计算机控制系统 课件 第8章 典型计算机控制系统的结构与组成

《计算机控制系统》第8章典型计算机控制系统的结构与组成2023年6月8日第8章典型计算机控制系统的结构与组成28.2直接数字控制系统8.3可编程控制器系统8.4集散控制系统

8.5网络化控制系统8.1模块导学38.1模块导学1、计算机控制的平台作用与地位4计算机控制系统1、计算机控制的平台作用与地位8.1模块导学52、计算机控制系统的发展历程与趋势1950年前的气动信号控制PCS称作第一代（气动）4～20mA等模拟信号控制系统称为第二代（模拟）数字计算机集中式控制系统（DDC）和监督控制系统（SCC）称为第三代（集中+数字控制）集散控制系统DCS称作第四代（分级）现场总线控制系统（FCS）称为第五代（分布）网络化控制系统（NCS）称为第六代（分布和开放）8.1模块导学6第二代：模拟控制系统8.1模块导学第8章典型计算机控制系统的结构与组成78.2直接数字控制系统8.3可编程控制器系统8.4集散控制系统

8.5网络化控制系统8.1模块导学88.2直接数字控制系统

直接数字控制系统首先需要把控制对象的被控参数和过程状态，通过测量单元进行参

采集,并经过模数转换装置转换为相应的数字量。计算机根据一定的控制算法进行计算,将控制作用经数模转换装置转换为相应的模拟量,通过功率放大后输入给执行机构去控制生产过程。8.2.1

DDC系统的基本结构98.2直接数字控制系统1）基于工业计算机的DDC系统

中国工控机技术的发展在经历了20世纪80年代的第一代STD总线（StandardDataBus）工控机，20世纪90年代的第二代工业PC机（Industrial

Personal

Computer，简称IPC）之后，现在已进入了第三代CompactPCI（简称CPCI）总线工控机时期。8.2.2

DDC系统的硬件平台

STD总线工控机开创了低成本工控机的先河

第二代工控机—IPC解决了PC机兼容的问题

以CPCI总线工控机技术为核心，以PXI和AdvancedTCA等技术为补充

的第三代工控机技术。108.2直接数字控制系统8.2.2

DDC系统的硬件平台IPC主机组成118.2直接数字控制系统8.2.2

DDC系统的硬件平台IPC的主要结构：

(1)全钢机箱:IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰。

(2)无源底板：无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。

(3)工业电源：AT电源，平均无故障运行时间达到250,000小时。

(4)CPU卡：有多种，根据尺寸分为长卡和半长卡，根据处理器分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可视自己的需要任意选配。

(5)其他配件：IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。128.2直接数字控制系统8.2.2

DDC系统的硬件平台IPC半长卡全长卡138.2直接数字控制系统8.2.2

DDC系统的硬件平台CPCI工控机的主要结构：

CompactPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成的，在结构上具体有三个方面：

（1）继续采用PCI局部总线技术；（2）抛弃IPC传统机械结构，改用高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求；（3）抛弃IPC的金手指式互连方式，改用2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。

经过改造的CPCI工控机非常适合工业现场应用，由于具有热插拔和冗余设计能力，可以构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其它高可靠领域的要求。目前CompactPCI技术是国际上最先进的工业计算机技术。148.2直接数字控制系统8.2.2

DDC系统的硬件平台CPCICPU卡

158.2直接数字控制系统2）基于PC/104总线工控机的DDC系统PC/104是一种专为嵌入式控制而推出的工业计算机总线标准，实质上就是ISA工业总线标准IEEE-996的延伸PC104系统特点：（1）小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.6*3.8英寸，即90*96mm；（2）堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线模块间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性；（3）能耗低：由于减少了元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1-2瓦能耗。8.2.2

DDC系统的硬件平台168.2直接数字控制系统PC104模块8.2.2

DDC系统的硬件平台178.2直接数字控制系统3）基于单片机的DDC系统单片机构成的单回路数字调节器示例8.2.2

DDC系统的硬件平台188.2直接数字控制系统1）DDC系统的设计原则8.2.3

DDC系统的设计（1）安全可靠性：在设计过程中要把安全可靠放在首位。（2）实时性：工业控制计算机的实时性，表现在对内部事件和外部事件能及时地的响应，并做出处理，不丢失信息，不延误操作。（3）操作性：操作性好包括使用方便和容易维修两个方面（4）通用性：尽管计算机控制的对象千变万化，但适用于某个领域或行业的控制计算机应具有通用性。（5）开放性：开放性体现在硬件和软件两个方面（6）经济性：计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性价比，要有市场竞争意识198.2直接数字控制系统2）DDC系统的设计步骤8.2.3

