第五章计算机控制技术
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第五章 计算机控制技术
第一第节5章概绪述论
一、 计算机控制系统及其组成 1．计算机控制系统
计算机控制系统就是利用计算机(通常称 为工业控制计算机，简称工业控制机IPC)来 实现生产过程自动控制的系统。
计算机控制系统的工作原理
2．计算机控制系统的组成
CPU/MEM
模拟量输入(AI)通道
测量变送
内
地址 译码 输入 选通
控 制 逻 辑
基准电压 输入端
8位A/D与CPU的接口举例
第三节 工业控制计算机简介 一、PLC及系统组成
PLC 特点
• 程序可变，柔性好。 • 可靠性强，适于工业环境。 • 编程简单，使用方便。 • 功能完善。 • 体积小，重量轻，易于装入机器内部。
二、总线型工控机及系统组成
总线型工控机特点
• 提高设计效率，缩短设计和制造周期。 • 提高系统可靠性。 • 便于调试和维修 。 • 能适应技术发展的需要。
三、单板机
四、单片机
单片机系统构成
单片机特点
• 受集成度的限制，片内存储器容量较小。 • 可靠性高。 • 易扩展。 • 控制功能强。 • 一般单片机内无监控程序或系统通用管
• 精度：绝对精度和相对精度 • 转换时间：由启动转换命令到转换结束信号开始有
效的时间间隔 • 电源灵敏度 • 量程：所能转换模拟电压的范围，双极性和单极性 • 输出逻辑电平 • 工作温度范围
典型的A/D转换芯片ADC0809的引脚
逐次逼近式8位ADC
ADC0809的内部结构
模 拟 输 入 部 分
DCS)
至其它局域网
综合信息管理级
管理 计算机
局部网络 （LAN）
网间 连接器
集中操作监控级 工程师 操作站
分散过程控制级
现场 控制站
操作员 操作站
控制网
监控 计算机
网间 连接器
PLC
智能 调节器
DCS结构示意图
其他测控 装置
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，把系统从上到下分为分散 过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级 ，形成分级分布式控制。
200ppm/℃ • 输出方式:电流
DAC0832逻辑结构框图
输
入
输
出
两级缓冲结构
DAC0832的工作方式
• 直通工作方式：输入寄存器和DAC寄存器都接成
直通方式。此时提供给DAC的数据，必须来自锁存端 口(LE1=LE2=0)。
• 单缓冲工作方式：控制输入寄存器和DAC寄存
器同时跟随或锁存数据，或只控制这两个寄存器之一， 而另一个接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟 量输出或几路模拟量非同步输出的情形。
产
模拟/ 设定值
过 程
数字 调节器
SCC 计算机
工艺数据
Fra Baidu bibliotek
生 调节
产
DDC 设定值
过 程
测量
计算机
SCC 计算机
记录.显示. 打印
(a)SCC+模拟/数字调节器系统
记录.显示. 打印
(b)SCC+DDC系统
监督控制系统的两种结构形式框图
（4）集散控制系统 集散控制系统(Distributed Contro1 System简称
（5）PLC+上位机系统
通信模块 上位机或其 通信设备他
输入模块
输出模块
智能I / O 模块
现场工业控制
CPU 模块
PLC系统结构示意图
第二节 计算机控制系统的 接口技术
一、 模拟量输入输出接口
模拟量的输入输出通道
模拟量输入与输出通道
1、D/A转换接口
D/A转换器的作用和主要技术指标
• D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为 相应的模拟量。
被
部
控
人-机接口
总
模拟量输出(AO)通道
执行机构
对
线
象
系统支持板
数字量输入(DI)通道
电气开关
磁盘适配器
数字量输出(DO)通道
电气开关
工业控制机
生产过程
计算机控制系统的组成框图
（1）操作指导控制系统
5.1.2 操计算作机控指制导系统控的制典型系形式统（Operational Information System 简称OIS）
理程序。
控制系统比较
• 双缓冲工作方式：分别控制输入寄存器和DAC
寄存器，此方式适用于多路D/A同时输出的情形：使各 路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同时（相同控 制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换。
8位D/A转换器与CPU的典型连接
2、A/D转换接口
A/D转换器的主要技术指标
• 分辨率：通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模 拟输入的电平值表示。
CRT 打印机 报警 控制台
输入通道
（AI，DI）
计
生
算
产
过
机
输出通道
程
（AO，DO）
直接数字控制系统框图
• 该控制系统的特点是实时性好、可靠性高 和适应性强。
• 在工业控制中得到广泛应用。
（3）监督控制系统 监督控制SCC(Supervisory Computer Control)
工艺数据
生 调节
• 主要技术指标
• 分辨率 • 稳定时间 • 输出电平 • 绝对精度 • 相对精度 • 线性误差 • 温度系数
典型的D/A转换芯片DAC0832
Iout1＝
VRef×D Rfb ×256
Iout1＋Iout2＝常数
• 单电源：+5V~+15V
• VRef:-10V~+10V • 低功耗：20mW； • 分辨率：8位 • 线性误差：0. 2%(FS); • NL误差：0.4%(FS) • 建立时间：1μs •温 度 系 数 ：
模拟量输入（AI）通道
生
计
数字量输入（DI）通道
产
算
过
机
CRT
操作
控制
程
人员
器
打印机
操作指导控制系 统 框图
• 该控制系统属于开环控制结构。
• 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 控制多个对象。
