第8章典型計算機控制系統簡介基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控制系統；基于數字調節器的計算機控制系統；基于PLC的計算機控制系統；基于嵌入式系統的計算機控制系統；分散控制系統；現場總線控制系統;計算機集成制造系統。2/4/20231計算機控制技術8.1基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控制系統該類系統是一種非常典型的DDC控制系統，工控機通過基于PC總線的板卡進行實時數據采集，并按照一定的控制規律實時決策，產生控制指令，并通過板卡輸出，對生產過程直接進行控制。該類系統具有組成靈活，成本低等特點，廣泛應用于工業生產的各個領域。是目前在工業上用得比較多的一類系統。2/4/20232計算機控制技術8.1.1PC總線的工業控制機簡介工業個人計算機IndustrialPersonalComputer（簡稱IPC）是一種加固的增強型個人計算機，是指對工業生產過程及其機電設備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。早在20世紀80年代初期，美國AD公司就推出了類似IPC的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業個人計算機IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工控機中異軍突起，后來居上，應用日趨廣泛。2/4/20233計算機控制技術工控機示意圖西門子工控機研華工控機2/4/20234計算機控制技術1.工業PC的結構工業控制機的典型結構如圖8.1所示，主要有以下幾部分組成。圖8.1工控機典型結構圖①全鋼機箱②無源底板③工業電源④CPU卡⑤其他配件下一頁2/4/20235計算機控制技術CPU板返回2/4/20236計算機控制技術無源底板返回2/4/20237計算機控制技術2.工業PC的特點(1)專門為工業工程控制現場設計的工業PC機有以下特點：①支持各種模塊化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT總線接口板。②所有卡采用高度集成芯片，以減少故障率，并均為模塊化﹑插板式，以便安裝﹑更換和升級換代。所有的卡使用專用的固定架將插板壓緊，防止震動引起的接觸不良。③開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應用軟件。2/4/20238計算機控制技術2.工業PC的特點(2)④采用和PC/AT總線兼容的無源底板。它使用帶有電源層和地的4層電路板，有效地提高了系統地抗干擾能力。無源底板帶有4，6，8，12，14或20槽。⑤機箱采用全鋼機構，可防止電磁干擾；采用150W-350W帶除塵過濾器的工業開關電源，具有足夠地負載驅動能力。機箱內裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網用以防塵。軟盤、硬盤驅動器安裝采用橡皮緩沖防震，并有防塵門。⑥可內裝電子盤以取代機械磁盤，使PC機在工業環境下的操作具有高速﹑高可靠性。2/4/20239計算機控制技術3.常用的工業控制機簡介當前國內外工控機型號很多，下面簡要介紹主要常用的工控機：工控機的生產廠家很多，國外有美國IBM、ICS、德國西門子、日本康泰克等，這些產品可靠性好、市場定位高。我國臺灣地區是工控機的主要生產區，其品牌主要有研華、威達、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中，研華是世界三大工控廠商之一，在中國大陸及臺灣市場均有較高的市場占有率。國內也有很多工控機品牌，如研祥、華控、康拓、艾雷斯、北京華北等。2/4/202310計算機控制技術8.1.2基于PC總線的板卡簡介基于PC總線的板卡是指計算機廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結構設計的通用功能模板?；赑C總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關量輸入板卡、開關量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多個功能，。下面以研華PCI系列測控板卡為例介紹一下不同種類的典型板卡的性能和特點。2/4/202311計算機控制技術1.模擬量輸入板卡（A/D卡）基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如ISA、PCI等總線標準設計的，板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。板卡內部通常設置一定的采樣緩沖器，對采樣數據進行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術，實現信號的隔離。板卡的模擬信號采集精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D轉換芯片決定。2/4/202312計算機控制技術例如研華PCI-1710數據采集卡，如圖8.2所示。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合方式輸入等三種輸入方式，它帶有2500VDC隔離保護；采用12位A/D轉換器，采樣數率可達100kHZ；板載4K采樣FIFO緩沖器；每個輸入通道的增益可編程。圖8.2研華PCI-1713數據采集卡2/4/202313計算機控制技術2.模擬量輸出板卡（D/A卡）模擬量輸出板卡完成數字量到模擬量的轉換，D/A轉換板卡同樣依據其采用的D/A轉換芯片的不同，其轉換性能指標有很大的差別。D/A轉換除了具有分辨率、轉換精度等性能指標外，還有建立時間、溫度系數等指標約束。模擬量輸出板卡通常還要考慮輸出形式以及負載能力。2/4/202314計算機控制技術例如研華PCI-1720模擬量輸出卡，如圖8.3所示。PCI-1720提供了四個用于PCI總線的12位隔離數字量到模擬量輸出。它是過程控制、伺服控制和可編程電壓源最好的解決方案。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護，PCI-1720非常適合需要高電壓保護的工業場合，該板卡具有4路輸出通道。圖8.3研華PCI-1720模擬量輸出卡2/4/202315計算機控制技術3.數字量輸入/輸出板卡（I/O板卡）數字量輸入輸出接口相對簡單，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通道需要輸入緩沖器和輸入調理電路，輸出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅動器。2/4/202316計算機控制技術例如研華PCI-1760光隔開關量輸入輸出卡提供了8路數字量輸入通道和8路繼電器輸出通道。與傳統卡比較，PCI-1760為每個數字量輸入通道增加了可編程的數字濾波器。此功能使相應輸入通道的狀態不會更新，直到高/低信號保持了用戶設定的一段時間后才改變。這樣有助于保持系統的可靠性。圖8.4PCI-1760數字量輸入輸出卡2/4/202317計算機控制技術4.脈沖量輸入板卡工業控制現場有許多高速的脈沖信號，如旋轉編碼器、流量檢測信號等，這些都要脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行測量。脈沖量輸入板卡可以實現脈沖數字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計數、定時、測頻等不同工作方式?？紤]到現場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術，使計算機與現場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力。