[互联网]1、教程绪论.ppt

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1、自动化综合应用技术,自动化综合应用技术是为适应工业控制自动化的飞速发展而设置的专业技术课程，是直接面向自动化工程应用的技术。,教学目的,教学内容,自动化综合应用技术将当前最新的自动化硬件技术和应用软件技术有机的结合起来，充分利用现有的成熟的应用技术资源，搭建一个面向自动化应用技术的快速集成平台。使学生对当前的自动化技术有一个较全面的认识，这样可使学生缩短未来适应技术岗位的过渡过程,教学要求与成绩考核,1 严格按教学进程要求完成相应工作。,2 考核分为三部分(1)日常教学考核如作业、课堂练习等其它；(2)实践环节考核，该部分包括教学进程中的 实验与学期末的实验操作考核；(3)期末笔试考核。,教学

2、进度安排,第一讲 绪论 一 次讲课第二讲 电气工程识图案例教学 一次讲课第三讲 嵌入式控制器技术专题 一次讲课第四讲 变频器应用技术专题 二次讲课 一次实验操作第五讲 触摸屏应用技术专题 一次讲课 一次实验操作第六讲 西门子S7-300PLC应用技术专题 二 次讲课第七讲 工业控制微型计算机（IPC）一次讲课第八讲 工业控制组态软件应用专题 二次讲课 一次实验操作第九讲 复习讨论第十讲 操作考核,教学参考资料,自动控制综合应用技术 魏克新 机械出版社工业控制计算机组成原理 孙廷才 清华大学出版社PC总线工业控制系统精粹 凌澄 清华大学出版社工业控制计算机系统的设计与应用 燕永田 中国铁道出版社

3、工业控制计算机系统的发展及应用 冶金出版社VFD-M台达变频器使用手册（补充）EasyBuilder500使用手册（补充）MCGS通用版应用手册（补充）S7-300PLC应用技术相关手册（补充）,教学参考资料,网站资源：www.Mwww.FPGA 及 www.PLDWWW.EVIEW.CN,第一讲 绪论,教学目的,教学时间 2学时,教学关键问题索引,教学考核要求,教学过程,教学流程,第一讲,教学目的,第一讲 绪论,2 了解现代工业自动化应用系统的基本组成,3 掌握工业控制计算机的分类与典型应用,4 了解掌握工业控制计算机的发展趋势,1 总体把握课程的教学目的与教学要求,教学考核要求,第一讲 绪

4、论,了解自动化应用技术发展概况掌握工业控制机控制系统广义定义掌握工业控制机控制系统的分类认知工业控制计算机系统的特点了解计算机集成制造系统CIMS的概念掌握工业控制计算机的分类,教学过程,第一章 绪论,第一节 自动化应用技术的现状与发展趋势简述,工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。,工业控制自动化技术的概念：,工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础

5、自动化和过程自动化。,工业控制自动化技术按功能分为三个层次技术,1.1.1 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流,20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机（简称工业PC）的发展，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。,传统的自动化系统，基础自动化部分基本被PLC和DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的费用较高。,由于基于PC的控制器被证明可以像PLC一样可靠，并且被操作和维护人员接受，所以，一个接一个的制造商

6、至少在部分生产中正在采用PC控制方案。基于PC的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC控制系统维护成本低。,由于可编程控制器（PLC）受PC控制的威胁最大，所以PLC供应商对PC的应用感到很不安。事实上，他们现在也加入到了PC控制“浪潮”中。,1.1.2 PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展,长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。,微型化、网络化、PC化和开

7、放性是PLC未来发展的主要方向。在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型PLC（小于32 I/O）已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC（Soft PLC）控制软件的进一步完善和发展，安装有软PLC软件和PC-based控制的市场份额将逐步得到增长。,当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，PLC也不例外。现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口。可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。,1.1.3 面向测、控、管一体化设计的DCS系统,集散控制系统DCS（Distributed C

