1第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.1基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.3基于可編程控制器的控制系統(tǒng)8.4基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.5集散控制系統(tǒng)8.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)8.7云控制系統(tǒng)28.1基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.1.1工業(yè)控制機(jī)8.1.2基于PC總線的板卡8.1.3基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研華工控機(jī)西門子工控機(jī)38.1基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種典型的DDC控制系統(tǒng)。工控機(jī)通過(guò)基于PC總線的板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并按照一定的控制規(guī)律實(shí)時(shí)決策，產(chǎn)生控制指令，并通過(guò)板卡輸出，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程直接進(jìn)行控制。具有組成靈活、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。DDC(DirectDigitalControl)控制系統(tǒng)48.1.1工業(yè)控制機(jī)工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)(IndustrialPersonalComputer，IPC)是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及其機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行測(cè)量與控制用的計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工控機(jī)。普通計(jì)算機(jī)在抗干擾能力、可靠性方面存在不足，而工控機(jī)可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。早在20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)AD公司就推出了類似IPC的MAC150工控機(jī)。隨后美國(guó)IBM公司正式推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IBM7532。由于工控機(jī)的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，已被廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)、路橋收費(fèi)、醫(yī)療、環(huán)保及人們生活的方方面面。5工控機(jī)示意圖西門子工控機(jī)研華工控機(jī)6（1）工業(yè)PC的結(jié)構(gòu)工控機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖8.1所示，主要有以下幾部分組成。圖8.1工控機(jī)典型結(jié)構(gòu)圖①全鋼機(jī)箱②無(wú)源底板③工業(yè)電源④CPU卡⑤其他配件7（2）工業(yè)PC的特點(diǎn)專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的工控機(jī)有以下特點(diǎn)：工控機(jī)總線設(shè)計(jì)支持各種模塊化CPU卡和所有的PC總線接口板。采用高度集成芯片，以減少故障率，均為模塊化﹑插板式，以便安裝﹑更換和升級(jí)。使用專用固定架將插板壓緊，防止震動(dòng)引起接觸不良。開(kāi)放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。采用和PC/AT總線兼容的無(wú)源底板。它使用帶有電源層和地的4層電路板，有效地提高了系統(tǒng)地抗干擾能力。機(jī)箱采用全鋼機(jī)構(gòu)，可防止電磁干擾；采用帶除塵過(guò)濾器的工業(yè)開(kāi)關(guān)電源，具有足夠地負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對(duì)流排風(fēng)，裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器安裝采用橡皮緩沖防震。可內(nèi)裝電子盤以取代機(jī)械磁盤，使PC機(jī)在工業(yè)環(huán)境下的操作具有高速﹑高可靠性。8（3）常用的工控機(jī)簡(jiǎn)介國(guó)外有美國(guó)IBM、ICS，德國(guó)西門子，奧地利貝加萊等，這些產(chǎn)品可靠性好、市場(chǎng)定位高。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)是工控機(jī)的主要生產(chǎn)區(qū)，其品牌主要有研華、威達(dá)、艾訊、磐儀等廠家，其中，研華是世界三大工控廠商之一，在中國(guó)大陸及臺(tái)灣市場(chǎng)均有較高的市場(chǎng)占有率。大陸也有很多工控機(jī)品牌，如研祥、華控、康拓、東田、華北、和集特等。98.1.2基于PC總線的板卡基于PC總線的板卡是指計(jì)算機(jī)廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用功能模板。按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為：模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開(kāi)關(guān)量輸入板卡、開(kāi)關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。現(xiàn)在較為流行的板卡大都是基于PCI總線設(shè)計(jì)的。下面以研華PCI系列板卡為例介紹不同種類的典型板卡的性能和特點(diǎn)。10（1）模擬量輸入板卡（A/D卡）模擬量輸入板卡完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如ISA、PCI等總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理。板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離和抗干擾。板卡的模擬信號(hào)采集精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。11研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，如圖8.2所示。有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合方式輸入等三種輸入方式。采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣數(shù)率可達(dá)100kHz。板載4K采樣FIFO緩沖器。有DC

