第08章 計算機控制系統(tǒng)簡介

第8章典型計算機控制系統(tǒng)簡介基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控制系統(tǒng)；基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)；基于PLC的計算機控制系統(tǒng)；基于嵌入式系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)；分散控制系統(tǒng)；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);計算機集成制造系統(tǒng)。9/22/20231計算機控制技術(shù)8.1基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控制系統(tǒng)該類系統(tǒng)是一種非常典型的DDC控制系統(tǒng)，工控機通過基于PC總線的板卡進行實時數(shù)據(jù)采集，并按照一定的控制規(guī)律實時決策，產(chǎn)生控制指令，并通過板卡輸出，對生產(chǎn)過程直接進行控制。該類系統(tǒng)具有組成靈活，成本低等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。是目前在工業(yè)上用得比較多的一類系統(tǒng)。

9/22/20232計算機控制技術(shù)8.1.1PC總線的工業(yè)控制機簡介工業(yè)個人計算機IndustrialPersonalComputer（簡稱IPC）是一種加固的增強型個人計算機，是指對工業(yè)生產(chǎn)過程及其機電設(shè)備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。早在20世紀80年代初期，美國AD公司就推出了類似IPC的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業(yè)個人計算機IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工控機中異軍突起，后來居上，應(yīng)用日趨廣泛。9/22/20233計算機控制技術(shù)工控機示意圖西門子工控機研華工控機9/22/20234計算機控制技術(shù)1.工業(yè)PC的結(jié)構(gòu)工業(yè)控制機的典型結(jié)構(gòu)如圖8.1所示，主要有以下幾部分組成。圖8.1工控機典型結(jié)構(gòu)圖①全鋼機箱②無源底板③工業(yè)電源④CPU卡⑤其他配件下一頁9/22/20235計算機控制技術(shù)CPU板返回9/22/20236計算機控制技術(shù)無源底板返回9/22/20237計算機控制技術(shù)2.工業(yè)PC的特點(1)專門為工業(yè)工程控制現(xiàn)場設(shè)計的工業(yè)PC機有以下特點：①支持各種模塊化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT總線接口板。②所有卡采用高度集成芯片，以減少故障率，并均為模塊化﹑插板式，以便安裝﹑更換和升級換代。所有的卡使用專用的固定架將插板壓緊，防止震動引起的接觸不良。③開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應(yīng)用軟件。9/22/20238計算機控制技術(shù)2.工業(yè)PC的特點(2)④采用和PC/AT總線兼容的無源底板。它使用帶有電源層和地的4層電路板，有效地提高了系統(tǒng)地抗干擾能力。無源底板帶有4，6，8，12，14或20槽。⑤機箱采用全鋼機構(gòu)，可防止電磁干擾；采用150W-350W帶除塵過濾器的工業(yè)開關(guān)電源，具有足夠地負載驅(qū)動能力。機箱內(nèi)裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。軟盤、硬盤驅(qū)動器安裝采用橡皮緩沖防震，并有防塵門。⑥可內(nèi)裝電子盤以取代機械磁盤，使PC機在工業(yè)環(huán)境下的操作具有高速﹑高可靠性。9/22/20239計算機控制技術(shù)3.常用的工業(yè)控制機簡介當前國內(nèi)外工控機型號很多，下面簡要介紹主要常用的工控機：工控機的生產(chǎn)廠家很多，國外有美國IBM、ICS、德國西門子、日本康泰克等，這些產(chǎn)品可靠性好、市場定位高。我國臺灣地區(qū)是工控機的主要生產(chǎn)區(qū)，其品牌主要有研華、威達、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中，研華是世界三大工控廠商之一，在中國大陸及臺灣市場均有較高的市場占有率。國內(nèi)也有很多工控機品牌，如研祥、華控、康拓、艾雷斯、北京華北等。9/22/202310計算機控制技術(shù)8.1.2基于PC總線的板卡簡介基于PC總線的板卡是指計算機廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用功能模板?；赑C總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多個功能，。下面以研華PCI系列測控板卡為例介紹一下不同種類的典型板卡的性能和特點。9/22/202311計算機控制技術(shù)1.模擬量輸入板卡（A/D卡）基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如ISA、PCI等總線標準設(shè)計的，板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對采樣數(shù)據(jù)進行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實現(xiàn)信號的隔離。板卡的模擬信號采集精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。9/22/202312計算機控制技術(shù)例如研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，如圖8.2所示。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合方式輸入等三種輸入方式，它帶有2500VDC隔離保護；采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣數(shù)率可達100kHZ；板載4K采樣FIFO緩沖器；每個輸入通道的增益可編程。圖8.2研華PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡9/22/202313計算機控制技術(shù)2.模擬量輸出板卡（D/A卡）

模擬量輸出板卡完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，其轉(zhuǎn)換性能指標有很大的差別。D/A轉(zhuǎn)換除了具有分辨率、轉(zhuǎn)換精度等性能指標外，還有建立時間、溫度系數(shù)等指標約束。模擬量輸出板卡通常還要考慮輸出形式以及負載能力。9/22/202314計算機控制技術(shù)例如研華PCI-1720模擬量輸出卡，如圖8.3所示。PCI-1720提供了四個用于PCI總線的12位隔離數(shù)字量到模擬量輸出。它是過程控制、伺服控制和可編程電壓源最好的解決方案。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護，PCI-1720非常適合需要高電壓保護的工業(yè)場合，該板卡具有4路輸出通道。圖8.3研華PCI-1720模擬量輸出卡9/22/202315計算機控制技術(shù)3.數(shù)字量輸入/輸出板卡（I/O板卡）數(shù)字量輸入輸出接口相對簡單，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通道需要輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路，輸出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅(qū)動器。

9/22/202316計算機控制技術(shù)例如研華PCI-1760光隔開關(guān)量輸入輸出卡提供了8路數(shù)字量輸入通道和8路繼電器輸出通道。與傳統(tǒng)卡比較，PCI-1760為每個數(shù)字量輸入通道增加了可編程的數(shù)字濾波器。此功能使相應(yīng)輸入通道的狀態(tài)不會更新，直到高/低信號保持了用戶設(shè)定的一段時間后才改變。這樣有助于保持系統(tǒng)的可靠性。圖8.4PCI-1760數(shù)字量輸入輸出卡9/22/202317計算機控制技術(shù)4.脈沖量輸入板卡工業(yè)控制現(xiàn)場有許多高速的脈沖信號，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測信號等，這些都要脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行測量。脈沖量輸入板卡可以實現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計數(shù)、定時、測頻等不同工作方式?？紤]到現(xiàn)場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計算機與現(xiàn)場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力。

9/22/202318計算機控制技術(shù)例如研華PCI-1780計數(shù)/定時卡，如圖8.5所示，是基于PCI總線設(shè)計的接口卡，該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現(xiàn)計數(shù)器/定時器功能，此外，該卡還提供8個16位計數(shù)器通道，該卡具有8通道可編程時鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達20MHz，多種時鐘可以選擇，可編程計數(shù)器輸出，計數(shù)器門選通功能。圖8.5PCI-17808通道定時/計數(shù)卡9/22/202319計算機控制技術(shù)8.1.3基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控制系統(tǒng)的組成和特點工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的各種工況參數(shù)（溫度、壓力、流量、成分、位置、轉(zhuǎn)速等）由傳感器或一次測量儀表進行檢測，然后經(jīng)變送器把它們統(tǒng)一變換成4～20mA的電信號,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機。計算機則對被測信號按一定的控制規(guī)律（如PID規(guī)律）進行計算，計算出送給控制執(zhí)行機構(gòu)的控制量?？刂屏坑捎嬎銠C輸出，經(jīng)I/O接口送往輸出通道，形成閉環(huán)控制。

