1、第第5章章 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计5.1 设计原则与步骤设计原则与步骤5.2 控制主机控制主机5.3 控制软件开发平台控制软件开发平台5.4 工业控制网络工业控制网络5.5 系统数据预处理技术系统数据预处理技术5.6 系统抗干扰与可靠性技术系统抗干扰与可靠性技术5.7 硬件与软件的具体设计硬件与软件的具体设计 5.1 5.1 设计原则与步骤设计原则与步骤（1）满足生产过程的工艺要求）满足生产过程的工艺要求：性能指标不应低于生产所需的工艺要求。5.1.1 设计原则设计原则（2）满足安全可靠要求）满足安全可靠要求：系统在规定的条件和规定的时间内必须完成规定功能的能力。（3）满足操
2、作、维护与维修要求）满足操作、维护与维修要求：操作方便主要体现在操作简单且兼顾已有的操作习惯，信息显示直观形象，具有操作的鲁棒性，容易掌握系统使用方法。尽可能降低维护要求，减少维护费用。（4）满足实时性要求）满足实时性要求：系统要能及时地响应内部和外部事件，并在规定的时限内做出相应的处理。（5）满足通用性要求以及适应发展的需求）满足通用性要求以及适应发展的需求：能根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活扩充、便于修改。（6）满足开放性要求）满足开放性要求：要求硬件能提供各类标准的通信接口，如RS-232C、RS-485和现场总线接口等；软件要能支持各类数据交换技术，如动态数据交换（Dyn
3、amic Data Exchange，DDE）、用于过程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC），开放的数据库连接（Open Data Base Connectivity，OBDC）等。（7）满足经济效益要求）满足经济效益要求：在满足计算机控制系统的技术性能指标的前提下，尽可能降低成本，为用户带来良好的经济效益。（8）满足开发周期要求）满足开发周期要求：缩短系统研发周期，减少研发资金投入是保证系统推广应用的重要保障。（1）分析控制对象和确定任务）分析控制对象和确定任务：深入了解被控对象的工艺流程和工艺要求，熟悉其工作过程。根据实际应用中的问题，提出具体的控制要求，
4、确定系统功能、性能、可靠性、可维护性和运行环境。然后采用工艺图、控制流程图等描述控制过程和控制任务，确定系统应达到的性能指标，形成设计任务说明书，并提交任务提出方确认。将双方确认的任务说明书作为整个控制系统设计的依据。5.1.2 设计步骤设计步骤（2）总体方案设计）总体方案设计 依据设计任务说明书的技术要求、控制对象的特性和控制策略，开展系统的总体设计。总体设计包括以下内容：1）控制系统的性质和结构）控制系统的性质和结构：确定系统的性质是数据采集处理系统还是对象控制系统。如果是控制系统，则应根据系统性能指标要求，决定采用何种控制形式，比如开环控制，用闭环控制。2）硬件系统总体方案设计）硬件系统
5、总体方案设计 确定控制方式。采用直接数字控制（DDC)、计算机监督控制（SCC）或分布式控制方案等。确定计算机类型。采用多计算机还是单计算机，选用工控PC机，PLC，单片机或是ARM等。确定人机交互的方式。选用键盘、鼠标、轨迹球、触摸屏等方式输入，LED、LCD或CRT等方式输出等。确定现场设备类型。选用数字量、模拟量等传感设备；选用电动、电气等执行机构；或是混合。确定控制机柜。根据场地等要求确定机柜形式。确定抗干扰措施。是否需要考虑硬件抗干扰措施。3）软件总体方案设计）软件总体方案设计 确定软件开发平台。确定软件开发方法。分解任务与确定控制策略。根据控制系统要求，分解软件任务，形成与硬件相配
6、合的软件框架，确定所采用的控制策略。绘制软件总体流程。编写软件设计文档与设计说明书。将软件的总体设计方案与软件流程写成文字，形成软件设计文档与软件设计说明书。4）其他设计）其他设计 电源的配置，在考虑系统电源的组数、电压等级、容量等外，还须考虑电源的可靠性措施，如滤波、稳压、防雷电、防浪涌等。抗干扰和可靠性，通过硬件和软件抗干扰方法提高系统可靠性。一般来说，硬件措施将绝大多数干扰拒之门外，软件措施作为第二道防线。（3）建模和确定控制方法）建模和确定控制方法 计算机控制系统控制效果的优劣，在很大程度上取决于采用的控制策略和控制算法是否合适，而很多控制算法是基于被控对象的数学模型的，因此，建立对象
7、的数学模型和选择合适的控制算法对系统控制精度和性能起着决定性的作用。（4）硬件的具体设计）硬件的具体设计 在硬件总体方案的框架下，选择计算机型号，系统总线，输入/输出接口配置，现场设备的数量与型号，通信接口等；并合理集成所选择的设备构成计算机控制硬件系统。（5）软件的具体设计）软件的具体设计 包括：问题定义，细化设计，编制源程序，形成可执行代码及程序调试。（6）系统的调试）系统的调试 调试工作分为硬件系统调试、软件系统调试以及硬件与软件的联合调试3个部分。（7）系统投入运行）系统投入运行 系统试运行前，需要制定一系列计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。一般系统试运行正常并运行一段时间后，