DDC系统的设计（1）确定系统总体方案：系统设计之前首先应详细了解控制对象的工作过程和控制要求，对于用于工业生产的系统还需要详细了解各生产环节对工艺参数的要求，充分考虑用户的操作规律。（2）数学模型与控制算法的设计：数学模型是系统动态特性的数学表达式，反映了系统输入、内部状态变量和输出之间的关系。（3）硬件设备的选择：计算机机型的选择；传感器的选择；外围接口；执行机构的选择（4）软件设计：一般在进行计算机控制系统设计时都需要用到实时操作系统和实时监测程序，以使系统设计者在最短周期开发出目标系统软件（5）系统的调试与运行：系统的调试与运行分为离线仿真调试阶段和在线调试运行阶段第8章典型计算机控制系统的结构与组成208.2直接数字控制系统8.3可编程控制器系统8.4集散控制系统

8.5网络化控制系统8.1模块导学218.3直接数字控制系统8.3.1

PLC的基本架构与特点PLC特点：

高可靠性通过综合采用可靠性措施，可使PLC的平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）高达几十万小时（30年以上）。

功能强，具有很好的可扩展性

PLC可以实现大规模的开关量逻辑控制，能够方便地实现A/D、D/A转换，实现过程控制、数字控制等。

采用模块化结构由于采用模块化结构，且各种模块上均设有运行和故障指示，使PLC安装性、可扩展性、可维护性好。

编程简单易学

PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图进行。。控制系统采用模块配置、系统集成，使系统设计调试周期短。228.3直接数字控制系统8.3.1

PLC的基本架构与特点SIEMENS控制器K7M-DR40U238.3直接数字控制系统8.3.1

PLC的基本架构与特点

PLC系统组成框图248.3直接数字控制系统8.3.2

PLC的硬件和软件平台1）PLC的硬件组成和功能中央处理单元：可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。存储器：PLC通常配有ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种存储器。输入输出接口电路：输入／输出接口又称I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接部件扩展接口：为了提升PLC的性能、增强PLC控制功能，可以通过扩展接口给PLC增加一些专用功能模块

电源：PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强

通讯接口：监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备

编程器：利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器258.3直接数字控制系统8.3.2

PLC的硬件和软件平台2）PLC的软件结构可编程控制器的系统软件分为两部分，一部分是固化于主机模块的存储器(ROM、PROM或EPROMD)中的内核软件，执行输入、输出、运算、控制、通信和诊断等功能,并对可编程控制器的运行进行管理；另一部分安装在编程器、操作监视器。工程师站和操作员站的组态编程软件及人机界面软件，供工程师对可编程控制器进行组态编程，供操作员对被控设备进行操作监视。268.3直接数字控制系统8.3.2

PLC的硬件和软件平台3）PLC的网络结构278.3直接数字控制系统8.3.3

PLC控制系统设计1）PLC控制系统的原则步骤在设计PLC控制系统时，应遵循一下四点基本原则：（1）以最大限度地满足被控对象的控制要求；（2）保证PLC控制系统的安全可靠；（3）简单、经济、使用及维修方便；（4）适应发展的需要。在上述原则下PLC系统的具体设计步骤如下：（1）分析被控对象，规划控制系统的控制要求；（2）根据对系统控制要求的分析，确定PLC控制系统的输入、输出设备。（3）选择PLC控制器。（4）分配PLC控制器的I/O资源，设计I/O连接图。（5）根据控制目标，设计PLC控制程序288.3直接数字控制系统8.3.3

PLC控制系统设计2）PLC控制系统的主要设计内容与流程

在整个设计过程中，PLC控制程序设计是最重要的部分，它主要包括以下工作：（1）分析控制程序的整体结构、所要完成的功能、需要的I/O资源、各个功能模块的功能等；（2）设计梯形图，根据梯形图编写控制程序；（3）使用编程器将程序下载到PLC控制器的存储器中，对程序进行调试和修改，直到满足设计要求；（4）绘制技术文件。PLC控制系统的设计流程第8章典型计算机控制系统的结构与组成298.2直接数字控制系统8.3可编程控制器系统8.4集散控制系统

8.5网络化控制系统8.1模块导学308.4集散控制系统8.4.1

DCS基本架构与特点318.4集散控制系统8.4.2

DCS网络结构与软件平台1）DCS的网络结构输入输出总线：通过IOBUS与过程控制单元交换信息控制网络：控制网络选用国际流行的局域网协议，如以太网（Ethernet）、制造自动化协议（MAP）和TCP/IP等生产管理网络：一般由以太网构成，传输距离为5Km-10Km，传输速率为5Mbps-10Mbps，传输介质为同轴电缆和光缆。决策管理网络：决策管理网络处于公司级，覆盖全公司的各个网络节点。一般选用局域网或区域网，采用Ethernet或TCP/IP网络协议。328.4集散控制系统8.4.2