9/22/202320計算機控制技術(shù)1.組成（1）基于工控機和板卡組成的計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。（1）硬件部分①控制計算機控制計算機是控制系統(tǒng)的核心，可以對輸入的現(xiàn)場信息和操作人員的操作信息進行分析、處理，根據(jù)預(yù)先確定的控制規(guī)律，實時發(fā)出控制指令，控制和管理其他的設(shè)備。考慮到工業(yè)控制領(lǐng)域較惡劣的環(huán)境，一般選用工業(yè)控制計算機。9/22/202321計算機控制技術(shù)1.組成（2）②I/O通道輸入輸出（I/O）通道在計算機控制系統(tǒng)中，完成傳感器輸出信號和工業(yè)控制計算機之間，或工業(yè)控制計算機和驅(qū)動元件之間信號的轉(zhuǎn)換和匹配的功能，稱接口電路。它使工業(yè)控制計算機能正確地接受被控對象工作狀態(tài)的檢測信號，而且能實時地準確地對驅(qū)動元件進行控制。

9/22/202322計算機控制技術(shù)1.組成（3）③參數(shù)檢測被控對象需要檢測的參數(shù)分為模擬量參數(shù)和開關(guān)量參數(shù)兩類。對于模擬量參數(shù)的檢測，主要選用合適的傳感器，通過傳感器將這類參數(shù)轉(zhuǎn)換為成正比例的模擬量電信號。開關(guān)量參數(shù)檢測常用的元件有行程開關(guān)、光電開關(guān)、接近開關(guān)、繼電器或接觸器的吸合釋放等開關(guān)型元件來完成，通過這些元件向計算機輸入開關(guān)量電信號。9/22/202323計算機控制技術(shù)1.組成（4）④輸出驅(qū)動被控對象的輸出驅(qū)動，按輸出信號形式不同，也可分為模擬量信號輸出驅(qū)動和開關(guān)量輸出驅(qū)動兩種。模擬量信號輸出驅(qū)動主要用于伺服系統(tǒng)控制、變頻控制和調(diào)節(jié)閥等，開關(guān)量輸出驅(qū)動主要用于控制只有兩種工作狀態(tài)的驅(qū)動元件的運行。9/22/202324計算機控制技術(shù)1.組成（5）⑤人機接口人機接口是操作人員和計算機控制系統(tǒng)之間信息交換的設(shè)備，是計算機控制系統(tǒng)中必不可少的部分，主要由鍵盤、鼠標和顯示器等組成。直接使用鍵盤和鼠標等輸入控制命令和指令數(shù)據(jù)，使用顯示器顯示運行狀態(tài)和故障并幫助查找和診斷故障，以及運行中間數(shù)據(jù)的檢查、運行過程的統(tǒng)計等。9/22/202325計算機控制技術(shù)（2）軟件部分計算機控制系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)軟件和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)軟件有計算機操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、用戶程序開發(fā)支撐軟件，如開發(fā)語言、編譯軟件、調(diào)試工具等。用戶程序是指控制系統(tǒng)中與控制對象或控制任務(wù)相應(yīng)的控制程序。應(yīng)用程序一般都由用戶自己根據(jù)控制系統(tǒng)的目標、資源配備情況開發(fā)完成。9/22/202326計算機控制技術(shù)2.特點基于PC總線的計算機控制系統(tǒng)是一個典型的DDC系統(tǒng)，因此它具有以下特點：（1）時間上具有離散性計算機DDC系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的有關(guān)參量進行控制時，是以定時采樣和階段控制來代替常規(guī)儀表的連續(xù)測量和連續(xù)控制的。因此，確定合適的采樣周期和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的字長是提高系統(tǒng)控制精度、減少轉(zhuǎn)換誤差的關(guān)鍵。9/22/202327計算機控制技術(shù)（2）采用分時控制方式

DDC系統(tǒng)中的一臺計算機要控制多個回路，為此，該類系統(tǒng)采用“分時”控制的方法，即將某一回路的采樣和A/D轉(zhuǎn)換、運算、輸出控制三部分的時間與其前后回路錯開，放在不同的控制時間里。這樣，既保證了控制過程的正常進行，又能充分利用系統(tǒng)中的各種設(shè)備，提高了控制效率。9/22/202328計算機控制技術(shù)（3）具有人機對話功能計算機控制系統(tǒng)的人機對話是一種計算機控制系統(tǒng)必須具備的操作者和計算機系統(tǒng)互相聯(lián)系的功能。操作者通過輸入設(shè)備向計算機送入控制命令，計算機系統(tǒng)則通過輸出設(shè)備送出有關(guān)信息。一般的計算機DDC系統(tǒng)除了普通的各種指示外，還都通過相應(yīng)接口連接顯示屏、打印機、控制鍵盤、越限報警裝置等。9/22/202329計算機控制技術(shù)（4）控制方案靈活

對于一個模擬系統(tǒng)，控制算法是由硬件實現(xiàn)的，硬件確定后控制算法也就確定了，而計算機DDC控制系統(tǒng)的控制算法是由軟件實現(xiàn)的。通過改變程序即可達到改變控制算法的目的，不僅方便靈活，并且還可實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。對于多回路控制系統(tǒng)，計算機DDC系統(tǒng)具有價格優(yōu)勢，路數(shù)越多，這種優(yōu)勢越明顯。

9/22/202330計算機控制技術(shù)（5）危險集中由于這類系統(tǒng)中一臺計算機控制幾十個回路，所以一旦計算機的軟件或硬件出現(xiàn)故障將會使整個系統(tǒng)癱瘓。DDC系統(tǒng)的計算機直接與生產(chǎn)過程連接，而工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機的可靠運行。因此，不僅需要計算機本身具有較高的可靠性，必須采取抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性，使之能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場

。9/22/202331計算機控制技術(shù)8.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)

9/22/202332計算機控制技術(shù)8.2.1數(shù)字調(diào)節(jié)器簡介數(shù)字調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內(nèi)部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數(shù)字量I/O通道、電源等部分構(gòu)成的一個微型計算機系統(tǒng)。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調(diào)節(jié)器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級控制、前饋控制等。

9/22/202333計算機控制技術(shù)1.數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類（1）數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)用途和性能的差異可以分為以下幾種類型：（1）定程序控制器制造廠把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶只需要通過組態(tài)，不必編寫程序，它適合于典型的對象和通用的生產(chǎn)過程。（2）可編程調(diào)節(jié)器用戶可以從調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供的諸多功能模塊中選擇所需要的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調(diào)節(jié)器按照要求工作。這種調(diào)節(jié)器優(yōu)點是使用靈活，編程方便，缺點是需要編程器，而且需要編程序才能使用，對使用者要求較高。9/22/202334計算機控制技術(shù)1.數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類（2）（3）混合控制器這是一種專為控制混合物成分用的控制器，雖然前兩種控制器也能用在混合工藝中，但不如這種經(jīng)濟方便。（4）批量控制器這是一種常用于液體或粉粒體包裝和定量裝載用的控制器，特別為周期性工作設(shè)計。9/22/202335計算機控制技術(shù)2.數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)模擬調(diào)節(jié)器只是由硬件（模擬元器件）構(gòu)成，它的功能完全由硬件決定，因此其控制功能比較單一；而數(shù)字調(diào)節(jié)器是由微處理器為核心構(gòu)成的硬件電路和有系統(tǒng)程序、用戶程序構(gòu)成的軟件兩大部分組成，其功能主要是由軟件所決定，可以實現(xiàn)不同的控制功能。9/22/202336計算機控制技術(shù)(1)數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件部分圖8.6數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件電路9/22/202337計算機控制技術(shù)(2)數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件數(shù)字調(diào)節(jié)器器的軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。①系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是控制器軟件的主體部分，通常由監(jiān)控程序和功能模塊兩部分組成。監(jiān)控程序使控制器各硬件電路能正常工作并實現(xiàn)所規(guī)定功能，同時完成各組成部分之間的管理。功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以構(gòu)成用戶程序，使控制器實現(xiàn)用戶所規(guī)定的功能。9/22/202338計算機控制技術(shù)②用戶程序用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定的規(guī)則連接起來，其作用是使控制器完成預(yù)定的控制與運算功能。使用者編制程序?qū)嶋H上是完成功能模塊的連接，也即組態(tài)工作。

