大学计算机控制及网络技术-龙志强-课件PPT
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第十章 计算机控制系统的 设计与应用,1. 计算机控制系统设计原则 2. 计算机控制系统的设计与实现 3. 计算机控制系统中的抗干扰措施 4. 计算机控制系统设计举例,1、计算机控制系统设计原则,可靠性原则。 操作与维护方便原则。 实时性原则 通用性原则 经济性原则,一般来说，计算机控制系统的设计原则主要有：,2、计算机控制系统的设计与实现,计算机控制系统的设计与实现，一般应包括系统方案设计、硬件设计与实现、软件设计与实现以及系统调试与投运四个大的阶段。,1、计算机控制系统的方案设计,（1）、建立数学模型，设计控制算法,对于任何一个控制系统的设计，首先应当建立该系统的数学模型。控制算法选择的正确与否直接影响控制系统的品质,因此，确定控制算法也是系统设计中的一项重要工作。,2、计算机控制系统的设计与实现,（2）硬件系统方案设计,计算机控制系统的硬件设计主要包括以下各方面内容：系统的硬件结构确定，现场设备及自动化仪表的选择，人机联系方式，系统的机柜或机箱结构设计等。,在硬件方案设计中，用于工业实时控制的计算机应优先选择工业控制计算机。另外硬件系统设计还包含传感器、变送器和执行机构的选型或研制，它们是影响系统控制精度的重要因素之一，所以要从信号量程范围、精度、对环境及安装的要求等方面进行选择。,2、计算机控制系统的设计与实现,（3）软件系统方案设计,软件方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构和任务分解等。在软件设计中也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，画出软件结构方块图，逐级细化，直到能清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。将商品化的监控组态软件经二次开发后用于计算机控制系统中，是系统软件设计的有效方法之一。,2、计算机控制系统的设计与实现,2、硬件系统的设计与实现,用系统总线结构带来的许多优点,目前常用的工控机内部总线主要是PCI总线、PC总线和STD总线等。 其次,随着控制要求的提高和控制系统内涵的扩展，许多计算机控制系统（如SCC、DCS、FCS、CIMS等）越来越多地会遇到通信问题,具体选择何种现场总线控制网络进行数据通信,可根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析确定。,2、计算机控制系统的设计与实现,（2）I/O接口,应用计算机对生产现场设备进行控制，除了主机之外，还必须配备连接计算机与被控对象并进行信息传递和变换的I/O接口,其中包括数字量I/O（即DI/DO）、模拟量I/O（AI/AO）等模板。,a、数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板。 PC总线的并行I/O接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO。,b、AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等。AI模板的输入可能是0-5V、0-10V、0-10mA、4-20mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板的输出可能是0-5V、0-10V、0-10mA、4-20mA等信号。,2、计算机控制系统的设计与实现,（3）选择传感器和执行机构,a、传感器 传感器是将被测变量转换为可远距离传输的统一标准信号（010mA、420mA等）的一种仪表，其输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理，实现数据采集。,2、计算机控制系统的设计与实现,（3）选择传感器和执行机构,b、执行机构 执行机构也是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。 执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的特点是结构简单、价格低、防火防爆；电动执行机构的特点是体积小、种类多、使用方便；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。,2、计算机控制系统的设计与实现,3、软件系统的设计与实现,在自行开发控制系统软件时，首先应设计出程序总体流程图和各功能模块流程图，然后按先模块化整体的顺序编制和调试程序。