1、典型计算机控制系统典型计算机控制系统授课人：李会军授课人：李会军2计算机控制系统简介计算机控制系统简介计算机控制系统分类计算机控制系统分类基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；基于数字调节器的计算机控制系统；基于嵌入式系统的计算机控制系统；基于PLC的计算机控制系统；分散控制系统；现场总线控制系统；计算机集成制造系统；3计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统系统特点1、是一种非常典型的DDC控制系统，工控机通过基于PC总线的板卡进行实时数据采集，并按照一定的控制规律实时决策，产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行
2、控制；2、该类系统具有组成灵活、成本低等特点，广泛应用于工业生产的各个领域。是目前在工业上用得比较多的一类系统；4计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统什么是工控机1、工控机，又称工业个人计算机(Industrial Personal Computer,IPC)，是一种加固的增强型个人计算机，用于对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用，可以作为一个工业控制器在工业环境中运行；2、早在20世纪80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于I
3、PC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控领域中异军突起，后来居上，应用日趋广泛；5计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统什么是工控机西门子工控机西门子工控机研华工控机研华工控机6计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统工控机的结构1、全钢机箱2、无源底板3、工业电源4、CPU卡5、其它配件7计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统工控机的特点(IBM)1、支持各种模块化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT总
4、线接口板；2、所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率；所有卡均为模块化插板式，以便安装更换和升级换代；所有卡使用专用的固定架将插板压紧，防止震动引起的接触不良；3、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件；8计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统工控机的特点4、采用和PC/AT总线兼容的无源底板。它使用带有电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能力。无源底板带有4，6，8，12，14或20槽；5、机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地负
5、载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震，并有防尘门；6、可内装电子磁盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下具有高速高可靠性；9计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统常用的工控机1、国外有美国IBM、ICS、德国西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位高；2、我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均有较高的市场占有率；3、国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康
6、拓、艾雷斯等；10计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统基于PC总线的板卡什么是板卡什么是板卡：是指计算机厂商为了满足用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板；基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡、模拟量输出板卡、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多个功能。以研华以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下典型板卡的性能和特点系列测控板卡为例介绍一下典型板卡的性能和特点11计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计
7、算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统模拟量输入板卡基于PC系列总线(ISA总线、PCI总线等)标准设计，板卡通常有单端输入和差分输入以及两种方式组合三种输入方式。内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常采取光电隔离技术。板卡的模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定；研华PCI-1710数据采集卡研华研华PCI-1710数据采集卡，具有数据采集卡，具有32路单端或路单端或16路路差分模拟量输入或单端、差分组合方式输入，它差分模拟量输入或单端、差分组合方式输入，它带有带有VDC隔离保护；采用
8、隔离保护；采用12位位A/D转换器，采样转换器，采样速率可达速率可达100kHZ；板载；板载4K采样采样FIFO缓冲器；每缓冲器；每个输入通道的增益可编程。个输入通道的增益可编程。12计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统模拟量输出板卡模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的转换，依据其采用的D/A转换芯片的不同，其转换性能指标有很大的差别。D/A转换除了具有分辨率、转换精度等性能指标外，还有建立时间、温度系数等指标约束。模拟量输出板卡通常还要考虑输出形式以及负载能力；研华PCI-1720模拟量输出卡研华研华PCI-1720模拟量输出卡，
