计算机控制系统PPT_1
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—计算机控制系统—
1 开课目的和任务 (1/2)
• 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制 正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业
技术。
• 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于 工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。 • 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控 制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
2012-10-6
第一章 绪 论
7
—计算机控制系统—
“一些自动化实验实验装置图片”
2012-10-6
8
—计算机控制系统—
实验 装置 -1
• 水处理 生产线 装置
2012-10-6
第一章 绪 论
9
—计算机控制系统—Leabharlann Baidu
实验装置 -2
• 填料塔换热 装置
2012-10-6
第一章 绪 论
10
—计算机控制系统—
2012-10-6 第一章 绪 论 21
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（2）
• 计算机控制系统中的量化
将离散模拟信号用二进制代码逼近为数字信号的过程 （如采样值y*(t) 量化为y(kT) 的过程）
• 量化单位q
q=M/2n ，M为被转换的模拟量电信号满量程， n为A/D的转换位数
• 量化误差
2012-10-6 第一章 绪 论 33
—计算机控制系统—
1-2-2 计算机控制系统的分类
计算机直接数字控制（DDC）系统
CRT 打印机 报警 操作台
计算机闭环控制
直接数字控制(DDC)计算机 过程输入通道
测量变送 测量变送
系统。可完全取代模
拟调节器，实现多回 路的PID控制，而且
过程输出通道
执行机构 执行机构
2012-10-6 第一章 绪 论 26
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（7）
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y 采样信号y(kT) 原信号y(t) 零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT) 0≤t＜T, k=0, ±1, ±2,… 由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。
实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
2012-10-6
第一章 绪 论
11
—计算机控制系统—
实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
2012-10-6
第一章 绪 论
12
—计算机控制系统—
实验 装置 机房
2012-10-6
第一章 绪 论
13
—计算机控制系统—
1-1-1 概述（1）
• 常规控制系统的工作原理
1-1-1 概述（3）
– 计算机控制系统的主要优点
组成方式灵活 能实现复杂的控制规律 获取更大的经济效益 为实现企业综合自动化打下了良好的基础
2012-10-6
第一章 绪 论
20
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（1）
• 计算机控制系统的信号形式
y(t) y*(t) y(kT) u(kT) u*(kT) u(t)
只要改变程序就可以
…
……
实现复杂的控制规律。
…
……
被 控 生 产 过 程
2012-10-6 第一章 绪 论 34
—计算机控制系统—
1-2-3 计算机控制系统的分类
计算机监督控制（SCC）系统
CRT 打印机 报警 操作台
其作用是改变给
定值，又称设定值控
监督控制计算机(SCC)
制 。它的任务着重在 控制规律的修正与实
第一章 绪 论 2
—计算机控制系统—
2 主要的参考文献
作者 张德江等 刘士荣等 王慧等 于海生等 孙增圻等
书名 计算机控制系统 计算机控制系统 计算机控制系统 微型计算机控制技术 计算机控制理论及应用
出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 化学工业出版社 机械工业出版社 清华大学出版社
年 2008 2009 2005 2008
2012-10-6
第一章 绪 论
5
—计算机控制系统—
第一节 Unit 1
计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Control System
2012-10-6
6
—计算机控制系统—
本节主要内容
• • • • 计算机控制系统的概述 计算机控制系统的信号特点 计算机控制系统的组成 计算机控制系统的经济效益
恢复信号yh(t) t 2T 4T 6T
2012-10-6
第一章 绪 论
27
—计算机控制系统—
1-1-3 计算机控制系统的组成及作用
计算机控制系统的组成示意图
硬件部分 计算机控制系统 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人—机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 控制计算机
2012-10-6
第一章 绪 论
30
北京化工大学自动化研究所
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
计算机控制系统的分类 Classification of Computer Control System
2012-10-6
31
—计算机控制系统—
本节主要内容
• • • • • • 计算机巡回检测和操作指导系统 计算机直接数字控制系统 计算机监督控制系统 计算机集散控制系统 现场总线控制系统 工业过程计算机集成制造系统（流程 CIMS）
• 投资的回收周期：1~2年或几个月
2012-10-6 第一章 绪 论 29
—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（2）
• 不可计算效益部分
– – – – – – 企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高 操作人员的安全得到更有效的保障 生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用 对工况改变的适应性增强 能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故 减少对环境产生的污染
1-1-2 信号特点（4）
• 计算机控制系统的采样的合理性
– 采样器接通时间τ远小于采样周期T – 理想采样器（接通电阻R 0，开路电阻R） – 采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) – A/D转换后， y*(t) y(kT), k=1，2，…… – 采样周期T须满足香农定理 采样频率大于2倍原始信号频率 当满足上述条件时， y*(t) 与y(kT)只相差量化误差
PLC
