执行器 执行器 测量 生产过程 给定值 图图10-1 计算机控制系统框图计算机控制系统框图组成：被控对象组成：被控对象、测量变送、控制器及执行器测量变送、控制器及执行器图图10-2 计算机控制系统典型结构图计算机控制系统典型结构图 数/模 转换器 采样保持器 数字 控制器 测量变送 模/数 转换器 保持器 执行器 给定值 多路开关 对象 被控变量 数字计算机 连续控制系统连续控制系统 计算机控制系统计算机控制系统相似点：相似点：组成相同组成相同不同点：不同点：模拟控制器模拟控制器 数字控制器数字控制器 多路开关、采样保持器、多路开关、采样保持器、A/D、D/A10.1.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 DDC DCS PLC FCS CIMS CIPS 图图10-3 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展最初：最初：DDC直接数字控制系统（集中控制系统）直接数字控制系统（集中控制系统）20世纪世纪70年代：年代：DCS集散控制系统（集中管理、分散控制）集散控制系统（集中管理、分散控制）20世纪世纪60年代：年代：PLC可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器20世纪末：世纪末：FCS现场总线控制系统现场总线控制系统目前及未来：目前及未来：CIMS计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIPS计算机集成过程系统计算机集成过程系统10.2 集散控制系统集散控制系统10.2.0 基本概念基本概念定义：集散控制系统定义：集散控制系统又称为又称为分散型控制系统分散型控制系统（Distributed Control System）,简称为简称为DCS系统，系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控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制的一种全新的分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统。工作原理：工作原理：该系统将若干台微机分散应用于过程控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，通过现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、装置、通信总线、键盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。打印机等进行集中操作、显示和报警。10.2.1 集散控制系统的特点集散控制系统的特点主要特征：集中管理和分散控制。主要特征：集中管理和分散控制。具体有以下几个方面：具体有以下几个方面：(1)分级递阶结构分级递阶结构 这种结构从系统工程出发，考虑这种结构从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散功能分散、危险分散、提高可靠提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少性、强化系统应用灵活性、减少设备的复杂性与投资成本设备的复杂性与投资成本，并且，并且便于维修和技术更新等优化选择便于维修和技术更新等优化选择而得出的。而得出的。经营管理级 生产管理级 控制管理级 过程控制级 图10-4 DCS的结构层次每一级由若干子系统组成，形成金字塔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，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。子系统可通过上级互相交换信息。过程控制级：过程控制级：根据上层决策直接控制生根据上层决策直接控制生产。产。控制管理级：控制管理级：对生产过程实现集中操作对生产过程实现集中操作和统一管理。和统一管理。生产管理级：生产管理级：承担最优化任务承担最优化任务经营管理级：经营管理级：全面的综合型经营管理和全面的综合型经营管理和决策决策 经营管理级 生产管理级 控制管理级 过程控制级 图10-4 DCS的结构层次(2)采用微机智能技术采用微机智能技术 DCS采用了以微处理器为基采用了以微处理器为基础的础的“智能技术智能技术”，成为计算机应用最完善、最丰，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，据通信等均采用微处理器，可以实现自适应、自诊可以实现自适应、自诊断和自检测等断和自检测等“智能智能”控制过程。控制过程。(3)丰富的功能软件包丰富的功能软件包 DCS具有丰富的功能软件包，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。信息检索等功能。(4)采用局部网络通信技术采用局部网络通信技术 DCS的数据通信采用工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、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，如采用已开始向标准化前进，如采用IEEE802.3、IEEE802.4等。等。(5)友善的人机接口友善的人机接口 (6)高可靠性高可靠性 硬件、软件采用冗余技术硬件、软件采用冗余技术10.2.2 集散控制系统的发展集散控制系统的发展第一个集散控制系统第一个集散控制系统TDC2000：1975年，美国年，美国Honeywell三个时期：三个时期：初创期初创期（19751980）成熟期成熟期（19801985）扩展期扩展期（1985年以后）初创期：初创期：该时期的该时期的DCS系统是一个系统是一个具有许多微处理机具有许多微处理机的分级控制系统的分级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散，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。其起来。其通信系统通信系统是一初、中级的局部网络，全系统是一初、中级的局部网络，全系统由一个通信指挥器指挥和协调。由一个通信指挥器指挥和协调。初创期具有代表性的初创期具有代表性的DCS系统有系统有Spectrum(Foxboro公公司司)、Network(贝利公司贝利公司)、Centum(日本横河公司日本横河公司)成熟期：成熟期：该时期的该时期的DCS系统系统从原来单纯的工业控制向从原来单纯的工业控制向生产管理自动化发展。