2500V隔離保護(hù)。圖8.2研華PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡（1）模擬量輸入板卡（A/D卡）12（2）模擬量輸出板卡（D/A卡）模擬量輸出板卡完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，其轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)有很大的差別。D/A轉(zhuǎn)換除了具有分辨率、轉(zhuǎn)換精度等性能指標(biāo)外，還有建立時(shí)間、溫度系數(shù)等指標(biāo)約束。還需要考慮輸出形式以及負(fù)載能力。13研華PCI-1720模擬量輸出卡，如圖8.3所示。PCI-1720提供了四個(gè)12位數(shù)字量到模擬量輸出。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供DC2500V的隔離保護(hù)，PCI-1720非常適合需要高電壓保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)合。圖8.3研華PCI-1720模擬量輸出卡（2）模擬量輸出板卡（D/A卡）14（3）數(shù)字量輸入/輸出板卡數(shù)字量輸入輸出接口，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分輸入通道：輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路。輸出通道：輸出鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器。15研華PCI-1760光隔開(kāi)關(guān)量輸入輸出卡有8路數(shù)字量輸入通道、8路繼電器輸出通道。每個(gè)數(shù)字量輸入通道增加了可編程的數(shù)字濾波器，有助于保持系統(tǒng)的可靠性。圖8.4PCI-1760數(shù)字量輸入輸出卡（3）數(shù)字量輸入/輸出板卡16（4）脈沖量輸入板卡工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)有許多高速的脈沖信號(hào)，如旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)、流量檢測(cè)信號(hào)等，這些都要用脈沖量輸入板卡或一些專用測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量。脈沖量輸入/輸出板卡實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過(guò)跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、測(cè)頻等不同工作方式。采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離，以提高板卡測(cè)量的抗干擾能力。17研華PCI-1780計(jì)數(shù)/定時(shí)卡使用AM9513芯片，能夠通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。提供8個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道。具有8通道可編程時(shí)鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸入，8路TTL數(shù)字量輸出，最高輸入頻率達(dá)20MHz。圖8.5PCI-17808通道定時(shí)/計(jì)數(shù)卡（4）脈沖量輸入板卡188.1.3基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的各種工況參數(shù)（溫度、壓力、流量、成分、位置、轉(zhuǎn)速等）由傳感器或一次測(cè)量?jī)x表進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng)變送器把它們統(tǒng)一變換成4～20mA的電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)則對(duì)被測(cè)信號(hào)按一定的控制規(guī)律（如PID規(guī)律）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出送給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量。控制量由計(jì)算機(jī)輸出，經(jīng)I/O接口送往輸出通道，形成閉環(huán)控制。19（1）組成基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。（1）硬件部分①控制計(jì)算機(jī)：核心部分②參數(shù)檢測(cè)和輸出驅(qū)動(dòng)設(shè)備：傳感變送、輸出③I/O通道：AD、DA、DI、DO④人機(jī)接口:操作人員和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間信息交換的設(shè)備，主要有鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等20（2）組成

