計算機控制技術(shù)-概述

微型計算機限制技術(shù)

MicrocomputerControlTechnology李曦華中科技高校限制科學與工程系2010年9月聯(lián)系方式辦公地點：東二樓219聯(lián)系電話-mail:lixi@lixi_wh@126ldarmy@126

什么是計算機限制？課程的目的和任務(wù)學什么？怎么學？教學支配教材與參考書考核方式引言1計算機限制工業(yè)限制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機限制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的須要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)。它主要探討如何將計算機技術(shù)和限制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所須要的計算機限制系統(tǒng)。2開課目的和任務(wù)目的在于使學生了解和駕馭以微型機為核心組成的限制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)學問和基本應(yīng)用技術(shù)。典型工程實例作為整個課程教學的“向?qū)А?。返回本?jié)3主要的參考文獻和考核方式作者書名出版社出版年月王建華等計算機控制技術(shù)(教材)高等教育出版社2003方康玲等

過程控制系統(tǒng)

武漢理工大學出版社2002潘新民等微型計算機控制技術(shù)高等教育出版社2001陽憲慧等現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用清華大學出版社1999邵惠鶴工業(yè)過程高級控制上海交通大學出版社1997王錦標等過程計算機控制清華大學出版社1991考核方式：書面考試＋平常作業(yè)＋出勤第一章計算機限制系統(tǒng)概述計算機限制系統(tǒng)的概念計算機限制系統(tǒng)的組成計算機限制系統(tǒng)的典型形式計算機限制系統(tǒng)的特點計算機限制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢計算機限制系統(tǒng)的應(yīng)用實例介紹1計算機限制系統(tǒng)的概念受控對象基本單元結(jié)構(gòu)限制過程的基本步驟常用術(shù)語限制目的連續(xù)過程：不間斷的生產(chǎn)過程如：焦爐煤氣生產(chǎn)回收過程，火電廠的鍋爐燃燒過程;該過程中典型的限制量有:溫度、時間、壓力、流量、速度、成分等隨時間變更的量。本課程主要講解并描述該過程的限制技術(shù)離散過程典型工業(yè)受控對象自動限制在沒有人干脆參與的狀況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地依據(jù)預定的規(guī)律運行。限制器被控對象的參數(shù)工業(yè)對象圖1-1閉環(huán)限制系統(tǒng)框圖計算機限制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動限制的系統(tǒng)。圖1-2計算機限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖換句話說：計算機限制系統(tǒng)就是利用計算機來代替原來的常規(guī)自控部件或電路，實現(xiàn)對限制對象自動限制的系統(tǒng)。雷達天線位置伺服限制系統(tǒng)+-MG+-+-+-信號放大功率放大位置檢測指令信號校正電路超前校正環(huán)節(jié)超前校正環(huán)節(jié)：——改善系統(tǒng)的瞬態(tài)性能，提高響應(yīng)速度和頻寬；滯后校正環(huán)節(jié)滯后校正環(huán)節(jié)：——改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。缺點：1.當系統(tǒng)困難時，校正電路會很困難,由于校正電路往往是由模擬電路為主構(gòu)成，穩(wěn)定性、抗干擾差；2.校正電路一旦建立，修改就很困難。雷達天線位置計算機限制系統(tǒng)MG+-+-+-信號放大功率放大位置檢測計算機A/DA/DD/A計算機控制系統(tǒng)計算機限制系統(tǒng)的工作步驟實時數(shù)據(jù)采集：實時限制決策：實時限制輸出：對來自測量變送裝置的被控變量的瞬時值進行檢測和輸入。對采集到的被控變量進行分析和處理，并按預定的限制規(guī)律，確定將要實行的限制行為。依據(jù)限制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出限制信號，完成限制任務(wù)。信息的管理、協(xié)調(diào)和通訊等等上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)依據(jù)確定的品質(zhì)指標進行工作，并對被控量和設(shè)備本身的異樣現(xiàn)象剛好作出處理。計算機限制系統(tǒng)的常用術(shù)語幾個常用術(shù)語◆在線（Online）：計算機限制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備干脆相連,并受計算機限制的方式.◆離線（Offline）：與在線方式相反.◆實時（Realtime）：計算機輸入、輸出和計算都在規(guī)定時間內(nèi)完成。實時性是指工業(yè)限制計算機系統(tǒng)應(yīng)當具有的能夠在限定的時間內(nèi)對外來事務(wù)做出反應(yīng)的特性。2個要素：其一：依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的事務(wù)能夠保持多長的時間；其二：該事務(wù)要求計算機在多長的時間以內(nèi)必需做出反應(yīng)。