9/22/202339計算機控制技術(shù)3.數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點（1）運算控制功能強（2）通過軟件實現(xiàn)所需功能（3）帶有自診斷功能（4）帶有數(shù)字通訊功能（5）具有較有好的人機界面9/22/202340計算機控制技術(shù)8.2.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)簡介使用數(shù)字調(diào)節(jié)器不但可以實現(xiàn)單回路控制，還可以實現(xiàn)諸如串級控制、前饋控制、變增益控制等復(fù)雜控制方案。因此，由數(shù)字調(diào)節(jié)器組成的控制回路往往被認為是一個典型的直接數(shù)字控制（DDC）回路。另外，由于數(shù)字調(diào)節(jié)器具有較強的通信功能，上位機可以讀取回路數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置回路參數(shù)。這樣多臺數(shù)字調(diào)節(jié)器與上位機一起就可以構(gòu)成一個中小型的DCS控制系統(tǒng)。

9/22/202341計算機控制技術(shù)數(shù)字調(diào)節(jié)器可以與上位計算機一起組成中小型DCS控制系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)節(jié)器實現(xiàn)回路控制，構(gòu)成獨立的DDC控制，多個數(shù)字調(diào)節(jié)器控制的許多回路都與上位機進行通訊。這種類型的控制系統(tǒng)可如圖8.7所示。通信協(xié)議……計算機數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)器被控對象圖8.7系統(tǒng)的基本構(gòu)成9/22/202342計算機控制技術(shù)8.3基于可編程控制器的計算機控制系統(tǒng)可編程控制器（PLC）是近十幾年發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制器，由于它把計算機的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點與繼電器系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾能力強、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點，因而在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。9/22/202343計算機控制技術(shù)8.3.1PLC簡介1.PLC的特點PLC是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計制造的計算機，它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅(qū)動能力，能夠較好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。9/22/202344計算機控制技術(shù)（1）高可靠性PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離。各模塊均采取屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用優(yōu)良的開關(guān)電源。對采用的器件進行嚴格的篩選。具有完整的監(jiān)視和診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，防止故障擴大。大型PLC還采用由雙CPU構(gòu)成的冗余系統(tǒng)，使可靠性進一步提高。9/22/202345計算機控制技術(shù)（2）功能齊全PLC的基本功能包括：開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出，輔助繼電器，狀態(tài)繼電器，延時繼電器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時器，計數(shù)器，移位寄存器，凸輪控制器，跳轉(zhuǎn)和強制I/O等。PLC的擴展功能有聯(lián)網(wǎng)通信、成組數(shù)據(jù)傳送、PLD閉環(huán)回路控制，排序查表功能，中斷控制及特殊功能函數(shù)運算等功能。PLC有豐富的I/O接口模塊，PLC針對工業(yè)現(xiàn)場信號（如交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或弱電等）都有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接相連。9/22/202346計算機控制技術(shù)（3）應(yīng)用靈活除了單元式小型PLC外，絕大多數(shù)PLC采用標準的積木硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計，使其不僅可以適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場合。9/22/202347計算機控制技術(shù)（4）系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試周期短PLC的安裝和現(xiàn)場接線簡單，可以按積木方式擴充和刪減其系統(tǒng)規(guī)模。由于它的邏輯、控制功能是通過軟件完成的，因此允許設(shè)計人員在沒有購買硬件設(shè)備之前，就進行“軟接線”工作，從而縮短了整個設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試周期。9/22/202348計算機控制技術(shù)（5）操作維修方便PLC采用電氣操作人員習慣的梯形圖形式編程與功能助記符編程，使用戶能十分方便讀懂程序和編寫、修改程序。操作人員經(jīng)短期培訓，就可以使用PLC。其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點狀態(tài)和異常狀態(tài)等均有醒目的顯示。因此，操作人員、維修人員可以及時準確地了解機器故障點，利用替代模塊或插件的辦法迅速排除故障。9/22/202349計算機控制技術(shù)2.PLC的分類(1)按地域范圍PLC一般可分成三個流派：美國流派、歐洲流派和日本流派。這種劃分方法雖然不很科學，但具有實用參考價值。一方面，美國PLC技術(shù)與歐洲PLC技術(shù)基本上是各自獨立開發(fā)而成的，二者表現(xiàn)出明顯的差異性，而日本的PLC技術(shù)是由美國引進的，因此它對美國的PLC技術(shù)既有繼承，也有發(fā)展，而且日本產(chǎn)品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的產(chǎn)品面臨的市場相同，用戶的要求接近，相互借鑒就比較多，技術(shù)滲透得比較深，這都使得同一地域的PLC產(chǎn)品表現(xiàn)出較多的相似性，而不同地域的PLC產(chǎn)品表現(xiàn)出明顯的差異性。9/22/202350計算機控制技術(shù)2.PLC的分類(2)按結(jié)構(gòu)形式可以把PLC分為兩類：一類是CPU、電源、I/O接口、通信接口等都集成在一個機殼內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu)，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列產(chǎn)品，西門子公司的S7-200系列產(chǎn)品。另一類是電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、通信模塊等在結(jié)構(gòu)上是相互獨立的，如圖8.8所示，用戶可根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選擇合適的模塊，安裝固定在機架或?qū)к壣?，?gòu)成一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。9/22/202351計算機控制技術(shù)2.PLC的分類(3)按I/O點數(shù)的多少又可將PLC劃分為超小型PLC（I/O點數(shù)小于64點）、小型PLC（I/O點數(shù)在65～128點）、中型PLC（I/O點數(shù)范圍在129～512點）和大型PLC（I/O點數(shù)范圍在512點以上）等幾種。小型及超小型PLC在結(jié)構(gòu)上一般是一體化形式，主要用于單機自動化及簡單的控制對象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，還增強了數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，可構(gòu)成大規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)，主要用于復(fù)雜程度較高的自動化控制，并在相當程度上替代DCS以實現(xiàn)更廣泛的自動化功能。9/22/202352計算機控制技術(shù)3.PLC的發(fā)展趨勢隨著計算機綜合技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化內(nèi)涵的不斷延伸，PLC的結(jié)構(gòu)和功能也在進行不斷地完善和擴充，實現(xiàn)控制功能和管理功能的結(jié)合，以不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品構(gòu)成開放型的控制系統(tǒng)是主要的發(fā)展理念之一。長期以來PLC走的是專有化的道路，目前絕大多數(shù)PLC不屬于開放系統(tǒng)，尋求開放型的硬件或軟件平臺成了當今PLC的主要發(fā)展目標。就PLC系統(tǒng)而言，現(xiàn)代PLC主要有以下兩種發(fā)展趨勢。9/22/202353計算機控制技術(shù)（1）向大型網(wǎng)絡(luò)化、綜合化方向發(fā)展由于現(xiàn)代工業(yè)自動化的內(nèi)涵已不再局限于某些生產(chǎn)過程的自動化，而是實現(xiàn)信息管理和工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的綜合自動化，強化通信能力和網(wǎng)絡(luò)化功能是PLC發(fā)展的一個重要方面，它主要表現(xiàn)在：向下將多個PLC、遠程I/O站點相連；向上與工業(yè)控制計算機、管理計算機等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。例如：A-B，SIEMENS，MODICON等多數(shù)生產(chǎn)廠家的PLC產(chǎn)品都已具備類似的功能。9/22/202354計算機控制技術(shù)（2）向體積小、速度快、功能強、價格低的小型化方向發(fā)展隨著應(yīng)用范圍的擴大，體積小、速度快、功能強、價格低的PLC廣泛滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域的各個層面。小型化發(fā)展具體表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)上的更新、物理尺寸的縮小、運算速度的提高、網(wǎng)絡(luò)功能的加強、價格的降低，當前小型化PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域具有不可替代的地位。

