典型计算机控制系统简介

典型计算机控制系统简介基于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;计算机集成制造系统。18.1基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统

该类系统是一种非常典型的DDC控制系统，工控机通过基于PC总线的板卡进行实时数据采集，并按照一定的控制规律实时决策，产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行控制。该类系统具有组成灵活，成本低等特点，广泛应用于工业生产的各个领域。是目前在工业上用得比较多的一类系统。

28.1.1PC总线的工业控制机简介

工业个人计算机IndustrialPersonalComputer（简称IPC）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生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。早在20世纪80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。3工控机示意图西门子工控机研华工控机41.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。图8.1工控机典型结构图①全钢机箱②无源底板③工业电源④CPU卡⑤其他配件下一页5CPU板返回6无源底板返回72.工业PC的特点(1)专门为工业工程控制现场设计的工业PC机有以下特点：①支持各种模块化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT总线接口板。②所有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。82.工业PC的特点(2)④采用和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。⑤机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，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、硬盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震，并有防尘门。⑥可内装电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速﹑高可靠性。93.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。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。108.1.2基于PC总线的板卡简介基于PC总线的板卡是指计算机厂商为了满足用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板。基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡（D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典型板卡的性能和特点。111.模拟量输入板卡（A/D卡）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精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。12例如研华PCI-1710数据采集卡，如图8.2所示。该板卡具有32路单端或16路差分模拟量输入或组合方式输入等三种输入方式，它带有2500VDC隔离保护；采用12位A/D转换器，采样数率可达100kHZ；板载4K采样FIFO缓冲器；每个输入通道的增益可编程。图8.2研华PCI-1713数据采集卡132.模拟量输出板卡（D/A卡）

模拟量输出板卡完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形式以及负载能力。14例如研华PCI-1720模拟量输出卡，如图8.3所示。PCI-1720提供了四个用于PCI总线的12位隔离数字量到模拟量输出。它是过程控制、伺服控制和可编程电压源最好的解决方案。由于能够在输出和PCI总线之间提供2500VDC的隔离保护，PCI-1720非常适合需要高电压保护的工业场合，该板卡具有4路输出通道。图8.3研华PCI-1720模拟量输出卡153.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。

16例如研华PCI-1760光隔开关量输入输出卡提供了8路数字量输入通道和8路继电器输出通道。与传统卡比较，PCI-1760为每个数字量输入通道增加了可编程的数字滤波器。此功能使相应输入通道的状态不会更新，直到高/低信号保持了用户设定的一段时间后才改变。这样有助于保持系统的可靠性。图8.4PCI-1760数字量输入输出卡174.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。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。

18例如研华PCI-1780计数/定时卡，如图8.5所示，是基于PCI总线设计的接口卡，该卡使用了AM9513芯片，能够通过CPLD实现计数器/定时器功能，此外，该卡还提供8个16位计数器通道，该卡具有8通道可编程时钟资源，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz，多种时钟可以选择，可编程计数器输出，计数器门选通功能。图8.5PCI-17808通道定时/计数卡198.1.3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工业现场生产过程中的各种工况参数（温度、压力、流量、成分、位置、转速等）由传感器或一次测量仪表进行检测，然后经变送器把它们统一变换成4～20mA的电信号,经过模数转换器转换成数字量送入计算机。计算机则对被测信号按一定的控制规律（如PID规律）进行计算，计算出送给控制执行机构的控制量。控制量由计算机输出，经I/O接口送往输出通道，形成闭环控制。

201.组成（1）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①控制计算机控制计算机是控制系统的核心，可以对输入的现场信息和操作人员的操作信息进行分析、处理，根据预先确定的控制规律，实时发出控制指令，控制和管理其他的设备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境，一般选用工业控制计算机。211.组成（2）②I/O通道输入输出（I/O）通道在计算机控制系统中，完成传感器输出信号和工业控制计算机之间，或工业控制计算机和驱动元件之间信号的转换和匹配的功能，称接口电路。它使工业控制计算机能正确地接受被控对象工作状态的检测信号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制。

221.组成（3）③参数检测被控对象需要检测的参数分为模拟量参数和开关量参数两类。对于模拟量参数的检测，主要选用合适的传感器，通过传感器将这类参数转换为成正比例的模拟量电信号。开关量参数检测常用的元件有行程开关、光电开关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放等开关型元件来完成，通过这些元件向计算机输入开关量电信号。231.组成（4）④输出驱动被控对象的输出驱动，按输出信号形式不同，也可分为模拟量信号输出驱动和开关量输出驱动两种。模拟量信号输出驱动主要用于伺服系统控制、变频控制和调节阀等，开关量输出驱动主要用于控制只有两种工作状态的驱动元件的运行。241.组成（5）⑤人机接口人机接口是操作人员和计算机控制系统之间信息交换的设备，是计算机控制系统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠标和显示器等组成。直接使用键盘和鼠标等输入控制命令和指令数据，使用显示器显示运行状态和故障并帮助查找和诊断故障，以及运行中间数据的检查、运行过程的统计等。25（2）软件部分计算机控制系统的软件由系统软件和用户程序两部分组成。系统软件有计算机操作系统、监控程序、用户程序开发支撑软件，如开发语言、编译软件、调试工具等。用户程序是指控制系统中与控制对象或控制任务相应的控制程序。应用程序一般都由用户自己根据控制系统的目标、资源配备情况开发完成。262.特点基于PC总线的计算机控制系统是一个典型的DDC系统，因此它具有以下特点：（1）时间上具有离散性计算机DDC系统对生产过程的有关参量进行控制时，是以定时采样和阶段控制来代替常规仪表的连续测量和连续控制的。因此，确定合适的采样周期和A/D、D/A转换器的字长是提高系统控制精度、减少转换误差的关键。27（2）采用分时控制方式