9、模拟量输出卡，提供四个用于提供四个用于 PCI 总线的总线的 12 位隔离数字量到模拟量输出。它是过程位隔离数字量到模拟量输出。它是过程控制、伺服控制最好的解决方案。由于能够在输控制、伺服控制最好的解决方案。由于能够在输出和出和 PCI 总线之间提供总线之间提供 VDC 隔离保护，隔离保护，PCI-1720 非常适合需要高电压保护的工业场合，该板非常适合需要高电压保护的工业场合，该板卡具有卡具有4路输出通道。路输出通道。13计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统数字量输入输出板卡数字量输入输出接口相对简单，一般都需要缓冲电路和光电隔
10、离部分，输入通道需要输入缓冲器和输入调理电路，输出通道需要有输出锁存器和输出驱动器；PCI-1760数字量输入输出卡数字量输入输出卡研华研华PCI-1760光隔开关量输入输出卡提供了光隔开关量输入输出卡提供了8路数字量输入通道和路数字量输入通道和8路继电器输出通道。路继电器输出通道。与传统卡比较，与传统卡比较，PCI-1760 为每个数字量输入为每个数字量输入通道增加了可编程的数字滤波器。此功能使通道增加了可编程的数字滤波器。此功能使相应输入通道的状态不会更新，直到高相应输入通道的状态不会更新，直到高/低信低信号保持了用户设定的一段时间后才改变，这号保持了用户设定的一段时间后才改变，这样有助于
11、保持系统的可靠性。样有助于保持系统的可靠性。14计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统脉冲量输入板卡工业现场有许多高速的脉冲信号，如旋转编码器、流量检测信号等，这些都要使用脉冲量输入板卡进行测量。脉冲量输入板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频等不同工作方式。考虑到现场强电的干扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力；PCI-1780 8通道定时/计数卡研华研华PCI-1780计数计数/定时卡，是基于定时卡，是基于PCI总线设总线设计的接口卡，该卡
12、使用了计的接口卡，该卡使用了AM9513芯片，能够通芯片，能够通过过CPLD实现计数器实现计数器/定时器功能，该卡还提供定时器功能，该卡还提供8个个16位计数器通道，具有位计数器通道，具有8通道可编程时钟，通道可编程时钟，8路路TTL数字量输出数字量输出/8路路TTL数字量输入，最高输数字量输入，最高输入频率达入频率达20MHz；15计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统系统组成硬件部分1、控制计算机控制计算机：控制系统的核心，可以对输入的现场信息和操作人员的操作信息进行分析、处理，根据预先确定的控制规律，实时发出控制指令，控制和管
13、理其他的设备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境，一般选用工业控制计算机；2、I/O通道通道：I/O通道完成传感器输出信号和工业控制计算机之间，或工业控制计算机和驱动元件之间信号的转换和匹配的功能。它使工业控制计算机能正确地接受被控对象工作状态的检测信号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制；16计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统系统组成硬件部分3、参数检测参数检测：被控对象需要检测的参数分为模拟量参数和开关量参数两类。对于模拟量参数的检测，主要选用合适的传感器，通过传感器将这类参数转换为成正比例的模拟量电信号。开关量参数检测元件有
14、行程开关、光电开关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放等，通过这些元件向计算机输入开关量电信号；4、输出驱动输出驱动：按输出信号形式不同，可分为模拟量输出驱动和开关量输出驱动两种。模拟量输出驱动主要用于伺服系统控制、变频控制和调节阀等，开关量输出驱动主要用于控制只有两种工作状态的驱动元件；5、人机接口人机接口：主要由键盘、鼠标和显示器等组成；17计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统系统组成软件部分计算机控制系统的软件由系统软件和用户程序两部分组成。系统软件有计算机操作系统、监控程序、用户程序开发支撑软件，如开发语言、编译软件、调试
15、工具等。用户程序是指控制系统中与控制对象或控制任务相应的控制程序。应用程序一般都由用户自己根据控制系统的目标、资源配备情况开发完成；18计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统系统特点1、时间的离散性时间的离散性：系统对生产过程的有关参量进行控制时，是以定时采样和阶段控制来代替常规仪表的连续测量和连续控制的。因此，确定合适的采样周期和A/D、D/A转换器的字长是提高系统控制精度、减少转换误差的关键；2、分时控制方式分时控制方式：一台计算机要控制多个回路，所以系统采用“分时”控制的方法，即将某一回路的采样和A/D转换、运算、输出控制三部
16、分的时间与其前后回路错开，放在不同的控制时间里。这样，既保证了控制过程的正常进行，又能充分利用系统中的各种设备，提高了控制效率；19计算机控制系统简介计算机控制系统简介板卡与工控机组成的计算机控制系统板卡与工控机组成的计算机控制系统系统特点3、具有人机对话功能具有人机对话功能：操作者通过输入设备向计算机送入控制命令，计算机系统则通过输出设备送出有关信息；4、控制方案灵活控制方案灵活：控制系统的控制算法是由软件实现的。通过改变程序即可达到改变控制算法的目的，不仅方便灵活，并且还可实现复杂的控制规律。对于多回路控制系统，路数越多，这种优势越明显。5、危险集中危险集中：由于这类系统中一台计算机控制几
17、十个回路，所以一旦计算机的软件或硬件出现故障将会使整个系统瘫痪。计算机直接与生产过程连接，而工业现场的环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，不仅需要计算机本身具有较高的可靠性，而且必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使之能适应各种工业现场；20计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统21计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统什么是数字调节器：数字调节器是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通