9/22/202355計算機控制技術(shù)8.3.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理中央處理單元存儲器數(shù)據(jù)存儲器輸出接口地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線照明電磁裝置執(zhí)行機構(gòu)。。。。輸入接口模擬量輸入行程開關(guān)繼電器接點各種開關(guān)9/22/202356計算機控制技術(shù)1.PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的基本組成與一般的微機系統(tǒng)相類似，主要包括：中央處理單元、存儲單元、通信接口、外設(shè)接口、I/O接口等。9/22/202357計算機控制技術(shù)（1）中央處理單元中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。在20世紀70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微處理器芯片的檔次差別很大，因此，不同類型的PLC的CPU所采用的微處理器芯片的檔次相差很大。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的進步和發(fā)展，微處理器價格的下跌，中小型PLC也能使用功能強、速度快的高檔微處理器作為其CPU。

9/22/202358計算機控制技術(shù)(2)存儲器PLC常用的存儲器類型：RAM(RandomAccessMemory)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)FLASHROM9/22/202359計算機控制技術(shù)

(3)電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的可靠的電源，系統(tǒng)還是無法正常工作，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計可和制造也十分重視。不論是小型PLC還是中、大型PLC所采用的電源，其性能都一樣，均能對PLC內(nèi)部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。9/22/202360計算機控制技術(shù)（4）I/O模塊

PLC的I/O模塊式工業(yè)現(xiàn)場種種設(shè)備與PLC之間傳輸信息的接口，包括數(shù)字I/O模塊、模擬I/O模塊和智能I/O模塊。數(shù)字I/O模塊包括數(shù)字量輸入和輸出兩種模塊。模擬量I/O模塊包括模擬量輸入和輸出兩種模塊。智能I/O模塊是完成某些獨立的特定功能的I/O模塊，常用的智能I/O模塊有PID模塊、定位模塊、高速計數(shù)模塊等。9/22/202361計算機控制技術(shù)（5）通信接口模塊通信模塊為PLC之間以及PLC與計算機等智能設(shè)備間提供通信接口。

9/22/202362計算機控制技術(shù)2.PLC的基本工作原理PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶執(zhí)行程序階段，PLC的CPU按由上而下的順序一次掃描用戶程序，并根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果刷新I/O映象寄存器。用戶程序執(zhí)行結(jié)束后進入輸出刷新階段，刷新所有的輸出。9/22/202363計算機控制技術(shù)順序掃描工作方式簡單直觀，便于程序設(shè)計和PLC自身的檢查。具體體現(xiàn)在：PLC掃描到的功能經(jīng)解算后，其結(jié)果馬上就可被后面將要掃描到的功能所利用；可以在PLC內(nèi)設(shè)定一個監(jiān)視定時器，用來監(jiān)視每次掃描的時間是否超過規(guī)定值，避免由于PLC內(nèi)部CPU故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般小型PLC采用固定的掃描順序，大中型PLC采用可變的掃描順序。9/22/202364計算機控制技術(shù)8.3.3基于PLC的計算機控制系統(tǒng)簡介由于PLC具有諸多優(yōu)點，使得PLC應(yīng)用十分廣泛。現(xiàn)在，PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用在鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車裝卸等各行各業(yè)。9/22/202365計算機控制技術(shù)1.基于PLC的計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

（1）用于開關(guān)邏輯控制（2）用于機械加工的數(shù)字控制（3）用于機器人控制（4）用于閉環(huán)過程控制（5）用于實現(xiàn)工廠的無人化管理9/22/202366計算機控制技術(shù)2.PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計原則及內(nèi)容（1）PLC系統(tǒng)的設(shè)計原則關(guān)于PLC系統(tǒng)的設(shè)計原則往往涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計原則可以歸納為四點：①最大限度地滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機械設(shè)備的控制要求。②確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。③力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。④適當考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。9/22/202367計算機控制技術(shù)（2）PLC系統(tǒng)設(shè)計包含的內(nèi)容PLC的種類很多，不同類型的PLC在性能、適用領(lǐng)域等方面是有差異的，它們在設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計方法上也會有所不同，通常還與設(shè)計人員習慣的設(shè)計規(guī)范及實踐經(jīng)驗有關(guān)。但是，所有設(shè)計方法要解決的基本問題是相同的，下面是PLC系統(tǒng)設(shè)計所要完成的一般性內(nèi)容：9/22/202368計算機控制技術(shù)①分析被控對象的工藝特點和要求，擬定PLC系統(tǒng)的控制功能和設(shè)計目標；②細化PLC系統(tǒng)的技術(shù)要求，如I/0接口數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式、安裝位置等等；③PLC系統(tǒng)的選型，包括CPU、I/O模塊、接口模塊等等；④編制I/0分配表和PLC系統(tǒng)及其與現(xiàn)場儀表的接線圖；⑤根據(jù)系統(tǒng)要求編制軟件規(guī)格說明書，開發(fā)PLC應(yīng)用軟件；⑥編寫設(shè)計說明書和使用說明書；⑦系統(tǒng)安裝、調(diào)試和投運。9/22/202369計算機控制技術(shù)3.PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計設(shè)計一個良好的控制系統(tǒng)，第一步就是需要對被控生產(chǎn)對象的工藝過程和特點做深入的了解，這也是現(xiàn)場儀表選型與安裝、控制目標確定、系統(tǒng)配置的前提。一個復(fù)雜的生產(chǎn)工藝過程，通?？梢苑纸鉃槿舾蓚€工序，而每個工序往往又可分解為若干個具體步驟，這樣做可以把復(fù)雜的控制任務(wù)明確化、簡單化、清晰化，有助于明確系統(tǒng)中各PLC及PLC中I/O的配置，合理分配系統(tǒng)的軟硬件資源。9/22/202370計算機控制技術(shù)第二步需要創(chuàng)建設(shè)計任務(wù)書，設(shè)計任務(wù)書實際上就是對技術(shù)要求的細化，把各部分必須具備的功能和實現(xiàn)方法以書面形式描述出來。設(shè)計任務(wù)書是進行設(shè)備選型、硬件配置、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試的重要技術(shù)依據(jù)，若在PLC系統(tǒng)的開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)不合理的方面，需要及時進行修正。通常，設(shè)計任務(wù)書要包括以下各項內(nèi)容：9/22/202371計算機控制技術(shù)①數(shù)字量輸入總點數(shù)及端口分配；②數(shù)字量輸出總點數(shù)及端口分配；③模擬量輸入通道總數(shù)及端口分配；④模擬量輸出通道總數(shù)及端口分配；⑤特殊功能總數(shù)及類型；⑥PLC功能的劃分以及各PLC的分布與距離；⑦對通信能力的要求及通信距離。9/22/202372計算機控制技術(shù)第三步需要在滿足控制要求的前提下，對系統(tǒng)所涉及的硬件設(shè)備進行選型。PLC硬件設(shè)備的選型應(yīng)該追求最佳的性能價格比。硬件設(shè)備的選型主要包括CPU、I/O配置、通訊、電源等方面進行考慮。9/22/202373計算機控制技術(shù)第四步需要設(shè)計安全回路。安全回路是能夠獨立于PLC系統(tǒng)運行的應(yīng)急控制回路或后備手操系統(tǒng)。安全回路一般以確保人身安全為第一目標、保證設(shè)備運行安全為第二目標進行設(shè)計，這在很多國家和國際組織發(fā)表的技術(shù)標準中均有明確的規(guī)定。一般來說，安全回路在以下幾種情況下將發(fā)揮安全保護作用：設(shè)備發(fā)生緊急異常狀態(tài)時；PLC失控時；操作人員需要緊急干預(yù)時。9/22/202374計算機控制技術(shù)4.PLC的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計PLC用戶程序的設(shè)計過程可分為兩個階段，即前期工作和應(yīng)用軟件的開發(fā)和調(diào)試。在軟件設(shè)計過程中，前期工作內(nèi)容往往會被設(shè)計人員所忽視，事實上這些工作對提高軟件的開發(fā)效率、保證應(yīng)用軟件的可維護性、縮短調(diào)試周期都是非常必要的，特別是對較大規(guī)模的PLC系統(tǒng)更是如此。9/22/202375計算機控制技術(shù)（1）前期工作前期工作主要包括制定控制方案、制定抗干擾措施、編制I/0分配表、確定程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、定義軟件模塊的功能。（2）應(yīng)用軟件的開發(fā)和調(diào)試根據(jù)功能的不同，PLC應(yīng)用軟件可以分為基本控制程序、中斷處理程序和通信服務(wù)程序三個部分。其中基本控制程序是整個應(yīng)用軟件的主體，它包括信號采集、信號濾波、控制運算、結(jié)果輸出等內(nèi)容。對于整個應(yīng)用軟件來說，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是程序設(shè)計的主要內(nèi)容。合理的程序結(jié)構(gòu)不僅決定著應(yīng)用程序的編程質(zhì)量，而且還對編程周期、調(diào)試周期、可維護性都有很大的影響。9/22/202376計算機控制技術(shù)（2）應(yīng)用軟件的開發(fā)和調(diào)試