生产管理自动化发展。大规模大规模IC的发展以及计算机技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，使得飞速发展，使得DCS系统在扩大功能、数据通信以及系统在扩大功能、数据通信以及工业自动化信息管理等方面有所提高，形成第二代工业自动化信息管理等方面有所提高，形成第二代DCS系统。系统。成熟期具有代表性的成熟期具有代表性的DCS系统有系统有TDC3000(Honeywell公司公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司贝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本横河公司日本横河公司)等等扩展期扩展期：该时期的该时期的DCS系统增加了第三层系统增加了第三层综合信综合信息管理层，把过程控制、监督控制、管理调度有机结息管理层，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、合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种标准（一种ISO开放开放互连互连OSI结构基础上的加工自动化协议结构基础上的加工自动化协议）以及引入计以及引入计算机集成制造系统算机集成制造系统CIMS等，扩展期等，扩展期DCS的特点是的特点是综综合化、开放化合化、开放化和和现场级的智能化。现场级的智能化。综合化综合化 包括纵向和横向两方面。包括纵向和横向两方面。纵向方面纵向方面加强管理加强管理功能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量功能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理制度。检查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理制度。横向方面横向方面则形成过程自动化与顺序控制、电机控制相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。结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。开放化开放化 是是DCS按照国际统一标准组成按照国际统一标准组成“开放开放”的系的系统网络，便于不同公司生产的统网络，便于不同公司生产的DCS产品之间方便地进产品之间方便地进行通信。行通信。现场级的智能化现场级的智能化 是指现场传感器或变送器智能化，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。的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递。扩展期具有代表性的扩展期具有代表性的DCS系统有系统有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/A Series(Foxboro)。这一时期这一时期DCS的基本组成与第二代相比变化不大，的基本组成与第二代相比变化不大，但它的但它的LAN采用采用MAP协议或与协议或与MAP兼容的协议，各兼容的协议，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。能仪表也有发展。MAP Mobile Application Part 是是NO.7信令系统的应用层信令系统的应用层协议。协议。MAP的主要功能是在的主要功能是在MSC和和HLR、VLR、EIR等网等网络数据库之间交换与电路无关的数据和指令络数据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动从而支持移动用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。10.2.3 集散控制系统的硬件和软件集散控制系统的硬件和软件(1)DCS的基本构成的基本构成 CRT 操作站(操作员接口)管理计算机 过程控 制单元 过程控 制单元 过程接 口单元 过程 通信系统 过程控制单元过程控制单元（PCU）：）：又称为现又称为现场控制单元、现场控场控制单元、现场控制站、基本控制器、制站、基本控制器、多功能控制器等。多功能控制器等。其组成有：其组成有：CPU、ROM/RAM、I/O、A/D、D/A等。等。它可以控制一个或多它可以控制一个或多个回路，具有较强的个回路，具有较强的运算和控制功能，并运算和控制功能，并可以进行连续控制和可以进行连续控制和顺序控制。顺序控制。图图10-5 DCS的基本结构的基本结构过程接口单元（过程接口单元（PIU）：）：又称为过程输入输出单元、又称为过程输入输出单元、数据采集单元、现场监视站、数据采集单元、现场监视站、I/O扩展单元等。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，负责采集的数据采集设备，负责采集非控制变量数据非控制变量数据，并将其，并将其数据经过通信系统传递给数据经过通信系统传递给CRT操作站或上位管理计算操作站或上位管理计算机。机。CRT操作站操作站：是是DCS的人的人-机接口，由机接口，由CRT、微机、键微机、键盘、打印机、存储器、通信控制器等组成。盘、打印机、存储器、通信控制器等组成。可以显示：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、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。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。路组态、调整参数、控制外设。CRT操作站还有自诊操作站还有自诊断、报警功能。断、报警功能。上位管理机上位管理机：是是DCS的主计算机，它通过通信系统与的主计算机，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。整个系统起到优化控制和管理作用。通信系统：通信系统：是具有高速通信能力的信息总线，可由双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。