典型计算机控制系统简介

1、计算机控制技术典型计算机控制系统简介第 8 章 典型计算机控制系统简介本章的教学目的与要求掌握典型的计算机控制系统的结构、特点和设计方法。授课主要内容基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统基于可编程控制器的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系统分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）计算机集成制造系统（CIMS ）主要外语词汇Micro-Controller Unit （MCU）: 微 控 器 ，Digital Signal Processor（DSP）数字信号处理器重点、难点及对学生的要求说明： 带 “ * ”表示要掌握的重点内容，带“ *

2、 ”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统 *基于数字调节器的计算机控制系统*基于可编程控制器的计算机控制系统*基于嵌入式系统的计算机控制系统*分散控制系统（DCS） *现场总线控制系统（FCS） *计算机集成制造系统（CIMS ） *辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT ）复习思考题基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统基于可编程控制器的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系统分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）计算机集成制造

3、系统（CIMS ）参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大计算机控制技术学讲义计算机控制技术本章将简要介绍目前常用的比较典型的计 算机控制系统，主要包括基于PC总线的板卡 与工控机组成的计算机控制系统；基于数字调 节器的计算机控制系统；基于 PLC的计算机 控制系统；基于嵌入式系统的计算机控制系 统；分散控制系统；现场总线控制系统和计算 机集成制造系统。8.1 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统8.1.1 PC总线的工业控制机简介工 业 个 人 计 算 机(Industrial Personal Computer - IPC) 是一 种加固的增强型个人计算机，是指对工业生

4、产 过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制 用的计算机，简称工控机，它可以作为一个工 业控制器在工业环境中可靠运行。1 .工业PC的结构工业控制机的典型结构如图 8.1所示，主要 有以下几部分组成。(1)全钢机 箱(2)无源底板（ 3）工业电源（ 4） CPU 卡（ 5）其他配件2. 工 业 PC 的特点专门为工业工程控制现场设计的工业 PC机 与普通微机相比，有以下特点：（ 1 ）工业 PC 总线设计支持各种模块化CPU 卡和所有的IBM-PC/XT/AT 总线接口板。（ 1） 卡（CPU卡、CRT卡、磁盘控制卡和 I/O 接口卡） 采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化、插板式，以

5、便安装、更换和升级换代。所有的卡使用专用的固定架将插板压紧，防止震动引起的接触不良。（ 3）开放性好，兼容性好，吸收了PC 机的全部功能，可直接运行PC 机的各种应用软件。（ 2） 用和PC /AT 总线兼容的无源底板。它使用带有电源层和地的4 层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能力。无源底板带有4，6， 8， 12， 14 或 20 槽， 可插入 PC/XT 或 PC/AT 总线模板。（ 5） 机箱采用全刚机架，可防止电磁干扰；采用 150W-350W 带除尘过滤器地工业开关电源， 具有足够地负载驱动能力。机箱内装有双风扇， 正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。软盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震

6、，并有防尘门。（ 6） 可内装 RAM/ROM 电子盘卡以取代机械磁盘， 使 PC 机在工业环境下的操作具有高速、高可靠性、上电自动启动的功能。3. 常 用的工业控制机简介当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的工控机：工控机的生产厂家很多，国外有美国IBM 、ICS 、德国西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位高。我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均有较高的市场占有率，产品品种广泛。计算机控制技术国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康 拓、艾雷斯、北京华北等。8.1

7、.2基于PC总线的板卡简介1 .模拟量输入板卡（A/D卡）图8.2研华PCI-1713数据采集卡模拟量输入板卡根据使 用的A/D转换芯片和总线 结构不同，其性能有很大的 区别。基于PC总线的A/D 板卡是基于PC系列总线，如ISA、PCI等总线标准设计的，板卡通常有 单端输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器， 对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是 板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板 卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。 板卡的模拟信号采集的精度和速度指标通常 由板卡所采用的A/D转换芯片决定。2 .模拟量输出板卡（D/A卡） 模拟量输出板卡完