2/4/202318計算機控制技術例如研華PCI-1780計數/定時卡，如圖8.5所示，是基于PCI總線設計的接口卡，該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現計數器/定時器功能，此外，該卡還提供8個16位計數器通道，該卡具有8通道可編程時鐘資源，8路TTL數字量輸出/8路TTL數字量輸入，最高輸入頻率達20MHz，多種時鐘可以選擇，可編程計數器輸出，計數器門選通功能。圖8.5PCI-17808通道定時/計數卡2/4/202319計算機控制技術8.1.3基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控制系統的組成和特點工業現場生產過程中的各種工況參數（溫度、壓力、流量、成分、位置、轉速等）由傳感器或一次測量儀表進行檢測，然后經變送器把它們統一變換成4～20mA的電信號,經過模數轉換器轉換成數字量送入計算機。計算機則對被測信號按一定的控制規律（如PID規律）進行計算，計算出送給控制執行機構的控制量。控制量由計算機輸出，經I/O接口送往輸出通道，形成閉環控制。2/4/202320計算機控制技術1.組成（1）基于工控機和板卡組成的計算機控制系統由硬件和軟件兩部分組成。（1）硬件部分①控制計算機控制計算機是控制系統的核心，可以對輸入的現場信息和操作人員的操作信息進行分析、處理，根據預先確定的控制規律，實時發出控制指令，控制和管理其他的設備?？紤]到工業控制領域較惡劣的環境，一般選用工業控制計算機。2/4/202321計算機控制技術1.組成（2）②I/O通道輸入輸出（I/O）通道在計算機控制系統中，完成傳感器輸出信號和工業控制計算機之間，或工業控制計算機和驅動元件之間信號的轉換和匹配的功能，稱接口電路。它使工業控制計算機能正確地接受被控對象工作狀態的檢測信號，而且能實時地準確地對驅動元件進行控制。2/4/202322計算機控制技術1.組成（3）③參數檢測被控對象需要檢測的參數分為模擬量參數和開關量參數兩類。對于模擬量參數的檢測，主要選用合適的傳感器，通過傳感器將這類參數轉換為成正比例的模擬量電信號。開關量參數檢測常用的元件有行程開關、光電開關、接近開關、繼電器或接觸器的吸合釋放等開關型元件來完成，通過這些元件向計算機輸入開關量電信號。2/4/202323計算機控制技術1.組成（4）④輸出驅動被控對象的輸出驅動，按輸出信號形式不同，也可分為模擬量信號輸出驅動和開關量輸出驅動兩種。模擬量信號輸出驅動主要用于伺服系統控制、變頻控制和調節閥等，開關量輸出驅動主要用于控制只有兩種工作狀態的驅動元件的運行。2/4/202324計算機控制技術1.組成（5）⑤人機接口人機接口是操作人員和計算機控制系統之間信息交換的設備，是計算機控制系統中必不可少的部分，主要由鍵盤、鼠標和顯示器等組成。直接使用鍵盤和鼠標等輸入控制命令和指令數據，使用顯示器顯示運行狀態和故障并幫助查找和診斷故障，以及運行中間數據的檢查、運行過程的統計等。2/4/202325計算機控制技術（2）軟件部分計算機控制系統的軟件由系統軟件和用戶程序兩部分組成。系統軟件有計算機操作系統、監控程序、用戶程序開發支撐軟件，如開發語言、編譯軟件、調試工具等。用戶程序是指控制系統中與控制對象或控制任務相應的控制程序。應用程序一般都由用戶自己根據控制系統的目標、資源配備情況開發完成。2/4/202326計算機控制技術2.特點基于PC總線的計算機控制系統是一個典型的DDC系統，因此它具有以下特點：（1）時間上具有離散性計算機DDC系統對生產過程的有關參量進行控制時，是以定時采樣和階段控制來代替常規儀表的連續測量和連續控制的。因此，確定合適的采樣周期和A/D、D/A轉換器的字長是提高系統控制精度、減少轉換誤差的關鍵。2/4/202327計算機控制技術（2）采用分時控制方式DDC系統中的一臺計算機要控制多個回路，為此，該類系統采用“分時”控制的方法，即將某一回路的采樣和A/D轉換、運算、輸出控制三部分的時間與其前后回路錯開，放在不同的控制時間里。這樣，既保證了控制過程的正常進行，又能充分利用系統中的各種設備，提高了控制效率。2/4/202328計算機控制技術（3）具有人機對話功能計算機控制系統的人機對話是一種計算機控制系統必須具備的操作者和計算機系統互相聯系的功能。操作者通過輸入設備向計算機送入控制命令，計算機系統則通過輸出設備送出有關信息。一般的計算機DDC系統除了普通的各種指示外，還都通過相應接口連接顯示屏、打印機、控制鍵盤、越限報警裝置等。2/4/202329計算機控制技術（4）控制方案靈活對于一個模擬系統，控制算法是由硬件實現的，硬件確定后控制算法也就確定了，而計算機DDC控制系統的控制算法是由軟件實現的。通過改變程序即可達到改變控制算法的目的，不僅方便靈活，并且還可實現復雜的控制規律。對于多回路控制系統，計算機DDC系統具有價格優勢，路數越多，這種優勢越明顯。2/4/202330計算機控制技術（5）危險集中由于這類系統中一臺計算機控制幾十個回路，所以一旦計算機的軟件或硬件出現故障將會使整個系統癱瘓。DDC系統的計算機直接與生產過程連接，而工業現場的環境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機的可靠運行。因此，不僅需要計算機本身具有較高的可靠性，必須采取抗干擾措施來提高系統的可靠性，使之能適應各種工業現場。2/4/202331計算機控制技術8.2基于數字調節器的計算機控制系統

2/4/202332計算機控制技術8.2.1數字調節器簡介數字調節器是一種數字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數字量I/O通道、電源等部分構成的一個微型計算機系統。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調節器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級控制、前饋控制等。2/4/202333計算機控制技術1.數字調節器的分類（1）數字調節器根據用途和性能的差異可以分為以下幾種類型：（1）定程序控制器制造廠把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶只需要通過組態，不必編寫程序，它適合于典型的對象和通用的生產過程。（2）可編程調節器用戶可以從調節器內部提供的諸多功能模塊中選擇所需要的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調節器按照要求工作。這種調節器優點是使用靈活，編程方便，缺點是需要編程器，而且需要編程序才能使用，對使用者要求較高。2/4/202334計算機控制技術1.數字調節器的分類（2）（3）混合控制器這是一種專為控制混合物成分用的控制器，雖然前兩種控制器也能用在混合工藝中，但不如這種經濟方便。（4）批量控制器這是一種常用于液體或粉粒體包裝和定量裝載用的控制器，特別為周期性工作設計。2/4/202335計算機控制技術2.數字調節器的結構模擬調節器只是由硬件（模擬元器件）構成，它的功能完全由硬件決定，因此其控制功能比較單一；而數字調節器是由微處理器為核心構成的硬件電路和有系統程序、用戶程序構成的軟件兩大部分組成，其功能主要是由軟件所決定，可以實現不同的控制功能。2/4/202336計算機控制技術(1)數字調節器的硬件部分圖8.6數字調節器的硬件電路2/4/202337計算機控制技術(2)數字調節器的軟件數字調節器器的軟件分為系統程序和用戶程序兩大部分。①系統程序系統程序是控制器軟件的主體部分，通常由監控程序和功能模塊兩部分組成。監控程序使控制器各硬件電路能正常工作并實現所規定功能，同時完成各組成部分之間的管理。功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以構成用戶程序，使控制器實現用戶所規定的功能。