计算基础系统调试 3

计算机监控系统的设计与调试第1部分·先导知识学习教学课件（项目化教材配套）本部分目标：建立计算机监控系统的基本认知——什么是计算机控制？用什么计算机？什么是监控与组态？系统有哪几种结构？目标学习目标本部分学完后，你应该能够：1.能指出计算机监控系统的基本组成与分类。2.能指出采用组态控制技术的计算机监控系统的优势。3.了解常用的组态控制产品。4.掌握数据采集系统、直接数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统的相关概念。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识20.1计算机控制系统——知识讲解——0.1.1人如何实现对设备的控制以“水罐水位控制”为例：人通过“眼—脑—手”形成闭环，把水位稳定在给定值H₀。控制步骤：①眼睛观察水位H；②大脑计算偏差e=H₀−H；③大脑决定阀门开/关大小；④手操作阀门改变进水流量；⑤反复执行，直到偏差进入允许范围。启示：自动控制的思想，正是对“检测—计算—执行”反复过程的机器化。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识40.1.2自动控制系统如何实现对设备的控制闭环控制：不断检测被控参数，按“偏差”决定输出，能克服干扰。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识5开环控制：开环控制系统用在不需要精确控制被控参数，或被控对象受到的干扰较少，被控参数不经常波动的场景中。0.1.3计算机控制系统如何实现对设备的控制计算机作为“控制器”加入自动控制系统，关键变化是增加了I/O接口：•输入接口(I/I)：把检测器的电信号转为计算机可接收的数字信号；•输出接口(O/I)：把计算机数字输出转为电信号驱动执行器；•二者统称I/O接口。特点：编程灵活，可实现复杂控制算法。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识60.2计算机控制系统使用的计算机种类——知识讲解——0.2.1三类计算机：单片机/PLC/IPC计算机控制系统中常用的计算机主要有三种：•单片机：CPU+存储器+I/O集成于单芯片，小巧价低，用于小规模测控；•PLC：模块级、专为工业控制，I/O已集成，可靠高、易学易维护；•IPC(工业PC)：抗干扰/抗振/防尘、接口丰富，胜任较复杂运算与监视。右侧为各类外观示例计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识80.2.2单片机/PLC/IPC系统性能比较单片机系统：结构小巧、价格低廉、应用广；但不具通用性，适合小型系统，软件维护升级较难。PLC系统：由继电器控制发展而来，开关量→模拟量控制均成熟，工业应用最广；可靠性高、易学易维护。IPC系统：可运行高级算法（模型预测、智能控制），直接与执行机构通信；常与PLC组成“PLC+IPC”“PLC+触摸屏+IPC”——PLC负责控制，IPC/触摸屏负责监视与管理。（详见原书表1.0.1：IPC与普通计算机的性能对比）计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识90.2.3深度思考（课程思政）党的二十大报告提出必须坚持三个“第一”：科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力。半导体芯片产业是我国科技自立与经济高质量增长的重要驱动力，对自动化行业尤其重要。思考：(1)围绕近年来世界各国的芯片产业之争，查找资料，谈一谈自己的看法；(2)查找优秀职业院校毕业生案例，思考自己现在和未来如何为国家科技振兴效力。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识100.3什么是计算机监控系统——知识讲解——0.3.1触摸屏（人机接口HMI）PLC强于“控制”、监视能力有限，常与触摸屏配套提升监视与操作。•触摸屏=人机接口(HMI)：现场人员点按软按钮发命令、观察运行；•触摸屏本身也是计算机(ARM+WinCE/Linux)，主流仍为“PLC+触摸屏”；•与IPC区别：安装于现场vs控制室；IPC管理更复杂、触摸屏实时性更好。本书介绍用触摸屏/IPC配合PLC进行监控系统的设计与调试。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识120.3.2深度思考（课程思政）面对众多国际品牌，中国制造的自动化产品近年进步明显，但仍有较长路要走。思考：(1)说一说你学过/用过/知道的自动化产品，分别产自哪个国家；(2)查找自动化主要生产厂家（尤其中国品牌），汇总信息并与国际品牌对比；(3)同学间相互交流，并对这些企业保持持续关注。