基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。（2）軟件部分①系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、用戶程序開(kāi)發(fā)支撐軟件，如開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、編譯軟件、調(diào)試工具等②用戶程序控制程序，由用戶自己根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、資源配備情況開(kāi)發(fā)完成21（2）特點(diǎn)基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的DDC系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：（1）時(shí)間上具有離散性生產(chǎn)過(guò)程的有關(guān)參量進(jìn)行控制時(shí)，是以定時(shí)采樣和階段控制來(lái)代替常規(guī)儀表的連續(xù)測(cè)量和連續(xù)控制的。確定合適的采樣周期和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)是提高系統(tǒng)控制精度、減少轉(zhuǎn)換誤差的關(guān)鍵。（2）采用分時(shí)控制方式DDC系統(tǒng)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)要控制多個(gè)回路采用分時(shí)控制方法，即將某一回路的采樣和A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出控制三部分的時(shí)間與其前后回路錯(cuò)開(kāi)，放在不同控制時(shí)間。保證了控制過(guò)程的正常進(jìn)行，又能充分利用系統(tǒng)中的各種設(shè)備，提高了控制效率。22（2）特點(diǎn)基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的DDC系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：（3）具有人機(jī)對(duì)話功能操作者和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要方便的進(jìn)行互相聯(lián)系操作者通過(guò)輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)送入控制命令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)輸出設(shè)備送出有關(guān)信息（4）控制方案靈活控制算法是由軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變程序即可達(dá)到改變控制算法的目的不僅方便靈活，并且還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律對(duì)于多回路控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，路數(shù)越多，這種優(yōu)勢(shì)越明顯。23（2）特點(diǎn)基于工控機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的DDC系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：（5）危險(xiǎn)集中一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制幾十個(gè)回路，所以一計(jì)算機(jī)的軟件或硬件出現(xiàn)故障將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。計(jì)算機(jī)直接與生產(chǎn)過(guò)程連接，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計(jì)算機(jī)的可靠運(yùn)行。需要計(jì)算機(jī)本身具有較高的可靠性，必須采取抗干擾措施來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，使之能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。248.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.2.1數(shù)字調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介8.2.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)258.2.1數(shù)字調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介數(shù)字調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過(guò)程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內(nèi)部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數(shù)字量I/O通道、電源等部分構(gòu)成的一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常有單回路、2回路、4回路或8回路的調(diào)節(jié)器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級(jí)控制、前饋控制等。268.2.1數(shù)字調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介數(shù)字調(diào)節(jié)器不僅可接受4～20mA電流（或1～5V電壓）信號(hào)輸入的設(shè)定值，還具有通信接口RS-232C、RS-422/485等，可與上位機(jī)連成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，接受上位機(jī)下傳的控制參數(shù)，并上報(bào)各種過(guò)程參數(shù)。數(shù)字調(diào)節(jié)器以計(jì)算機(jī)為核心，數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是由程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字調(diào)節(jié)器具有豐富的運(yùn)算控制功能和數(shù)字通信功能、靈活而方便的操作手段、形象而直觀的數(shù)字或圖形顯示、高度的安全可靠性，實(shí)現(xiàn)了儀表和計(jì)算機(jī)的一體化，比模擬調(diào)節(jié)器能更方便有效地控制和管理生產(chǎn)過(guò)程，因而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。27（1）數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類根據(jù)用途和性能的差異可以分為以下幾種類型：（1）定程序控制器制造廠把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶只需要通過(guò)組態(tài)，不必編寫程序，它適合于典型的對(duì)象和通用的生產(chǎn)過(guò)程。（2）可編程調(diào)節(jié)器用戶可以從調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供的諸多功能模塊中選擇所需要的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調(diào)節(jié)器按照要求工作。優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，編程方便。缺點(diǎn)是需要編程器，對(duì)使用者要求較高。28（3）混合控制器這是一種專為控制混合物成分用的控制器，雖然前兩種控制器也能用在混合工藝中，但不如這種經(jīng)濟(jì)方便。（4）批量控制器這是一種常用于液體或粉粒體包裝和定量裝載用的控制器，特別為周期性工作設(shè)計(jì)。（1）數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類29模擬調(diào)節(jié)器只是由硬件（模擬元器件）構(gòu)成，它的功能完全由硬件決定，因此其控制功能比較單一數(shù)字調(diào)節(jié)器是由微處理器為核心構(gòu)成的硬件電路和有系統(tǒng)程序、用戶程序構(gòu)成的軟件兩大部分組成，其功能主要是由軟件所決定，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。（2）數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)301)數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件硬件電路由主機(jī)電路、過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人機(jī)接口電路以及通信接口電路等部分組成。31分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。①系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是控制器軟件的主體部分，通常由監(jiān)控程序和功能模塊組成。監(jiān)控程序使控制器各硬件電路能正常工作并實(shí)現(xiàn)所規(guī)定功能，同時(shí)完成各組成部分之間的管理。功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以構(gòu)成用戶程序，使控制器實(shí)現(xiàn)用戶所規(guī)定的功能。②用戶程序用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定規(guī)則連接起來(lái)，其作用是使控制器完成預(yù)定的控制與運(yùn)算功能。使用者編制程序?qū)嶋H上是完成功能模塊的連接，也即組態(tài)工作。2)數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件32（3）數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)1）運(yùn)算控制功能強(qiáng)具有比模擬調(diào)節(jié)器更豐富的運(yùn)算控制功能，既可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單PID控制，也可以實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制、前饋控制、變?cè)鲆婵刂坪蚐mith補(bǔ)償控制；既可進(jìn)行連續(xù)控制，也可進(jìn)行采樣控制、選擇控制和批量控制。還可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，如線性化、數(shù)據(jù)濾波、標(biāo)度變換。2）通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)所需功能軟件系統(tǒng)提供了各種功能模塊，用戶選擇所需的功能模塊，通過(guò)編程將它們連接在一起，構(gòu)成用戶程序，便可實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)算與控制功能33（3）數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)3）帶有自診斷功能監(jiān)控軟件有多種故障自診斷功能，包括主程序運(yùn)行、輸入輸出信號(hào)、通訊功能等是否正常，運(yùn)行中遇到不正常現(xiàn)象發(fā)出故障信號(hào)，利于生產(chǎn)安全和儀表維護(hù)。4）帶有數(shù)字通訊功能數(shù)字調(diào)節(jié)器與上位計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通訊，將控制器工作狀態(tài)、輸入及輸出值等一系列信息送到上位機(jī)，上位機(jī)也可對(duì)控制器施加干預(yù)，如工作狀態(tài)的變更、參數(shù)的設(shè)置等。5）具有較有好的人機(jī)界面348.2.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)由數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)可以看出，數(shù)字調(diào)節(jié)器具有很強(qiáng)的控制功能，其內(nèi)部不僅包含了輸入輸出通道，還包含了先進(jìn)的控制算法和控制措施。使用數(shù)字調(diào)節(jié)器不但可以實(shí)現(xiàn)單回路控制，還可以實(shí)現(xiàn)諸如串級(jí)控制、前饋控制、變?cè)鲆婵刂频葟?fù)雜控制措施。因此，由數(shù)字調(diào)節(jié)器組成的控制回路往往被認(rèn)為是一個(gè)典型的直接數(shù)字控制（DDC）回路。358.2.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)由于數(shù)字調(diào)節(jié)器具有較強(qiáng)的通信功能，上位機(jī)可以讀取回路數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置回路參數(shù)。這樣多臺(tái)數(shù)字調(diào)節(jié)器與上位機(jī)一起就可以構(gòu)成一個(gè)中小型的DCS控制系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)回路控制，構(gòu)成獨(dú)立的DDC控制，多個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器控制的許多回路都與上位機(jī)進(jìn)行通訊。上位機(jī)負(fù)責(zé)采集數(shù)字調(diào)節(jié)器控制回路的狀態(tài)，包括控制器本身的手、自動(dòng)工作狀態(tài)、PID參數(shù)值、輸入及輸出值等一系列信息，并通過(guò)通信模塊對(duì)控制器的控制設(shè)置必要的信息，如工作狀態(tài)的變更、參數(shù)的設(shè)置等。這種類型的控制系統(tǒng)如圖8.7所示。36數(shù)字調(diào)節(jié)器可以與上位計(jì)算機(jī)一起組成中小型DCS控制系統(tǒng)。通信協(xié)議……計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)器被控對(duì)象圖8.7系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)378.3基于可編程控制器的控制系統(tǒng)8.3.1PLC概述8.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)8.3.3PLC工作原理388.3基于可編程控制器的控制系統(tǒng)可編程控制器是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制器。把計(jì)算機(jī)的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)與繼電器系統(tǒng)的控制簡(jiǎn)單、使用方便、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，又具有體積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年2月通過(guò)了對(duì)它的定義：

