1、計算機聯鎖控制系統技術基礎計算機聯鎖控制系統技術基礎第1頁/共42頁一、計算機控制系統二、工業控制計算機三、數據通信技術四、總線接口技術五、工業網絡技術六、現場總線技術第2頁/共42頁一、計算機控制系統一、計算機控制系統1.計算機控制系統可簡化為如圖所示的兩大類：開環控制系統和閉環控制系統。 計算機控制系統 第3頁/共42頁2.典型的計算機控制系統 計算機控制是以數字控制理論為基礎，通過傳感器和執行器，由計算機對不同的被控對象或生產過程進行檢測、變換、控制、和顯示等，其典型結構如圖所示 。第4頁/共42頁3. 計算機控制系統的分類 -1 計算機系統由硬件和軟件兩大部分組成，最簡單的計算機控制系

2、統可用單片機組成，復雜的可由可編程控制器、各類總線工業控制計算機等構成較高級的計算機控制系統。如：直接數字控制系統、監督控制系統、分散控制系統和現場總線控制系統等。 第5頁/共42頁3. 計算機控制系統的分類-2(1)集中式數字控制系統采用單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、順序邏輯控制器（SLC, Sequence Logical Controller）或微機作為控制器。優點：易于根據全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制時間的選擇上可以統一調度和安排。不足：對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當系統任務增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下降。 第6頁/共42頁

3、3. 計算機控制系統的分類-3(2)集散控制系統八九十年代占主導地位 。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機完成集中監視管理功能，若干臺下位機分散到現場實現分布式控制，上下位機之間通過控制網絡互連以實現相互間的信息傳遞。 分布式控制思想的實現正是得益于網絡技術的發展和應用。 第7頁/共42頁圖-集散控制系統 第8頁/共42頁3. 計算機控制系統的分類-4(3)分級控制系統 現代微機、通信技術和CRT顯示技術的進展 生產管理和指揮調度功能 分級控制系統是工程大系統，它要解決的不是局部最優化問題，而是一個工廠、一個公司乃至一個區域的總目標或總任務的最優化問題，即綜合自動化問題

4、。 第9頁/共42頁 到主管部門的數據顯示 經濟動向等數據 來自其他工廠的 生產和庫存數據 管理指令 銷售訂貨等數據 到其他工廠的生 產數據運輸指令 企業級經營管理計算機 企業級經營管理計算機 車間級監督計算機 車間級監督計算機 裝置級 DDC 計算機 裝置級 DDC 計算機 測量 測量 輸入通道 輸出通道 輸入通道 輸出通道 控制對象 控制對象 第10頁/共42頁計算機聯鎖系統典型的控制系統在一個規模較大的聯鎖系統中，常常會有幾十個、幾百個甚至更多的測量和控制對象，即使速度很高的系統也難以滿足要求，因此必須將任務分給多個計算機系統并行工作，不同地理位置和不同功能的計算機之間相互交換信息，從而

5、有效地將控制與管理調度相結合，達到行車安全的目的和要求。下面將對分別對計算機控制中的關鍵技術如：工業控制機、數字通信技術、總線接口技術、工業網絡技術、現場總線技術等進行簡要地介紹。 第11頁/共42頁二、工業控制計算機二、工業控制計算機-11.什么是工業控制計算機計算機用于工業控制一般稱其為工控機。 2.分類 工控機的分類是比較復雜的，若按其構成特點，一般可分為：智能儀表、單片機系統、可編程控制器、各類總線工業控制計算機、分散控制系統和現場總線控制系統等； 若按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為嵌入式計算機和通用計算機。 第12頁/共42頁二、工業控制計算機二、工業控制計算機-23、組成

