1、2022-12-17计算机控制技术1第8章 典型计算机控制系统简介 基于基于PC总线的板卡与工控机组成的计算总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；机控制系统；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；基于基于PLC的计算机控制系统；的计算机控制系统；基于嵌入式系统的计算机控制系统；基于嵌入式系统的计算机控制系统；分散控制系统；分散控制系统；现场总线控制系统现场总线控制系统;计算机集成制造系统。计算机集成制造系统。2022-12-17计算机控制技术28.1基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统 该类系统是一种非常典型的该类系统是一种非常典型的DDC控制系统，控制系
2、统，工控机通过基于工控机通过基于PC总线的板卡进行实时数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，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，对生产产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行控制。过程直接进行控制。该类系统具有组成灵活，成本低等特点，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。在工业上用得比较多的一类系统。2022-12-17计算机控制技术38.1.1 PC总线的工业控制机简介 工业个人计算机工业个人计算机Industrial Person
3、al Computer（简称（简称IPC）是一种加固的增强型个人计算机，）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进是指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的计算机，简称工控机，它可以行测量与控制用的计算机，简称工控机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在早在20世纪世纪80年代初期，美国年代初期，美国AD公司就推出了公司就推出了类似类似IPC的的MAC-150工控机，随后美国工控机，随后美国IBM公司公司正式推出工业个人计算机正式推出工业个人计算机IBM7532。由于。由于IPC的的性能可靠、
4、软件丰富、价格低廉，而在工控机中性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。异军突起，后来居上，应用日趋广泛。2022-12-17计算机控制技术4工控机示意图西门子工控机西门子工控机研华工控机研华工控机2022-12-17计算机控制技术51.工业PC的结构 工业控制机的典型结构如图工业控制机的典型结构如图8.1所示，主要所示，主要有以下几部分组成。有以下几部分组成。图8.1 工控机典型结构图 全钢机箱全钢机箱 无源底板无源底板 工业电源工业电源 CPU卡卡 其他配件其他配件下一页2022-12-17计算机控制技术6CPU板返回2022-12-17计算机控制技术7
5、无源底板返回2022-12-17计算机控制技术82.工业PC的特点(1)专门为工业工程控制现场设计的工业专门为工业工程控制现场设计的工业PC机有机有以下特点：以下特点：支持各种模块化支持各种模块化CPU卡和所有的卡和所有的IBM-PC/XT/AT总线接口板。总线接口板。所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率，所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化插板式，以便安装更换和升并均为模块化插板式，以便安装更换和升级换代。所有的卡使用专用的固定架将插板压级换代。所有的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。紧，防止震动引起的接触不良。开放性好，兼容性好，吸收了开放性好，兼容性好，
6、吸收了PC机的全部机的全部功能，可直接运行功能，可直接运行PC机的各种应用软件。机的各种应用软件。2022-12-17计算机控制技术92.工业PC的特点(2)采用和采用和PC/AT总线兼容的无源底板。它使用带有总线兼容的无源底板。它使用带有电源层和地的电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能力。无源底板带有力。无源底板带有4，6，8，12，14或或20槽。槽。机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地负载驱动能力。机箱内装
7、有双风扇，正压对流排风，并负载驱动能力。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。缓冲防震，并有防尘门。可内装电子盘以取代机械磁盘，使可内装电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环机在工业环境下的操作具有高速高可靠性。境下的操作具有高速高可靠性。2022-12-17计算机控制技术103.常用的工业控制机简介 当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的工控机：工控机：工控机的生产厂家很多，国外有美国工控机的生产厂家很多，国外有美国IBM
