計算機控制系統(tǒng)軟件基礎課件

第六章計算機控制系統(tǒng)軟件基礎第一節(jié)計算機控制系統(tǒng)軟件概述概述計算機操作系統(tǒng)數據結構計算機控制系統(tǒng)中的數據庫第二節(jié)計算機控制系統(tǒng)應用軟件概述組態(tài)軟件控制軟件商品化的工業(yè)控制軟件簡介第三節(jié)計算機控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術計算機控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術系統(tǒng)供電與接地技術看門狗（Watchdog）及其電源掉電檢測技術第一節(jié)

Unit

1計算機控制系統(tǒng)軟件概述

Introduction

of

ComputerControl

System

Software概述計算機控制系統(tǒng)軟件基礎過程計算機控制系統(tǒng)軟件構成過程計算機控制系統(tǒng)軟件功能計算機操作系統(tǒng)數據結構計算機控制系統(tǒng)中的數據庫6-1-1

概述（1）計算機控制系統(tǒng)軟件基礎計算機應用系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)軟件工具軟件應用軟件數據收集部分數據分析部分監(jiān)督部分輸出控制部分6-1-1

概述（2）計算機控制系統(tǒng)軟件構成系統(tǒng)軟件計算機控制系統(tǒng)應用軟件開發(fā)平臺和操作平臺應用軟件第一級(控制級）：監(jiān)控平臺軟件、基本控制軟件、

先進控制軟件、約束控制軟件、操作優(yōu)化軟件第二級（管理級）：最優(yōu)調度軟件和企業(yè)計劃決策軟件等6-1-1

概述（3）計算機控制系統(tǒng)軟件功能控制系統(tǒng)軟件實現的功能實時數據采集閉環(huán)控制輸出邏輯控制操控界面：報警監(jiān)視、畫面顯示和報表輸出可靠性措施：自診斷、掉電處理、備份維護信息管理：文件管理、數據庫、趨勢、統(tǒng)計分析數據通信應用功能：滿足用戶需求的各種監(jiān)管功能（如報表生成、消息

發(fā)布、電子商務）6-1-2

操作系統(tǒng)（1）操作系統(tǒng)的功能與任務操作系統(tǒng)主要目的是控制與管理

計算機的硬件和軟件資源。合理地組織計算機工作流程，方便各種用戶使用計算機計算機軟件的構成示意圖6-1-2

操作系統(tǒng)（2）操作系統(tǒng)的功能作業(yè)(job)管理：“脫機”和“聯機”兩種方式處理機（CPU）管理：作業(yè)調度、進程調度存儲管理：內存分配、內存保護、內存擴充（虛擬內存）設備管理：設備分配、設備驅動、虛擬設備文件管理：文件存儲與檢索、文件操作、文件保護與控制6-1-2

操作系統(tǒng)（3）操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)按功能分類批處理操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)按計算機配置分類：大型機和微機、單機和網絡系統(tǒng)按用戶/任務分類單/多用戶，單/多任務6-1-2

操作系統(tǒng)（4）實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)就是能夠執(zhí)行多任務的實時操作系統(tǒng)大多數實時多任務操作系統(tǒng)CPU的負荷率應保證在30%之內實時響應時間隨系統(tǒng)的要求而變化應具備的特征異步事件響應：要有異步I/O和中斷處理能力切換時間短中斷等待時間短優(yōu)先級中斷和調度同步一些著名的實時多任務操作系統(tǒng)Windows

NT、OS/2、VMS、

RT

Linux等，具有很好的通用性、

實時性和可靠性。其中Windows

NT是實時操作系統(tǒng)的主流6-1-4

數據庫（1）數據庫的特點集成化的有窮數據集合按照數據間的自然聯系，以最佳的方式組織、存儲數據，

使之具有最小的冗余度提供共享性允許幾個用戶同時并發(fā)地使用數據庫具有較高的數據獨立性確保數據的安全性和完整性面向數據而不是面向應用6-1-4

數據庫（2）數據庫系統(tǒng)的組成數據庫（DB）物理數據庫（工作數據的集合）

、描述數據庫硬件支持系統(tǒng)服務器、大規(guī)模存儲設備、網絡通信設備、終端等軟件支持系統(tǒng)操作系統(tǒng)、宿主語言、實用程序和數據庫管理系統(tǒng)等數據庫管理員（DBA）管理、開發(fā)和使用數據庫系統(tǒng)的人員6-1-4

數據庫（3）關系型數據庫特點是采用關系作為唯一的基本數據結構類型，具有關系完備的數據子語言，在一定程度上實現了數據獨立性，確保用戶能夠依靠關系名、關鍵字值和屬性名的結合用邏輯方式訪問數據庫中的每一個數據。Oracle和Sybase是典型的代表SQL（Structured