8、即可组织验收工作。验收结束可交付系统，系统方可进入正式运行阶段。控制主机是计算机控制系统的主要硬件设备。工控机（IPC）、可编程控制器（PLC）、嵌入式系统、单片机等均可作控制主机。本节重点介绍IPC和PLC。5.2 控制主机控制主机5.2.1 工业控制计算机（工控机）工业控制计算机（工控机）（1）工控机的特点）工控机的特点 1）可靠性高。2）实时性好。3）环境适应性强。4）丰富的输入/输出板卡。5）系统扩展性与开放性好。采用开放性体系结构，便于系统扩充、软件升级和互换。6）软件平台功能强。具有良好的人机交互，系统组态与生成，实时与历史数据以及报警信息的显示与记录，丰富的控制算法等功能。7）系
9、统通信功能强。网络型计算机控制系统已得到广泛应用，也是发展趋势。8）冗余性。在可靠性要求很高的场合，要求有双机工作及冗余系统。比如双控制站、双操作站、双网通信、双供电系统等，具有双机切换功能。（2）工控机的结构）工控机的结构研华IPC-610-L工控机的主机箱结构（3）工控机的组成）工控机的组成 典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、系统总线、显示卡、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入输出接口板卡、磁盘系统、键盘、鼠标、轨迹球、显示器、打印机等组成。主机板是工业控制机的核心。键盘、鼠标、轨迹球、显示器及打印机等构成人机接口设备。磁盘系统通常包含通用硬盘或采用USB的磁盘、半导体虚拟磁盘
10、。（4）工控机的总线）工控机的总线 1）内部总线：指计算机内部各功能模块间进行信息交换的总线，也称为系统总线。工业控制计算机采用内部总线母板结构，母板上包含多种功能模板插入接口插槽，各模板之间的信息传输通过内部总线进行。不同类型的计算机有各自的内部总线。应用较多的工控机内部总线有ISA总线、PCI总线、STD总线等。2）外部总线：外部总线是指用于计算机与计算机之间或计算机与其他智能外设之间的通信线路。常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-232C和RS-422/RS-485串行通信总线等。（5）输入）输入/输出板卡输出板卡：包括模拟量输入/输出板卡、数字量输入/输出板卡及计数/定时板
11、卡等。选择模拟量输入板卡时可从输入信号量程，输入信号类型与通道数，分辨率，精度，转换速率，可编程增益及支持软件等方面综合考虑。选择模拟量输出板卡时可从分辨率，信号输出类型与数量，转换速率，支持软件等方面综合考虑。选择数字量输入输出板卡时可从通道数，是否需要隔离等方面进行考虑。2500 VDC隔离保护，输入范围（1030 VDC），输出范围（540 VDC），高灌电流（500mA最大/通道）。借助研华驱动程序DAQNavi，用户可以轻松、高效地进行配置与设置的编程。研华PCIE-1756板卡板卡提供了64个隔离数字量输入和输出通道。模拟量输入板卡提供了32路单端或16路差分模拟量输入或组合输入，
12、12位A/D转换分辨率，采样频率可达100KS/s，2500 VDC的支流隔离保护。每个输入通道的增益可编程，支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式。研华PCI-1713板卡提供了12路14位模拟量输出，支持+/-10V、020mA电流环。卡上的DC-DC转换器能够确保可靠的10V模拟量输出。除了提供模拟量输出之外，PCI-1727U板卡还提供16路TTL DI和16路TTL DO，非常适合于工业开/关控制应用中使用。研华PCI-1727U板卡（1）PLC的特点的特点 1）可靠性高）可靠性高。PLC采取了以下措施提高其可靠性。所有输入/输出接口电路均采用光电隔离。各种模块均采取了屏蔽措施，
13、以防止电磁辐射干扰。采用了优质的开关电源。对采用的器件进行了严格筛选。具有完整的监视和诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大。大型PLC采用由双CPU构成的冗余系统以及容错技术，使可靠性进一步提高。5.2.2 可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）2）功能齐全）功能齐全。PLC硬件配套齐，自身功能完善，接口功能丰富，与PLC连接的各种智能化模块不断推出。3）应用灵活）应用灵活。除了单元式小型PLC外，绝大多数PLC采用标准的积木硬件结构和模块化软件设计。4）系统设计与调试周期短）系统设计与调试周期短。PLC的安装和现场接线很简单，可以按积木的方式扩充和
