机电系统集成技术(1)剖析

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1、机电系统集成技术 （1）, 绪论, 系统集成的建模与仿真, 系统集成的控制技术, 系统集成中的接口和总线标准, 仪器仪表系统集成技术, 智能仪器软硬件集成技术, 基于虚拟仪器技术的系统集成, 微纳机电系统集成技术,第一章 绪论,1.1 系统集成的提出和发展,1.2 系统集成的基本概念,1.3 网络系统集成, 新产品从构思到出现在市场周期越来越短，是 俗称“攒”出来、雅称“集成”出来的。, 原来很多孤立的仪器和机电设备有机地联系起来，产生了1+12的效果。, 创新和效率形成时代旋律中频频出现的加强音。,1.1 系统集成的提出和发展, 计算机以及计算机网络使一个个孤立的个体作为模块连成有机的整体。

2、,机电系统集成技术正是在这样的一些理念下发展起来的。,计算机集成制造的概念最早是美国人Harrington J.于1973年提出来的，强调 系统集成的观点，信息的观点。,大的机电系统集成,计算机集成制造系统CIMS (Computer Integrated Manufacturing System),小的机电系统集成,一台设备、一台仪器、片上系统SoC (System-on-a-Chip),1975年美国Honeywell公司首先推出了以微处理器为基础的TDC-2000型总体分布式控制系统（Total Distributed Control，简称为TDC），实现集中管理、分散控制，称之为集散控

3、制系统。,DCS的出现使系统的控制方式发生了质的变化，是控制史上的一个里程碑。吸收了计算机技术（Computer）、自动控制技术（Control）、数据通信技术（Communication）、CRT（Cathode Ray Tube）显示技术的所谓“4C技术” 。,以数字控制代替了模拟控制，形成各种分布式控制系统DCS（Distributed Control System）。这种系统精度有所提高，而且具有集中管理、分散控制、危险分散、可靠性高、组态容易和扩展性强的优点。,DCS是以微处理器为基础的。进入80年代中后期，可编程逻辑控制器PLC （Programmable Logic Contro

4、ller）也开始应用微处理器，而且也是分布式的，从这个意义上讲也可将其列入DCS的范畴。,从广义上讲DCS可分为 仪表型 PLC型 PC型,不同厂家的产品由于协议不同而缺乏互操作性。由于协议的不同，造成了现场仪表不能与系统集成而进一步发挥仪表的智能。,问题：,有些大的产业集团着大力开发出专有大系统，为了保持系统的集成，用户不得不从该厂家购买不一定是最好又很昂贵的部件，形成垄断。,解决以上矛盾的出路就是制定一种独立于卖方的系统集成标准，标准化的总线网络顺势而生。网络是开放式系统的关键要素，因此进一步开发出具有互操作性的现场总线（Fieldbus）。,现场总线控制系统FCS （Fieldbus C

5、ontrol System）于20世纪80年代开始发展，专家们开发新技术作为标准的国际通行的现场总线，以满足总线供电、安全运行、远距离通信等方面的要求。标准化打击了垄断，激发了竞争，促进了科学技术的进步。,系统集成技术的发展提高了系统测控能力。,测控仪表能力指数图,20世纪70年代，人们开始考虑将微型机嵌入到机电仪器设备中，实现对象体系的智能化控制。嵌入式系统侧重于控制功能和环境适应性等，通用计算机系统侧重于高速海量的数据文件处理能力。 嵌入式计算机系统发展的核心是单芯片化的发展。,嵌入式系统,专用性,嵌入性,计算机系统,三个基本 要素,嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块

6、）和芯片级（MCU、SoC）。 微型计算机的体积、价位、可靠性无法满足嵌入式应用要求，嵌入式系统将计算机做在一个芯片上，走上芯片化道路，开创了嵌入式系统的单片机时代。,直接芯片化的模式，将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；,模式,创新模式,完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。,单片机诞生于20世纪70年代末，经历了 单片机SCM(Single Chip Microcomputer） 微控制器MCU （Micro Controller Unit） 单芯片系统SoC （System on

7、Chip） 三大阶段。,嵌入式系统本身就是系统集成的成功实例。 嵌入式系统包括了通信（Communication）、计算（Computation）、自动控制技术（Control）等功能； 嵌入式系统包括数字模拟融合，微机电融合，电路板硅片融合，硬软件设计融合，趋向SoC；嵌入式整机的开发工作从传统的硬件为主向软件比重越来越大的方向发展。,1.2 系统集成的基本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要求, 递阶控制,1.2 系统集成的基本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要求, 递阶控制,中国大百科全书自动控制与系统工程

8、对系统的定义为：由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。,系统从广义上可以定义为两个或两个以上事物组成的相互依存，相互作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。,系 统,1.2 系统集成的基本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要求, 递阶控制,集成能使组成整体的各部分彼此有机协调地工作，以发挥整体效益，达到整体优化的目的。 集成不是各个分离部分简单捏合在一起组成的“拼盘”，而应理解为经过了充分的相互融合，形成了优化的统一整体。 系统集成可以减少数据冗余、实现资源和信息共享，便于对数据的合理规划和分布，便于组成部

9、件的协调规划，有利于并行工作、提高工作效率。,系统集成,相互分离、彼此孤立的模块协调组成有机整体。,集成的大系统通常包含着许多不同型号的各类计算机、控制器、传感器和执行装置，它们配置在不同的层次上，需要纵向和横向的数据通信。 根据“集成”和“柔性”的要求，大系统集成网络平台在物理上包含着多个连接多种异构设备的异构网络，而在逻辑上又是统一的网络，以包容多样性和各种传输动作。 状态、系统、控制和终端的连接多样性，以及开放、集成、高速和网络管理智能化是系统集成的特征。,系统集成是根据应用的需求，将机电硬件平台、网络设备、系统软件、工具软件及相应的应用软件等集成为具有优良性价比的机电系统的全过程。 系