8、ontrol System）问世于1975年，生产厂家主要集中在美、日、德等国。,我国从70年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。80年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了研制国产化DCS的技术攻关。,小型化、多样化、PC化和开放性是未来DCS发展的主要方向。目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、工业PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先与这三种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。PC-based控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制，各

9、DCS厂商也将纷纷推出基于工业PC的小型DCS系统。开放性的DCS系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。,1.1.4 自动化控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展,由于3C（Computer、Control、Communication）技术的发展，过程控制系统将由DCS发展到FCS（Fieldbus Control System）。FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（Field Device）中。,基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取

10、代现场一对一的4(20mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。,根据IEC61158的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。,2000年初公布的IEC61158现场总线国际标准子集有八种，分别为:,类型1 IEC技术报告（FFH1）；类型2 Control-NET（美国Rockwell公司支持）；类型3 Profibus（德国Siemens公司支持）；类型4 P-NET（丹麦Pr

11、ocess Data公司支持）；类型5 FFHSE（原FFH2）高速以太网（美国Fisher Rosemount公司支持）；类型6 Swift-Net（美国波音公司支持）；类型7 WorldFIP（法国Alsto公司支持）；类型8 Interbus（美国Phoenix Contact公司支持）。,现场总线的概念,目前在各种现场总线的竞争中，以Ethernet为代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。其关注的焦点主要集中在两个方面：,采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，

12、符合工业控制系统的技术发展趋势。,(1)能否出现全世界统一的现场总线标准；(2)现场总线系统能否全面取代现时风靡世界的DCS系统。,除了IEC61158的8种现场总线外，IEC TC17B通过了三种总线标准：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN标准。其中Device NET于2002年10月8日被中国批准为国家标准，并于2003年4月1日开始实施。,1.1.5 仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化 方向发展,目前，我国高档、大型仪器设

13、备大多依赖进口。中档产品以及许多关键零部件，国外产品占有我国市场60%以上的份额，而国产分析仪器占全球市场不到千分之二的份额。,1.基于现场总线技术的全开放分散控制系统及智能仪表；2.新型传感器；3.智能化工业控制部件与执行机构；4.环境与污染源监测仪器及自动监测系统；5.城市污水处理利用成套工艺设备中的仪表自动化控制系统；6.炼钢转炉煤气净化回转成套装置中的仪表自动化控制系统。,仪器仪表行业“十五”规划，确立了6项高技术产业化项目：,*仪器仪表向智能化方向发展，产生智能仪器仪表；*测控设备的PC化，虚拟仪器技术将迅速发展；*仪器仪表网络化，产生网络仪器与远程测控系统。,今后仪器仪表技术的主要

14、发展趋势：,1.1.6 数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展,从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了51年的历程。近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。,目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型：,1.传统数控系统；2.“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统；3.“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统；4.SOFT型开放式数控系统。,*新一代数控系统向PC化和开放式体系结构方向发展；*驱动装置向交流、数字化方向发展；*增强通信功能，向网络化发展；*数控系统在

15、控制性能上向智能化发展。,国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：,*向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展；*向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展；*向PC-based化和开放性方向发展；*出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟 制造的方向发展。*信息技术（IT）与机床的结合，机电一体化先进 机床将得到发展。*纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破。*节能环保机床将加速发展，占领广大市场。,智能化、开放性、网络化、信息化成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势：,1.1.7 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展,无线局域网（Wireless LAN）技术可以非常便捷地以

16、无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。,在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485。,无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力,1.1.8 工业控制软件正向先进控制方向发展,自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件

17、已有20年的发展历史。工业控制软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。,工业控制软件主要包括人机界面软件（HMI），基于PC的控制软件以及生产管理软件等。,作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。在此基础上，工业控制软件将从人机界面和基本策略组态向先进控制方向发展。,先进过程控制APC（Advanced Process Control）目前还没有严格而统一的定义。一般将基于数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为先进过程控制策略。如：*自适应控制；*预测控制；*鲁棒