14、删减其系统规模。5）操作维修方便）操作维修方便。PLC采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程，其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态均有醒目的显示。6）体积小，重量轻，能耗低。）体积小，重量轻，能耗低。（2）可编程控制器的基本结构）可编程控制器的基本结构 1）硬件结构）硬件结构 PLC由中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口单元、I/O扩展接口以及扩展部件、外设接口和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。按结构分类：PLC可分为整体式PLC和模块式PLC。整体式整体式PLC，常将CPU、存储器、I/O接口、I/O扩展接口、外设接口以及电源等部分集成在一个机箱体内。模块式模块式P
15、LC，CPU、存储器、I/O接口、I/O扩展接口、外设接口以及电源等各自做成独立的模块，用户根据需要进行配置。2）软件结构）软件结构 PLC的软件包括系统软件和应用软件。系统软件系统软件一般包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序库和编程软件等。它由PLC生产厂家编制，已固化在PLC内，随产品一起提供给用户。系统软件具有系统自检、时序控制、存储空间管理、用户程序开发与编译等功能。应用软件应用软件是用户根据生产过程工艺要求，按照所用PLC规定的编程语言而编写的应用程序。（3）西门子）西门子PLC的主要产品的主要产品 1）SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是西门子公司生
16、产的超小型化PLC，由主机、I/O扩展单元、功能单元（模块）以及外部设备（文本/图形显示器、编程器）等组成，可使用STEP 7-Micro/WIN工程软件，具有极高的性能/价格比。CPU221CPU222CPU224（CPU224xp）CPU226数字量输入/输出点6/48/614/10(14/10)24/16模拟量输入/输出点0/00/00/0(2/1)0/0存储空间（用户程序区）（数据存储区）6KB（4KB）（2KB）6KB（4KB）（2KB）13KB（20KB）（8KB/12KB）（5KB/8KB）13KB（8KB）（5KB）RS-485通讯/编程口111（2）2高速计数器4466高速中
17、断4444高速脉冲输出2222实时时钟可选可选集成的集成的表5.1 S7-200 PLC CPU型号及其硬件配置 CPU221无扩展功能，适用于微型控制器；CPU222有扩展功能，可连接2个扩展模块，适用于微型控制器；CPU224是具有较强功能的控制器，可连接7个扩展模块；CPU226适用于复杂的中小型控制系统，可连7个扩展模块。扩展模块包括数字量输入模块EM221、数字量输出模块EM222、数字量输入/输出模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232等。高速计数器可实现高速计数功能，最高计数频率可达30kHz。对于CPU224xp型的高速计数频率最高可达100kHz。高
18、速中断可作为报警输入，以极快的速度（中断触发后200s）对信号的上升沿做出响应。2路脉冲输出的最高频率可达20kHz。具有脉宽调制（PWM）和脉冲序列输出（PTO）2种模式。高速脉冲输出对CPU扫描速度没有影响。强大灵活的通讯能力，支持PPI（Point to Point Interface）通讯协议、MPI（Multi Point Interface）通讯协议、自由方式协议、PROFIBUS-DP以及AS-I协议。通信模块包括CP243-2 AS-I接口模块和EM243-1工业以太网模块等。PS：电源模块电源模块CPU：中央处理单元中央处理单元IM：接口模块接口模块SM：信号模块信号模块FM
19、：功能模块功能模块CP：网络模块：网络模块2）SIMATIC S7-300 PLC 是西门子公司生产的小型PLC系统，采用模块化结构设计方法，可满足中等性能要求的应用。S7-300 PLC的功能与特点如下：的功能与特点如下：高速（0.60.1s）运算指令。S7-300操作系统内集成了人机界面服务。智能化的诊断系统。多级口令保护功能。采用模块化结构，并设有操作方式选择开关。具备强大的通信功能。3）SIMATIC S7-400系列系列PLC SIMATIC S7-400系列PLC包含标准型S7-400、冗余型S7-400H和安全型S7-400F/FH，是用于中、高档性能范围的可编程控制器。电源模板