DCS网络结构与软件平台2）DCS的软件平台DCS的软件和其他计算机控制系统的软件一样，也分为两大部分：系统软件和应用软件。（1）DCS的系统软件系统软件一般指通用的、面向计算机的软件。DCS的系统软件一般由以下几个主要部分组成：实时多任务操作系统，面向过程的编程语言，工具软件。（2）DCS的应用软件DCS的应用软件主要包括过程控制软件包和组态生成软件两大类。过程控制软件包通常包括数据输入/输出、数字控制算法、顺序控制、历史数据存储、人机接口等模块。

组态生成软件用于根据具体控制任务，组态生成满足要求的过程控制软件。338.4集散控制系统8.4.3

DCS的系统设计1）DCS系统的设计原则（1）控制水平：DCS控制水平可以分为三类，第一类是采用常规控制策略；第二类是采用先进控制策略；第三类是采用控制和管理一体化策略。（2）操作方式：操作员站应具有良好交互性的人机界面，它具有信息显示的功能和分配系统信息以及收到发往任何生产过程的操作指令。（3）系统结构：DCS采用通信网络式的层次结构，其系统结构可以分为三档，第一档为直接控制层和操作监控层；第二档再增加生产管理层；第三档再增加决策管理层。（4）硬件部分：DCS系统硬件应能满足任何工况下的监控要求（包括紧急故障处理），CPU负荷率应控制在设计指标之内并留有裕度。348.4集散控制系统8.4.3

DCS的系统设计2）DCS系统的设计步骤（1）熟悉工艺流程：由于不同工厂的设备生产能力、精度以及工人熟练程度等因素大不相同，所以生产工艺流程具有不确定性和不唯一性。（2）确定输入点和输出点：确定工艺流程需要监测哪些信息点，控制哪些信息点，输入信息点如何检测，输出信息点如何控制。（3）DCS总体规划：首先确定采用哪种DCS架构产品，然后确定传感器和执行机构，最后分配硬件和软件的功能。（4）DCS架构确定及软、硬件选型购买：系统的拓扑结构图设计；节点计算机的选择；输入/输出通道选择；支撑软件的选择。（5）DCS软件组态：不同的系统有不同的组态软件，组态就是将软件库中提供的工具、模板、方法进行特定组合，实现特定控制目标358.4集散控制系统8.4.4

DCS系统的典型应用368.4集散控制系统8.4.4

DCS系统的典型应用第8章典型计算机控制系统的结构与组成378.2直接数字控制系统8.3可编程控制器系统8.4集散控制系统

8.5网络化控制系统8.1模块导学388.5网络化控制系统8.5.1

NCS的基本架构与特点典型网络化控制系统的功能是由以下四种基本组件构成：传感器、控制器、执行器和通信网络，其中通信网络负责信息交换。其主要特点如下：系统的开放性系统的互操作性系统的分散性系统的智能化与功能自治性环境的适应性398.5网络化控制系统8.5.1

NCS的基本架构与特点思科NCS系统408.5网络化控制系统8.5.2典型的控制网络1）1533B总线1553这一最初版本主要用于F-16战斗机。通过一些修订和改进，一个三军通用标准MIL-STD-1553A在1975年被发布。首先使用1553A协议的是美国空军的F-16战斗机和陆军的新型攻击直升机AH-64阿帕奇。1553B总线由于在减少电子设备的体积、重量、复杂性以及电子系统综合费用诸方面的优点，成为了机动平台电子系统的主要工作支柱。它具有不同于一般电子网络的鲜明特点：1553B总线是一种广播式分布处理的计算机网络1553B总线强调了实时性，传输码速率为1Mbps1553B总线按指令/响应的方式异步操作兼顾实时性的条件下，采用了合理的差错控制措施418.5网络化控制系统8.5.2典型的控制网络2）工业以太网工业以太网技术是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。目前存在多种工业以太网标准，这些标准在底层协议上基本一致，核心是以太网技术和TCP/IP协议，但在应用层协议上存在较大区别。现在影响比较大的典型的工业以太网标准有：EtherNet/IP、HSE和Modbus-IDA。工业以太网交换机428.5网络化控制系统8.5.3

控制网络的标准化与发展趋势1）控制网络的标准化在控制网络与现场总线的发展和标准制定中有一些值得注意现象：（1）每种总线都有其产生的背景和应用领域。（2）每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。（3）大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。（4）每种总线都有一个或几个公司且多是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关。438.5网络化控制系统8.5.3

控制网络的标准化与发展趋势1）控制网络的标准化（6）每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。（7）在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。（8）尽管单一现场总线标准未能实现，但作为开放系统的数据通信与控制网络的技术，仍然应该坚持一致通信的原则。（5）大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织。448.5网络化控制系统8.5.3

