计算机控制系统 ¶

概述 ¶

反馈控制的基本逻辑 ¶

控制的基本要求：稳、准、快、优

四个基本环节 ¶

被控对象： - 工业过程（化工、制药、汽车生产…） - 运动对象（🏃‍♂️、🚗、🚴‍♂️、🚀…） - 社会科学（人口、经济、管理等）

检测仪表 - 主要作用：感知被测量信息；弥补感知不足→数据挖掘、深度学习等 - 主要关注：成熟可靠的仪器设备；不能测 不准确 不稳定 不及时 不完备

控制器 - 主要作用：系统分析 + 综合决策 - 主要关注：制定合适的控制算法、方略政策，使得系统达到平衡稳定、精准快速（稳、准、快）

执行器 - 主要作用：控制输出或政策执行，达成控制目标

反馈 ¶

正反馈

原理上致使受控量实际值和期望值偏差增大的反馈形式，系统趋向于不稳定状态

负反馈

原理上致使受控量实际值和期望值偏差减小的反馈形式，系统趋向于稳定状态

计控系统的组成 ¶

工作流程 ¶

系统可以按照功能分为前端、中端 h 和后端三块，前端包括大屏、操作站；中端包括控制站、控制柜；后端则为检测仪表和执行器

工作流程图如下

上图中几个关节环节解释： 数据采集：周期采集被控变量及相关变量的测量值 控制决策：对测量信号进行处理分析，产生控制信号，如PID 控制输出：把控制信号送给执行器，执行器动作进行调节

组成结构 ¶

1. 软件组成

系统软件：操作系统及其配套软件、数据库等

支持软件 ：开发应用软件的软件，如高级语言、组态软件

应用软件：针对特定需求开发的控制和管理程序

1. 硬件组成

主机系统；I/O 接口；现场仪表；被控对象

发展历程 ¶

直接数字量控制 Direct Digital Control，DDC¶

本质：用一台计算机取代一组调节器，构成闭环控制回路

优点：灵活，精度高，分时处理多个回路，实现复杂控制

突出问题：造价昂贵、成本很高

集中型计算机控制系统 ¶

优 越 性：集中控制 → 便于实现集中管理、便于实现复杂控制、优化控制功能

突出问题： - 当时的计算机性能低 → 容易出现负荷过载 - 控制集中 → 危险集中，集中度越高系统越“脆弱”。

集散 / 分布式控制系统 Distributed Control System, DCS ¶

特点：分散控制 & 集中管理

集中型缺点解决与优点继承： - 危险集中：控制功能分散到若干个控制站实现 - 信息集中：集中测控信息，满足整体管控目标 - 并且由于单片机的出现，控制站成本降低

DCS 是半数字的控制系统，还是半分散的控制系统

物理结构

引入“冗余”的手段，可靠性更高

其中冗余分为冷冗余，温冗余和热冗余 特别需要关注可靠性：控制站的部分不是所有设备都可以做冗余的

功能层次

从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。

• 常常将 2 个或多个功能层上的 ( 部分 ) 任务压缩到一个物理层上实现，简化 DCS。
• 最常见的为 2 级 DCS

分布式 IO 计算机控制系统 ¶

分布式：利用网络总线进行连通，每个地方的设备通过控制柜与 RIOU(Remote Input Output Unit) 连接。

现场总线控制系统 Fieldbus Control System，FCS¶

全数字、全分散的控制系统 现场仪表遵循统一通信协议具备数字通信功能

网络通信技术 ¶

相关概念

• 模拟信号与数字信号

模拟信号：连续的物理量 数字信号：不连续的物理状态

• 并行传输与串行传输

并行传输：以字或字节为单位、多个位同时传输；快、线多、不宜远距离通信 串行传输：逐位传输，慢、通信线少、适宜远距离通信

• 通信双方的交互方式

单工通 信：单一方向传输，没有反向交互 ( 如传统的键盘、鼠标通信 )； 半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时，应用广泛(只需2根通信线)； 全双工通信：双方可以同时交互数据，效率高，至少3根(共地)或4根通信线；

