计算机控制技术应用

1、题目计算机控制技术的发展及应用学院电气工程学院专业自动化班级0943学号35姓名指导老师日期2012年11月10日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第一章引言.1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 第二章工业计算机的发展历程、特点及趋势2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.1工业计算机的发展历程2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2工业计算机的发展特点4 H

2、YPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.3工业计算机的发展趋势6 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 第三章计算机控制技术在化工生产中的应用.8第四章参考文献14引言第一章引言第一章引言计算机控制系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物，利用计算机来 实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结 构）和受控对象两大部分组成。随着计算机技术和现代控制理论的快速发展，特 别是在充分利用计算机技术的基础上取得了很大的进步，在生产过程中已发挥其 重要作用，成为生产过程安全、稳定、自

3、动化运行不可缺少的工具。以微处理器 为核心的自动化系统，从简单PLC （可编程序逻辑控制器）发展到今天的PLC 系统，和从开始仅代替拟调节系统的DCS，发展到今天融合PLC和DCS及计算 机功能为一体的所谓三电一体化的DCS系统。工业计算机的广泛应用已经渗入 到我们日常生活的各个方面，已由智能建筑、交通智能、车载计算机、医疗仪器 等工业领域扩展到无线基础设施、网络应用设备、网络安全、多媒体应用、金融 服务等网络通信与数字多媒体相关的领域。新的工业计算机体系结构有更强的交 互和互操作性，同时也是多种信息系统的融合平台。最后，工业计算机将朝着创 建一个开放、标准化平台的方向发展。第二章 工业计算机

4、的发展历程、特点及趋2.1工业计算机的发展历程1、STD总线技术开创了低成本工业自动化技术的先河工业计算机起源于20世纪80年代初期，其标志性产品是STD总线工业计 算机。STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定 的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，后被国际标准化组织吸收，成为 IEEE961标准。1991年，由信息产业部电子六所牵头成立了中国计算机行业协 会STDMG/P.R.C分会，在国内推广普及STD总线。STD总线技术是机笼式安装 结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低等特点，并且设 计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价

5、而可靠的计算机来改造和提升传统 产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工 业计算机发展史上留下了辉煌的一页。实践证明：可靠而国产化的工业计算机适 合中国国情。2、开放标准造就了一个PC-based系统时代1981年8月12日IBM公司正式推出了开放架构IBM PC机，震动了世界， 也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资 源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业计算机市场。美国著名杂 志控制工程在当时就预测，90年代是IPC工业计算机的时代，全世界近65% 的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长。历史的发展已经

6、证 明了这个论断的正确性。从1997年开始，我国的工业计算机厂商开始进入IPC 市场，促使IPC的价格不断降低，也使工业计算机的应用水平和应用行业发生极 大变化，应用范围不断扩大，IPC的应用从传统工业控制向数据通信、电信等对 可靠性要求较高的行业延伸。目前，中国IPC大小品牌约有15个左右，主要有 研华、凌华、研祥、华北工控等。值得一提的是，IPC开创了一个崭新的PC-based 时代，拉开了工业自动化和信息化技术走向开放平台的序幕。3、迅速发展和普及的工业计算机随着信息技术的快速发展，通信和计算的融合是大势所趋。计算机与通信技 术的发展使独立的业务应用逐步融合为更易使用的、集成的业务应用，

7、同时融合 带来了一个新的契机，它必须是一个兼容并蓄的通用平台，在这样的基础之上有 一个特点，就是一定要有一个开放的标准架构。这对工业计算机提出了更高的要 求。由于IPC结构和金手指连接器的限制，使其难以从根本上解决散热和高可用 性问题，1997年国际PICMG（PCI工业计算机制造者组织）发布了新一代工业计 算机技术CPCI，即PICMG2.0标准。为了在国内更好的推广新技术，1998年 STDMG/P.R.C分会正式更名为PICMG/P.R.C分会，并成为国际PICMG组织的 执行会员。如果说STD总线工业计算机解决了当时工业计算机的有无问题；IPC 解决了低成本和PC兼容性问题；那么CPC