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计 原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
2012-10-6
第一章 绪 论
24
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（5）
设δ(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则
y ( t ) y ( t ) ( t kT )
* k 0
因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关， 故采样信号可用下式表示：
系统软件
软件部分 应用软件
操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等 过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库
2012-10-6
第一章 绪 论
28
—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（1）
• 可计算效益部分
–增加产量或可处理量 –改善产品的质量 –降低能源消耗与原料消耗, 减少成本 –提高设备的利用率, 维修要求降低 –节省劳动力
设定值r e u 被调参数 y
模拟调节器
执行机构
被控对象
ym
测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
2012-10-6 第一章 绪 论 14
—计算机控制系统—
1-1-1 概述（2）
• 计算机控制系统的工作原理
e(kT) 设定值r 计算机 D/A 保持器 u(kT) u 广义对象 被调参数 y
采样器
A/D
计算机
D/A
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 y(t)、u(t) • 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) • 连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内
部存储和处理信号
• 离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)
2012-10-6 第一章 绪 论 1
—计算机控制系统—
1 开课目的和任务 (2/2)
• 本课程是自动化和测控专业的专业基础课和专 业主干课程之一。
哪几门？
• 自动控制理论，现代控制理论，微机原理及接 口技术，微机控制技术，运动控制系统，过程 控制系统。
2012-10-6
该加系统工程理论?+管理?
2012-10-6
第一章 绪 论
17
—计算机控制系统—
（2）几个概念
①在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。 ②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。 ！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非 常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同： 发酵过程和导弹防御系统的对比！
显示 终端
I/O 接 口
通用外部 I / O 接 设备 口电路
主机及操 作台
I/O 接 口电路
I / O 通道
信号检测 及变送
被控对象
计算机控制系统的组成框图
2012-10-6 第一章 绪 论 16
—计算机控制系统—
从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量 的瞬时值进行检测和输入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和 处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行 为。 ③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行 机构发出控制信号，完成控制任务。
DDC计算机或调节器 输入通道 输入通道 输出通道
现，如最优控制、自
适应控制等。
被 控 生 产 过 程
第一章 绪 论
2012-10-6
35
—计算机控制系统—
1-2-4 计算机控制系统的分类
计算机集散控制系统（DCS）
至其它局域网 管理 综合信息管理级 计算机 网间 联接器 局部网络 （LAN） 集中操作监控级 工程师 操作台 操作员 操作台 监控 计算机 网间 联接器 通信联络 现场 分散过程控制级 控制站 智能 调节器 其它测 控装置
y (t )
*
y ( kT ) (t kT )
k 0
第一章 绪 论 25
采样周期T的选择相当重要。
2012-10-6
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（6）
• 信号的保持
– 目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能 够感知的连续模拟信号 – 方法：采用保持器，由现在或过去时刻的采 样值, 用某种函数去逼近2个采样时刻间的原 信号 – 常用的保持器：零阶、一阶及高阶 （常数、线性函数、抛物线）
2012-10-6
第一章 绪 论
3
—计算机控制系统—
第一章 绪论 Introduction
Automation Research Institute, BUCT
2012-10-6
4
—计算机控制系统—
本章主要内容
• • • • 计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的分类 计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的发展概况与趋势
e=±q/2
2012-10-6
第一章 绪 论
22
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（3）
• 计算机控制系统的采样过程
y(t)
采样器
y*(t) τ t
y(t)
t 原始过程信号
y*(t)
2T 4T 采样后的信号
信号通过采样器
过程信号采样过程示意图
第一章 绪 论
2012-10-6
23
—计算机控制系统—
第一章 绪 论 32
2012-10-6
—计算机控制系统—
1-2-1 计算机控制系统的分类
计算机巡回检测和操作指导系统
CRT 打印机 报警
数字计算机
过程输入通道
测量变送
……
人
执行机构
……
测量变送
被 控 生 产 过 程 优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
2012-10-6 第一章 绪 论 18
—计算机控制系统—
思考两个问题
一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。
2012-10-6
第一章 绪 论
19
—计算机控制系统—
ym A/D 计算机系统
采样器
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
第一章 绪 论
2012-10-6
15
—计算机控制系统—
操作台
打印机
I/O 接 口
I/O 接口
计 算 机 主 机
A/D
多路开关
传感器及 变送器 执行机构 工 业 对 象
I/O 接口 I/O 接口 I/O 接口
D/ A
多路开关 数字量输入 数字量输出
1 开课目的和任务 (1/2)