“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”398.3.1PLC概述PLC是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能夠較好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。（1）PLC的特點(diǎn)1）高可靠性所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離。各模塊均采取屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。具有完整的監(jiān)視和診斷功能。大型PLC采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，進(jìn)一步提高可靠性。平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí)，可適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境。408.3.1PLC概述（1）PLC的特點(diǎn)2）功能齊全基本功能：開(kāi)關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出，輔助繼電器，狀態(tài)繼電器，延時(shí)繼電器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，移位寄存器，凸輪控制器，跳轉(zhuǎn)和強(qiáng)制I/O等。擴(kuò)展功能：聯(lián)網(wǎng)通信、成組數(shù)據(jù)傳送、PLD閉環(huán)回路控制，排序查表功能，中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能。具有豐富的I/O接口模塊，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)（如交流或直流、開(kāi)關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等）都有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接相連。3）應(yīng)用靈活除單元式小型PLC外，絕大多數(shù)PLC采用標(biāo)準(zhǔn)的積木硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)，不僅可以適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場(chǎng)合。418.3.1PLC概述（1）PLC的特點(diǎn)4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期短安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單，可以按積木方式擴(kuò)充和刪減其系統(tǒng)規(guī)模。它的邏輯、控制功能是通過(guò)軟件完成的。允許設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有購(gòu)買硬件設(shè)備之前，就進(jìn)行“軟接線”工作，從而縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試周期。5）操作維修方便采用電氣操作人員習(xí)慣的梯形圖形式編程與功能助記符編程，使用戶能十分方便讀懂程序和編寫、修改程序。操作人員經(jīng)短期培訓(xùn)，就可以使用PLC。其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點(diǎn)狀態(tài)和異常狀態(tài)等均有醒目的顯示。操作人員、維修人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解機(jī)器故障點(diǎn)，利用替代模塊或插件的辦法迅速排除故障。PLC主要缺點(diǎn)是人機(jī)界面比較差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力較差。428.3.1PLC概述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已廣泛地將PLC成功地應(yīng)用到機(jī)械、汽車、冶金、石油、化工、輕工、紡織、交通、電力、電信、采礦、建材、食品、造紙、軍工、家電等各個(gè)領(lǐng)域。（2）PLC的應(yīng)用領(lǐng)域1）順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合PLC使用的領(lǐng)域，用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。2）運(yùn)動(dòng)控制PLC可提供步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，PLC把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，其輸出移動(dòng)一軸或數(shù)軸以達(dá)到目標(biāo)位置。438.3.1PLC概述（2）PLC的應(yīng)用領(lǐng)域3）過(guò)程控制PLC能采集和控制大量的物理參數(shù)，例如：溫度、壓力、流量、液位和速度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。4）數(shù)據(jù)處理和數(shù)字控制在機(jī)械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于CNC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。5）通信網(wǎng)絡(luò)PLC主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O之間、多臺(tái)PLC之間、PLC與其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置等）之間通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)448.3.1PLC概述PLC的結(jié)構(gòu)和功能在不斷地完善和擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)控制功能和管理功能的結(jié)合，以不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品構(gòu)成開(kāi)放型的控制系統(tǒng)是主要的發(fā)展理念之一。長(zhǎng)期以來(lái)PLC走專有化的道路，目前絕大多數(shù)PLC不屬于開(kāi)放系統(tǒng)，尋求開(kāi)放型的硬件或軟件平臺(tái)成了當(dāng)今PLC的主要發(fā)展目標(biāo)。（3）PLC的發(fā)展趨勢(shì)1）向大型網(wǎng)絡(luò)化、綜合化方向發(fā)展向下將多個(gè)PLC、遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)相連向上與工控機(jī)、管理機(jī)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)2）向體積小、速度快、功能強(qiáng)、價(jià)格低的小型化方向發(fā)展結(jié)構(gòu)更新、尺寸縮小、運(yùn)算速度提高、網(wǎng)絡(luò)功能加強(qiáng)、價(jià)格降低458.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)可編程控制器類型很多，可從不同的角度進(jìn)行分類。一般來(lái)說(shuō)，可以從四個(gè)角度對(duì)PLC進(jìn)行分類。其一是從PLC的控制規(guī)模大小去分類，其二是從PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)去分類，其三是從PLC的性能高低去分類，其四是從制造商的地理區(qū)域去分類。（1）PLC的分類1）按控制規(guī)模分類小型PLC：適用于小規(guī)模的控制系統(tǒng)

