第8章典型计算机控制系统简介本章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计算机控制系统基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统是一种典型的DDC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早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，从而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛1. 工业PC的结构工控机的典型结构主要由以下几部分组成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，内部可安装同PC-Bus兼容的无源底板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插槽的数量和位置可以根据需要选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。
底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等4）CPU卡，IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII和PIV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CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等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PC总线接口板2）所有卡（CPU卡﹑CRT卡﹑磁盘控制卡和I/O接口卡等）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机各种应用软件4）采用和PC总线兼容的无源底板无源底板带有4、6、8、12、14或20槽，可插入各种PC总线模板6）可内装RAM、EPROM、EEROM和FLASH MEMORY等电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速和高可靠性8.1.2 基于PC总线的板卡简介基于PC总线的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各种类型板卡依据其所处理的数据不同，都有相应的评价指标，现在较为流行的板卡大都是基于PCI总线设计的，下面以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典型板卡的性能和特点基于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、差分输入以及两种方式组合输入三种例如研华PCI-1710数据采集卡，如图8.2所示1. 模拟量输出板卡（D/A卡）例如研华PCI-1720模拟量输出卡，如图8.3所示由于能够在输出和 PCI 总线之间提供 2500 VDC 的隔离保护，PCI-1720 非常适合需要高电压保护的工业场合2. 数字量输入/输出板卡例如，研华PCI-1760光隔开关量输入输出卡，如图8.4所示，提供了8路数字量输入通道和8路继电器输出通道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基于PC总线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：对于多回路控制系统，计算机DDC系统具有价格优势，路数越多，这种优势越明显制造厂把编好的程序固化在控制器的ROM中，用户只需要通过组态，不必编写程序，它适合于典型的对象和通用的生产过程。
主机电路由微处理器（CPU）、只读存储器（ROM、EPROM）、随机存储器（RAM）、定时/计数器（CTC）以及输入、输出接口等组成⑤ 通信接口通信接口主要完成数字调节器于其它设备的通讯，目前大多数的数字调节器采用RS485通信用户程序的编程通常采用面向过程POL语言（Procedure-Oriented Language）控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“”和“离线”两种编程方法数字调节器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字调节器既可以实现简单的PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和Smith补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制数字调节器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还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与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，将控制器本身的手、自动工作状态、PID参数值、输入及输出值等一系列信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更、参数的设置等因此，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。
国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC的标准草案第一稿和第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：（1） 高可靠性高可靠性是PLC最突出的特点之一为实现“专为适应恶劣的工业环境而设计”的要求，PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：① 所有输入输出接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部的电路在电气上实现隔离② 各模块均采取屏蔽措施，以防止辐射干扰③ 采用优良的开关电源④ 对采用的器件进行严格的筛选⑤ 具有完整的监视和诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大⑥ 大型PLC还采用由双CPU构成的冗余系统，使可靠性进一步提高由于采用了以上措施使PLC的平均无故障时间高达几十万小时虽然各厂家PLC型号不同，但各国均有相应的标准，产品都严格的按有关技术标准进行出厂检验，故均可适应恶劣的工业应用环境2） 功能齐全除了单元式小型PLC外，绝大多数PLC采用标准的积木硬件结构和模块化的软件设计，不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合操作人员经短期培训，就可以使用PLC因此，操作人员、维修人员可以及时准确地了解机器故障点，利用替代模块或插件的办法迅速排除故障。
近几年，随着显示技术的迅速发展，大多数PLC都可以配套使用液晶显示和触摸屏，使人机界面大大改善自DEC公司研制成功第一台PLC以来，PLC已发展成为一个巨大的产业，目前PLC产品的产量、销量及用量在所有工业控制装置中居首位，据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络产品的厂家有200多家，生产大约400多个品种的PLC产品按地域范围PLC一般可分成三个流派：美国流派、欧洲流派和日本流派一方面，美国PLC技术与欧洲PLC技术基本上是各自独立开发而成的，二者表现出明显的差异性，而日本的PLC技术是由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继承，也有发展，而且日本产品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的产品面临的市场相同，用户的要求接近，相互借鉴就比较多，技术渗透得比较深，这都使得同一地域的PLC产品表现出较多的相似性，而不同地域的PLC产品表现出明显的差异性按结构形式可以把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，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列产品，西门子公司的S7-200系列产品 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，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。
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65～128点）、中型PLC（I/O点数范围在129～512点）和大型PLC（I/O点数范围在512点以上）等几种小型及超小型PLC在结构上一般是一体化形式，主要用于单机自动化及简单的控制对象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增强了数据处理能力和网络通信能力，可构成大规模的综合控制系统，主要用于复杂程度较高的自动化控制，并在相当程度上替代DCS以实现更广泛的自动化功能随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的不断延伸，PLC的结构和功能也在进行不断地完善和扩充，实现控制功能和管理功能的结合，以不同生产厂家的产品构成开放型的控制系统是主要的发展理念之一长期以来PLC走的是专有化的道路，目前绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标就PLC系统而言，现代PLC主要有以下两种发展趋势由于现代工业自动化的内涵已不再局限于某些生产过程的自动化，而是实现信息管理和工业生产相结合的综合自动化，强化通信能力和网络化功能是PLC发展的一个重要方面，它主要表现在：向下将多个PLC、远程I/O站点相连；向上与工业控制计算机、管理计算机等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
例如：A-B、SIEMENS、MODICON等多数生产厂家的PLC产品都已具备类似的功能以SIEMENS公司的S7系列PLC为例，它可以实现3级总线复合型的网络结构，如图8.9所示中间层为PROFIBUS现场总线或MPI多点接口链路，PROFIBUS采用令牌方式与主从方式相结合的通信机制，MPI为主从式总线二者可实现PLC与PLC之间、PLC与计算机、编程器或操作员面板之间、PLC（具备PROFIBUS-DP接口）与支持PROFIBUS协议的现场总线仪表或计算机之间的通信随着应用范围的扩大，体积小、速度快、功能强、价格低的PLC广泛渗透到工业控制领域的各个层面小型化发展具体表现为：结构上的更新、物理尺寸的缩小、运算速度的提高、网络功能的加强、价格的降低，当前小型化PLC在工业控制领域具有不可替代的地位中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢在20世纪70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微处理器芯片的档次差别很大，因此，不同类型的PLC的CPU所采用的微处理器芯片的档次相差很大，因此，不同类型的PLC其功能、扫描速度、用户程序的存储量、IO点数、软设备（例如：逻辑线圈、计数器、数据寄存器等）数量等都有较大差别。
随着超大规模集成电路技术的进步和发展，微处理器价格的下跌，PLC也能使用功能强、速度快的高档微处理器作为其CPU因此，在80年代末90年代初，PLC制造厂商纷纷推出新一代的产品，其特点是普遍采用高档的微处理器，外加专用逻辑处理芯片构成PLC的CPU，前者处理高速指令、中断等，使得PLC的处理速度加快，功能增强例如：三菱公司新FX系列小型PLC，CPU就由一片16位微处理其和一片专用处理器构成该机的某些性能甚至超出了80年代中期的大型PLC.近两年，有些制造厂商还根据PLC对CPU的要求，自行研制开发了专用的CPU芯片这种芯片将PLC的功能集成在一个芯片中，其中还包括一些原来由软件实现的功能改由硬件完成，使其体积更小，可靠性更强例如：三菱公司的A2A、A3A型PLC采用的就是该公司自行研制开发的专用芯片MSP（Mitsubishi Sequential Processor）为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对。