需要注意以下几个问题： 硬件资源的合理分配和利用 数据采集及处理 实时任务与中断处理 控制算法与控制量输出,2、计算机控制系统的设计与实现,4、控制系统的调试与投运,系统的调试与运行通常分为：离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。,（1）离线仿真和调试，可以分为：,硬件离线调试 软件离线调试 系统模拟联调,2、计算机控制系统的设计与实现,4、控制系统的调试与投运,（2）在线调试和运行 在离线调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，必须在现场实际运行条件下进行在线调试，才能得到满足要求的计算机控制系统，在现场进行在线调试和运行过程中，设计人员要与用户密切配合，在实际运行前制定一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程一般也应是从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路地逐步进行。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,1、控制系统的抗干扰措施,计算机与测量、控制设备之间有各种信号传输关系，计算机与测量、控制现场信号的抗干扰重要措施之一是采用信号隔离措施，采用隔离放大器、光电隔离器件等隔离信号，使计算机与测量、控制现场没有直接的电联系。,另外，信号线最好用带屏蔽的双绞线，当传送距离较远时，还可加金属管屏蔽以抗御空间干扰。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,2、供电电源的抗干扰措施 控制系统的交流电源直接引自照明电源或电源总闸，为减少交流电源波动等因素对系统工作的影响，应对引入系统的交流电源采用交流稳压、变压器隔离、LC滤波和不间断电源（UPS）等措施。,3、电源掉电处理技术,控制系统应设计电源掉电检测电路，当发生掉电时，应能及时检测，利用直流电源电容器储存的能量，将断点状态保护在由后备电池供电的SRAM或NOVRAM里，记下停电时的重要数据，为恢复电后实现补偿运行做好准备。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,4、接地的抗干扰技术,对于电路板的地线，采用将印制板的空位和边缘留作地线，板边延地线应尽量宽些。平行信号线间，添插一些地线。 为防止输入、输出之间通过地线公共阻抗耦合干扰，常把这两种信号的地线分别设置，各自单独引到汇流板。,5、看门狗（Watchdog）技术 “看门狗”实际是监控定时器，一旦因干扰使程序“跑飞” ，则看门狗产生非屏蔽中断（NMI），并进而重新启动系统。,3、计算机控制系统中的抗干扰措施,2、软件设计的可靠性措施,在应用程序的设计中可采取下述措施，提高软件运行的可靠性： 高效地编制应用程序 采用周期刷新的措施 巧妙使用存储器 实时检测与自诊断,4、计算机控制系统设计举例,1、水流量标准装置微机监控系统,图10-1 水流量仪表检定装置的结构示意图,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,（1）、水流量标准装置 本装置中各部分技术参数如下： 工作量器：共有A（500L）、B（100L）、C（2000L）三种量器，准确度等级为0.1级 液位计：共有三个差压变送器来测量工作量器中直管段的液位，根据每个量器的体积液位表，换算出量器中水体积。差压变送器输出信号为420mA。 计时器：主要用于手动操作时，准确度等级为0.1ms级，由于在检定中已规定中的T30s，因此，计时器引入误差可以忽略。,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,检定管线：共有两条，50mm和100mm，50mm管线如图10-1所示。 电动调节阀：包括上水分流管线、二根检定管线，装置共有三个电动调节阀，控制信号为4-20mA。 电磁气动阀：每个量器底部各1个，控制信号为交流220V的开关信号。 电磁气动换向器：A、B两量器共用1个，C量器使用1个，控制信号是交流220V的开关信号。,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,开关量回讯：包括一个溢流、两个换向器光电开光，回讯为直流12V开关信号。 标准流量计采用的是电磁流量计，共有3个，输出信号为4-20mA电流信号。 