第8章典型计算机控制系统简介.ppt

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1、2023/5/14,计算机控制技术,1,第8章 典型计算机控制系统简介,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PLC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；现场总线控制系统;计算机集成制造系统。,2023/5/14,计算机控制技术,2,8.1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控制。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

2、前在工业上用得比较多的一类系统。,2023/5/14,计算机控制技术,3,8.1.1 PC总线的工业控制机简介,工业个人计算机Industrial Personal Computer（简称IPC）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。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IPC的性能可靠、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。,2023/5/14,计算

3、机控制技术,4,工控机示意图,西门子工控机,研华工控机,2023/5/14,计算机控制技术,5,1.工业PC的结构,工业控制机的典型结构如图8.1所示，主要有以下几部分组成。,图8.1 工控机典型结构图,全钢机箱无源底板工业电源CPU卡其他配件,下一页,2023/5/14,计算机控制技术,6,CPU板,返回,2023/5/14,计算机控制技术,7,无源底板,返回,2023/5/14,计算机控制技术,8,2.工业PC的特点(1),专门为工业工程控制现场设计的工业PC机有以下特点：支持各种模块化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT总线接口板。所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化插

4、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紧，防止震动引起的接触不良。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。,2023/5/14,计算机控制技术,9,2.工业PC的特点(2),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。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。可内装电子

5、盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速高可靠性。,2023/5/14,计算机控制技术,10,3.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工控机：工控机的生产厂家很多，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。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。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。,2023/5/14,计算机控制技术,11,8.1.2 基于PC总线的板卡简介,

6、基于PC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（A/D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、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，。下面以研华PCI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。,2023/5/14,计算机控制技术,12,1.模拟量输入板卡（A/D卡）,基于PC总线的A/D板卡是基于PC系列总线，如ISA、PCI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。

7、板卡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，缓冲器的大小也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，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用的A/D转换芯片决定。,2023/5/14,计算机控制技术,13,例如研华PCI-1710数据采集卡，如图8.2所示。该板卡具有32路单端或16路差分模拟量输入或组合方式输入等三种输入方式，它带有 2500 VDC 隔离保护；采用12位A/D转换器，采样数率可达100kHZ；板载4K采样FIFO缓冲器；每个输入通道的增益可编程。,图8.2 研华PCI-1713数据采集卡,2023/5/14,计

8、算机控制技术,14,2.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转换，D/A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。,2023/5/14,计算机控制技术,15,例如研华PCI-1720模拟量输出卡，如图8.3所示。PCI-1720 提供了四个用于 PCI 总线的 12 位隔离数字量到模拟量输出。它是过程控制、伺服控制和可编程电压源最好的解决方案。由于能够在输出和 PCI 总线之间提供 2500 VDC 的隔离保

9、护，PCI-1720 非常适合需要高电压保护的工业场合，该板卡具有4路输出通道。,图8.3研华PCI-1720模拟量输出卡,2023/5/14,计算机控制技术,16,3.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，输出通道需要有输出锁存器和输出驱动器。,2023/5/14,计算机控制技术,17,例如研华PCI-1760光隔开关量输入输出卡提供了8路数字量输入通道和8路继电器输出通道。与传统卡比较，PCI-1760 为每个数字量输入通道增加了可编程的数字滤波器。此功能使相应输入通道的状态不会更新，直到高/

10、低信号保持了用户设定的一段时间后才改变。这样有助于保持系统的可靠性。,图8.4 PCI-1760数字量输入输出卡,2023/5/14,计算机控制技术,18,4.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。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。,2023/5/14,计算机控制技术,19,例如研华PCI-1780计数/定时卡，如图8.5所示，是

11、基于PCI总线设计的接口卡，该卡使用了AM9513芯片，能够通过CPLD实现计数器/定时器功能，此外，该卡还提供8个16位计数器通道，该卡具有8通道可编程时钟资源，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz，多种时钟可以选择，可编程计数器输出，计数器门选通功能。,图8.5 PCI-1780 8通道定时/计数卡,2023/5/14,计算机控制技术,20,8.1.3 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、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，然后经变送器把它们统一变换成420mA的电信