DDC系统中的一台计算机要控制多个回路，为此，该类系统采用“分时”控制的方法，即将某一回路的采样和A/D转换、运算、输出控制三部分的时间与其前后回路错开，放在不同的控制时间里。这样，既保证了控制过程的正常进行，又能充分利用系统中的各种设备，提高了控制效率。28（3）具有人机对话功能计算机控制系统的人机对话是一种计算机控制系统必须具备的操作者和计算机系统互相联系的功能。操作者通过输入设备向计算机送入控制命令，计算机系统则通过输出设备送出有关信息。一般的计算机DDC系统除了普通的各种指示外，还都通过相应接口连接显示屏、打印机、控制键盘、越限报警装置等。29（4）控制方案灵活

对于一个模拟系统，控制算法是由硬件实现的，硬件确定后控制算法也就确定了，而计算机DDC控制系统的控制算法是由软件实现的。通过改变程序即可达到改变控制算法的目的，不仅方便灵活，并且还可实现复杂的控制规律。对于多回路控制系统，计算机DDC系统具有价格优势，路数越多，这种优势越明显。

30（5）危险集中由于这类系统中一台计算机控制几十个回路，所以一旦计算机的软件或硬件出现故障将会使整个系统瘫痪。DDC系统的计算机直接与生产过程连接，而工业现场的环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，不仅需要计算机本身具有较高的可靠性，必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使之能适应各种工业现场

。318.2基于数字调节器的计算机控制系统

328.2.1数字调节器简介数字调节器是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等。

331.数字调节器的分类（1）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）定程序控制器制造厂把编好的程序固化在控制器的ROM中，用户只需要通过组态，不必编写程序，它适合于典型的对象和通用的生产过程。（2）可编程调节器用户可以从调节器内部提供的诸多功能模块中选择所需要的功能模块，用编程方式组合成用户程序，使调节器按照要求工作。这种调节器优点是使用灵活，编程方便，缺点是需要编程器，而且需要编程序才能使用，对使用者要求较高。341.数字调节器的分类（2）（3）混合控制器这是一种专为控制混合物成分用的控制器，虽然前两种控制器也能用在混合工艺中，但不如这种经济方便。（4）批量控制器这是一种常用于液体或粉粒体包装和定量装载用的控制器，特别为周期性工作设计。352.数字调节器的结构模拟调节器只是由硬件（模拟元器件）构成，它的功能完全由硬件决定，因此其控制功能比较单一；而数字调节器是由微处理器为核心构成的硬件电路和有系统程序、用户程序构成的软件两大部分组成，其功能主要是由软件所决定，可以实现不同的控制功能。36(1)数字调节器的硬件部分图8.6数字调节器的硬件电路37(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。①系统程序系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使控制器实现用户所规定的功能。38②用户程序用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来，其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作。

393.数字调节器的特点（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408.2.2基于数字调节器的计算机控制系统简介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方案。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。