18、控制；*智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络）等。由于先进控制和优化软件可以创造巨大的经济效益，因此这些软件也身价倍增。,小结：,工业控制自动化技术的概念,工业控制自动化主要包含三个层次，基础自动化、过程自动化和管理自动化.。,1、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流,2、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展,3、面向测、控、管一体化设计的DCS系统,4、自动化控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展,5、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展,6、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展,7、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展,8、工业控制

19、软件正向先进控制方向发展,自动化应用技术的现状与发展趋势：,工业控制自动化技术的发展的基础是工业控制计算机技术的发展,1.2.1 工业控制计算机发展简介,近十多年来，计算机硬件性能的提高及价格的下降使得计算机在工业生产过程中得到了广泛应用，并且出现了利用计算机网络技术、分布式数据库、通讯技术等将整个工业生产过程连接起来的计算机集成自动化系统。计算机技术在工业自动化中的重要应用成果，促进了工业控制计算机的迅速发展。,第二节 工业控制计算机概述,1.50年代至60年代初为工业控制用计算机的开创时期；,2.60年代末至70年代为系列化小型、专用工业控制计算机的 发展时期；,3.70年代中期后，以微型

20、计算机为基础的工业测控系统和 以 PLC为代表的现场控制器获得了迅速的发展和应用；,4.80年代中后期是工业控制微型计算机（IPC）控制总线的 发展时期。如S100总线、MultiI、II总线，WME总线 STD总线以及IBM PCXT、AT总线等；,5.90年代初是一体化的智能控制发展时期。即采用微电子 技术，实现机电一体化，计控一体化，人机一体化和智能 机器人等先进技术，实现工业控制的高速化发展；,6.21世纪将是以网络为媒介的集成自动化时代。,工业控制计算机的发展大致可分为以下几个阶段：,1.2.2 工业控制机控制应用系统发展分析 一 开创时期,1、计算机在过程控制中的应用,计算机在20

21、世纪50年代，用于测控系统之中。当时，主要着重研究数字计算机在导弹和飞机测控方面的应用。,研究表明，把当时已有的通用数字计算机用于测控系统并没有什么潜力，因为那时的计算机体积大、耗能高，可靠性差。,50年代中期，数字计算机开始用于过程控制，标志性的工作始于1956年。当时美国THOMSON和TEXAS公司联合提出了一个可行性研究报告，决定针对得克萨斯州(Texas)的Port Arthur炼油厂的一台聚合装置进行研究，设计出了一台采用TRW300计算机的聚合装置计算机测控系统。这一系统于1959年投入运行，它控制26个流量，72个温度，3个压力和3个成份。系统的基本功能是使反应器的压力最小，确

22、定5个反应器供料最佳分配，根据催化剂性能的测量结果控制热水的流入量，以确定最佳循环。这是世界上最早成功使用的数字计算机工业测控系统。,2、计算机应用研究初见端倪,TRW公司和TEXAS公司的开创性工作，在计算机应用方面开辟了一个新的研究领域，工业界看到了计算机在提高生产自动化程度上的潜在力量；研究机构也看到了一个新的研究领域，纷纷着手研究，而研究的重点是适于过程控制的计算机,3、计算机控制技术广泛兴起,1962年，英国的帝国化学工业公司(ICl)制造出一套以Ferranti ArGus计算机为中心的过程控制系统。它可以直接测量224个过程参数并控制129个阀门，是一种新的测控系统。它用数字技术

23、代替了原有的模拟技术，而系统的功能却保持不变，直接数字控制(DDC)技术制造简单，通信方便，而且容易实现不同回路间的相互作用,4、计算机控制局限性,这个时期的计算机系统速度慢、价格贵、可靠性差，远远不能满足工业测控系统的需要，加之体系结构方面存在的问题，使用起来很不方便。所以，工业测控计算机系统一直未能迅速推广应用。然而，在计算机技术方面的研究工作进展却十分迅速，在有关采样周期的选择、控制算法及可靠性技术等方面的研究有了较大进展。,二 小型工业控制计算机系统发展时期,当时，计算机测控系统中使用16位字长的小型计算机，如CDC1700、PDP11以及NOVA等机型。这个时期，计算机测控系统迅速推

