01计算机控制系统概述

工
计 算
A/D
转
采
换
样
器
器
测 量 元 件
业
对
机
显示终端
控
象
制
仪
打印机
表
图 1-6 操 作 指 导 控 制 系 统
链接动画
1.2.3 直接数字控制系统（DDC）
DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的
数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过 程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了 操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能 的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个 模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通
本章小结
本章概要介绍了计算机控制系统的构成 原理、硬件组成与软件组成。分别从计算 机控制系统的控制方案与装置种类这两个 不同的角度讨论分析了计算机控制系统的 分类。本书将在本章的基础上渐次对计算 机控制系统的各个组成部分展开讨论。
结束了
计算机控制系统硬件一般包括：
➢ 主机--CPU ＋RAM＋ROM＋系统总线 ➢ 常规外部设备--输入/输出设备、外存储器等 ➢ 过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO ➢ 操作台—CRT、LED、LCD 等 ➢ 通信设备—交换机、modem、集线器等 ➢ 图 1-3所示硬件组成框图
计算机基本系统
➢ PLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容 易，抗干扰能力强；
1.3.2 可编程调节器
可编程调节器--又称单回路调节器、智能调节器、数字 调节器。它主要由微处理单元、过程I／O（输入/输出） 单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等 组成。外观如图所示。
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可编程调节器特点：
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不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机 架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内的原普 通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主 板分解成几块PC插件，采用工业级抗干扰电源和工业级 芯片，并配以相应的工业应用软件。
总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准 化的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要， 又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应 用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等规 模的控制系统中。
1.2.5 分散控制系统（DCS）
分散控制系统--是以微处理器为基础，借助于计
算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先
进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统
在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将
该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将其称
为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分散
链 接 动 画
可编程控制器（PLC）特点：
➢ 一种数字运算操作的电子系统,专为工业环 境下应用而设定;
➢ 采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字 式、模拟式的输入和输出；
➢ 应用广泛--不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且 在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；
当控制功能的微控制器。
• 单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，
但这需要较深的计算机软硬件知识，而且汇编语言的通 用性与可移植性差。随着高效率结构化语言的发展，其 软件开发环境正在逐步改善。目前，市场上已推出面向 单片机结构的高级语言，如早期的Archimedes C和
•Franklin C，现在的Keil C51、DynamicC等语言。 由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价 格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等 诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业 控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事
➢ 一种仪表化了的微型控制计算机 ➢ 易操作，易编程、方便灵活 ➢ 设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计 ➢ 软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言 ➢ 具有断电保护、自诊断功能、通信等功能 ➢ 可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控
制和管理 ➢ 大型分散控制系统中最基层的控制单元 ➢ 适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中
1.3.3 总线式工控机
总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一种 专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计 算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生 产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线 标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人 员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能 模板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控机 的外形类似普通计算机，如图所示。
1.2.2 操作指导控制系统(OGC)
操作指导控制系统--是基于数据采集系统的一 种开环结构，如图1-6所示。计算机根据采集到 的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的 最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而 是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控 制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的 作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自 动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控制 灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限 制，不能同时控制多个回路。
CPU 备
接口
外部 设备
输出设备
接口
总
外存储器
接口
通信设备
接口
线
操作台
接口
过程输入输出通道
接口
A/D转换
测量变送
工
接口
D /A 转 换
驱动执行
业
接口
开关输入
对
象
接口
开关输出
图1-3 计图算1-机4 控计算制机系控制统系硬统硬件件组组成成框框图图 链接动画
1.1.3 软件组成
•装置等方面得到了极为广泛的应用。 单片机的应用从4位机开始，历经8位、16位、32 位四种。但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领 域里，8位单片机因其品种多、功能强、价格廉， 目前 仍然是单片机系列的主流机种。
