1、WUSTWUST 19:121 WUSTWUST 19:122 1.1 1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)計算機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 1.2 1.2 過程計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概述過程計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概述 1.3 1.3 軋制過程計算機控制概述軋制過程計算機控制概述 1.4 1.4 過程計算機控制系統(tǒng)的基本類過程計算機控制系統(tǒng)的基本類 型型 WUSTWUST 19:123 本節(jié)內(nèi)容 一一 硬件組成硬件組成 （一）主機（一）主機 1.1.中央處理器中央處理器 2.2.內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器 （二）外部設(shè)備（二）外部設(shè)備 1.1.輸入設(shè)備輸入設(shè)備 2.2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備 3.3.外存儲器外存儲器 （三）

2、過程輸入輸出設(shè)備（三）過程輸入輸出設(shè)備 （四）通訊設(shè)備（四）通訊設(shè)備 二二 軟件組成軟件組成 （一）系統(tǒng)軟件（一）系統(tǒng)軟件 （二）應(yīng)用軟件（二）應(yīng)用軟件 三三 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 四四 人機接口人機接口 WUSTWUST 19:124 1.1.1 1.1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)計算機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)加熱爐爐溫控制系統(tǒng) Furnace Temperature control system q人工控制系統(tǒng)中人起到了檢測儀表、人工控制系統(tǒng)中人起到了檢測儀表、 控制器、執(zhí)行器三重作用。控制器、執(zhí)行器三重作用。 q控制的好壞主要靠操作工人的經(jīng)驗。控制的好壞主要靠操作工人的經(jīng)驗。

3、 q人工控制不能控制太多的被控量。人工控制不能控制太多的被控量。 q 人工控制不能進(jìn)行快速的控制。人工控制不能進(jìn)行快速的控制。 q人工控制也不能始終如一，產(chǎn)品的一人工控制也不能始終如一，產(chǎn)品的一 致性很差。致性很差。 煤煤 氣氣 管管 被被 控控 對對 象象 T 燃?xì)鉄烊細(xì)鉄?流流 量量 調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 閥閥 WUSTWUST 19:125 q采用模擬量運算電路來實現(xiàn)自采用模擬量運算電路來實現(xiàn)自 動控制功能（如動控制功能（如PID)。 q而模擬系統(tǒng)中，改變控制方法而模擬系統(tǒng)中，改變控制方法 就必須改變硬件。就必須改變硬件。 q線路接點較多，出現(xiàn)故障不易線路接點較多，出現(xiàn)故障不易 排除。排除。

4、q一個模擬調(diào)節(jié)器只能控制一個一個模擬調(diào)節(jié)器只能控制一個 被控量，多個模擬調(diào)節(jié)器之間不被控量，多個模擬調(diào)節(jié)器之間不 能進(jìn)行信息交換。能進(jìn)行信息交換。 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥 調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 器器 熱熱 電電 偶偶 爐爐 溫溫T WUSTWUST 19:126 計算機控制計算機控制 q用程序進(jìn)行控制運算。用程序進(jìn)行控制運算。 q控制方法的改變很容易。控制方法的改變很容易。 q可以控制幾百個回路可以控制幾百個回路.并可以并可以 對上限、下限進(jìn)行監(jiān)視和報警。對上限、下限進(jìn)行監(jiān)視和報警。 q信號的傳送需要數(shù)信號的傳送需要數(shù)/模和模模和模/數(shù)數(shù) 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥 熱熱 電電 偶偶 爐溫爐溫 T

5、 WUSTWUST 19:127 被被 控控 對對 象象 輸入通道輸入通道/設(shè)備設(shè)備 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥 熱熱 電電 偶偶 輸出通道輸出通道/設(shè)備設(shè)備 T WUSTWUST 19:128 （1 1）測量變送裝置）測量變送裝置 Measure DeviceMeasure Device 壓力傳感器壓力傳感器 熱電偶熱電偶 光電碼盤光電碼盤 矯直機上矯直機上 的輥縫儀的輥縫儀 WUSTWUST 19:129 （2 2）輸入輸出（）輸入輸出（I/OI/O）設(shè)備）設(shè)備 Input/Output DeviceInput/Output Device 定義：定義：完成信息傳遞和交換的裝置。完成信息傳遞和交換

