典型计算机控制系统简介

●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。

●授课主要内容

●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

●基于可编程控制器的计算机控制系统

●基于嵌入式系统的计算机控制系统

●分散控制系统（DCS）

●现场总线控制系统（FCS）

●计算机集成制造系统（CIMS）

●主要外语词汇

Micro-Controller Unit (MCU):微控器，Digital Signal Processor(DSP)数字信号处理器

●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“**”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

●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***

●基于可编程控制器的计算机控制系统**

●基于嵌入式系统的计算机控制系统**

●分散控制系统（DCS）**

●现场总线控制系统（FCS）*

●计算机集成制造系统（CIMS）*

●辅助教学情况

多媒体教学课件（POWERPOINT）

●复习思考题

●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

●基于可编程控制器的计算机控制系统

●基于嵌入式系统的计算机控制系统

●分散控制系统（DCS）

●现场总线控制系统（FCS）

●计算机集成制造系统（CIMS）

●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

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计算机控制系统

8.1.1PC总线的工业控制机简介   

工业个人计算机（Industrial Personal Computer ─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。

（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，在中国及市场均有较高的市场占有率，产品品种广泛。国内也有很多工控机品牌，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）

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。

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。

2.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。

3.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。

图8.7系统的基本构成

8.3 基于可编程控制器的计算机控制系统

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。

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：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，下次扫描时又对另一些I/O点进行，即分时分批地进行顺序扫描。这样做可以缩短扫描周期，提高实时控制中的响应速度。

8.3.3 基于PLC的计算机控制系统简介

1.基于PLC的计算机控制系统的应用范围

（1）用于开关逻辑控制

（2）用于机械加工的数字控制

（3）用于机器人控制

（4）用于闭环过程控制

（5）用于实现工厂的无人化管理

2.PLC的控制系统的设计原则及内容

（1）PLC系统的设计原则

关于PLC系统的设计原则往往涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为四点：

① 最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。

② 确保计算机控制系统的可靠性。

③ 力求控制系统简单、实用、合理。

④ 适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。

（2）PLC系统设计包含的内容

下面是PLC系统设计所要完成的一般性内容：

① 分析被控对象的工艺特点和要求，拟定PLC系统的控制功能和设计目标；

② 细化PLC系统的技术要求，如I/0接口数量、结构形式、安装位置等等；

③ PLC系统的选型，包括CPU、I/O模块、接口模块等等；

④ 编制I/0分配表和PLC系统及其与现场仪表的接线图；

⑤ 根据系统要求编制软件规格说明书，开发PLC应用软件；

⑥ 编写设计说明书和使用说明书；

⑦ 系统安装、调试和投运。

3.PLC系统的硬件设计

第一步就是需要对被控生产对象的工艺过程和特点做深入的了解，这也是现场仪表选型与安装、控制目标确定、系统配置的前提。

第二步需要创建设计任务书，设计任务书实际上就是对技术要求的细化，把各部分必须具备的功能和实现方法以书面形式描述出来。设计任务书是进行设备选型、硬件配置、软件设计、系统调试的重要技术依据，若在PLC系统的开发过程中发现不合理的方面，需要及时进行修正。

第三步需要在满足控制要求的前提下，对系统所涉及的硬件设备进行选型。

第四步需要设计安全回路。

4.PLC的控制系统的软件设计

（1）前期工作

首先需要制定控制方案、制定抗干扰措施、编制I/0分配表、确定程序结构和数据结构、定义软件模块的功能，然后编写应用软件的指令程序，最后进行软件的调试和投运。如果在实现每一项任务的过程中发现不合理的地方，要及时进行修正。

（2）应用软件的开发和调试

根据功能的不同，PLC应用软件可以分为基本控制程序、中断处理程序和通信服务程序三个部分。其中基本控制程序是整个应用软件的主体，它包括信号采集、信号滤波、控制运算、结果输出等内容。

