计算机控制系统概述PPT课件

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1、第一章 计算机控制系统概述 第一章 计算机控制系统概述 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 1.2 工业控制机的特点工业控制机的特点 1.3 微型计算机控制系统的主要结构类型微型计算机控制系统的主要结构类型 1.4 微型计算机控制系统的发展微型计算机控制系统的发展 习题习题 第一章 计算机控制系统概述 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统是由计算机和工业对象两大部分组成的。在工业领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。图1-1(a)示出了按偏差进行控制的闭环控制系统。图1-1(a)是闭环控制系统的原理框图，在闭环控制系统中，测量元件对被控对象的被控参数

2、(如温度、压力、流量、转速、位移等)进行测量；变换发送单元将被测参数变成电压(或电流)信号，反馈给控制器；控制器将反馈回来的信号与给定值进行比较，控制器就根据偏差产生控制信号来驱动执行机构工作，使被控参数的值达到预定的要求。第一章 计算机控制系统概述 图1-1(b)示出了开环控制系统的原理框图，它与闭环控制系统不同的是，它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工作，被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。它与闭环控制系统相比，因没有反馈环节，结构相对简单，但控制性能要差一些。开环控制系统和闭环控制系统根据控制对象和控制要求的不同，分别用于不同的应用场合。第一章 计算机控制系统概述 图1-1

3、控制信号的一般形式(a)闭环控制系统框图；(b)开环控制系统框图 第一章 计算机控制系统概述 由图1-1可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。这些功能是由测量元件、变换发送单元、控制器和执行机构来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。第一章 计算机控制系统概述 如果把图1-1中的控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。在计算机控制

4、系统中，由于计算机的输入和输出信号都是数字信号，而大部分被控对象的被控参数和控制量都是模拟信号，因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的AD转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的DA转换器。第一章 计算机控制系统概述 图1-2 计算机控制系统基本框图 第一章 计算机控制系统概述 计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下两个步骤：(1)数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并将数据传送给计算机。(2)控制：对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定控制过程，适时地对控制机构发出控制信号。第一章 计算机控制系统概述 上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的性能指

5、标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并做出迅速处理。工业生产过程是连续进行的，应用于工业控制的微型计算机系统通常是一个实时控制系统，它包括硬件和软件两部分。第一章 计算机控制系统概述 1.1.1 1.1.1 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成微型计算机(简称微型机)控制系统的硬件一般由微型机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图1-3所示。第一章 计算机控制系统概述 图1-3 微型计算机控制系统的基本组成 第一章 计算机控制系统概述 1.1.微型机微型机微处理器是微型计算机的中央处理器，它是微型计算机的核心，担负微型计算机运算器和控制器的功能。而微型机

6、则是具有完整运行功能的计算机，它除了有相应的微处理器作为核心部件外，还包括存储器、输入输出电路以及其他配套电路。在控制系统中，微型机完成程序存储、程序执行等工作，即进行必要的数值计算、逻辑判断和数值处理。第一章 计算机控制系统概述 2.2.外部设备外部设备实现微型机和外界交换信息功能的设备称为外部设备(简称外设)。外部设备包括人机通信设备、输入输出设备和外存储器等。输入设备主要用来输入程序和数据。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备主要用来把各种信息和数据提供给操作人员，以便及时了解控制过程的情况。常用的输出设备有打印机、显示器(数码显示器或CRT显示器)、记录仪、绘图仪等。外存储器

7、(简称外存)，如磁带装置、磁盘装置，兼有输入输出功能，主要用于存储系统程序和数据。第一章 计算机控制系统概述 3.3.输入输出通道输入输出通道输入输出通道是计算机和生产过程之间信息传递和变换的连接通道，它的作用有两个方面：一方面将工业对象的生产过程参数取出，经传感器(一次仪表)、变送器、A/D转换器等变换成计算机能够接受和识别的代码；另一方面将计算机输出的控制命令和数据，经过变换后作为操作执行机构的控制信号，以实现对生产过程的控制。第一章 计算机控制系统概述 输入输出通道一般分为：开关量输入通道、开关量输出通道、模拟量输入通道、模拟量输出通道。它们的详细情况后面将有专门章节叙述。输入输出通道与

