大型机电设备电气控制系统.

Date:2020/1/3Page:1大型机电设备电气控制系统Date:2020/1/3Page:2第一章概述Date:2020/1/3Page:3大型的施工机械设备的电气控制系统是整个设备的控制核心，作用非常关键，其电气控制系统也随着技术水平的不断进步而不断改进，当前，诸如TBM、盾构这样的典型大型机电设备的电气控制系统均采用最先进、可靠的技术与设备以保证性能的充分发挥。Date:2020/1/3Page:4系统可靠性与先进性1.1大型机电设备电气控制系统的基本要求与特点•电气控制系统是整个盾构系统的控制与操作核心，盾构工作环境恶劣、条件复杂、维护维修条件及保障能力差，所以作为整个设备核心的电气控制系统的可靠性对于保证盾构稳定高效可靠地工作是至关重要的。•因此，盾构电气控制系统设计的第一原则便是在保证盾构系统整体可靠性与性价比的前提下，采用当代最先进的自动控制与计算机控制技术。计算机数据采集系统在PLC控制系统的基础上可以同时实现施工数据的采集、显示、汇总、统计甚至分析，为施工管理人员科学管理、科学施工创造很好的条件。Date:2020/1/3Page:5继电—接触器控制系统1.2机械设备电气控制系统基本形式•继电—接触器控制系统以硬接线的方式保证顺序动作的实现，直观、形象，结构简单、价格便宜。广泛应用于各种机械设备。•但也存在很多缺点：–通用性和灵活性差、修改、调试不便；–不能实现机械设备模拟量参数的测试与自动控制；–经常产生电弧，容易烧损触点，从而造成开关动作不可靠、维修不便。•可靠性较低•虽然继电—接触器控制系统存在上述不足，但是仍能满足很多中小型机械设备的自动控制要求，仍是最基本的电气控制系统之一，同时也是盾构等大型机械设备电气控制系统设计的基础Date:2020/1/3Page:6无触点逻辑控制1.2机械设备电气控制系统基本形式•无触点逻辑控制系统与继电逻辑控制系统本质上是相同的，只是使用三极管、可控硅、数字集成电路等半导体元件替代继电器、接触器等有触点控制与执行电器。•因此，与继电—接触器控制系统相比较，具有体积小、可靠性好、反应速度快、寿命长等优点。Date:2020/1/3Page:7计算机控制系统1.2机械设备电气控制系统基本形式•随着微电子技术及计算机技术的飞速发展，机械设备的电气控制系统普遍采用了计算机，计算机以其强大的功能和灵活性为机械设备的设计与应用带来了前所未有的进步与发展，尤其是盾构这样的大型、超大型机械设备必须采用计算机控制系统才能满足其工艺与控制要求。•计算机控制系统的优点是功能强大、性能优异、可靠性高、抗干扰能力强、寿命长，缺点是系统组成不直观，，故障判断与处理较困难等，因此对系统使用与维护人员要求高，要求使用与维护人员具有较全面较扎实的计算机与自动控制方面的理论知识与实践经验。。Date:2020/1/3Page:8目前机械设备的计算机控制系统主要包括以下几类：1.2机械设备电气控制系统基本形式•嵌入式微控制器。•工业计算机控制系统•可编程控制器（PLC）控制系统•现场总线控制系统Date:2020/1/3Page:9嵌入式微控制器1.2机械设备电气控制系统基本形式•嵌入式微控制器具有体积小、功能强、抗干扰能力强、价格低廉等优点，广泛应用于各种机械设备的控制系统中，但一般应用于控制要求较简单的中小型机械设备或生产过程控制Date:2020/1/3Page:10工业计算机控制系统1.2机械设备电气控制系统基本形式•工业计算机—IPC是采用PC架构并采取多种有效技术措施以适应工业现场恶劣环境的计算机系统，因此，以工业计算机IPC为核心构建的控制系统具有系统开发方便，可以充分利用PC机的强大软件资源的优点，具有强大的数据运算和处理能力，功能强大、性能优异。可以比较容易的开发较复杂的控制程序，具有强大的数据处理与图形显示功能，所以比较适用于控制算法比较复杂的过程控制系统。Date:2020/1/3Page:11可编程控制器（PLC）控制系统1.2机械设备电气控制系统基本形式•可编程控制器是微型计算机技术与继电—接触器控制等常规控制技术相结合的产物，是在继电—接触器控制系统和计算机控制系统基础上发展起来的新型控制器。所以以PLC(可编程控制器)为核心组成的控制系统计既具有继电—接触器控制系统简单易懂易于理解的优点，也具有计算机控制系统的灵活方便、柔性强的特点，同时比一般的计算机系统具有可靠性强的优良特性。自1969年诞生世界上第一台PLC以来，很快被世界上机械设备控制系统及生产过程控制系统广泛采用，PLC一直是工业控制产品中市场占有率最高的产品。目前，诸如盾构这样的大型机械设备全部采用PLC控制系统。Date:2020/1/3Page:12现场总线控制系统1.2机械设备电气控制系统基本形式•现场总线控制系统是采用现场总线技术形成的控制系统，本质上是一种计算机局域网络系统。它是依靠具有检测、控制、通信能力的嵌入式控制器，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。所以，现场总线控制系统是一种全数字、全分散的控制系统。Date:2020/1/3Page:13第二章现场总线技术Date:2020/1/3Page:14§2.1现场总线的产生•现场总线（Fieldbus）是用于现场仪表、控制系统、控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的智能设备互连通讯网络。•现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。