2/4/202338計算機控制技術②用戶程序用戶程序是用戶根據控制系統要求，在系統程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定的規則連接起來，其作用是使控制器完成預定的控制與運算功能。使用者編制程序實際上是完成功能模塊的連接，也即組態工作。2/4/202339計算機控制技術3.數字調節器的特點（1）運算控制功能強（2）通過軟件實現所需功能（3）帶有自診斷功能（4）帶有數字通訊功能（5）具有較有好的人機界面2/4/202340計算機控制技術8.2.2基于數字調節器的計算機控制系統簡介使用數字調節器不但可以實現單回路控制，還可以實現諸如串級控制、前饋控制、變增益控制等復雜控制方案。因此，由數字調節器組成的控制回路往往被認為是一個典型的直接數字控制（DDC）回路。另外，由于數字調節器具有較強的通信功能，上位機可以讀取回路數據，也可以設置回路參數。這樣多臺數字調節器與上位機一起就可以構成一個中小型的DCS控制系統。2/4/202341計算機控制技術數字調節器可以與上位計算機一起組成中小型DCS控制系統。數字調節器實現回路控制，構成獨立的DDC控制，多個數字調節器控制的許多回路都與上位機進行通訊。這種類型的控制系統可如圖8.7所示。通信協議……計算機數字調節器數字調節器被控對象圖8.7系統的基本構成2/4/202342計算機控制技術8.3基于可編程控制器的計算機控制系統可編程控制器（PLC）是近十幾年發展起來的一種新型的工業控制器，由于它把計算機的編程靈活、功能齊全、應用面廣等優點與繼電器系統的控制簡單、使用方便、抗干擾能力強、價格便宜等優點結合起來，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點，因而在工業生產過程控制中得到了廣泛的應用。2/4/202343計算機控制技術8.3.1PLC簡介1.PLC的特點PLC是專為工業環境而設計制造的計算機，它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅動能力，能夠較好地解決工業控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。2/4/202344計算機控制技術（1）高可靠性PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離。各模塊均采取屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用優良的開關電源。對采用的器件進行嚴格的篩選。具有完整的監視和診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發生異常情況，CPU立即采取有效措施，防止故障擴大。大型PLC還采用由雙CPU構成的冗余系統，使可靠性進一步提高。2/4/202345計算機控制技術（2）功能齊全PLC的基本功能包括：開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，輔助繼電器，狀態繼電器，延時繼電器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時器，計數器，移位寄存器，凸輪控制器，跳轉和強制I/O等。PLC的擴展功能有聯網通信、成組數據傳送、PLD閉環回路控制，排序查表功能，中斷控制及特殊功能函數運算等功能。PLC有豐富的I/O接口模塊，PLC針對工業現場信號（如交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等）都有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備直接相連。2/4/202346計算機控制技術（3）應用靈活除了單元式小型PLC外，絕大多數PLC采用標準的積木硬件結構和模塊化的軟件設計，使其不僅可以適應大小不同、功能繁復的控制要求，而且可以適應各種工藝流程變更較多的場合。2/4/202347計算機控制技術（4）系統設計、調試周期短PLC的安裝和現場接線簡單，可以按積木方式擴充和刪減其系統規模。由于它的邏輯、控制功能是通過軟件完成的，因此允許設計人員在沒有購買硬件設備之前，就進行“軟接線”工作，從而縮短了整個設計、生產、調試周期。2/4/202348計算機控制技術（5）操作維修方便PLC采用電氣操作人員習慣的梯形圖形式編程與功能助記符編程，使用戶能十分方便讀懂程序和編寫、修改程序。操作人員經短期培訓，就可以使用PLC。其內部工作狀態、通信狀態、I/O點狀態和異常狀態等均有醒目的顯示。因此，操作人員、維修人員可以及時準確地了解機器故障點，利用替代模塊或插件的辦法迅速排除故障。2/4/202349計算機控制技術2.PLC的分類(1)按地域范圍PLC一般可分成三個流派：美國流派、歐洲流派和日本流派。這種劃分方法雖然不很科學，但具有實用參考價值。一方面，美國PLC技術與歐洲PLC技術基本上是各自獨立開發而成的，二者表現出明顯的差異性，而日本的PLC技術是由美國引進的，因此它對美國的PLC技術既有繼承，也有發展，而且日本產品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的產品面臨的市場相同，用戶的要求接近，相互借鑒就比較多，技術滲透得比較深，這都使得同一地域的PLC產品表現出較多的相似性，而不同地域的PLC產品表現出明顯的差異性。2/4/202350計算機控制技術2.PLC的分類(2)按結構形式可以把PLC分為兩類：一類是CPU、電源、I/O接口、通信接口等都集成在一個機殼內的一體化結構，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列產品，西門子公司的S7-200系列產品。另一類是電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、通信模塊等在結構上是相互獨立的，如圖8.8所示，用戶可根據具體的應用要求，選擇合適的模塊，安裝固定在機架或導軌上，構成一個完整的PLC應用系統，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。2/4/202351計算機控制技術2.PLC的分類(3)按I/O點數的多少又可將PLC劃分為超小型PLC（I/O點數小于64點）、小型PLC（I/O點數在65～128點）、中型PLC（I/O點數范圍在129～512點）和大型PLC（I/O點數范圍在512點以上）等幾種。小型及超小型PLC在結構上一般是一體化形式，主要用于單機自動化及簡單的控制對象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，還增強了數據處理能力和網絡通信能力，可構成大規模的綜合控制系統，主要用于復雜程度較高的自動化控制，并在相當程度上替代DCS以實現更廣泛的自動化功能。2/4/202352計算機控制技術3.PLC的發展趨勢隨著計算機綜合技術的發展和工業自動化內涵的不斷延伸，PLC的結構和功能也在進行不斷地完善和擴充，實現控制功能和管理功能的結合，以不同生產廠家的產品構成開放型的控制系統是主要的發展理念之一。長期以來PLC走的是專有化的道路，目前絕大多數PLC不屬于開放系統，尋求開放型的硬件或軟件平臺成了當今PLC的主要發展目標。就PLC系統而言，現代PLC主要有以下兩種發展趨勢。2/4/202353計算機控制技術（1）向大型網絡化、綜合化方向發展由于現代工業自動化的內涵已不再局限于某些生產過程的自動化，而是實現信息管理和工業生產相結合的綜合自動化，強化通信能力和網絡化功能是PLC發展的一個重要方面，它主要表現在：向下將多個PLC、遠程I/O站點相連；向上與工業控制計算機、管理計算機等相連構成整個工廠的自動化控制系統。例如：A-B，SIEMENS，MODICON等多數生產廠家的PLC產品都已具備類似的功能。2/4/202354計算機控制技術（2）向體積小、速度快、功能強、價格低的小型化方向發展隨著應用范圍的擴大，體積小、速度快、功能強、價格低的PLC廣泛滲透到工業控制領域的各個層面。