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，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。国际电工委员会系统兼容和互连性差。国际电工委员会(IEC)、国际标国际标准化组织准化组织(ISO)、美国电子电气工程师协会美国电子电气工程师协会(IEEE)、工工厂自动化协议集团厂自动化协议集团(MAP)为不同层次网络制定了相应为不同层次网络制定了相应的标准。的标准。(2)DCS的硬件、软件组态的硬件、软件组态DCS的硬件组态的硬件组态：依据：依据：系统规模及控制要求。系统规模及控制要求。包括通信系统、人机接口、过程接口和电源系包括通信系统、人机接口、过程接口和电源系统的选择等统的选择等应综合考虑各方面的因素：应综合考虑各方面的因素：满足系统的控制要求，性能价格比最佳满足系统的控制要求，性能价格比最佳系统在未来的定位系统在未来的定位操作人员的易操作性、系统的易维护性等操作人员的易操作性、系统的易维护性等DCS的软件组态：的软件组态：是在系统硬件和软件的基础上，是在系统硬件和软件的基础上，用用软件组态方式将系统提供的功能块连结起来达到过程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。控制的要求。应用软件组态方式：应用软件组态方式：直接经直接经DCS操作站组态操作站组态通过填写表格组态通过填写表格组态利用利用PC机进行组态机进行组态应用软件的组态包括：应用软件的组态包括：网络组态文件组态、数据点组网络组态文件组态、数据点组态、用户画面、自由格式报表和键定义组态、区域数态、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。据库和控制程序的编制等。早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统10.3 可编程控制器可编程控制器可编程序控制器（可编程序控制器（Programmable Controller,PC）早早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制可编程逻辑控制器（器（Programmable Logic Controller）,简称简称PLC。10.3.1 概述概述(1)可编程序控制器的发展可编程序控制器的发展初创阶段：初创阶段：从从1969年年DEC公司推出第一台公司推出第一台PLC(PDP-14)到到20世纪世纪70年代中期。年代中期。该阶段产品主要该阶段产品主要用于逻辑运算、计时、计数用于逻辑运算、计时、计数。扩展阶段：扩展阶段：20世纪世纪70年代中期到年代中期到20 世纪世纪70年代末期。年代末期。扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算扩展了数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。等功能。通信阶段：通信阶段：20世纪世纪70年代末期到年代末期到20 世纪世纪80年代中期。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在通信方面得到了发展，形成了分布式的通信网络系统。络系统。缺点是产品互通难。缺点是产品互通难。开放阶段：开放阶段：20世纪世纪80年代中期以后。年代中期以后。(2)可编程序控制器的特点（优点）可编程序控制器的特点（优点）高可靠性：高可靠性：PLC的主要特点。它在软、硬件方面采的主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提高系统可靠性的措施。取了一些提高系统可靠性的措施。易操作性：易操作性：操作、维修、编程操作、维修、编程灵活性：灵活性：表现在编程、扩展、操作三个方面表现在编程、扩展、操作三个方面机电一体化：机电一体化：PLC是专门为工业过程控制而设计的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。制领域的主要控制设备。(3)PLC的分类的分类按结构形式可将按结构形式可将PLC分为两大类分为两大类：一体化结构、模块一体化结构、模块化结构化结构一类（一体化结构）：一类（一体化结构）：CPU、电源、电源、I/O接口、通信接口、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，小型及超小型的示，小型及超小型的PLC系统用此结构系统用此结构 电源 其他外设 通信接口 CPU I/O 接口 电池 ROM RAM 上位机 测量仪表 AI DI AO DO 执行器 10-6 一体化一体化PLC结构示意图结构示意图另一类（模块化结构）：另一类（模块化结构）：各种模块在结构上是相互独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，构成一个完整的个完整的PLC应用系统，应用系统，如下图所示。大、中型如下图所示。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于复杂程度较高的自动控制，并在相当程度上可以替代代DCS以实现更广泛的自动化功能。以实现更广泛的自动化功能。电源 模块 CPU 模块 通信接口 模块 智能I/O 模块 I/O 模块 I/O 模块 系统总线 电源线 10-7 模块化PLC结构示意图(4)可编程序控制器的主要功能可编程序控制器的主要功能开关逻辑和顺序控制开关逻辑和顺序控制：最主要功能：最主要功能模拟控制模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较多时。：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。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：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性信号联锁是安全生产的保证，高可靠性的的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。在信号联锁系统中发挥了很大作用。通信通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的可作为下位机与上位机或同级的PLC进进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产行通信，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。