計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第16講課件

典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

授課人：李會(huì)軍計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；分散控制系統(tǒng)；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)；2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn) 1、是一種非常典型的DDC控制系統(tǒng)，工控機(jī)通過基于PC總線的板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并按照一定的控制規(guī)律實(shí)時(shí)決策，產(chǎn)生控制指令，并通過板卡輸出，對生產(chǎn)過程直接進(jìn)行控制； 2、該類系統(tǒng)具有組成靈活、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。是目前在工業(yè)上用得比較多的一類系統(tǒng)；3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)什么是工控機(jī)西門子工控機(jī)研華工控機(jī)5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工控機(jī)的結(jié)構(gòu) 1、全鋼機(jī)箱 2、無源底板 3、工業(yè)電源 4、CPU卡 5、其它配件6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工控機(jī)的特點(diǎn)(IBM) 1、支持各種模塊化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT總線接口板； 2、所有卡采用高度集成芯片，以減少故障率；所有卡均為模塊化﹑插板式，以便安裝﹑更換和升級換代；所有卡使用專用的固定架將插板壓緊，防止震動(dòng)引起的接觸不良； 3、開放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件；7計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用的工控機(jī) 1、國外有美國IBM、ICS、德國西門子、日本康泰克等，這些產(chǎn)品可靠性好、市場定位高； 2、我國臺灣地區(qū)是工控機(jī)的主要生產(chǎn)區(qū)，其品牌主要有研華、威達(dá)、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中，研華是世界三大工控廠商之一，在中國大陸及臺灣市場均有較高的市場占有率； 3、國內(nèi)也有很多工控機(jī)品牌，如研祥、華控、康拓、艾雷斯等；9計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于PC總線的板卡

什么是板卡：是指計(jì)算機(jī)廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用功能模板； 基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡、模擬量輸出板卡、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能。

以研華PCI系列測控板卡為例介紹一下典型板卡的性能和特點(diǎn)10計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬量輸入板卡 基于PC系列總線(ISA總線、PCI總線等)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合三種輸入方式。內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，緩沖器的大小是板卡的性能指標(biāo)之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)。板卡的模擬信號采集精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定；研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡 研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，具有32路單端或16路差分模擬量輸入或單端、差分組合方式輸入，它帶有VDC隔離保護(hù)；采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100kHZ；板載4K采樣FIFO緩沖器；每個(gè)輸入通道的增益可編程。11計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出板卡 數(shù)字量輸入輸出接口相對簡單，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通道需要輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路，輸出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器；PCI-1760數(shù)字量輸入輸出卡 研華PCI-1760光隔開關(guān)量輸入輸出卡提供了8路數(shù)字量輸入通道和8路繼電器輸出通道。與傳統(tǒng)卡比較，PCI-1760為每個(gè)數(shù)字量輸入通道增加了可編程的數(shù)字濾波器。此功能使相應(yīng)輸入通道的狀態(tài)不會(huì)更新，直到高/低信號保持了用戶設(shè)定的一段時(shí)間后才改變，這樣有助于保持系統(tǒng)的可靠性。13計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)脈沖量輸入板卡 工業(yè)現(xiàn)場有許多高速的脈沖信號，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測信號等，這些都要使用脈沖量輸入板卡進(jìn)行測量。脈沖量輸入板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、測頻等不同工作方式。考慮到現(xiàn)場強(qiáng)電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力；PCI-17808通道定時(shí)/計(jì)數(shù)卡 研華PCI-1780計(jì)數(shù)/定時(shí)卡，是基于PCI總線設(shè)計(jì)的接口卡，該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能，該卡還提供8個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道，具有8通道可編程時(shí)鐘，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達(dá)20MHz；14計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成——硬件部分 1、控制計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)的核心，可以對輸入的現(xiàn)場信息和操作人員的操作信息進(jìn)行分析、處理，根據(jù)預(yù)先確定的控制規(guī)律，實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，控制和管理其他的設(shè)備?？紤]到工業(yè)控制領(lǐng)域較惡劣的環(huán)境，一般選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)； 2、I/O通道：I/O通道完成傳感器輸出信號和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間，或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)元件之間信號的轉(zhuǎn)換和匹配的功能。它使工業(yè)控制計(jì)算機(jī)能正確地接受被控對象工作狀態(tài)的檢測信號，而且能實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確地對驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行控制；15計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成——軟件部分