•它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统，是以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术；Date:2020/1/3Page:15•一、现场总线技术产生的背景•现场总线技术产生于二十世纪八十年代•是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求–开放性–通用性–可靠性•智能仪表为现场总线的出现奠定了基础Date:2020/1/3Page:16•二、传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），如图所示：Date:2020/1/3Page:17传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统Date:2020/1/3Page:18其主要特点：现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。Date:2020/1/3Page:19•主要缺点信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足企业信息化系统对底层数据的要求。Date:2020/1/3Page:20系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去。可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。Date:2020/1/3Page:21由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。可维护性不高：Date:2020/1/3Page:22•三、现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）是非常方便的。Date:2020/1/3Page:23有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是I/O方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控。这就是现场总线技术的初始想法。Date:2020/1/3Page:24•基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于数字信息，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。Date:2020/1/3Page:25§2.2现场总线技术概念•一、现场总线定义★ISASP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义—现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系★国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义—现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络Date:2020/1/3Page:26•因此，可以进一步理解为：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。•现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）是由以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点、用现场总线相连接组成的控制系统。这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。Date:2020/1/3Page:27•基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图所示：Date:2020/1/3Page:28•二、现场总线本质1.现场通信网络：用于过程控制及制造自动化的现场设备或现场仪表之间互连的通信网络。2.现场设备互连：传感器、变送器、执行机构等现场设备、现场仪表通过一对传输线实现互连。传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等，并可根据需要选择。Date:2020/1/3Page:292.互操作性：不同制造商的产品互联互通即互操作性。4.分散功能块：FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟控制站，实现了彻底的分散控制。Date:2020/1/3Page:305.使用通信线供电：6.开放式互连网络：FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟控制站，实现了彻底的分散控制。Date:2020/1/3Page:31•三、现场总线国际标准•由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状•据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种•号称为开放标准的也有二、三十种•现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，Date:2020/1/3Page:321.IEC61158国际标准：1999年底IECTC65（负责工业测量与控制的第65标准化技术委员会）通过以下8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准：IEC技术报告（即FF的H1)ControlNet(美国Rockwell公司支持）Profibus(德国西门子公司支持）P-Net（丹麦ProcessData公司支持）FFHSE（原FF到H2）SwiftNet（美国波音公司支持）WorldFIP（法国Alston公司支持）Interbus（德国PhoenixContact公司支持）Date:2020/1/3P