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过程控制原理应用I （检测技术与过程控制原理） 主讲人：安剑奇 教授 中国地质大学（武汉） 自动化学院 2020年9月 1 第4章 接口技术与过程通道 第4章 接口技术与过程通道 4.1 A/D、D/A转换 4.2 采样与保持 4.3 输入/输出接口与过程通道 4.4 PLC的接口技术 4.5 集散控制系统 4.6 现场总线控制技术 4.7 工业以太网控制系统 4.1 什么是A/D转换？  A/D转换器  逐次逼近法，从粗到细逐次进行，由每次比较的结果来确定相应的 位是1还是0  与天平称重相似，例如用天平称量一个实际重量为27.4克的重物， 天平有32克，16克，8克，4克，2克和1克等6种砝 次序 加砝码 天平指示 操作 记录 1 32克 超重 去码 X1=0 2 16克 欠重 留码 X2=1 3 8克 欠重 留码 X3=1 4 4克 超重 去码 X4=0 5 2克 欠重 留码 X5=1 6 1克 平衡 留码 X6=1 4.1 什么是A/D转换？  主要技术指标有： • 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间 • 分辨率：指可转换数字量的最小电压，用位数n表示，如8、12、16位  基本方法：计数法，逐次逼近法，双斜积分法，并行转换法 • 逐次逼近式：转换时间短，但抗干扰能力较差（常用） • 双斜积分式：转换时间长，抗干扰能力较强，适用于变化缓慢，现场干 扰严重的场合 逐次逼近法速度快，分辨率高因此得到广泛使用 4.1 什么是A/D转换？--ADC0809  8位A/D转换器ADC0809  组成：8通道模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存缓冲器  EOC：A/D 转换结束输出信号，高电平有效。START有效开始EOC 为0，表示A/D转换进行中；转换结束，EOC为1  主要性能：分辨率为8位； 转换时 间为 100μs左 右；模 拟输入电压范围为0~5V，对 应A/D转换值为00H~FFH； 4.1 什么是D/A转换？  什么是D/A转换  将离散的数字量转换为相应的连续性的模拟量  原理：输入的二进制数码存入寄存器，每一位控制一个模拟开关， 模拟开关或是接地，或是经电阻接基准电压源 驱动放大 … 电阻网络 … 模拟开关 … 数据锁存 … 数据缓冲 … 数字量 输入 模拟量 输出 4.1 什么是D/A转换？--DAC0832  8位D/A转换器DAC0832  采样频率为八位的 D/A 转换芯片，内部包含 CS WR1 一个 T 形电阻网络，输出为差动电流信号 AGND  得到模拟电压输出，必须外接运算放大器 D3 D2  集成电路内有两级输入寄存器，使芯片具备 D1 双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便 D0 适于各种电路的需要如要求多路 D/A 异步输 Vref Rfd 入、同步转换等 DGND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 Vcc ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7 Iout2 Iout1 4.2 什么是采样？  信号的采样  按一定的时间隔 T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在 时刻0、T、2T……kT的一连串脉冲输入信号的过程称为采样过程  τ 称为采样宽度，表示采样开关（器）的闭合时间。采样后的脉冲序列称 为采样信号𝑦𝑦 ∗ 𝑡𝑡 ，采样器的输入信号称为原信号。采样信号𝑦𝑦 ∗ 𝑡𝑡 是离散 的模拟信号（时间上离散，幅值上连续） 经过采样，得到并不是全部时间的信号值，而是某些时间上的值， 如何保证信号不丢失？ 4.2 什么是采样？  香农采样定理  如果模拟信号频谱的最高频率f (max)，只要按照采样频率f ≥2 f (max)进行采 样，那么采样信号就能地不失真地复现y(t)。实际中，常取 f ≥(5~10) f (max)  问题：采样信号如何转换成数字信号？  量化  采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采 样信号转换为数字信号的过程称为量化过程  量化单位：字长为n的A/D转换器把y (min)-y (max)范围内变化的采样信 号，变换为数字0~2n－1  量化公式： q= y max − y min n 2 −1 4.2 什么是采样？--采样保持器  采样保持器  采样时，S 闭合，𝑉𝑉IN 通过 A1 对 CH 快速充电，𝑉𝑉out 跟随 𝑉𝑉IN  保持期间，S 断开，由于A2 输入阻抗很高，理想情况下 𝑉𝑉out ＝VC 保持不变 4.3 输入\输出接口与过程通道  接口技术  是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口  是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术  过程通道  是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道  包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道 、数字量(开关量)输出通道（ AI/AO、DI/DO ） 为什么需要I/O接口？  