41数字调节器可以与上位计算机一起组成中小型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。这种类型的控制系统可如图8.7所示。通信协议……计算机数字调节器数字调节器被控对象图8.7系统的基本构成428.3基于可编程控制器的计算机控制系统可编程控制器（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。438.3.1PLC简介1.PLC的特点PLC是专为工业环境而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，能够较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。44（1）高可靠性PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：所有输入输出接口电路均采用光电隔离。各模块均采取屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。具有完整的监视和诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大。大型PLC还采用由双CPU构成的冗余系统，使可靠性进一步提高。45（2）功能齐全PLC的基本功能包括：开关量输入输出，模拟量输入输出，辅助继电器，状态继电器，延时继电器，锁存继电器，主控继电器，定时器，计数器，移位寄存器，凸轮控制器，跳转和强制I/O等。PLC的扩展功能有联网通信、成组数据传送、PLD闭环回路控制，排序查表功能，中断控制及特殊功能函数运算等功能。PLC有丰富的I/O接口模块，PLC针对工业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等）都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接相连。46（3）应用灵活除了单元式小型PLC外，绝大多数PLC采用标准的积木硬件结构和模块化的软件设计，使其不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。47（4）系统设计、调试周期短PLC的安装和现场接线简单，可以按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有购买硬件设备之前，就进行“软接线”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。48（5）操作维修方便PLC采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程与功能助记符编程，使用户能十分方便读懂程序和编写、修改程序。操作人员经短期培训，就可以使用PLC。其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有醒目的显示。因此，操作人员、维修人员可以及时准确地了解机器故障点，利用替代模块或插件的办法迅速排除故障。492.PLC的分类(1)按地域范围PLC一般可分成三个流派：美国流派、欧洲流派和日本流派。这种划分方法虽然不很科学，但具有实用参考价值。一方面，美国PLC技术与欧洲PLC技术基本上是各自独立开发而成的，二者表现出明显的差异性，而日本的PLC技术是由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继承，也有发展，而且日本产品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的产品面临的市场相同，用户的要求接近，相互借鉴就比较多，技术渗透得比较深，这都使得同一地域的PLC产品表现出较多的相似性，而不同地域的PLC产品表现出明显的差异性。502.PLC的分类(2)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，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列产品，西门子公司的S7-200系列产品。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，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。512.PLC的分类(3)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65～128点）、中型PLC（I/O点数范围在129～512点）和大型PLC（I/O点数范围在512点以上）等几种。小型及超小型PLC在结构上一般是一体化形式，主要用于单机自动化及简单的控制对象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增强了数据处理能力和网络通信能力，可构成大规模的综合控制系统，主要用于复杂程度较高的自动化控制，并在相当程度上替代DCS以实现更广泛的自动化功能。523.PLC的发展趋势随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的不断延伸，PLC的结构和功能也在进行不断地完善和扩充，实现控制功能和管理功能的结合，以不同生产厂家的产品构成开放型的控制系统是主要的发展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路，目前绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。就PLC系统而言，现代PLC主要有以下两种发展趋势。53（1）向大型网络化、综合化方向发展由于现代工业自动化的内涵已不再局限于某些生产过程的自动化，而是实现信息管理和工业生产相结合的综合自动化，强化通信能力和网络化功能是PLC发展的一个重要方面，它主要表现在：向下将多个PLC、远程I/O站点相连；向上与工业控制计算机、管理计算机等相连构成整个工厂的自动化控制系统。例如：A-B，SIEMENS，MODICON等多数生产厂家的PLC产品都已具备类似的功能。54（2）向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展随着应用范围的扩大，体积小、速度快、功能强、价格低的PLC广泛渗透到工业控制领域的各个层面。小型化发展具体表现为：结构上的更新、物理尺寸的缩小、运算速度的提高、网络功能的加强、价格的降低，当前小型化PLC在工业控制领域具有不可替代的地位。

558.3.2PLC的基本结构和工作原理中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线照明电磁装置执行机构。。。。输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关561.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。57（1）中央处理单元中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。在20世纪70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微处理器芯片的档次差别很大，因此，不同类型的PLC的CPU所采用的微处理器芯片的档次相差很大。随着超大规模集成电路技术的进步和发展，微处理器价格的下跌，中小型PLC也能使用功能强、速度快的高档微处理器作为其CPU。

58(2)存储器PLC常用的存储器类型：RAM(RandomAccessMemory)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)FLASHROM59

(3)电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的可靠的电源，系统还是无法正常工作，因此PLC的制造商对电源的设计可和制造也十分重视。不论是小型PLC还是中、大型PLC所采用的电源，其性能都一样，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。60（4）I/O模块

PLC的I/O模块式工业现场种种设备与PLC之间传输信息的接口，包括数字I/O模块、模拟I/O模块和智能I/O模块。数字I/O模块包括数字量输入和输出两种模块。模拟量I/O模块包括模拟量输入和输出两种模块。智能I/O模块是完成某些独立的特定功能的I/O模块，常用的智能I/O模块有PID模块、定位模块、高速计数模块等。61（5）通信接口模块通信模块为PLC之间以及PLC与计算机等智能设备间提供通信接口。