被校表：被校表类型包括电磁流量计（输出信号有010mA、4-20mA两种）、涡轮流量计（输出信号为脉冲信号）。,4、计算机控制系统设计举例,（2）微机测控系统硬件结构,计算机采用PC总线工控机，通过内置PC总线的A/D、D/A、开关量输入DI、开关量输出DO、脉冲计数板组成一测控系统。IPC除了完成检定过程的自动控制外，还能对检定结构的数据进行处理、打印、管理。其计算机控制系统的硬件结构是典型的DDC系统。,4、计算机控制系统设计举例,3、系统软件设计,（1）数字滤波器,采用数字滤波器对水液位信号滤波，设T为A/D的采样周期，T1为一阶惯性环节滤波器的时间常数，令,取,则数字滤波关系式为：,y(k)为本次采样的输出值；y(k-1)为前一次输出值；x(k)为本次测量值。,4、计算机控制系统设计举例,3、系统软件设计,（2）PID控制算法,以50mm检定管线为例，首先采用飞升曲线测量出流量调节系统对象的传递函数：,采用积分分离的PID算法，PID参数整定采用目前应用较广泛的Ziegler Nichols整定方法。，在本文中根据被校流量值大小分成二类PID参数进行控制，获得了较好的控制效果。,4、计算机控制系统设计举例,（3）程序设计 主要由人机交互界面程序、各种参数设置程序、各种图形图表动态显示程序、系统自检程序、自动检定程序、打印程序等共18个执行文件组成，所有可执行文件均是一屏幕三级下拉式汉化菜单的子进程，各子进程和菜单之间都是通过进程调用进行调度的。所有程序采用C语言和汇编语言混合编程，实时性要求较高的如实时时钟、光标采用汇编语言编程，其余大部分采用C语言编程。,4、计算机控制系统设计举例,2、油库罐区二级微机监控管理系统实现,（1）系统概述,某炼油厂的原油库罐区共有浮顶、拱顶罐14个，共计有30万立方米。油泵5台，气缸阀119个。要求罐区监控管理系统具有以下功能： 检测功能：检测储罐液位和温度，并自动换算成油重量；检测原油流量和蒸气流量，并计算出瞬时流量、累积流量；检测阀门与开关状态、机泵启停状态及泵出口压力。,4、计算机控制系统设计举例,2、油库罐区二级微机监控管理系统实现, 控制功能：利用计算机对阀门进行遥控；对机泵进行停操作；对不同品种油实现手动和自动调和。 监督报警功能：通过键盘可任意设定液位温度和压力的高低限值，当实测值超过时有声光报警并记录。该操作为定量收发、静置、防止冒、窜、漏提供有力保障；操作员通过计算机对现场的任何操作都有记录。, 屏幕显示功能：显示各种数据表格图、控制器参数表、各种棒图、模拟条、系统流程图、实时/历史趋势曲线。,4、计算机控制系统设计举例,2、油库罐区二级微机监控管理系统实现, 操作管理功能：设置二级口令，分工程师级和操作员级，其中工程师口令是上级口令，所有重要操作均要通过口令确认后才进行。 报表报印功能：打印油品分析台帐、实时参数表、油品收付记录、调和分析报表、班报表、日报表、月报表、年报表。,4、计算机控制系统设计举例,2、系统硬件设计,该监控系统采用开放式模块化结构设计，采用国际流行的工业标准总线，装配灵活，组态方便。整个系统是一个集中管理、分散控制的二级计算机系统。另外在上位机中，还留有与厂部调度计算机相连的网络通信接口。,图10-2 油库罐区二级微机监控管理系统示意,4、计算机控制系统设计举例,（1） 上位机任务及配置,该级计算机主要完成与下位机的信息交换，包括向下位机下达各种操作命令，如开阀、关阀、启动调和等；接收下位机传送过来的信息并进行处理。,上位机采用的是工业PC，并外挂大屏幕显示器。为提高系统平均无故障时间，上位机采用了双机冷备份方案。两台上位机各配备相同软件，平时一台工作，一台备份。一旦检测出工作机有故障，便通过手动将备份机切换为工作机。,4、计算机控制系统设计举例,（2）下位机的任务和配置, 下位机的阀门、机泵测控站采用STD工控机实现对阀门、机泵状态的巡检和控制，实现对泵压力油流量及温度的巡检，完成对油品的配比调和的PID控制，并及时将巡检结果报送上位机或执行上位机下达的各种操作命令。, 下位机的罐液位测控站采用单片机实现，对现场各罐液位的巡检和显示；设定报警值，对过高或过低液位进行报警；通过串口和上位机相连，报送现场液位值。,4、计算机控制系统设计举例,（3）工作方式,上、下位机可组合在一起组成二级计算机系统，也可使系统工作在上下位机“脱机”状态。在脱机状态时，下位机各站自成系统，通过自身的操作键盘、显示器完成相应的测控功能。上、下位组合在一起“联机”时，各下位机封锁自身键盘，而由上位机实现操作管理职能，下位机仅完成测控任务。,4、计算机控制系统设计举例,在上位机中采用8250作为通信控制器，液位测量站也采用8250作为通信控制器，而在STD工控机中则采用82530作为通信控制器。