在線與實時的關(guān)系：一個在線的系統(tǒng)不確定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時限制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。太陽能路燈限制系統(tǒng)計算機限制系統(tǒng)的目的1：降低原材料的消耗2：提高產(chǎn)品的質(zhì)量3：提高勞動生產(chǎn)力4：減輕勞動強度5：實現(xiàn)其他要求（如環(huán)保）返回本節(jié)了解工藝過程入手，依據(jù)限制要求，正確制定限制策略實現(xiàn)限制，要有恰當?shù)南拗扑惴ㄒ袑崿F(xiàn)檢測與限制的正確手段要選擇牢靠有效的計算機限制系統(tǒng)從焦爐限制系統(tǒng)得到的啟發(fā)返回本節(jié)2計算機限制系統(tǒng)的組成計算機限制系統(tǒng)由計算機硬件設(shè)備和限制軟件組成。硬件是指計算機本身及其外圍設(shè)備，是計算機限制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。軟件是管理計算機的程序以及過程限制的應(yīng)用程序，是計算機限制系統(tǒng)的靈魂。計算機限制系統(tǒng)的硬件硬件組成計算機限制系統(tǒng)的硬件一般是由計算機、外部設(shè)備、輸入輸出通道和操作臺等組成，如圖1-3所示?！糁鳈C：CPU、RAM/ROM◆常規(guī)外設(shè)：輸入、輸出和存貯設(shè)備◆輸入輸出通道：AI、AO、DI、DO◆運行操作臺：顯示屏、功能鍵、數(shù)字鍵計算機限制系統(tǒng)的硬件圖1-3計算機限制系統(tǒng)硬件組成框圖計算機限制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件（1）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（2）限制計算與輸出（3）公共服務(wù)程序計算機限制系統(tǒng)的構(gòu)成：返回本節(jié)3計算機限制系統(tǒng)的形式操作指導限制系統(tǒng)干脆數(shù)字限制系統(tǒng)計算機監(jiān)督限制系統(tǒng)集散限制系統(tǒng)現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)PLC十上位機系統(tǒng)返回本節(jié)操作指導限制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)：計算機不干脆參與限制過程圖1-4操作指導限制系統(tǒng)組成框圖它主要是側(cè)重數(shù)據(jù)采集、處理，并為操作人員供應(yīng)反映生產(chǎn)過程工況的各種數(shù)據(jù)以及操作指導信息。它主要作用是：集中監(jiān)視操作指導這種系統(tǒng)主要是完成“數(shù)據(jù)采集與處理”，不須要完成“限制”功能。所以，嚴格地講：這種形式的系統(tǒng)不能算是“計算機限制系統(tǒng)”。所以，通常這種系統(tǒng)也稱為“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS”(DataAcquisitionSystem)?；蚍Q為“計算機協(xié)助測試系統(tǒng)CAT”(ComputerAssistantTesting)這種系統(tǒng)特點是原系統(tǒng)不需作大的改造，只需在原系統(tǒng)上獨立地加一套測試系統(tǒng)即可。因此，結(jié)構(gòu)簡潔、實施便利。返回本節(jié)干脆數(shù)字限制系統(tǒng)干脆數(shù)字限制（DirectDigitalControl,DDC）—計算機參與閉環(huán)限制過程圖1-5干脆數(shù)字限制系統(tǒng)組成框圖計算機首先通過模擬量輸入通道(AI)和開關(guān)量輸入通道(DI)實時采集數(shù)據(jù)，然后依據(jù)確定的限制規(guī)律進行計算，最終發(fā)出限制信息，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關(guān)量輸出通道(DO)干脆限制生產(chǎn)過程。在該系統(tǒng)中計算機參與了對數(shù)據(jù)的采集、限制決策、限制輸出三個基本功能，同時還負責報警、打印、顯示和接收操作指令。DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)限制系統(tǒng)，是計算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用方式由于DDC系統(tǒng)中的計算機干脆擔當限制任務(wù)，所以要求實時性好、牢靠性高和適應(yīng)性強。為了充分發(fā)揮計算機的利用率，一臺計算機通常要限制幾個或幾十個回路，那就要合理地設(shè)計應(yīng)用軟件，使之不失時機地完成全部功能。須要留意的是：對一些關(guān)鍵的限制回路，往往設(shè)計為計算機限制與儀表限制相結(jié)合的形式，以提高整個系統(tǒng)的牢靠性。返回本節(jié)計算機監(jiān)督限制系統(tǒng)監(jiān)督限制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl,SCC）—給定值限制，效果取決于數(shù)學模型的精度—兩種不同的結(jié)構(gòu)：?SCC＋模擬調(diào)整器?SCC＋DDC圖1-6(a)監(jiān)督限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式框圖模擬/數(shù)字調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程