微机的外部设备多种多样  工作原理、驱动方式、信息格式、工作速度  它们不能与CPU直接相连  必须经过中间电路再与系统相连 4.3 输入\输出接口与过程通道  什么是I/O接口（电路）  位于系统与外设间、协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路  例如PC系统板可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）  I/O接口（电路）的主要功能  对输入输出数据进行缓冲和锁存  对信号的形式和数据的格式进行变换  对I/O端口进行寻址  与CPU和I/O设备进行联络 CPU 接口 电路 I/O 设备 4.3 输入\输出接口与过程通道  什么是I/O通道  是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道  传递的信息分为： • 模拟量：即时间、数值都连续变化的物理量，如温度、压力、流量 • 数字量：即时间上和数值上都不连续的量 数字量输出通道 数字量输入通道 计算机 模拟量输出通道 接口电路 生产过程 模拟量输入通道 显示 打印 显示 4.3 输入\输出接口与过程通道  数字量输入通道  组成：输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等  信号的形式：电压、电流、开关的触点 PC总线 输入缓冲器 输入调理电路 生产过程 输入缓冲器 PC总线 地址译码器  数字量输出通道 生产过程 输入调理电路 地址译码器 4.3 输入\输出接口与过程通道  模拟量输入通道  组成：I/V变换，多路转换器，采样保持器，A/D转换器等  工作过程： 总线 PC 接口逻辑 转换 A\D 采样保持器 模拟输入通道 多路转换 … … 传感器或变送器 … 过程参数 信号调理 或I\V转换 4.3 输入\输出接口与过程通道  模拟量输出通道  优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也 不会影响其向其它通路的工作  缺点：使用了较多的D/A转换器 通道1 V/I变换 … 接口 PC总线 D/A 通道n D/A V/I变换 4.3 输入\输出接口与过程通道  多通道共用一个模/数转换器  当共用一个数/模转换器时，依次把D/A转换器转换成的模拟电 压(或电流)，通过多路模拟开关传送给输出采样保持器 通道1 V/I变换 … D/A 多路开关 接 口 PC总线 采样 保持器 采样 保持器 通道n V/I变换 4.4 PLC接口技术 4.4 PLC接口技术—传统PLC AI&AO DI&DO 电源 拨码开关 用于连接扩展电缆或EM RS 232/485 通讯端口 DI&DO 24V DC传 感器输出  CPU本体内置的模拟量 调整器，用于 用于更新或输入值 更改预设值 设置极限值 4.4 PLC接口技术—输入输出端口的性能参数  PLC的输入输出口  输入口：每一点的电流定额一般为7mA，短接时产生的最大电流  输出口：通过的最大电流随机型不同而不同，一般为1A或2A。当 负载电流定额大于口端电流最大值时，需增加中间继电器（如图） 4.4 PLC接口技术—COM接口和串口通讯  PLC的COM口  注意事项：COM口可以接电源的正极或负极， COM口如果接了负极，那么和这个COM口同 组的段子统一接正极，否则不会有信号，反 之，COM口接正极，其他和这个COM同组的 段子统一接负极  PLC的通讯接口（RS-485为例） 上位机 R R RS485设备 RS485设备 RS485设备 RS485设备 4.4 PLC接口技术—PLC与传感器  PLC与传感器组件的接口电路 传感器的种类很多,其输出方式也各不相同。接近开关、光电开关、 磁性开关等为两线式传感器。霍尔开关为三线式传感器  二线式传感器  三线式传感器 4.4 PLC接口技术—PLC结合传感器应用 第4章 接口技术与过程通道 4.1 A/D、D/A转换 4.2 采样与保持 4.3 输入/输出接口与过程通道 4.4 PLC的接口技术 4.5 集散控制系统 4.6 现场总线控制技术 4.7 工业以太网控制系统 4.6 集散控制系统  集散控制系统以微型计算机为基础、将分散型控制装置、通信系统、 集中操作与信息管理系统综合在一起  利用4C技术（控制技术、通信技术、计算机技术和CRT技术），对生 产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制  组成：集中操作与管理系统，分散控制单元，通信系统三部分 4.6 集散控制系统  分散控制单元  基于微处理器的过程控制单元，实现DCS与生产过程的接口，按地 理位置分散于控制现场，实现对生产过程的控制。  集中操作与管理系统  由系统操作站，各种管理单元和管理计算机组成，用于系统的集中 监视与和，系统的组态与维护及系统的信息管理和优化控制。  通信系统  DCS各单元的内联网络，用于连接系统各单元，完成数据、指令及 其他信息的传递 4.6 集散控制系统  集散控制系统的特点  功能分散 • 过程参数检测、处理、控制等在现场过程控制单元中进行，功能高度分散 • 设备可尽可能地接近现场安装，避免模拟信号远距离传输，提高可靠性  信息综合与集中管理 • 保证操作一致性，操作由专人进行，减少误操作可能性。  开放的系统结构 • 硬件和软件设计成模块式，具有较好的开放性、通用性，扩展方便；  系统可靠性高 • 采用冗余技术和容错技术，各单元自诊断、自检查和自修复功能， 4.6 集散控制系统  集散控制系统递阶的结构  分散控制，集中管理，具有多级递阶结构，即从上而下可划分为经 营管理级，生产管理级，过程管理级和过程控制级四层。 