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)軟件和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)軟件有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、用戶程序開發(fā)支撐軟件，如開發(fā)語言、編譯軟件、調(diào)試工具等。用戶程序是指控制系統(tǒng)中與控制對象或控制任務(wù)相應(yīng)的控制程序。應(yīng)用程序一般都由用戶自己根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、資源配備情況開發(fā)完成；17計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn) 1、時(shí)間的離散性：系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的有關(guān)參量進(jìn)行控制時(shí)，是以定時(shí)采樣和階段控制來代替常規(guī)儀表的連續(xù)測量和連續(xù)控制的。因此，確定合適的采樣周期和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的字長是提高系統(tǒng)控制精度、減少轉(zhuǎn)換誤差的關(guān)鍵； 2、分時(shí)控制方式：一臺計(jì)算機(jī)要控制多個(gè)回路，所以系統(tǒng)采用“分時(shí)”控制的方法，即將某一回路的采樣和A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出控制三部分的時(shí)間與其前后回路錯(cuò)開，放在不同的控制時(shí)間里。這樣，既保證了控制過程的正常進(jìn)行，又能充分利用系統(tǒng)中的各種設(shè)備，提高了控制效率；18計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn) 3、具有人機(jī)對話功能：操作者通過輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)送入控制命令，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則通過輸出設(shè)備送出有關(guān)信息； 4、控制方案靈活：控制系統(tǒng)的控制算法是由軟件實(shí)現(xiàn)的。通過改變程序即可達(dá)到改變控制算法的目的，不僅方便靈活，并且還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。對于多回路控制系統(tǒng)，路數(shù)越多，這種優(yōu)勢越明顯。 5、危險(xiǎn)集中：由于這類系統(tǒng)中一臺計(jì)算機(jī)控制幾十個(gè)回路，所以一旦計(jì)算機(jī)的軟件或硬件出現(xiàn)故障將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。計(jì)算機(jī)直接與生產(chǎn)過程連接，而工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計(jì)算機(jī)的可靠運(yùn)行。因此，不僅需要計(jì)算機(jī)本身具有較高的可靠性，而且必須采取抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性，使之能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場；19計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)什么是數(shù)字調(diào)節(jié)器：數(shù)字調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內(nèi)部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數(shù)字量I/O通道、電源等部分構(gòu)成的一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調(diào)節(jié)器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級控制、前饋控制等；數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類 1、定程序控制器：制造廠商把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶只能組態(tài)，不能編程，它適合于典型的對象和通用的生產(chǎn)過程；21計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類 2、可編程調(diào)節(jié)器：用戶可以從調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供的諸多功能模塊中選擇所需要的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調(diào)節(jié)器按照要求工作； 3、混合控制器：是一種專為控制混合物成分用的控制器，雖然前兩種控制器也能用在混合工藝中，但不如這種經(jīng)濟(jì)方便(比值控制)； 4、批量控制器：是一種常用于液體或粉粒體包裝和定量裝載用的控制器，特別為周期性工作設(shè)計(jì)；22計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)——硬件部分23計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn) 1、運(yùn)算控制功能強(qiáng) 2、通過軟件實(shí)現(xiàn)所需功能 3、帶有自診斷功能 4、帶有數(shù)字通訊功能 5、具有較有好的人機(jī)界面25計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)概述 1976年，Intel公司推出了8048，稱為單片機(jī)(SingleChipComputer,SCC)。這個(gè)只有1KBROM和64BRAM的簡單芯片成為世界上第一個(gè)單片機(jī)，開創(chuàng)了將微處理機(jī)系統(tǒng)的各種CPU外的資源：ROM、RAM、定時(shí)器、I/O端口、串行通信接口及其他各種外圍功能模塊集成到單個(gè)芯片的時(shí)代； 現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)十分龐大的家族，許多新出現(xiàn)的單片機(jī)也稱為嵌入式微處理器，專門面向嵌入式應(yīng)用；26計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 1、專用性強(qiáng)：嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改； 2、設(shè)計(jì)精簡：嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中更具有競爭力； 3、系統(tǒng)內(nèi)核小：嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB，而Windows的內(nèi)核則要大得多；27計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 1、工業(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備具有很大的發(fā)展空間，目前己經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器應(yīng)用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域； 2、交通管理：在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊、GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用； 3、信息家電：這將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地；29計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 4、家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有專用控制芯片的智能儀表將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)