微機(jī)控制系統(tǒng)概述

12.1微機(jī)控制系統(tǒng)一、優(yōu)點(diǎn)

1.

幫助操作人員選擇最優(yōu)工藝和最佳操作參數(shù)；

2.

實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)方法難以完成的控制規(guī)律；

3.

降低原料和能源消耗，減少成本；

4.

提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

二、組成

由微機(jī)和其他工業(yè)生產(chǎn)對象兩大部分組成，包括硬件和軟件。微機(jī)控制系統(tǒng)本身是通過各種接口和外部設(shè)備與生產(chǎn)過程發(fā)生關(guān)系，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制的。（一）硬件硬件是由主機(jī)、接口電路及外部設(shè)備組成：

第1頁/共19頁2

1.

主機(jī)（CPU）：通過接口可向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種控制命令，同時(shí)對系統(tǒng)的各參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理以及完成控制計(jì)算、報(bào)警處理、邏輯判斷等；

2.

接口與輸入輸出通道：是主機(jī)與控對象進(jìn)行信息交換的紐帶；

3.

通用外部設(shè)備：是為了擴(kuò)大主機(jī)功能而設(shè)置的，用來顯示、打印、存儲及傳遞數(shù)據(jù)等；

4.檢測元件及儀表.

5.

操作臺：是人-機(jī)對話的紐帶，通過它人們可以向計(jì)算機(jī)輸入程序，修改內(nèi)存的數(shù)據(jù)，顯示被測參數(shù)以及發(fā)出各種操作指令等：（1）作用開關(guān)：如電源開關(guān)、數(shù)據(jù)和地址選擇開關(guān)以及操作方式選擇開關(guān)等；（2）

功能鍵：目的是通過功能鍵向主機(jī)申請中斷服務(wù)，如復(fù)位鍵、啟動鍵、打印鍵、顯示鍵等；

第2頁/共19頁3

（3）LED數(shù)碼管及CRT顯示：顯示被測參數(shù)及操作人員所感興趣的內(nèi)容，如被控系統(tǒng)的流程圖、開關(guān)狀態(tài)圖、時(shí)序圖、表格式顯示以及報(bào)警索引等；

（4）數(shù)據(jù)鍵：用來送入數(shù)據(jù)或修改被控系統(tǒng)的參數(shù)。

（二）軟件指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如操作、管理、監(jiān)控和自診斷等。軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，從功能上可分為：

1.系統(tǒng)軟件：由微機(jī)設(shè)計(jì)者提供，專門用來使用和管理計(jì)算機(jī)本身的程序；

2.

應(yīng)用軟件：面向用戶本身的程序，主要內(nèi)容包括：（1）過程監(jiān)測：巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報(bào)警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過程分析程序；第3頁/共19頁4（2）過程控制計(jì)算：控制算法程序：PID算法、模糊控制算法、最優(yōu)化控制、串級調(diào)節(jié)、比值調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)、系統(tǒng)辨識及其它；事故處理程序信息管理程序：信息生成調(diào)度、文件管理、輸出、顯示、打印；（3）公共服務(wù)程序：基本運(yùn)算程序、函數(shù)運(yùn)算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。

3.數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：建立存放數(shù)據(jù)的表格和形式，查詢、顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)，主要用于大量的數(shù)據(jù)管理及資料檢索系統(tǒng)。

第4頁/共19頁5三、分類（一）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)屬開環(huán)控制型結(jié)構(gòu)，微機(jī)的輸出部分不直接與生產(chǎn)過程的各個(gè)控制環(huán)節(jié)發(fā)生聯(lián)系，只是對系統(tǒng)過程參數(shù)進(jìn)行收集，加工處理，然后輸出數(shù)據(jù)，由操作人員按計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的操作。

微機(jī)A/D轉(zhuǎn)換采樣器測量元件工業(yè)對象CRT顯示打印機(jī)人圖2.1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理圖第5頁/共19頁6優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活和安全。缺點(diǎn)：由人工控制，速度受到限制，且不能控制多個(gè)對象。使用場合：進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測處理及試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的控制程序。

（二）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）DirectDigtalControl

用一臺微機(jī)對多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，將被測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再按事先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值。優(yōu)點(diǎn)：

1.由于微機(jī)計(jì)算速度快，一臺微機(jī)可代替多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器；

2.由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制，靈活性大，可靠性高。

第6頁/共19頁7人工監(jiān)督設(shè)定值測量值A(chǔ)/DDDC微機(jī)D/A多路開關(guān)檢測元件反多路開關(guān)生產(chǎn)過程管理命令報(bào)告圖2.2DDC控制系統(tǒng)原理圖第7頁/共19頁8（三）計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）SupervisoryComputerControl

在SCC系統(tǒng)中，是由計(jì)算機(jī)按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值送給模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工作狀況。從結(jié)構(gòu)上講，SCC系統(tǒng)分為兩種：1.SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)在此系統(tǒng)中，SCC監(jiān)督計(jì)算機(jī)的作用是收集檢測信號及接受管理命令，然后按照一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算后，輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器，此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的，這樣可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷的改變給定值，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。

第8頁/共19頁9SCC計(jì)算機(jī)設(shè)定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件生產(chǎn)過程管理命令報(bào)告TT圖2.3SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖第9頁/共19頁102.SCC+DDC控制系統(tǒng)該系統(tǒng)為兩極計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，其作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計(jì)算最佳給定值，直接數(shù)字控制器DDC則由單片機(jī)來完成，用以將給定值與測量值進(jìn)行比較，其偏差由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制計(jì)算，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和反多路開關(guān)分別控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第10頁/共19頁11SCC計(jì)算機(jī)設(shè)定值測量值A(chǔ)/DDDCD/A多路開關(guān)檢測元件反多路開關(guān)生產(chǎn)過程管理命令報(bào)告圖2.4SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖第11頁/共19頁123.區(qū)別：一般的模擬系統(tǒng)是不能隨便改變給定值的，因此SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)特別適合老企業(yè)的技術(shù)改造工程，既用上了原有的模擬調(diào)節(jié)器，又實(shí)現(xiàn)了最佳給定值控制；

SCC+DDC控制系統(tǒng)中控制規(guī)律可以改變，所以使用更加靈活，且一臺DDC可控制多個(gè)回路，使系統(tǒng)組成比較簡單。

4.