622.PLC的基本工作原理PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户执行程序阶段，PLC的CPU按由上而下的顺序一次扫描用户程序，并根据程序执行结果刷新I/O映象寄存器。用户程序执行结束后进入输出刷新阶段，刷新所有的输出。63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。648.3.3基于PLC的计算机控制系统简介由于PLC具有诸多优点，使得PLC应用十分广泛。现在，PLC已经广泛应用在钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车装卸等各行各业。651.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）用于实现工厂的无人化管理662.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：①最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。②确保计算机控制系统的可靠性。③力求控制系统简单、实用、合理。④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。67（2）PLC系统设计包含的内容PLC的种类很多，不同类型的PLC在性能、适用领域等方面是有差异的，它们在设计内容和设计方法上也会有所不同，通常还与设计人员习惯的设计规范及实践经验有关。但是，所有设计方法要解决的基本问题是相同的，下面是PLC系统设计所要完成的一般性内容：68①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；②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；③PLC系统的选型，包括CPU、I/O模块、接口模块等等；④编制I/0分配表和PLC系统及其与现场仪表的接线图；⑤根据系统要求编制软件规格说明书，开发PLC应用软件；⑥编写设计说明书和使用说明书；⑦系统安装、调试和投运。693.PLC系统的硬件设计设计一个良好的控制系统，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。一个复杂的生产工艺过程，通常可以分解为若干个工序，而每个工序往往又可分解为若干个具体步骤，这样做可以把复杂的控制任务明确化、简单化、清晰化，有助于明确系统中各PLC及PLC中I/O的配置，合理分配系统的软硬件资源。70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，需要及时进行修正。通常，设计任务书要包括以下各项内容：71①数字量输入总点数及端口分配；②数字量输出总点数及端口分配；③模拟量输入通道总数及端口分配；④模拟量输出通道总数及端口分配；⑤特殊功能总数及类型；⑥PLC功能的划分以及各PLC的分布与距离；⑦对通信能力的要求及通信距离。72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。PLC硬件设备的选型应该追求最佳的性能价格比。硬件设备的选型主要包括CPU、I/O配置、通讯、电源等方面进行考虑。73第四步需要设计安全回路。安全回路是能够独立于PLC系统运行的应急控制回路或后备手操系统。安全回路一般以确保人身安全为第一目标、保证设备运行安全为第二目标进行设计，这在很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的规定。一般来说，安全回路在以下几种情况下将发挥安全保护作用：设备发生紧急异常状态时；PLC失控时；操作人员需要紧急干预时。744.PLC的控制系统的软件设计PLC用户程序的设计过程可分为两个阶段，即前期工作和应用软件的开发和调试。在软件设计过程中，前期工作内容往往会被设计人员所忽视，事实上这些工作对提高软件的开发效率、保证应用软件的可维护性、缩短调试周期都是非常必要的，特别是对较大规模的PLC系统更是如此。75（1）前期工作前期工作主要包括制定控制方案、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。（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。对于整个应用软件来说，程序结构设计和数据结构设计是程序设计的主要内容。合理的程序结构不仅决定着应用程序的编程质量，而且还对编程周期、调试周期、可维护性都有很大的影响。76（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。对于整个应用软件来说，程序结构设计和数据结构设计是程序设计的主要内容。合理的程序结构不仅决定着应用程序的编程质量，而且还对编程周期、调试周期、可维护性都有很大的影响。778.4基于嵌入式系统的计算机控制系统一般来讲，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统的应用得到了广泛的发展，嵌入式系统已经应用到了信息家电、手持机、环境监测、工业控制等各个领域，本节对嵌入式系统的概念、软硬件技术以及由其组成的控制系统进行简要介绍。788.4.1嵌入式系统概述嵌人式系统概念的由来1976年，Intel公司推出了8048，称为单片机（SCC，SingleChipComputer）。这个只有1KBROM和64BRAM的简单芯片成为世界上第一个单片机，开创了将微处理机系统的各种CPU外的资源，如：ROM、RAM、定时器、I/O端口、串行通信接口及其他各种外围功能模块集成到单个芯片的时代。现在单片机已经成为一个十分庞大的家族，许多新出现的单片机也称为嵌入式微处理器，专门面向嵌入式应用。79针对特定应用、特定功能开发的嵌入式系统，要求该系统与所嵌入的应用环境成为一个统一的整体，并且往往有紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术要求。这样一种应用目标使得这一应用领域要去研究它的独特的设计方法和开发技术，这就是今天嵌入式系统这一名称的含义，也是嵌入式系统成为一个相对独立的计算机研究领域的原因。802.嵌入式系统的特点(1)（1）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。（2）精简设计嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。812.嵌入式系统的特点(2)（3）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5KB，而Windows的内核则要大得多。（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。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，合理利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real-TimeOperatingSystem）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。82（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。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。833.嵌入式系统的应用领域(1)（1）工业控制基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前己经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。（2）交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术己经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。843.嵌入式系统的应用领域(2)（3）信息家电这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。（4）家庭智能管理系统水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有专用控制芯片的智能仪表将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。853.嵌入式系统的应用领域(3)（5）POS网络及电子商务公共交通非接触式智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可行遍天下。（6）环境监测环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。86（7）机器人嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其他方面的应用。可以说，嵌入式系统已经进入到现代社会人们生活的方方面面，尤其在控制方面的应用。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。878.4.2嵌入式系统的硬件从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU,MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都开始大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类：881.嵌入式微控制器（Micro-ControllerUnit,MCU）嵌入式微控制器芯片内部集成了ROM/EPROM，RAM，总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串口、脉宽调制输出、A/D,D/A，Flash,EEPROM等各种必要功能接口和外设。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。由于MCU低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051,MCS-251,MCS-96/196/296,P51XA以及MCU8XC930/931,C540,C541，并且有支持IC,CAN-BUS,LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。892.嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理论算法在20世纪70年代就已经出现，但是专门的DSP处理器还未出现，随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。903、嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit,MPU）嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前流行的嵌入式处理器很多，主要类型有Am186/88，386EX，SC-400，PowerPC，68000，MIPS，ARM/StrongARM系列等。其中ARM/StrongARM是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档价位。914.嵌入式片上系统（SystemOnChip,SoC）片上系统SOC是单一芯片上集成诸如MCU、RAM、DMA、I/O等多个部件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，只需要使用精确的硬件描述语言，直接生成可以交付芯片生产厂家生产的网表文件。由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，现在许多专用芯片，如手持机、语音、加密等芯片多为SOC芯片。比较典型的SOC产品是Philips的SmartXA。928.4.3嵌入式系统的软件嵌入式系统是一个应用系统，它应该是一个硬件和软件的统一体。而软件在嵌入式系统中将占有更为重要的位置。嵌入式系统的软件可以分为系统软件和应用软件两个层次。当应用问题较为简单时，也许不必有很清晰的软件分层。