根據(jù)功能的不同，PLC應(yīng)用軟件可以分為基本控制程序、中斷處理程序和通信服務(wù)程序三個部分。其中基本控制程序是整個應(yīng)用軟件的主體，它包括信號采集、信號濾波、控制運算、結(jié)果輸出等內(nèi)容。對于整個應(yīng)用軟件來說，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是程序設(shè)計的主要內(nèi)容。合理的程序結(jié)構(gòu)不僅決定著應(yīng)用程序的編程質(zhì)量，而且還對編程周期、調(diào)試周期、可維護性都有很大的影響。9/22/202377計算機控制技術(shù)8.4基于嵌入式系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般來講，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用得到了廣泛的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到了信息家電、手持機、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域，本節(jié)對嵌入式系統(tǒng)的概念、軟硬件技術(shù)以及由其組成的控制系統(tǒng)進行簡要介紹。9/22/202378計算機控制技術(shù)8.4.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌人式系統(tǒng)概念的由來1976年，Intel公司推出了8048，稱為單片機（SCC，SingleChipComputer）。這個只有1KBROM和64BRAM的簡單芯片成為世界上第一個單片機，開創(chuàng)了將微處理機系統(tǒng)的各種CPU外的資源，如：ROM、RAM、定時器、I/O端口、串行通信接口及其他各種外圍功能模塊集成到單個芯片的時代?，F(xiàn)在單片機已經(jīng)成為一個十分龐大的家族，許多新出現(xiàn)的單片機也稱為嵌入式微處理器，專門面向嵌入式應(yīng)用。9/22/202379計算機控制技術(shù)針對特定應(yīng)用、特定功能開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)與所嵌入的應(yīng)用環(huán)境成為一個統(tǒng)一的整體，并且往往有緊湊、高可靠性、實時性好、低功耗等技術(shù)要求。這樣一種應(yīng)用目標使得這一應(yīng)用領(lǐng)域要去研究它的獨特的設(shè)計方法和開發(fā)技術(shù)，這就是今天嵌入式系統(tǒng)這一名稱的含義，也是嵌入式系統(tǒng)成為一個相對獨立的計算機研究領(lǐng)域的原因。9/22/202380計算機控制技術(shù)2.嵌入式系統(tǒng)的特點(1)（1）專用性強嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。（2）精簡設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。9/22/202381計算機控制技術(shù)2.嵌入式系統(tǒng)的特點(2)（3）系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB，而Windows的內(nèi)核則要大得多。（4）嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運行，但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，合理利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real-TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。9/22/202382計算機控制技術(shù)（5）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。（6）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。9/22/202383計算機控制技術(shù)3.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(1)（1）工業(yè)控制基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設(shè)備具有很大的發(fā)展空間，目前己經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器應(yīng)用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域。（2）交通管理在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。9/22/202384計算機控制技術(shù)3.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(2)（3）信息家電這將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。（4）家庭智能管理系統(tǒng)水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有專用控制芯片的智能儀表將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)更高、更準確和更安全的性能。9/22/202385計算機控制技術(shù)3.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(3)（5）POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)公共交通非接觸式智能卡發(fā)行系統(tǒng)、公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)、自動售貨機、各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可行遍天下。（6）環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測包括水文資料實時監(jiān)測、防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全、地震監(jiān)測網(wǎng)、實時氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測。9/22/202386計算機控制技術(shù)（7）機器人嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化、高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。除了以上這些應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)還有其他方面的應(yīng)用。可以說，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進入到現(xiàn)代社會人們生活的方方面面，尤其在控制方面的應(yīng)用。所以，開發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。9/22/202387計算機控制技術(shù)8.4.2嵌入式系統(tǒng)的硬件從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU,MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都開始大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計處理器也已經(jīng)成了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA，品種越來越多，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：9/22/202388計算機控制技術(shù)1.嵌入式微控制器（Micro-ControllerUnit,MCU）嵌入式微控制器芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM，RAM，總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串口、脈寬調(diào)制輸出、A/D,D/A，F(xiàn)lash,EEPROM等各種必要功能接口和外設(shè)。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。由于MCU低廉的價格、優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051,MCS-251,MCS-96/196/296,P51XA以及MCU8XC930/931,C540,C541，并且有支持IC,CAN-BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。9/22/202389計算機控制技術(shù)2.嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在20世紀70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。9/22/202390計算機控制技術(shù)嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應(yīng)較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前流行的嵌入式處理器很多，主要類型有Am186/88，386EX，SC-400，PowerPC，68000，MIPS，ARM/StrongARM系列等。其中ARM/StrongARM是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔價位。9/22/202391計算機控制技術(shù)4.嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip,SoC）

片上系統(tǒng)SOC是單一芯片上集成諸如MCU、RAM、DMA、I/O等多個部件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，只需要使用精確的硬件描述語言，直接生成可以交付芯片生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)表文件。由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，現(xiàn)在許多專用芯片，如手持機、語音、加密等芯片多為SOC芯片。比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的SmartXA。9/22/202392計算機控制技術(shù)8.4.3嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)是一個應(yīng)用系統(tǒng)，它應(yīng)該是一個硬件和軟件的統(tǒng)一體。而軟件在嵌入式系統(tǒng)中將占有更為重要的位置。嵌入式系統(tǒng)的軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩個層次。當應(yīng)用問題較為簡單時，也許不必有很清晰的軟件分層。