8.4 基于嵌入式系统的计算机控制系统

8.4.1 嵌入式系统概述

1.嵌人式系统概念的由来

2.嵌入式系统的特点

从前面对嵌入式系统所作的概念可以看出嵌入式系统具有以下几个主要特征：

（1）专用性强

（2）精简设计

（3）系统内核小

（4）嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。

（5）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

（6）嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统的应用领域

嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：

（1）工业控制

（2）交通管理

（3）信息家电

（4）家庭智能管理系统 

（5）POS网络及电子商务

（6）环境监测

（7）机器人

8.4.2 嵌入式系统的硬件

1．嵌入式微控制器（Micro-Controller Unit, MCU）

2．嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor, DSP）

3．嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit, MPU）

4．嵌入式片上系统（SystemOnChip, SoC）

8.4.3 嵌入式系统的软件

1.主要流行的嵌入式操作系统

（1）Linux

（2）µCLinux

（3）eCOS

（4）Windows CE

（5）VxWorks

（6）RTX5l

（7）µC/OS

2.嵌入式操作系统的功能

（1）进程管理

（2）内存管理

（3）文件系统管理

（4）设备驱动程序

（5）系统调用

8.4.4基于嵌入式系统的计算机控制系统的设计

1.嵌入式系统的主要设计方法

（1）仿真器

（2）BOOTROM

（3）JTAG接口

2.嵌入式操作系统环境下的调试

3.目前常用的几种嵌入式系统设计风格。

（1）缩减PC系统

（2）高级单片系统

（3）单片机系统

8.5分散控制系统（DCS）

分散型计算机控制系统又名分布式计算机控制系统，简称分散型控制系统（Distributed Control System 即DCS）。分散型控制系统综合了计算机（Computer）技术、控制（Control）技术、通信（Communication）技术、CRT显示技术即4C技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。先进的分散型控制系统将以计算机集成制造系统（CIMS）为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。

分散型控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则。系统安全可靠、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方法。

8.5.1 DCS的特点

分散性和集中性，自治性和协调性，灵活性和扩展性，先进性和继承性，可靠性和适应性，友好性和新颖性。

8.5.2 DCS的发展趋势

（1）开放式系统发展

（2）智能变送器，远程I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控功能下移分散

（3）DCS、PLC、PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化分布式控制系统   

（4）现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势

8.5.3 DCS的层次结构

DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想。DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。

1.DCS的直接控制层

直接控制层是DCS的基础，其主要设备是过程控制站（PCS）,PCS主要由输入输出单元（IOU）和过程控制单元（PCU）两部分组成。

2.DCS的操作监控层

操作监控层是DCS的中心，其主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关。

3.DCS的生产管理层

生产管理层的只要设备是生产管理计算机（manufactory management computer, MMC）, 一般由一台中型机和若干台微型机组成。

4.DCS的决策管理层

决策管理层的只要设备使决策管理计算机（decision management computer, DMC），一般由一台大型机、几台中型机、若干台微型机组成。

8.5.4 DCS的硬件结构

DCS硬件采用积木式结构，可灵活地配置成小、中、大系统；另外，还可以根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统和增加功能。

1.DCS控制站的硬件结构

控制站（CS）或过程控制站（PCS）只要由输入输出单元（IOU）、过程控制单元（PCU）和电源三部分组成。    

2. DCS操作员站的硬件结构

操作员站（OS）为32位（或位）微处理机或小型机，主要由主机、彩色显示器（CRT）、操作员专用键盘和打印机等组成。其中主机的内存容量、硬盘容量可由用户选择，彩色CRT可选触屏式或非触屏式，分辨率也可选择，一般用工业PC机（IPC）或工作站做OS主机，个别DCS制造厂配专用OS主机，前者是发展趋势，这样可增强操作员站的通用性及灵活性。

3.DCS工程师站的硬件结构

工程师站（ES）为32位或位小型机和高档微型机，主要由主机、彩色显示器（CRT）、键盘、打印机等组成，其中主机的内存容量、硬盘容量、CD或磁带机为外部设备均可由用户选择。

8.5.5 DCS的软件技术

1．DCS的组态软件

2．DCS的操作软件

8.6现场总线控制系统（FCS）

8.6.1 现场总线控制系统的概念（FCS）  

现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。

8.6.2 现场总线的发展过程

（1）ISA/SP50

（2）PROFIBUS

（3）ISP和ISPF

（4）World FIP

（5）HART和HCF

（6）FF（现场总线基金会）

8.6.3 现场总线的特点

（1）系统的开放性

（2）互操作性与互用性

（3）现场设备的智能化与功能自治性

（4）对现场环境的适应性

（5）节省硬件数量与投资

（6）节省安装费用

（7）节省维护开销

（8）用户具有高度的系统集成主动权

（9）堤高了系统的准确性与可靠性

8.6.4 现场总线控制系统的组成 

现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。 

8.6.5 几种典型的现场总线

过去10年内，世界上出现了多种现场总线的企业、集团或国家标准，目前较流行的现场总线主要有以下几种：CAN，LONWORKS，PROFIBUS，HART，FF。

8.7计算机集成制造系统（CIMS）

8.7.1概述

1.CIMS的概念

CIMS即计算机集成制造系统，是基于1973年美国Joseph Harrington博士在其博士论文《Computer Integrated Manufacturing》中首次提出的CIM（Computer Integrated Manufacturing 计算机集成制造）的概念而构成的一种现代制造系统。

2.CIMS的发展

8.7.2 流程工业CIMS与离散工业CIMS之比较

8.7.3 CIMS的开发与实施

我国CIMS应用工程的开发过程主要分为四个阶段：可行性论证、系统设计、分布实施、运行和维护。