12、号,经过模数转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PID规律）进行计算，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I/O接口送往输出通道，形成闭环控制。,2023/5/14,计算机控制技术,21,1.组成（1）,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。（1）硬件部分 控制计算机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。,2023/5/14,计算机控制技术,22,1.组成（2

13、）,I/O通道输入输出（I/O）通道在计算机控制系统中，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，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号，而且能实时地准确地对驱动元件进行控制。,2023/5/14,计算机控制技术,23,1.组成（3）,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等开关型元件来完成，通过这些元件向计算机输入开

14、关量电信号。,2023/5/14,计算机控制技术,24,1.组成（4）,输出驱动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行。,2023/5/14,计算机控制技术,25,1.组成（5）,人机接口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，是计算机控制系统中必不可少的部分，主要由键盘、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、运行过

15、程的统计等。,2023/5/14,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。,2023/5/14,计算机控制技术,27,2.特点,基于PC总线的计算机控制系统是一个典型的DDC系统，因此它具有以下特点：（1）时间上具有离散性计算机DDC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

16、，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。,2023/5/14,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，为此，该类系统采用“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。,2023/5/14,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。操作者通过输入设备向计算机送入控

17、制命令，计算机系统则通过输出设备送出有关信息。一般的计算机DDC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、打印机、控制键盘、越限报警装置等。,2023/5/14,计算机控制技术,30,（4）控制方案灵活,对于一个模拟系统，控制算法是由硬件实现的，硬件确定后控制算法也就确定了，而计算机DDC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，计算机DDC系统具有价格优势，路数越多，这种优势越明显。,2023/5/14,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回路，所以一

18、旦计算机的软件或硬件出现故障将会使整个系统瘫痪。DDC系统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，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。,2023/5/14,计算机控制技术,32,8.2 基于数字调节器的计算机控制系统,2023/5/14,计算机控制技术,33,8.2.1 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

19、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。,2023/5/14,计算机控制技术,34,1.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种类型：（1）定程序控制器 制造厂把编好的程序固化在控制器的ROM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和通用的生产过程。（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。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，对使用者要求较高。,2023/5/14,计算机控制技术,35,1.

20、数字调节器的分类（2）,（3）混合控制器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艺中，但不如这种经济方便。（4）批量控制器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，特别为周期性工作设计。,2023/5/14,计算机控制技术,36,2.数字调节器的结构,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定，因此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，可以实现不同的控制功能。,2023/5/14,计算机控制技术,37,(1)数字调节器的硬件部分,图8.6

21、数字调节器的硬件电路,2023/5/14,计算机控制技术,38,(2)数字调节器的软件,数字调节器器的软件分为系统程序和用户程序两大部分。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。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。,2023/5/14,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

22、序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作。,2023/5/14,计算机控制技术,40,3.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,2023/5/14,计算机控制技术,41,8.2.2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，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（DDC）回路。另外，由于数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。这样多台数字调节器与上

23、位机一起就可以构成一个中小型的DCS控制系统。,2023/5/14,计算机控制技术,42,数字调节器可以与上位计算机一起组成中小型DCS控制系统。数字调节器实现回路控制，构成独立的DDC控制，多个数字调节器控制的许多回路都与上位机进行通讯。这种类型的控制系统可如图8.7所示。,2023/5/14,计算机控制技术,43,8.3 基于可编程控制器的计算机控制系统,可编程控制器（PLC）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、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因而在工

24、业生产过程控制中得到了广泛的应用。,2023/5/14,计算机控制技术,44,8.3.1 PLC简介,1.PLC的特点PLC是专为工业环境而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，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、方便、经济等问题。,2023/5/14,计算机控制技术,45,（1）高可靠性,PLC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。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。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、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，防止故障扩

25、大。大型PLC还采用由双CPU构成的冗余系统，使可靠性进一步提高。,2023/5/14,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，移位寄存器，凸轮控制器，跳转和强制I/O等。PLC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，中断控制及特殊功能函数运算等功能。PLC有丰富的I/O接口模块，PLC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。,2023/5/

26、14,计算机控制技术,47,（3）应用灵活,除了单元式小型PLC外，绝大多数PLC采用标准的积木硬件结构和模块化的软件设计，使其不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。,2023/5/14,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，因此允许设计人员在没有购买硬件设备之前，就进行“软接线”工作，从而缩短了整个设计、生产、调试周期。,2023/5/14,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与功能助记