小型化發展具體表現為：結構上的更新、物理尺寸的縮小、運算速度的提高、網絡功能的加強、價格的降低，當前小型化PLC在工業控制領域具有不可替代的地位。2/4/202355計算機控制技術8.3.2PLC的基本結構和工作原理中央處理單元存儲器數據存儲器輸出接口地址總線控制總線數據總線照明電磁裝置執行機構。。。。輸入接口模擬量輸入行程開關繼電器接點各種開關2/4/202356計算機控制技術1.PLC的基本結構PLC的基本組成與一般的微機系統相類似，主要包括：中央處理單元、存儲單元、通信接口、外設接口、I/O接口等。2/4/202357計算機控制技術（1）中央處理單元中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。在20世紀70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微處理器芯片的檔次差別很大，因此，不同類型的PLC的CPU所采用的微處理器芯片的檔次相差很大。隨著超大規模集成電路技術的進步和發展，微處理器價格的下跌，中小型PLC也能使用功能強、速度快的高檔微處理器作為其CPU。2/4/202358計算機控制技術(2)存儲器PLC常用的存儲器類型：RAM(RandomAccessMemory)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)FLASHROM2/4/202359計算機控制技術(3)電源PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的可靠的電源，系統還是無法正常工作，因此PLC的制造商對電源的設計可和制造也十分重視。不論是小型PLC還是中、大型PLC所采用的電源，其性能都一樣，均能對PLC內部的所有器件提供一個穩定可靠的直流電源。2/4/202360計算機控制技術（4）I/O模塊PLC的I/O模塊式工業現場種種設備與PLC之間傳輸信息的接口，包括數字I/O模塊、模擬I/O模塊和智能I/O模塊。數字I/O模塊包括數字量輸入和輸出兩種模塊。模擬量I/O模塊包括模擬量輸入和輸出兩種模塊。智能I/O模塊是完成某些獨立的特定功能的I/O模塊，常用的智能I/O模塊有PID模塊、定位模塊、高速計數模塊等。2/4/202361計算機控制技術（5）通信接口模塊通信模塊為PLC之間以及PLC與計算機等智能設備間提供通信接口。2/4/202362計算機控制技術2.PLC的基本工作原理PLC的工作方式是一個不斷循環的順序掃描過程。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶執行程序階段，PLC的CPU按由上而下的順序一次掃描用戶程序，并根據程序執行結果刷新I/O映象寄存器。用戶程序執行結束后進入輸出刷新階段，刷新所有的輸出。2/4/202363計算機控制技術順序掃描工作方式簡單直觀，便于程序設計和PLC自身的檢查。具體體現在：PLC掃描到的功能經解算后，其結果馬上就可被后面將要掃描到的功能所利用；可以在PLC內設定一個監視定時器，用來監視每次掃描的時間是否超過規定值，避免由于PLC內部CPU故障使程序執行進入死循環。掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般小型PLC采用固定的掃描順序，大中型PLC采用可變的掃描順序。2/4/202364計算機控制技術8.3.3基于PLC的計算機控制系統簡介由于PLC具有諸多優點，使得PLC應用十分廣泛?，F在，PLC已經廣泛應用在鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車裝卸等各行各業。2/4/202365計算機控制技術1.基于PLC的計算機控制系統的應用范圍

（1）用于開關邏輯控制（2）用于機械加工的數字控制（3）用于機器人控制（4）用于閉環過程控制（5）用于實現工廠的無人化管理2/4/202366計算機控制技術2.PLC的控制系統的設計原則及內容（1）PLC系統的設計原則關于PLC系統的設計原則往往涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為四點：①最大限度地滿足工業生產過程或機械設備的控制要求。②確保計算機控制系統的可靠性。③力求控制系統簡單、實用、合理。④適當考慮生產發展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。2/4/202367計算機控制技術（2）PLC系統設計包含的內容PLC的種類很多，不同類型的PLC在性能、適用領域等方面是有差異的，它們在設計內容和設計方法上也會有所不同，通常還與設計人員習慣的設計規范及實踐經驗有關。但是，所有設計方法要解決的基本問題是相同的，下面是PLC系統設計所要完成的一般性內容：2/4/202368計算機控制技術①分析被控對象的工藝特點和要求，擬定PLC系統的控制功能和設計目標；②細化PLC系統的技術要求，如I/0接口數量、結構形式、安裝位置等等；③PLC系統的選型，包括CPU、I/O模塊、接口模塊等等；④編制I/0分配表和PLC系統及其與現場儀表的接線圖；⑤根據系統要求編制軟件規格說明書，開發PLC應用軟件；⑥編寫設計說明書和使用說明書；⑦系統安裝、調試和投運。2/4/202369計算機控制技術3.PLC系統的硬件設計設計一個良好的控制系統，第一步就是需要對被控生產對象的工藝過程和特點做深入的了解，這也是現場儀表選型與安裝、控制目標確定、系統配置的前提。一個復雜的生產工藝過程，通常可以分解為若干個工序，而每個工序往往又可分解為若干個具體步驟，這樣做可以把復雜的控制任務明確化、簡單化、清晰化，有助于明確系統中各PLC及PLC中I/O的配置，合理分配系統的軟硬件資源。2/4/202370計算機控制技術第二步需要創建設計任務書，設計任務書實際上就是對技術要求的細化，把各部分必須具備的功能和實現方法以書面形式描述出來。設計任務書是進行設備選型、硬件配置、軟件設計、系統調試的重要技術依據，若在PLC系統的開發過程中發現不合理的方面，需要及時進行修正。通常，設計任務書要包括以下各項內容：2/4/202371計算機控制技術①數字量輸入總點數及端口分配；②數字量輸出總點數及端口分配；③模擬量輸入通道總數及端口分配；④模擬量輸出通道總數及端口分配；⑤特殊功能總數及類型；⑥PLC功能的劃分以及各PLC的分布與距離；⑦對通信能力的要求及通信距離。2/4/202372計算機控制技術第三步需要在滿足控制要求的前提下，對系統所涉及的硬件設備進行選型。PLC硬件設備的選型應該追求最佳的性能價格比。硬件設備的選型主要包括CPU、I/O配置、通訊、電源等方面進行考慮。2/4/202373計算機控制技術第四步需要設計安全回路。安全回路是能夠獨立于PLC系統運行的應急控制回路或后備手操系統。安全回路一般以確保人身安全為第一目標、保證設備運行安全為第二目標進行設計，這在很多國家和國際組織發表的技術標準中均有明確的規定。一般來說，安全回路在以下幾種情況下將發揮安全保護作用：設備發生緊急異常狀態時；PLC失控時；操作人員需要緊急干預時。2/4/202374計算機控制技術4.PLC的控制系統的軟件設計PLC用戶程序的設計過程可分為兩個階段，即前期工作和應用軟件的開發和調試。在軟件設計過程中，前期工作內容往往會被設計人員所忽視，事實上這些工作對提高軟件的開發效率、保證應用軟件的可維護性、縮短調試周期都是非常必要的，特別是對較大規模的PLC系統更是如此。2/4/202375計算機控制技術（1）前期工作前期工作主要包括制定控制方案、制定抗干擾措施、編制I/0分配表、確定程序結構和數據結構、定義軟件模塊的功能。（2）應用軟件的開發和調試根據功能的不同，PLC應用軟件可以分為基本控制程序、中斷處理程序和通信服務程序三個部分。其中基本控制程序是整個應用軟件的主體，它包括信號采集、信號濾波、控制運算、結果輸出等內容。對于整個應用軟件來說，程序結構設計和數據結構設計是程序設計的主要內容。