过程的信息控制和管理。(5)可编程序控制器的发展方向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，不断延伸，PLC的结构和功能也在不断地进行完善和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。长期以来展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路，这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。使得其成功发展的同时也带来了许多制约因素。目前，绝大多数目前，绝大多数PLC不属于开放系统，不属于开放系统，寻求开放寻求开放型的硬件或软件平台成了当今型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。的主要发展目标。10.3.2 PLC基本组成基本组成 PLC基本组成包括：基本组成包括：CPU、通信接口、外设接通信接口、外设接口、口、I/O接口接口等。模块化等。模块化PLC的应用更广泛，它在的应用更广泛，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，如进行配置，模块与模块之间通过外部总线连接，如下图所示下图所示 电源 模块 CPU 模块 通信接口 模块 智能I/O 模块 I/O 模块 I/O 模块 系统总线 电源线 10-7 模块化模块化PLC结构示意图结构示意图 在模块化在模块化PLC系统中，一组基本的功能模块可以构系统中，一组基本的功能模块可以构成一个机架，成一个机架，CPU模块所在的机架通常称为中央机架，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。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根据安装位置的不同，机架的扩展方式又分为本地本地连接扩展连接扩展和和远程连接扩展远程连接扩展两种。前者要求所有机架都集两种。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，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一步延伸。远程扩展机架也称为分布式I/O站点，这是一站点，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。种介于模拟信号传输技术和现场总线技术的中间产品。一个一个PLC所允许配置的机架数量以及每个机架所允所允许配置的机架数量以及每个机架所允许安装的模块数量一般是有限制的，主要取决于许安装的模块数量一般是有限制的，主要取决于PLC的的地址配置和寻址能力以及机架的结构和负载能力。地址配置和寻址能力以及机架的结构和负载能力。(1)CPU模块模块 CPU模块是模块化模块是模块化PLC的核心部件，的核心部件，主要包括三个部分：主要包括三个部分：中央处理单元中央处理单元CPU、存储器和通存储器和通信部件信部件。小型小型PLC的的CPU单元通常采用价格低、通用性好单元通常采用价格低、通用性好的的8位微处理器或单片机；位微处理器或单片机；中型中型PLC采用采用16位微处理器或单片机；位微处理器或单片机；大型大型PLC通常采用位片式微处理器，它将多个位通常采用位片式微处理器，它将多个位片式微处理器级联，并行处理多个任务，具有灵活性片式微处理器级联，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，大中型的好、速度快、效率高等特点。另外，大中型的PLC很很多采用双多采用双CPU或多或多CPU结构，以加快结构，以加快PLC的处理速度。的处理速度。常用的常用的存储器存储器主要有：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。对于不同的数据。对于不同的PLC，存储器的配置形式是一样的，存储器的配置形式是一样的，但存储器的容量随但存储器的容量随PLC的规模的不同有较大差别。的规模的不同有较大差别。通信部件通信部件的作用是建立的作用是建立CPU模块与其他模块或外模块与其他模块或外部设备的数据交换。部设备的数据交换。(2)I/O模块模块 PLC 通过通过I/O接口与现场仪表相连接，接口与现场仪表相连接，PLC最常用的最常用的I/O模块主要包括模拟量输入、模拟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。量输出、开关量输入、开关量输出模块。(3)智能模块智能模块 该模块通常是一个较独立的计算机系该模块通常是一个较独立的计算机系统，自身具有统，自身具有CPU、数据存储器、应用程序、数据存储器、应用程序、I/O接接口、系统总线接口等，可以独立地完成某些具体工口、系统总线接口等，可以独立地完成某些具体工作。但从整个作。但从整个PLC系统来看，它只是系统中的一个系统来看，它只是系统中的一个单元，需要通过系统总线与单元，需要通过系统总线与CPU模块进行数据交换。模块进行数据交换。智能模块一般不参与智能模块一般不参与PLC的循环扫描过程，而是在的循环扫描过程，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：与系统工作。比如：高速处理模块、通信处理器模高速处理模块、通信处理器模块块等一般属于智能模块。等一般属于智能模块。(4)接口模块接口模块 采用模块化结构的系统是通过机架把各采用模块化结构的系统是通过机架把各种种PLC的模块组织起来的，根据应用对象的规模和要的模块组织起来的，根据应用对象的规模和要求，整套求，整套PLC系统有可能包含若干个机架，接口模块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，构成一个完整的就是用来把所有机架组织起来，构成一个完整的PLC系统。系统。(5)电源模块电源模块 PLC一般配有工业用的开关式稳压电源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、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。抗干扰能力强。(6)编程工具编程工具 作用是编制和调试作用是编制和调试PLC的用户程序、设的用户程序、设置置PLC系统的运行环境、在线监视或修改运行状态和系统的运行环境、在线监视或修改运行状态和参数，主要有参数，主要有专用编程器或专用编程软件专用编程器或专用编程软件两类两类。