27、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，就可以使用PLC。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排除故障。,2023/5/14,计算机控制技术,50,2.PLC的分类(1),按地域范围PLC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学，但具有实用参考价值。一方面，美国PLC技术与欧洲PLC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PLC技术是由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继承，也有发展，而且日

28、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PLC产品表现出较多的相似性，而不同地域的PLC产品表现出明显的差异性。,2023/5/14,计算机控制技术,51,2.PLC的分类(2),按结构形式可以把PLC分为两类：一类是CPU、电源、I/O接口、通信接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列产品，西门子公司的S7-200系列产品。另一类是电源模块、CPU模块、I/O模块、通信模块等在结构上是相互独立的，如图8.8所示，用户可根据具体的应用要求，选

29、择合适的模块，安装固定在机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。,2023/5/14,计算机控制技术,52,2.PLC的分类(3),按I/O点数的多少又可将PLC划分为超小型PLC（I/O点数小于64点）、小型PLC（I/O点数在65128点）、中型PLC（I/O点数范围在129512点）和大型PLC（I/O点数范围在512点以上）等几种。小型及超小型PLC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对象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增强了数据处理能力和网络通信能力，可构

30、成大规模的综合控制系统，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DCS以实现更广泛的自动化功能。,2023/5/14,计算机控制技术,53,3.PLC的发展趋势,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，PLC的结构和功能也在进行不断地完善和扩充，实现控制功能和管理功能的结合，以不同生产厂家的产品构成开放型的控制系统是主要的发展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路，目前绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。就PLC系统而言，现代PLC主要有以下两种发展趋势。,2023/5/14,计算机控制技术,54,（1）向大型网络化

31、、综合化方向发展,由于现代工业自动化的内涵已不再局限于某些生产过程的自动化，而是实现信息管理和工业生产相结合的综合自动化，强化通信能力和网络化功能是PLC发展的一个重要方面，它主要表现在：向下将多个PLC、远程I/O站点相连；向上与工业控制计算机、管理计算机等相连构成整个工厂的自动化控制系统。例如：A-B，SIEMENS，MODICON等多数生产厂家的PLC产品都已具备类似的功能。,2023/5/14,计算机控制技术,55,（2）向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展,随着应用范围的扩大，体积小、速度快、功能强、价格低的PLC广泛渗透到工业控制领域的各个层面。小型化发展具体表现为：结

32、构上的更新、物理尺寸的缩小、运算速度的提高、网络功能的加强、价格的降低，当前小型化PLC在工业控制领域具有不可替代的地位。,2023/5/14,计算机控制技术,56,8.3.2 PLC的基本结构和工作原理,中央处理单元,存储器,数据存储器,输出接口,地址总线 控制总线,数据总线,照明,电磁装置,执行机构,。,输入接口,模拟量输入,行程开关,继电器接点,各种开关,2023/5/14,计算机控制技术,57,1.PLC的基本结构,PLC的基本组成与一般的微机系统相类似，主要包括：中央处理单元、存储单元、通信接口、外设接口、I/O接口等。,2023/5/14,计算机控制技术,58,（1）中央处理单元,

33、中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。在20世纪70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微处理器芯片的档次差别很大，因此，不同类型的PLC的CPU所采用的微处理器芯片的档次相差很大。随着超大规模集成电路技术的进步和发展，微处理器价格的下跌，中小型PLC也能使用功能强、速度快的高档微处理器作为其CPU。,2023/5/14,计算机控制技术,59,(2)存储器,PLC常用的存储器类型：RAM(Random Access Memory)EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)EEPROM(Electrical Erasabl

34、e Programmable Read Only Memory)FLASHROM,2023/5/14,计算机控制技术,60,(3)电源,PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的可靠的电源，系统还是无法正常工作，因此PLC的制造商对电源的设计可和制造也十分重视。不论是小型PLC还是中、大型PLC所采用的电源，其性能都一样，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。,2023/5/14,计算机控制技术,61,（4）I/O 模块,PLC的I/O模块式工业现场种种设备与PLC之间传输信息的接口，包括数字I/O模块、模拟I/O模块和智能I/O模块。数字I/O模块包括数字