通常只包含一個(gè)CPU模塊和一個(gè)電源模塊，體積小，安裝方便。中型PLC：適用于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)通常包含多個(gè)CPU模塊和電源模塊，以及更多的輸入/輸出接口。大型PLC：適用于大規(guī)模的控制系統(tǒng)通常包含多個(gè)CPU模塊、電源模塊和大量的輸入/輸出接口。

具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的編程指令、方便的網(wǎng)絡(luò)功能468.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)（1）PLC的分類2）按結(jié)構(gòu)分類模塊化PLC：由多個(gè)獨(dú)立的模塊組成，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)特定的功能，如CPU模塊、I/O模塊、通信模塊等。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展，但缺點(diǎn)是成本較高，安裝和維護(hù)也較為復(fù)雜。整體式PLC：將CPU、I/O接口、電源等集成在一個(gè)單元中，體積小巧，成本低，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，但擴(kuò)展性較差。478.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)（1）PLC的分類3）按性能分類基本型PLC：主要用于簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量控制，例如控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止。通常只有有限的輸入/輸出接口，且數(shù)據(jù)處理能力較弱。由于其簡(jiǎn)單性和低成本，基本型PLC在許多工業(yè)應(yīng)用中仍然非常受歡迎。增強(qiáng)型PLC：增加了一些模擬量處理和數(shù)據(jù)處理功能，能夠處理更復(fù)雜的控制任務(wù)，例如溫度控制或速度控制。通常有更多的輸入/輸出接口，且具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和更豐富的編程指令。高性能型PLC：具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，能夠執(zhí)行復(fù)雜的算法和控制策略。通常配備有大量的輸入/輸出接口，且支持多種編程語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這使得它們能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，并與其他系統(tǒng)無(wú)縫集成。488.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)（1）PLC的分類4）按制造商的地理區(qū)域分類歐美區(qū)域：產(chǎn)品線豐富，涵蓋小型、中型和大型控制系統(tǒng)

西門子（Siemens）S5、S7系列PLC

羅克韋爾（Rockwell）MicroLogix系列、ControlLogix系列

日本區(qū)域：以高可靠性和性價(jià)比著稱，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)

三菱電機(jī)（MitsubishiElectric）FX系列、Q系列

歐姆龍（Omron）CP1系列、CS/CJ系列。中國(guó)區(qū)域：高性價(jià)比，功能強(qiáng)大，易于使用。

匯川技術(shù)（INOVANCE）AM600系列、H3U系列

信捷電氣（XINJE）XC系列、XD系列498.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)PLC的基本組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)相類似，主要包括：中央處理單元、存儲(chǔ)單元、通信接口、外設(shè)接口、I/O接口等。（2）PLC的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線電源線