• 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制 正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业
技术。
• 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于 工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。 • 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控 制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
2012-10-6
第一章 绪 论
7
—计算机控制系统—
“一些自动化实验实验装置图片”
2012-10-6
8
—计算机控制系统—
实验 装置 -1
• 水处理 生产线 装置
2012-10-6
第一章 绪 论
9
—计算机控制系统—Leabharlann Baidu
实验装置 -2
• 填料塔换热 装置
2012-10-6
第一章 绪 论
10
—计算机控制系统—
2012-10-6 第一章 绪 论 21
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（2）
• 计算机控制系统中的量化
将离散模拟信号用二进制代码逼近为数字信号的过程 （如采样值y*(t) 量化为y(kT) 的过程）
• 量化单位q
q=M/2n ，M为被转换的模拟量电信号满量程， n为A/D的转换位数
• 量化误差
2012-10-6 第一章 绪 论 33
—计算机控制系统—
1-2-2 计算机控制系统的分类
计算机直接数字控制（DDC）系统
CRT 打印机 报警 操作台
计算机闭环控制
直接数字控制(DDC)计算机 过程输入通道
测量变送 测量变送
系统。可完全取代模
拟调节器，实现多回 路的PID控制，而且
过程输出通道
执行机构 执行机构
2012-10-6 第一章 绪 论 26
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（7）
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y 采样信号y(kT) 原信号y(t) 零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT) 0≤t＜T, k=0, ±1, ±2,… 由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。
实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
2012-10-6
第一章 绪 论
11
—计算机控制系统—
实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
2012-10-6
第一章 绪 论
12
—计算机控制系统—
实验 装置 机房
2012-10-6
第一章 绪 论
13
—计算机控制系统—
1-1-1 概述（1）
• 常规控制系统的工作原理
1-1-1 概述（3）
– 计算机控制系统的主要优点
组成方式灵活 能实现复杂的控制规律 获取更大的经济效益 为实现企业综合自动化打下了良好的基础
2012-10-6
第一章 绪 论
20
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（1）
• 计算机控制系统的信号形式
y(t) y*(t) y(kT) u(kT) u*(kT) u(t)
只要改变程序就可以
…
……
实现复杂的控制规律。
…
……
被 控 生 产 过 程
2012-10-6 第一章 绪 论 34
—计算机控制系统—
1-2-3 计算机控制系统的分类
计算机监督控制（SCC）系统
CRT 打印机 报警 操作台
其作用是改变给
定值，又称设定值控
监督控制计算机(SCC)
制 。它的任务着重在 控制规律的修正与实
第一章 绪 论 2
—计算机控制系统—
2 主要的参考文献
作者 张德江等 刘士荣等 王慧等 于海生等 孙增圻等
书名 计算机控制系统 计算机控制系统 计算机控制系统 微型计算机控制技术 计算机控制理论及应用
出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 化学工业出版社 机械工业出版社 清华大学出版社
年 2008 2009 2005 2008
2012-10-6
第一章 绪 论
5
—计算机控制系统—
第一节 Unit 1
计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Control System
2012-10-6
6
—计算机控制系统—
本节主要内容
• • • • 计算机控制系统的概述 计算机控制系统的信号特点 计算机控制系统的组成 计算机控制系统的经济效益
恢复信号yh(t) t 2T 4T 6T
2012-10-6
第一章 绪 论
27
—计算机控制系统—
1-1-3 计算机控制系统的组成及作用
计算机控制系统的组成示意图
硬件部分 计算机控制系统 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人—机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 控制计算机
2012-10-6
第一章 绪 论
30
北京化工大学自动化研究所
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
计算机控制系统的分类 Classification of Computer Control System
2012-10-6
31
—计算机控制系统—
本节主要内容
• • • • • • 计算机巡回检测和操作指导系统 计算机直接数字控制系统 计算机监督控制系统 计算机集散控制系统 现场总线控制系统 工业过程计算机集成制造系统（流程 CIMS）
• 投资的回收周期：1~2年或几个月
2012-10-6 第一章 绪 论 29
—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（2）
• 不可计算效益部分
– – – – – – 企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高 操作人员的安全得到更有效的保障 生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用 对工况改变的适应性增强 能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故 减少对环境产生的污染
1-1-2 信号特点（4）
• 计算机控制系统的采样的合理性
– 采样器接通时间τ远小于采样周期T – 理想采样器（接通电阻R 0，开路电阻R） – 采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) – A/D转换后， y*(t) y(kT), k=1，2，…… – 采样周期T须满足香农定理 采样频率大于2倍原始信号频率 当满足上述条件时， y*(t) 与y(kT)只相差量化误差
PLC
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计 原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