Query

Language）語言SQL是一種關系數據庫語言，已成為國際標準。目前，數據庫產品的各個廠家紛紛推出各自的支持SQL的軟件或可與SQL接口的軟件。6-1-4

數據庫（4）SQL的功能數據定義語言DDL：用于定義、撤消和修改數據

模式；查詢語言QL

：用于查詢數據；數據操縱語言DML：用于增、刪、改數據；數據控制語言DCL

：用于數據訪問權限的控制。6-1-4

數據庫（5）實時數據庫系統(tǒng)（RTDBS）–

事務和數據都具有定時特性或定時限制的數

據庫系統(tǒng)。而且系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏

輯結果，而且還依賴于邏輯結果產生的時間。過程實時數據庫系統(tǒng)串行通信網絡支持動態(tài)流程顯示報警歷史數據報表打印功能應用軟件棒圖過程I/O歷史趨勢自動化系統(tǒng)中以過程實時數據庫為核心的監(jiān)控平臺…6-1-4

數據庫（6）實時數據庫系統(tǒng)（RTDBS）大容量內存實時數據庫內存數據庫全駐內存和主駐內存（駐內和留外）歷史數據庫較多應用關系型數據庫數據庫接口通過動態(tài)數據交換（DDE）進行接口采用開放式數據庫互連（ODBC）進行接口以及采用目前最新的對象鏈接和嵌入技術OPC技術實現接口第二節(jié)

Unit

2計算機控制系統(tǒng)應用軟件Applied

Software

ofComputer

Control

System概述計算機控制系統(tǒng)應用軟件的組成應用軟件設計技術應用軟件開發(fā)環(huán)境及平臺組態(tài)軟件商品化的工業(yè)控制軟件簡介6-2-1

計算機控制系統(tǒng)軟件組成（1）計算機控制系統(tǒng)軟件組成第一級設備層：負責將物理信號轉換成數字或標準的模擬信號控制層：完成對現場工藝過程的實時監(jiān)測與控制監(jiān)控層通過對多個控制設備的集中管理，來完成監(jiān)控生產運行過程的目的監(jiān)控組態(tài)軟件一般是位于監(jiān)控層的專用軟件，負責對下集中管理控制層，向上連接管理層，是企業(yè)生產信息化的重要組成部分。第二級管理層實現對生產數據進行管理、統(tǒng)計和查詢。6-2-1

計算機控制系統(tǒng)軟件組成（2）監(jiān)控平臺的概念–以實時數據庫為核心，具有組態(tài)功能的通用軟件–能提供方便地用組態(tài)方式實現實時數據的顯示、歷史趨勢的顯示、棒圖顯示、動態(tài)數據流程的顯示等，形成各種打印報表，并具有與各種DCS及PLC的數據通信等功能–具有開放式結構，便于用戶將先進控制軟件及在線優(yōu)化軟件嵌入其主控程序中；同時它可以方便地實現先進控制系統(tǒng)及在線操作優(yōu)化算法的投運和切除6-2-1

應用軟件設計技術（3）控制系統(tǒng)軟件設計的基本原則–抽象（abstraction）抽象是一個系統(tǒng)的簡化描述或規(guī)范說明抽象包括“數據抽象”、“控制抽象”和“過程抽象”細化（refinement）

實質是分解模塊化（modularity）是軟件設計中最古老的一條原則信息隱藏（

information hiding

） 一個模塊內部的數據與過程，應該對沒有必要了解這些數據與過程的其它模

塊隱藏起來其他：一致性、完整性、可驗證性等6-2-1

控制系統(tǒng)軟件設計的方法（4）自頂向下設計程序設計者在開始設計時就有全局觀點，對欲開發(fā)的軟件有全面的了解；然后由頂層起逐層向下分解，直至所有的模塊都達到便于管理的目的為止設計過程中的大概步驟設計管理程序并進行測試對每一個程序標志進行程序設計對最后形成的整個程序進行測試6-2-1

控制系統(tǒng)軟件設計的方法（5）面向對象設計隨著C++、Delphi等一批面向對象語言的出現，設計人

員用“對象”和“消息傳遞”直接映射客觀系統(tǒng)中的“實體”及其“相互關系”變?yōu)榭赡?，使得用這類工具設計出來的程序，其結構可與客觀系統(tǒng)的抽象模型相同或相似面向對象設計的最大優(yōu)點改變了按照語言結構來分析問題的傳統(tǒng)思維方式，轉而按事物的本來面貌來認識系統(tǒng)，建立其抽象模型提高了軟件的可重用性6-2-1

應用軟件開發(fā)環(huán)境及平臺（6）軟件開發(fā)環(huán)境–要求有合適的語言，良好的軟硬件工具，有效的編輯和調試手段，以及盡可能豐富的實用程序運行環(huán)境基本平臺–