8、、ICS、德国、德国西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位高。高。我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研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、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。有较高的市场占有率。国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷斯、北京华北等。斯、北京华北等。2022-12-17
9、计算机控制技术118.1.2 基于PC总线的板卡简介 基于基于PC总线的板卡是指计算机厂商为了满足总线的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用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板。能模板。基于基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也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（模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡卡）、模拟量输出板卡（D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡）、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，其中多卡、脉冲量输入板卡、多功
10、能板卡等，其中多功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典型板卡的性能和特点。型板卡的性能和特点。2022-12-17计算机控制技术121.模拟量输入板卡（A/D卡）基于基于PC总线的总线的A/D板卡是基于板卡是基于PC系列总线，如系列总线，如ISA、PCI等总线标准设计的，板卡通常有单端等总线标准设计的，板卡通常有单端输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样数据进
11、行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常板卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡的采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡的模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采用的用的A/D转换芯片决定。转换芯片决定。2022-12-17计算机控制技术13 例如研华例如研华PCI-1710数据采数据采集卡，如图集卡，如图8.2所示。该板所示。该板卡具有卡具有32路单端或路单端或16路差路差分模拟量输入或组合方式分模拟量输入或组合方式输入等三种输入方式，它输入等
12、三种输入方式，它带有带有 2500 VDC 隔离保护；隔离保护；采用采用12位位A/D转换器，采转换器，采样数率可达样数率可达100kHZ；板载；板载4K采样采样FIFO缓冲器；每个缓冲器；每个输入通道的增益可编程。输入通道的增益可编程。图8.2 研华PCI-1713数据采集卡2022-12-17计算机控制技术142.模拟量输出板卡（D/A卡）模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的转换，转换，D/A转换板卡同样依据其采用的转换板卡同样依据其采用的D/A转换芯片的不同，其转换性能指标有转换芯片的不同，其转换性能指标有很大的差别。很大的差别。D/A转换除了具有分辨率、
13、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、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。通常还要考虑输出形式以及负载能力。2022-12-17计算机控制技术15 例如研华例如研华PCI-1720模拟量模拟量输出卡，如图输出卡，如图8.3所示。所示。PCI-1720 提供了四个用于提供了四个用于 PCI 总线的总线的 12 位隔离数字位隔离数字量到模拟量输出。它是过量到模拟量输出。它是过程控制、伺服控制和可编程控制、伺服控制和可编程电压源最好的解决方案。程电压源最好的解决方案。由于能够在输出
14、和由于能够在输出和 PCI 总总线之间提供线之间提供 2500 VDC 的的隔离保护，隔离保护，PCI-1720 非常非常适合需要高电压保护的工适合需要高电压保护的工业场合，该板卡具有业场合，该板卡具有4路输路输出通道。出通道。图8.3研华PCI-1720模拟量输出卡2022-12-17计算机控制技术163.数字量输入/输出板卡（I/O板卡）数字量输入输出接口相对简单，一般都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离部分，输入通需要缓冲电路和光电隔离部分，输入通道需要输入缓冲器和输入调理电路，输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。出通道需要有输出