6、(1) 主機中央處理器（CPU）和內存儲器（RAM,ROM）構成的主機是計算機系統的核心 。(2)內部總線和外部總線內部總線是工業控制計算機內部各組成部分進行信息傳送的公共通道；外部總線是工業控制計算機與其它計算機和智能設備進行信息傳送的公共通道。 第13頁/共42頁3、組成-2(3)人機接口人機接口是一種標準結構，即由標準的PC鍵盤、顯示器和打印機等組成。(4)系統支持功能監控定時器電源掉電檢測保護重要數據的后備存儲器 實時日歷時鐘 第14頁/共42頁3、組成-3(5)磁盤系統磁盤系統可以用半導體虛擬磁盤，也可以配通用的軟盤、硬盤和光盤等。 (6)輸入輸出通道輸入輸出通道是設置在工業控制機和

7、生產過程之間的傳遞和變換信息的連接通道。它包括模擬量輸入(AI)通道、模擬量輸出(AO)通道、數字量(或開關量)輸入(DI)通道、數字量(或開關量)輸出(DO)通道。它有兩個作用，其是將生產過程中的信息變換成主機能夠接受和識別的代碼；其二是將主機輸出的控制命令和數據，經變換后作為執行機構或電氣開關的控制信號。第15頁/共42頁工控機外部形狀與結構第16頁/共42頁主機板第17頁/共42頁底板第18頁/共42頁嵌入式計算機第19頁/共42頁第20頁/共42頁PC機主板第21頁/共42頁PC機主板第22頁/共42頁工業控制計算機的發展方向 工業控制計算機采用模塊化結構，按其不同的功能分成不同的功能

8、模塊，通過總線連接成計算機系統。最近幾年，模塊化結構的工業控制計算機有被功能強大的單板計算機系統（SBCSingle Board Computer，包括了計算機絕大部分功能模塊的系統板）和“芯片PC”所代替，且已產品化、系列化。 第23頁/共42頁二、工業控制計算機二、工業控制計算機-34、軟件系統(1)系統軟件VxWorks等實時多任務操作系統 ，嵌入式實時多任務操作系統VRTX/OS ，MS-DOS和Windows等系統軟件 ，(2)支持軟件支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調試程序、診斷程序等 (3)應用軟件第24頁/共42頁三、數據通信技術三、數據通信技術-11、方式

9、(1)并行通信:數據的各位同時傳送傳送單位：字或字節，距離：短（10米）(2)串行通信:數據一位一位順序傳送傳送單位：位，距離：長（幾十到幾千米）2 2、串行通信方式 單工通信：單向半雙工通信：雙向，不同時全雙工通信：雙向，同時第25頁/共42頁串行通信與并行通信第26頁/共42頁單工、半雙工和全雙工通信原理 第27頁/共42頁三、數據通信技術三、數據通信技術-23 3、信號的傳輸方式 (1)(1)基帶傳輸 直接傳輸數據的基帶信號 ，速率 ：010Mbps (2)(2)載波傳輸載波進行調制后再實行傳輸 ，幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控（PSK）三種 (3)(3)寬帶網多條基帶

10、信道，速率范圍為0400Mbps (4)(4)異步傳輸模式（ATMATM）按需分配頻帶，具有低延遲特性，速率可達155Mbps到2.4Gbps 第28頁/共42頁四、總線接口技術四、總線接口技術11、總線是一組信號線的集合，是一種在各模塊間傳輸信息的公共通路。通過它，計算機各部件間可進行各種數據和命令的傳送。分類：內部總線和外部總線2、內部總線又稱“系統總線”或“板級總線”，是通用微型計算機和測控系統計算機內部所特有的總線。通信方式：并行通信 種類：STD總線、ISA總線、PCI總線、VME總線 第29頁/共42頁四、總線接口技術四、總線接口技術內部總線(1) STD總線 工業控制，8位，8M