24、广应用的重要因素是计算机体积小、速度快、可靠性高、价格便宜。因此，小型工程项目和课题都有可能采用计算机测控系统。由于小型机的出现，系列化小型工业控制计算机系统、CNC 数控装置、小型可编程控制器获得了发展。,60年代，随着电子工业的飞速发展，数字计算机技术取得了军大进展，以计算机为中心的测控系统迅速发展并推广应用。,1、电子技术的发展促进了计算机的应用,小型计算机仍然是一个相当大的系统，尽管计算机的性能不断提高，价格持续下降，但是计算机测控系统的广泛推广应用仍然是很困难的事情,1971年后，由于微电子技术的发展，大规模、超大规模集成电路和微处理器的发明，为工业测控计算机系统的飞速发展和广泛应用

25、打下了坚实的基础。,此后，特别是进入70年代中后期，采用微处理器的各种工业控制装置，如微型计算机程控装置；数字信号处理技术和信号处理机等相继问世并迅速发展，推动了传统工业的技术改造和新兴工业的迅速发展,三 工业微型计算机测控系统发展时期,2、应用特点,当时，工业测控计算机系统有一个鲜明的特点，即采用开放式结构和总线(BUS)系统，如S100总线、MultiI、II总线、VME总线、STD总线以及IBM PCXT、AT总线等。,3 标准化与专用化,80年代初期，单回路调节器研制开发成功，小型分散型控制系统得到进一步发展，光纤通信技术引入分散型控制系统的数据公路，微型可编程控制器及快速通信系统研制

26、成功。,1976年IEC着手研究制定Prowocy(过程数据公路)标准规程，提出了规程草案。后来又出现了MAP标准，为分散系统的发展奠定了良好的基础。,四 网络技术与工业控制机的结合,从近年来国外工业控制的发展看出：控制技术的发展和微处理器的广泛应用，给工业控制计算机的发展带来的深刻影响，分布式体系结构和集中式体系结构互为补充，工业控制局域网络成为工业控制计算机系统发展的主要方向，分散控制系统和工业微型计算机测量与控制系统成为代表产品被广泛应用。过程控制与管理有机结合，发展控制与管理集成系统,工业控制计算机一方面仍以大系统和分散对象应用为主，采用分布式系统结构；继续发展分散型控制系统；另一方面

27、为适于工业过程、科学实验和测量自动化，发展了适合中低层应用层次需要的工业测量与控制系统。后一类系统大都采用开放式系统设计思想，充分考虑了数据采集、处理、控制等方面的要求，在继承集中式体系结构的基础上进行联网。,五 通用自动化控制组态软件技术的发展,集成自动化技术（软件）使现今的自动化更具有灵活性、完整性、经济性和安全性，而且为将来的工厂信息集成和自动化系统提出了新的结构。,工业控制组态技术在现代自动化企业中应用日益广泛，它使得工业自动化过程完全可视化，及具透明性，使控制系统集成更加简易方便。,目前应用比较广泛的如：国外的INTOUCH、FIX、WINCC、LOGVIEW；以及国内众多自动化集成

28、商开发研制的如北京亚控的组态王，西安协同的SYNALL，北京中泰MCGS等等。,可见组态技术日益成为自动化应用技术的热点问题。工业控制组态技术可以说是集成了计算机的软，硬技术的综合技术，它为自动化工程人员提供了快速系统集成的一个操作平台。目前，消化吸收国内外的组态技术，并应用到自己的自动化工程中，使之转化为生产力应是每一个自动化工程人员的当务之急。,1.2.3 工业控制计算机与工业自动化,工业控制计算机的出现和发展是工业生产发展的需要，是工业自动化技术发展的趋势。,现代化的工厂设备，主设备性能提高，生产工艺更趋复杂加之现代控制理论的发展，都要求有更完善的自动控制手段和工具以实现复杂的控制过程。