8、成数字量到模拟量的转换，D/A转换板卡同样依据其采用的 D/A转换芯片的 不同，其转换性能指标有很大的差别。D/A转 换除了具有分辨率、转换精度等性能指标外， 还有建立时间、温度系数等指标约束。模拟量 输出板卡通常还要考虑输出电平以及负载能 力。3 .数字量输入/输出板卡（I/O板卡）数字量输入输出接口相对简单，一般都需要缓图&4 PCI-1760 数字量输入输出卡冲电路和光电隔离部分，输入通道需要输入缓 冲器和输入调理电路，输出通道需要有输出锁 存器和输出驱动器。4 .脉冲量输入板卡工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋 转编码器、流量检测信号等，这些都要脉冲量 输入板卡或一些专用测

9、量模块进行测量。脉冲 量输入板卡可以实现脉冲数字量的输出和采 集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频 等不同工作方式，计算机可以通过该板卡。方便地读取脉冲计数值，也可测量脉冲的频率或 产生一定频率的脉冲。考虑到现场强电的干 扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算 机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量 的抗干扰能力。计算机控制技术8.1.3基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统的组成和特点1. 组 成基于工控机和板卡组成的计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。（ 1）硬件部分控制计算机参数检测和输出驱动（ I/O 通道人机接口（ 2）软件部分2. 特 点基于PC总线的计算机控制系

10、统是一个典型的 DDC 系统，因此它具有以下特点：（ 1）时间上具有离散性（ 2）采用分时控制方式（ 3）具有人机对话功能（ 4）控制方案灵活（ 5）危险集中8.2 基于数字调节器的计算机控制系统8.2.1 数字调节器简介1. 数 字调节器的分类数字调节器根据用途和性能的差异可以分为以下几种类型：（ 1）定程序控制器（ 2）可编程调节器（ 3）混合控制器（ 4）批量控制器2. 数 字调节器的结构（ 1） 数字调节器的硬件部分数字调节器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、 过程输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成（2）数字调节器的软件数字调节器器的软件分为系统程序和用户程序两大部分。

11、 系统程序 用户程序3. 数 字调节的特点（ 1）运算控制功能强（ 2）通过软件实现所需功能（ 3）带有自诊断功能（ 4）带有数字通讯功能（ 5）具有较有好的人机界面，通过数字调节器的人机接口，操作人员可以方便的对调节器进行操作。8.2.2 基于数字调节器的计算机控制系统简介由数字调节器的结构可以看出，数字调节器具又很强的控制功能，其内部不仅包含了输入输出通道，还包含了先进的控制算法和控制措施。使用数字调节器不但可以实现单回路控制，还可以实现诸如串级控制、前馈控制、变增益控制等复杂控制措施。因此， 由数字调节器组成的控制回路往往被认为是一个典型的直接数字控制（DDC）回路。另外，由于数字调节器

12、具有较强的通信功能，上位机可以读取回路数据，也可以设置回路参数。这样多台数字调节器与上位机一起就可以构成一个中小型的 DCS 控制系统。数字调节器可以与上位计算机一起组成中计算机控制技术小型DCS控制系统。数字调节器实现回路控 制，构成独立的DDC控制，多个数字调节器 控制的许多回路都与上位机进行通讯。上位机 负责采集数字调节器控制回路的状态，包括控 制器本身的手、自动工作状态、PID参数值、 输入及输出值等一系列信息，并通过通信模块 对控制器的控制设置必要的信息，如工作状态 的变更、参数的设置等。这种类型的控制系统 可如图8.7所示。图8.7系统的基本构成8.3基于可编程控制器的计算机控制系

13、统可编程控制器（PLC）是近十几年发展起来 的一种新型的工业控制器，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、 重量轻、 耗电省等特点，因而在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。8.3.1 PLC 简介1. PLC 的特点（1） 高可靠性（2） 功能齐全（3） 应用灵活（4） 系统设计、调试周期短（5） 操作维修方便PLC 主要缺点是人机界面比较差，数据存储和管理能力较差，虽然一些大型PLC 在这方面有了较大发展，但价格较高。2. PLC 的分类按地域范围PLC 一般可分成三个流派：美国流派、

14、欧洲流派和日本流派。按结构形式可以把PLC 分为两类：一类是CPU、电源、I/O接口、通信接口等都集成在一个机壳内的一体化结构。另一类是电源模块、CPU 模块、 I/O 模块、通信模块等在结构上是相互独立的，用户可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装固定在机架或导轨上，构成一个完整的PLC 应用系统，按 I/O 点数的多少又可将PLC 划分为超小型 PLC（ I/O 点数小于64点） 、 小型PLC（ I/O点数在65128点）、中型PLC （I/O点数范 围在129512点）和大型PLC （I/O点数范 围在 512点以上）等几种。3. PLC 的发展趋势（ 1）向大型网络化、综合化方向