各上下位机均在后台定义数据缓冲区，收到数据后先写缓冲区，并加置新标志，前台只查标志位。,（4）上、下位机通信,4、计算机控制系统设计举例,（5）接口电路, 开关量输入板 开关量输入板主要采集气动阀“开”与“关”的状态，在气动阀上，它的状态由簧管的触点开、闭来表示，并用闭合状态表示阀门到位。,图10-3 阀门测控电路,4、计算机控制系统设计举例, 开关量输出 开关量输出板主要执行STD发出的控制阀门的“开”或“关”的命令。为了保证计算机在关机或开机时不发生误动作，规定以低电平为动作执行，从图10-3（上半部分）可以看出，此时输出板上的光耦的一个输入端有电流流过发光二极管，并使其光电三极管导通，再驱动功放三极管ULN2003使之饱和，再驱动气动阀线圈动作。其中，光电二极管的输入电源由STD的+5V电源供电，而光电三极管和驱动三极管用接口电源+5V和+24V，这样保证了现场设备与计算机的可靠隔离。,4、计算机控制系统设计举例,3、系统软件设计,（1）对采样数据的处理 油温度、油流量及泵出口压力被依次循环采入计算机，为清除干扰，除在硬件上采取滤波措施外，在软件上进一步对快随机起伏和慢随机起伏两种形式的干扰作滤波处理。对于快随机起伏采用每个采样周期连续采集10个数据，这10个数据的最大值与最小值作为坏值去掉，剩下8个数据取均值后作为本次采样值，这样一般足以消除频率较高的尖峰干扰。,4、计算机控制系统设计举例,（2） PID算法,图10-4流量调和的对象模型,4、计算机控制系统设计举例,由于影响其过渡过程的因素很多，很难精确地确定其数学模型。但通过实验测量其飞升曲线，可用一个带纯滞后的一阶惯性环节近似替代，对于类似这种系统，只要合适地选择P、I、D三个参数，即可达到要求。, 第十章 计算机控制系统的设计与应用 1. 计算机控制系统设计原则 2. 计算机控制系统的设计与实现 3. 计算机控制系统中的抗干扰措施 4. 计算机控制系统设计举例1、计算机控制系统设计原则可靠性原则。操作与维护方便原则。实时性原则通用性原则经济性原则一般来说，计算机控制系统的设计原则主要有：2、计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的设计与实现，一般应包括系统方案设计、硬件设计与实现、软件设计与实现以及系统调试与投运四个大的阶段。1、计算机控制系统的方案设计（1）、建立数学模型，设计控制算法 对于任何一个控制系统的设计，首先应当建立该系统的数学模型。控制算法选择的正确与否直接影响控制系统的品质,因此，确定控制算法也是系统设计中的一项重要工作。 2、计算机控制系统的设计与实现（2）硬件系统方案设计 计算机控制系统的硬件设计主要包括以下各方面内容：系统的硬件结构确定，现场设备及自动化仪表的选择，人机联系方式，系统的机柜或机箱结构设计等。 在硬件方案设计中，用于工业实时控制的计算机应优先选择工业控制计算机。另外硬件系统设计还包含传感器、变送器和执行机构的选型或研制，它们是影响系统控制精度的重要因素之一，所以要从信号量程范围、精度、对环境及安装的要求等方面进行选择。 2、计算机控制系统的设计与实现（3）软件系统方案设计 软件方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构和任务分解等。在软件设计中也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，画出软件结构方块图，逐级细化，直到能清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。将商品化的监控组态软件经二次开发后用于计算机控制系统中，是系统软件设计的有效方法之一。 2、计算机控制系统的设计与实现2、硬件系统的设计与实现 （1）系统总线与主机机型 用系统总线结构带来的许多优点,目前常用的工控机内部总线主要是PCI总线、PC总线和STD总线等。 其次,随着控制要求的提高和控制系统内涵的扩展，许多计算机控制系统（如SCC、DCS、FCS、CIMS等）越来越多地会遇到通信问题,具体选择何种现场总线控制网络进行数据通信,可根据通信的速率、距离、系统拓扑结构、通信协议等要求来综合分析确定。2、计算机控制系统的设计与实现（2）I/O接口 应用计算机对生产现场设备进行控制，除了主机之外，还必须配备连接计算机与被控对象并进行信息传递和变换的I/O接口,其中包括数字量I/O（即DI/DO）、模拟量I/O（AI/AO）等模板。a、数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板。PC总线的并行I/O接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO。b、AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等。AI模板的输入可能是0-5V、0-10V、0-10mA、4-20mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板的输出可能是0-5V、0-10V、0-10mA、4-20mA等信号。 2、计算机控制系统的设计与实现（3）选择传感器和执行机构 a、传感器传感器是将被测变量转换为可远距离传输的统一标准信号（010mA、420mA等）的一种仪表，其输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理，实现数据采集。2、计算机控制系统的设计与实现（3）选择传感器和执行机构 b、执行机构执行机构也是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的特点是结构简单、价格低、防火防爆；电动执行机构的特点是体积小、种类多、使用方便；液压执行机构的特点是推力大、精度高。常用的执行机构为气动和电动两种。2、计算机控制系统的设计与实现3、软件系统的设计与实现 在自行开发控制系统软件时，首先应设计出程序总体流程图和各功能模块流程图，然后按先模块化整体的顺序编制和调试程序。需要注意以下几个问题：硬件资源的合理分配和利用 数据采集及处理 实时任务与中断处理 控制算法与控制量输出 2、计算机控制系统的设计与实现4、控制系统的调试与投运 系统的调试与运行通常分为：离线仿真与调试阶段和在线调试与运行阶段。 （1）离线仿真和调试，可以分为： 硬件离线调试 软件离线调试系统模拟联调2、计算机控制系统的设计与实现4、控制系统的调试与投运 （2）在线调试和运行 在离线调试过程中，尽管工作很仔细，检查很严格，但仍然没有经受实践的考验。因此，必须在现场实际运行条件下进行在线调试，才能得到满足要求的计算机控制系统，在现场进行在线调试和运行过程中，设计人员要与用户密切配合，在实际运行前制定一系列调试计划、实施方案、安全措施、分工合作细则等。现场调试与运行过程一般也应是从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单回路到复杂回路地逐步进行。3、计算机控制系统中的抗干扰措施1、控制系统的抗干扰措施 计算机与测量、控制设备之间有各种信号传输关系，计算机与测量、控制现场信号的抗干扰重要措施之一是采用信号隔离措施，采用隔离放大器、光电隔离器件等隔离信号，使计算机与测量、控制现场没有直接的电联系。 另外，信号线最好用带屏蔽的双绞线，当传送距离较远时，还可加金属管屏蔽以抗御空间干扰。 3、计算机控制系统中的抗干扰措施2、供电电源的抗干扰措施 控制系统的交流电源直接引自照明电源或电源总闸，为减少交流电源波动等因素对系统工作的影响，应对引入系统的交流电源采用交流稳压、变压器隔离、LC滤波和不间断电源（UPS）等措施。3、电源掉电处理技术 控制系统应设计电源掉电检测电路，当发生掉电时，应能及时检测，利用直流电源电容器储存的能量，将断点状态保护在由后备电池供电的SRAM或NOVRAM里，记下停电时的重要数据，为恢复电后实现补偿运行做好准备。 3、计算机控制系统中的抗干扰措施4、接地的抗干扰技术 对于电路板的地线，采用将印制板的空位和边缘留作地线，板边延地线应尽量宽些。平行信号线间，添插一些地线。 为防止输入、输出之间通过地线公共阻抗耦合干扰，常把这两种信号的地线分别设置，各自单独引到汇流板。5、看门狗（Watchdog）技术 “看门狗”实际是监控定时器，一旦因干扰使程序“跑飞” ，则看门狗产生非屏蔽中断（NMI），并进而重新启动系统。3、计算机控制系统中的抗干扰措施2、软件设计的可靠性措施在应用程序的设计中可采取下述措施，提高软件运行的可靠性：高效地编制应用程序 采用周期刷新的措施 巧妙使用存储器 实时检测与自诊断 4、计算机控制系统设计举例1、水流量标准装置微机监控系统 图10-1 水流量仪表检定装置的结构示意图 4、计算机控制系统设计举例2、系统硬件设计 （1）、水流量标准装置本装置中各部分技术参数如下：工作量器：共有A（500L）、B（100L）、C（2000L）三种量器，准确度等级为0.1级 液位计：共有三个差压变送器来测量工作量器中直管段的液位，根据每个量器的体积液位表，换算出量器中水体积。差压变送器输出信号为420mA。计时器：主要用于手动操作时，准确度等级为0.1ms级，由于在检定中已规定中的T30s，因此，计时器引入误差可以忽略。