15、锁存器和输出驱动器。2022-12-17计算机控制技术17 例如研华例如研华PCI-1760光隔光隔开关量输入输出卡提供了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路路继电器输出通道。与传统继电器输出通道。与传统卡比较，卡比较，PCI-1760 为每为每个数字量输入通道增加了个数字量输入通道增加了可编程的数字滤波器。此可编程的数字滤波器。此功能使相应输入通道的状功能使相应输入通道的状态不会更新，直到高态不会更新，直到高/低低信号保持了用户设定的一信号保持了用户设定的一段时间后才改变。这样有段时间后才改变。这样有助于保持系统的可靠性。助于保持系统的可靠性。图图8.4 PCI-
16、1760数字量输入输出数字量输入输出卡卡2022-12-17计算机控制技术184.脉冲量输入板卡 工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋工业控制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，这些都要脉冲转编码器、流量检测信号等，这些都要脉冲量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。脉冲量输入板卡可以实现脉冲数字量的输出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、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，使计扰，
17、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。测量的抗干扰能力。2022-12-17计算机控制技术19 例如研华例如研华PCI-1780计数计数/定时定时卡，如图卡，如图8.5所示，是基于所示，是基于PCI总线设计的接口卡，总线设计的接口卡，该该卡使用了卡使用了AM9513芯片，能芯片，能够通过够通过CPLD实现计数器实现计数器/定定时器功能，此外，该卡还提时器功能，此外，该卡还提供供8个个16位计数器通道，该位计数器通道，该卡具有卡具有8通道可编程时钟资源，通道可编程时钟资源，8路路TTL数字量输出数字量输出/
18、8路路TTL数字量输入，最高输入频率数字量输入，最高输入频率达达20MHz，多种时钟可以选，多种时钟可以选择，可编程计数器输出，计择，可编程计数器输出，计数器门选通功能。数器门选通功能。图8.5 PCI-1780 8通道定时/计数卡2022-12-17计算机控制技术208.1.3 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统的组成和特点 工业现场生产过程中的各种工况参数（温度、工业现场生产过程中的各种工况参数（温度、压力、流量、成分、位置、转速等）由传感器压力、流量、成分、位置、转速等）由传感器或一次测量仪表进行检测，然后经变送器把它或一次测量仪表进行检测，然后经变送器把它们统一变换成们统一
19、变换成420mA的电信号的电信号,经过模数转经过模数转换器转换成数字量送入计算机。计算机则对被换器转换成数字量送入计算机。计算机则对被测信号按一定的控制规律（如测信号按一定的控制规律（如PID规律）进行规律）进行计算，计算出送给控制执行机构的控制量。控计算，计算出送给控制执行机构的控制量。控制量由计算机输出，经制量由计算机输出，经I/O接口送往输出通道，接口送往输出通道，形成闭环控制。形成闭环控制。2022-12-17计算机控制技术211.组成（1）基于工控机和板卡组成的计算机控制基于工控机和板卡组成的计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。系统由硬件和软件两部分组成。（1）硬件部分）硬件部分
20、控制计算机控制计算机 控制计算机是控制系统的核心，可以对输控制计算机是控制系统的核心，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，分析、处理，根据预先确定的控制规律，实时发出控制指令，控制和管理其他的设实时发出控制指令，控制和管理其他的设备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境，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。一般选用工业控制计算机。2022-12-17计算机控制技术221.组成（2）I/O通道通道 输入输出（输入输出（I/O）通道在计算机控制系统中，）通道在计算机控制系统中，完成传感器输出信号和工业
21、控制计算机之间，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，称接口电路。它使工业控制计和匹配的功能，称接口电路。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。号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制。2022-12-17计算机控制技术231.组成（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，开关量参数两类。对于模拟量参数的检测