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识130.4组态控制技术——知识讲解——0.4.1组态的含义组态(Configuration)：对系统进行配置，使之具备某种功能。在计算机监控系统中含两层：硬件组态：选用成熟通用硬件（PLC/IPC/单片机控制器、I/O、传感器、执行器），像“积木”按需组合连接。软件组态：用工业控制软件编程/监控，分三类——控制类(STEP7)、监控类(WinCC)、触摸屏类(WinCCFlexible)；后两类常统称“组态软件”。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识150.4.2采用组态技术的优越性(1)开发周期短；(2)系统可靠性高；(3)对工程技术人员要求不高，便于推广；(4)构成的系统通用性强，便于维护。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识160.4.3什么是组态控制技术基于成熟软件工具，通过图形化拖拽、参数设置、逻辑连接，“组装”出满足特定需求的计算机控制系统。它以“可视化+模块化”降低开发门槛与复杂度，是现代化工厂实现“智能制造”不可或缺的关键工具。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识170.4.4市场主流组态控制产品及生产厂家硬件厂家：西门子(德)、三菱/欧姆龙/松下/富士(日)、施耐德(法)、AB/GE(美)、和利时/浙大中控(中)等。组态软件：WinCC、GE的iFIX、昆仑通态McgsPro、亚控组态王、研华WebAccess等。本书选用McgsPro与组态王两个国产软件进行学习。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识180.5计算机监控系统的结构形式——知识讲解——0.5.1数据采集系统（DAS）结构：传感器/变送器→AI/DI接口→计算机→显示器/打印机/报警器。特点：只进行参数检测，不进行控制；I/O接口只有AI（模拟输入）和DI（数字输入）。所用计算机可以是单片机、IPC、触摸屏或PLC。数据采集系统计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识200.5.2直接数字控制系统（DDC）计算机既检测参数，又按算法计算执行器输出（如泵启停、阀开度）。I/O含AI/DI/AO/DO四类。特点：可检测可控制；一台控几~十几个参数；规模大时可靠性下降，仅适用参数较少场合。直接数字控制系统计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识210.5.3集散控制系统（DCS）集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）又称为分布式控制系统，常用于实现较大规模的控制。总体思想：“分散控制，集中管理”，解决DDC可靠性与统筹性的矛盾。三级结构：过程控制级（采集/控制）、控制管理级（监视为主）、生产管理级（管理为主）。可灵活为一/二/三级结构。集散控制系统典型三级结构计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识220.5.4现场总线控制系统（FCS）与DCS对比：DCS现场设备与I/O用普通导线连接，参数多则布线多、抗干扰差。FCS：I/O或集成I/O的变送器/执行器可网络通信，“挂”在总线上，减少布线、抗干扰强。趋势：现场总线控制系统的趋势是通过工业以太网进行通信。现场总线vs集散控制计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识23重难点重点与难点【重点】•计算机控制系统的组成，重点理解I/O接口（输入/输出接口）的作用。•三类计算机（单片机/PLC/IPC）的特点与适用场景。•四种系统结构形式（DAS/DDC/DCS/FCS）及其区别。•组态技术的含义与采用组态技术的优越性。【难点】•闭环控制vs开环控制的反馈机制（理解“偏差”与“检测器”的意义）。•集散控制(DCS)“分散控制、集中管理”的思想。•四种结构形式的适用场景区分（规模、可靠性、布线）。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识24小结本部分小结（教师总结）◆计算机控制系统=计算机作控制器+I/O接口，实现“检测—计算—执行”的闭环控制。◆三类控制器：单片机（小/廉，小规模）、PLC（可靠/易维护，工业主流）、IPC（强运算/复杂监视）。◆监控系统=控制(PLC)+监视管理(触摸屏/IPC)；组态技术用“积木式”软硬件快速搭建系统。◆四种结构：DAS（只检不控）、DDC（检+控，小规模）、DCS（分散控制集中管理）、FCS（总线联网，少布线）。计算机监控系统的设计与调试·第1部分先导知识25练习思考与