4、计算机控制系统设计举例2、系统硬件设计 检定管线：共有两条，50mm和100mm，50mm管线如图10-1所示。电动调节阀：包括上水分流管线、二根检定管线，装置共有三个电动调节阀，控制信号为4-20mA。电磁气动阀：每个量器底部各1个，控制信号为交流220V的开关信号。电磁气动换向器：A、B两量器共用1个，C量器使用1个，控制信号是交流220V的开关信号。4、计算机控制系统设计举例2、系统硬件设计 开关量回讯：包括一个溢流、两个换向器光电开光，回讯为直流12V开关信号。标准流量计采用的是电磁流量计，共有3个，输出信号为4-20mA电流信号。被校表：被校表类型包括电磁流量计（输出信号有010mA、4-20mA两种）、涡轮流量计（输出信号为脉冲信号）。4、计算机控制系统设计举例（2）微机测控系统硬件结构 计算机采用PC总线工控机，通过内置PC总线的A/D、D/A、开关量输入DI、开关量输出DO、脉冲计数板组成一测控系统。IPC除了完成检定过程的自动控制外，还能对检定结构的数据进行处理、打印、管理。其计算机控制系统的硬件结构是典型的DDC系统。4、计算机控制系统设计举例3、系统软件设计（1）数字滤波器采用数字滤波器对水液位信号滤波，设T为A/D的采样周期，T1为一阶惯性环节滤波器的时间常数，令 取 则数字滤波关系式为： y(k)为本次采样的输出值；y(k-1)为前一次输出值；x(k)为本次测量值。 4、计算机控制系统设计举例3、系统软件设计（2）PID控制算法以50mm检定管线为例，首先采用飞升曲线测量出流量调节系统对象的传递函数： 采用积分分离的PID算法，PID参数整定采用目前应用较广泛的Ziegler Nichols整定方法。，在本文中根据被校流量值大小分成二类PID参数进行控制，获得了较好的控制效果。4、计算机控制系统设计举例（3）程序设计主要由人机交互界面程序、各种参数设置程序、各种图形图表动态显示程序、系统自检程序、自动检定程序、打印程序等共18个执行文件组成，所有可执行文件均是一屏幕三级下拉式汉化菜单的子进程，各子进程和菜单之间都是通过进程调用进行调度的。所有程序采用C语言和汇编语言混合编程，实时性要求较高的如实时时钟、光标采用汇编语言编程，其余大部分采用C语言编程。4、计算机控制系统设计举例2、油库罐区二级微机监控管理系统实现 （1）系统概述 某炼油厂的原油库罐区共有浮顶、拱顶罐14个，共计有30万立方米。油泵5台，气缸阀119个。要求罐区监控管理系统具有以下功能： 检测功能：检测储罐液位和温度，并自动换算成油重量；检测原油流量和蒸气流量，并计算出瞬时流量、累积流量；检测阀门与开关状态、机泵启停状态及泵出口压力。4、计算机控制系统设计举例2、油库罐区二级微机监控管理系统实现 控制功能：利用计算机对阀门进行遥控；对机泵进行停操作；对不同品种油实现手动和自动调和。 监督报警功能：通过键盘可任意设定液位温度和压力的高低限值，当实测值超过时有声光报警并记录。该操作为定量收发、静置、防止冒、窜、漏提供有力保障；操作员通过计算机对现场的任何操作都有记录。 屏幕显示功能：显示各种数据表格图、控制器参数表、各种棒图、模拟条、系统流程图、实时/历史趋势曲线。 4、计算机控制系统设计举例2、油库罐区二级微机监控管理系统实现 操作管理功能：设置二级口令，分工程师级和操作员级，其中工程师口令是上级口令，所有重要操作均要通过口令确认后才进行。 报表报印功能：打印油品分析台帐、实时参数表、油品收付记录、调和分析报表、班报表、日报表、月报表、年报表。4、计算机控制系统设计举例2、系统硬件设计 该监控系统采用开放式模块化结构设计，采用国际流行的工业标准总线，装配灵活，组态方便。整个系统是一个集中管理、分散控制的二级计算机系统。另外在上位机中，还留有与厂部调度计算机相连的网络通信接口。 图10-2 油库罐区二级微机监控管理系统示意 4、计算机控制系统设计举例（1） 上位机任务及配置 该级计算机主要完成与下位机的信息交换，包括向下位机下达各种操作命令，如开阀、关阀、启动调和等；接收下位机传送过来的信息并进行处理。 上位机采用的是工业PC，并外挂大屏幕显示器。为提高系统平均无故障时间，上位机采用了双机冷备份方案。两台上位机各配备相同软件，平时一台工作，一台备份。一旦检测出工作机有故障，便通过手动将备份机切换为工作机。 4、计算机控制系统设计举例（2）下位机的任务和配置 下位机的阀门、机泵测控站采用STD工控机实现对阀门、机泵状态的巡检和控制，实现对泵压力油流量及温度的巡检，完成对油品的配比调和的PID控制，并及时将巡检结果报送上位机或执行上位机下达的各种操作命令。 下位机的罐液位测控站采用单片机实现，对现场各罐液位的巡检和显示；设定报警值，对过高或过低液位进行报警；通过串口和上位机相连，报送现场液位值。