1.3.5 其他控制装置
分散控制系统与现场总线控制系统--最初
是以一种控制方案的形式出现的，但 很快受到工 控市场的极大推崇，因而已经成为国内外自动化 厂家争先推出的两种典型的装置，因为第1.2.5 节、第1.2.6节已经提及，本节不再赘述，详见 第13章。
• 硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地 • 运行解决各种问题，必须为它编制软件。
所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它 是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是
• 在软件程序指挥下协调工作的。 软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件 一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机 本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编 制的各种应用程序。
工
计 算
A/D
转
采
换
样
器
器
测 量 元 件
业
对
机
显示终端
象
打印机
图 1- 5
数据采集系统
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数据采集系统(Data Acquisition System)--是计算机应用于生产过程控制最早、 也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送 仪表发送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分 析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。
（2）开环控制系统
r
给定值
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
(b) 开环控制系统
开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控对
象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行 器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。 环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差， 其控制性能不如闭环系统。
过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。
显示
过程输入
计
（A/D，DI）
生
打印机
产
算
过
报警
机
过程输出 （D/A，DO）
程
操作台
图1-7 直接数字控制系统
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1.2.4监督计算机控制系统（SCC）
监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规
仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统，如图 1-8所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。 当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位 机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高 和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务， 应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。
（4）计算机控制系统的监控过程步骤
a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的
瞬时值进行采集和输入 ；
b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、
比较和处理，按一定的控制规 律运算，进行控制决策；
c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行
器发出控制信号，完成监控任 务；
1.1.2 硬件组成
工艺数据 显示 打印 报警
工艺数据
显示 打印 报警
SCC
采集
模
计 算
拟
控
给定值
制
机
器
测量 生
产
控制
过
程
(a) S CC+模 拟 控 制 器 系 统
SCC
计 算
采集
DDC
测量
用
计
给定值
算
控制
生 产 过
机
机
程
(b) S CC+ DD C控 制 系 统
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图 1-8 监 督 计 算 机 控 制 系 统 的 两 种 结 构 形 式
1.3.4 单片微型计算机
随着微电子技术与超大规模集成技术的发展， 计算机技术的另一个分支──超小型化的单片微 型计算机(Single Chip Microcomputer)简称 单 片 机 诞 生 了 。 它 是 将 CPU 、 存 储 器 、 串 并 行 I/O口、定时/计数器、甚至A/D转换器、脉宽调 制器、 图形控制器等功能部件全都集成在一块大 规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相
1.3 控制装置种类
主要知识点 1.3.1 可编程控制器 1.3.2 可编程调节器 1.3.3 总线式工控机 1.3.4 单片微型计算机 1.3.5 其他控制装置
1.3.1 可编程控制器
可编程逻辑控制器--简称可编程控制器或PLC，是计 算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为 常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的 工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输入组件、 输出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。
1.2 控制系统分类
主要知识点 1.2.1 数据采集系统（DAS） 1.2.2 操作指导控制系统 (OGC) 1.2.3 直接数字控制系统（DDC） 1.2.4 监督计算机控制系统（SCC） 1.2.5 分散控制系统（DCS） 1.2.6 现场总线控制系统（FCS）
1.2.1 数据采集系统（DAS）
（3）计算机闭环控制系统原理组成
控制计算机
生产过程
r+ e
给定值 - 偏差
计算机
u
q
y
D/A
执行器
被控对象
控制
操纵
被控量
作用
变量
z
A/D
测量变送器
测量值
图1-图3 1-计 2算计机算控机制控系 制统 系原 统理 原框 理图 图
计算机闭环控制系统的原理组成--是把图1-1中的控制器用 控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A （数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递， 而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将 模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数 字量转换为模拟量作为其输出信号。
控制系统简称为DCS。DCS 采用分散控制、集中
操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。
它的结构组成如图12-1所示。
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1.2.6 现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。 该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不 统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一 身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原 DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个 彻底的分散控制模式。它的结构组成如图12-6所示。每 个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点， 都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断 等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。