29、例如，完成前馈、超前以及非线性控制等。微电子技术的飞速发展与普及应用，使模拟仪表系统与数字系统装置联用的条件逐渐成熟。工业控制算机正是在这种背景下迅速发展起来的。,1、计算机技术促进了工业自动化技术的发展,特别是计算机技术在传统产业中广泛应用，能够大幅度提高产品性能和可靠性，增加产品的更新换代能力和速度，节能降耗，促进生产的柔性化和集成化，这将改变各部门的技术装备面貌，进而促进产品和产业结构、生产方式和管理体制的重大变化。由于这种技术和经济的双重需要，使得现代化大工业生产自动化技术工具成为工业设备中非常重要的组成部分。,工业控制计算机进入工业控制领域后，为工业生产的过程控制与管理决策相结合创造

30、了条件，从而使工业自动化从就地控制、集中控制的基础上向综合自动化、集成化生产自动化发展。,2 自动化技术的发展促进了社会生产力的发展,第三节 工业控制机控制系统的组成,工业控制机控制系统可定义为以计算机为核心、以网络传输为基础（媒介）的实时检测与控制系统。系统主要组成部分有现场传感器、信号传输、信号处理、接口模板部分、控制主机、网络设备、监控主机和相应软件系统等。,1.3.1 工业控制机控制系统概念,一、工业控制机控制系统广义定义（集成自动化概念）,计算机控制各种现场信号的数据采集、处理并完成状态变量或过程变量的控制，以形成自动检测与控制。（见次页图示）,典型工业控制机控制系统图示（集成自动化

31、）,二、工业控制机控制系统的分类,工控机系统的分类有多种分法.按控制机参与控制的方式可分为：检测与数据处理、直接数字控制、计算机监控、分级分布控制、集成自动化控制等；,按调节规律可分为：程序控制、顺序控制、PID控制、前馈控制、最佳控制、自适应控制、自学习系统、智能控制系统；,按生产过程的连续性可分为：连续生产过程的计算机控制、离散生产制造过程计算机、混合生产过程计算机控制；,按系统构成本身可分为有单机型和多机型两种，多机型又可划分为集中型和分散型,1、检测与数据处理,(一)按控制机参与控制的方式,2、直接数字控制DDC（direct digital control),3、计算机监视控制SCC

32、(supervisory computer control),4、分级分布控制系统DCS（Distributed Control System）,5、计算机集成制造系统CIMS,我国863计划CIMS主题专家组认为：“CIMS是未来工厂自动化的一种模式。它把以往企业内相互分离的技术(如CAD、CAM等)和人员，通过计算机有机地综合起来，使企业内部各种活动高速度、有节奏、灵活和相互协调地进行，以提高企业对多变竞争环境的适应能力，使企业经济效益持续稳步地增长。”,CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的缩写，译为计算机集成制造。这一概念最早由美国的约瑟夫哈林

33、顿博士于1973年提出。,1991年日本能源协会提出：“CIMS是以信息为媒介，用计算机把企业活动中多种业务领域及其职能集成起来，追求整体效益的新型生产系统。”,（二）按调节规律分,1 程序控制 2 顺序控制3 PID调节 4 前馈控制5 最佳控制 6 自适应控制 7 自学习系统 8 智能控制系统,（三）按生产过程的连续性划分,1 连续生产过程计算机控制 2 离散制造过程计算机控制 3 混合生产过程计算机控制,（四）按系统构成本身可分为有单机型和多机型两种,1单机型(1)单回路调节器:有单回路或多回路智能调节器(控制器)；(2)PLC可编程序控制器:它采用单台PLC控制器执行顺序控制功能；(3

34、)DAS数据采集器:它采用工控机进行数据采集：(4)DDC直接数字控制:它采用工控机进行直接PID等控制：(5)批量控制器:它完成连续控制和顺序控制。,2分散型控制系统(DCS)(1)单回路分散型控制系统 它是通过通信网络把多台单回路控制器连接起来，并由一台监控机实施监控。单回路控制器完成各自的控制功能，监控机监视各工作状态、画面显示，并下载控制命令传送给控制器。该系统可靠性高，使用方便。(2)PLC分散型控制系统 它采用多台PLC控制器实现现场级控制，一台监控机作监控用，并用通信网络(通常采用RS422或RS485)连接。(3)IPC分散型控制系统 现场控制级采用多台工业PC构成各种功能的控