4、计算机控制系统设计举例（3）工作方式 上、下位机可组合在一起组成二级计算机系统，也可使系统工作在上下位机“脱机”状态。在脱机状态时，下位机各站自成系统，通过自身的操作键盘、显示器完成相应的测控功能。上、下位组合在一起“联机”时，各下位机封锁自身键盘，而由上位机实现操作管理职能，下位机仅完成测控任务。4、计算机控制系统设计举例在上位机中采用8250作为通信控制器，液位测量站也采用8250作为通信控制器，而在STD工控机中则采用82530作为通信控制器。各上下位机均在后台定义数据缓冲区，收到数据后先写缓冲区，并加置新标志，前台只查标志位。 （4）上、下位机通信4、计算机控制系统设计举例（5）接口电路 开关量输入板开关量输入板主要采集气动阀“开”与“关”的状态，在气动阀上，它的状态由簧管的触点开、闭来表示，并用闭合状态表示阀门到位。图10-3 阀门测控电路4、计算机控制系统设计举例 开关量输出 开关量输出板主要执行STD发出的控制阀门的“开”或“关”的命令。为了保证计算机在关机或开机时不发生误动作，规定以低电平为动作执行，从图10-3（上半部分）可以看出，此时输出板上的光耦的一个输入端有电流流过发光二极管，并使其光电三极管导通，再驱动功放三极管ULN2003使之饱和，再驱动气动阀线圈动作。其中，光电二极管的输入电源由STD的+5V电源供电，而光电三极管和驱动三极管用接口电源+5V和+24V，这样保证了现场设备与计算机的可靠隔离。 4、计算机控制系统设计举例3、系统软件设计（1）对采样数据的处理 油温度、油流量及泵出口压力被依次循环采入计算机，为清除干扰，除在硬件上采取滤波措施外，在软件上进一步对快随机起伏和慢随机起伏两种形式的干扰作滤波处理。对于快随机起伏采用每个采样周期连续采集10个数据，这10个数据的最大值与最小值作为坏值去掉，剩下8个数据取均值后作为本次采样值，这样一般足以消除频率较高的尖峰干扰。 4、计算机控制系统设计举例（2） PID算法图10-4流量调和的对象模型4、计算机控制系统设计举例 由于影响其过渡过程的因素很多，很难精确地确定其数学模型。但通过实验测量其飞升曲线，可用一个带纯滞后的一阶惯性环节近似替代，对于类似这种系统，只要合适地选择P、I、D三个参数，即可达到要求。新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材,计算机控制及网络技术 龙志强 李讯 刘建斌 编著 邹逢兴 主审 ISBN 978-7-5084-4400-0 中国水利水电出版社,第一章 绪论,1、概述 2、计算机控制系统的组成 3、计算机控制系统的类型 4、控制网络与网络化控制系统 5、计算机控制系统的发展历程与趋势,1、概述,1、1 计算机控制系统概念,将控制系统中的控制器功能通过计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1-1所示。因此，计算机控制系统可以说是由各种各样的计算机参与控制的一类控制系统。,图1-1 传统的计算机控制系统结构框图,1、概述,计算机控制系统的控制过程一般可归纳为三个步聚： （1）实时采集：对被控参数的瞬时值实时采集，通过A/D转换通道输入计算机。 （2）实时处理：对采集到的被控参数状态量进行分析，控制器按已确定的控制规律，决策进一步的控制行为。 （3）实时输出：根据做出的控制决策，通过D/A转换通道，实时地向执行机构发出控制信号，在线、实时地进行控制。 以上过程不断重复，使整个系统按照一定的性能指标工作。此外，计算机控制系统还应能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时检测和诊断。,1、概述,1.2 计算机控制系统特点,计算机控制系统的主要特点有： 1、利用计算机的存储记忆、数字运算和显示功能，可以同时实现多种模拟仪表的功能，并且便于监视和操作。 2、可以实现一台计算机同时控制多个回路，并且还可以同时实现直接数字控制、监督控制、顺序控制等多种控制功能。 3、可以实现复杂的控制运算。,1、概述,1.2 计算机控制系统特点,计算机控制系统的主要特点有： 4、系统调试、参数整定灵活方便 。 5、利用网络的分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统，实现工业生产与经营的管理、控制一体化，大大提高企业的综合自动化水平。 6、利用控制网络技术可将所有的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器等)与控制器用一根电缆连接在一起，构成网络化的控制系统实现现场状态监测、控制、远程传输等功能，使企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。