高级分布式系统-第10讲 分布式控制系统

自动化是关于一切人造系统自动、智能、自主、高效和安全运行的科学与技术

计算机控制技术是实现自动化的主要方法和手段

分布式控制技术是伴随着机器大工业生产而诞生的特殊计算机控制技术

计算机控制系统

指利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。其工作原理如图所示。

分布式控制系统

分散控制系统（Distributed Control System，简称 DCS）；

集散控制系统（Total Distributed Control System，简称TDCS或TDC）

定义1——物理上分立并分布在不同位置上的多个子系统，在功能上集成为一个系统。

定义2——由操作台、通信系统和执行控制、逻辑、计算及测量等功能的远程或本地处理单元构成。

定义3——将工厂或过程控制分解成若干区域，每个区域由各自的控制器进行管理控制，它们之间通过不同类型的总线/网络连成一个整体。

DCS的基本组成

过程控制单元(Process Control Unit，PCU)，又叫现场控制站。对生产过程进行顺序、逻辑和批量控制。

过程接口单元(Process Interface Unit，PIU)，又叫数据采集站。完成数据采集和预期处理，还可以对实时数据

CRT 操作站显示和打印，实现开环监视。

操作员站(Operator Station，OS)，执行监视操作、打印报表等。

工程师站(Engineer Station，ES)，执行系统的组态、编程。

数据高速通道(Data Hiway，DH)，实现系统的网络信息传输。

管理计算机(Manager Computer，MC)。综合监视全系统的各单元，管理全系统的所有信息，具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制功能，以实现系统的最优控制。

多网络协议支持的拓扑结构

控制网络的要求

(1) 数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。

(2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。

(3)在企业自动化系统中，分散的单一用户必须借助控制网络进入系统，所以通信方式多使用广播和组播方式，在信息网络中某个自主系统与另外一个自主系统一般都建立一对一的通信方式。

(4)控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容问题，即互操作性问题。

DCS(Distributed Control System)的发展简介

DCS的递阶控制层次结构是其功能的垂直分解结果，反映出系统功能的纵向分散。

对于每一层次，又可将其划分成若干个子集，即进行所谓的水平分解。水平分解反映了系统功能的横向分散。

金字塔式的分级递阶结构，体现了大系统理论的分解与综合的思想，将分散控制、集中管理有机地统一起来。

1、第一阶段初创期(1975-1980)

美国Honeywell公司的TDC-2000外，德国Siemens公司的Teleperm-M系统，日本北辰公司的900/TX系统，横河公司的CENTUM系统，日立公司的UNITROLB 系统，东芝公司的TOSDIC系统，英国Kent公司的P4000系统等。

DCS的发展简介。

2、第二阶段成熟期(1980-1985)

引入了局域网(LAN)作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站及网关，这使得系统的规模、容量进一步增加。

3、第三阶段完善期(1985-1990)

采用了符合ISO开放系统互连参考模型的局域网络，各制造厂产品可以相互连接、相互通信和数据交换，第三方的应用软件也在系统中应用。

4、第四阶段融合扩展期(1990-2010)

第四代DCS的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂管理(车间)层和企业管理层。

DCS的发展简介

5、第五阶段变革期(2011-)德国“工业4.0”、“中国制造2025”计划的提出。利用物联信息系统（Cyber—Physical System简称CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。

PLC简介

可编程序控制器 (PLC, Programmable Logic Controller)

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：

美国 A－B公司 （Allen－Bradley）

德国西门子公司（Siemens）

美国GE－Fanuc公司

美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司

日本欧姆公司（OMRON）

日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）

日本富士电机株式会社（Fuji Electric）

日本东芝公司（TOSHIBA）

日本的光洋电子（KOYO）

日本松下电工株式会社（MEW）

浙大中控与褚健

中控科技集团有限公司（浙大中控）开发了具有国际先进水平并填补国内空白的SUPCON JX系列集散控制系统。

组成：CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置。

CPU模块

1）CPU芯片

作用： 不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。

2）存储器：

作用：存放系统程序，用户程序和数据。 系统程序：决定PLC的基本智能，由厂家设计，并存入ROM、EEPROM。用户不能修改。

用户程序：根据要求，用PLC的编程语言，编制的程序，用户用编程器写入RAM或EEPROM。

I／O模块

1）输入模块

作用：接收和采集输入信号。

输入电路：设有RC滤波电路和光电耦合器。

2）输出模块

作用：控制输出设备，执行装置。

输出电路：晶体管和场效应管、双向晶闸管，小型继电器。

其他模块

1）运动控制模块

2）伺服单元

3）步进单元

4）闭环控制模块

5）高速计数单元

通信模块

1）点对点通信模块（RS-232C）

2）现场总线通信模块

（PROFIBUS(FMS/PA/DP)、DeviceNet、DeviceCONTROL]