8、工业对象通过各种仪表发生联系。自动化仪表则包括测量元件、检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行机构等。第一章 计算机控制系统概述 4.4.操作台操作台人机接口人机接口操作台是操作人员用来与微型机控制系统进行“对话”的，其基本功能如下：(1)有显示装置，如显示屏幕或荧光数码显示器，以显示操作人员要求显示的内容或报警信号。(2)有一组或几组功能键，功能键旁应有标明其作用的标志或字符，对功能键进行操作，微型机就能执行该标志所标明的动作。第一章 计算机控制系统概述(3)有一组或几组输入数字的按键，用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。(4)操作台在设计时应设有保护装置，即使操作人员操作错误，也不应造成

9、严重后果。操作台有多种形式，键盘式是常用的一种形式，有时把它和微型机控制台结合在一起。第一章 计算机控制系统概述 1.1.2 1.1.2 计算机控制系统的软件计算机控制系统的软件软件是指计算机控制系统的程序系统。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。系统软件包括程序设计系统、诊断程序、操作系统以及与计算机密切相关的程序，带有一定的通用性，由计算机制造厂家或软件供应商提供。第一章 计算机控制系统概述 应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在微型机控制系统中，每个控制对象或控制任务都配有相应的控制程序，通过这些控制程序来实现各个控制对象的不同要求。这种为实现特定控制目

10、的而编制的程序，通常称为应用程序。这些程序的编制涉及到对生产工艺、生产设备、控制工具、控制规律的深入理解。首先要建立符合实际的数学模型，确定控制算法和控制功能，然后将其编成相应的程序。计算机控制系统随着硬件技术的日臻完善，对软件提出了越来越高的要求。只有软件和硬件相互间有机地配合，才能充分发挥计算机的优势，研制出完善的计算机控制系统。第一章 计算机控制系统概述 1.2 工业控制机的特点工业控制机的特点 数字计算机的运算和逻辑功能可以有效地满足当代复杂生产过程的控制要求。专门用于生产过程控制的数字计算机，通常称为生产过程控制用计算机系统，也称为工业控制计算机(简称工控机)。第一章 计算机控制系统

11、概述 工业控制机一般有以下特点：(1)工控机的可靠性和可维修性是两项非常重要的因素，它们决定着系统在控制上的可用程度。可靠性的简单含义是指设备在规定的时间内运行不会发生故障。为此，需采用可靠性技术来解决。为了实现高度的可用性，可维修性是重要的。另外，维修工控机必须有诊断程序，这些程序能在闲余时间里通过检验和测试计算机的不同部位来确定故障。第一章 计算机控制系统概述(2)环境的适应性强：工控机一般应用在生产现场，易受环境条件，如强电流、强磁场、腐蚀性气体、灰尘、温度变化的影响，这些都会影响计算机的可靠性和使用寿命。而工控机应该能够在这样的环境下保证正常工作。第一章 计算机控制系统概述(3)控制的

12、实时性：所谓“实时”是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应或进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。为此，工控机必须配有实时时钟和完善的中断系统。第一章 计算机控制系统概述(4)较完善的输入输出通道：为了对生产装置和生产过程进行控制，计算机要经常不断地与被控制的工业对象交换信息。通常，需要配备较完善的输入输出通道，如模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出、人机通信设备等。(5)较丰富的软件：工控机应配备有比较完整的操作系统和适合生产过程控制的应用程序，使机器的操作简单、使用合