35、量输入和输出两种模块。模拟量I/O模块包括模拟量输入和输出两种模块。智能I/O模块是完成某些独立的特定功能的I/O模块，常用的智能I/O模块有PID模块、定位模块、高速计数模块等。,2023/5/14,计算机控制技术,62,（5）通信接口模块,通信模块为PLC之间以及PLC与计算机等智能设备间提供通信接口。,2023/5/14,计算机控制技术,63,2.PLC的基本工作原理,PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户执行程序阶段，PLC的CPU按由上而下的顺序一次扫描用户

36、程序，并根据程序执行结果刷新I/O映象寄存器。用户程序执行结束后进入输出刷新阶段，刷新所有的输出。,2023/5/14,计算机控制技术,64,顺序扫描工作方式简单直观，便于程序设计和PLC自身的检查。具体体现在：PLC扫描到的功能经解算后，其结果马上就可被后面将要扫描到的功能所利用；可以在PLC内设定一个监视定时器，用来监视每次扫描的时间是否超过规定值，避免由于PLC内部CPU故障使程序执行进入死循环。扫描顺序可以是固定的，也可以是可变的。一般小型PLC采用固定的扫描顺序，大中型PLC采用可变的扫描顺序。,2023/5/14,计算机控制技术,65,8.3.3 基于PLC的计算机控制系统简介,由

37、于PLC具有诸多优点，使得PLC应用十分广泛。现在，PLC已经广泛应用在钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车装卸等各行各业。,2023/5/14,计算机控制技术,66,1.基于PLC的计算机控制系统的应用范围,（1）用于开关逻辑控制（2）用于机械加工的数字控制（3）用于机器人控制（4）用于闭环过程控制（5）用于实现工厂的无人化管理,2023/5/14,计算机控制技术,67,2.PLC的控制系统的设计原则及内容,（1）PLC系统的设计原则关于PLC系统的设计原则往往涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为四点：最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。确保计算机控制系统的

38、可靠性。力求控制系统简单、实用、合理。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。,2023/5/14,计算机控制技术,68,（2）PLC系统设计包含的内容,PLC的种类很多，不同类型的PLC在性能、适用领域等方面是有差异的，它们在设计内容和设计方法上也会有所不同，通常还与设计人员习惯的设计规范及实践经验有关。但是，所有设计方法要解决的基本问题是相同的，下面是PLC系统设计所要完成的一般性内容：,2023/5/14,计算机控制技术,69,分析被控对象的工艺特点和要求，拟定PLC系统的控制功能和设计目标；细化PLC系统的技术要求，如I/0接口数量、结构形式、安装位置

39、等等；PLC系统的选型，包括CPU、I/O模块、接口模块等等；编制I/0分配表和PLC系统及其与现场仪表的接线图；根据系统要求编制软件规格说明书，开发PLC应用软件；编写设计说明书和使用说明书；系统安装、调试和投运。,2023/5/14,计算机控制技术,70,3.PLC系统的硬件设计,设计一个良好的控制系统，第一步就是需要对被控生产对象的工艺过程和特点做深入的了解，这也是现场仪表选型与安装、控制目标确定、系统配置的前提。一个复杂的生产工艺过程，通常可以分解为若干个工序，而每个工序往往又可分解为若干个具体步骤，这样做可以把复杂的控制任务明确化、简单化、清晰化，有助于明确系统中各PLC及PLC中I

40、/O的配置，合理分配系统的软硬件资源。,2023/5/14,计算机控制技术,71,第二步需要创建设计任务书，设计任务书实际上就是对技术要求的细化，把各部分必须具备的功能和实现方法以书面形式描述出来。设计任务书是进行设备选型、硬件配置、软件设计、系统调试的重要技术依据，若在PLC系统的开发过程中发现不合理的方面，需要及时进行修正。通常，设计任务书要包括以下各项内容：,2023/5/14,计算机控制技术,72,数字量输入总点数及端口分配；数字量输出总点数及端口分配；模拟量输入通道总数及端口分配；模拟量输出通道总数及端口分配；特殊功能总数及类型；PLC功能的划分以及各PLC的分布与距离；对通信能力的