专用编程器专用编程器一般由一般由PLC生产厂家提供，生产厂家提供，只能适用只能适用于特定于特定PLC的软件编程装置。的软件编程装置。主要生产厂家一般都提供在主要生产厂家一般都提供在PC机上运行的机上运行的专用编专用编程软件程软件，借助于相应的通信接口装置，用户可以在，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，机上通过专用编程软件来编辑和调试用户程序，专用编程软件一般专用编程软件一般可适用于一系列的可适用于一系列的PLC。特点：功特点：功能强大、通用性强、升级方便等能强大、通用性强、升级方便等10.3.3 PLC的基本工作原理的基本工作原理 PLC的的CPU采用分时操作的原理，其工作方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，即周期扫描式是一个不断循环的顺序扫描过程，即周期扫描方式。方式。PLC的整个扫描过程可以概括地归纳为上电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、数据初始化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序操作、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）。用的时间称为一个工作周期（扫描周期）。PLC的扫描周期与的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短的硬件特性和用户程序的长短有关。有关。N Y 上电 初始化 检查存储器、硬件单元 正确 复位监视定时器 执行用户程序 数据 I/O 操作 复位监视定时器 外设端口服务 置位故障标志 显示故障指示灯 性质？错误 报警 10-8 PLC10-8 PLC扫描扫描过程示意过程示意(1)上电初始化上电初始化：CPU首先首先对对I/O、继电器、定时器进继电器、定时器进行清零或复位处理行清零或复位处理(2)一般处理扫描一般处理扫描：每个扫每个扫描周期前的自检，如描周期前的自检，如WDT的复位、的复位、I/O总线和用户存总线和用户存储器的检查储器的检查(3)数据数据I/O操作操作：(4)扫描用户程序扫描用户程序：基于用基于用户程序指令，读入外部数户程序指令，读入外部数据和状态、运算、输出据和状态、运算、输出(5)外设端口服务外设端口服务：每次执行完用户程序后，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、通信适配端口连接的外部设备（编程器、通信适配器等）的通信。器等）的通信。10.3.4 PLC的程序设计语言的程序设计语言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。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：见的程序设计语言有：梯形图梯形图、语句表语句表、逻辑功能图、逻辑功能图、计算机高级语言等。计算机高级语言等。(1)梯形图梯形图 梯形图是在继电器控制的电器原理图基础上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、串用了继电器、触点、串/并联等术语和类似的图形并联等术语和类似的图形符号，信号流向清楚，是多数符号，信号流向清楚，是多数PLC的第一用户语的第一用户语言。言。SB3 SB2 SB1 C SB4 电源线()起始母线 结束母线00200 00004 00003 00001 00002 串联 并联(a)电器控制梯形图电器控制梯形图(b)PLC梯形图梯形图图图10-9 PLC梯形图示意梯形图示意PLC梯形图的特点梯形图的特点：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；存储器中的某一位；梯形图不是硬接线系统，但可以借助梯形图不是硬接线系统，但可以借助“概念电流概念电流”来理解器逻辑运算功能；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、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；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。均可以被无限次的引用。(2)语句表语句表 语句表语句表STL是一种类似于汇编语言的助记符编程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式都是由操作码和操作数操作码和操作数两部分组成。两部分组成。()起始母线 结束母线00200 00004 00003 00001 00002 串联 并联(b)PLC梯形图梯形图LD 00001OR 00002LD NOT 00003AND 00004AND LDOUT 00200语句表语句表10.3.5 PLC的程序结构的程序结构线性化编程线性化编程 将用户指令逐条编写在一个连续的指令块中，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。适用于比较简单的任务。结构化编程结构化编程 适合编制并组织复杂的应用程序，它允许把整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。这些模块进行组织和调用。10.4 现场总线控制系统现场总线控制系统 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。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。散控制系统后的新一代控制系统。现场总线现场总线是是2020世纪世纪8080年代中期在国际上开始出现，年代中期在国际上开始出现，9090年代初发展形成的。年代初发展形成的。它是应用于生产现场、微机化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、数字化、多节点通信的底层控制网络。开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络。