SCC系統(tǒng)與DDC的區(qū)別

SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)有更大的優(yōu)越性，可以接近于生產(chǎn)的實(shí)際情況，切當(dāng)系統(tǒng)中的模擬調(diào)節(jié)器或DDC控制器出現(xiàn)故障時(shí)，可用SCC系統(tǒng)代替調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的可靠性，但由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，其數(shù)學(xué)模型建立比較困難，因此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

第12頁/共19頁13（四）分布式控制系統(tǒng)（DCS）DistributedControlSystems

是分級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是以一個(gè)主計(jì)算機(jī)和兩個(gè)或更多計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的一種體系結(jié)構(gòu)，也叫主從結(jié)構(gòu)或樹形結(jié)構(gòu)。在這種系統(tǒng)中只有必要的信息才傳送到上一級計(jì)算機(jī)或中央控制室，檢測和數(shù)據(jù)處理任務(wù)都由單片機(jī)組成的前置控制機(jī)就地解決問題，可避免傳輸誤差和系統(tǒng)的復(fù)雜化。1.功能（1）隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)開始把單片微型計(jì)算機(jī)用于傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即所謂的智能儀表或智能化傳感器。在這類儀表或傳感器中，單片機(jī)用來完成數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)、計(jì)算、誤差修正及線性化補(bǔ)償，即由智能儀表或智能化傳感器構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)的現(xiàn)場級儀表。（2）實(shí)現(xiàn)控制算法：采用單片機(jī)作為調(diào)節(jié)器，對系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)控制，可根據(jù)需要靈活地改變算法，且能完成一般模擬系統(tǒng)所不能完成的調(diào)節(jié)功能。

第13頁/共19頁14（3）實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對話：操作人員可以通過操作臺向計(jì)算機(jī)設(shè)置給定值、參數(shù)及請求打印數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)把裝置和設(shè)備的狀態(tài)信息、處理結(jié)果及報(bào)警信號輸送給操作人員。（4）實(shí)現(xiàn)通信：可實(shí)現(xiàn)微機(jī)之間、微機(jī)與上位機(jī)之間以及微機(jī)與裝置之間通信，進(jìn)行信息交換。（5）打印和顯示數(shù)據(jù)：系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行打印及顯示，現(xiàn)多用CRT以圖形或報(bào)表的形式進(jìn)行顯示。（6）能進(jìn)行自診斷和錯(cuò)誤檢測：現(xiàn)在的分布式控制系統(tǒng)為用戶提高了眾多的系統(tǒng)資源狀態(tài)檢查、修改命令。用戶使用這些命令檢查執(zhí)行結(jié)果以及觀察相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，便可以方便地診斷出硬件故障，并可顯示在屏幕上。此外還可以使用不同的軟件診斷卡來完成不同的診斷。

2.特點(diǎn)分布式控制系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的方法，有如下特點(diǎn)：

第14頁/共19頁15

（1）

有很高的可靠性；（2）

速度快；（3）

系統(tǒng)模塊化；（4）

價(jià)格低；（5）

設(shè)計(jì)、開發(fā)、維護(hù)簡便，具有很大的靈活性。

3.常用結(jié)構(gòu)：分級結(jié)構(gòu)；完全互連式結(jié)構(gòu)；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；星形結(jié)構(gòu)；總線式結(jié)構(gòu)；共享存儲器式結(jié)構(gòu)；開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；環(huán)形結(jié)構(gòu)；無線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

第15頁/共19頁162.2微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有如下幾個(gè)方面：一、可編程控制器（PC）ProgrammableControl

是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)（簡稱3C）發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是采用微型機(jī)芯片，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)發(fā)展起來的一種控制器。（一）特點(diǎn)：

1.

可靠性高，有較強(qiáng)的抗干擾能力，便于工業(yè)現(xiàn)場能夠使用，具有停電保護(hù)、自診斷等功能；

2.

采用功能模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)要求進(jìn)行組合和擴(kuò)充；

3.

具有獨(dú)立的編程器，編程簡單，易于掌握；

4.價(jià)格低廉。

第16頁/共19頁17（二）PC應(yīng)用的步驟：1.

畫出工藝控制流程；2.

設(shè)計(jì)輸入/輸出分配表；3.

作出梯形圖。

二、集散控制系統(tǒng)是分散型綜合控制系統(tǒng)（TotalDistributedControlSystems）和分散型微處理器控制系統(tǒng)(DistributedMicroprocessorControlSystems)的簡稱。（一）組成：集散控制系統(tǒng)的組成框圖如圖所示：以微處理器為核心，把微機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來，為組合系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。自動控制方式的設(shè)定值，可由操作人員在數(shù)據(jù)輸入板DEP上設(shè)定。數(shù)據(jù)采集器用來收集現(xiàn)場控制信息和過程變化的信息。

第17頁/共19頁18管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)CRT操作臺高速數(shù)據(jù)通道基本控制器數(shù)據(jù)采集器基本控制器工業(yè)對象DEP面板小規(guī)模大規(guī)模中規(guī)模圖2.5集散系統(tǒng)組成框圖第18頁/共19頁19（二）優(yōu)點(diǎn)控制算式先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快、儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)