8、I技术解决的是可靠性和可维护性问 题。CPCI是PCI总线的电气和软件加上欧洲卡，它具有在不关闭系统的情况下 的即插即用功能，该功能的实现对高可用系统和容错系统非常重要，2004年度 科技部科技型中小企业技术创新基金项目指南中的这段话，概括出了 CPCI技术 的主要特点和重要性。进入21世纪，工业计算机技术更是无处不在，它带来的 是一个充满联网设备的世界。融合通信最大的设备挑战是可用性和功能开发缓慢 等不利因素。提供全IP功能的通用平台可以支持业务差异化，整合内容和业务 支撑系统，将复杂的网络简单化，提供最佳用户体验。为此，2001年PICMG将 以太网包交换背板总线引入到CPCI标准中，为电

9、信语音增值服务设备和基于以 太网的工业自动化系统提供了新的技术平台。2002年，PICMG颁布了面向电信 的新标准AdvancedTCA，简称ATCA。ATCA比CPCI有更大的规格和容量、更 高的背板带宽、对板卡更严格的管理和控制能力、更高的供电能力以及更强的制 冷能力等。主要是为了解决电信系统目前主要面临的系统带宽问题、高可用性问 题、现场升级问题、可伸缩性问题、可管理性问题以及可互操作问题，并最终降 低成本。目前通信和计算机领域都在向开放标准演进，而ATCA的诞生恰恰赶 上了信息产业链变革的机遇。随着工业计算机应用的日益广泛，市场细分成为大 多数厂商的共同战略，也使工业计算机技术进一步细

10、分，流行的开放规格繁多， 主要包括：PCI-ISA、SHB、CPCI/PXI、ATCA/MTCA、VME/VPX、PC 104/Plus、 PMC、AMC、COM E、ETX；母板类包括 ATX、Micro ATX、BTX、DTX、Mini ITX、EPIC、3寸板、5寸板等。计算机控制技术的思想始于上世纪五十年代中 期，美国TRW航空公司与美国德克萨斯州的一个炼油厂合作，进行计算机控制 的研究，他们设计出了一个利用计算机控制实现反应器供料最佳分配，根据催化 剂活性测量结果来控制热水的流量以及确定最优循环的系统。这项具有跨时代意 义的工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术迅

11、速发展， 并被各行各业广泛应用。伴随着计算机技术的飞速发展，计算机控制技术也紧随 其后，迅猛的发展起来，其发展过程大致可以分为四个阶段，下面将逐一为您介 绍。2.2工业计算机的发展特点1、企业由模仿向自主创新转变经过多年的积累，我国的工业计算机企业正在经历着从中国制造到中国创造 的转变。研祥公司自主研制推出的新一代工业计算机EPI，解决了 IPC工业计算 机金手指连接方式不可靠，在多尘、潮湿、振动的环境下连接处易堵塞或氧化而 接触不良使工业计算机失效的问题，并且完全兼容PCI标准，具有开放性、良好 的散热性和抗振性、高稳定性、高可靠性等特点，而且加工工艺容易，成本低， 便于推广，已经成功应用于

12、国产数控装置。华北工控充分运用本土企业与客户沟 通好的优势，对新兴行业应用敏感，对需求把握准确，率先发掘数字高清标牌市 场，推出了国内第一款广告机。他们推出的嵌入式计算机应用于模卡电视，在 三网融合政策支持下，必将打开嵌入式计算机进入家庭的大门，使嵌入式计算 机第一次有机会跨入百万台规模门槛。2、工业计算机越来越被行业用户所接受工业计算机产品和技术的一个主要特点，就是属于中间产品，是为其他各行 业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算基础平台。随着社会信息化的不断深入， 国民经济许多行业的关键任务将越来越多地依靠工业计算机，而以工业计算机为 共性技术和基础平台的低成本工业自动化正在成为传统行业升级