6、的裝置。 作用：作用：在計算機與生產(chǎn)過程之間進(jìn)行信息傳遞的通道，起到紐在計算機與生產(chǎn)過程之間進(jìn)行信息傳遞的通道，起到紐 帶和橋梁的作用。帶和橋梁的作用。 輸入通道輸入通道/ /設(shè)備設(shè)備 開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入通道 模擬量輸入通道模擬量輸入通道Analog/Digital(A/D)Analog/Digital(A/D) Digital Input(DI)Digital Input(DI) 輸出通道輸出通道/ /設(shè)備設(shè)備 開關(guān)量輸出通道開關(guān)量輸出通道 模擬量輸出通道模擬量輸出通道Digital/Analog (A/D)Digital/Analog (A/D) Digital Output(DO)

7、Digital Output(DO) WUSTWUST 19:1210 I/O模塊模塊 PCI-7200 12MB/s高速高速32通道數(shù)字輸入、通道數(shù)字輸入、 32通道數(shù)字輸出卡通道數(shù)字輸出卡 康海康海PX8-L 8個個RS-232串口串口 DAQ-2205 64通道，通道，500K/s高速高速 多功能多功能A/D采集卡采集卡 WUSTWUST 19:1211 （3 3）控制器）控制器 ControllerController 控制器：控制器：是實現(xiàn)控制規(guī)律的核心器件。控制器可以是實現(xiàn)控制規(guī)律的核心器件。控制器可以 是各種類型智能設(shè)備。是各種類型智能設(shè)備。 西門子西門子S7400 PLC 模擬

8、調(diào)模擬調(diào) 節(jié)器節(jié)器 微型計微型計 算機算機 Honeywell數(shù)數(shù) 字調(diào)節(jié)器字調(diào)節(jié)器 研華研華 IPC-610 WUSTWUST 19:1212 根據(jù)控制器送來的信號對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)控制器送來的信號對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。 （4 4）執(zhí)行機構(gòu)）執(zhí)行機構(gòu) ActuatorActuator 變頻泵變頻泵 同步電機同步電機 繼電器繼電器 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 電磁閥電磁閥 WUSTWUST 19:1213 工作過程：工作過程：數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集：實時檢測來自于測量變送裝置的被控變量瞬時實時檢測來自于測量變送裝置的被控變量瞬時 值；經(jīng)過值；經(jīng)過D/AD/A轉(zhuǎn)換后送入控制器。轉(zhuǎn)換后送入控制器。 控制決策：控

9、制決策：將測量值將測量值mvmv與系統(tǒng)的給定值與系統(tǒng)的給定值spsp相比較，產(chǎn)生相比較，產(chǎn)生 一定的偏差信號一定的偏差信號e e，對該偏差信號按照某種控，對該偏差信號按照某種控 制規(guī)律（算法）進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，如常規(guī)制規(guī)律（算法）進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，如常規(guī)PIDPID算算 法、自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法等，最后法、自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法等，最后 產(chǎn)生控制信號產(chǎn)生控制信號u u。 控制輸出：控制輸出： 對計算機輸出的控制信號對計算機輸出的控制信號u u進(jìn)行進(jìn)行D/AD/A轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換后， 向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。 SP 通常安裝通常安裝 于控制室

10、于控制室 通常安裝通常安裝 于于 現(xiàn)場現(xiàn)場 - 控制器控制器 D/A 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控對象被控對象 測量變送測量變送 A/D + y 被控量被控量 e u 4 420mA20mA 4 420mA20mA comparison Sensor Actuator Process Controller variable mv feedback I/O Device I/O Device WUSTWUST 19:1214 1.1.2 1.1.2 計算機控制系統(tǒng)一些概念計算機控制系統(tǒng)一些概念 自動控制自動控制：在沒有人直接參在沒有人直接參與的情況下，通過與的情況下，通過 控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定