10.4.1 现场总线控制系统的发展现场总线控制系统的发展(1)(1)现场总线是综合自动化发展的需要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，随着计算机、信息技术的飞速发展，20 20 世纪末世界最重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，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)，改善质量改善质量Q(Quality)，降低成本降低成本C(Cost)，完善售后服务完善售后服务S(Service)。追求完善的追求完善的T、Q、C、S是一个永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。因此形成了形成了计算机集成制造系统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、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。加工、管理决策等。计算机为计算机为CIMS的实施提供了良好的物质基础。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信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点多点数字通信数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现，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。场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现现场总线就是在这种背景下产生的。场总线就是在这种背景下产生的。(2)(2)高新技术的发展为现场总线的出现奠定了基础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。传输信号的数字化是实现数字通信的基础。1983年，年，Honeywell推出了智能化仪表推出了智能化仪表Smar变变送器，这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模送器，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，还在输拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能外，还在输出的出的420mA直流信号上迭加了数字信号，使现场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。与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。这种属于这种属于模拟混合仪表模拟混合仪表，其系统或设备间只能按模，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的优越性难以充分发挥，应用需求呼唤着具备通信功能的、传输信号全数字化的仪表与系统的出现。功能的、传输信号全数字化的仪表与系统的出现。(3)(3)现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展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。连网络。把不同厂商提供的自动化设备互连为系统。这里的这里的开放开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着意味着对同一标准的共同遵从，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。所以一致通信系统。所以现场总线就是工厂自动化领域现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统的开放互连系统。10.4.2 现场总线控制系统的特点与优点现场总线控制系统的特点与优点(1)现场总线控制系统的现场总线控制系统的结构特点结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。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器、控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。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，能够把现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出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。仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。Fieldbus Controller I/O 子系统 Controller 传统计算机控制传统计算机控制系统结构示意系统结构示意FCS结构示意结构示意图图10-10 DDC与与FCS的结构比较的结构比较(2)现场总线控制系统的特点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：如下特点：系统的开放性系统的开放性 开放是指总线标准、通信协议的一开放是指总线标准、通信协议的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。不同厂家的设备之间可实现信息他设备或系统连接。不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产交换。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。因此，借助现场总线可以构品组成大小随意的系统。因此，借助现场总线可以构筑自动化领域的开放互连系统。筑自动化领域的开放互连系统。互可操作性与互换性互可操作性与互换性 互可操作性是指相互连接仪互可操作性是指相互连接仪表间、设备间及系统间的信息传送与沟通，可实现点表间、设备间及系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。互换性则意味着不同对点、一点对多点的数字通信。互换性则意味着不同生产厂家的性能类似的仪表、设备可实现相互替换。生产厂家的性能类似的仪表、设备可实现相互替换。