13、改造的主流技 术路线，中国的工业计算机厂商所受到的重视程度也越来越高。随着电力、冶金、 石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，从数字家庭用的机顶盒、数字电视， 到银行柜员机、高速公路收费系统、加油站管理、制造业生产线控制，金融、政 府、国防等行业信息化需求不断增加，对工业计算机的需求很大，工业计算机市 场发展前景十分广阔。3、个性化和定制化是市场的主要形态工业计算机界不同于商用计算机采用大批量标准化的生产方式，在不同应用 有不同的功能需求设计，企业需针对用户需要设计符合其功能需求及外观的产 品。因产品复杂度较高，价格敏感度较低，毛利率较高，普遍均在30%以上，相 较于商用计算机市场，仍处于蓝

14、海市场。因单品数量少而小型供应商多，呈现长 尾市场特点。4、全生命周期管理使工业计算机走向服务化值得注意的是，近年来国际厂商提出了一个新的概念：预集成平台或整合平 台。它是在工业计算机技术发展的基础上继续向产业链下游发展的结果。国际厂 商不再把自己仅仅看作是工业计算机的供应商，而是针对用户的某一个项目或装 置的开发，从系统方案的制定开始，包括部件集成、硬件采购、软件配置、现场 调试、直到验收，全过程都由其承担。它们既是方案供应商，又是产品供应商， 还是系统集成商。这种做法既可以进一步满足用户的要求，同时也可以解决工业 计算机厂商目前价格过于透明，利润率降低的问题。但是这将要求厂商对应用行 业技

15、术发展走向、目标系统的设计要求、产业链上下游产品技术发展、不同类型 模块的功能和性能都要十分了解。这对国内工业计算机企业的技术能力、市场能 力、产业链支持提出了更高的要求和挑战。5、新兴产业与生产性服务业成为新增长点据一份关于安防监控市场发展的调查数据显示，在政府平安城市建设、城市报 警与监控系统（3111工程）等工程的推动下，加上奥运会、世博会等大型活动的 带动，2008年全国进入了安防设施建设的新高潮，安防监控行业持续保持了快 速的增长，年增长率达到20%以上，市场总规模达到1500亿元左右。以广东为 例，广东的目标是在2010年建成100万个视频监控摄像头，截至2009年，全省 共建成监

16、控摄像机92万个，其中2005年8月后新建62.6万个，投入资金约125 亿元。从技术角度来看，数字化视频监控正在成为监控行业发展的主流，工业计 算机正作为监控系统的控制核心；从运营模式来看，监控系统的集中构建也正在 逐步取代之前那种用户自主构建的模式，运营商正在成为监控产业链条中的一个 关键环节，他们凭借自身带宽和技术优势，建设电信级别的数字视频监控系统， 为用户提供从网络到设备、从建设到维护的解决方案。这样一来，数据的集中处 理不仅大幅提高了数据的安全效率和安全保障，同时最终用户也不必花费巨资去 建设和维护系统，从而降低了总体投入成本。如今，这种模式正在成为视频监控 行业发展的重要方向。在

17、电信级别的数字化监控系统中，工业计算机以强大的处 理能力、良好的稳定性以及便于扩展的模块化结构，一直是视频监控系统的核心 控制器。视频监控市场在未来保持快速发展，还得益于行业视频监控应用的领域 不断扩大，诸如环保监测系统、铁路与城市轨道交通应用，这些新应用将在我国 调结构、促发展的经济战略中获得长足发展，也是驱动工业计算机市场增长的长 期动力。除了视频监控领域，数字标牌市场也是另一个增长点。数字标牌(Digital Signage )是一种全新的媒体概念，指的是在大型商场、超市、酒店、影院及其他 人流汇聚的公共场所，通过屏幕终端显示设备，发布商业、娱乐和公共信息的多 媒体专业视听系统。在公共场

18、所中，只需借助数字标牌就能为公众传递信息，同 时配合操作简单的触摸屏技术更是适合不同人群的查询访问，扩大了信息传递的 范围。数字标牌为人们提供了全新的、动态的信息交流方式。在国外，还有人把 它与纸张媒体、电台、电视和因特网并列，称之为第五媒体。数字标牌的控制 核心就是嵌入式计算机。据市场研究公司iSuppli预测，数字标牌和专业显示屏 市场将继续增长，到2010年，全球市场的规模将增长到130亿美元。虽然国内 数字标牌产业虽然处于发展初期、市场导入期，但是以国内经济的发展速度和经 济规模，在未来国内市场必将成为数字标牌全球市场的重要组成部分，甚至成为 最大的单一市场。2.3工业计算机的发展趋势

