计算机联锁控制系统技术基础-计算机控制技术

计算机联锁控制系统技术基础_计算机控制技术第一页，共42页。计算机联锁控制系统技术基础车站运营及联锁技术基础计算机控制技术基础现场设备及其继电接口电路第二页，共42页。计算机及其控制技术基础一、计算机控制系统二、工业控制计算机三、数据通信技术四、总线接口技术五、工业网络技术六、现场总线技术第三页，共42页。一、计算机控制系统1.计算机控制系统可简化为如图所示的两大类：开环控制系统和闭环控制系统。计算机控制系统第四页，共42页。2.典型的计算机控制系统

计算机控制是以数字控制理论为基础，通过传感器和执行器，由计算机对不同的被控对象或生产过程进行检测、变换、控制、和显示等，其典型结构如图所示。第五页，共42页。3.计算机控制系统的分类

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计算机系统由硬件和软件两大部分组成，最简单的计算机控制系统可用单片机组成，复杂的可由可编程控制器、各类总线工业控制计算机等构成较高级的计算机控制系统。 如：直接数字控制系统、监督控制系统、分散控制系统和现场总线控制系统等。第六页，共42页。3.计算机控制系统的分类-2(1)集中式数字控制系统 采用单片机、可编程逻辑控制器（PLC）、顺序逻辑控制器（SLC,SequenceLogicalController）或微机作为控制器。优点：易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度和安排。不足：对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。第七页，共42页。3.计算机控制系统的分类-3(2)集散控制系统八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机完成集中监视管理功能，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，上下位机之间通过控制网络互连以实现相互间的信息传递。分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用。第八页，共42页。图--集散控制系统

第九页，共42页。3.计算机控制系统的分类-4(3)分级控制系统

现代微机、通信技术和CRT显示技术的进展生产管理和指挥调度功能

分级控制系统是工程大系统，它要解决的不是局部最优化问题，而是一个工厂、一个公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题，即综合自动化问题。第十页，共42页。第十一页，共42页。计算机联锁系统典型的控制系统

在一个规模较大的联锁系统中，常常会有几十个、几百个甚至更多的测量和控制对象，即使速度很高的系统也难以满足要求，因此必须将任务分给多个计算机系统并行工作，不同地理位置和不同功能的计算机之间相互交换信息，从而有效地将控制与管理调度相结合，达到行车安全的目的和要求。 下面将对分别对计算机控制中的关键技术如：工业控制机、数字通信技术、总线接口技术、工业网络技术、现场总线技术等进行简要地介绍。第十二页，共42页。二、工业控制计算机--11.什么是工业控制计算机计算机用于工业控制一般称其为工控机。2.分类工控机的分类是比较复杂的，若按其构成特点，一般可分为：智能仪表、单片机系统、可编程控制器、各类总线工业控制计算机、分散控制系统和现场总线控制系统等；若按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。第十三页，共42页。二、工业控制计算机--23、组成(1)主机 中央处理器（CPU）和内存储器（RAM,ROM）构成的主机是计算机系统的核心。(2)内部总线和外部总线

内部总线是工业控制计算机内部各组成部分进行信息传送的公共通道；

外部总线是工业控制计算机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。 第十四页，共42页。3、组成--2(3)人－机接口 人－机接口是一种标准结构，即由标准的PC键盘、显示器和打印机等组成。(4)系统支持功能①监控定时器②电源掉电检测③保护重要数据的后备存储器④实时日历时钟

第十五页，共42页。3、组成--3(5)磁盘系统 磁盘系统可以用半导体虚拟磁盘，也可以配通用的软盘、硬盘和光盘等。(6)输入输出通道 输入输出通道是设置在工业控制机和生产过程之间的传递和变换信息的连接通道。它包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。 它有两个作用，其—是将生产过程中的信息变换成主机能够接受和识别的代码；其二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。第十六页，共42页。工控机外部形状与结构第十七页，共42页。主机板第十八页，共42页。底板第十九页，共42页。嵌入式计算机第二十页，共42页。第二十一页，共42页。PC机主板第二十二页，共42页。PC机主板第二十三页，共42页。工业控制计算机的发展方向工业控制计算机采用模块化结构，按其不同的功能分成不同的功能模块，通过总线连接成计算机系统。最近几年，模块化结构的工业控制计算机有被功能强大的单板计算机系统（SBC—SingleBoardComputer，包括了计算机绝大部分功能模块的系统板）和“芯片PC”所代替，且已产品化、系列化。第二十四页，共42页。二、工业控制计算机--34、软件系统(1)系统软件VxWorks等实时多任务操作系统，嵌入式实时多任务操作系统VRTX/OS，MS-DOS和Windows等系统软件，(2)支持软件支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等(3)应用软件第二十五页，共42页。三、数据通信技术--11、方式(1)并行通信:数据的各位同时传送传送单位：字或字节，距离：短（10米）(2)串行通信:数据一位一位顺序传送传送单位：位，距离：长（几十到几千米）2、串行通信方式