SCC計算機記錄.顯示.打印工藝數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)設(shè)定值(a)SCC+模擬/數(shù)字調(diào)整器系統(tǒng)該系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)對各物理量進行巡回檢測，并按確定的數(shù)學模型對生產(chǎn)工況進行分析、計算后得出限制對象各參數(shù)最優(yōu)給定值（如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等）送給調(diào)整器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當SCC計算機出現(xiàn)故障時，可由模擬／數(shù)字調(diào)整器獨立完成操作。該系統(tǒng)與“操作指導限制系統(tǒng)OIS的”區(qū)分是：后者計算機系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集與處理，一般不須要對數(shù)據(jù)進行困難的工藝分析與計算。而前者主要完成工藝分析與計算，并給出給定值。生產(chǎn)過程

SCC計算機

DDC計算機記錄.顯示.打印工藝數(shù)據(jù)測量調(diào)節(jié)設(shè)定值(b)SCC+DDC系統(tǒng)圖1-6(b)監(jiān)督限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式框圖這事實上是一個二級限制系統(tǒng)，SCC可接受高檔計算機，它與DDC之間通過通信接口進行通信聯(lián)系。SCC計算機可完成工段、車間高一級的最優(yōu)化分析和計算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級執(zhí)行過程限制。當DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的限制功能，使系統(tǒng)牢靠性得到提高。作為SCC的計算機一般均接受高檔計算機或工作站，要求數(shù)據(jù)處理功能強、存儲容量大，對工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾實力倒不確定很強。返回本節(jié)集散限制系統(tǒng)分布式限制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）是一個四級系統(tǒng)，各級計算機的功能如圖1-7所示。裝置限制級（DDC級）車間監(jiān)督級（SCC級）工廠集中限制級（MIS）企業(yè)管理級（MIS）分布式限制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）圖1-7分布式限制系統(tǒng)系統(tǒng)分為三個層次進行限制：過程控制級集中操作監(jiān)控級綜合信息管理級系統(tǒng)的設(shè)計原則：分散控制集中操作分級管理分而自治綜合協(xié)調(diào)特點：功能強大、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟，軟件支持廣泛。但系統(tǒng)困難，成本高，一般適合于大型測控系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)的實物DCS集計算機技術(shù)、限制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、生產(chǎn)工藝為一體，是綜合技術(shù)集成。從某種意義上說，已不是單純的計算機限制技術(shù)，或者說是廣義的計算機限制技術(shù)。DCS最明顯的特征是：DCS計算機系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)分級結(jié)構(gòu)；專用軟件平臺。返回本節(jié)現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS）◆新一代分布式限制結(jié)構(gòu)◆以“工作站－現(xiàn)場總線儀表”的二層結(jié)構(gòu)完成DCS三層結(jié)構(gòu)的功能◆可以降低成本，提高牢靠性，實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)BranchTopologyTreeTopologyDaisyChainDCSAOAIPIDControlApplicationAOAIPIDControlApplicationFCSXFCS系統(tǒng)的實物FCS系統(tǒng)出現(xiàn)的理由：1）雖然DCS系統(tǒng)功能強大，但由于分散過程級仍運用傳統(tǒng)的模擬量（4~20mA電流或0~5V電壓）傳送，抗干擾實力差；2）全部的變送器均要將信號集中到限制器或限制站，當限制采樣點較多時，接線工作量很大，而且不利于檢修和調(diào)試；3）DCS系統(tǒng)接受三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本較高，且各廠商的DCS有各自的標準，不能互聯(lián)。FCS系統(tǒng)的特點：1）一對通信線可連接多臺儀表，安裝調(diào)試便利，而且電纜本身供電；2）從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字一模擬信號限制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與限制系統(tǒng)——牢靠性高；3）現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)則將DCS的限制站功能徹底分散到現(xiàn)場限制設(shè)備，僅靠現(xiàn)場總線設(shè)備就可以實現(xiàn)自動限制的基本功能，如數(shù)據(jù)采集與補償、PID運算和限制、設(shè)備自校驗和自診斷等功能。5）對環(huán)境的高度適應(yīng)性現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的，它可以運用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線的方式來傳送數(shù)據(jù)，具有很強的抗干擾實力。7）很強的擴展性；8）傳輸速度高——可達1MbPs；9）傳輸距離長——可達幾公里；10）節(jié)點數(shù)多——可達幾萬個；6）互換性很強——同一標準的儀表均可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)“即接即用”；4）各儀表、功能模塊可以分散安裝，統(tǒng)一組態(tài)