18、道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等；数字调节器的分类1、定程序控制器：制造厂商把编好的程序固化在控制器的ROM中，用户只能组态，不能编程，它适合于典型的对象和通用的生产过程；22计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的分类2、可编程调节器：用户可以从调节器内部提供的诸多功能模块中选择所需要的功能模块，用编程方式组合成用户程序，使调节器按照要求工作；3、混合控制器：是一种专为控制混合物成分用的控制器，虽然前两种控制器也能用在
19、混合工艺中，但不如这种经济方便(比值控制比值控制)；4、批量控制器：是一种常用于液体或粉粒体包装和定量装载用的控制器，特别为周期性工作设计；23计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的结构硬件部分CPU输出接口DA输出锁存器人机界面通信接口输入接口AD输入缓冲器RAMROM24计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的结构软件部分1、系统程序系统程序：是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成；监控程序监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所
20、规定功能，同时完成各组成部分之间的管理；功能模块功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使控制器实现用户所规定的功能；2、用户程序用户程序：是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来，其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接，也即组组态态工作；25计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于数字调节器的计算机控制系统基于数字调节器的计算机控制系统数字调节器的特点1、运算控制功能强2、通过软件实现所需功能3、带有自诊断功能4、带有数字通讯功能5、具有较有好的人机界面26计算机控制系统简介
21、计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统概述1976年，Intel公司推出了8048，称为单片机(Single Chip Computer,SCC)。这个只有1KB ROM和64B RAM的简单芯片成为世界上第一个单片机，开创了将微处理机系统的各种CPU外的资源：ROM、RAM、定时器、I/O端口、串行通信接口及其他各种外围功能模块集成到单个芯片的时代；现在单片机已经成为一个十分庞大的家族，许多新出现的单片机也称为嵌入式微处理器，专门面向嵌入式应用；27计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系
22、统嵌入式系统的特点1、专用性强专用性强：嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改；2、设计精简设计精简：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中更具有竞争力；3、系统内核小系统内核小：嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5KB，而Windows的内核则要大得多；28计算机控制系统简介计算机控制系统简
23、介基于嵌入式系统的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统的特点4、多任务操作系统多任务操作系统：嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，合理利用系统资源、系统函数以及库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real-Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量；5、资源一体化资源一体化：为了提高执行速度和可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中；6、专有开发工具专有开发工具：嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由
24、于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发；29计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统的应用领域1、工业控制工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前己经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域；2、交通管理交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术己经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各
25、种运输行业获得了成功的使用；3、信息家电信息家电：这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地；30计算机控制系统简介计算机控制系统简介基于嵌入式系统的计算机控制系统基于嵌入式系统的计算机控制系统嵌入式系统的应用领域4、家庭智能管理系统家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有专用控制芯片的智能仪表将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能；5、POS网络及电子商务网络及电子商务：公共交通非接触式智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可行遍天下；6、环境监测环境监测：环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测；7、机器人机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用；
