计算机在热加工中的应用-第1章 计算机测控系统概述

,第,1,章 计算机控制系统,IPC,及测控系统,第1章,计算机测控系统概述,计算机在热加工中应用,单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,第,1,章 计算机测控系统概述,本章要点,1.,了解计算机控制系统的构成原理,2.,了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。,3.,初步认识计算机控制系统分类与装置种类,4,课时,目录,1.1,计算机控制系统组成,1.2,计算机控制系统分类,1.3,计算机控制装置种类,引言,计算机控制技术及工程应用,-,是,把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的,过程控制系统,和,运动控制系统。,从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；,而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。,1.1,计算机控制系统的组成,主要知识点,:,1.1.1,控制系统概念,1.1.2,硬件组成,1.1.3,软件组成,1.1.1,控制系统概念,计算机控制系统,是由,常规仪表控制系统,演变而来的,;,常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成,闭环控制,(,图,1-1a,所示,),与,开环控制,(,图,1-1b,所示,),两种结构形式,;,计算机控制系统原理组成,用控制计算机代替图,1-1,的控制器，,如图,1-2,所示；,（,1,）,闭环控制系统,闭环控制系统,-,闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。,e,u,q,y,控制器,执行器,被控对象,测量变送器,偏差,给定值,控制作用,操纵变量,被控量,测量值,r,+,_,z,f,干扰,图,1-1(a),闭环控制系统,（,2,）,开环控制系统,开环控制系统,-,不同于闭环系统，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。,u,q,y,控制器,执行器,被控对象,给定值,控制作用,操纵变量,被控量,r,(b),开环控制系统,（,3,）,计算机闭环控制系统原理组成,计算机闭环控制系统的原理组成,-,是把图,1-1,中的控制器用控制计算机即微型计算机及,A/D,（,模,/,数）转换接口与,D/A,（,数,/,模）转换接口,代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有,A/D,转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及,D/A,转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。,图,1-2,计算机控制系统原理图,（,4,）,计算机控制系统的监控过程步骤,a.,实时数据采集,-,对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；,b.,实时数据处理,-,对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；,c.,实时输出控制,-,根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；,1.1.2,硬件组成,计算机控制系统硬件一般包括：,主机,-CPU,RAM,ROM,系统总线,常规外部设备,-,输入,/,输出设备、外存储器等,过程输入输出通道,AI,、,AO,、,DI,、,DO,操作台,CRT,、,LED,、,LCD,等,通信设备,交换机、,modem,、,集线器等,图,1-3,计算机控制系统硬件组成框图,1.1.3,软件组成,硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行解决各种问题，必须为它编制软件。,所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。,软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。,目录,1.1,计算机控制系统组成,1.2,计算机控制系统分类,1.3,计算机控制装置种类,1.2,控制系统分类,主要知识点,1.2.1,数据采集系统（,DAS,）,1.2.2,操作指导控制系统,(OGC),1.2.3,直接数字控制系统（,DDC,）,1.2.4,监督计算机控制系统（,SCC,）,1.2.1,数据采集系统（,DAS,）,数据采集系统,(Data Acquisition System)-,是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图,1-5,所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和,A/D,通道或,DI,通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。,1.2.2,操作指导控制系统,(OGC),操作指导控制系统,-,是基于数据采集系统的一种开环结构，如图,1-6,所示。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于模拟仪表,控制系统的手动与半自动工作状态。,OGC,系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。,1.2.3,直接数字控制系统（,DDC,）,DDC,系统,-,是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了操作方便，,DDC,系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台,。,DDC,系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。,计,算,机,生,产,过,程,显示,打印机,报警,操作台,）,I,D,，,D,/,A,（,入,输,程,过,）,O,D,，,A,/,D,（,出,输,程,过,图,1-7,直接数字控制系统,1.2.4,监督计算机控制系统（,SCC,）,监督计算机控制系统即,SCC,-,是,OGC,系统与常规仪表控制系统或与,DDC,系统综合而成的两级系统，如图,1-8,所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。,目录,1.1,计算机控制系统组成,1.2,计算机控制系统分类,1.3,计算机控制装置种类,1.3,控制装置种类,主要知识点,1.3.1,可编程控制器,1.3.3,总线式工控机,1.3.2,单片微型计算机,1.3.1,可编程控制器,可编程逻辑控制器,-,简称可编程控制器或,PLC,，,是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由,CPU,、,存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。,PLC,的基本组成,PLC,是一种以微处理器为核心的用作控制的特殊计算机，,PLC,的逻辑框图如下图所示,。,外设接口,输入部件,I/O,扩展单元,输出部件,I/O,扩展口,ROM,RAM,后备电源,电源,CPU,编程装置,计算机,其他外设,接收现场信号,驱动受控元件,图,1,10 PLC,逻辑框图,可编程控制器（,PLC,）,特点：,一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定,;,采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；,应用广泛,-,不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；,PLC,具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强；,1.3.4,单片微型计算机,随着微电子技术与超大规模集成技术的发展，计算机技术的另一个分支超小型化的,单片微型计算机,(Single Chip Microcomputer),简称单片机诞生了,。它是将,CPU,、,存储器、串并行,I/O,口、定时,/,计数器、甚至,A/D,转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。,下图是用单片机实现过程控制的典型结构原理框图。,程序存储器,EPROM,I/O,打印机,绘图仪,显示器,键盘,程序存储器,RAM,I/O,扩,展,数字量测量,模拟量测量,开关量控制,开关量控制,光电隔离,光电隔离,光电隔离,A/D,D/A,单,片,机,I/O,测控,部分,基本部分,外设部分,图,1-11,单片机过程控制原理框图,单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识，而且汇编语言的通用性与可移植性差。随着高效率结构化语言的发展，其软件开发环境正在逐步改善。目前，市场上已推出面向单片机结构的高级语言，如早期的,Archimedes C,和,Franklin C,，,现在的,Keil,C51,、,DynamicC,等语言。,由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。,单片机的应用从,4,位机开始，历经,8,位、,16,位、,32,位四种。但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里，,8,位单片机因其品种多、功能强、价格廉，目前仍然是单片机系列的主流机种。,1.3.3,总线式工控机,总线式工控机，,是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为,工业控制计算机,，,简称为,工业控制机,或,工控机,。,通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控机的外形类似普通计算机。,IPC,构成图如下所示。,打印机,硬盘,键盘,软驱,彩色显示器,显示卡,ALLINONE,主机板,扩充模板,扩充模板,光驱,电源,串行口,RS-232C,打印口,键盘口,IDE,口,ISA BUS,图,1-12 IPC,构成原理,防尘与保证运行安全的带锁门,电源、硬盘及键盘的状态指示灯,RESET,键、,KEYBOARD-LOCK,键,带可拆卸空气,过滤器的面板,双冷却风扇建立空气正压力，经过滤的空气在机箱内流通,300W,工业开关电源,可拆卸式光驱、软驱框架,防震的可调节夹钳,用于安装特殊连接器或扩展电缆的面板,加固型金属机箱,14,槽,PC,总线底版,电源,on/off,键,工业控制机机械结构,不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机,架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内的原普,通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主板分解成几块,PC,插件，采用工业级抗干扰电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软件。,总线式工控机具有,小型化、模板化、组合化、标准化,的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中。,小结,本章概要介绍了计算机控制系统的,构成原理、硬件组成与软件组成,。,分别从计算机控制系统的,控制方案,与,装置种类,这两个不同的角度讨论分析了计算机控制系统的分类。,思考题,1,分析说明图,1-3,计算机控制系统的硬件组成及其作用。,2,计算机控制装置可以分成哪几种机