功能模塊的參數(shù)也可以通過軟件進行調(diào)整；FCS常用標準：1）FF——現(xiàn)場總線基金標準2）CAN——限制器局域網(wǎng)絡(luò)（德國）3）LONWORKS——局部操作網(wǎng)絡(luò)（美國）4）

PROFIBUS——過程現(xiàn)場總線（德國）5）HART——可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路（美國)目前FCS的標準有200多種，其中在我國運用較多的有如下幾種：FCS的出現(xiàn)對自動限制領(lǐng)域來說是一次巨大的變革，也對現(xiàn)有限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、限制策略等方面產(chǎn)生深遠的影響。由于各集團、國家在技術(shù)和市場利益上的沖突，目前仍存在多種標準，尚未統(tǒng)一，因此阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。返回本節(jié)PLC十上位機系統(tǒng)PLC限制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.8所示。PLC限制系統(tǒng)PLC的實物研華PLC和利時PLC西門子PLC三菱PLCPLC(ProgrammableLogicController)是可編程邏輯限制器的簡稱，最初是為代替“繼電器”而設(shè)計的一種限制器。一般來說，PLC是一種局部的限制器，例如一個工位、一道工序的限制，但隨著PLC應(yīng)用的數(shù)量不斷擴大，特殊是由于PLC在限制的牢靠性、限制的實時性和重新組態(tài)的便利性等方面比傳統(tǒng)繼電器方法有無法比擬的優(yōu)越性，因此其應(yīng)用越來越廣泛，其限制范圍也隨之擴大，并出現(xiàn)了用數(shù)據(jù)高速馬路(DataHighway，DH)將眾多PLC互聯(lián)起來，而形成的較大限制系統(tǒng)。要構(gòu)成一個完整的計算機限制系統(tǒng)，僅有邏輯的功能已不能滿足要求，而須要擴充數(shù)值限制的功能。為了滿足上述要求，各PLC廠家做了大量工作，分別推出了自己的以PLC為主的限制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與單個的PLC相比有幾點重大的變更：①在數(shù)據(jù)高速馬路上掛接了在線的通用計算機其作用：1）可以實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下載；2）可以在線地監(jiān)視被控過程的狀態(tài)。這樣一個具有現(xiàn)場限制層和協(xié)調(diào)限制層的DCS雛形就出現(xiàn)了。②在PLC中增加了數(shù)值量的I／0接口和數(shù)值處理計算功能。這樣，PLC就不僅可以完成邏輯限制功能，也可以完成數(shù)值限制功能和混合限制功能。③越來越多的PLC廠家把專用的數(shù)據(jù)高速馬路改成為通用的網(wǎng)絡(luò)，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約向通用的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約靠攏。這樣就使PLC有條件和其他各種計算機系統(tǒng)和設(shè)備實現(xiàn)集成，以組成大型的限制系統(tǒng)。