931.主要流行的嵌入式操作系统对于嵌入式系统，它比通用计算机具有更简单的结构。它很可能不配置CRT显示器，不需要文件系统，由于内存空间较小也没有存储器管理功能。同时，嵌入式系统总是希望加载的操作系统软件不能占据过大的内存空间，不能消耗过多的系统软硬件资源。嵌入式系统的操作系统，除了对于缩减PC系统目前仍采用DOS等PC上的流行操作航以外，基本上有两大趋势：一类是面向高级单片的，另一类是针对8位、16位单片机。以下是几个目前流行的嵌入式操作系统。94（1）LinuxLinux已经成为Windows系统问世以来最热门的操作系统之一。它的开放性使众多的情开发者为它打造了非常坚实的基础。同时，它也派生出众多的类似系统。（2）µCLinuxµCLinux是一个缩减的Linux系统，特别适合于用在不需要内存管理的高级单片嵌入尤系统上。类似于µClinux的Linux操作系统的缩减版本，现在越来越多。相信经过一段时厨的实践检验，会优选出理想的嵌入式Linux操作系统。（3）eCOSeCOS是一个代码开放的嵌入式操作系统，具有良好的系统功能和应用支持，可以在许多高级单片上运行。95（4）WindowsCEWindowsCE是Windows的嵌入式系统版本，具有类似Windows风格的用户界面，可以与Windows环境下的软件很方便地接口。但是，它的代码是不开放的。（5）VxWorks

VxWorks是一个功能完善的嵌入式操作系统，但是它的代码也是不开放的。（6）RTX5lRTX51是专门针对8051设计的操作系统，代码紧凑、体积小巧。已经在很多应用中证明这是一个成功的8位单片机的操作系统，代码完全开放。96（7）µC/OSµC/OS是一个特殊风格的嵌入式操作系统，它有多种版本，可以适应从x86到8051的各种不同类型不同规模的嵌入式系统，代码开放。但是，它的一些改进版本，开始放弃代码开放的原则。如果只是针对8051系列构成的嵌入式系统，显然可以选择的合适的操作系统只有RTX51和µC/OS等少数几种。这几种操作系统主要是由于受到8051本身资源的限制，功能都相对较为简单。但是，它们开放的源代码和较小的代码量，也给嵌入式系统设计者提供了彻底掌握这一操作系统的条件。972.嵌入式操作系统的功能在操作系统的支持下，应用软件可以通过操作系统来与硬件打交道。这为嵌入式系统脱离特定的硬件环境提供了条件，也使得软件的可靠性、安全性增加了。利用操作系统软件的特权性，可以保证嵌入式系统始终工作在有效控制之下。操作系统的功能主要体现在以下几个方面。98（1）进程管理进程是一个运行中的程序。在操作系统中，进程具有独立性。多个进程在操作系统的调度下，分时、并发地运行。这样的结构，使得软件的开发可以按相对简捷的功能模块分别进行；可以利用一种所谓的信号灯机制，实现各个进程之间的通信，分配进程对各种资源的占用；可以利用进程调度，避免系统陷入死循环或崩溃；可以将进程设置为不同的优先级别，例如系统级或用户级，来保证系统的安全性。99（2）内存管理内存管理是将计算机的内存分成若干页面，对各个页面赋予不同的特性和访问逻辑地址。利用内存页的不同特性，可以实现不同的访问特性。例如，可以为特殊的任务分配特定的内存页，同时也避免了其他任务侵入这一内存页。由于内存访问的实时性，这种页面的分配是由硬件实现的。一般来说，是依赖于CPU的支持来实现的。

100（3）文件系统管理文件系统是计算机系统的一个特殊组成部分。文件系统将计算机管理的大量数据以特定的结构保存在存储系统中，这个特殊的数据结构就是文件。文件系统一般建立在外存储器中，如磁盘、磁带、光盘等等，以满足数据容量的要求。但是，在特殊的情况下，文件系统也可以建立在计算机的内存中。101（4）设备驱动程序在操作系统的管理下，应用程序不必要也不应该与底层的各种设备直接打交道。应用程序可以经过操作系统提供的设备管理手段，即设备驱动程序，来使用系统的设备。设备驱动程序一般包括对设备的初始化，检查设备状态，控制设备动作，对设备进行读写操作等功能。102（5）系统调用一个操作系统的各项功能，往往通过一系列应用软件可引用的程序模块来实现，称为系统调用函数或应用编程接口。这些系统调用模块经过比较严格的测试和实用考验，用它们作为整个应用系统的基础可以保障系统的稳定性和可靠性。1038.4.4基于嵌入式系统的计算机控制系统的设计嵌入式系统的主要设计方法（1）仿真器从微处理机诞生至今，开发方式一直沿用的是仿真器技术，即利用一台仿真器，模拟取代应用系统的部分电路，可能是CPU，可能是程序存储器，也可能是某几个部分电路的组合。通过调试主机对取代电路的控制，可以获得程序运行过程的状态，可以控制程序运行的走向，从而达到调试的目的。这种开发方式，也较为适用于可以插拔的单片机芯片，对于表面贴装的芯片往往难以实现仿真器与调试样机的方便连接。104（2）BOOTROM这种方式是在嵌入式系统中事先驻留一个ROM引导程序，一般称为BOOT。开机后首先运行BOOT程序，实现与调试主机的联机。有的单片机也采用特殊的系统复位启动过程来激活驻留的BOOT程序。利用BOOT程序，嵌入式系统可以通过经通信接口的下载来获得系统的全部程序。BOOT程序一般在完成下载任务后，就将系统的控制权交给下载生成的系统程序，并且不再起作用了。BOOTROM方式要求嵌入式系统必须起码保证能够运行BOOT程序，能够实现代码下载功能，这样才能保证后续程序调试过程的进行。105（3）JTAG接口所谓JTAG技术，最初是一种测试技术。它通过一个标准接口，用串行方式来设置和获得元件的输入和输出信号，从而实现对元件初始状态的控制和运行状态的判断。这个标准接口就称之为JTAG接口，基本引脚有4个。由于巧妙的设计，具有JTAG接口的元件可以将各自的JTAG接口串联起来，最终的接口引脚仍然是4个。因此，系统内的多个具有JTAG接口的元件，最终可以只用一个4个引脚的JTAG接口来实现全部功能。利用JTAG技术可以实现嵌入式系统的调试，目前常用的方式，往往只需要利用一台PC作为调试主机，利用PC的打印机接口控制信号，经过逻辑组合来产生直接与嵌入式系统连接的JTAG接口。1062.嵌入式操作系统环境下的调试