20、电源模板中央处理单元中央处理单元(CPU)各各种信号模板种信号模板(SM)通讯模通讯模板板(CP)功能模板功能模板(FM)接口模板接口模板(IM)SIMATICS5模板模板 主要特点如下：主要特点如下：处理速度极高。存储器容量大。I/O扩展功能强，可以扩展21个机架。具有极强的通信能力，集成的MPI能建立最多32个站的简单网络。集成的HMI服务，只需要为HMI服务定义源和目的地址，自动传送信息。组态组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机硬件和软件的各种资源进行配置，达到使计算机硬件或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者的要求。组态软件组态软件是人
21、机界面HMI及控制与数据采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）软件，包含了数据采集与过程控制的专用软件。组态软件具有各种通讯、数据库、运算模块、人机界面、实时曲线、历史曲线、报表等功能模块。5.3 控制软件开发平台控制软件开发平台5.3.1 工业组态软件工业组态软件 国外的组态软件主要有InTouch、IFIX、RSView32、WinCC等。从20世纪90年代末国内开始研发组态软件，主要有KingView(组态王)、MCGS、ForceControl(力控)等。组态王是目前国内应用较广的国产组态软件之一，它提供了资源管理器式的操作
22、主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，还提供了多种硬件驱动程序。组态软件基本上由图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口、控制功能等组件组成。（1）通用组态软件的特点）通用组态软件的特点 1）封装性。）封装性。采用一种方便用户的方法包装由组态软件完成的功能模块。2）开放性。）开放性。组态软件大量采用标准化技术，如OPC、DDE、ActiceX控件等，用户可以根据需要进行二次开发。3）通用性。）通用性。应用组态软件，不受行业限制。4）方便性。）方便性。解决界面及控制中的共性问题，供用户使用。5）组态性。）组态性。硬件、软件均具有组态性。（2）组态软件中解决的共性问题）组态软件中解
23、决的共性问题 1）数据采集与控制设备之间的数据交换问题。2）来自设备的数据与计算机图形画面上各元素的关联问题。3）报警及其处理问题。4）历史数据的存储与查询问题。5）各类报表的生成与打印输出问题。6）提供灵活、多变的组态工具问题。7）生成应用系统的问题。8）与第三方程序的接口及数据共享问题。（3）组态软件的使用步骤）组态软件的使用步骤 1）收集I/O点的参数，并填写表格。2）整理所使用I/O设备的相关信息。3）收集所有的I/O标识，并填写表格。4）根据工艺过程绘制、设计画面。5）据1）的信息建立实时数据库，正确组态变量参数。6）根据1）与3）的信息定义数据连接。7）根据4）组态每一幅静态的操作
24、画面。8）将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，规定动画属性和幅度。9）对组态内容进行分段，调试。10）系统运行。（4）iFIX组态软件的简单说明组态软件的简单说明 iFIX是全球领先的HMI/SCADA自动化监控组态软件。iFIX以SCADA为核心，实现包括监视、控制、报警、保存和归档数据、生成和打印报告、绘图和视点创建数据的显示形式等多种功能。1）图形功能。iFIX的图形功能强，支持多种图形格式。2）数据点管理。iFIX提供了统一环境进行数据点的定义，提供了多种数据类型，有许多现成的功能模块。3）通信功能。iFIX是基于组件对象技术（COM、DCOM），针对工业应用的所有
25、硬件几乎都有接口，应用的稳定性好。其通信设计方便。4）网络功能。iFIX是基于节点的，寻找的是节点名，只要物理上保持连接就可以自动寻找网络结点，不必人工设定。它是第一个完全基于Client/Server HMI软件，具有C/S架构软件的所有功能。5）先进技术。iFIX中加入了工业标准新技术，如OPC，VBA（Visual Basic for Applications），ActiveX，以提供一个强大的开发环境，达到用户的特殊需求。6）管理方面。包含安全管理、报警管理、报表等。PLC的应用软件的编写以及完成以前的调试过程均需要开发环境。不同厂家的PLC或是同一个厂家的不同型号PLC均有独自的编程