19、1、工业计算机控制技术的网络化在当今，计算机技术和网络技术正以迅猛的速度发展着，与此同时，各种层 次的计算机网络在控制系统中的应用也越来越广泛，规模越来越大，控制系统的 网络化时代渐渐到来。除了先前提到的集散控制系统以外，现场总线控制系统 (Fieldbus Control System，简称FCS)也是计算机控制技术网络化下诞生的一个 新的控制结构。将控制系统网络化，使控制作用的实现不再局限于传统意义上的 控制系统，而是由各种仪表单元分别独立完成各自的工作，然后再通过网络进行 彼此间的信息交换和组织，并相互协作，最终实现预定完成的控制任务。这种近 似于模块化的思想，可以使各部分独立工作，不产

20、生干扰，有可以根据需要增减 控制网络中的个体，大大增强了系统的实用性。2、工业计算机控制技术的集成化计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System 简称 CIMS) 是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产模式，具有生产效率 高、生产周期短、产品质量高等一系列极有吸引力的优点。CIMS将成为21世 纪占主导地位的新型生产方式，世界上很多国家包括我国都已经把发展CIMS定 为本国制造工业的发展战略，并制定了许多由政府或工业界支持的计划，用以推 动计算机集成制造系统的开发与应用。计算机控制系统的集成化也已经成为当今 计算机控制技术的又

21、一发展趋势。3、工业计算机控制技术的智能化目前的典型智能控制方法有：模糊控制、专家控制、神经网络控制等。模糊 控制绕过了对象的不确定性、不精确性、噪声、非线性、时变性以及时滞性等影 响，实现简单，适应面广，但是其对控制规则的制定要求较高，对于复杂的工业 过程以及对象的动态特性并不是完全适合。专家控制尚未形成有普遍意义的理论 体系和设计方法，但是其作为一种智能控制形式，在实际中有着很广阔的应用前 景。神经网络控制的研究在近年来得到了越来越多的关注和重视，它在控制中的 应用已成为其中一个主要方面，它试图模拟人脑的功能，具有自适应和自学习的 功能，但实时性方面还存在问题。目前的各种智能控制方法各有优

22、缺点，因此， 将各种控制策略相互渗透，相互结合，取长补短，发展成更新型更实用的合成智 能控制策略已经成为了计算机控制技术的必然趋势之一。4、工业计算机控制技术的标准化任何技术的发展最终都会趋向于标准化，计算机控制技术也不例外，将计算 机控制技术标准化，可大大促进计算机控制技术的发展。目前国际公认的标准尚 未建立，但已有很多厂商愿意采用一些通用性较强的产品，相信不久的将来，计 算机控制技术必将建立一套国际化通用标准。第三章计算机控制技术在化工生产中的应用一、工艺工程及要求某化学反应过程油两个容器、一个反应池、一个产品池四部分组成，化学 反应过程如下图9-6所示。系统各部分之间油管道和泵连接，每个

23、容器都 有检测容器空和满的传感器。#1、#2容器分别用泵P1、P2将碱和聚合物 灌满，灌满后传感器发出信号，P1、P2泵关闭。#2容器开始加热，当温 度升到60 C时，温度传感器发出信号，关断加热器。然后，泵P3、P4 分别将#1、#2容器中溶液输送到#3反应池中，同时搅拌器启动，搅拌60s. 一旦#3反应池满或#1、#2容器空，则P3、P4停，处于等待状态。当搅 拌时间到，泵P5将混合液抽入#4产品池，直到#4产品池满或#3反应池 空。产品用泵P6抽走，直到0#4产品池空。完成一次循环，等待新的循环 开始。若化学反应过程中停电恢复供电，应能在原来的步骤继续自动进行 化学反应。图化等反应过程示

