计算机控制技术第16讲课件

典型计算机控制系统

授课人：李会军计算机控制系统简介计算机控制系统分类基于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；基于嵌入式系统的计算机控制系统；基于PLC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；2计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统系统特点 1、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； 2、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；3计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统什么是工控机西门子工控机研华工控机5计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统工控机的结构 1、全钢机箱 2、无源底板 3、工业电源 4、CPU卡 5、其它配件6计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统工控机的特点(IBM) 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；所有卡均为模块化﹑插板式，以便安装﹑更换和升级换代；所有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；7计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统常用的工控机 1、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； 2、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； 3、国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷斯等；9计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统基于PC总线的板卡

什么是板卡：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、模拟量输出板卡、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。

以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下典型板卡的性能和特点10计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统模拟量输入板卡 基于PC系列总线(ISA总线、PCI总线等)标准设计，板卡通常有单端输入和差分输入以及两种方式组合三种输入方式。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。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；研华PCI-1710数据采集卡 研华PCI-1710数据采集卡，具有32路单端或16路差分模拟量输入或单端、差分组合方式输入，它带有VDC隔离保护；采用12位A/D转换器，采样速率可达100kHZ；板载4K采样FIFO缓冲器；每个输入通道的增益可编程。11计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统数字量输入输出板卡 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；PCI-1760数字量输入输出卡 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。13计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统脉冲量输入板卡 工业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，这些都要使用脉冲量输入板卡进行测量。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；PCI-17808通道定时/计数卡 研华PCI-1780计数/定时卡，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，该卡还提供8个16位计数器通道，具有8通道可编程时钟，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz；14计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统系统组成——硬件部分 1、控制计算机：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； 2、I/O通道：I/O通道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。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；15计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统系统组成——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；17计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统系统特点 1、时间的离散性：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； 2、分时控制方式：一台计算机要控制多个回路，所以系统采用“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；18计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统系统特点 3、具有人机对话功能：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； 4、控制方案灵活：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，路数越多，这种优势越明显。 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。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，而且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；19计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统什么是数字调节器：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；数字调节器的分类 1、定程序控制器：制造厂商把编好的程序固化在控制器的ROM中，用户只能组态，不能编程，它适合于典型的对象和通用的生产过程；21计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的分类 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； 3、混合控制器：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(比值控制)； 4、批量控制器：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；22计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的结构——硬件部分23计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的特点 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25计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统概述 1976年，Intel公司推出了8048，称为单片机(SingleChipComputer,SCC)。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：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；26计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统的特点 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、设计精简：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更具有竞争力； 3、系统内核小：嵌入式系统一般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；27计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统的应用领域 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； 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；29计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统的应用领域 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