26、软件。（1）STEP7-Micro/Win软件软件 STEP7-Micro/Win是专门为S7-200设计的Windows操作系统下运行的编程软件。通过PC/PPI电缆，在Windows下实现与计算机的通信或实现多主站通信方式。5.3.2 PLC软件开发环境软件开发环境 STEP7-Micro/Win编程软件能够完成创建用户程序、修改与编辑原有的用户程序，设置PLC的工作方式、参数、上载与下载用户程序和监控程序运行等操作。其主界面包括：菜单条、工具条、浏览条、指令条、用户窗口、输出窗口和状态条。程序编辑过程中的操作：输入编程元件，使用符号表，局部变量表，编程语言转换，编译程序，程序下载与清除，
27、添加注释等。STEP7-Micro/Win可为用户提供2套指令集：SIMATIC指令集（S7-200方式）和国际标准指令集（IEC131-3方式）。通过调制解调器可以实现远程编程，采用单次扫描、强制输出等措施可实现程序调试和故障诊断。符号表定义界面（2）STEP7软件软件:用于SIMATIC S7-300/400 PLC创建程序的标准软件，具有硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等功能。它可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表。采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据，组成结构化的用户程序。用户程序结构化 为支持结构化程序设计，STEP7用户程序
28、通常是由组织块(OB)、功能块(FB)或者功能块(FC)等三种类型的逻辑块和数据块(DB)组成。OB是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。功能块(FB、FC)实际上是用户子程序。FB带有背景数据块，在FB块结束时继续保持，即被“记忆”。功能块FC没有背景数据块。数据块(DB)是用户定义的用于存取数据的存储区，可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB的情景数据块，也可以是通用的全局数据块，用于FB和FC。STEP7可选择单次或多次扫描来监视用户程序。将PLC置于“STOP”模式，使用“Debug（调试）”菜单中的“一次扫描”命令，即是单次扫描方式。PLC置于“STOP”模式，使用“Debu
29、g（调试）”菜单中的“多次扫描”命令，确定执行的扫描次数，然后单击“确认”按钮进行监视，即是多次扫描方式。STEP7也可使用状态表来监视用户程序。在程序运行时，可以用状态表来读、写监视和强制PLC的内部变量。梯形图、语句表和功能表都可在PLC运行时监视程序的执行情况，监视各元件的执行结果、操作数的数据。（1）控制网络的类型）控制网络的类型 从工业自动化与信息化层次模型来看，控制网络可分为现场总线网络现场总线网络和主干控制网络主干控制网络。现场总线控制网络能较好地解决物理层与数据链路层中媒体访问控制子层以及设备的接入问题。从网络的组网技术来看，控制网络可分为共享式控制共享式控制网络网络和交换式控
30、制网络交换式控制网络。在共享式控制网络结构中，以太控制网络应用最为广泛。5.4 工业控制网络工业控制网络5.4.1 控制网络的类型与特点控制网络的类型与特点（2）控制网络的特点）控制网络的特点 1）具备较好的响应实时性。2）具有较高的可靠性。要保证网络在工业控制现场正常运行，当现场设备或网络局部链路出现故障时，能在较短的时间内重建新的网络链路。3）具有较好的开放性。4）具有较好的性能价格比。现场总线主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等设备之间的数字通信，以及现场设备与高级控制系统之间的信息传输问题。现场总线具有开放性、可操作性与互用性、对环境现场的适应性、系统结构的分散性以及现场设
31、备的智能化与功能自治性等特点。典型的现场总线包括基金会现场总线 FF（Foundation Fieldbus）、LonWorks、Profibus（Process Fieldbus）、CAN、HART等。5.4.2 现场总线现场总线（1）现场总线的本质含义）现场总线的本质含义1）现场通信网络：现场通信网络：现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，是现场设备或现场仪表互连的通信网络。2）现场设备互连：现场设备互连：现场设备或现场仪表通过传输线互连。3）互操作性：互操作性：来自不同制造厂的现场设备可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。4）分散功能性：分散功能性：各种现场仪表分散