泛指由主機、外部設備、網絡產品以及操作系統(tǒng)（如Windows NT

）及其界面環(huán)境（如

WINCC

，力控，Fix，LOOKOUT等）集成起來的基本開發(fā)與操作環(huán)境6-2-2

組態(tài)軟件簡介（1）組態(tài)軟件是用計算機語言編寫的能將各種控制硬件（工業(yè)

PC機、各種控制板卡、PLC、模塊、單片機、數字儀表）組合到一起，形成一個大的能進行實時監(jiān)控的系統(tǒng)專業(yè)應用軟件是可對現場生產數據進行采集與過程控制的專用軟件，特點延續(xù)性和可擴充性：當現場（包括硬件設備或系統(tǒng)結構）或用戶需求發(fā)生變化時，不需做很多修改而方便地完成軟件更新和升級封裝性（易學易用）：各種功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，用戶不須掌握太多編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能。通用性：每個用戶根據工程實際情況，利用通用工業(yè)組態(tài)軟件提供的底層設備（變頻器等）的I/ODriver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業(yè)限制?？s短了自動化工程師的系統(tǒng)集成的時間，大大的提高了集成效率。6-2-2

組態(tài)軟件簡介（2）組態(tài)軟件組成圖形界面系統(tǒng)實時數據庫系統(tǒng)第三方程序接口組件控制功能組件6-2-3

商品化的工業(yè)控制軟件簡介為說明工業(yè)控制軟件的應用情況，加深大家的印象，下面演示的是一些商品化的工控軟件組態(tài)圖片、實時運行的一些屏幕拷貝圖片，以及代表工控軟件發(fā)展趨勢的基于Web技術的HMI（HumanMachineInterface）。商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之一——正在組態(tài)過程商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之二——連續(xù)系統(tǒng)商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之三——間歇系統(tǒng)商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之四——異地系統(tǒng)監(jiān)控第三節(jié)

Unit

3計算機控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術

Anti-Disturbing

and

ReliabilityTechniques

of

Computer

Control

Systems計算機控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術系統(tǒng)供電與接地技術看門狗（Watchdog）及其電源掉電檢測技術6-3-1抗干擾技術干擾來源及種類串模干擾共模干擾長線傳輸干擾串模干擾(又稱橫向干擾或正態(tài)干擾)–

串聯于信號源回路中的干擾A放大器VnVsA放大器VsC1C2干擾線In串模干擾示意圖(a)(b)6-3-1

串模干擾的抑制措施用有屏蔽層的雙絞線或同軸電纜作信號引線–

可減少電磁感應采用各種濾波器采用雙積分式A/D轉換器其它措施6-3-1

共模干擾共模干擾（也稱縱向干擾或共態(tài)干擾）–

由不同的“地”而引起信號源VsZrAVc(a)VsVcZr(b)共模干擾示意圖6-3-1

對共模干擾的抑制（1）共模干擾對輸入信號的影響VsZcZcVcmm

(a)

單端輸入被測信號的輸入方式VsZs1Zc1Vcmm(b)

雙端輸入Zc1Zs26-3-1

對共模干擾的抑制（2）雙端輸入變壓器隔離光電隔離浮地屏蔽采用儀表放大器提高共模抑制比6-3-1

長線傳輸干擾及其抑制長線干擾產生原因易受到外界干擾具有信號延時會引起波反射現象消除波反射或將它抑制到最低限度終端阻抗匹配或始端阻抗匹配信號線的選擇和敷設6-3-2

系統(tǒng)供電技術接地技術供電系統(tǒng)的一般保護交

流穩(wěn)壓器低

通濾波器直

流穩(wěn)壓器計算機一般計算機控制系統(tǒng)供電結構220VAC6-3-2

系統(tǒng)供電技術電源異常的保護具有不間斷電源的供電結構電

池充電器電池組直

流穩(wěn)壓器220VAC逆變器交

流穩(wěn)壓器控制器計算機6-3-2

系統(tǒng)接地技術計算機系統(tǒng)接地的目的抑制干擾, 使計算機穩(wěn)定地工作保護計算機、電器設備和操作人員的安全計算機控制系統(tǒng)中的“地”模擬地，數字地，安全地，系統(tǒng)地，交流地6-3-2

系統(tǒng)接地技術計算機控制系統(tǒng)中的分別回流法單點接地數字地橫匯流條數字地縱匯流條模擬地橫匯流條模擬地縱匯流條接地板安全地(機殼地)系統(tǒng)板大地分別回流法接地示例圖6-3-2

系統(tǒng)的低頻接地技術一點接地方式串聯接地（或稱共同接地）并聯接地（或稱分別接地）電路1電路2電路3r1r23I3I2

rI1CBI3I2+I3I1+I2+I3

A串聯一點接地電路1電路2電路3r1r2r3I3I2I1CBA并