合理的程序結構不僅決定著應用程序的編程質量，而且還對編程周期、調試周期、可維護性都有很大的影響。2/4/202376計算機控制技術（2）應用軟件的開發和調試根據功能的不同，PLC應用軟件可以分為基本控制程序、中斷處理程序和通信服務程序三個部分。其中基本控制程序是整個應用軟件的主體，它包括信號采集、信號濾波、控制運算、結果輸出等內容。對于整個應用軟件來說，程序結構設計和數據結構設計是程序設計的主要內容。合理的程序結構不僅決定著應用程序的編程質量，而且還對編程周期、調試周期、可維護性都有很大的影響。2/4/202377計算機控制技術8.4基于嵌入式系統的計算機控制系統一般來講，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。隨著信息化、智能化、網絡化的發展，嵌入式系統的應用得到了廣泛的發展，嵌入式系統已經應用到了信息家電、手持機、環境監測、工業控制等各個領域，本節對嵌入式系統的概念、軟硬件技術以及由其組成的控制系統進行簡要介紹。2/4/202378計算機控制技術8.4.1嵌入式系統概述嵌人式系統概念的由來1976年，Intel公司推出了8048，稱為單片機（SCC，SingleChipComputer）。這個只有1KBROM和64BRAM的簡單芯片成為世界上第一個單片機，開創了將微處理機系統的各種CPU外的資源，如：ROM、RAM、定時器、I/O端口、串行通信接口及其他各種外圍功能模塊集成到單個芯片的時代?，F在單片機已經成為一個十分龐大的家族，許多新出現的單片機也稱為嵌入式微處理器，專門面向嵌入式應用。2/4/202379計算機控制技術針對特定應用、特定功能開發的嵌入式系統，要求該系統與所嵌入的應用環境成為一個統一的整體，并且往往有緊湊、高可靠性、實時性好、低功耗等技術要求。這樣一種應用目標使得這一應用領域要去研究它的獨特的設計方法和開發技術，這就是今天嵌入式系統這一名稱的含義，也是嵌入式系統成為一個相對獨立的計算機研究領域的原因。2/4/202380計算機控制技術2.嵌入式系統的特點(1)（1）專用性強嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統的移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。（2）精簡設計嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力。2/4/202381計算機控制技術2.嵌入式系統的特點(2)（3）系統內核小由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置，系統資源相對有限，所以內核較之傳統的操作系統要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統，內核只有5KB，而Windows的內核則要大得多。（4）嵌入式軟件開發要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統。嵌入式系統的應用程序可以沒有操作系統而直接在芯片上運行，但是為了合理地調度多任務，合理利用系統資源、系統函數以及專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS（Real-TimeOperatingSystem）開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。2/4/202382計算機控制技術（5）為了提高執行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。（6）嵌入式系統開發需要專門的開發工具和環境。由于嵌入式系統本身不具備自主開發能力，即使設計完成以后用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發工具和環境才能進行開發。2/4/202383計算機控制技術3.嵌入式系統的應用領域(1)（1）工業控制基于嵌入式芯片的工業自動化設備具有很大的發展空間，目前己經有大量的8、16、32位嵌入式微控制器應用在工業過程控制、數控機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、石油化工系統等領域。（2）交通管理在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，嵌入式系統技術己經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功的使用。2/4/202384計算機控制技術3.嵌入式系統的應用領域(2)（3）信息家電這將成為嵌入式系統最大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統將大有用武之地。（4）家庭智能管理系統水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，其中嵌有專用控制芯片的智能儀表將代替傳統的人工檢查，并實現更高、更準確和更安全的性能。2/4/202385計算機控制技術3.嵌入式系統的應用領域(3)（5）POS網絡及電子商務公共交通非接觸式智能卡發行系統、公共電話卡發行系統、自動售貨機、各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可行遍天下。（6）環境監測環境監測包括水文資料實時監測、防洪體系及水土質量監測、堤壩安全、地震監測網、實時氣象信息網、水源和空氣污染監測。2/4/202386計算機控制技術（7）機器人嵌入式芯片的發展將使機器人在微型化、高智能方面優勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛的應用。除了以上這些應用領域，嵌入式系統還有其他方面的應用。可以說，嵌入式系統已經進入到現代社會人們生活的方方面面，尤其在控制方面的應用。所以，開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。2/4/202387計算機控制技術8.4.2嵌入式系統的硬件從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU,MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體制造商都開始大規模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經成了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA，品種越來越多，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。根據其現狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：2/4/202388計算機控制技術1.嵌入式微控制器（Micro-ControllerUnit,MCU）嵌入式微控制器芯片內部集成了ROM/EPROM，RAM，總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串口、脈寬調制輸出、A/D,D/A，Flash,EEPROM等各種必要功能接口和外設。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。由于MCU低廉的價格、優良的功能，所以擁有的品種和數量最多，比較有代表性的包括8051,MCS-251,MCS-96/196/296,P51XA以及MCU8XC930/931,C540,C541，并且有支持IC,CAN-BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。2/4/202389計算機控制技術2.嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令執行速度。在數字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。DSP的理論算法在20世紀70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，隨著大規模集成電路技術的發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。2/4/202390計算機控制技術嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。目前流行的嵌入式處理器很多，主要類型有Am186/88，386EX，SC-400，PowerPC，68000，MIPS，ARM/StrongARM系列等。其中ARM/StrongARM是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬于中檔價位。2/4/202391計算機控制技術4.嵌入式片上系統（SystemOnChip,SoC）

片上系統SOC是單一芯片上集成諸如MCU、RAM、DMA、I/O等多個部件，是目前嵌入式應用領域的熱門話題之一。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，只需要使用精確的硬件描述語言，直接生成可以交付芯片生產廠家生產的網表文件。由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，現在許多專用芯片，如手持機、語音、加密等芯片多為SOC芯片。比較典型的SOC產品是Philips的SmartXA。2/4/202392計算機控制技術8.4.3嵌入式系統的軟件嵌入式系統是一個應用系統，它應該是一個硬件和軟件的統一體。而軟件在嵌入式系統中將占有更為重要的位置。嵌入式系統的軟件可以分為系統軟件和應用軟件兩個層次。當應用問題較為簡單時，也許不必有很清晰的軟件分層。2/4/202393計算機控制技術1.主要流行的嵌入式操作系統對于嵌入式系統，它比通用計算機具有更簡單的結構。它很可能不配置CRT顯示器，不需要文件系統，由于內存空間較小也沒有存儲器管理功能。同時，嵌入式系統總是希望加載的操作系統軟件不能占據過大的內存空間，不能消耗過多的系統軟硬件資源。嵌入式系統的操作系統，除了對于縮減PC系統目前仍采用DOS等PC上的流行操作航以外，基本上有兩大趨勢：一類是面向高級單片的，另一類是針對8位、16位單片機。以下是幾個目前流行的嵌入式操作系統。2/4/202394計算機控制技術（1）LinuxLinux已經成為Windows系統問世以來最熱門的操作系統之一。它的開放性使眾多的情開發者為它打造了非常堅實的基礎。同時，它也派生出眾多的類似系統。（2）μCLinuxμCLinux是一個縮減的Linux系統，特別適合于用在不需要內存管理的高級單片嵌入尤系統上。類似于μClinux的Linux操作系統的縮減版本，現在越來越多。相信經過一段時廚的實踐檢驗，會優選出理想的嵌入式Linux操作系統。（3）eCOSeCOS是一個代碼開放的嵌入式操作系統，具有良好的系統功能和應用支持，可以在許多高級單片上運行。2/4/202395計算機控制技術（4）WindowsCEWindowsCE是Windows的嵌入式系統版本，具有類似Windows風格的用戶界面，可以與Windows環境下的軟件很方便地接口。但是，它的代碼是不開放的。（5）VxWorksVxWorks是一個功能完善的嵌入式操作系統，但是它的代碼也是不開放的。（6）RTX5lRTX51是專門針對8051設計的操作系統，代碼緊湊、體積小巧。已經在很多應用中證明這是一個成功的8位單片機的操作系統，代碼完全開放。2/4/202396計算機控制技術（7）μC/OSμC/OS是一個特殊風格的嵌入式操作系統，它有多種版本，可以適應從x86到8051的各種不同類型不同規模的嵌入式系統，代碼開放。但是，它的一些改進版本，開始放棄代碼開放的原則。如果只是針對8051系列構成的嵌入式系統，顯然可以選擇的合適的操作系統只有RTX51和μC/OS等少數幾種。這幾種操作系統主要是由于受到8051本身資源的限制，功能都相對較為簡單。但是，它們開放的源代碼和較小的代碼量，也給嵌入式系統設計者提供了徹底掌握這一操作系統的條件。2/4/202397計算機控制技術2.嵌入式操作系統的功能在操作系統的支持下，應用軟件可以通過操作系統來與硬件打交道。這為嵌入式系統脫離特定的硬件環境提供了條件，也使得軟件的可靠性、安全性增加了。利用操作系統軟件的特權性，可以保證嵌入式系統始終工作在有效控制之下。操作系統的功能主要體現在以下幾個方面。2/4/202398計算機控制技術（1）進程管理進程是一個運行中的程序。在操作系統中，進程具有獨立性。多個進程在操作系統的調度下，分時、并發地運行。這樣的結構，使得軟件的開發可以按相對簡捷的功能模塊分別進行；可以利用一種所謂的信號燈機制，實現各個進程之間的通信，分配進程對各種資源的占用；可以利用進程調度，避免系統陷入死循環或崩潰；可以將進程設置為不同的優先級別，例如系統級或用戶級，來保證系統的安全性。2/4/202399計算機控制技術（2）內存管理內存管理是將計算機的內存分成若干頁面，對各個頁面賦予不同的特性和訪問邏輯地址。利用內存頁的不同特性，可以實現不同的訪問特性。例如，可以為特殊的任務分配特定的內存頁，同時也避免了其他任務侵入這一內存頁。由于內存訪問的實時性，這種頁面的分配是由硬件實現的。一般來說，是依賴于CPU的支持來實現的。2/4/2023100計算機控制技術（3）文件系統管理文件系統是計算機系統的一個特殊組成部分。文件系統將計算機管理的大量數據以特定的結構保存在存儲系統中，這個特殊的數據結構就是文件。文件系統一般建立在外存儲器中，如磁盤、磁帶、光盤等等，以滿足數據容量的要求。但是，在特殊的情況下，文件系統也可以建立在計算機的內存中。2/4/2023101計算機控制技術（4）設備驅動程序在操作系統的管理下，應用程序不必要也不應該與底層的各種設備直接打交道。應用程序可以經過操作系統提供的設備管理手段，即設備驅動程序，來使用系統的設備。設備驅動程序一般包括對設備的初始化，檢查設備狀態，控制設備動作，對設備進行讀寫操作等功能。2/4/2023102計算機控制技術（5）系統調用一個操作系統的各項功能，往往通過一系列應用軟件可引用的程序模塊來實現，稱為系統調用函數或應用編程接口。這些系統調用模塊經過比較嚴格的測試和實用考驗，用它們作為整個應用系統的基礎可以保障系統的穩定性和可靠性。2/4/2023103計算機控制技術8.4.4基于嵌入式系統的計算機控制系統的設計嵌入式系統的主要設計方法（1）仿真器從微處理機誕生至今，開發方式一直沿用的是仿真器技術，即利用一臺仿真器，模擬取代應用系統的部分電路，可能是CPU，可能是程序存儲器，也可能是某幾個部分電路的組合。通過調試主機對取代電路的控制，可以獲得程序運行過程的狀態，可以控制程序運行的走向，從而達到調試的目的。這種開發方式，也較為適用于可以插拔的單片機芯片，對于表面貼裝的芯片往往難以實現仿真器與調試樣機的方便連接。2/4/2023104計算機控制技術（2）BOOTROM這種方式是在嵌入式系統中事先駐留一個ROM引導程序，一般稱為BOOT。開機后首先運行BOOT程序，實現與調試主機的聯機。有的單片機也采用特殊的系統復位啟動過程來激活駐留的BOOT程序。利用BOOT程序，嵌入式系統可以通過經通信接口的下載來獲得系統的全部程序。BOOT程序一般在完成下載任務后，就將系統的控制權交給下載生成的系統程序，并且不再起作用了。BOOTROM方式要求嵌入式系統必須起碼保證能夠運行BOOT程序，能夠實現代碼下載功能，這樣才能保證后續程序調試過程的進行。2/4/2023105計算機控制技術（3）JTAG接口所謂JTAG技術，最初是一種測試技術。它通過一個標準接口，用串行方式來設置和獲得元件的輸入和輸出信號，從而實現對元件初始狀態的控制和運行狀態的判斷。