13、理、控制性能好。第一章 计算机控制系统概述(6)适当的计算精度和运算速度：一般工业对象，对于精度和运算速度的要求并不苛刻，通常字长为832位，速度在几万次每秒至100万次每秒，内存容量为464 KB等。但随着自动化程度的发展，对于精度和运算速度的要求也在不断提高，应根据具体的应用对象及使用方式选取合适的机型。第一章 计算机控制系统概述 1.3 微型计算机控制系统的主要结构类型微型计算机控制系统的主要结构类型 1.3.1 1.3.1 计算机操作指导控制系统计算机操作指导控制系统计算机操作指导控制系统的结构图如图1-4所示。图1-4 计算机操作指导控制系统的结构图 第一章 计算机控制系统概述 该系

14、统属于数据采集与处理系统。早期的生产过程很少有数字传感器，数字量输入多为开关量，故仅有模拟量输入和数字开关量输入部分。生产过程需要收集的参数，经多路模拟量输入、多路数字开关量输入送进微机，进行数据采集和分析处理，并将采集处理的数据以一定的形式显示或打印出来。这些数据可以在存储器中保存，当出现异常时发出声光报警。这种系统中的微机不直接参与影响生产的过程控制，只是为操作人员提供指导信息，供操作人员参考。操作人员根据计算机的指导通过控制仪器对生产过程进行控制。第一章 计算机控制系统概述 1 13 32 2 直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)(DDC)直接数字控制(Direct Digital

15、 Control)系统，简称DDC，一般是在线实时系统，结构图如图1-5所示。微机通过模拟量输入通道及接口AI、数字开关量输入通道及接口DI进行实时数据采集，然后按已定的控制规律进行实时控制决策，最后通过模拟量输出通道及接口AO、数字开关量输出通道及接口DO输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。DDC属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。为提高利用率，一台计算机有时要控制几个或几十个回路。第一章 计算机控制系统概述 图1-5 直接数字控制系统结构图 第一章 计算机控制系统概述 1 13 33 3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统(SCC)(SCC)监督计算

16、机控制(Supervisory Computer Control)系统，简称SCC，系统结构图如图1-6 所示。图1-6 监督计算机控制系统结构图 第一章 计算机控制系统概述 SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化给定值，送给DDC级执行。SCC级微机承担高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般用较高档微机。第一章 计算机控制系统概述 1 13 34 4 集散型控制系统集散型控制系统(DCS)(DCS)集散型控制系统也叫分散型控制系统(Distribut

17、ed Control System)，简称DCS。采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从下到上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分级分布式控制，其结构图如图1-7 所示。第一章 计算机控制系统概述 三级系统由高速数据通路HW和局域网络LCN两级通信线路相连。控制管理级与过程控制级为操作站控制站现场仪表三层结构模式，由现场控制站、输入输出过程接口单元PIU、CRT显示操作站、高速数据通路、监控计算机五部分组成。在高速数据通路上可以挂接可编程控制器PLC、智能调节器或其他可连测控装置。控制管理级的监控计算机通过协调各控制站的工作，达到生产过程的动

18、态最优化控制。生产管理级的上位机具有制定生产计划和工艺流程以及产品、财务、人员的管理等功能，以实现生产管理的优化。生产管理级可具体细分为工段、车间、厂、公司等几层，由上层其他局域网络互相连接，传递信息，进行更高层次的管理、协调工作。第一章 计算机控制系统概述 图1-7 DCS的组成结构图 上位管理机工程师操作站网间连接器操作员操作站监控计算机网间连接器现场控制站1现场控制站2过程接口单元PIU可编程控制器PLC智能调节器其他可连测控装置局域网络LCN其他局域网络生产管理级控制管理级过程控制级高速数据通路HW去测量变送，执行装置的现场仪表工业对象第一章 计算机控制系统概述 1 13 35 5 现