22、，主要选用合适的传感器，通过传感器将这类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。开关参数转换为成正比例的模拟量电信号。开关量参数检测常用的元件有行程开关、光电开量参数检测常用的元件有行程开关、光电开关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放关、接近开关、继电器或接触器的吸合释放等开关型元件来完成，通过这些元件向计算等开关型元件来完成，通过这些元件向计算机输入开关量电信号。机输入开关量电信号。2022-12-17计算机控制技术241.组成（4）输出驱动输出驱动 被控对象的输出驱动，按输出信号形式被控对象的输出驱动，按输出信号形式不同，也可分为模拟量信号输出驱动和不同，
23、也可分为模拟量信号输出驱动和开关量输出驱动两种。模拟量信号输出开关量输出驱动两种。模拟量信号输出驱动主要用于伺服系统控制、变频控制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的运控制只有两种工作状态的驱动元件的运行。行。2022-12-17计算机控制技术251.组成（5）人机接口人机接口 人机接口是操作人员和计算机控制系统人机接口是操作人员和计算机控制系统之间信息交换的设备，是计算机控制系之间信息交换的设备，是计算机控制系统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠标和显示器等组成。
24、直接使用键盘和鼠标和显示器等组成。直接使用键盘和鼠标等输入控制命令和指令数据，使用显标等输入控制命令和指令数据，使用显示器显示运行状态和故障并帮助查找和示器显示运行状态和故障并帮助查找和诊断故障，以及运行中间数据的检查、诊断故障，以及运行中间数据的检查、运行过程的统计等。运行过程的统计等。2022-12-17计算机控制技术26（2）软件部分 计算机控制系统的软件由系统软件和用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、调试撑软件，如开发语言
25、、编译软件、调试工具等。用户程序是指控制系统中与控工具等。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。的目标、资源配备情况开发完成。2022-12-17计算机控制技术272.特点 基于基于PC总线的计算机控制系统是一个典型总线的计算机控制系统是一个典型的的DDC系统，因此它具有以下特点：系统，因此它具有以下特点：（1）时间上具有离散性）时间上具有离散性 计算机计算机DDC系统对生产过程的有关参量进行系统对生产过程的有关参量进行控制时，是以定时采样和
26、阶段控制来代替常控制时，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定合适的采样周期和A/D、D/A转换器的字转换器的字长是提高系统控制精度、减少转换误差的关长是提高系统控制精度、减少转换误差的关键。键。2022-12-17计算机控制技术28（2）采用分时控制方式 DDC系统中的一台计算机要控制多个回路，为系统中的一台计算机要控制多个回路，为此，该类系统采用此，该类系统采用“分时分时”控制的方法，即将控制的方法，即将某一回路的采样和某一回路的采样和A/D转换、运算、输出控制转换、运算、输出控制三部分的时间与其前后回
27、路错开，放在不同的三部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，提高进行，又能充分利用系统中的各种设备，提高了控制效率。了控制效率。2022-12-17计算机控制技术29（3）具有人机对话功能 计算机控制系统的人机对话是一种计算计算机控制系统的人机对话是一种计算机控制系统必须具备的操作者和计算机机控制系统必须具备的操作者和计算机系统互相联系的功能。操作者通过输入系统互相联系的功能。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
28、信息。一般统则通过输出设备送出有关信息。一般的计算机的计算机DDC系统除了普通的各种指示系统除了普通的各种指示外，还都通过相应接口连接显示屏、打外，还都通过相应接口连接显示屏、打印机、控制键盘、越限报警装置等。印机、控制键盘、越限报警装置等。2022-12-17计算机控制技术30（4）控制方案灵活 对于一个模拟系统，控制算法是由硬件对于一个模拟系统，控制算法是由硬件实现的，硬件确定后控制算法也就确定实现的，硬件确定后控制算法也就确定了，而计算机了，而计算机DDC控制系统的控制算法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
29、灵活，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。对于多并且还可实现复杂的控制规律。对于多回路控制系统，计算机回路控制系统，计算机DDC系统具有价系统具有价格优势，路数越多，这种优势越明显。格优势，路数越多，这种优势越明显。2022-12-17计算机控制技术31（5）危险集中 由于这类系统中一台计算机控制几十个由于这类系统中一台计算机控制几十个回路，所以一旦计算机的软件或硬件出回路，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。现故障将会使整个系统瘫痪。DDC系统系统的计算机直接与生产过程连接，而工业的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
