計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)課件

第六章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述概述計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫第二節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件概述組態(tài)軟件控制軟件商品化的工業(yè)控制軟件簡介第三節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術(shù)系統(tǒng)供電與接地技術(shù)看門狗（Watchdog）及其電源掉電檢測技術(shù)第一節(jié)

Unit

1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述

Introduction

of

ComputerControl

System

Software概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件功能計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫6-1-1

概述（1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)軟件工具軟件應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)收集部分?jǐn)?shù)據(jù)分析部分監(jiān)督部分輸出控制部分6-1-1

概述（2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺和操作平臺應(yīng)用軟件第一級(控制級）：監(jiān)控平臺軟件、基本控制軟件、

先進(jìn)控制軟件、約束控制軟件、操作優(yōu)化軟件第二級（管理級）：最優(yōu)調(diào)度軟件和企業(yè)計(jì)劃決策軟件等6-1-1

概述（3）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件功能控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的功能實(shí)時數(shù)據(jù)采集閉環(huán)控制輸出邏輯控制操控界面：報(bào)警監(jiān)視、畫面顯示和報(bào)表輸出可靠性措施：自診斷、掉電處理、備份維護(hù)信息管理：文件管理、數(shù)據(jù)庫、趨勢、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)通信應(yīng)用功能：滿足用戶需求的各種監(jiān)管功能（如報(bào)表生成、消息

發(fā)布、電子商務(wù)）6-1-2

操作系統(tǒng)（1）操作系統(tǒng)的功能與任務(wù)操作系統(tǒng)主要目的是控制與管理

計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源。合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，方便各種用戶使用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)軟件的構(gòu)成示意圖6-1-2

操作系統(tǒng)（2）操作系統(tǒng)的功能作業(yè)(job)管理：“脫機(jī)”和“聯(lián)機(jī)”兩種方式處理機(jī)（CPU）管理：作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度存儲管理：內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存擴(kuò)充（虛擬內(nèi)存）設(shè)備管理：設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動、虛擬設(shè)備文件管理：文件存儲與檢索、文件操作、文件保護(hù)與控制6-1-2

操作系統(tǒng)（3）操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)按功能分類批處理操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)實(shí)時操作系統(tǒng)按計(jì)算機(jī)配置分類：大型機(jī)和微機(jī)、單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按用戶/任務(wù)分類單/多用戶，單/多任務(wù)6-1-2

操作系統(tǒng)（4）實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)就是能夠執(zhí)行多任務(wù)的實(shí)時操作系統(tǒng)大多數(shù)實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)CPU的負(fù)荷率應(yīng)保證在30%之內(nèi)實(shí)時響應(yīng)時間隨系統(tǒng)的要求而變化應(yīng)具備的特征異步事件響應(yīng)：要有異步I/O和中斷處理能力切換時間短中斷等待時間短優(yōu)先級中斷和調(diào)度同步一些著名的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)Windows

NT、OS/2、VMS、

RT

Linux等，具有很好的通用性、

實(shí)時性和可靠性。其中Windows

NT是實(shí)時操作系統(tǒng)的主流6-1-4

數(shù)據(jù)庫（1）數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)集成化的有窮數(shù)據(jù)集合按照數(shù)據(jù)間的自然聯(lián)系，以最佳的方式組織、存儲數(shù)據(jù)，

使之具有最小的冗余度提供共享性允許幾個用戶同時并發(fā)地使用數(shù)據(jù)庫具有較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性面向數(shù)據(jù)而不是面向應(yīng)用6-1-4

數(shù)據(jù)庫（2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫（DB）物理數(shù)據(jù)庫（工作數(shù)據(jù)的集合）

、描述數(shù)據(jù)庫硬件支持系統(tǒng)服務(wù)器、大規(guī)模存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、終端等軟件支持系統(tǒng)操作系統(tǒng)、宿主語言、實(shí)用程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）管理、開發(fā)和使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的人員6-1-4

數(shù)據(jù)庫（3）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)是采用關(guān)系作為唯一的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，具有關(guān)系完備的數(shù)據(jù)子語言，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)獨(dú)立性，確保用戶能夠依靠關(guān)系名、關(guān)鍵字值和屬性名的結(jié)合用邏輯方式訪問數(shù)據(jù)庫中的每一個數(shù)據(jù)。Oracle和Sybase是典型的代表SQL（Structured

Query

Language）語言SQL是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫語言，已成為國際標(biāo)準(zhǔn)。目前，數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的各個廠家紛紛推出各自的支持SQL的軟件或可與SQL接口的軟件。6-1-4

數(shù)據(jù)庫（4）SQL的功能數(shù)據(jù)定義語言DDL：用于定義、撤消和修改數(shù)據(jù)

模式；查詢語言QL

：用于查詢數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)操縱語言DML：用于增、刪、改數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)控制語言DCL