電源模塊

CPU模塊

通信接口模塊

I/O模塊

I/O模塊

I/O模塊

……

508.3.2PLC的分類和結(jié)構(gòu)（2）PLC的基本結(jié)構(gòu)1）中央處理單元（CPU）PLC的控制中樞2）存儲(chǔ)器存放程序和數(shù)據(jù)包括RAM、EPROM、EEPROM、FLASHROM等3）電源提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的供電518.3.3PLC工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，完成上述三個(gè)階段稱為一個(gè)掃描周期，在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。528.3.3PLC工作原理PLC的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過(guò)程:在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶執(zhí)行程序階段，PLC的CPU按由上而下的順序一次掃描用戶程序，并根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果刷新I/O映象寄存器。用戶程序執(zhí)行結(jié)束后進(jìn)入輸出刷新階段，刷新所有的輸出。538.3.3PLC工作原理順序掃描工作方式簡(jiǎn)單直觀，便于程序設(shè)計(jì)和PLC自身的檢查。具體體現(xiàn)在：PLC掃描到的功能經(jīng)計(jì)算后，其結(jié)果馬上就可被后面將要掃描到的功能所利用；可以在PLC內(nèi)設(shè)定一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器，用來(lái)監(jiān)視每次掃描的時(shí)間是否超過(guò)規(guī)定值，避免由于PLC內(nèi)部CPU故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般小型PLC采用固定的掃描順序，大中型PLC采用可變的掃描順序。這是因?yàn)榇笾行蚉LC處理的I/O點(diǎn)數(shù)多，其中有些點(diǎn)可能不必要每次都掃描，一次掃描時(shí)對(duì)某一些I/O點(diǎn)進(jìn)行，下次掃描時(shí)又對(duì)另一些I/O點(diǎn)進(jìn)行，即分時(shí)分批地進(jìn)行順序掃描。這樣做可以縮短掃描周期，提高實(shí)時(shí)控制中的響應(yīng)速度。548.4基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.4.1嵌入式系統(tǒng)概述8.4.2嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.4.3嵌入式系統(tǒng)軟件558.4基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。應(yīng)用：隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到信息家電、手持設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域。568.4.1嵌入式系統(tǒng)概述（1）嵌入式系統(tǒng)概念的由來(lái)1976年，Intel公司推出8048，稱為單片機(jī)。這個(gè)只有1KBROM和64BRAM的簡(jiǎn)單芯片成為世界上第一個(gè)單片機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了將微處理機(jī)系統(tǒng)的各種CPU外的資源，如：ROM、RAM、定時(shí)器、I/O端口、串行通信接口及其他各種外圍功能模塊集成到單個(gè)芯片的時(shí)代。現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)十分龐大的家族，許多新出現(xiàn)的單片機(jī)也稱為嵌入式微處理器，專門面向嵌入式應(yīng)用。針對(duì)特定應(yīng)用、特定功能開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)與所嵌入的應(yīng)用環(huán)境成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，往往有緊湊、高可靠性、實(shí)時(shí)性好、低功耗等技術(shù)要求。這就是今天嵌入式系統(tǒng)這一名稱的含義，也是嵌入式系統(tǒng)成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域的原因。578.4.1嵌入式系統(tǒng)概述（2）嵌入式系統(tǒng)概念的特點(diǎn)專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合。精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能。系統(tǒng)內(nèi)核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專門的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。588.4.1嵌入式系統(tǒng)概述（3）嵌入式系統(tǒng)概念的應(yīng)用領(lǐng)域①工業(yè)控制。②汽車電子。③消費(fèi)電子。④家庭和辦公設(shè)備。⑤POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)。⑥智能公共終端。⑦環(huán)境監(jiān)測(cè)。⑧機(jī)器人。⑨醫(yī)療設(shè)備。⑩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信。?軍事和航天。可以說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到現(xiàn)代社會(huì)的方方面面，尤其在控制方面。就遠(yuǎn)程家電控制而言，除了開(kāi)發(fā)出支持TCP/IP的嵌入式系統(tǒng)之外，家電產(chǎn)品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產(chǎn)廠家來(lái)做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來(lái)控制并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。598.4.2嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從硬件方面來(lái)講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU,MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計(jì)處理器也已經(jīng)成了未來(lái)嵌入式領(lǐng)域的趨勢(shì)，其中從單片機(jī)、DSP到FPGA，品種越來(lái)越多，速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越強(qiáng)，價(jià)格也越來(lái)越低。嵌入式處理器可以分成下面幾類：嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP處理器、嵌入式微處理器MPU、嵌入式片上系統(tǒng)SoC。608.4.2嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）嵌入式微控制器（Micro-ControllerUnit,MCU）

嵌入式微控制器芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM，RAM，總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串口、A/D、D/A、存儲(chǔ)器等各種接口和外設(shè)。微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。由于MCU低廉的價(jià)格、優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051,MCS-251,MCS-96/196/296,P51XA以及MCU8XC930/931,C540,C541，并且有支持IC,CAN-BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場(chǎng)份額。618.4.2嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）嵌入式DSP控制器（DigitalSignalProcessor,DSP）

DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。628.4.2嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（3）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）

它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能。與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前流行的嵌入式處理器很多，主要類型有ARM、386EX，PowerPC，MIPS等。638.4.2嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（4）嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip,SoC）