30、胁现场的环境恶劣，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，必须采计算机本身具有较高的可靠性，必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性，使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之能适应各种工业现场。2022-12-17计算机控制技术328.2 基于数字调节器的计算机控制系统 2022-12-17计算机控制技术338.2.1 数字调节器简介数字调节器是一种数字化的过程控制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，而仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微处理器、其内部由微处理器、RA
31、M、ROM、模拟、模拟量和数字量量和数字量I/O通道、电源等部分构成的一通道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。一般有单回路、个微型计算机系统。一般有单回路、2回路、回路、4回路或回路或8回路的调节器，控制方式除一般回路的调节器，控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、前馈控制之外，还可组成串级控制、前馈控制等。等。2022-12-17计算机控制技术341.数字调节器的分类（1）数字调节器根据用途和性能的差异可以分为以下几数字调节器根据用途和性能的差异可以分为以下几种类型：种类型：（1）定程序控制器）定程序控制器 制造厂把编好的程序固化在控制器的制造厂把编好的程序固化在控制器的ROM中，
32、用户中，用户只需要通过组态，不必编写程序，它适合于典型的对象只需要通过组态，不必编写程序，它适合于典型的对象和通用的生产过程。和通用的生产过程。（2）可编程调节器）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。这种调节器优点是使用灵活，编程节器按照要求工作。这种调节器优点是使用灵活，编程方便，缺点是需要编程器，而且需要编程序才能使用，方便，缺点是需要编程器，而且需要编程序才能使用，对使用者要求较高。对使用者要求较高。2022-
33、12-17计算机控制技术351.数字调节器的分类（2）（3）混合控制器）混合控制器这是一种专为控制混合物成分用的控这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混合工制器，虽然前两种控制器也能用在混合工艺中，但不如这种经济方便。艺中，但不如这种经济方便。（4）批量控制器）批量控制器这是一种常用于液体或粉粒体包装和这是一种常用于液体或粉粒体包装和定量装载用的控制器，特别为周期性工作定量装载用的控制器，特别为周期性工作设计。设计。2022-12-17计算机控制技术362.数字调节器的结构 模拟调节器只是由硬件（模拟元器件）模拟调节器只是由硬件（模拟元器件）构成，它的功能完全由硬件决
34、定，因此构成，它的功能完全由硬件决定，因此其控制功能比较单一；而数字调节器是其控制功能比较单一；而数字调节器是由微处理器为核心构成的硬件电路和有由微处理器为核心构成的硬件电路和有系统程序、用户程序构成的软件两大部系统程序、用户程序构成的软件两大部分组成，其功能主要是由软件所决定，分组成，其功能主要是由软件所决定，可以实现不同的控制功能。可以实现不同的控制功能。2022-12-17计算机控制技术37(1)数字调节器的硬件部分图8.6 数字调节器的硬件电路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RAMROM2022-12-17计算机控制技术38(2)数字调节器的软件 数字
35、调节器器的软件分为系统程序和用户程序两数字调节器器的软件分为系统程序和用户程序两大部分。大部分。系统程序系统程序 系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控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。程序和功能模块两部分组成。监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定功能，同时完成各组成部分之间的管理。所规定功能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要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。
36、所规定的功能。2022-12-17计算机控制技术39 用户程序 用户程序是用户根据控制系统要求，在系统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，也即组态工实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作。作。2022-12-17计算机控制技术403.数字调节器的特点（1）运算控制功能强）运算控制功能强（2）通过软件实现所需功能）通过软件实现所需功能（3）