32、了原DCS控制站的功能。5）通信线供电：通信线供电：允许现场仪表直接从通信线上摄取能量。6）开放式互连网络：开放式互连网络：可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。（2）典型的现场总线）典型的现场总线1）PROFIBUS PROFIBUS是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线。PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）、PROFIBUS-PA（Process Automation）组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外围设备之间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS型用于楼宇自动化
33、、可编程控制器、低压开关等场合。PA型用于过程自动化的总线类型。PROFIBUS采用了OSI（Open System Interconnect）模型中的物理层、数据链路层。由这两部分形成了其标准的第一部分子集。DP型隐去了37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型隐去了36层，采用了应用层作为标准的第二部分。OSI模型提供了一种功能结构的框架，从低到高依次是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通常把14层协议称为下层协议，57层协议称为上层协议。物理层：物理层：提供为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性；有关的物理链路上传输非
34、结构的位流以及故障检测指示。数据链路层：数据链路层：在网络层实体间提供数据发送和接收的功能和过程；提供数据链路的流控。网络层：网络层：控制分组传送系统的操作、路由选择、拥塞控制、网络互连等功能。传输层：传输层：提供建立、维护和拆除传送连接的功能；选择网络层提供最合适的服务；在系统之间提供可靠的透明的数据传送，提供端到端的错误恢复和流量控制。会话层：会话层：提供两进程之间建立、维护和结束会话连接的功能；提供交互会话的管理功能，如三种数据流方向的控制，即一路交互、两路交替和两路同时会话模式。表示层：表示层：代表应用进程协商数据表示；完成数据转换、格式化和文本压缩。应用层：应用层：提供OSI用户服务
35、，例如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。PROFIBUS的传输速率为9612kbit/s，最大传输距离在12kbit/s时为1000m，可用中继延长。2）CAN CAN控制网络是由德国Bosch公司推出的，用于汽车检测与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，广泛应用于集散控制领域。它采用了ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层，其最高通信速率可达1Mbit/s（40m），直接传输距离最远可达10km（5kbit/s），可挂接设备最多可达110个。CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文。CAN采用非破坏性总线优先级仲
36、裁技术，当两个节点同时向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，按节点类型不同分成不同的优先级，可以满足不同的实时性要求。CAN支持4类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。采用短帧结构，每帧有效字节数为8个；采用CRC循环冗余校验及其他检错措施；CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，则自动切断与总线的联系，保证不影响总线的正常工作。3）FF基金会现场总线基金会现场总线 FF基金会现场总线协议是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywel
37、l公司为首，联合欧洲等地150家公司制定的World FIP协议为基础。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF现场总线的主要技术包括：FF通信协议；用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈；用于描述设备特征、参数、属性与操作接口的DDL设备描述语言和字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术和构成集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。FF现场总线分低速