（2）直接数字控制系统 直接数字控制 (Direct Digital Control，简称DDC)
第一第节5章概绪述论
一、 计算机控制系统及其组成 1．计算机控制系统
计算机控制系统就是利用计算机(通常称 为工业控制计算机，简称工业控制机IPC)来 实现生产过程自动控制的系统。
计算机控制系统的工作原理
2．计算机控制系统的组成
CPU/MEM
模拟量输入(AI)通道
测量变送
内
地址 译码 输入 选通
控 制 逻 辑
基准电压 输入端
8位A/D与CPU的接口举例
第三节 工业控制计算机简介 一、PLC及系统组成
PLC 特点
• 程序可变，柔性好。 • 可靠性强，适于工业环境。 • 编程简单，使用方便。 • 功能完善。 • 体积小，重量轻，易于装入机器内部。
二、总线型工控机及系统组成
总线型工控机特点
• 提高设计效率，缩短设计和制造周期。 • 提高系统可靠性。 • 便于调试和维修 。 • 能适应技术发展的需要。
三、单板机
四、单片机
单片机系统构成
单片机特点
• 受集成度的限制，片内存储器容量较小。 • 可靠性高。 • 易扩展。 • 控制功能强。 • 一般单片机内无监控程序或系统通用管
• 精度：绝对精度和相对精度 • 转换时间：由启动转换命令到转换结束信号开始有
效的时间间隔 • 电源灵敏度 • 量程：所能转换模拟电压的范围，双极性和单极性 • 输出逻辑电平 • 工作温度范围
典型的A/D转换芯片ADC0809的引脚
逐次逼近式8位ADC
ADC0809的内部结构
模 拟 输 入 部 分
DCS)
至其它局域网
综合信息管理级
管理 计算机
局部网络 （LAN）
网间 连接器
集中操作监控级 工程师 操作站
分散过程控制级
现场 控制站
操作员 操作站
控制网
监控 计算机
网间 连接器
PLC
智能 调节器
DCS结构示意图
其他测控 装置
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，把系统从上到下分为分散 过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级 ，形成分级分布式控制。
200ppm/℃ • 输出方式:电流
DAC0832逻辑结构框图
输
入
输
出
两级缓冲结构
DAC0832的工作方式
• 直通工作方式：输入寄存器和DAC寄存器都接成
直通方式。此时提供给DAC的数据，必须来自锁存端 口(LE1=LE2=0)。
• 单缓冲工作方式：控制输入寄存器和DAC寄存
器同时跟随或锁存数据，或只控制这两个寄存器之一， 而另一个接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟 量输出或几路模拟量非同步输出的情形。
产
模拟/ 设定值
过 程
数字 调节器
SCC 计算机
工艺数据
Fra Baidu bibliotek
生 调节
产
DDC 设定值
过 程
测量
计算机
SCC 计算机
记录.显示. 打印
(a)SCC+模拟/数字调节器系统
记录.显示. 打印
(b)SCC+DDC系统
监督控制系统的两种结构形式框图
（4）集散控制系统 集散控制系统(Distributed Contro1 System简称
（5）PLC+上位机系统
通信模块 上位机或其 通信设备他
输入模块
输出模块
智能I / O 模块
现场工业控制
CPU 模块
PLC系统结构示意图
第二节 计算机控制系统的 接口技术
一、 模拟量输入输出接口
模拟量的输入输出通道
模拟量输入与输出通道
1、D/A转换接口
D/A转换器的作用和主要技术指标
• D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为 相应的模拟量。
被
部
控
人-机接口
总
模拟量输出(AO)通道
执行机构
对
线
象
系统支持板
数字量输入(DI)通道
电气开关
磁盘适配器
数字量输出(DO)通道
电气开关
工业控制机
生产过程
计算机控制系统的组成框图
（1）操作指导控制系统
5.1.2 操计算作机控指制导系统控的制典型系形式统（Operational Information System 简称OIS）
理程序。
控制系统比较
• 双缓冲工作方式：分别控制输入寄存器和DAC
寄存器，此方式适用于多路D/A同时输出的情形：使各 路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同时（相同控 制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换。
8位D/A转换器与CPU的典型连接
2、A/D转换接口
A/D转换器的主要技术指标
• 分辨率：通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模 拟输入的电平值表示。
CRT 打印机 报警 控制台
输入通道
（AI，DI）
计
生
算
产
过
机
输出通道
程
（AO，DO）
直接数字控制系统框图
• 该控制系统的特点是实时性好、可靠性高 和适应性强。
• 在工业控制中得到广泛应用。
（3）监督控制系统 监督控制SCC(Supervisory Computer Control)
工艺数据
生 调节
• 主要技术指标
• 分辨率 • 稳定时间 • 输出电平 • 绝对精度 • 相对精度 • 线性误差 • 温度系数
典型的D/A转换芯片DAC0832
Iout1＝
VRef×D Rfb ×256
Iout1＋Iout2＝常数
• 单电源：+5V~+15V
• VRef:-10V~+10V • 低功耗：20mW； • 分辨率：8位 • 线性误差：0. 2%(FS); • NL误差：0.4%(FS) • 建立时间：1μs •温 度 系 数 ：
模拟量输入（AI）通道
生
计
数字量输入（DI）通道
产
算
过
机
CRT
操作
控制
程
人员
器
打印机
操作指导控制系 统 框图
• 该控制系统属于开环控制结构。
• 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 控制多个对象。
（2）直接数字控制系统 直接数字控制 (Direct Digital Control，简称DDC)