這個標準接口就稱之為JTAG接口，基本引腳有4個。由于巧妙的設計，具有JTAG接口的元件可以將各自的JTAG接口串聯起來，最終的接口引腳仍然是4個。因此，系統內的多個具有JTAG接口的元件，最終可以只用一個4個引腳的JTAG接口來實現全部功能。利用JTAG技術可以實現嵌入式系統的調試，目前常用的方式，往往只需要利用一臺PC作為調試主機，利用PC的打印機接口控制信號，經過邏輯組合來產生直接與嵌入式系統連接的JTAG接口。2/4/2023106計算機控制技術2.嵌入式操作系統環境下的調試開發一個嵌入式系統，與在一個通用微機上的開發工作是不同的。由于硬件及軟件上的不可靠因素，新設計的嵌入式系統往往要經過細致的時序分析來排除硬件故障，這是一項費時費力的開發工作。在嵌入式系統中引入操作系統，為避免這一工作提供了條件。在一個共同的操作系統平臺上，多進程程序設計、團隊式開發組織都成為可能。當引入了操作系統的進程概念，嵌入式系統的應用功能實現就可以分解成許多相對獨立的進程，在操作系統的統一管理下完成系統的應用目標。這些進程的設計、調試可以相對獨立地進行，通過多人的協同作戰來提高開發效率。2/4/2023107計算機控制技術3.目前常用的幾種嵌入式系統設計風格（1）縮減PC系統所謂縮減PC系統，是指利用PC體系結構設計的嵌入式系統，例如利用PCI04模塊構成工業控制裝置就是比較典型的設計。這種設計是建立在技術上已非常成熟的PC的體系結構之上的，它的硬件環境往往是一臺單板化的PC系統。利用DOS或Windows操作系統為應用軟件提供平臺。但是這樣的設計目前尚難以實現滿足小體積、低功耗、低成本等嵌入式系統的常見技術要求。2/4/2023108計算機控制技術（2）高級單片系統所謂高級單片系統，是指那些準備加載Linux操作系統或類Linux操作系統的嵌入式系統。它的硬件構成的核心是一個集成了豐富功能的單一芯片，一般數據寬度往往是32位。它已經包含了幾乎全部的系統硬件，使得只需再增加很少幾個器件，如存儲器芯片，即可構成全部系統。生產高級單片的廠家及型號越來越多，典型的是以ARM或MIPS內核為核心的單片機。采用高級單片的設計，大都取Linux或類Linux操作系統作為系統軟件，向應用軟件提供C語言開發平臺。在Linux操作系統的支持下，系統的可靠性可以得到保證。操作系統帶來的優點可以大大提高系統應用軟件的開發效率。由于Linux的開放性，可以利用的資源也非常豐富。2/4/2023109計算機控制技術（3）單片機系統目前稱之為單片機的，是指一些8位或16位數據寬度、尋址空間較小的芯片。相對來說，它們的處理能力較弱。但是，它們的優點也是不容忽視的，如：低成本、低功耗，片上集成的外圍模塊功能豐富而實用等。在應用需求恰如其分的場合，選擇它們絕對是合理的。單片機的軟件一般應該分為系統軟件和應用軟件。系統軟件處于底層硬件和高層應用軟件之間。但是，單片機的資源有限，設計者必須在系統軟件的功能與構成系統軟件的軟硬件開銷之間，仔細地尋求平衡。2/4/2023110計算機控制技術8.5分散控制系統（DCS）分散型計算機控制系統又名分布式計算機控制系統，簡稱分散型控制系統（DistributedControlSystem即DCS），國內更多的叫做集散控制系統。先進的分散型控制系統將以計算機集成制造系統（CIMS）為目標，以新的控制方法、現場總線智能化儀表、專家系統、局域網絡等新技術，為用戶實現過程控制自動化相結合的管控一體化的綜合集成系統。分散型控制系統采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設計原則。本節將概述DCS的特點、發展趨勢以及其體系結構，讓讀者對DCS有初步的了解。2/4/2023111計算機控制技術8.5.1DCS的分層體系DCS按功能分層的層次結構充分體現了其分散控制和集中管理的設計思想。DCS從下至上依次分為直接控制層、操作監控層、生產管理層和決策管理層，如圖8.13所示。2/4/2023112計算機控制技術圖8.13DCS的層次結構2/4/2023113計算機控制技術1.DCS的直接控制層

直接控制層是DCS的基礎，其主要設備是過程控制站（PCS）,PCS主要由輸入輸出單元（IOU）和過程控制單元（PCU）兩部分組成。輸入輸出單元（IOU）直接與生產過程的信號傳感器、變送器和執行器連接，其功能一是采集反應生產狀況的過程變量和狀態變量，并進行數據處理；二是向生產現場的執行器傳送模擬量操作信號和數字量操作信號。過程控制單元下與IOU連接，上與控制網絡（CNET）連接，其功能一是直接數字控制（DDC）；二是與控制網絡通信，以便操作監控層對生產過程進行監控和操作；三是進行安全冗余處理，一旦發現PCS硬件或軟件故障，就立即切換到備用件，保證系統步間斷地安全運行。2/4/2023114計算機控制技術2.DCS的操作監控層操作監控層是DCS的中心，其主要設備是操作員站、工程師站、監控計算機站和計算機網關。操作員站供工藝操作員對生產工程進行監視、操作和管理。工程師站（ES）供計算機工程師對DCS進行系統生成和診斷維護；供控制工程師進行控制回路組態、人機界面繪制、報表制作和特殊軟件編制。監控計算機站（SCS）用來建立生成過程的數學模型，實施高等過程控制策略，實現裝置級的優化控制和協調控制；并對生產過程進行故障診斷、預報和分析，保證安全生產。計算機網關（CGI）用作控制網絡（CNET）和生產管理網絡（MNET）之間相互通信。2/4/2023115計算機控制技術3.DCS的生產管理層生產管理層的只要設備是生產管理計算機（manufactorymanagementcomputer,MMC）,一般由一臺中型機和若干臺微型機組成。該層處于工廠級，根據訂貨量、庫存量、生產能力、生產原料和能源供應情況及時制定全廠的生產計劃，并分解落實到生產車間或裝置；另外還要根據生產狀況及時協調全廠的生產，進行生產調度和科學管理，使全廠的生產始終處于最佳狀態，并能應付不可預測的事件。計算機網關（CG2）用作生產管理網絡（MNET）和決策管理網絡（DNET）之間相互通信。2/4/2023116計算機控制技術4.DCS的決策管理層決策管理層的主要設備使決策管理計算機（decisionmanagementcomputer,DMC），一般由一臺大型機、幾臺中型機、若干臺微型機組成。該層處于公司級，管理公司的生產、供應、銷售、技術、計劃、市場、財務、人事、后勤等部門。通過收集各部門的信息，進行綜合分析，實時作出決策，協助各級管理人員指揮調度，使公司各部門的工作處于最佳運行狀態。另外還協助公司經理制定中長期生產計劃和遠景規劃。2/4/2023117計算機控制技術目前世界上有多種DCS產品，具有定型產品供用戶選擇的一般僅限于直接控制層和操作監控層。其原因是下面兩層有固定的輸入、輸出、控制、操作和監控模式，而上面兩層的體系結構因企業而異，生產管理與決策管理方式也因企業而異，因而上面兩層要針對各企業的要求分別設計和配置系統。2/4/2023118計算機控制技術8.5.2DCS的硬件結構DCS硬件采用積木式結構，可靈活地配置成小、中、大系統；另外，還可以根據企業的財力或生產要求，逐步擴展系統和增加功能。DCS控制網絡（CNET）上的各類結點數，即過程控制站（PCS）、操作員站（OS）、工程師站（ES）和監控計算機站（SCS）的數量，可按生產要求和用戶需要靈活地配置，如圖8.14所示；另外，還可靈活地配置每個結點的硬件資源，如內存容量、硬盤容量和外部設備種類等。2/4/2023119計算機控制技術圖8.14過程控制站（PCS）的硬件結構2/4/2023120計算機控制技術1.DCS控制站的硬件結構控制站（CS）或過程控制站（PCS）主要由輸入輸出單元（IOU）、過程控制單元（PCU）和電源三部分組成，如圖8.13所示。2/4/2023121計算機控制技術過程控制單元（PCU）是PCS的核心，并且是PCS的基本配置，主要由控制處理器板、輸入輸出接口處理器板、通信處理器板、冗余處理器板組成。