38、H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbit/s，通信距离可达1900m（可加中继器延长）。H2的传输速率为1Mbit/s和2.5Mbit/s，其通信距离分别为750m和500m。4）LonWorks LonWorks局部操作网络是由美国Ecelon公司推出并由它们与Motorola、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议与面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。LonWorks采用LonTalk协议。LonTalk协议还提供了5种基本类型的报文服务：确认（Acknowledged）、非确认（Unac
39、knowledged）、请求/响应（Request/Response）、重复（Repeated）和非确认重复（Unacknowledged repeated）。LonWorks的通信速率从300bit/s至1.5Mbit/s之间，直接通信距离2700m（78kbit/s，双绞线）。LonWorks技术的核心是具有通信和控制功能的Neuron芯片。集成芯片中含有3个8位CPU，其中1个用实现介质访问控制与处理，称为介质访问控制器，第2个负责网络通信控制，用于网络变量的寻址、函数路径选择、网络管理等，称为网络处理器，第3个负责执行操作系统与用户代码，称为应用处理器。芯片内还具有存储信息缓冲区，以实
40、现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。以太网（Ethernet）以其应用的广泛性和技术的先进性，在商用计算机通信领域以及过程控制领域的上层信息管理与通信中处于垄断地位。为促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（IEA）、工业自动化开放网络联盟（IAONA）等组织，意在推进工业以太网技术的发展、教育和标准化管理，在工业应用领域的各个层次运用以太网。5.4.3 工业以太网工业以太网（1）工业以太网的关键技术）工业以太网的关键技术 1）通信实时性。工业以太网采用星形网络结构、以太网交换技术，增强了以太网的通信确定性。2）总线供电。工业以太网不仅要求总线传输信息而且要求
41、总线向现场设备提供工作电源。3）互操作性。在以太网+TCP（UDP）/IP协议的基础上，制订统一适用于工业现场控制的应用层技术规范。4）网络生存性。5）网络安全性。采用网络隔离。6）本质安全与安全防爆技术。7）远距离传输。（2）常用工业以态网的协议）常用工业以态网的协议1）Modbus/TCP Modbus/TCP是MODICON公司在20世纪70年代提出的一种用于PLC之间通信的协议，是一种面向寄存器的主从式通信协议。最早的Modbus协议是基于RS232/422/485等低速异步串行通信接口。后来，将Modbus数据报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。2）FF HSE HSE
42、是IEC61158现场总线标准中的一种，其14层分别是以太网和TCP/IP，用户层与FF相同。3）Ethernet/IP Ethernet/IP是由美国Rockwell公司提出的以太网应用协议，将 ControlNET 和 DeviceNET 使用的CIP（Control Information Protocol）报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。4）PROFInet PROFInet 是在PROFIBUS的基础上纵向发展而形成的一种综合系统解决方案。PROFInet 主要基于Microsoft的DCOM中间件，实现对象的实时通信，自动化对象以DCOM对象的形式在以太网上交换数
43、据。5.5 系统数据预处理技术系统数据预处理技术 数据预处理数据预处理是指数据采集之后，数据使用之前对数据进行的一些处理。它可以去除原始数据中的噪声、识别异常数据、变换数据形式、修复遗漏数据等等。预处理是采用数据合理性的判断，数据格式与表达数据合理性的判断，数据格式与表达形式的调整形式的调整等措施，保证数据的正确性和有效性保证数据的正确性和有效性以及更加符合控制系统的需要，为计算机控制系统提供更高质量的数据。不同的控制系统预处理的侧重点不同。这里仅介绍常规的数据合理性判别、简单数字滤波以及数据变换的方法。5.5.1 采样数据的合理性判别与报警采样数据的合理性判别与报警（1）限幅与报警）限幅与报
44、警 被测信号都有一定的量程范围，因此可以通过判断信号是否超过了规定的上下限，判别其合理性。对比较重要的参数可设置2个阈值。如：下图中设置了上下限值以及上上下下限值，采样值处在绿色区，数值有效；采样值处于黄色区，数值有效，但需超限报警；采样值处于红色区，则取上上限值或下下限值作采样值，并报警。（2）信号的特征与规律）信号的特征与规律 被测信号都有一定的特征与规律，因此可以通过被测量的固有特性判别采样数据的合理性。例如：可根据能量平衡、物料平衡、热量平衡、过程机理等客观规律和操作经验进行检查判别；也可以根据运算是否出现明显不合理的情况，如违反某种定理、被零除、负数被开方、数据溢出等。常用的处理方法