第四层 经营 管理级 连续控制 过程 生产管理级 第三层 过程管理级 第二层 过程控制级 第一层 批量过程 顺序过程 现场 4.6 集散控制系统  过程控制级  主要任务 • 实时过程数据的采集和处理。 • 设备监测和系统测试与诊断。 • 实施安全性、冗余化方面的措施。 • 直接数字控制：根据系统需求，选择控制功能  三种方式： • 反馈控制：用于保证过程的关键变量按照工艺要求的规律变化 • 顺序控制：用于保证设备状态按照指定逻辑顺序(按时间、位置原则)变化 • 批量控制：针对间歇生产过程，将反馈控制与顺序控制相结合构成 4.6 集散控制系统  过程管理级  优化控制 • 当现场条件发生改变时，根据优化策略，进行分析计算，产生新的给定值 和调节值交由过程控制级执行。  协调控制 • 根据单元内的产品、原材料、库存以及能源使用情况，以优化准则协调相 互的关系等。  系统运行监视 • 监视整个系统的运行参数、状态，制定生产记录报表，进行报警显示，故 障显示、分析、记录等。 4.6 集散控制系统  系统运行监视可以分为操作员站和工程师站 o 操作员站 • 系统与操作人员之间的接口，为操作人员提供现场运行的状态、参数的当 前值以及是否有异常情况等的显示 • 提供系统相关操作，实现系统的管理 • 功能：显示画面；管理系统的正常运行 o 工程师站 • 面向工程师，提供对生产过程的监控操作，对系统进行离线配置、组态和 编程，实现生产过程的优化控制等功能的网络节点。 • 功能：系统离线配置与组态功能；系统监控功能；系统管理功能 4.6 集散控制系统  生产管理级  协调各控制单元参数给定值，对生产进行总体协调和控制  主要功能： • 根据订货、库存情况、能源情况等规划产品结构和规模，进行生产调度 • 对产品进行随时更新、重新组织和柔性调度 • 对工厂级的生产状况观察，监测产品质量，对产品产量和质量的相关数据 进行统计和报表制定，并向上层传递数据和信能 4.6 集散控制系统  经营管理级  经营管理级完成工程技术、商务事务、人事及经济等方面问题的 集体协调和管理任务，实现整个系统的最优化  功能：市场分析、用户信息的收集、订货统计分析、销售与产品 计划、合同事宜、接收订货与期限监测、产品制造协调、价格计 算、生产能力与订货的平衡、订货的分发、生产与交货期限的监 视、生产与订货报告、财政报告等 4.6 集散控制系统  通信网络特点 • 实时性强 • 长时间的高可靠性 • 高抗干扰能力 • 网络结构的层次性和开放性 4.7 现场总线控制技术  现场总线  国际电工委IEC61158标准，是一种安装在制造或过程区域的现场装置 与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线  广泛用于制造业、流程工业、交通、楼宇等自动化系统中  现场总线的特点  开放性  互操作性  智能化  分散化  环境适应性 4.7 现场总线控制技术  现场总线控制系统  现场总线控制系统 (Fieldbus Control System, FCS)是一种开放、具有 互操作性、彻底分散的分布控制系统。  FCS的特点: 开放性、分散性与数字通信 1、系统结构  利用现场总线网络，连接作为网络节点的智 能设备，构成开放、标准的自动化控制系统  使不同制造商的产品可以互连，从而简化系 统结构，降低成本，提高系统运行可靠性 现场总线接口 微计算机 信息处理单元 传感器 现场总线接口 微计算机 信息驱动单元 执行机构 现场总线仪表单元 4.7 现场总线控制技术 2、系统主要设备  必须是数字化、智能化仪表，具有支持现场总线系统的接口和符合现 场总线控制系统通信协议的运行程序  包括：检测变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备和监控设备等 3、系统特点 • 实时性、高可靠性 4、系统组成 • 测量系统、控制系统、管理系统 4.7 工业以太网控制系统  企业网络系统可按功能从底向上划分为过程控制层、制造执行层和企 业资源规划层。  上两层采用以太网技术实现网络集成与信息交互，包含监控、调度、 管理等功能  底层为现场总线控制网络，由现场总线设备、DCS、SCADA等组成， 完成生产现场测量控制功能，提供生产过程与设备的各种信息。 互联网 Internet 内部网Intranet 以太网 现场总线控制网络 企业资源规划层ERP 制造执行层MES 过程控制层PCS 4.7 工业以太网控制系统  工业以太网采用Ethernet+TCP/IP形式，底层是以太网标准，网络层和 传输层采用TCP/IP协议组  与计算机通信网络的不同主要体现： • 工业以太网要求数据传输的及时性和系统响应实时性 • 工业以太网强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性 • 由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统，通信方式多使 用广播或组播方式；信息网络中某个自主系统与另一自主系统一般 要使用一对一通信方式 4.7 工业以太网控制系统  工业以太网的发展趋势：  嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器将可以方便地接入工业 以太网，与互联网相连。  与Web技术相结合，实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远 程软件维护和远程设备诊断。  与计算机网络集成，组建成统一的企业网络，把管理、决策、市场 信息和生产控制信息结合起来，把各种应用协调成一个整体，实现 产品生产加工、原料供应与生产储运、市场信息、企业管理、决策 等过程的一体化