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第一章 绪 论
24
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（5）
设δ(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则
y ( t ) y ( t ) ( t kT )
* k 0
因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关， 故采样信号可用下式表示：
系统软件
软件部分 应用软件
操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等 过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库
2012-10-6
第一章 绪 论
28
—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（1）
• 可计算效益部分
–增加产量或可处理量 –改善产品的质量 –降低能源消耗与原料消耗, 减少成本 –提高设备的利用率, 维修要求降低 –节省劳动力
设定值r e u 被调参数 y
模拟调节器
执行机构
被控对象
ym
测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
2012-10-6 第一章 绪 论 14
—计算机控制系统—
1-1-1 概述（2）
• 计算机控制系统的工作原理
e(kT) 设定值r 计算机 D/A 保持器 u(kT) u 广义对象 被调参数 y
采样器
A/D
计算机
D/A
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 y(t)、u(t) • 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) • 连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内
部存储和处理信号
• 离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)
2012-10-6 第一章 绪 论 1
—计算机控制系统—
1 开课目的和任务 (2/2)
• 本课程是自动化和测控专业的专业基础课和专 业主干课程之一。
哪几门？
• 自动控制理论，现代控制理论，微机原理及接 口技术，微机控制技术，运动控制系统，过程 控制系统。
2012-10-6
该加系统工程理论?+管理?
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第一章 绪 论
17
—计算机控制系统—
（2）几个概念
①在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。 ②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。 ！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非 常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同： 发酵过程和导弹防御系统的对比！
显示 终端
I/O 接 口
通用外部 I / O 接 设备 口电路
主机及操 作台
I/O 接 口电路
I / O 通道
信号检测 及变送
被控对象
计算机控制系统的组成框图
2012-10-6 第一章 绪 论 16
—计算机控制系统—
从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量 的瞬时值进行检测和输入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和 处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行 为。 ③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行 机构发出控制信号，完成控制任务。
DDC计算机或调节器 输入通道 输入通道 输出通道
现，如最优控制、自
适应控制等。
被 控 生 产 过 程
第一章 绪 论
2012-10-6
35
—计算机控制系统—
1-2-4 计算机控制系统的分类
计算机集散控制系统（DCS）
至其它局域网 管理 综合信息管理级 计算机 网间 联接器 局部网络 （LAN） 集中操作监控级 工程师 操作台 操作员 操作台 监控 计算机 网间 联接器 通信联络 现场 分散过程控制级 控制站 智能 调节器 其它测 控装置
y (t )
*
y ( kT ) (t kT )
k 0
第一章 绪 论 25
采样周期T的选择相当重要。
2012-10-6
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（6）
• 信号的保持
– 目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能 够感知的连续模拟信号 – 方法：采用保持器，由现在或过去时刻的采 样值, 用某种函数去逼近2个采样时刻间的原 信号 – 常用的保持器：零阶、一阶及高阶 （常数、线性函数、抛物线）
2012-10-6
第一章 绪 论
3
—计算机控制系统—
第一章 绪论 Introduction
Automation Research Institute, BUCT
2012-10-6
4
—计算机控制系统—
本章主要内容
• • • • 计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的分类 计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的发展概况与趋势
e=±q/2
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第一章 绪 论
22
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（3）
• 计算机控制系统的采样过程
y(t)
采样器
y*(t) τ t
y(t)
t 原始过程信号
y*(t)
2T 4T 采样后的信号
信号通过采样器
过程信号采样过程示意图
第一章 绪 论
2012-10-6
23
—计算机控制系统—
第一章 绪 论 32
2012-10-6
—计算机控制系统—
1-2-1 计算机控制系统的分类
计算机巡回检测和操作指导系统
CRT 打印机 报警
数字计算机
过程输入通道
测量变送
……
人
执行机构
……
测量变送
被 控 生 产 过 程 优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
2012-10-6 第一章 绪 论 18
—计算机控制系统—
思考两个问题
一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。
2012-10-6
第一章 绪 论
19
—计算机控制系统—
ym A/D 计算机系统
采样器
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
第一章 绪 论
2012-10-6
15
—计算机控制系统—
操作台
打印机
I/O 接 口
I/O 接口
计 算 机 主 机
A/D
多路开关
传感器及 变送器 执行机构 工 业 对 象
I/O 接口 I/O 接口 I/O 接口
D/ A
多路开关 数字量输入 数字量输出