37、带有自诊断功能）带有自诊断功能（4）带有数字通讯功能）带有数字通讯功能（5）具有较有好的人机界面）具有较有好的人机界面2022-12-17计算机控制技术418.2.2基于数字调节器的计算机控制系统简介 使用数字调节器不但可以实现单回路控制，使用数字调节器不但可以实现单回路控制，还可以实现诸如串级控制、前馈控制、变增还可以实现诸如串级控制、前馈控制、变增益控制等复杂控制方案。因此，由数字调节益控制等复杂控制方案。因此，由数字调节器组成的控制回路往往被认为是一个典型的器组成的控制回路往往被认为是一个典型的直接数字控制（直接数字控制（DDC）回路。另外，由于数）回路。另外，由于数字调节器具有较强的通
38、信功能，上位机可以字调节器具有较强的通信功能，上位机可以读取回路数据，也可以设置回路参数。这样读取回路数据，也可以设置回路参数。这样多台数字调节器与上位机一起就可以构成一多台数字调节器与上位机一起就可以构成一个中小型的个中小型的DCS控制系统。控制系统。2022-12-17计算机控制技术42 数字调节器可以与数字调节器可以与上位计算机一起组上位计算机一起组成中小型成中小型DCS控制控制系统。数字调节器系统。数字调节器实现回路控制，构实现回路控制，构成独立的成独立的DDC控控制，多个数字调节制，多个数字调节器控制的许多回路器控制的许多回路都与上位机进行通都与上位机进行通讯。这种类型的控讯。这种类
39、型的控制系统可如图制系统可如图8.7所示。所示。通 信 协 议计 算 机数 字 调 节 器数 字 调 节 器被 控 对 象图8.7系统的基本构成2022-12-17计算机控制技术438.3 基于可编程控制器的计算机控制系统 可编程控制器（可编程控制器（PLC）是近十几年发展起来的）是近十几年发展起来的一种新型的工业控制器，由于它把计算机的编一种新型的工业控制器，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体价格便宜等优点结合
40、起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因而在工业生积小、重量轻、耗电省等特点，因而在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。产过程控制中得到了广泛的应用。2022-12-17计算机控制技术448.3.1 PLC简介1.PLC的特点的特点PLC是专为工业环境而设计制造的计是专为工业环境而设计制造的计算机，它具有丰富的输入算机，它具有丰富的输入/输出接口，并具输出接口，并具有较强的驱动能力，能够较好地解决工业有较强的驱动能力，能够较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。方便、经济等问题。2022-12-17计算机控制技术4
41、5（1）高可靠性PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：采取了很多有效措施以提高其可靠性：所有输入输出接口电路均采用光电隔离。所有输入输出接口电路均采用光电隔离。各模块均采取屏蔽措施，以防止辐射干扰。各模块均采取屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用优良的开关电源。采用优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。对采用的器件进行严格的筛选。具有完整的监视和诊断功能，一旦电源或其它软、具有完整的监视和诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，防止故立即采取有效措施，防止故障扩大。障扩大。大型大型PLC还采用由双还采用由双CPU构成的冗余系统，使可靠构成的冗余
42、系统，使可靠性进一步提高。性进一步提高。2022-12-17计算机控制技术46（2）功能齐全 PLC的基本功能包括：开关量输入输出，模拟量的基本功能包括：开关量输入输出，模拟量输入输出，辅助继电器，状态继电器，延时继电输入输出，辅助继电器，状态继电器，延时继电器，锁存继电器，主控继电器，定时器，计数器，器，锁存继电器，主控继电器，定时器，计数器，移位寄存器，凸轮控制器，跳转和强制移位寄存器，凸轮控制器，跳转和强制I/O等。等。PLC的扩展功能有联网通信、成组数据传送、的扩展功能有联网通信、成组数据传送、PLD闭环回路控制，排序查表功能，中断控制及闭环回路控制，排序查表功能，中断控制及特殊功能函
43、数运算等功能。特殊功能函数运算等功能。PLC有丰富的有丰富的I/O接口模块，接口模块，PLC针对工业现场信针对工业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等）都有相应的流、脉冲或电位、强电或弱电等）都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接相连。模块与工业现场的器件或设备直接相连。2022-12-17计算机控制技术47（3）应用灵活 除了单元式小型除了单元式小型PLC外，绝大多数外，绝大多数PLC采采用标准的积木硬件结用标准的积木硬件结构和模块化的软件设构和模块化的软件设计，使其不仅可以适计，使其不仅可以适应大小不