开发一个嵌入式系统，与在一个通用微机上的开发工作是不同的。由于硬件及软件上的不可靠因素，新设计的嵌入式系统往往要经过细致的时序分析来排除硬件故障，这是一项费时费力的开发工作。在嵌入式系统中引入操作系统，为避免这一工作提供了条件。在一个共同的操作系统平台上，多进程程序设计、团队式开发组织都成为可能。当引入了操作系统的进程概念，嵌入式系统的应用功能实现就可以分解成许多相对独立的进程，在操作系统的统一管理下完成系统的应用目标。这些进程的设计、调试可以相对独立地进行，通过多人的协同作战来提高开发效率。1073.目前常用的几种嵌入式系统设计风格（1）缩减PC系统所谓缩减PC系统，是指利用PC体系结构设计的嵌入式系统，例如利用PCI04模块构成工业控制装置就是比较典型的设计。这种设计是建立在技术上已非常成熟的PC的体系结构之上的，它的硬件环境往往是一台单板化的PC系统。利用DOS或Windows操作系统为应用软件提供平台。但是这样的设计目前尚难以实现满足小体积、低功耗、低成本等嵌入式系统的常见技术要求。

108（2）高级单片系统所谓高级单片系统，是指那些准备加载Linux操作系统或类Linux操作系统的嵌入式系统。它的硬件构成的核心是一个集成了丰富功能的单一芯片，一般数据宽度往往是32位。它已经包含了几乎全部的系统硬件，使得只需再增加很少几个器件，如存储器芯片，即可构成全部系统。生产高级单片的厂家及型号越来越多，典型的是以ARM或MIPS内核为核心的单片机。采用高级单片的设计，大都取Linux或类Linux操作系统作为系统软件，向应用软件提供C语言开发平台。在Linux操作系统的支持下，系统的可靠性可以得到保证。操作系统带来的优点可以大大提高系统应用软件的开发效率。由于Linux的开放性，可以利用的资源也非常丰富。109（3）单片机系统目前称之为单片机的，是指一些8位或16位数据宽度、寻址空间较小的芯片。相对来说，它们的处理能力较弱。但是，它们的优点也是不容忽视的，如：低成本、低功耗，片上集成的外围模块功能丰富而实用等。在应用需求恰如其分的场合，选择它们绝对是合理的。单片机的软件一般应该分为系统软件和应用软件。系统软件处于底层硬件和高层应用软件之间。但是，单片机的资源有限，设计者必须在系统软件的功能与构成系统软件的软硬件开销之间，仔细地寻求平衡。1108.5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（DistributedControlSystem即DCS），国内更多的叫做集散控制系统。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。本节将概述DCS的特点、发展趋势以及其体系结构，让读者对DCS有初步的了解。1118.5.1DCS的分层体系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，如图8.13所示。112图8.13DCS的层次结构1131.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）,PCS主要由输入输出单元（IOU）和过程控制单元（PCU）两部分组成。输入输出单元（IOU）直接与生产过程的信号传感器、变送器和执行器连接，其功能一是采集反应生产状况的过程变量和状态变量，并进行数据处理；二是向生产现场的执行器传送模拟量操作信号和数字量操作信号。过程控制单元下与IOU连接，上与控制网络（CNET）连接，其功能一是直接数字控制（DDC）；二是与控制网络通信，以便操作监控层对生产过程进行监控和操作；三是进行安全冗余处理，一旦发现PCS硬件或软件故障，就立即切换到备用件，保证系统步间断地安全运行。1142.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。操作员站供工艺操作员对生产工程进行监视、操作和管理。工程师站（ES）供计算机工程师对DCS进行系统生成和诊断维护；供控制工程师进行控制回路组态、人机界面绘制、报表制作和特殊软件编制。监控计算机站（SCS）用来建立生成过程的数学模型，实施高等过程控制策略，实现装置级的优化控制和协调控制；并对生产过程进行故障诊断、预报和分析，保证安全生产。计算机网关（CGI）用作控制网络（CNET）和生产管理网络（MNET）之间相互通信。1153.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（manufactorymanagementcomputer,MMC）,一般由一台中型机和若干台微型机组成。该层处于工厂级，根据订货量、库存量、生产能力、生产原料和能源供应情况及时制定全厂的生产计划，并分解落实到生产车间或装置；另外还要根据生产状况及时协调全厂的生产，进行生产调度和科学管理，使全厂的生产始终处于最佳状态，并能应付不可预测的事件。