15、发展（ 2）向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展8.3.2 PLC 的基本结构和工作原理1. PLC 的基本结构PLC 的基本组成与一般的微机系统相类似，主要包括：中央处理单元、存储单元、通信接口、外设接口、I/O 接口等2. PLC 的基本工作原理概括地讲，PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。每一次扫描所用的时间称为扫描时间，也可称为扫描周期或工作周期。顺序扫描工作方式简单直观，便于程序设计和 PLC 自身的检查。具体体现在：PLC 扫描到的功能经解算后，其结果马上就可被后面将要扫描到的功能所利用；可以在PLC 内设定一个监视定时器，用来监视每次扫描的时间是否超过规定

16、值，避免由于PLC 内部 CPU 故障使程序执行进入死循环。扫描顺序可以是固定的，也可以是可变的。一般小型PLC 采用固定的扫描顺序，大中型PLC 采用可变的扫描顺序。这是因为大中型PLC 处理的 I/O 点数多，其中有些点可能不必要每次都扫描，一次扫描时对某一些I/O 点进行， 下次扫描时又对另一些I/O 点进行， 即分时分批地进行顺序扫描。这样做可以缩短扫描周期，提高实时控制中的响应速度。8.3.3 基于PLC的计算机控制系统简介1. 基 于 PLC 的计算机控制系统的应用范围（ 1）用于开关逻辑控制（ 2）用于机械加工的数字控制（ 3）用于机器人控制（ 4）用于闭环过程控制（ 5）用于实

17、现工厂的无人化管理2. PLC 的控制系统的设计原则及内容（ 1） PLC 系统的设计原则关于 PLC 系统的设计原则往往涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为四点： 最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 确保计算机控制系统的可靠性。 力求控制系统简单、实用、合理。 适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面要留有余地。（ 2） PLC 系统设计包含的内容下面是 PLC 系统设计所要完成的一般性内容： 分析被控对象的工艺特点和要求，拟定PLC 系统的控制功能和设计目标； 细化 PLC 系统的技术要求，如I/0 接口数量、结构形式、安装位置等等； PLC

18、 系统的选型，包括CPU、 I/O 模块、接口模块等等； 编制 I/0 分配表和PLC 系统及其与现场仪表的接线图； 根据系统要求编制软件规格说明书，开发 PLC 应用软件； 编写设计说明书和使用说明书； 系统安装、调试和投运。3. PLC 系统的硬件设计第一步就是需要对被控生产对象的工艺过程和特点做深入的了解，这也是现场仪表选型与安装、控制目标确定、系统配置的前提。第二步需要创建设计任务书，设计任务书实际上就是对技术要求的细化，把各部分必须具备的功能和实现方法以书面形式描述出来。设计任务书是进行设备选型、硬件配置、软件设计、系统调试的重要技术依据，若在PLC 系统的开发过程中发现不合理的方面

19、，需要及时进行修正。第三步需要在满足控制要求的前提下，对系统所涉及的硬件设备进行选型。第四步需要设计安全回路。4. PLC 的控制系统的软件设计（ 1）前期工作首先需要制定控制方案、制定抗干扰措施、编制 I/0 分配表、确定程序结构和数据结构、定义软件模块的功能，然后编写应用软件的指令程序， 最后进行软件的调试和投运。如果在实现每一项任务的过程中发现不合理的地方，要及时进行修正。（ 2）应用软件的开发和调试根据功能的不同，PLC 应用软件可以分为基本控制程序、中断处理程序和通信服务程序三个部分。其中基本控制程序是整个应用软件的主体， 它包括信号采集、信号滤波、控制运算、结果输出等内容。8.4

20、基于嵌入式系统的计算机控制系统8.4.1 嵌入式系统概述1. 嵌 人式系统概念的由来2. 嵌 入式系统的特点从前面对嵌入式系统所作的概念可以看出嵌入式系统具有以下几个主要特征：（ 1）专用性强（ 2）精简设计（ 3）系统内核小（ 4）嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。（ 5）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体 中。（ 6）嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：（ 1）工业控制（ 2）交通管理（ 3）信息家电（ 4）家庭