19、场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)(FCS)现场总线控制系统(Fieldbus Control System)，简称FCS，是新一代分布式控制结构，如图 1-8所示。该系统克服了DCS系统成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站现场总线智能仪表的二层结构模式，完成了DCS中三层结构模式的功能，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开放式互联体系结构。第一章 计算机控制系统概述 图1-8 现场总线控制系统结构图 第一章 计算机控制系统概述 近年来，智能传感器的发展，导致须用数字信号取代420 mA(DC)模拟信号，这就形

20、成了现场总线。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它是用新一代现场总线控制系统FCS代替集散型控制系统DCS，实现现场总线通信网络与控制系统的集成。现场总线被称为21世纪工业控制的网络标准。第一章 计算机控制系统概述 1 13 36 6 工业过程计算机集成制造系统工业过程计算机集成制造系统(CIMS)(CIMS)随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化工业要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优化任务，而且要在获取尽可能多的全部生产过程信息的基础上，进行整个生产过程的综合

21、管理、指挥调度和经营管理。由于自动化技术、计算机技术、数据通信技术等的迅速发展，满足这些要求已不是梦想，能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系统(CIMS)。当CIMS用于流程工业时，简称为流程CIMS。流程工业计算机集成制造系统按其功能可以自下而上地分为若干层，如过程直接控制层、过程监控优化层、生产调度层、企业管理层和经营决策层等，其结构框图如图1-9所示。第一章 计算机控制系统概述 图1-9 流程工业计算机集成制造系统结构示意图 第一章 计算机控制系统概述 从图中可以看到，这类系统除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化功能之外，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售

22、、运输等非传统控制的诸多功能。因此，计算机集成制造系统所要解决的不再是局部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优，也即企业综合自动化问题。最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、对环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求，是工业过程自动化及计算机控制系统发展的一个方向。第一章 计算机控制系统概述 1.4 微型计算机控制系统的发展微型计算机控制系统的发展 1 14 41 1 计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程1946年世界上第一台电子计算机ENIAC正式使用以来，数字计算机在世界各国

23、得到了极大的重视和迅速发展。20世纪70年代微型计算机的推广，标志着计算机的发展和应用进入了新的阶段。计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径。现代控制理论以及各种新型控制规律和组合控制规律的发展又给自动控制系统增添了理论支柱。经典的和现代的控制理论与计算机相结合，出现了新型的计算机控制系统。第一章 计算机控制系统概述 从美国工业控制机的发展和应用来看，用计算机来控制生产过程，大体上经历了三个阶段：1965年以前是试验阶段，早在1952年，化工生产中实现了自动测量和数据处理。1954年，开始用计算机构成开环系统。1957年，采用计算机构成的闭环系统开始应用于石油蒸馏过程的调节。1959年，在美

24、国一个炼油厂建成了第一台闭环计算机控制装置。1960年，在合成氨和丙烯晴生产过程中实现了计算机监督控制。第一章 计算机控制系统概述 19651969年是计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段。由于小型计算机的出现，使可靠性不断提高，成本逐年下降，计算机在生产过程中的应用得到了迅速的发展，但这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统。经验证明，在高度集中控制时，若计算机出现故障，将对整个生产装置和整个生产系统带来严重影响，虽然采用多机并用的方案可以提高集中控制的可靠性，但这样就要增加投资。第一章 计算机控制系统概述 1970年以后是大量推广和分级控制阶段。现代一些工业的特点是高度连续化、大型化，装

25、置与装置、设备与设备之间的联系日趋密切。因此，为了降低能量消耗、提高产品质量和数量，仅仅实现局部范围内的孤立的控制，是难以取得显著效果的。为了实现对现代化工业企业的综合管理和最优控制，已开始运用系统工程学的方法来实现大规模综合管理系统。这种控制系统通常不是由一台计算机或数台独立的、相互无关的小型机来进行控制的，而是由大、中、小型计算机组合起来，形成计算机系统来进行控制的。在这种采用了分段结构的计算机控制系统中，按照计算机各自的特点，在充分发挥各自的潜力下，形成分级控制。近几年来，微型计算机具有可靠性高、价格低廉、使用方便等优点，为分级计算机控制的发展创造了良好的条件。第一章 计算机控制系统概述