现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性 它将传感器测量、它将传感器测量、补偿计算、线性化处理、工程量变换与控制等功能分补偿计算、线性化处理、工程量变换与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有有DCSDCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。了系统结构，提高了可靠性。对现场环境的适应性对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。满足本质安全防爆要求等。(3)现场总线控制系统的优点现场总线控制系统的优点节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资 节省安装费用节省安装费用 节省维护开销节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性10.4.3 现场总线现场总线国际标准现场总线现场总线国际标准(1)(1)现场总线标准的形成现场总线标准的形成 在现场总线的开发过程中，出现了多种总线（如在现场总线的开发过程中，出现了多种总线（如FFFF、LonLon WorksWorks、HartHart、CANCAN等）标准，它们的结构、等）标准，它们的结构、特性各异，通信协议也不相同，都有自己特定的应用特性各异，通信协议也不相同，都有自己特定的应用背景。但是现场总线既然是开放的，就应该有一个统背景。但是现场总线既然是开放的，就应该有一个统一的国际标准，只有大家都遵守相同的标准，现场总一的国际标准，只有大家都遵守相同的标准，现场总线才能真正发挥其优越性，并得到健康的发展。国际线才能真正发挥其优越性，并得到健康的发展。国际电工委员会（电工委员会（IECIEC）非常重视现场总线标准的制定，非常重视现场总线标准的制定，早在早在19841984年就成立了年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开工作组，开始起草现场总线系列标准。由于参与讨论的各大集团始起草现场总线系列标准。由于参与讨论的各大集团公司都从自身的利益角度出发，分歧很大，工作进展公司都从自身的利益角度出发，分歧很大，工作进展缓慢。经过长期争论和反复修改，在缓慢。经过长期争论和反复修改，在20002000年初，年初，IECIEC颁布了由多数国家确认的颁布了由多数国家确认的IEC 61158IEC 61158现场总线标准。现场总线标准。IEC 61158IEC 61158并非是单一的现场总线标准，而是包并非是单一的现场总线标准，而是包括了从括了从Type 1Type 1至至Type 8Type 8共共8 8种总线标准，这是因为它种总线标准，这是因为它要兼顾众多厂商的投资利益和考虑现场总线的实际使要兼顾众多厂商的投资利益和考虑现场总线的实际使用情况。因此，在今后一段时间里，会出现多种现场用情况。因此，在今后一段时间里，会出现多种现场总线共存，甚至同一生产现场有几种总线标准的设备总线共存，甚至同一生产现场有几种总线标准的设备互连通信的局面。但是，发展统一的标准规范，形成互连通信的局面。但是，发展统一的标准规范，形成真正的开放式互连系统是众望所归，大势所趋。真正的开放式互连系统是众望所归，大势所趋。在在IEC 61158中包含的中包含的10种现场总线网络协议（种现场总线网络协议（2003）Type 1 PhL,DDL以以 FF H1为原型，为原型，AL是是IEC TSType 2 PhL,DDL是是ControlNet,AL是是 ControlNet+EtherNet/IPType 3 PROFIBUSType 4 P-NETType 5 PhL,DDL无，无，AL 是是FF HSEType 6 SwiftNetType 7 WorldFIPType 8 INTERBUSType 9 PhL,DDL无，无，AL是是 Type 1的子集的子集Type 10 PROFINET(2)(2)IEC61158IEC61158的的1010种现场总线种现场总线 Type 1现场总线现场总线Type 1现场总线由现场总线由IEC 61158 TS技术规范全面定义。技术规范全面定义。该现场总线的网络协议是按国际标准化组织该现场总线的网络协议是按国际标准化组织(ISO)的的开放互连系统开放互连系统(OSI)参考模型建立的，它由物理层、参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层及用户层组成，用户层是考虑数据链路层、应用层及用户层组成，用户层是考虑到现场仪表的控制功能和具体应用而增加的。到现场仪表的控制功能和具体应用而增加的。Type 1总线主要用于现场控制级，传输速率为总线主要用于现场控制级，传输速率为31.25Kbps，支持总线供电和本质安全放爆。总线用户层具有标支持总线供电和本质安全放爆。总线用户层具有标准功能快和装置描述功能，使现场仪表能就地实施准功能快和装置描述功能，使现场仪表能就地实施控制策略，并实现仪表间的互操作功能。控制策略，并实现仪表间的互操作功能。Type 2现场总线现场总线 Type 2总线即总线即Control Net现场总线，由现场总线，由A-B/Rockwell公司设计并得到公司设计并得到CI(Control Net International)组织的支持。该总线是一种用于对组织的支持。该总线是一种用于对信息传递有时间苛刻要求的高速确定性网络，同信息传递有时间苛刻要求的高速确定性网络，同时它允许传送无时间苛求的报文数据。通信模式时它允许传送无时间苛求的报文数据。通信模式为生产者为生产者/客户模式（客户模式（producer/consumer model），），这种模式允许网络上的所有节点同时从单个数据这种模式允许网络上的所有节点同时从单个数据源存取相同的数据，传输速率可达源存取相同的数据，传输速率可达5Mbps。由由Type 2现场总线构成的系统包括信息层现场总线构成的系统包括信息层（Ethernet）、）、控制层（控制层（Control Net）和现场层和现场层（Device Net）。）。Type 3现场总线现场总线 Type 3总线即总线即Profibus现场总线，由德国多家公司现场总线，由德国多家公司和科研机构按照和科研机构按照ISO/OSI参考模型设计的，得到了参考模型设计的，得到了PNO(Profibus National Organization)用户组织的支持，用户组织的支持，并被确定为欧洲标