11、的規(guī)律運行。控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)：利用計算機來實：利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過現(xiàn)生產(chǎn)過 程自動控制的系統(tǒng)。程自動控制的系統(tǒng)。 WUSTWUST 19:1215 輸出通道輸出通道 D/A 輸入通道輸入通道 A/D 對象對象 被控變量被控變量 y 輸輸 入入 通通 道道 計算機計算機 給定給定 1 1）計算機控制系統(tǒng)的工作原理）計算機控制系統(tǒng)的工作原理 WUSTWUST 19:1216 實時數(shù)據(jù)采集：實時數(shù)據(jù)采集： 實時控制決策：實時控制決策： 實時控制輸出：實時控制輸出： 工作原理：工作原理： 對來自測量變送裝置的被控變量的瞬時值對來自測量變送裝置的

12、被控變量的瞬時值 進(jìn)行檢測和輸入。進(jìn)行檢測和輸入。 對采集到的被控變量進(jìn)行分析和處理，并對采集到的被控變量進(jìn)行分析和處理，并 按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制 行為。行為。 根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控 制信號，完成控制任務(wù)。制信號，完成控制任務(wù)。 WUSTWUST 19:1217 2 2）在線方式和離線方式）在線方式和離線方式 在線在線方式或聯(lián)機方式：方式或聯(lián)機方式：生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受 計算機控制的方式。計算機控制的方式。 離線方式或脫機方式：離線方式或脫機方式：生產(chǎn)

13、過程不和計算機相連，且不受生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受 計算機控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作計算機控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。相應(yīng)操作的方式。 3 3）實時的含義）實時的含義 實時：實時：是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范 圍內(nèi)完成。圍內(nèi)完成。計算機實時地對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理。并能根據(jù)生產(chǎn)過程工計算機實時地對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理。并能根據(jù)生產(chǎn)過程工 況的變化及時地進(jìn)行處理。實時性不僅取決于計算機硬件指標(biāo)，而且還主要依賴況的變化及時地進(jìn)行處理。實時性不僅取決于計算機硬件指標(biāo)，而且還主要依賴 于系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。（于系統(tǒng)軟件

14、和應(yīng)用軟件。（P8） 實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。 WUSTWUST 19:1218 一一 計算機控制系統(tǒng)的硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件組成 硬件組成硬件組成 ( (一）一）主機、（二）外部設(shè)備（三）過程主機、（二）外部設(shè)備（三）過程 輸入輸入/ /輸出通道（四）通訊設(shè)備輸出通道（四）通訊設(shè)備 WUSTWUST 19:1219 （一）（一） 主機主機 中央處理器（中央處理器（CPU） 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器(RAM和和ROM) （三）（三）過程輸入過程輸入/ /輸出通道輸出通道 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 模擬量輸出通道模擬量輸出通道 開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入通道 開關(guān)

15、量輸出通道開關(guān)量輸出通道 （二）（二）外部設(shè)備外部設(shè)備 操作臺操作臺 輸入設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀 輸出設(shè)備輸出設(shè)備顯示器、打印機、繪圖儀顯示器、打印機、繪圖儀 外存儲器外存儲器硬盤、軟盤、光盤硬盤、軟盤、光盤 （CRT）顯示器或）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器數(shù)碼顯示器 鍵盤（功能鍵和數(shù)字鍵）鍵盤（功能鍵和數(shù)字鍵） （四）通訊設(shè)備（四）通訊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)適配器、路由器、集線器、雙絞線網(wǎng)絡(luò)適配器、路由器、集線器、雙絞線 運算器運算器 控制器控制器 只讀存儲器只讀存儲器(ROM)(ROM) 隨機存儲器隨機存儲器(RAM)(RAM) WUSTWUST 19:1220 二

16、二 軟件組成軟件組成 軟件一般由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成軟件一般由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成 計算機專業(yè)設(shè)計人員負(fù)責(zé)研制系統(tǒng)軟件，而過程計計算機專業(yè)設(shè)計人員負(fù)責(zé)研制系統(tǒng)軟件，而過程計 算機控制系統(tǒng)設(shè)計人員則要了解系統(tǒng)軟件，從而算機控制系統(tǒng)設(shè)計人員則要了解系統(tǒng)軟件，從而 更好地編制應(yīng)用軟件。更好地編制應(yīng)用軟件。 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制 的控制和管理程序，它的優(yōu)劣直接影響控制品質(zhì)的控制和管理程序，它的優(yōu)劣直接影響控制品質(zhì) 和管理水平。和管理水平。 WUSTWUST 19:1221 軟件軟件 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 服務(wù)程序裝配程序、編輯程序 開