45、：常用的处理方法：第一次出现故障时，维持前一次采样数据；如果连续出现同样错误，且其出现的次数超出了设定的次数，则暂停此通道的数据采样，给出相应的报警信息，提醒操作人员检修。数字滤波的优点：数字滤波的优点：1）数字滤波可靠性高，不存在阻抗匹配问题。2）数字滤波是用软件算法实现的，多输入通道可用一个软件“滤波器”从而降低系统开支。3）只要适当改变软件滤波器的滤波程序或运行参数，就能方便地改变其滤波特性。数字滤波有各种算法，比如卡尔曼滤波（Kalman Filter,KF）、扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter,EKF）等。这里仅介绍：程序判断法、算术平均滤波法、递推平均滤波
46、法、加权递推平均滤波法、中值滤波法和低通滤波法。5.5.2 数字滤波数字滤波,()()()(1),()(1)Yy ky ky ky kYy ky k 则则（1）程序判断法程序判断法 把两次相邻的采样值相减，求出其增量，采用绝对值表示，然后与两次采样允许的最大差值 进行比较，表示如下：Y式中，y(k)为第k次采样的值；y(k-1)为第k-1次采样的值；为相邻两次采样值允许的最大偏差。Y (2)算术平均滤波法算术平均滤波法 算术平均滤波法就是连续取N次采样值，求它们的算术平均，将算术平均值作为本次的采样值。其表达式为11()()Niy ky kiN 此方法适用于滤去随机干扰信号的场合。算术平均滤波
47、法对信号的平滑程度取决于N，当N较大时，平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。它适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信号作平滑处理，因为这类信号的特点具有周期振荡现象。对于一般流量测量，通常取N=812；若为压力，则取N=48。(3)递推平均滤波法递推平均滤波法 递推平均滤波法是把N个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，去除队中的首数据，把队列中的N个数据进行算术平均，就可得到新的滤波值。这样每进行一次采样，就可计算得到一个新的平均滤波值，其表达式为：101()()Niy ky kiN 此算法法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高
48、，灵敏度低；对偶然出现的脉冲干扰的抑制作用差。(4)加权递推平均滤波法加权递推平均滤波法 加权递推平均滤波是对N次连续的采样值，分别乘上不同的加权系数之后再求累加和。加权系数一般先小后大，以突出近期若干采样值的效果，加强系统对参数的变化趋势的辩识。每个加权系数是小于1的正小数，且满足总和等于1的约束条件。其表达式为：-10()()Niiy ka y ki选择恰当的ai可以得到较好的滤波效果。12300NNNaaaa011+=1Naaa (5)中值滤波法中值滤波法 中值滤波是对N次连续的采样值，N一般取为奇数，按照从小到大次序进行排队，取出中间值作为本次采样的有效值。中值滤波能有效地克服因偶然因
49、素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰，对缓慢变化的过程参数有良好的滤波效果。(6)一阶惯性滤波法一阶惯性滤波法 一阶惯性滤波是以算法来实现典型低通滤波器的滤波方法，公式如下：()(1)(1)()y kay ka x k 滤波的输出值与滤波系数相关。当滤波系数趋于1时，滤波器的输出值近似等于前一次的滤波器输出值；当滤波系数趋于0时，滤波器的输出值近似等于本次的采样值。（1）线性化处理线性化处理 线性化处理也可称为非线性补偿处理。在计算机控制系统中，许多检测元件，比如热敏电阻、光敏管、应变片等和执行器如电机、液压马达等具有不同程度的非线性特性，而在使用中又希望它们具有线性特性。这时
50、可采用线性化处理方法完成非线性补偿。采用软件进行“线性化”处理的常用方法：计算法、查表法和插值法。5.5.3 数值变换数值变换 1）计算法）计算法 采用计算法进行非线性补偿要求输出电信号与输入的参数之间能够用确定的数学关系表示。根据明确的数学关系编制对应的程序，计算机就能对被测参数进行数值变换。在实际工程中，被测参数和输出信号常常是一组测定的数据。这时如果想采用计算法进行线性化处理，则需要应用数字曲线拟合的方法对被测参数和输出量进行拟合，得出误差最小的近似表达式。然后再根据拟合的关系式进行计算。2）查表法）查表法 当输出电信号与输入的参数之间关系非常复杂，无法采用一般的数学关系表示，甚至无法建
