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13.3.5 计算机控制

2023-02-14

计算机控制就是使用数字电子计算机,实现过程控制的方法。计算机控制系统由计 算机和生产过程对象两大部分组成,其中包括硬件和软件。硬件是计算机本身及其外围 设备;软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。硬件是计算机控制的基础,软 件是计算机控制系统的灵魂。计算机控制系统本身是通过各种接口及外部设备与生产过 程发生关系,并对生产过程进行数据处理及控制的。

13.3.5.1 可编程序控制器

(1) 概况 可编程序控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC),是一种用作 生产过程控制的专用微型计算机。它在20世纪60年代末问世之后,于70年代进入实用 阶段。可编程序控制器是由继电器逻辑控制发展而来,所以它在数字处理、顺序控制方面 具有一定的优势。随着微电子技术、大规模集成电路芯片、计算机技术、通信技术等的发 展,可编程序控制器的技术功能得到扩展,在初期的逻辑运算功能的基础上,增加了数值 运算、闭环调节功能。运算速度提高、输入输出规模扩大,并开始与网络和工业控制计算 机相连。

可编程序控制器采用梯形图编程,很受不熟悉计算机语言而熟悉电器控制的工厂设 计者和电气工程师的欢迎。另外,可编程序控制器是专为生产现场应用环境而设计的,结 构上采取整体式或插件组合式,对印刷板、柜架、插座均有严格的措施,其插件和各种I/O 模板经过组合就可以迅速形成产品。如今的可编程序控制器已加强了模拟量控制功能,多 数都配备了各种智能模板,具有了PID调节功能和构成网络系统、组成分级控制的功能。

可编程序控制器从诞生到今天,仅有30年的历史,但是得到了异常迅猛的发展。用 可编程序控制器构成的自动控制系统已成为当今工业发达国家自动控制的标准设备。可 编程序控制器已成为当代工业自动化的主要支柱之一。

(2)可编程序控制器的基本组成 采用典型的计算机结构,由中央处理单元(CPU)、 存储器、输入输出接口电路、总线和电源单元等组成,其结构示意图如图13-77所示。它 按照用户程序存储器里的指令安排,通过输入接口采入现场信息,执行逻辑或数值运算, 进而通过输出接口去控制各种执行机构动作。

图13-77 可编程序控制器结构示意图

①中央处理单元: CPU在PLC控制系统中的作用类似于人的大脑。它按照生产厂 家预先编好的系统程序接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;在执行系统程序时, 按照预编的指令序列用扫描的方式接收现场输入装置的状态或数据,并存入用户存储器 的输入状态表或数据寄存器中;诊断电源、PLC内部各电路状态和用户编程中的语法错 误;进入运行状态后,从存储器逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令规定的任务产 生相应的控制信号,去控制有关的控制电路,分时执行数据的存取、传送、组合、比较和变 换等工作,完成用户程序中规定的运算任务;根据运算结果,更新有关标志位和输出状态 寄存器表的内容,最后根据输出状态寄存器表的内容,实现输出控制、打印或数据通信等 外部功能。

②存储器: PLC的存储器分为两个部分:一是系统程序存储器,另一是用户程序存 储器。系统程序存储器是由生产PLC的厂家事先编写并固化好的,它关系到PLC的性 能,不能由用户直接存取更改。其内容主要为监控程序、模块化应用功能子程序、命令解 释和功能子程序的调用管理程序和各种系统参数等。用户程序存储器主要用来存储用户 编制的梯形图,输入输出状态,计数、定时值以及系统运行所必要的初始值。

③I/O接口模板: PLC机提供了各种操作电平和驱动能力的输入/输出接口模板。 如输入/输出电平转换,电气隔离,串/并行变换,数据转送、A/D或D/A变换以及其他功能 控制等。通常这些模板都装有状态显示及接线端子排。

这些模板一般都插入模板框架中,框架后面有连接总线板。每块模板与CPU的相对 插入位置或槽旁的DIP开关的位置,决定了I/O的各点地址号。

除上述一般I/O接口模板外,很多类型的PLC还提供一些智能模板。例如通信控制 模板、高精度定位控制、远程I/O控制、中断控制、ASCII/BASIC操作运算和其他专用控制 功能模板。

④编程器及其他选件: 编程器是编制、编辑、调试、监控用户程序的必备设备。它通 过通信接口与CPU联系,完成人机对话。编程器有简易型和智能型两种,一般简易型的 键盘采用命令语句助记符键,而智能型常采用梯形图语言键。前者只能联机编程,而后者 则还可以脱机编程。很多PLC机生产厂利用个人计算机改装的智能编程器,备有不同的应 用程序软件包。它不但可以完成梯形图编程,还可以进行通信联网,具有事务管理等功能。

PLC也可以选配其他设备,例如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、彩色图形监控 系统、人机接口单元等外部设备。