24、意图、控制流程根据化学反应流程及工艺要求，可绘出状态流程图如入9-7所示。控制系 统采用半自动方式，即系统每循环一次，自动停止在初始状态，等待再次 启动信号，才开始下一次循环。图中L为激活脉冲，用于初始阶段激活。 为了保证化学反应过程中停电后恢复供电，能在原来的步骤继续自动进行 化学反应，应选用M500起始的停电保持辅助继电器。M800A初始脉冲n 1 按钮SB图9-7控制系统状态流程图三、机型选择从图9-7控制系统状态流程图可知，输入信号有10号，均为开关量信号， 其中启动按钮1个，检测元件9个。输入信号有8个，也都为开关量，其 中7个用于电机控制，1个用于电加热控制。因此，控制系统选用FX

25、2-32MR可编程控制器即可满足控制要求。四、I/O地址编号将输入信号按各自的功能类型分好，并将状态流程图中的14个步序用辅 助继电器对应，编排好地址。列出外部信号与PLC的I/O 口地址编 号对照表，如表9-2所示。表9-2外部信号与PLC的I/O 口地址编号对照表输入信号输出信号辅助继电器名称功能编号名称功能编号名称编号名称编号SB启动按钮X000KM1P1泵接触器Y000LM80029止 步M509SQ1#1容器满X001KM2P2泵接触器Y0010步M50010止 步M510SQ2#1容器空X002KM3P3泵接触器Y0021步M50111止 步M511SQ3#2容器满X003KM4P

26、4泵接触器Y003c t H2步M50212止 步M512SQ4#2容器空X004KM5P5泵接触器Y0043步M50313止 步M513SQ5#3容器满X005KM6P6泵接触器Y0054步M504SQ6#3容器空X006KM7加热器接触器Y0065步M505SQ7#4容器满X007KM8搅拌机接触器Y0076步M506SQ8#4容器空X0107步M507SQ9温度传感器X0118步M508五、PLC梯形图程序设计该化学反应过程控制程序可以通过逻辑法进行编写。下面详细介绍逻辑法的编写思路：（一）列写逻辑方程由控制系统的状态流程图看出，控制主要是由单流程和并联分支两种基本 结构组成。根据状态流

27、程图，可以按照逻辑设计发的一般公式Mio击（XK 开+X自锁）*X关列写14个步序的状态连接表达式。（1）第0步为初始步 它的激活条件为（M8002+M513*X010），其中 M8002用于初始激活，建立循环；它的关断条件是泵1和泵2开， 即（M50T+M503） M501和M503都为ON时，第0步才被关断。 第0步逻辑表达式如下：M500=（M8002+M513*X010+M500）*（M501+M503）（2）第1步到第12步 包含了两组并列列序（即第1步至第5步，第6步至第12步）。其逻辑表达式为：M501=(M500*X000+M501)*M502 M501=(M500*X000+

28、M501)*M502 容器满；M503=(M500*X000+M503)*M504 容器满；M502=(M501*X001+M502)*M505M504=(M503*X003+M504)*M505按启动按钮SB、P1泵开，直到#1按启动按钮SB、P2泵开，直到#2#1容器满后，P1泵关闭；#1容器满后，P1泵关闭；M505=(M502*M504+M505)*(M506+M508+M510)#1、#2 容器都满后，加热器开启；M506=(M505*X011+M506)*M507池满或#1M506=(M505*X011+M506)*M507池满或#1容器空；M508=(M505*X011+M508

29、)*M509池满或#2容器空；M510=(M505*X011+M510)*M51160s时间到；M507=(M506*X002+M506*X005+M507)*M512P3泵关闭；M509=(M508*X004+M508*X005+M500)*M512P3泵关闭；M511=(M519*T250+M511)*M512搅拌计时;加温到60 C，泵3开启，直到#3加温到60 C，泵3开启，直到#3加温到60 C，搅拌机开启，持续#3池满或#1容器空，#3池满或#1容器空，M512=（M507*M509*M511+X512）*M513搅拌时间到，P5 泵开启;第13步为单序列结构，它的激活条件是M512=(M507*X007+M512+X006);它的关断条件