9/22/202393計算機控制技術(shù)1.主要流行的嵌入式操作系統(tǒng)對于嵌入式系統(tǒng)，它比通用計算機具有更簡單的結(jié)構(gòu)。它很可能不配置CRT顯示器，不需要文件系統(tǒng)，由于內(nèi)存空間較小也沒有存儲器管理功能。同時，嵌入式系統(tǒng)總是希望加載的操作系統(tǒng)軟件不能占據(jù)過大的內(nèi)存空間，不能消耗過多的系統(tǒng)軟硬件資源。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，除了對于縮減PC系統(tǒng)目前仍采用DOS等PC上的流行操作航以外，基本上有兩大趨勢：一類是面向高級單片的，另一類是針對8位、16位單片機。以下是幾個目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)。9/22/202394計算機控制技術(shù)（1）LinuxLinux已經(jīng)成為Windows系統(tǒng)問世以來最熱門的操作系統(tǒng)之一。它的開放性使眾多的情開發(fā)者為它打造了非常堅實的基礎(chǔ)。同時，它也派生出眾多的類似系統(tǒng)。（2）μCLinuxμCLinux是一個縮減的Linux系統(tǒng)，特別適合于用在不需要內(nèi)存管理的高級單片嵌入尤系統(tǒng)上。類似于μClinux的Linux操作系統(tǒng)的縮減版本，現(xiàn)在越來越多。相信經(jīng)過一段時廚的實踐檢驗，會優(yōu)選出理想的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。（3）eCOSeCOS是一個代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的系統(tǒng)功能和應(yīng)用支持，可以在許多高級單片上運行。9/22/202395計算機控制技術(shù)（4）WindowsCEWindowsCE是Windows的嵌入式系統(tǒng)版本，具有類似Windows風格的用戶界面，可以與Windows環(huán)境下的軟件很方便地接口。但是，它的代碼是不開放的。（5）VxWorks

VxWorks是一個功能完善的嵌入式操作系統(tǒng)，但是它的代碼也是不開放的。（6）RTX5lRTX51是專門針對8051設(shè)計的操作系統(tǒng)，代碼緊湊、體積小巧。已經(jīng)在很多應(yīng)用中證明這是一個成功的8位單片機的操作系統(tǒng)，代碼完全開放。9/22/202396計算機控制技術(shù)（7）μC/OSμC/OS是一個特殊風格的嵌入式操作系統(tǒng)，它有多種版本，可以適應(yīng)從x86到8051的各種不同類型不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，代碼開放。但是，它的一些改進版本，開始放棄代碼開放的原則。如果只是針對8051系列構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)，顯然可以選擇的合適的操作系統(tǒng)只有RTX51和μC/OS等少數(shù)幾種。這幾種操作系統(tǒng)主要是由于受到8051本身資源的限制，功能都相對較為簡單。但是，它們開放的源代碼和較小的代碼量，也給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者提供了徹底掌握這一操作系統(tǒng)的條件。9/22/202397計算機控制技術(shù)2.嵌入式操作系統(tǒng)的功能在操作系統(tǒng)的支持下，應(yīng)用軟件可以通過操作系統(tǒng)來與硬件打交道。這為嵌入式系統(tǒng)脫離特定的硬件環(huán)境提供了條件，也使得軟件的可靠性、安全性增加了。利用操作系統(tǒng)軟件的特權(quán)性，可以保證嵌入式系統(tǒng)始終工作在有效控制之下。操作系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面。9/22/202398計算機控制技術(shù)（1）進程管理進程是一個運行中的程序。在操作系統(tǒng)中，進程具有獨立性。多個進程在操作系統(tǒng)的調(diào)度下，分時、并發(fā)地運行。這樣的結(jié)構(gòu)，使得軟件的開發(fā)可以按相對簡捷的功能模塊分別進行；可以利用一種所謂的信號燈機制，實現(xiàn)各個進程之間的通信，分配進程對各種資源的占用；可以利用進程調(diào)度，避免系統(tǒng)陷入死循環(huán)或崩潰；可以將進程設(shè)置為不同的優(yōu)先級別，例如系統(tǒng)級或用戶級，來保證系統(tǒng)的安全性。9/22/202399計算機控制技術(shù)（2）內(nèi)存管理內(nèi)存管理是將計算機的內(nèi)存分成若干頁面，對各個頁面賦予不同的特性和訪問邏輯地址。利用內(nèi)存頁的不同特性，可以實現(xiàn)不同的訪問特性。例如，可以為特殊的任務(wù)分配特定的內(nèi)存頁，同時也避免了其他任務(wù)侵入這一內(nèi)存頁。由于內(nèi)存訪問的實時性，這種頁面的分配是由硬件實現(xiàn)的。一般來說，是依賴于CPU的支持來實現(xiàn)的。

9/22/2023100計算機控制技術(shù)（3）文件系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的一個特殊組成部分。文件系統(tǒng)將計算機管理的大量數(shù)據(jù)以特定的結(jié)構(gòu)保存在存儲系統(tǒng)中，這個特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是文件。文件系統(tǒng)一般建立在外存儲器中，如磁盤、磁帶、光盤等等，以滿足數(shù)據(jù)容量的要求。但是，在特殊的情況下，文件系統(tǒng)也可以建立在計算機的內(nèi)存中。9/22/2023101計算機控制技術(shù)（4）設(shè)備驅(qū)動程序在操作系統(tǒng)的管理下，應(yīng)用程序不必要也不應(yīng)該與底層的各種設(shè)備直接打交道。應(yīng)用程序可以經(jīng)過操作系統(tǒng)提供的設(shè)備管理手段，即設(shè)備驅(qū)動程序，來使用系統(tǒng)的設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序一般包括對設(shè)備的初始化，檢查設(shè)備狀態(tài)，控制設(shè)備動作，對設(shè)備進行讀寫操作等功能。9/22/2023102計算機控制技術(shù)（5）系統(tǒng)調(diào)用一個操作系統(tǒng)的各項功能，往往通過一系列應(yīng)用軟件可引用的程序模塊來實現(xiàn)，稱為系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)或應(yīng)用編程接口。這些系統(tǒng)調(diào)用模塊經(jīng)過比較嚴格的測試和實用考驗，用它們作為整個應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。9/22/2023103計算機控制技術(shù)8.4.4基于嵌入式系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的主要設(shè)計方法（1）仿真器從微處理機誕生至今，開發(fā)方式一直沿用的是仿真器技術(shù)，即利用一臺仿真器，模擬取代應(yīng)用系統(tǒng)的部分電路，可能是CPU，可能是程序存儲器，也可能是某幾個部分電路的組合。通過調(diào)試主機對取代電路的控制，可以獲得程序運行過程的狀態(tài)，可以控制程序運行的走向，從而達到調(diào)試的目的。這種開發(fā)方式，也較為適用于可以插拔的單片機芯片，對于表面貼裝的芯片往往難以實現(xiàn)仿真器與調(diào)試樣機的方便連接。9/22/2023104計算機控制技術(shù)（2）BOOTROM這種方式是在嵌入式系統(tǒng)中事先駐留一個ROM引導(dǎo)程序，一般稱為BOOT。開機后首先運行BOOT程序，實現(xiàn)與調(diào)試主機的聯(lián)機。有的單片機也采用特殊的系統(tǒng)復(fù)位啟動過程來激活駐留的BOOT程序。利用BOOT程序，嵌入式系統(tǒng)可以通過經(jīng)通信接口的下載來獲得系統(tǒng)的全部程序。BOOT程序一般在完成下載任務(wù)后，就將系統(tǒng)的控制權(quán)交給下載生成的系統(tǒng)程序，并且不再起作用了。BOOTROM方式要求嵌入式系統(tǒng)必須起碼保證能夠運行BOOT程序，能夠?qū)崿F(xiàn)代碼下載功能，這樣才能保證后續(xù)程序調(diào)試過程的進行。9/22/2023105計算機控制技術(shù)（3）JTAG接口所謂JTAG技術(shù)，最初是一種測試技術(shù)。它通過一個標準接口，用串行方式來設(shè)置和獲得元件的輸入和輸出信號，從而實現(xiàn)對元件初始狀態(tài)的控制和運行狀態(tài)的判斷。這個標準接口就稱之為JTAG接口，基本引腳有4個。由于巧妙的設(shè)計，具有JTAG接口的元件可以將各自的JTAG接口串聯(lián)起來，最終的接口引腳仍然是4個。因此，系統(tǒng)內(nèi)的多個具有JTAG接口的元件，最終可以只用一個4個引腳的JTAG接口來實現(xiàn)全部功能。利用JTAG技術(shù)可以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試，目前常用的方式，往往只需要利用一臺PC作為調(diào)試主機，利用PC的打印機接口控制信號，經(jīng)過邏輯組合來產(chǎn)生直接與嵌入式系統(tǒng)連接的JTAG接口。9/22/2023106計算機控制技術(shù)2.嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下的調(diào)試