• 波特率

波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位 / 秒”表示

• 基带传输与频带传输

基带传输：数字信号的数字传输。按数字波形、以“位”流形式直接在信道上传输，速度较高，远距离传输易因信号衰减发生畸变（中继）；

频带传输：数字信号的模拟传输。也称为载波传输，发送端把数字信号调制成一定频带范围的模拟信号，接收方解调还原。如 HART 信号，FSK ；

宽带传输：适用于传输影像、语音信息。

串行总线 ¶

RS-232 总线

RS-232 标准是一种全双工通信协议 - 单端输入（单线共地），抗干扰能力弱 - 工作速率低（19.6Kbps）、通信距离短（15m，加Modem可延长）

RS-422 总线

RS-422 是由 RS-232 改进而来 - 采用差动、双线平衡传输，抑制共模干扰能力较强 - 接收器高输入阻抗，发送驱动能力更强 - 全双工通信 - 传输线允许连多个接收节点 - 最高传输速率为10Mbps,最大通信距离1200m（不加中继且与传输速率有关）

RS-485 总线

• 差动、双线平衡传输，共模干扰抑制能力强
• 最高传输速率 10Mbps，最大通信距离 1200m（不加中继且与传输速率有关）
• 半双工工作方式：任何时候一点发送、多点接收。通过发送使能控制，实现多点双向通信，多点互连非常方便
• 同一网段最大支持 32 个节点，如果使用特制芯片，可以连接 128 个甚至更多节点

现场总线 ¶

现场总线：连接现场设备、仪表的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。用于把遵循特定通信协议的控制系统现场仪表、设备连接组网

现场总线技术特征：

全数字→现场设备高度自治 全分散→系统结构高度分散 协议高度开放性（美好愿望而已，不是标准而是标准群） 实时以太网技术已被广泛接受

工业以太网 ¶

工业控制系统网络通信的特点：

• 短帧信息多、长帧信息少
• 周期性信息多（测量、控制信息），非周期性信息少（操作指令、组态信息；报警等突发性事件信息）
• 信息流向方向性明显
• 节点数少、网络负荷较平稳

!!! note " 工业以太网 " EPA：我国自动化领域首个国际标准。

检测仪表原理与选型 ¶

概述 ¶

仪表分类与信号制 ¶

按单元结构分类 - 变送器、执行器、控制器、显示器、安全栅…

按信号类型分类 - 模拟式、数字式

按能源形式分类 (24VDC 是主要用的) - 电动：24VDC、220VAC → 电流、电压、频率 - 气动：压缩空气 → 气压（可压缩）

仪表类型 ¶

(1) 基地式控制仪表 指示、调节等功能部件集成一体，一台仪表就能解决一个简单控制问题

(2) 单元组合仪表 按功能分成独立仪表单元，单元间用标准信号联系，根据需要组合构成控制系统

(3) 新型仪表：数字仪表、智能仪表、现场总线仪表 ......

信号制 ¶

信号制即信号标准，用于实现控制系统中不同单元互联互通，不同信号制的仪表需转换（翻译）方可互联

(1) 气动仪表的信号标准 GB777-1985/ IEC382 - 下限 0% 20KPa - 上限 100% 100KPa

(2) 电动仪表的信号标准 GB/T 3369-1989/ IEC381A

仪表负载能力是有限的！

(3) 数字仪表的信号标准 RS-232、RS-485、HART、各种现场总线标准（工业以太网）

在布线困难或远程检测控制的场合，无线通信，例如：ISA SP100.11a（支持多协议）、WirelessHART（易于无线扩展）、LoRaWAN/NB-IoT（低功耗、远程）......

无线通信协议简介 ¶

• 无线通信指用无线电波、红外线、光波等作为传输媒体的通信方式，在城市管理和工业控制领域有着越来越多的应用，如自动远传读数的燃气表、水表等等

常见的无线通信产品及其技术协议 - 蓝牙 IEEE 802.15.1：支持设备短距离通信(一般10m内)，如计算机、汽车、医疗设备 - WiFi IEEE 802.11：把有线网络转换成无线信号，是当今使用最广的无线网络传输技术 - ZigBee IEEE 802.15.4：一种短距离、低速率、低功耗、灵活组网、高效的无线网络技术，是物联网的主流技术，在工业、农业、智能家居等领域应用广泛。