计算机网关（CG2）用作生产管理网络（MNET）和决策管理网络（DNET）之间相互通信。1164.DCS的决策管理层决策管理层的主要设备使决策管理计算机（decisionmanagementcomputer,DMC），一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型机组成。该层处于公司级，管理公司的生产、供应、销售、技术、计划、市场、财务、人事、后勤等部门。通过收集各部门的信息，进行综合分析，实时作出决策，协助各级管理人员指挥调度，使公司各部门的工作处于最佳运行状态。另外还协助公司经理制定中长期生产计划和远景规划。117目前世界上有多种DCS产品，具有定型产品供用户选择的一般仅限于直接控制层和操作监控层。其原因是下面两层有固定的输入、输出、控制、操作和监控模式，而上面两层的体系结构因企业而异，生产管理与决策管理方式也因企业而异，因而上面两层要针对各企业的要求分别设计和配置系统。1188.5.2DCS的硬件结构DCS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。DCS控制网络（CNET）上的各类结点数，即过程控制站（PCS）、操作员站（OS）、工程师站（ES）和监控计算机站（SCS）的数量，可按生产要求和用户需要灵活地配置，如图8.14所示；另外，还可灵活地配置每个结点的硬件资源，如内存容量、硬盘容量和外部设备种类等。119图8.14过程控制站（PCS）的硬件结构1201.DCS控制站的硬件结构控制站（CS）或过程控制站（PCS）主要由输入输出单元（IOU）、过程控制单元（PCU）和电源三部分组成，如图8.13所示。121过程控制单元（PCU）是PCS的核心，并且是PCS的基本配置，主要由控制处理器板、输入输出接口处理器板、通信处理器板、冗余处理器板组成。控制处理器板功能是运算、控制和实时数据处理；输入输出接口处理器板是PCU和IOP之间的接口；通信处理器板是PCS与控制网络（CNET）的通信网卡，实现PCS与CNET之间的信息交换；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余处理器板承担PCU和IOU的故障分析与切换功能。上述4快板的物理划分因DCS而异，可以分为4、3、2块，甚至合并为1块。122输入输出单元（IOU）是PCS的基础，由各种类型的输入输出处理板（IOP）组成，如模拟量输入板（4mA～20mADC,0～5VDC）、热电偶输入板、热电偶输入板、脉冲量输入板、数字量输入板、模拟量输入板（4mA～20mADC）、数字量输出板和串行通信接口板等。这些输入输出处理板的类型和数量可按生产过程信号类型和数量来配置；另外，与每块输入输出处理板配套的还有信号调整板（signalconditionercard,SCC）和信号端子板（signalterminalcard,STC）,其中SCC用作信号隔离、放大或驱动，STC用作信号接线。上述IOP、SCC和STC的物理划分因DCS而异，有的划分为三块板结构；有的划分为两块板结构，即IOP和SCC合并，外加一块STC；有的将IOP,SCC和STC三者合并一块物理模样，并附有接线端子。123

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。

1243.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。一般DCS的直接控制层和操作监控层的设备（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型产品供用户选择，即DCS制造厂为这两层提供了各种类型的配套设备。惟有生产管理层和决策层的设备无定型产品，一般由用户自行配置，当然要由DCS制造厂提供控制网络（CNET）与生产管理网络（MNET）之间的硬、软件接口，即计算机网关（CG1）。1258.5.3DCS的软件技术DCS的组态软件DCS的组态功能从广义范畴讲，可以分为两个主要方面：硬件组态和软件组态。硬件组组态主要是根据现场的使用要求来确定硬件的模块化配置，常见的内容包括操作站（工程师站和操作员站）的选择、现场控制站的配置以及电源的选择。软件组态的内容比硬件组态要多得多，一般包括基本配置组态和应用软件组态。DCS的组态功能是否强大和方便时期能否为用户接受的重要原因。1262.DCS的操作软件一般来讲，操作站要完成实时数据管理、历史数据存储和管理、控制回路调节和显示、生产工艺流程画面显示、系统状态、趋势显示以及生产记录的打印和管理等功能，实现这些功能的关键就是实时多任务操作系统和数据库管理。127（1）操作站的软件系统都是以实时多任务操作系统为核心