21、智能管理系统（ 5） POS 网络及电子商务（ 6）环境监测（ 7）机器人8.4.2 嵌入式系统的硬件1 嵌入式微控制器（ Micro-Controller Unit,MCU ）2 嵌 入 式 DSP 处 理 器（ DigitalSignalProcessor, DSP ）3嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit,MPU ）4嵌入式片上系统（SystemOnChip, SoC ）8.4.3 嵌入式系统的软件1. 主 要流行的嵌入式操作系统（ 1） Linux（ 2） pCLinux（ 3） eCOS（ 4） Windows CE（ 5） VxWorks（ 6） RTX5l（7）位

22、/OS2. 嵌入式操作系统的功能（ 1）进程管理（ 2）内存管理（ 3）文件系统管理（ 4）设备驱动程序（ 5）系统调用8.4.4 基于嵌入式系统的计算机控制系统的设计1. 嵌 入式系统的主要设计方法（ 1）仿真器（ 2） BOOTROM（ 3） JTAG 接口2. 嵌 入式操作系统环境下的调试3. 目 前常用的几种嵌入式系统设计风格。（ 1）缩减 PC 系统（ 2）高级单片系统（ 3）单片机系统8.5分散控制系统（DCS）分散型计算机控制系统又名分布式计算机控制系统，简称分散型控制系统（DistributedControl System 即 DCS） 。 分散型控制系统综合了计算机（ Com

23、puter ） 技术、 控制 （ Control ）技术、通信（Communication ）技术、CRT显示技术即4C 技术，集中了连续控制、批量控制、 逻辑顺序控制、数据采集等功能。先进的分散型控制系统将以计算机集成制造系统（ CIMS ）为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。分散型控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则。系统安全可靠、 通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方法。8.5.1 DCS 的特点分散性和集中性，自治性和协调性，灵活性和

24、扩展性，先进性和继承性，可靠性和适应性，友好性和新颖性。8.5.2 DCS 的发展趋势（ 1）开放式系统发展（ 2）智能变送器，远程I/O 和现场总线的发展，进一步使现场测控功能下移分散（ 3） DCS、 PLC、 PCCS 相互渗透融合，形成数字化、模块化、 网络化分布式控制系统（ 4） 现场总线集成于DCS 系统是现阶段控制网络的发展趋势8.5.3 DCS 的层次结构DCS 按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想。DCS 从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。1. DCS 的直接控制层直接控制层是DCS 的基础，其主要设备是过程控制站（PCS

25、） ,PCS 主要由输入输出单元(IOU)和过程控制单元(PCU)两部分组 成。2. DCS 的操作监控层操作监控层是DCS 的中心，其主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关。3. DCS 的生产管理层生产管理层的只要设备是生产管理计算机( manufactory management computer, MMC ) , 一般由一台中型机和若干台微型机组成。4. DCS 的决策管理层决策管理层的只要设备使决策管理计算机( decision management computer, DMC ) ， 一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型机组成。5. 5.4 DCS 的硬件结构D

26、CS 硬件采用积木式结构，可灵活地配置成小、中、大系统；另外，还可以根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加功能。1. DCS 控制站的硬件结构控制站（CS）或过程控制站（PCS）只要由输入输出单元（ IOU ） 、 过程控制单元（ PCU）和电源三部分组成。2. DCS 操作员站的硬件结构操作员站（OS）为32位（或64位）微处理机或小型机，主要由主机、彩色显示器（ CRT） 、操作员专用键盘和打印机等组成。其中主机的内存容量、硬盘容量可由用户选择，彩色CRT 可选触屏式或非触屏式，分辨率也可选择，一般用工业 PC机（IPC）或工作站做 OS 主机， 个别 DCS 制造厂配专用OS主机， 前者是发展趋势，这样可增强操作员站的通用性及灵活性。3. DCS 工程师站的硬件结构工程师站（ES）为32位或64位小型机和高档微型机，主要由主机、彩色显示器（ CRT） 、键盘、打印机等组成，其中主机的内存容量、硬盘容量、CD 或磁带机为外部设备均可由用户选择。8.5.5 DCS 的软件技术1 DCS 的组态软件2