控制网络的标准化与发展趋势2）控制网络的发展趋势

控制网络势必向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。而众多领域的需求各异，一个现场总线体系下可能不只接纳单一的标准。另外，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。多种总线标准共存的发展现状458.5网络化控制系统8.5.3

控制网络的标准化与发展趋势2）控制网络的发展趋势Ethernet进军控制领域的问题和解决方案Ethernet能够迅速进军工业自动化的主要原因是：（1）低成本的刺激：以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。（2）速度的提高：Ethernet从最初的10Mbps发展到100Mbps，目前已有超过1000Mbps的产品了。FF的高速以太网（HSE）定义为100Mbps，因此，其根本上的因碰撞而产生的传输信息时间的随机性问题就大大淡化了468.5网络化控制系统8.5.3

控制网络的标准化与发展趋势2）控制网络的发展趋势Ethernet进军控制领域的问题和解决方案在以太网、互联网技术正逐步渗透到控制领域的今天，工业以太网技术正成为现场总线技术发展的新亮点。以太网应用到工业现场还必须解决以下问题：（1）如何保证网络的实时性以满足工业控制的要求（2）Ethernet如何满足现场环境（3）在工业控制中使用Ethernet如何获得技术支持47装备需求：随着科学技术的发展和作战要求，各种先进的武器装备如飞机、装甲车辆、舰船和导弹等各种机动平台子系统需要共享、处理的数据越来越多，类型也越来越复杂。

现实问题：如果数据的处理、传输仍采用过去点对点方式的电缆网进行信号传输，将需要装置大量的电缆线路和连接器，这对系统性能和维护造成不利影响。

解决方案：这一问题直接有效的方式就是引入控制网络技术，将这些电子设备按一定的协议联网，加以有效的综合，使之达到资源共享和功能共享从而提高武器装备的总体性能和作战效能。1）控制网络的提出—源于军事装备的需求8.5网络化控制系统8.5.4控制网络与网络化控制的装备应用a.现代作战飞机本身所用的先进电子设备愈来愈多,飞机的性能明显提高,但在飞机的初始成本、维护工作负担与飞机可用性等方面也付出了重大代价；8.5网络化控制系统488.5.4控制网络与网络化控制的装备应用1）控制网络的提出—源于军事装备的需求b.另外，由于飞机及其所挂载的悬挂物都是互相独立或各自独门研制的。这种研制方式常常形成各自特有的飞机／悬挂物电气连接要求，并使悬挂物接口设计的总工作量全面增加，同时也由于没有飞机／悬挂物电气连接接口方面的标准，使得各军兵种之间和各机种（包括各种飞机及其改型）之间的飞机／悬挂物互用性水平很低，并使为灵活使用各种悬挂物而需要的飞机改进、改装和综合保障费用大大增加。迫切需要一种标准的互联网络－1553B总线的诞生。8.5网络化控制系统498.5.4控制网络与网络化控制的装备应用1）控制网络的提出—源于军事装备的需求8.5网络化控制系统50美国军方提出一种针对美空军电子系统联网的标准总线：MIL-STD-1553B总线，该种总线是一种中央集权式串行总线。美国现役战斗机都使用这种结构，如最早的F16C／D、F/A-18、F－15E等。这种结构在美国、欧等国已成为成熟技术，很多飞机的改型、更新大多采用这种系统。8.5.4控制网络与网络化控制的装备应用1）控制网络的提出—源于军事装备的需求2）在军机中的应用8.5网络化控制系统51

分布式航空电子系统结构8.5.4控制网络与网络化控制的装备应用

通过双余度的1553B总线互为备份，采用上下二层1553B总线结构，上层为航空电子总线，下层为雷达内总线8.5网络化控制系统522）在军机中的应用8.5.4控制网络与网络化控制的装备应用8.5网络化控制系统53MIL-STD-1553bbusofJAS39Griffin(鹰狮)

主要机载设备有（1）PS-50/A多功能脉冲多普勒雷达，具有目标搜索／截获和地面检视／攻击能力；（2）D80中心电脑系统（3）3条STD1553B数据总线（4）雷射惯性导航系统和雷达高度表（4）EP17座舱电子显示系统，（5）先进的电子反制系统等。EP17包括一台衍射光学抬头显示器、三台仪表显示器、一台FD5040录像录影机，以及少量备用常规仪表组成。需求分析典型的坦克等自行武器系统主要有以下几部分构成：8.5网络化控制系统54

火控计算机、操作控制计算机、综合显示系统、搜索雷达、跟踪雷达、电视跟踪系统、红外跟踪系统、激光测距机、微光夜视仪、GPS定位导航设备、寻北定向设备、姿