：用于數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的控制。6-1-4

數(shù)據(jù)庫（5）實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDBS）–

事務(wù)和數(shù)據(jù)都具有定時特性或定時限制的數(shù)

據(jù)庫系統(tǒng)。而且系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏

輯結(jié)果，而且還依賴于邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時間。過程實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)串行通信網(wǎng)絡(luò)支持動態(tài)流程顯示報(bào)警歷史數(shù)據(jù)報(bào)表打印功能應(yīng)用軟件棒圖過程I/O歷史趨勢自動化系統(tǒng)中以過程實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心的監(jiān)控平臺…6-1-4

數(shù)據(jù)庫（6）實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDBS）大容量內(nèi)存實(shí)時數(shù)據(jù)庫內(nèi)存數(shù)據(jù)庫全駐內(nèi)存和主駐內(nèi)存（駐內(nèi)和留外）歷史數(shù)據(jù)庫較多應(yīng)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫接口通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）進(jìn)行接口采用開放式數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）進(jìn)行接口以及采用目前最新的對象鏈接和嵌入技術(shù)OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)接口第二節(jié)

Unit

2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件Applied

Software

ofComputer

Control

System概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的組成應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境及平臺組態(tài)軟件商品化的工業(yè)控制軟件簡介6-2-1

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成（1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成第一級設(shè)備層：負(fù)責(zé)將物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字或標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號控制層：完成對現(xiàn)場工藝過程的實(shí)時監(jiān)測與控制監(jiān)控層通過對多個控制設(shè)備的集中管理，來完成監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)行過程的目的監(jiān)控組態(tài)軟件一般是位于監(jiān)控層的專用軟件，負(fù)責(zé)對下集中管理控制層，向上連接管理層，是企業(yè)生產(chǎn)信息化的重要組成部分。第二級管理層實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、統(tǒng)計(jì)和查詢。6-2-1

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成（2）監(jiān)控平臺的概念–以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心，具有組態(tài)功能的通用軟件–能提供方便地用組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的顯示、歷史趨勢的顯示、棒圖顯示、動態(tài)數(shù)據(jù)流程的顯示等，形成各種打印報(bào)表，并具有與各種DCS及PLC的數(shù)據(jù)通信等功能–具有開放式結(jié)構(gòu)，便于用戶將先進(jìn)控制軟件及在線優(yōu)化軟件嵌入其主控程序中；同時它可以方便地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)及在線操作優(yōu)化算法的投運(yùn)和切除6-2-1

應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)技術(shù)（3）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本原則–抽象（abstraction）抽象是一個系統(tǒng)的簡化描述或規(guī)范說明抽象包括“數(shù)據(jù)抽象”、“控制抽象”和“過程抽象”細(xì)化（refinement）

實(shí)質(zhì)是分解模塊化（modularity）是軟件設(shè)計(jì)中最古老的一條原則信息隱藏（

information hiding

） 一個模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)與過程，應(yīng)該對沒有必要了解這些數(shù)據(jù)與過程的其它模

塊隱藏起來其他：一致性、完整性、可驗(yàn)證性等6-2-1

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的方法（4）自頂向下設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)者在開始設(shè)計(jì)時就有全局觀點(diǎn)，對欲開發(fā)的軟件有全面的了解；然后由頂層起逐層向下分解，直至所有的模塊都達(dá)到便于管理的目的為止設(shè)計(jì)過程中的大概步驟設(shè)計(jì)管理程序并進(jìn)行測試對每一個程序標(biāo)志進(jìn)行程序設(shè)計(jì)對最后形成的整個程序進(jìn)行測試6-2-1

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的方法（5）面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)隨著C++、Delphi等一批面向?qū)ο笳Z言的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人

員用“對象”和“消息傳遞”直接映射客觀系統(tǒng)中的“實(shí)體”及其“相互關(guān)系”變?yōu)榭赡?，使得用這類工具設(shè)計(jì)出來的程序，其結(jié)構(gòu)可與客觀系統(tǒng)的抽象模型相同或相似面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)改變了按照語言結(jié)構(gòu)來分析問題的傳統(tǒng)思維方式，轉(zhuǎn)而按事物的本來面貌來認(rèn)識系統(tǒng)，建立其抽象模型提高了軟件的可重用性6-2-1

應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境及平臺（6）軟件開發(fā)環(huán)境–要求有合適的語言，良好的軟硬件工具，有效的編輯和調(diào)試手段，以及盡可能豐富的實(shí)用程序運(yùn)行環(huán)境基本平臺–

泛指由主機(jī)、外部設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品以及操作系統(tǒng)（如Windows NT