開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)，與在一個通用微機上的開發(fā)工作是不同的。由于硬件及軟件上的不可靠因素，新設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)往往要經(jīng)過細致的時序分析來排除硬件故障，這是一項費時費力的開發(fā)工作。在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)，為避免這一工作提供了條件。在一個共同的操作系統(tǒng)平臺上，多進程程序設(shè)計、團隊式開發(fā)組織都成為可能。當引入了操作系統(tǒng)的進程概念，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用功能實現(xiàn)就可以分解成許多相對獨立的進程，在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下完成系統(tǒng)的應(yīng)用目標。這些進程的設(shè)計、調(diào)試可以相對獨立地進行，通過多人的協(xié)同作戰(zhàn)來提高開發(fā)效率。9/22/2023107計算機控制技術(shù)3.目前常用的幾種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計風格（1）縮減PC系統(tǒng)所謂縮減PC系統(tǒng)，是指利用PC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)，例如利用PCI04模塊構(gòu)成工業(yè)控制裝置就是比較典型的設(shè)計。這種設(shè)計是建立在技術(shù)上已非常成熟的PC的體系結(jié)構(gòu)之上的，它的硬件環(huán)境往往是一臺單板化的PC系統(tǒng)。利用DOS或Windows操作系統(tǒng)為應(yīng)用軟件提供平臺。但是這樣的設(shè)計目前尚難以實現(xiàn)滿足小體積、低功耗、低成本等嵌入式系統(tǒng)的常見技術(shù)要求。

9/22/2023108計算機控制技術(shù)（2）高級單片系統(tǒng)所謂高級單片系統(tǒng)，是指那些準備加載Linux操作系統(tǒng)或類Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。它的硬件構(gòu)成的核心是一個集成了豐富功能的單一芯片，一般數(shù)據(jù)寬度往往是32位。它已經(jīng)包含了幾乎全部的系統(tǒng)硬件，使得只需再增加很少幾個器件，如存儲器芯片，即可構(gòu)成全部系統(tǒng)。生產(chǎn)高級單片的廠家及型號越來越多，典型的是以ARM或MIPS內(nèi)核為核心的單片機。采用高級單片的設(shè)計，大都取Linux或類Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件，向應(yīng)用軟件提供C語言開發(fā)平臺。在Linux操作系統(tǒng)的支持下，系統(tǒng)的可靠性可以得到保證。操作系統(tǒng)帶來的優(yōu)點可以大大提高系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)效率。由于Linux的開放性，可以利用的資源也非常豐富。9/22/2023109計算機控制技術(shù)（3）單片機系統(tǒng)目前稱之為單片機的，是指一些8位或16位數(shù)據(jù)寬度、尋址空間較小的芯片。相對來說，它們的處理能力較弱。但是，它們的優(yōu)點也是不容忽視的，如：低成本、低功耗，片上集成的外圍模塊功能豐富而實用等。在應(yīng)用需求恰如其分的場合，選擇它們絕對是合理的。單片機的軟件一般應(yīng)該分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件處于底層硬件和高層應(yīng)用軟件之間。但是，單片機的資源有限，設(shè)計者必須在系統(tǒng)軟件的功能與構(gòu)成系統(tǒng)軟件的軟硬件開銷之間，仔細地尋求平衡。9/22/2023110計算機控制技術(shù)8.5分散控制系統(tǒng)（DCS）分散型計算機控制系統(tǒng)又名分布式計算機控制系統(tǒng)，簡稱分散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem即DCS），國內(nèi)更多的叫做集散控制系統(tǒng)。先進的分散型控制系統(tǒng)將以計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）為目標，以新的控制方法、現(xiàn)場總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，為用戶實現(xiàn)過程控制自動化相結(jié)合的管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。分散型控制系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設(shè)計原則。本節(jié)將概述DCS的特點、發(fā)展趨勢以及其體系結(jié)構(gòu)，讓讀者對DCS有初步的了解。9/22/2023111計算機控制技術(shù)8.5.1DCS的分層體系DCS按功能分層的層次結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了其分散控制和集中管理的設(shè)計思想。DCS從下至上依次分為直接控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層，如圖8.13所示。9/22/2023112計算機控制技術(shù)圖8.13DCS的層次結(jié)構(gòu)9/22/2023113計算機控制技術(shù)1.DCS的直接控制層