单工通信：单向半双工通信：双向，不同时全双工通信：双向，同时第二十六页，共42页。串行通信与并行通信第二十七页，共42页。单工、半双工和全双工通信原理

第二十八页，共42页。三、数据通信技术--23、信号的传输方式

(1)基带传输

直接传输数据的基带信号，速率：0~10Mbps

(2)载波传输 载波进行调制后再实行传输，幅度键控（ASK）、频移键控(FSK)、相移键控（PSK）三种(3)宽带网 多条基带信道，速率范围为0~400Mbps

(4)异步传输模式（ATM） 按需分配频带，具有低延迟特性，速率可达155Mbps到2.4Gbps

第二十九页，共42页。四、总线接口技术－11、总线

是一组信号线的集合，是一种在各模块间传输信息的公共通路。通过它，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。分类：内部总线和外部总线2、内部总线 又称“系统总线”或“板级总线”，是通用微型计算机和测控系统计算机内部所特有的总线。通信方式：并行通信种类：STD总线、ISA总线、PCI总线、VME总线

第三十页，共42页。四、总线接口技术－内部总线(1)STD总线

工业控制，8位，8MB/sec(2)ISA总线

工业标准架构，8/16位数据总线,8MB/s~33MB/s(3)PCI总线

奔腾等微处理器，32位数据总线

,133MB/s(4)CompactPCI无源总线底板结构的PCI系统

第三十一页，共42页。四、总线接口技术－外部总线

外部总线（E-BUS）又称“通信总线”，并行总线和串行总线。(1)RS-232-C总线

串行物理接口标准，一条发送线、一条接收线及一条地线,单端信号传，20m以内。双工通信

(2)RS-485总线

平衡发送和差分接收，半双工工作方式，几十米到上千米，32台驱动器和32台接收器

(3)IEEE-488总线

并行总线接口标准，20米，1MB/s(4)USB串行总线 差分方式，(480Mb/s)-2.0第三十二页，共42页。五、工业网络技术1、网络的拓扑结构

常用的网络结构：星形、环形和总线形另：网形结构、树形结构以及各种混合形结构

第三十三页，共42页。五、工业网络技术2、介质访问控制技术

(1)载波监听多路访问/冲突监测方式 随机访问技术的竞争型访问方法,结构简单、负载轻、时实性低的网络。(2)令牌环（TokenRing）方式 设置一个令牌在网内循环传送,轻负载时效率较低，重负载时效率提高。(3)令牌总线（TokenBus）方式 物理上是总线网，逻辑上是环形网。第三十四页，共42页。六、现场总线技术－11、定义：

现场总线是一种连接现场设备和控制室设备的全数字、双向、多点、开放式的通信系统，它使现场控制和管理的集成成为可能。

现场总线PLCPC第三十五页，共42页。六、现场总线技术－22、特点系统的开放性：公开、一致的总线标准互操作性与互用性：实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；不同厂家设备可实现互换现场设备的高度自治性和智能化特点自治性：现场设备能独立完成现场控制的基本功能智能型：现场设备能自动诊断设备运行状态系统结构的高度分散性：简单，可靠性高采用智能现场设备，具有运算、控制和通信功能，可以在现场完成数据采集、数据处理、控制调节等功能，并将有关状态信息发送到主机，实现分散控制对现场环境适应性强。第三十六页，共42页。六、现场总线技术－33、基金会现场总线（FF）以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，由物理层、数据链路层、应用层、用户层构成总线采用低速H1和高速H2两个通信速率H1的速率为31.25kHz，传输距离为1900mH2的传输速率为1MHz和2.5MHz，通信距离为750m和500m支持双绞线，光缆和无线主要应用场合：过程自动化控制领域第三十七页，共42页。六、现场总线技术－44、LonWorks现场总线采用ISO/OSI模型的全部7层协议通信速率：1.25Mb/s，通信距离可达2700m通信介质：支持同轴电缆、光纤、射频、红外、双绞线、电力线载波等集成芯片：内置媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器三个CPU通信协议：LonTalk协议主要应用场合：楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、过程自动化控制、智能通信接口、智能传感器等领域。第三十八页，共42页。六、现场总线技术－55、Profibus现场总线80年代初德国制订的一种现场总线标准，分为PROFIBUS-DP，适用于加工制造自动化领域的应用，实现分散外设之间的高速数据传输；PROFIBUS-FMS，适用于楼宇自动化等领域,PLC，低压开关等；PROFIBUS-PA，适用于过程自动化领域数据链路层、物理层和应用层通信协议组成传输速率为9.6kb/s~12Mb/s最大传输距离在12Mb/s时为100m;1.5Mb/s时为400m通信介质：双绞线，光缆最多可挂接127个站点第三十九页，共42页。六、现场总线技术－66、HART现场总线协议为HighwayAddressableRemoteTransducer,寻址远程传感器、高速通道、开放通信协议，由数据链路层、物理层和应用层通信协议组成在现有模拟控制信号