35、制站，显示操作站由高性能IPC构成，并通过局域网络连接。(4)仪表型分散型控制系统 指传统的仪表厂家生产的DCS控制系统。,1.3.2 工业控制计算机系统的特点,(1)计算机直接控制现场信号的采集和控制输出。(2)工业控制计算机系统具有较高的实时性，即它应对现场状态的变化或操作请示在确切的时间内作出响应。(3)工业控制计算机对恶劣的工作环境有较强的适应能力。(4)工业控制计算机系统有较高的可靠性。(5)速度快、效率高。在接收和处理现场信号时，无需外部通信信道和中间转换环节。(6)成本低、体积小。(7)过程部分的IO直接成为计算机相应的IO接口，用计算机指令即可直接操作。,工业控制计算机系统有以

36、下特点：,1.3.3 工业控制计算机系统的体系结构,专用型一般采用嵌入式，主要应用于智能化仪表和家用电器设备中。有些专用系统也可应用于较大型的生产设备中，但其功能较专一，如数控机床用的计算机系统。专用型计算机控制系统多采用单片机作处理机，这类系统的生产批量通常很大。,1 硬件体系2 软件体系,由于工业过程本身包罗万象，五花八门，发展起来的工业控制计算机系统也是多种多样的，功能上千差万别。按其用途，工业控制计算机系统可以分为专用型和通用型两种。,通用型工业控制计算机系统的硬件一般采用模块化结构，配置灵活，大小伸缩方便，软件上也多采用组态方式，所以这类系统可适用于不同的生产过程对象。,1.3.4

37、工业控制计算机系统结构的现状,工业控制计算机的体系现状表现出以下特点：,(1)低档次的微型计算机并没有被高档次32位处理机所取代，而是在降低价格、提高性能和可靠性方面做了大量工作。特别是由单片机所组成的专用微处理机控制系统广泛地应用于家电控制和一些专用单元控制器中。,(2)集成电路工艺技术大大提高，芯片的集成度也大大提高，几个芯片可以完成过去十几个芯片的功能。(PLD、DSP、ESP),(3)PC总线(AT总线)广泛地应用于工业控制中。随便翻开一期专业的控制杂志，都会发现大量的工业PC机软件、硬件广告或文章。,1.3.4 工业控制计算机系统结构的现状（续）,(4)分布式工业控制计算机系统已普遍

38、得到人们的接受，而且已发展成熟。,(5)工业控制组态软件日臻完善。不仅过去的工业控制系统制造厂家在改进自己的软件，出现了许多专门设计开发和推广纯控制软件的公司。他们尽力使软件符合开放式结构，利用较通用的实时多任务操作系统，如实时UNIX或其它移植性强的操作系统，在PC机上开发工业控制软件包。例如Intel公司也推出了可以在PC机上运行的实时操作系统版本。,第四节 工业控制计算机的分类与应用特点,工业控制计算机系统包括硬件和软件两部分。硬件方面包括主机、外部设备以及与被控对象相联系的过程输入输出设备和人机接口设备；软件方面包括适应工业控制的实时系统软件、通用应用软件和专用软件。,141 相关概念

39、,工业控制计算机应用系统（见前述概念）,工业控制计算机系统 工业环境中的工业控制计算机应用系统，除去被控对象、检测仪表和执行器外，其余部分可以叫做工业控制计算机系统。,工业控制计算机基本系统 不包括过程输入/输出设备和人机接口设备部分,典型的工业控制用计算机系统如图所示,工业控机应用系统(单机)与计算机系统的关系图示,工业控机应用系统,1.4.2工业控制计算机的分类,按其结构和功能可以简单分为通用控制计算机和专用计算机。通用计算机包括诸如单片机、ESP、DSP、PLD、PLC可编程序控制器、IPC工控机等；专用控制机包括如回路调节控制器、变频器、软启动器等。,通用机需接外围器件构成控制系统，而