41、要求及通信距离。,2023/5/14,计算机控制技术,73,第三步需要在满足控制要求的前提下，对系统所涉及的硬件设备进行选型。PLC硬件设备的选型应该追求最佳的性能价格比。硬件设备的选型主要包括CPU、I/O配置、通讯、电源等方面进行考虑。,2023/5/14,计算机控制技术,74,第四步需要设计安全回路。安全回路是能够独立于PLC系统运行的应急控制回路或后备手操系统。安全回路一般以确保人身安全为第一目标、保证设备运行安全为第二目标进行设计，这在很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的规定。一般来说，安全回路在以下几种情况下将发挥安全保护作用：设备发生紧急异常状态时；PLC失控时；操作人员

42、需要紧急干预时。,2023/5/14,计算机控制技术,75,4.PLC的控制系统的软件设计,PLC用户程序的设计过程可分为两个阶段，即前期工作和应用软件的开发和调试。在软件设计过程中，前期工作内容往往会被设计人员所忽视，事实上这些工作对提高软件的开发效率、保证应用软件的可维护性、缩短调试周期都是非常必要的，特别是对较大规模的PLC系统更是如此。,2023/5/14,计算机控制技术,76,（1）前期工作 前期工作主要包括制定控制方案、制定抗干扰措施、编制I/0分配表、确定程序结构和数据结构、定义软件模块的功能。（2）应用软件的开发和调试 根据功能的不同，PLC应用软件可以分为基本控制程序、中断处

43、理程序和通信服务程序三个部分。其中基本控制程序是整个应用软件的主体，它包括信号采集、信号滤波、控制运算、结果输出等内容。对于整个应用软件来说，程序结构设计和数据结构设计是程序设计的主要内容。合理的程序结构不仅决定着应用程序的编程质量，而且还对编程周期、调试周期、可维护性都有很大的影响。,2023/5/14,计算机控制技术,77,（2）应用软件的开发和调试,根据功能的不同，PLC应用软件可以分为基本控制程序、中断处理程序和通信服务程序三个部分。其中基本控制程序是整个应用软件的主体，它包括信号采集、信号滤波、控制运算、结果输出等内容。对于整个应用软件来说，程序结构设计和数据结构设计是程序设计的主要

44、内容。合理的程序结构不仅决定着应用程序的编程质量，而且还对编程周期、调试周期、可维护性都有很大的影响。,2023/5/14,计算机控制技术,78,8.4 基于嵌入式系统的计算机控制系统,一般来讲，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统的应用得到了广泛的发展，嵌入式系统已经应用到了信息家电、手持机、环境监测、工业控制等各个领域

45、，本节对嵌入式系统的概念、软硬件技术以及由其组成的控制系统进行简要介绍。,2023/5/14,计算机控制技术,79,8.4.1 嵌入式系统概述,嵌人式系统概念的由来 1976年，Intel公司推出了8048，称为单片机（SCC，Single Chip Computer）。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，如：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。,2023/5/14

46、,计算机控制技术,80,针对特定应用、特定功能开发的嵌入式系统，要求该系统与所嵌入的应用环境成为一个统一的整体，并且往往有紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术要求。这样一种应用目标使得这一应用领域要去研究它的独特的设计方法和开发技术，这就是今天嵌入式系统这一名称的含义，也是嵌入式系统成为一个相对独立的计算机研究领域的原因。,2023/5/14,计算机控制技术,81,2.嵌入式系统的特点(1),（1）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）精简设计 嵌入

47、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对处理器的选择更具有竞争力。,2023/5/14,计算机控制技术,82,2.嵌入式系统的特点(2),（3）系统内核小 由于嵌入式系统一般是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。（4）嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。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、系统函数以及专家库函数

48、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。,2023/5/14,计算机控制技术,83,（5）为了提高执行速度和系统可靠性，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）嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使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。,2023/5/14,计算机控制技术,84,3.嵌入式系统的应用领域(1),（1）工业控制 基于

49、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 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种运输行业获得了成功的使用。,2023/5/14,计算机控制技术,85,3.嵌入式系统的应用领域(2),（3）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

50、中，嵌入式系统将大有用武之地。（4）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。,2023/5/14,计算机控制技术,86,3.嵌入式系统的应用领域(3),（5）POS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。,2023/5/14,计算机控制技术,87,（7