26、 1 14 42 2 近年来计算机控制系统在我国的发展趋势近年来计算机控制系统在我国的发展趋势微型计算机控制系统的发展是与组成该控制系统的核心部分微型机的发展紧密相连的。微型机和微处理器自从20世纪70年代崛起以来，发展极为迅猛：芯片的集成度越来越高；半导体存储器的容量越来越大；控制和计算性能，几乎每两年就提高一个数量级。另外，大量新型接口和专用芯片不断涌现、软件的日益完善和丰富，大大扩大了微型计算机的功能，这为促进微型计算机控制系统的发展创造了有利的条件。第一章 计算机控制系统概述 1.1.以工业以工业PCPC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流为基础的低成本工业控制自动化将成为主流从20

27、世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。在我国，中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。第一章 计算机控制系统概述 传统的自动化系统，基础自动化部分基本被PLC和DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令

28、众多企业望而却步。20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机（简称工业PC）的发展，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。我国的许多大企业也拆除了原来DCS或单回路数字式调节器，而改用工业PC来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良好效果。第一章 计算机控制系统概述 由于基于PC的控制器被证明可以像PLC一样可靠，并且被操作和维护人员接受，因此，一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用PC控制方案。基于PC的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远

29、角度看，PC控制系统维护成本低。第一章 计算机控制系统概述 近年来，工业PC在我国得到了迅速的发展。从世界范围来看，工业PC主要包含两种类型：IPC工控机和Compact PCI工控机以及它们的变形机，如AT96总线工控机等。由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，因此，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是 Compact PCI-based工控机，而IPC将占据管理自动化层。第一章 计算机控制系统概述 几年前，当“软PLC”出现时，业界曾认为工业PC将会取代PLC，然而，时至今日工业PC并没有代替PLC，主要有两个原因：一个是

30、系统集成原因；另一个是软件操作系统Windows NT的原因。一个成功的PC-based控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成；二是向客户提供所需要的所有东西。可以预见，工业PC与PLC的竞争将主要在高端应用上，其数据复杂且设备集成度高。工业PC不可能与低价的微型PLC竞争，这也是PLC市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业PC 和 PLC之间，这些融合的迹象已经出现。第一章 计算机控制系统概述 2.PLC2.PLC在向微型化、网络化、在向微型化、网络化、PCPC化和开放性方向发展化和开放性方向发展 长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战

31、场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时，PLC也承受着来自其他技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE等产品。经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有30家，但都没有形成具有一定规模的生产能力和名牌产品，可以说PLC在我国尚未形成制造产业化。在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。第一章 计算机控制系统概述 微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。在基于

32、PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵，但在最近几年，微型PLC（小于32 I/O）已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC（Soft PLC）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based控制的市场份额将逐步得到增长。当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，PLC也不例外。现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口。可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。第一章 计算机控制系统概述 3.3.面向测控管一体化设计的面向测控管一体化设计的DCSDCS系统系统 集散控制系统DCS（Dist

33、ributed Control System）问世于1975年，生产厂家主要集中在美、日、德等国，我国从20世纪70年代中后期起引入国外的DCS。20世纪80年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了国产化DCS的技术攻关。第一章 计算机控制系统概述“九五”以来，我国DCS系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企业，这批企业研制生产的DCS系统，不仅品种数量大幅度增加，而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。短短几年，国外DCS系统在我国一统天下的局面从此不再出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的DCS系统价格也大幅度下降，为我国自动化推广事

34、业做出了贡献。与此同时，国产DCS系统的出口也在逐年增长。第一章 计算机控制系统概述 虽然国产DCS的发展取得了长足进步，但国外DCS产品在国内市场中占有率还较高，其中主要是Honeywell和横河公司的产品。小型化、多样化、PC化和开放性是未来DCS发展的主要方向。目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、工业PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先与这三种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。PC-based控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制，各DCS厂商也将纷纷推出基于工业PC的小型DCS系统。开放性的DCS系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场