40、专用机则可直接用于控制对象的控制。,广义而言，工控机是指内置微处理器及其附属功能部分，用以实现工业控制用的计算机。,一、通用控制计算机简介,1 单片机（SCM-Single Chip Microcomputer/Microcontroler)2 数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processing）3 可编程逻辑器件(PLD-Programmab1e Logic Device)4 可编程逻辑控制器(PLC-Programmab1e Logic Control)5 工业控制计算机(IPC-Industry Personal Computer）,嵌入式控制器（EP-Embed

41、ded Processor）概念,1、单片机（SCM-Single Chip Microcomputer）,单片机(SCMSingle Chip Microcomputer)也称微型控制器(micro-controller)。它本身就是工业控制机，是专为实时控制设计而制造出来的VLSI芯片。这种芯片多采用低功耗高速CMOS工艺，片内集成度高。处理器、存储器、各种IO功能、定时、多中断源、通信都集成在一块芯片内。,数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，

42、数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。,2、数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processing）,3 嵌入式系统控制器（EP-Embedded Processor）,嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统控制器（计算机）可以分成下面几类：嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)嵌入式微控制器(Micro Controller Unit,MCU)嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal

43、Processor,EDSP)嵌入式片上系统(System On Chip),4、可编程逻辑器件(PLD-Programmable Logic Device),PLD能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能 基于数字逻辑的器件技术，用于完成逻辑控制功能。广泛用于逻辑控制系统，如数控机床等。,包括：现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD),5、可编程逻辑控制器 PLC-Programmer Logical Controller,可编程序控制器

44、是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。,PLC图示,欧姆龙CQM1H系列,欧姆龙C200H系列,欧姆龙CQM1H系列组网连接,欧姆龙CPM2A系列,S7-PLC图示,6、工业PC机(IPC-Industry Personal Computer）,用于工业控制的计算机称为工业控制计算机。简称IPC。它由计算机和过程输入输出（I

45、/O）通过两大部分组成。计算机是由主机、输入输出设备和外部磁盘机等组成。在计算机外部增加一部分过程输入/输出通道，用来完成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处理；另一方面将计算机要行使对生产过程控制的命令、信息转换成工业控制对象的控制变量的信号，再送往工业控制对象的控制器去。由控制器行使对生产设备运行控制。,工业PC的特点：,(1)可靠性高(2)实时性好(3)环境适应性强(4)过程输入和输出配套较好(5)系统扩充性好(6)系统开放性(7)控制软件包功能强(8)系统通信功能强(9)后备措施齐全(10)具有冗余性,二、专用控制机简介,2、变频器：变频器是一种静止的频率变换器，可将配电网电源的50

46、Hz恒定频率变成可调频率的交流电，作为电动机的电源装置，当前国内外使用较为普遍。使用变频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率。本节主要介绍变频器的类型、原理、特点、构成、质量及可靠性，为学生选用变频器有个基本了解。,1、回路调节器：回路调节器(PID-Proportional Integral Differential)是一个简单的计算机闭环控制系统，即直接数字控制(DDC)系统。控制规律采用模拟量的PID调节规律，用以实现单一或若干或若干回路的控制。它主要由模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)、开关量输入(DI)、开关量输出(DO)、CPU、存储器、键盘和各种接口组成。,3、其它：如软启动

47、器等,1.3.4 计算机集成制造技术（CIMS）,第五节 工业控制机的应用分析,1.3.1 单机应用,1.3.2 多机组网,1.3.3 管控一体化,图例,Profibus DP,Process MonitoringDevice(DP-Slave),F-Host/F-PLC(DP-Master),Standard-I/O(DP-Slave),F-E/A(DP-Slave),Standard-Host/PLC(DP-Master orDP-Slave),F-Device(DP-Slave),F-Field device(PA-Slave),DP/PA,F-Gateway,anothersafety bus,Repeater,Segment A,Segment B,END,