上述幾點變更使得PLC組成的系統(tǒng)具備了DCS的形態(tài)，特殊是由于PLC已經(jīng)以產(chǎn)品的形態(tài)在市場上銷售了多年，其I／O接口、編程方法、網(wǎng)絡(luò)通信都趨于標準化和適應(yīng)開放系統(tǒng)的要求，加上PLC在價格上的優(yōu)勢，使得PLC在限制系統(tǒng)中的重要性越來越明顯，在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)達到可與傳統(tǒng)的DCS相競爭的水平。返回本節(jié)1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點:此外，由于多數(shù)系統(tǒng)的被控對象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(xù)模擬式的，因此，還必需加入信號變換裝置(如A／D及D／A變換器)。所以，計算機限制系統(tǒng)通常是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。計算機限制系統(tǒng)必需包括有計算機，它是一個數(shù)字式離散處理器。4計算機限制系統(tǒng)的特點2）信號形式上的特點限制對象中各點信號一般均為連續(xù)模擬信號，由于計算機是串行工作的，必需按確定的采樣間隔(稱為采樣周期)對連續(xù)信號進行采樣，將其變成時間上是斷續(xù)的信號才能進入計算機。3）系統(tǒng)工作方式上的特點在連續(xù)限制系統(tǒng)中，限制器通常都是由不同的電路構(gòu)成，并且一臺限制器僅為一個限制回路服務(wù)。在計算機限制系統(tǒng)中，一臺計算機可同時限制多個被控量或被控對象，即可為多個限制回路服務(wù)。每個限制回路的限制方式由軟件來形成。同一臺計算機可以接受串行或分時并行方式實現(xiàn)限制。4）限制品質(zhì)高由于計算機的運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯推斷功能和大容量的存儲實力，因此，能實現(xiàn)困難的限制規(guī)律，如最優(yōu)限制、自適應(yīng)限制及自學習等，從而可達到較高的限制質(zhì)量。這些均是常規(guī)儀表組成的連續(xù)限制系統(tǒng)難于實現(xiàn)的！5）功能價格比值高盡管一臺計算機最初投資較大，但增加一個限制回路的費用卻很少。一臺計算機卻可以實現(xiàn)困難限制規(guī)律并可同時限制多個限制回路。對于連續(xù)系統(tǒng)，模擬硬件的成本幾乎與限制規(guī)律困難程度、限制回路多少成正比；6）適應(yīng)性強，敏捷性高計算機本身是一種可編程的智能元件，易于修改系統(tǒng)功能和特性。構(gòu)成了一種柔性(彈性)系統(tǒng)。由于計算機限制系統(tǒng)的限制規(guī)律是由軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，并且計算機具有強大的記憶和推斷功能，所以，極易實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同的限制功能。7）缺點：隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，計算機體積減小，重量輕、成本下降；隨著對自動限制系統(tǒng)功能要求的不斷提高，計算機限制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)得越來越突出。?由于系統(tǒng)中插入數(shù)字部件，信號困難，給設(shè)計實現(xiàn)帶來確定困難；

?初期投資大；返回本節(jié)5計算機限制系統(tǒng)的發(fā)展概況世界上第一臺電子計算機于1946年問世，經(jīng)驗了十多年的探討，1959年世界上第一臺過程限制計算機在美國得克薩斯州的一個煉油廠正式投入運行。該系統(tǒng)控制有：26個流量；72個溫度；3個壓力；3個成分；基本功能：控制反應(yīng)