实时多任务操作系统与一般操作系统的最大区别就是实时多任务执行核心，它为计算机硬件和在其上运行的软件提供了逻辑接口（LogicInterface）以及任务调度、任务间通信、资源管理等功能。它应具有下列实时特征。①异步事件响应②任务切换能力③中断响应能力④优先级中断和调度⑤强占式调度能力⑥同步能力128（2）实时数据库实时数据是DCS最基本的资源，DCS的实时数据库是全局数据库，通常采用分布式数据库结构，因此，数据库系统在不同层次上采用的结构不同。在现场控制站上存储该站所用的各种点记录的全记录信息。操作站的实时数据库由实时数据和管理程序两部分组成。实时数据部分由数据库生成软件生成，通过网络下载到现场控制站，将各点的完整记录只存放在现场控制站中，而点值与点状态等部分信息存放在操作站数据库中。管理程序负责对实时数据的系统管理（如备份、下载等）以及处理其它任务对实时数据的实时请求，井将其它任务对现场控制站的数据请求转换成标准格式发送给网络通信管理任务。

129（3）历史数据库为了便于操作人员或工程师对系统各点进行变化趋势分析以及管理人员对系统进行综合分析，必须在操作站上建立一个历史数据库将一段时间内的历史数据存储起来。为了适应不同的用途，历史数据库一般要包括以下几种数据：短时间间隔历史数据和长时间间隔历史数据。前者主要用来显示趋势曲线用，存储间隔一般是秒级，而后者主要用来进行长时间的趋势分析、记录打印和统计计算。130（4）网络通信管理由前面分析知道，DCS实时数据库是全局、分布式数据库，操作员站对DCS集中管理和操作的基础就是系统的网络通信，它是DCS的关键技术之一。DCS对网络通信的要求可以概括为高可靠性、实时性和灵活性。高可靠性即要求在硬件上高度可靠，同时在软件上要有较好的容错能力，即当收到不正确的信息包或有不正确的通信要求时，它能够自动处理，而不会造成死机。实时性则要求现场控制站的实时数据要及时广播到操作站，同时，该站对其它站的定向请求要及时实现；灵活性指能够支持多种数据信息格式的能力。1318.5.4DCS的特点DCS问世以来，广泛地应用于工业控制的各个领域。究其原因是DCS有一系列的特点和优点，主要表现在以下6各方面：分散性和集中性自治性和协调性灵活性和扩展性先进性和继承性可靠性和适应性友好性和新颖性1328.5.5DCS的发展趋势传统的DCS基于模拟仪表，现场信号的检测、传输与控制还是保留了与常规仪表相同的方式，即通过传感器或变送器检测物理信号并转换成标准的4~20mA信号以模拟方式进行传输。这种方式在检测环节方面存在的问题是精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能；同时由于各DCS开发商生产自己的专用平台，使得不同厂商的DCS不兼容，互操作性差。近年来，随着新技术、新器件、新方法、新应用的相互促进，在DCS关联领域有许多新进展，主要表现在如下一些方面。1331、开放式系统发展

传统DCS的结构是封闭式的，使得不同制造商的DCS之间不兼容。基于PC机的DCS较好的解决了这一问题，由于PC机具有良好的兼容性、低廉的价格和丰富的软硬件资源，尤其是OPC（OLEforProcess,Control）标准的制定，大大简化了I/O驱动程序的开发，并提高了操作界面系统的性能。用户可以根据自己的实际需要自由地选择不同开发商的产品，根据各软硬件厂商的特长，合理分工合作，避免重复开发，大大降低了系统的开发成本。1342、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随着微电子技术和通信技术的发展，过程控制的功能进一步分散下移，出现了各种智能现场仪表。这些智能变送器精度高、量程比宽、重复性好，可靠性高，而且具有双向通信和自诊断功能，操作使用非常方便，节省安装费用和工作量，维护工作量也极小。这些智能现场仪表采用现场总线与DCS连接，目前大多沿用HART通信协议。智能远程I/O也是使I/0处理能力更接近现场的一项措施，诸多远程I/O也用现场总线与DCS的控制器相连，除作I/0处理外，还具有通信和自诊断功能，并可用手持监视器进行I/0组态，将I/O处理功能下移。1353、DCS、PLC、FCS相互渗透融合近年来，由于微电子学、信息科学和控制技术在工业控制领域得到深入广泛的应用，DCS，PLC，FCS正在相互渗透、融合地发展，相互补充又相互转化，趋向于形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统的较广泛的领域，都使用数字技术，采用模块化结构，如操作站/工作站、基本控制单元，应用运算模件、分布式I/O、（智能）现场仪表，通过现场总线、控制局域网/数据总线和系统网络（如以太网）形成兼容可互联的过程控制系统。1364、现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。在现阶段使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够灵活地系统组态，得到更广泛的、富于实用价值的应用。现场总线集成于DCS的方式可从三个方面来考虑。①现场总线于DCS系统I/O总线上的集成②现场总线于DCS系统网络层的集成③现场总线通过网关与DCS系统并行集成

1378.6现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统（fieldbuscontrolsystem,FCS）是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络。现场总线和现场总线控制系统（FCS）的产生，不仅变革了传统的单一功能的模拟仪表，将其改为综合功能的数字仪；而且变革了传统的计算机控制系统（DDC,DCS），将输入、输出、运算和控制功能分散分布到现场总线仪表中，形成了全数字的彻底的分散控制系统。1388.6.1现场总线控制系统的概念（FCS）

现场总线是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，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和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。它是属于最底层的网络系统，是网络集成式