,2、计算机控制系统的组成,计算机是计算机控制系统中的核心装置，是系统中信号处理和决策的机构。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。,2、1 计算机控制系统的硬件组成,图1-2 计算机控制系统的硬件组成框图,2、计算机控制系统的组成,2、1 计算机控制系统的硬件组成,1、主机。主要由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM和 ROM）、I/O接口以及连接系统的总线组成，主机是控制 计算机 的核心，也是计算机控制系统的核心。 2、通用I/O设备。常用的通用I/O设备有4类：输入设备、输 出设备、外存储器和通信设备。,2、计算机控制系统的组成,2、1 计算机控制系统的硬件组成,3、过程I/O设备。是计算机与被控对象之间的信息传递通 道，主要有：A/D通道、DI通道、D/A通道、DO通道等组成。 A/D通道：用来将被控对象的模拟信号转换为数字信 号， 输入计算机。 D/I通道：用来将被控对象的数字信号或开关量信号 经转换输入计算机。 D/A通道：将计算机产生数字控制信号转换为模拟信号。 D/O通道：用于将计算机产生的数字量或开关量信号直 接输出去驱动相应的机构动作。,2、计算机控制系统的组成,2、1 计算机控制系统的硬件组成,4、被控对象。被控对象包括传感器、执行机构和被控制的物理对象，一般来说，被控对象是连续模拟环节，而计算机输出数字信号，该信号经 D/A转换、保持器后成为连续信号，加到被控对象上。,2、计算机控制系统的组成,1、2 计算机控制系统的软件组成,1、系统软件。系统软件即计算机的通用性软件， 主要包括操作系统、数据库系统和一些公共平台软件等。 2、应用软件。应用软件是计算机在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。计算机控制系统的应用软件一般包括控制程序，输入输出接口程序，人机接口程序，显示、打印、报警和故障联锁程序等。,3、计算机控制系统的类型,3.1 按照功能以及结构分类,1、操作指导控制系统,图1-3 操作指导控制系统结构框图,3、计算机控制系统的类型,2、 直接数字控制系统,图1-4 直接数字控制系统结构框图,3、计算机控制系统的类型,3、监督计算机控制系统，有两种形式,（1）SCC+模拟调节器,图1-5 SCC+模拟调节器控制系统框图,3、计算机控制系统的类型,（2）SCC+DDC系统,图1-6 SCC+DDC控制系统框图,3、计算机控制系统的类型,4、集散控制系统,核心思想是集中管理、分散控制。上位机用于实现集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递 。,图1-7 集散控制系统示意框图,3、计算机控制系统的类型,5、现场总线控制系统 现场总线控制系统（Fieldbus Control System，简称FCS）是新一代分布式控制系统，现场总线通过一对传输线，可挂接多个设备，实现多个数字信号的双向传输，数字信号完全取代420mA的模拟信号，实现了全数字通信。 是一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，因此现场总线控制系统具有良好的开放性、互操作性与互用性。,3、计算机控制系统的类型,图1-8 现场总线控制系统示意图,3、计算机控制系统的类型,6、以太网控制系统,工业以太网控制系统具有其它网络无法比拟的优势，主要体现在： （1）开放性：采用公开的标准和协议。 （2）平台无关性：可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务。 （3）提供多种信息服务：提供E-mail、WWW、FTP等多种信息服务。 （4）图形用户界面：统一、友好、规范化的图形界面，操作简单，易学易用。 （5）信息传递：快速、准确。 （6）易于实现多现场总线的集成。 （7）易于实现多系统集成。,3、计算机控制系统的类型,图 1-9基于工业以太网的多总线控制系统,3、计算机控制系统的类型,3.2 按照控制规律分类,1、程序和顺序控制 程序控制要求被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数，与被控制对象无关。,2、比例积分微分控制（简称PID控制） PID控制是在工
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