控制處理器板功能是運算、控制和實時數據處理；輸入輸出接口處理器板是PCU和IOP之間的接口；通信處理器板是PCS與控制網絡（CNET）的通信網卡，實現PCS與CNET之間的信息交換；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余處理器板承擔PCU和IOU的故障分析與切換功能。上述4快板的物理劃分因DCS而異，可以分為4、3、2塊，甚至合并為1塊。2/4/2023122計算機控制技術輸入輸出單元（IOU）是PCS的基礎，由各種類型的輸入輸出處理板（IOP）組成，如模擬量輸入板（4mA～20mADC,0～5VDC）、熱電偶輸入板、熱電偶輸入板、脈沖量輸入板、數字量輸入板、模擬量輸入板（4mA～20mADC）、數字量輸出板和串行通信接口板等。這些輸入輸出處理板的類型和數量可按生產過程信號類型和數量來配置；另外，與每塊輸入輸出處理板配套的還有信號調整板（signalconditionercard,SCC）和信號端子板（signalterminalcard,STC）,其中SCC用作信號隔離、放大或驅動，STC用作信號接線。上述IOP、SCC和STC的物理劃分因DCS而異，有的劃分為三塊板結構；有的劃分為兩塊板結構，即IOP和SCC合并，外加一塊STC；有的將IOP,SCC和STC三者合并一塊物理模樣，并附有接線端子。2/4/2023123計算機控制技術2.DCS操作員站的硬件結構操作員站（OS）為32位（或64位）微處理機或小型機，主要由主機、彩色顯示器（CRT）、操作員專用鍵盤和打印機等組成。其中主機的內存容量、硬盤容量可由用戶選擇，彩色CRT可選觸屏式或非觸屏式，分辨率也可選擇，一般用工業PC機（IPC）或工作站做OS主機，個別DCS制造廠配專用OS主機，前者是發展趨勢，這樣可增強操作員站的通用性及靈活性。2/4/2023124計算機控制技術3.DCS工程師站的硬件結構工程師站（ES）為32位或64位小型機和高檔微型機，主要由主機、彩色顯示器（CRT）、鍵盤、打印機等組成，其中主機的內存容量、硬盤容量、CD或磁帶機為外部設備均可由用戶選擇。一般DCS的直接控制層和操作監控層的設備（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型產品供用戶選擇，即DCS制造廠為這兩層提供了各種類型的配套設備。惟有生產管理層和決策層的設備無定型產品，一般由用戶自行配置，當然要由DCS制造廠提供控制網絡（CNET）與生產管理網絡（MNET）之間的硬、軟件接口，即計算機網關（CG1）。2/4/2023125計算機控制技術8.5.3DCS的軟件技術DCS的組態軟件DCS的組態功能從廣義范疇講，可以分為兩個主要方面：硬件組態和軟件組態。硬件組組態主要是根據現場的使用要求來確定硬件的模塊化配置，常見的內容包括操作站（工程師站和操作員站）的選擇、現場控制站的配置以及電源的選擇。軟件組態的內容比硬件組態要多得多，一般包括基本配置組態和應用軟件組態。DCS的組態功能是否強大和方便時期能否為用戶接受的重要原因。2/4/2023126計算機控制技術2.DCS的操作軟件一般來講，操作站要完成實時數據管理、歷史數據存儲和管理、控制回路調節和顯示、生產工藝流程畫面顯示、系統狀態、趨勢顯示以及生產記錄的打印和管理等功能，實現這些功能的關鍵就是實時多任務操作系統和數據庫管理。2/4/2023127計算機控制技術（1）操作站的軟件系統都是以實時多任務操作系統為核心

實時多任務操作系統與一般操作系統的最大區別就是實時多任務執行核心，它為計算機硬件和在其上運行的軟件提供了邏輯接口（LogicInterface）以及任務調度、任務間通信、資源管理等功能。它應具有下列實時特征。①異步事件響應②任務切換能力③中斷響應能力④優先級中斷和調度⑤強占式調度能力⑥同步能力2/4/2023128計算機控制技術（2）實時數據庫實時數據是DCS最基本的資源，DCS的實時數據庫是全局數據庫，通常采用分布式數據庫結構，因此，數據庫系統在不同層次上采用的結構不同。在現場控制站上存儲該站所用的各種點記錄的全記錄信息。操作站的實時數據庫由實時數據和管理程序兩部分組成。實時數據部分由數據庫生成軟件生成，通過網絡下載到現場控制站，將各點的完整記錄只存放在現場控制站中，而點值與點狀態等部分信息存放在操作站數據庫中。管理程序負責對實時數據的系統管理（如備份、下載等）以及處理其它任務對實時數據的實時請求，井將其它任務對現場控制站的數據請求轉換成標準格式發送給網絡通信管理任務。2/4/2023129計算機控制技術（3）歷史數據庫為了便于操作人員或工程師對系統各點進行變化趨勢分析以及管理人員對系統進行綜合分析，必須在操作站上建立一個歷史數據庫將一段時間內的歷史數據存儲起來。為了適應不同的用途，歷史數據庫一般要包括以下幾種數據：短時間間隔歷史數據和長時間間隔歷史數據。前者主要用來顯示趨勢曲線用，存儲間隔一般是秒級，而后者主要用來進行長時間的趨勢分析、記錄打印和統計計算。2/4/2023130計算機控制技術（4）網絡通信管理由前面分析知道，DCS實時數據庫是全局、分布式數據庫，操作員站對DCS集中管理和操作的基礎就是系統的網絡通信，它是DCS的關鍵技術之一。DCS對網絡通信的要求可以概括為高可靠性、實時性和靈活性。高可靠性即要求在硬件上高度可靠，同時在軟件上要有較好的容錯能力，即當收到不正確的信息包或有不正確的通信要求時，它能夠自動處理，而不會造成死機。實時性則要求現場控制站的實時數據要及時廣播到操作站，同時，該站對其它站的定向請求要及時實現；靈活性指能夠支持多種數據信息格式的能力。2/4/2023131計算機控制技術8.5.4DCS的特點DCS問世以來，廣泛地應用于工業控制的各個領域。究其原因是DCS有一系列的特點和優點，主要表現在以下6各方面：分散性和集中性自治性和協調性靈活性和擴展性先進性和繼承性可靠性和適應性友好性和新穎性2/4/2023132計算機控制技術8.5.5DCS的發展趨勢傳統的DCS基于模擬儀表，現場信號的檢測、傳輸與控制還是保留了與常規儀表相同的方式，即通過傳感器或變送器檢測物理信號并轉換成標準的4~20mA信號以模擬方式進行傳輸。這種方式在檢測環節方面存在的問題是精度低、動態補償能力差、無自診斷功能；同時由于各DCS開發商生產自己的專用平臺，使得不同廠商的DCS不兼容，互操作性差。近年來，隨著新技術、新器件、新方法、新應用的相互促進，在DCS關聯領域有許多新進展，主要表現在如下一些方面。2/4/2023133計算機控制技術1、開放式系統發展傳統DCS的結構是封閉式的，使得不同制造商的DCS之間不兼容。基于PC機的DCS較好的解決了這一問題，由于PC機具有良好的兼容性、低廉的價格和豐富的軟硬件資源，尤其是OPC（OLEforProcess,Control）標準的制定，大大簡化了I/O驅動程序的開發，并提高了操作界面系統的性能。用戶可以根據自己的實際需要自由地選擇不同開發商的產品，根據各軟硬件廠商的特長，合理分工合作，避免重復開發，大大降低了系統的開發成本。2/4/2023134計算機控制技術2、智能變送器，遠程I/O和現場總線的發展，進一步使現場測控功能下移分散隨著微電子技術和通信技術的發展，過程控制的功能進一步分散下移，出現了各種智能現場儀表。這些智能變送器精度高、量程比寬、重復性好，可靠性高，而且具有雙向通信和自診斷功能，操作使用非常方便，節省安裝費用和工作量，維護工作量也極小。這些智能現場儀表采用現場總線與DCS連接，目前大多沿用HART通信協議。智能遠程I/O也是使I/0處理能力更接近現場的一項措施，諸多遠程I/O也用現場總線與DCS的控制器相連，除作I/0處理外，還具有通信和自診斷功能，并可用手持監視器進行I/0組態，將I/O處理功能下移。2/4/2023135計算機控制技術3、DCS、PLC、FCS相互滲透融合近年來，由于微電子學、信息科學和控制技術在工業控制領域得到深入廣泛的應用，DCS，PLC，FCS正在相互滲透、融合地發展，相互補充又相互轉化，趨向于形成數字化、模塊化、網絡化的分布式控制系統的較廣泛的領域，都使用數字技術，采用模塊化結構，如操作站/工作站、基本控制單元，應用運算模件、分布式I/O、（智能）現場儀表，通過現場總線、控制局域網/數據總線和系統網絡（