13.3.5.2 集散控制系统

20世纪70年代以来,随着工业的发展,生产规模越来越大,信息来源越来越多,对控 制实时性的要求也越来越高。在一个大型企业里,大量信息靠一台大型计算机集中完成 过程控制及生产管理的全部任务是不恰当的。同时,由于微型计算机价格的不断下降,人 们就将集中控制和分散控制协调起来,取各之长,避各之短,组成集散控制系统(Distributed Control System,简称DCS)。这样既能对各个过程实施分散控制,又能对整个过 程进行集中监视与操作。集散控制系统把顺序控制装置,数据采集装置,过程控制的模拟量仪表,过程监控装置有机地结合在一起, 利用网络通信技术可以方便地扩展和延 伸,组成分级控制。系统具有自诊断功能, 及时处理故障,从而使可靠性和维护性大 大提高。如今很多公司推出了多种风格各 异的DCS,然而其核心结构基本上相同。 如图13-78所示是集散控制系统的基本 结构,它由面向被控过程的现场I/O控制 站、面向操作人员的操作站、面向管理员的工程师站以及连接这三种类型站点的系统网络 所组成。

图13-78 集散控制系统的基本构成

(1)现场I/O控制站 现场I/O控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字 控制(DDC)的网络节点,主要功能有三个: ①将各种现场发生的过程量(温度、压力、流 量、液位等)进行数字化,并将这些数字化后的量存在存储器中,形成一个与现场过程量一 致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新的现场过程量的实时映象;② 将本站采集到的实时数据通过网络传送到操作员站、工程师站及其他现场I/O控制站,以 便实现全系统范围内的监督和控制,同时现场I/O控制站还可接收由操作员站、工程师站 下发的命令,以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定;③在本站实现局部自动控 制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等,这些算法一般是一些经典的算法,也可下装非标 准算法、复杂算法。现场I/O控制站多由可编程序控制器或单片微机组成。

(2) 操作员站 DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面HMI(Human Machine Interface)功能的网络节点,其主要功能就是为系统的运行操作人员提供人 机界面,使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是 否有异常情况发生等。并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节,以保证生产过程 的安全、可靠、高效、高质。

操作员站的主要人机界面设备在计算机输出方面是彩色CRT,在计算机输入方面则 为工业键盘和光标控制设备(鼠标器或轨迹球)。

在CRT上,能显示生产过程的模拟流程图,其中标有各关键数据、控制参数及设备的 当前实时状态。通过操作键盘,对给定值、操作输出值、PID参数、报警设定值进行调整。 能显示报警窗口,以倒排时间顺序的方式列出所有生产过程出现的异常情况。具有灵活 方便的画面调用方法,大大方便操作员的画面切换操作,而且直观简单,不需记忆特殊的 操作规则。还可以将给定值、测量值、输出值等各种参量的变化趋势以及历史趋势用曲线 表示出来,在同一个坐标系中可显示多个数据的趋势曲线,有助于操作员对比分析各个有 关数据,掌握生产过程的运行情况。

(3) 工程师站 工程师站是对DCS进行离线配置、组态工作和在线系统监督、控制、 维护的网络节点。其主要功能是提供对DCS进行组态、配置工作的工具软件(即组态软 件),并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师 可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工 作状态下。

①工程师站所提供的组态功能: 工程师站的最主要功能是对DCS进行离线配置和组 态工作。在DCS进行配置和组态之前,只是一个硬件、软件的集合体,它对于实际应用来说 是毫无意义的,只有在经过对生产过程进行了详细透彻的分析、设计并按设计要求正确地完 成了组态工作之后,DCS才成为一个真正适于某个生产过程使用的应用控制系统。

DCS的工程师站一般具有硬件配置组态、数据库组态、控制回路组态、顺序控制组 态、控制算法语言的组态、操作员站显示画面的生成、报表生成组态、操作员权限组态等 功能。

②工程师站对系统的监控功能: 与操作员站不同,工程师站必须对DCS本身的运 行状态进行监视,包括各个现场I/O控制站的运行状态、各操作员站的运行情况、网络通 信情况等等。一旦发现异常,系统工程师必须及时采取措施,进行维修或调整以使DCS 能保证长时间连续运行,不会因对生产过程的失控造成损失。另外,还具有对某些组态的 在线修改功能,如上下限设定值的改变、控制参数的调节、对某个检测点或若干个检测点, 甚至对某个现场I/O站的离线直接操作。

(4) DCS的系统网络 用于DCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计 算机网络。首先,它是一个实时网络,也就是说,网络需要根据现场通信实时性的要求,在 确定的时限内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时限,是指无论在何种情况下,信息 传送都能在这个时限内完成,而这个时限则是根据被控过程的实时性要求确定的。

根据网络的拓扑结构,大致可以分为星形、总线形和环形三种。星形网由于其必须设 置一个中央节点,各个节点之间的通信必须经由中央节点进行,这种变相的集中系统不符 合DCS的设计原则,因此星形网基本上不被采用。目前应用最广的网络结构是环形网和 总线型网。在这两种结构的网络中,各个节点可以说是平等的,任意两个节点之间的通信 可以直接通过网络进行,而不需其他节点的介入。