两种介质访问控制协议 - CSMA/CD（Carrier Sense Multi Access/Collision Detection）：有线局域网，根据物理层电压实际情况现冲突检测，若发生冲突即停止发送，等待随机时间后重发，存在原理上的不确定性 - CSMA/CA（Carrier Sense Multi Access/Collision Avoidance）：无线局域网，采用RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send）握手机制来减少冲突的可能性。如握手不成功，发送方仍需根据协议机制等待随机时间再次发送RTS——减少冲突，也存在一定的不确定性

上述协议在通信距离、抗干扰性等方面存在局限，常用于消费电子产品，不适合复杂工业现场环境

三种主要的工业无线通信标准 - 国际HART通讯基金会发布的WirelessHART：兼容IEEE802.15.4标准 - 国际自动化学会（ISA）发布的ISA 100：对IEEE 802.15.4无线通信标准的扩展和优化 - 中国制定的工业无线网络标准WIA-PA：遵循IEEE 802.15.4体系架构

家用智能三表（水电气）的无线通信技术

，智能三表远程无线自动抄送读数功能主要采用 NB-IoT、LoRa 等无线通信技术，这两种技术甚至被称为“物联网之王”。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）：它构建于蜂窝网络之上，由电信通信运营商直接部署在 GSM、3G、4G 乃至 5G 基站网络上，终端设备通过基站和蜂窝网络把数据传送到行业服务器，主要用于连接低功耗、低数据量的物联网设备。由于基站覆盖半径通常几百米 到数公里，它需要相对密集的基站部署才能实现广域覆盖。

LoRa（Long Range），是一种超远距离无线传输方案，使用网关作为媒介（另外布置），终端设备直接与网关通信，然后网关将数据中继到行业服务器。相比而言，该方案具有终端功耗更低、可接入节点数更多等特点；每个网关可实现 5-15 公里的半径覆盖，更适合偏远地区数据传输或移动设备跟踪。

模拟信号传递 ¶

电流接收仪表输入阻抗 \(𝑅_I\) 一般较小，常为几十 ~ 几百 Ω 电压接收仪表输入阻抗\(𝑅_𝑈\)一般很大， 可近似开路

表防爆和防护 ¶

气动仪表无发热和引发火花的风险，不需要进行防爆 电动仪表则需要

各种分类 ¶

分类的流程如下 :

1. 防爆电气设备类别 | 防爆电气设备类别 | 设备类型 | |------------------|------------------------------------------------| | I 类 | 矿井下用的电气设备 | | II 类 | 除矿井之外的爆炸性气体环境用的电气设备 | | III 类 | 除矿井以外的爆炸性粉尘环境用的电气设备 |

2. 防爆类型

(1) 隔爆型 - 电路在壳体内部 - 壳体强度、接合面缝隙宽度及深度等影响防爆性能 - 开壳即丧失防爆功能

(2) 本质安全型（也称安全火花型） - 经过设计，使仪表在正常或规定的故障状态下，产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸。 - 大逻辑：低工作电压 + 低工作电流 = 限能 ia 等级(高标准)：在正常和 ≤ 2 个故障时均安全 ib 等级：在正常和 1 个故障时安全 - 可开壳维修，但维修设备也应本质安全

3. 爆炸性介质按照危险程度分级如下 | 电气设备类型 | 类别 | 级别 | 代表性物质 | 最小引爆火花能量 | |---------------------------------------|------|-------|------------|-----------------| | 煤矿井下电气设备 | I | I | 甲烷 | 0.280mJ | | 除煤矿之外的爆炸性气体环境用电气设备 | II | IIA | 丙烷 | 0.180mJ | | | | IIB | 乙烯 | 0.060mJ | | | | IIC | 氢气 | 0.019mJ | | 除煤矿以外的爆炸性粉尘环境用电气设备 | III | IIIA | 可燃性飞絮 | | | | | IIIB | 非导电性粉尘 | | | | | IIIC | 导电性粉尘 | |

4. 根据仪表外壳表面温度分为六个组别

5. 防爆标志

防爆标志 + 形式 [ 类别 ] + 级别 + 温度组别

例如：Ex ia IIC T5、Ex ia IIC T6、Ex d IIB T3

Ex：中国及国际电工委员会防爆标志

6. 系统防爆

变送器基本工作原理 ¶

变送器是将各种工艺参数转换成统一的标准电信号

信号类型及仪表调校 ¶

变送器 ¶

检测仪表选型 ¶

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