片上系統(tǒng)SoC是單一芯片上集成MCU、RAM、DMA、I/O等多個(gè)部件。最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。具有極高的綜合性，用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，只需要使用精確的硬件描述語(yǔ)言，經(jīng)過(guò)綜合、仿真、布局布線等過(guò)程，直接生成可以交付芯片生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)表文件。整個(gè)系統(tǒng)特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。SoC往往是專用的，現(xiàn)在許多專用芯片，如手持機(jī)、語(yǔ)音、加密等芯片多為SoC芯片。SoC芯片將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。648.4.3嵌入式系統(tǒng)軟件嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，它應(yīng)該是一個(gè)硬件和軟件的統(tǒng)一體。而軟件在嵌入式系統(tǒng)中將占有更為重要的位置。嵌入式系統(tǒng)的軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩個(gè)層次。一個(gè)稍微復(fù)雜一些的應(yīng)用系統(tǒng)，就會(huì)面對(duì)如下要求：①功能的實(shí)現(xiàn)盡可能不依賴于具體的硬件環(huán)境；②系統(tǒng)要求達(dá)到更高的安全性、可靠性指標(biāo)；③希望軟件設(shè)計(jì)達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)化程度；④希望提高軟件模塊的可讀性、可移植性和再利用率；⑤希望實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)式的開(kāi)發(fā)方式。2025/4/17計(jì)算機(jī)控制技術(shù)658.4.3嵌入式系統(tǒng)軟件（1）主要流行的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)有很大區(qū)別，要做到代碼量小，對(duì)堆棧、寄存器、定時(shí)器及中斷等系統(tǒng)部件的依賴要少。嵌入式操作系統(tǒng)，除了對(duì)于縮減PC系統(tǒng)目前仍采用DOS等PC上的流行操作系統(tǒng)以外，基本上有兩大趨勢(shì)：一類是面向高級(jí)單片機(jī)的，另一類是針對(duì)8位、16位單片機(jī)。目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)包括：Linux、μCLinux、eCOS、VxWorks、FreeRTOS、mbedOS、Android、AliOSThings、華為鴻蒙系統(tǒng)（HUAWEIHarmonyOS）、TinyOS、mbedOS、RTX5l、μC/OS668.4.3嵌入式系統(tǒng)軟件（2）嵌入式操作系統(tǒng)的功能進(jìn)程管理。在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程是一個(gè)運(yùn)行中的程序，進(jìn)程具有獨(dú)立性。多個(gè)進(jìn)程在操作系統(tǒng)的調(diào)度下，分時(shí)、并發(fā)地運(yùn)行。可以利用一種信號(hào)燈機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程之間的通信，分配進(jìn)程對(duì)各種資源的占用；可以利用進(jìn)程調(diào)度，避免系統(tǒng)陷入死循環(huán)或崩潰；可以將進(jìn)程設(shè)置為不同的優(yōu)先級(jí)別，例如系統(tǒng)級(jí)或用戶級(jí)，來(lái)保證系統(tǒng)的安全性內(nèi)存管理。內(nèi)存管理是將計(jì)算機(jī)的內(nèi)存分成若干頁(yè)面，對(duì)各個(gè)頁(yè)面賦予不同的特性和訪問(wèn)邏輯地址。利用內(nèi)存頁(yè)的不同特性，可以實(shí)現(xiàn)不同的訪問(wèn)特性。例如，可以為特殊的任務(wù)分配特定的內(nèi)存頁(yè)，同時(shí)也避免了其他任務(wù)侵入這一內(nèi)存頁(yè)。由于內(nèi)存訪問(wèn)的實(shí)時(shí)性，這種頁(yè)面的分配是由硬件實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，是依賴于CPU的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)的。678.4.3嵌入式系統(tǒng)軟件（2）嵌入式操作系統(tǒng)的功能文件系統(tǒng)管理。文件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)特殊組成部分。文件系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)管理的大量數(shù)據(jù)以特定的結(jié)構(gòu)保存在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，這個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是文件。文件系統(tǒng)一般建立在外存中，如磁盤、磁帶、光盤等，以滿足數(shù)據(jù)容量的要求。在特殊的情況下，文件系統(tǒng)也可以建立在內(nèi)存中。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在操作系統(tǒng)管理下，應(yīng)用程序不必要也不應(yīng)該與底層的各種設(shè)備直接打交道。應(yīng)用程序可以經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)提供的設(shè)備管理手段，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，來(lái)使用系統(tǒng)的設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般包括對(duì)設(shè)備的初始化，檢查設(shè)備狀態(tài)，控制設(shè)備動(dòng)作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫操作等功能。系統(tǒng)調(diào)用。操作系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，往往通過(guò)一系列應(yīng)用軟件可引用的程序模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱為系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)或應(yīng)用編程接口。用它們作為應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。688.5集散控制系統(tǒng)（DCS）8.5.1集散控制系統(tǒng)概述8.5.2集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理8.5.3集散控制系統(tǒng)的組態(tài)698.5集散控制系統(tǒng)（DCS）集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又名分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS），常簡(jiǎn)稱集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。集散型控制系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）技術(shù)、控制（Control）技術(shù)、通信（Communication）技術(shù)、CRT顯示技術(shù)即4C技術(shù)，集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。集散控制系統(tǒng)將以計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)為目標(biāo)，以新的控制方法、現(xiàn)場(chǎng)總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)等新技術(shù)，為用戶實(shí)現(xiàn)管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。708.5集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設(shè)計(jì)原則。自從美國(guó)的HoneyWell公司于1975年成功推出了世界上第一套集散控制系統(tǒng)以來(lái)，已更新?lián)Q代了4代DCS，現(xiàn)已進(jìn)入第5代DCS。718.5.1集散控制系統(tǒng)概述DCS從下至上依次分為直接控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層。DCS按功能分層的層次結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了其分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想。72（1）DCS的直接控制層