44、同、功能繁应大小不同、功能繁复的控制要求，而且复的控制要求，而且可以适应各种工艺流可以适应各种工艺流程变更较多的场合。程变更较多的场合。2022-12-17计算机控制技术48（4）系统设计、调试周期短 PLC的安装和现场接线简单，可以按积的安装和现场接线简单，可以按积木方式扩充和删减其系统规模。由于它木方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设计人员在没有购买硬件设备因此允许设计人员在没有购买硬件设备之前，就进行之前，就进行“软接线软接线”工作，从而缩工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。短了整个设计、生产、调试周期。20
45、22-12-17计算机控制技术49（5）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采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程与功能助记符编程，使用户能十分方便读懂程与功能助记符编程，使用户能十分方便读懂程序和编写、修改程序。操作人员经短期培训，序和编写、修改程序。操作人员经短期培训，就可以使用就可以使用PLC。其内部工作状态、通信状态、。其内部工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有醒目的显示。因点状态和异常状态等均有醒目的显示。因此，操作人员、维修人员可以及时准确地了解此，操作人员、维修人员可以及时准确地了解机器故障点，利用替代模块或插件的办法迅速机器故障点，利用替代模块或插
46、件的办法迅速排除故障。排除故障。2022-12-17计算机控制技术502.PLC的分类(1)按地域范围按地域范围PLC一般可分成三个流派：美国流派、一般可分成三个流派：美国流派、欧洲流派和日本流派。这种划分方法虽然不很科欧洲流派和日本流派。这种划分方法虽然不很科学，但具有实用参考价值。一方面，美国学，但具有实用参考价值。一方面，美国PLC技技术与欧洲术与欧洲PLC技术基本上是各自独立开发而成的，技术基本上是各自独立开发而成的，二者表现出明显的差异性，而日本的二者表现出明显的差异性，而日本的PLC技术是技术是由美国引进的，因此它对美国的由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继技术既有继承，也
47、有发展，而且日本产品主要定位在小型承，也有发展，而且日本产品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的产品面临的市场上；另一方面，同一地域的产品面临的市场相同，用户的要求接近，相互借鉴就比较多，技相同，用户的要求接近，相互借鉴就比较多，技术渗透得比较深，这都使得同一地域的术渗透得比较深，这都使得同一地域的PLC产品产品表现出较多的相似性，而不同地域的表现出较多的相似性，而不同地域的PLC产品表产品表现出明显的差异性。现出明显的差异性。2022-12-17计算机控制技术512.PLC的分类(2)按结构形式可以把按结构形式可以把PLC分为两类：一类是分为两类：一类是CPU、电源、电源、I/O接口
48、、通信接口等都集成在一个机壳内接口、通信接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如的一体化结构，如OMRON公司的公司的C20P，C20H，三菱公司的三菱公司的FX系列产品，西门子公司的系列产品，西门子公司的S7-200系系列产品。列产品。另一类是电源模块、另一类是电源模块、CPU模块、模块、I/O模块、通信模模块、通信模块等在结构上是相互独立的，如图块等在结构上是相互独立的，如图8.8所示，用户所示，用户可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装固定在机架或导轨上，构成一个完整的固定在机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用应用系统，如系统，如OMRON
49、公司的公司的C1000H，三菱公司的，三菱公司的Q系列，系列，SIEMENS公司的公司的S7-300等。等。2022-12-17计算机控制技术522.PLC的分类(3)按按I/O点数的多少又可将点数的多少又可将PLC划分为超小型划分为超小型PLC（I/O点数小于点数小于64点）、小型点）、小型PLC（I/O点数在点数在65128点）、中型点）、中型PLC（I/O点数范围在点数范围在129512点）和大型点）和大型PLC（I/O点数范围在点数范围在512点以上）点以上）等几种。等几种。小型及超小型小型及超小型PLC在结构上一般是一体化形式，在结构上一般是一体化形式，主要用于单机自动化及简单的控制
50、对象；大、中主要用于单机自动化及简单的控制对象；大、中型型PLC除具有小型、超小型除具有小型、超小型PLC的功能外，还增的功能外，还增强了数据处理能力和网络通信能力，可构成大规强了数据处理能力和网络通信能力，可构成大规模的综合控制系统，主要用于复杂程度较高的自模的综合控制系统，主要用于复杂程度较高的自动化控制，并在相当程度上替代动化控制，并在相当程度上替代DCS以实现更广以实现更广泛的自动化功能。泛的自动化功能。2022-12-17计算机控制技术533.PLC的发展趋势 随着计算机综合技术的发展和工业自动随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的不断延伸，化内涵的不断延伸，PLC的结构和功能的