）及其界面環(huán)境（如

WINCC

，力控，F(xiàn)ix，LOOKOUT等）集成起來的基本開發(fā)與操作環(huán)境6-2-2

組態(tài)軟件簡介（1）組態(tài)軟件是用計(jì)算機(jī)語言編寫的能將各種控制硬件（工業(yè)

PC機(jī)、各種控制板卡、PLC、模塊、單片機(jī)、數(shù)字儀表）組合到一起，形成一個大的能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控的系統(tǒng)專業(yè)應(yīng)用軟件是可對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，特點(diǎn)延續(xù)性和可擴(kuò)充性：當(dāng)現(xiàn)場（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生變化時，不需做很多修改而方便地完成軟件更新和升級封裝性（易學(xué)易用）：各種功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，用戶不須掌握太多編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能。通用性：每個用戶根據(jù)工程實(shí)際情況，利用通用工業(yè)組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（變頻器等）的I/ODriver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制?？s短了自動化工程師的系統(tǒng)集成的時間，大大的提高了集成效率。6-2-2

組態(tài)軟件簡介（2）組態(tài)軟件組成圖形界面系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)第三方程序接口組件控制功能組件6-2-3

商品化的工業(yè)控制軟件簡介為說明工業(yè)控制軟件的應(yīng)用情況，加深大家的印象，下面演示的是一些商品化的工控軟件組態(tài)圖片、實(shí)時運(yùn)行的一些屏幕拷貝圖片，以及代表工控軟件發(fā)展趨勢的基于Web技術(shù)的HMI（HumanMachineInterface）。商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之一——正在組態(tài)過程商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之二——連續(xù)系統(tǒng)商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之三——間歇系統(tǒng)商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之四——異地系統(tǒng)監(jiān)控第三節(jié)

Unit

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術(shù)

Anti-Disturbing

and

ReliabilityTechniques

of

Computer

Control

Systems計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術(shù)系統(tǒng)供電與接地技術(shù)看門狗（Watchdog）及其電源掉電檢測技術(shù)6-3-1抗干擾技術(shù)干擾來源及種類串模干擾共模干擾長線傳輸干擾串模干擾(又稱橫向干擾或正態(tài)干擾)–

串聯(lián)于信號源回路中的干擾A放大器VnVsA放大器VsC1C2干擾線In串模干擾示意圖(a)(b)6-3-1

串模干擾的抑制措施用有屏蔽層的雙絞線或同軸電纜作信號引線–

可減少電磁感應(yīng)采用各種濾波器采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器其它措施6-3-1

共模干擾共模干擾（也稱縱向干擾或共態(tài)干擾）–

由不同的“地”而引起信號源VsZrAVc(a)VsVcZr(b)共模干擾示意圖6-3-1

對共模干擾的抑制（1）共模干擾對輸入信號的影響VsZcZcVcmm

(a)

單端輸入被測信號的輸入方式VsZs1Zc1Vcmm(b)

雙端輸入Zc1Zs26-3-1

對共模干擾的抑制（2）雙端輸入變壓器隔離光電隔離浮地屏蔽采用儀表放大器提高共模抑制比6-3-1

長線傳輸干擾及其抑制長線干擾產(chǎn)生原因易受到外界干擾具有信號延時會引起波反射現(xiàn)象消除波反射或?qū)⑺种频阶畹拖薅冉K端阻抗匹配或始端阻抗匹配信號線的選擇和敷設(shè)6-3-2

系統(tǒng)供電技術(shù)接地技術(shù)供電系統(tǒng)的一般保護(hù)交

流穩(wěn)壓器低

通濾波器直

流穩(wěn)壓器計(jì)算機(jī)一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)220VAC6-3-2

系統(tǒng)供電技術(shù)電源異常的保護(hù)具有不間斷電源的供電結(jié)構(gòu)電

池充電器電池組直

流穩(wěn)壓器220VAC逆變器交

流穩(wěn)壓器控制器計(jì)算機(jī)6-3-2

系統(tǒng)接地技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地的目的抑制干擾, 使計(jì)算機(jī)穩(wěn)定地工作保護(hù)計(jì)算機(jī)、電器設(shè)備和操作人員的安全計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的“地”模擬地，數(shù)字地，安全地，系統(tǒng)地，交流地6-3-2

系統(tǒng)接地技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的分別回流法單點(diǎn)接地?cái)?shù)字地橫匯流條數(shù)字地縱匯流條模擬地橫匯流條模擬地縱匯流條接地板安全地(機(jī)殼地)系統(tǒng)板大地分別回流法接地示例圖6-3-2

系統(tǒng)的低頻接地技術(shù)一點(diǎn)接地方式串聯(lián)接地（或稱共同接地）并聯(lián)接地（或稱分別接地）電路1電路2電路3r1r23I3I2

rI1CBI3I2+I3I1+I2+I3

A串聯(lián)一點(diǎn)接地電路1電路2電路3r1r2r3I3I2I1CBA并