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1、计算机控制技术第8章 典型计算机控制系统简介l 本章的教学目的与要求掌握典型的计算机控制系统的结构、特点和设计方法。l 授课主要内容l 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统l 基于数字调节器的计算机控制系统l 基于可编程控制器的计算机控制系统l 基于嵌入式系统的计算机控制系统l 分散控制系统（DCS）l 现场总线控制系统（FCS）l 计算机集成制造系统（CIMS）l 主要外语词汇Micro-Controller Unit (MCU):微控器，Digital Signal Processor(DSP)数字信号处理器l 重点、难点及对学生的要求说明：带“*”表示要掌握的重点内容，带“*”
2、表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容l 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统*l 基于数字调节器的计算机控制系统*l 基于可编程控制器的计算机控制系统*l 基于嵌入式系统的计算机控制系统*l 分散控制系统（DCS）*l 现场总线控制系统（FCS）*l 计算机集成制造系统（CIMS）*l 辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）l 复习思考题l 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统l 基于数字调节器的计算机控制系统l 基于可编程控制器的计算机控制系统l 基于嵌入式系统的计算机控制系统l 分散控制系统（DC
3、S）l 现场总线控制系统（FCS）l 计算机集成制造系统（CIMS）l 参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义涟江为区内地表水的主要排水通道，隧道设计标高高于最低排水基准面，隧道区山脊内沟谷多为季节性冲沟，主要由大气降水补给，水量小，受季节影响明显，地表水不发育，地表水对隧道施工及运营无影响。本章将简要介绍目前常用的比较典型的计算机控制系统，主要包括基于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；现场总线控制系统和计算机集成制造系统。8.1基于PC总线的板卡与工控机组成的
4、计算机控制系统8.1.1 PC总线的工业控制机简介 工业个人计算机（IndustrialPersonalComputer 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。1. 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（4）CPU卡（5）其他配件 2. 工业PC的特点专门为工业工程控制现场设计的工业PC机与普通微机相比，有以下特点：（1）工业PC总线设计支持各种模块化CPU卡和所有的
5、IBM-PC/XT/AT总线接口板。（2）所有卡（CPU卡CRT卡磁盘控制卡和I/O接口卡）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。（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，可插入PC/XT或PC/AT总线模板。（5）机箱采用全刚机架，可防止电磁干扰；采用150W-350W带除尘过滤器地工业开关电源，具有足够地
6、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。软盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震，并有防尘门。（6）可内装RAM/ROM电子盘卡以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速高可靠性上电自动启动的功能。3. 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，产品品种广泛。国内也有很
7、多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷斯、北京华北等。8.1.2 基于PC总线的板卡简介1. 模拟量输入板卡（A/D卡）图8.2 研华PCI-1713数据采集卡模拟量输入板卡根据使用的A/D转换芯片和总线结构不同，其性能有很大的区别。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的精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。图8.
8、3研华PCI-1720模拟量输出卡2. 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电平以及负载能力。图8.4 PCI-1760数字量输入输出卡3. 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。4. 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
9、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，计算机可以通过该板卡。方便地读取脉冲计数值，也可测量脉冲的频率或产生一定频率的脉冲。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。8.1.3 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1. 组成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）硬件部分控制计算机参数检测和输出驱动I/O通道人机接口（2）软件部分2. 特点基于PC总线
10、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（2）采用分时控制方式（3）具有人机对话功能（4）控制方案灵活（5）危险集中8.2 基于数字调节器的计算机控制系统8.2.1数字调节器简介1. 数字调节器的分类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（2）可编程调节器（3）混合控制器（4）批量控制器2. 数字调节器的结构（1） 数字调节器的硬件部分数字调节器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成（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。 系统程序 用户程
11、序3. 数字调节的特点（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，通过数字调节器的人机接口，操作人员可以方便的对调节器进行操作。8.2.2基于数字调节器的计算机控制系统简介由数字调节器的结构可以看出，数字调节器具又很强的控制功能，其内部不仅包含了输入输出通道，还包含了先进的控制算法和控制措施。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措施。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
12、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。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。上位机负责采集数字调节器控制回路的状态，包括控制器本身的手、自动工作状态、PID参数值、输入及输出值等一系列信息，并通过通信模块对控制器的控制设置必要的信息，如工作状态的变更、参数的设置等。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8.3 基于可编程控制器的计
13、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。8.3.1 PLC简介1. PLC的特点（1） 高可靠性（2） 功能齐全（3） 应用灵活（4） 系统设计、调试周期短（5） 操作维修方便PLC主要缺点是人机界面比较差，数据存储和管理能力较差，虽然一些大型PLC在这方面有了较大发展，但价格较高。2. PLC的分类按地域范围PLC一般可分成三个流派：美国流派、欧洲流派
14、和日本流派。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。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， 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65128点）、中型PLC（I/O点数范围在129512点）和大型PLC（I/O点数范围在512点以上）等几种。3. PLC的发展趋势（1）向大型网络化、综合化方向发展（2）向体积小、速度快、功能强、价格低的小型
15、化方向发展8.3.2 PLC的基本结构和工作原理1. 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2. PLC的基本工作原理概括地讲，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。每一次扫描所用的时间称为扫描时间，也可称为扫描周期或工作周期。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。这是因为大中型PLC处理的I/O点数多，其中有些点可能不必要每次都扫描，一次扫描时对某一些I/O点进行，下次扫描