35、数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。第一章 计算机控制系统概述 4.4.控制系统正在向现场总线（控制系统正在向现场总线（FCSFCS）方向发展）方向发展 由于3C（Computer、Control、Communication）技术的发展，过程控制系统将由DCS发展到FCS（Fieldbus Control System）。FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（Field Device）中。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的420 mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系

36、统体系结构带来革命性的变化。第一章 计算机控制系统概述 根据IEC61158的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作。目前在各种现场总线的竞争中，以Ethernet为代表的COTS(Commercial-OffThe-Shelf)通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。其关注的焦点主要集中在两个方面：第一章 计算机

37、控制系统概述(1)能否出现全世界统一的现场总线标准；(2)现场总线系统能否全面取代现时风靡世界的DCS系统。采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进了现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化这些符合工业控制系统的技术发展趋势。国家在“九五”期间为了加快现场总线技术在我国的发展，把重点放在了智能化仪表和现场总线技术的开发和工程化上，通过补充和完善工艺设备、开发装置和测试装置，以期建立智能化仪表和开发自动化系统的生产基地，从而形成适度规模经济。第一章 计算机控制系统概述 总之，计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以

38、及集散控制系统（DCS）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，但FCS发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程，同时DCS本身也在不断地发展与完善。可以肯定的是，结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的地位。第一章 计算机控制系统概述 5.5.仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化仪器

39、仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展方向发展 经过五十年的发展，我国仪器仪表工业已有相当基础，初步形成了门类比较齐全的生产、科研、营销体系。目前我国仪器仪表行业产品大多属于中低档水平，随着国际上数字化、智能化、网络化、微型化的产品逐渐成为主流，我国同国外的差距还将进一步加大。目前，我国高档、大型仪器设备大多依赖进口。中档产品以及许多关键零部件，国外产品占有我国市场60%以上的份额，而国产分析仪器占全球市场不到千分之二的份额。第一章 计算机控制系统概述 6.6.工业控制网络将向有线和无线相结合的方向发展工业控制网络将向有线和无线相结合的方向发展 自从1977年第一个民用网系统ARC

40、net投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。第一章 计算机控制系统概述 无线局域网（Wireless LAN）技术可以非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。无线局域网可以在不采用网络电缆线的情况下，提供以太网互联功能。在推动网络技术发展的同时，无线局域网也在改变着人们的生活方式

41、。无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站(AP)、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，以无线网卡使用最为普遍。无线局域网未来的研究方向主要集中在安全性、移动漫游、网络管理以及与3G等其他移动通信系统之间的关系等问题上。第一章 计算机控制系统概述 在工业自动化领域，有成千上万的感应器、检测器、计算机、PLC、读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 8

42、02.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效地扩展了工业设备的联网通信能力。第一章 计算机控制系统概述 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。第一章 计算机控制系统概述 7.7.工业控制软件正向先进控制方向发展工

43、业控制软件正向先进控制方向发展 自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有20年的发展历史。工业控制软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。工业控制软件主要包括人机界面软件（HMI），基于PC的控制软件以及生产管理软件等。目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断格局。通过在化工、石化、造纸等行业的应用，促进了企业的技术改造，提高了生产过程的控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益。第一章 计算机控制系统概述 作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。在此基础上，工业控制软件将从人机界面和基本策略组态向先进控制方向发展。未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能化和开放性方向发展。第一章 计算机控制系统概述 习习 题题 1.计算机控制系统由哪些环节组成？2.工业控制计算机有什么特点？它与普通个人计算机有何异同？3.以结构形式划分，计算机控制系统有哪些种类？4.近年来，计算机控制技术有哪些发展趋势？