11、B/sec (2) ISA總線 工業標準架構，8/16位數據總線,8MB/s33MB/s(3) PCI總線 奔騰等微處理器 ，32位數據總線 , 133MB/s (4)Compact PCI 無源總線底板結構的PCI系統 第30頁/共42頁四、總線接口技術四、總線接口技術外部總線 外部總線（E-BUS）又稱“通信總線”，并行總線和串行總線 。(1) RS-232-C總線 串行物理接口標準 ，一條發送線、一條接收線及一條地線,單端信號傳 ，20m以內。雙工通信 (2) RS-485總線 平衡發送和差分接收 ，半雙工工作方式 ，幾十米到上千米 ，32臺驅動器和32臺接收器 (3) IEEE-488

12、總線 并行總線接口標準 ，20米 ，1MB/s (4) USB串行總線差分方式， (480Mb/s)-2.0第31頁/共42頁五、工業網絡技術五、工業網絡技術1、網絡的拓撲結構 常用的網絡結構：星形、環形和總線形另：網形結構、樹形結構以及各種混合形結構 總線形 環形 星形 第32頁/共42頁五、工業網絡技術五、工業網絡技術2、介質訪問控制技術 (1)載波監聽多路訪問/沖突監測方式隨機訪問技術的競爭型訪問方法 ,結構簡單、負載輕、時實性低的網絡。(2)令牌環（Token Ring）方式設置一個令牌在網內循環傳送,輕負載時效率較低，重負載時效率提高。(3)令牌總線（Token Bus）方式物理上是

13、總線網，邏輯上是環形網。第33頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術11、定義：現場總線是一種連接現場設備和控制室設備的全數字、雙向、多點、開放式的通信系統，它使現場控制和管理的集成成為可能。 現場總線 PLCPC第34頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術22、特點 系統的開放性：公開、一致的總線標準 互操作性與互用性：實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通；不同廠家設備可實現互換 現場設備的高度自治性和智能化特點 自治性：現場設備能獨立完成現場控制的基本功能 智能型：現場設備能自動診斷設備運行狀態 系統結構的高度分散性：簡單，可靠性高 采用智能現場設備，具有運算、控制和通信功能

14、，可以在現場完成數據采集、數據處理、控制調節等功能，并將有關狀態信息發送到主機，實現分散控制 對現場環境適應性強。第35頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術3 以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，由物理層、數據鏈路層、應用層、用戶層構成 總線采用低速H1和高速H2兩個通信速率 H1的速率為31.25kHz，傳輸距離為1900m H2的傳輸速率為1MHz和2.5MHz，通信距離為750m和500m 支持雙絞線，光纜和無線 主要應用場合：過程自動化控制領域第36頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術4 采用ISO/OSI模型的全部7層協議 通信速率：1.25Mb/s，通信距離可達

15、2700m 通信介質：支持同軸電纜、光纖、射頻、紅外、雙絞線、電力線載波等 集成芯片：內置媒體訪問控制處理器、網絡處理器和應用處理器三個CPU 通信協議：LonTalk協議 主要應用場合：樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、過程自動化控制、智能通信接口、智能傳感器等領域。第37頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術5 80年代初德國制訂的一種現場總線標準，分為 PROFIBUS-DP，適用于加工制造自動化領域的應用，實現分散外設之間的高速數據傳輸； PROFIBUS-FMS，適用于樓宇自動化等領域, PLC，低壓開關等； PROFIBUS-PA，適用于過程自動化領域 數

16、據鏈路層、物理層和應用層通信協議組成 傳輸速率為9.6kb/s12Mb/s 最大傳輸距離在12Mb/s時為100m;1.5Mb/s時為400m 通信介質：雙絞線，光纜 最多可掛接127個站點第38頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術6 協議為Highway Addressable Remote Transducer,尋址遠程傳感器、高速通道、開放通信協議，由數據鏈路層、物理層和應用層通信協議組成 在現有模擬控制信號傳輸線的基礎上采用FSK技術實現數字信號傳輸 作為一種過渡總線，目前還有較大的市場 應用于智能儀表第39頁/共42頁六、現場總線技術六、現場總線技術7 數據鏈路層、物理層和應用層通信協議組成 通信介質：雙絞線