17、發(fā)系統(tǒng) 程序設(shè)計語言 匯編語言、算法語言，如Basic Algol，F(xiàn)rotran，Pascal，Cobol，C，PLM等 語言處理程序匯編程序、解釋程序、編譯程序 操作系統(tǒng)-管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序等 診斷程序-調(diào)節(jié)程序、診斷程序等 數(shù)據(jù)管理程序 信息處理-文字翻譯、資料檢索、企業(yè)管理 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 通訊系統(tǒng) 二二 軟件組成軟件組成 WUSTWUST 19:1222 應(yīng)用軟應(yīng)用軟 件件 過程監(jiān)控過程監(jiān)控 數(shù)據(jù)處理程序 巡回檢測程序巡回檢測程序 上下限檢查及報警程序上下限檢查及報警程序 操作面板服務(wù)程序操作面板服務(wù)程序 過程計算機控制過程計算機控制 控制算法程序控制算法程序 事故處理程序

18、事故處理程序 PIDPID、最優(yōu)化控制、串級調(diào)、最優(yōu)化控制、串級調(diào) 節(jié)、比例調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)節(jié)、比例調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié) 系統(tǒng)辨識、其他系統(tǒng)辨識、其他 信息管理程序信息管理程序 數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序 判斷程序判斷程序 過程分析程序過程分析程序 公共服務(wù)程序公共服務(wù)程序 基本運算程序基本運算程序 函數(shù)運算程序函數(shù)運算程序 數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序 格式編輯程序格式編輯程序 信息生成調(diào)度、文件管理、信息生成調(diào)度、文件管理、 輸出、打印、顯示輸出、打印、顯示 WUSTWUST 19:1223 三 操作系統(tǒng) E Eniacniac和早期的計算機使用起來很困難的原因和早期的計算機使用起來

19、很困難的原因裸機，只提裸機，只提 供機器指令。供機器指令。 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)OSOS使得用戶可以不必了解具體的機器指令、信號使得用戶可以不必了解具體的機器指令、信號 的傳輸過程，而通過操作系統(tǒng)充分地使用計算機的硬件的傳輸過程，而通過操作系統(tǒng)充分地使用計算機的硬件 資源和軟件資源。資源和軟件資源。 操作系統(tǒng)可以視作計算機資源管理程序操作系統(tǒng)可以視作計算機資源管理程序。只有在操作系統(tǒng)。只有在操作系統(tǒng) 的管理之下，才能充分利用資源，提高系統(tǒng)的可靠性和的管理之下，才能充分利用資源，提高系統(tǒng)的可靠性和 實時性，方便用戶的操作和使用。操作系統(tǒng)的管理功能實時性，方便用戶的操作和使用。操作系統(tǒng)的管理功能 可以

20、歸納為四種：處理機管理、存儲管理、設(shè)備管理和可以歸納為四種：處理機管理、存儲管理、設(shè)備管理和 文件管理。詳細(xì)論述見第六章。文件管理。詳細(xì)論述見第六章。 WUSTWUST 19:1224 四四 人機接口人機接口 計算機和操作人員之間常常要互通信息。比如，計算機實計算機和操作人員之間常常要互通信息。比如，計算機實 時地顯示生產(chǎn)過程狀況和控制信息，而操作人員為了配時地顯示生產(chǎn)過程狀況和控制信息，而操作人員為了配 合計算機對生產(chǎn)過程的控制往往要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時合計算機對生產(chǎn)過程的控制往往要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時 地向計算機發(fā)出各種操作控制命令。為此，計算機和操地向計算機發(fā)出各種操作控制命令。為此，計算機和操 作人員之間應(yīng)設(shè)置作人員之間應(yīng)設(shè)置顯示器