10、统集成就是按照应用需求，对众多的技术和产品进行合理地选择，最佳配置各种硬件和软件产品与资源，组合成完整的、能够解决具体应用需求的集成方案，使系统的整体性能最优。,技术上具有先进性,实现上具有可行性,使用上具有灵活性,发展上具有可扩性,投资上具有受益性,根据用户的需求，确定硬件平台设备的选型； 对已产品化的部件模块进行产品测试、验收； 提供对其他设备、网络结构、数据库之间的连接技术； 要求大量、广泛地掌握和积累各种产品特性，了解国内外有关的规范和标准； 准备各厂商有关的产品的检测验收及工程安装施工标准。,以操作系统为核心构建软件平台； 已有应用软件和将要开发的应用软件的集成； 对应用软件开发商进

11、行约束，使集成时可取得对应用软件系统的控制权和维护权； 通过预留接口对应用子系统进行适当的调整，以实现各个应用子系统的可互联、可互操作、可运行。,硬件集成,软件集成,使用开发工具进行系统开发，建立系统原型，使系统的可维护性增强，提高系统开发的质量； 开发工具要尽可能开放，独立于硬件平台、软件平台甚至数据库的选择，这样才有利于系统的扩充和联网。 开发工具要有与高级语言的接口，有结构优良的数据字典，使各分立产品容易集成； 要考虑开发工具制造厂商的技术支持、售后服务和厂商本身的稳定性等因素。,工具集成,1.2 系统集成的基本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要

12、求, 递阶控制,（1）系统分析和建模,（2）集成和优化,（3）接口的重要作用,（4）系统协调与优化,从系统角度进行分析，包括系统目标、系统约束、系统联系、系统实现等，分析过程中需要通过建模仿真分析达到系统优化。,系统强调总体，单元技术强调局部，单元通过集成形成总体，在系统集成过程中达到总体优化。,系统集成过程中，注重的往往是产品、设备、技术、功能的集成或局部的系统调整，而一旦系统规模较大、结构较复杂时，很难面面俱到，因此需要从全局着眼，保证全局最优。,系统集成是让不同的产品、设备、网络、系统互连，不仅要对产品、技术和系统有全面深入的了解和分析，还应具备设计开发接口的能力。,1.2 系统集成的基

13、本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要求, 递阶控制,（3）先进性,（1） 开放性,（2）模块化,（4）主流化,1.2 系统集成的基本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要求, 递阶控制,网络系统在大系统集成中扮演重要脚色，需要基于网络系统来考虑可支持的计算机系统、数据库系统、开发工具等因素。经过对网络用户需求的分析，在网络方案设计时采用如下原则： (1)系统成熟可靠 在保证系统先进性的同时，最重要的设计原则是保证系统的可用性和可靠性，在方案设计中尽量采用成熟的、经过用户使用认可和在公开评测中认可的网络产品。,所选用

14、设备尽量符合国际和国家标准，保证系统提供一个标准、开放的网络平台，根据整个系统的实际需要，采用高可靠性设备和容错技术。在网络通信协议、数据格式等方面遵从国际标准。 网络体系结构应尽量靠拢国际标准化组织制定的OSI开放系统互连参考模式； 低层联接通信子网所选的网络产品应符合电气与电子工程师学会IEEE的802系列标准和国际电报电话咨询委员会CCITT所规定的X.25公用分组数据网络规程等国际流行的标准。 网络低层应有支持多种通信体系标准的能力，它反应网络低层的开放性、互联性，以适应不断发展的各种先进通信技术，联接各种通信网络以增加网络系统配置的灵活性，便于局域网LAN与广域网WAN的互联。,（2

15、）标准化,（3）先进性 系统方案采用先进的技术，保证系统具有一定的前瞻性；采用的产品也应该是业界一流的产品，并且是厂家重点研发的产品；网络系统能满足未来网络应用和扩充的需求。 （4）投资保护 所选用的设备易于升级、便于维护，符合技术发展方向，保护用户投资。 （5）易于管理 网络设备具有全面的网管功能，便于网管人员对系统的维护与管理。 （6）产品与服务的长期性 在该网络中，不仅选用生命力强的产品，还要求网络集成方有能力提供长期的专业化服务。,1.2 系统集成的基本概念, 系统, 系统集成, 系统集成的特点, 系统集成的原则与方法, 网络要求, 递阶控制,递阶控制方法是实现大系统集成控制的一种方法

16、。递阶控制有下列几种不同的形式：,（1）分层控制 按控制任务进行分解的结构方案； 把控制任务分成几个不同的层次，由各层控制器分别完成； 下层任务的目标函数受上层控制器决策的影响。,（2）分级控制 按对象结构进行分解的结构方案； 将对象划分成若干个系统，由各局部控制器完成现场控制任务； 协调控制器通过控制递阶控制器完成局部控制器之间的协调。,（3）分段控制 按控制过程的时序进行分解的结构方案； 把控制过程分成若干段，在每段时间内由不同的控制器完成对现场的控制。,实际上，分层控制、分级控制、分段控制三种控制形式并不是绝对的，一种典型的控制结构中同时具有分级和分层两种形式是很常见的。 这种同时具有多种递阶控制形式的控制结构有时又称作分级分布式控制。,1.3 网络系统集成, 集成的基本结构形式, 物理层配置, 应用层,1.3 网络系统集成, 集成的基本结构形式, 物理层配置, 应用层,传统DCS及PLC体系结构图,FCS体