直接控制層是DCS的基礎(chǔ)，其主要設(shè)備是過程控制站（PCS）,PCS主要由輸入輸出單元（IOU）和過程控制單元（PCU）兩部分組成。輸入輸出單元（IOU）直接與生產(chǎn)過程的信號傳感器、變送器和執(zhí)行器連接，其功能一是采集反應(yīng)生產(chǎn)狀況的過程變量和狀態(tài)變量，并進行數(shù)據(jù)處理；二是向生產(chǎn)現(xiàn)場的執(zhí)行器傳送模擬量操作信號和數(shù)字量操作信號。過程控制單元下與IOU連接，上與控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）連接，其功能一是直接數(shù)字控制（DDC）；二是與控制網(wǎng)絡(luò)通信，以便操作監(jiān)控層對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和操作；三是進行安全冗余處理，一旦發(fā)現(xiàn)PCS硬件或軟件故障，就立即切換到備用件，保證系統(tǒng)步間斷地安全運行。9/22/2023114計算機控制技術(shù)2.DCS的操作監(jiān)控層操作監(jiān)控層是DCS的中心，其主要設(shè)備是操作員站、工程師站、監(jiān)控計算機站和計算機網(wǎng)關(guān)。操作員站供工藝操作員對生產(chǎn)工程進行監(jiān)視、操作和管理。工程師站（ES）供計算機工程師對DCS進行系統(tǒng)生成和診斷維護；供控制工程師進行控制回路組態(tài)、人機界面繪制、報表制作和特殊軟件編制。監(jiān)控計算機站（SCS）用來建立生成過程的數(shù)學模型，實施高等過程控制策略，實現(xiàn)裝置級的優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制；并對生產(chǎn)過程進行故障診斷、預(yù)報和分析，保證安全生產(chǎn)。計算機網(wǎng)關(guān)（CGI）用作控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）之間相互通信。9/22/2023115計算機控制技術(shù)3.DCS的生產(chǎn)管理層生產(chǎn)管理層的只要設(shè)備是生產(chǎn)管理計算機（manufactorymanagementcomputer,MMC）,一般由一臺中型機和若干臺微型機組成。該層處于工廠級，根據(jù)訂貨量、庫存量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)原料和能源供應(yīng)情況及時制定全廠的生產(chǎn)計劃，并分解落實到生產(chǎn)車間或裝置；另外還要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時協(xié)調(diào)全廠的生產(chǎn)，進行生產(chǎn)調(diào)度和科學管理，使全廠的生產(chǎn)始終處于最佳狀態(tài)，并能應(yīng)付不可預(yù)測的事件。計算機網(wǎng)關(guān)（CG2）用作生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）和決策管理網(wǎng)絡(luò)（DNET）之間相互通信。9/22/2023116計算機控制技術(shù)4.DCS的決策管理層決策管理層的主要設(shè)備使決策管理計算機（decisionmanagementcomputer,DMC），一般由一臺大型機、幾臺中型機、若干臺微型機組成。該層處于公司級，管理公司的生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、技術(shù)、計劃、市場、財務(wù)、人事、后勤等部門。通過收集各部門的信息，進行綜合分析，實時作出決策，協(xié)助各級管理人員指揮調(diào)度，使公司各部門的工作處于最佳運行狀態(tài)。另外還協(xié)助公司經(jīng)理制定中長期生產(chǎn)計劃和遠景規(guī)劃。9/22/2023117計算機控制技術(shù)目前世界上有多種DCS產(chǎn)品，具有定型產(chǎn)品供用戶選擇的一般僅限于直接控制層和操作監(jiān)控層。其原因是下面兩層有固定的輸入、輸出、控制、操作和監(jiān)控模式，而上面兩層的體系結(jié)構(gòu)因企業(yè)而異，生產(chǎn)管理與決策管理方式也因企業(yè)而異，因而上面兩層要針對各企業(yè)的要求分別設(shè)計和配置系統(tǒng)。9/22/2023118計算機控制技術(shù)8.5.2DCS的硬件結(jié)構(gòu)DCS硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，可靈活地配置成小、中、大系統(tǒng)；另外，還可以根據(jù)企業(yè)的財力或生產(chǎn)要求，逐步擴展系統(tǒng)和增加功能。DCS控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）上的各類結(jié)點數(shù)，即過程控制站（PCS）、操作員站（OS）、工程師站（ES）和監(jiān)控計算機站（SCS）的數(shù)量，可按生產(chǎn)要求和用戶需要靈活地配置，如圖8.14所示；另外，還可靈活地配置每個結(jié)點的硬件資源，如內(nèi)存容量、硬盤容量和外部設(shè)備種類等。9/22/2023119計算機控制技術(shù)圖8.14過程控制站（PCS）的硬件結(jié)構(gòu)9/22/2023120計算機控制技術(shù)1.DCS控制站的硬件結(jié)構(gòu)控制站（CS）或過程控制站（PCS）主要由輸入輸出單元（IOU）、過程控制單元（PCU）和電源三部分組成，如圖8.13所示。9/22/2023121計算機控制技術(shù)過程控制單元（PCU）是PCS的核心，并且是PCS的基本配置，主要由控制處理器板、輸入輸出接口處理器板、通信處理器板、冗余處理器板組成?？刂铺幚砥靼骞δ苁沁\算、控制和實時數(shù)據(jù)處理；輸入輸出接口處理器板是PCU和IOP之間的接口；通信處理器板是PCS與控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）的通信網(wǎng)卡，實現(xiàn)PCS與CNET之間的信息交換；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余處理器板承擔PCU和IOU的故障分析與切換功能。上述4快板的物理劃分因DCS而異，可以分為4、3、2塊，甚至合并為1塊。9/22/2023122計算機控制技術(shù)輸入輸出單元（IOU）是PCS的基礎(chǔ)，由各種類型的輸入輸出處理板（IOP）組成，如模擬量輸入板（4mA～20mADC,0～5VDC）、熱電偶輸入板、熱電偶輸入板、脈沖量輸入板、數(shù)字量輸入板、模擬量輸入板（4mA～20mADC）、數(shù)字量輸出板和串行通信接口板等。這些輸入輸出處理板的類型和數(shù)量可按生產(chǎn)過程信號類型和數(shù)量來配置；另外，與每塊輸入輸出處理板配套的還有信號調(diào)整板（signalconditionercard,SCC）和信號端子板（signalterminalcard,STC）,其中SCC用作信號隔離、放大或驅(qū)動，STC用作信號接線。上述IOP、SCC和STC的物理劃分因DCS而異，有的劃分為三塊板結(jié)構(gòu)；有的劃分為兩塊板結(jié)構(gòu)，即IOP和SCC合并，外加一塊STC；有的將IOP,SCC和STC三者合并一塊物理模樣，并附有接線端子。9/22/2023123計算機控制技術(shù)

2.DCS操作員站的硬件結(jié)構(gòu)操作員站（OS）為32位（或64位）微處理機或小型機，主要由主機、彩色顯示器（CRT）、操作員專用鍵盤和打印機等組成。其中主機的內(nèi)存容量、硬盤容量可由用戶選擇，彩色CRT可選觸屏式或非觸屏式，分辨率也可選擇，一般用工業(yè)PC機（IPC）或工作站做OS主機，個別DCS制造廠配專用OS主機，前者是發(fā)展趨勢，這樣可增強操作員站的通用性及靈活性。

9/22/2023124計算機控制技術(shù)3.DCS工程師站的硬件結(jié)構(gòu)工程師站（ES）為32位或64位小型機和高檔微型機，主要由主機、彩色顯示器（CRT）、鍵盤、打印機等組成，其中主機的內(nèi)存容量、硬盤容量、CD或磁帶機為外部設(shè)備均可由用戶選擇。一般DCS的直接控制層和操作監(jiān)控層的設(shè)備（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型產(chǎn)品供用戶選擇，即DCS制造廠為這兩層提供了各種類型的配套設(shè)備。惟有生產(chǎn)管理層和決策層的設(shè)備無定型產(chǎn)品，一般由用戶自行配置，當然要由DCS制造廠提供控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）之間的硬、軟件接口，即計算機網(wǎng)關(guān)（CG1）。9/22/2023125計算機控制技術(shù)8.5.3DCS的軟件技術(shù)DCS的組態(tài)軟件DCS的組態(tài)功能從廣義范疇講，可以分為兩個主要方面：硬件組態(tài)和軟件組態(tài)。硬件組組態(tài)主要是根據(jù)現(xiàn)場的使用要求來確定硬件的模塊化配置，常見的內(nèi)容包括操作站（工程師站和操作員站）的選擇、現(xiàn)場控制站的配置以及電源的選擇。軟件組態(tài)的內(nèi)容比硬件組態(tài)要多得多，一般包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件組態(tài)。DCS的組態(tài)功能是否強大和方便時期能否為用戶接受的重要原因。9/22/2023126計算機控制技術(shù)2.DCS的操作軟件一般來講，操作站要完成實時數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)存儲和管理、控制回路調(diào)節(jié)和顯示、生產(chǎn)工藝流程畫面顯示、系統(tǒng)狀態(tài)、趨勢顯示以及生產(chǎn)記錄的打印和管理等功能，實現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵就是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理。9/22/2023127計算機控制技術(shù)（1）操作站的軟件系統(tǒng)都是以實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為核心

實時多任務(wù)操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)的最大區(qū)別就是實時多任務(wù)執(zhí)行核心，它為計算機硬件和在其上運行的軟件提供了邏輯接口（LogicInterface）以及任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、資源管理等功能。它應(yīng)具有下列實時特征。①異步事件響應(yīng)②任務(wù)切換能力③中斷響應(yīng)能力④優(yōu)先級中斷和調(diào)度⑤強占式調(diào)度能力⑥同步能力9/22/2023128計算機控制技術(shù)（2）實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)是DCS最基本的資源，DCS的實時數(shù)據(jù)庫是全局數(shù)據(jù)庫，通常采用分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在不同層次上采用的結(jié)構(gòu)不同。在現(xiàn)場控制站上存儲該站所用的各種點記錄的全記錄信息。操作站的實時數(shù)據(jù)庫由實時數(shù)據(jù)和管理程序兩部分組成。實時數(shù)據(jù)部分由數(shù)據(jù)庫生成軟件生成，通過網(wǎng)絡(luò)下載到現(xiàn)場控制站，將各點的完整記錄只存放在現(xiàn)場控制站中，而點值與點狀態(tài)等部分信息存放在操作站數(shù)據(jù)庫中。管理程序負責對實時數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理（如備份、下載等）以及處理其它任務(wù)對實時數(shù)據(jù)的實時請求，井將其它任務(wù)對現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)請求轉(zhuǎn)換成標準格式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)通信管理任務(wù)。

9/22/2023129計算機控制技術(shù)（3）歷史數(shù)據(jù)庫為了便于操作人員或工程師對系統(tǒng)各點進行變化趨勢分析以及管理人員對系統(tǒng)進行綜合分析，必須在操作站上建立一個歷史數(shù)據(jù)庫將一段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)存儲起來。為了適應(yīng)不同