电源模块

1）220V交流电源或24V直流电源。

2）内部的开关电源为各模块提供DC 5V、±12V、24V等直流电源。

PLC的工作方式

PLC的编程方法

PLC 编程

可编程控制器的程序有系统程序和用户程序两种

用户程序是用户根据控制要求，利用 PLC 厂家提供的程序编制语言编写的应用程序。

梯形图

是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器触点、线圈、串联、并联等术

语和符号，根据控制要求联接而成的表示 PLC输入和输出之间逻辑关系的图形。

组成：由触点、线圈和用方框表示的功能块。

特点：

1）沿用继电器这一名称，但不是真实继电器，而是软件中编程元件。

2）假想的“能流”(POWER Flow)，从左向右流动。

3）逻辑解算，从左至右，从上至下。

4）线圈放在最右边，触点可无限次使用

基本方法

1)了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。

2) 确定可编程序控制器的输入信号和输出负载，对应的梯形图中的输入位和输出位的地址，画出可编程序控制器的外部接线图。

3) 确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的存储器位(M)和定时器(T)的地址。

4) 根据上述对应关系画出梯形图。

PLC梯形图语言的编程原则

(1) PLC编程元件的触点在编制程序时使用次数是无限的。每个继电器的线圈在梯形图中只能出现一次, 它的触点可以使用无数次。

即：梯形图中的继电器继电器、接点、线圈不是物理的，是PLC存储器中的位(1=ON；0=OFF)；故编程时常开/常闭接点可无限次引用，线圈输出只能是一次；

(2) 梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且不能直接与左边母线相连。

梯形图中流过的不是物理电流而是“概念电流”，只能从左向右流；

用户程序的运算是根据PLC的输入/输出映象寄存器中的内容，逻辑运算结果可以立即被后面的程序使用；

PLC的内部继电器不能做控制用，只能存放逻辑控制的中间状态；

输出线圈不能直接驱动现场的执行元件，通过I/O模块上的功率器件来驱动。

例子

例3、接通/断开延时电路（定时器用作时间继电器）

例4、闪烁电路（用定时器产生周期脉冲信号）

例5、多个定时器组合电路

当X0接通，T0线圈得电并开始延时，延时到T0常开触点闭合，又使T1线圈得电，并开始延时，当定时器T1延时到，其常开触点闭合，再使T2线圈得电，并开始延时，当定时器T2延时到，其常开触点闭合，才使Y0接通。因此，从X0为ON开始到Y0接通共延时9000s。

例6、多继电器线圈控制电路

下图是可以自锁的同时控制4个继电器线圈的电路图。其中X0是起动按钮，X1是停止按钮。

例7、多地控制电路

下图是两个地方控制一个继电器线圈的程序。其中X0和X1是一个地方的起动和停止控制按钮，X2和X3是另一个地方的起动和停止控制按钮。

例8、互锁控制电路

下图是3个输出线圈的互锁电路。其中X0、X1和X2是起动按钮，X3是停止按钮。由于Y0、Y1、Y2每次只能有一个接通，所以将Y0、Y1、Y2的常闭触点分别串联到其它两个线圈的控制电路中。

例9、顺序起动控制电路

如图所示。Y0的常开触点串在Y1的控制回路中，Y1的接通是以Y0的接通为条件。这样，只有Y0接通才允许Y1接通。Y0关断后Y1也被关断停止，而且Y0接通条件下，Y1可以自行接通和停止。X0、X2为起动按钮，X1、X3为停止按钮。

例10、集中与分散控制电路

在多台单机组成的自动线上，有在总操作台上的集中控制和在单机操作台上分散控制的联锁。集中与分散控制的梯形图如图所示。X2为选择开关，以其触点为集中控制与分散控制的联锁触点。当X2为ON时，为单机分散起动控制；当X2为OFF时，为集中总起动控制。在两种情况下，单机和总操作台都可以发出停止命令。

西门子PLC系列简介