直接控制層是DCS的基礎(chǔ)，其主要設(shè)備是過(guò)程控制站（PCS）,PCS主要由輸入輸出單元（IOU）和過(guò)程控制單元（PCU）兩部分組成。輸入輸出單元（IOU）直接與生產(chǎn)過(guò)程的信號(hào)傳感器、變送器和執(zhí)行器連接，其功能一是采集反應(yīng)生產(chǎn)狀況的過(guò)程變量和狀態(tài)變量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；二是向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器傳送模擬量操作信號(hào)和數(shù)字量操作信號(hào)。過(guò)程控制單元（PCU）下與IOU連接，上與控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）連接，其功能一是直接數(shù)字控制（DDC）；二是與控制網(wǎng)絡(luò)通信，以便操作監(jiān)控層對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和操作；三是進(jìn)行安全冗余處理，一旦發(fā)現(xiàn)PCS硬件或軟件故障，就立即切換到備用件，保證系統(tǒng)步間斷地安全運(yùn)行。73（2）DCS的操作監(jiān)控層操作監(jiān)控層是DCS的中心，其主要設(shè)備是操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)站和計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)。操作員站（OS）供工藝操作員對(duì)生產(chǎn)工程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理。工程師站（ES）供計(jì)算機(jī)工程師對(duì)DCS進(jìn)行系統(tǒng)生成和診斷維護(hù)；供控制工程師進(jìn)行控制回路組態(tài)、人機(jī)界面繪制、報(bào)表制作和特殊軟件編制。監(jiān)控計(jì)算機(jī)站（SCS）用來(lái)建立生成過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，實(shí)施高等過(guò)程控制策略，實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)的優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制；并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行故障診斷、預(yù)報(bào)和分析，保證安全生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（CGI）用作控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）之間相互通信。74（3）DCS的生產(chǎn)管理層生產(chǎn)管理層處于工廠級(jí)，根據(jù)訂貨量、庫(kù)存量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)原料和能源供應(yīng)情況及時(shí)制定全廠的生產(chǎn)計(jì)劃，并分解落實(shí)到生產(chǎn)車間或裝置；另外還要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時(shí)協(xié)調(diào)全廠的生產(chǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和科學(xué)管理，使全廠的生產(chǎn)始終處于最佳狀態(tài)，并能應(yīng)付不可預(yù)測(cè)的事件。主要設(shè)備是生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)（manufactorymanagementcomputer,MMC）,一般由一臺(tái)中型機(jī)和若干臺(tái)微型機(jī)組成。計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（CG2）用作生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）和決策管理網(wǎng)絡(luò)（DNET）之間相互通信。75（4）DCS的決策管理層決策管理層處于公司級(jí)，管理公司的生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、技術(shù)、計(jì)劃、市場(chǎng)、財(cái)務(wù)、人事、后勤等部門。通過(guò)收集各部門的信息，進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)作出決策，協(xié)助各級(jí)管理人員指揮調(diào)度，使公司各部門的工作處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。另外還協(xié)助公司經(jīng)理制定中長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃和遠(yuǎn)景規(guī)劃。主要設(shè)備是決策管理計(jì)算機(jī)（decisionmanagementcomputer,DMC），一般由一臺(tái)大型機(jī)、幾臺(tái)中型機(jī)、若干臺(tái)微型機(jī)組成。計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（CG3）用作決策管理網(wǎng)絡(luò)（DNET）和其他網(wǎng)絡(luò)之間相互通信，即企業(yè)網(wǎng)和公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息通道768.5.2集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理DCS硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，可靈活地配置成小、中、大系統(tǒng)；另外，還可以根據(jù)企業(yè)的財(cái)力或生產(chǎn)要求，逐步擴(kuò)展系統(tǒng)和增加功能。DCS控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）上的各類結(jié)點(diǎn)數(shù)，即過(guò)程控制站（PCS）、操作員站（OS）、工程師站（ES）和監(jiān)控計(jì)算機(jī)站（SCS）的數(shù)量，可按生產(chǎn)要求和用戶需要靈活地配置；另外，還可靈活地配置每個(gè)結(jié)點(diǎn)的硬件資源，如內(nèi)存容量、硬盤容量和外部設(shè)備種類等。77圖8.14過(guò)程控制站（PCS）的硬件結(jié)構(gòu)78（1）DCS控制站的硬件結(jié)構(gòu)控制站CS或過(guò)程控制站PCS主要由輸入輸出單元、過(guò)程控制單元和電源三部分組成。輸入輸出單元（IOU）：PCS的基礎(chǔ)，由各種類型的輸入輸出處理板（IOP）組成。過(guò)程控制單元（PCU）：PCS的核心，并且是PCS的基本配置，主要由控制處理器板、輸入輸出接口處理器板、通信處理器板、冗余處理器板組成。79（2）DCS操作員站的硬件結(jié)構(gòu)操作員站（OS）為32位（或64位）微處理機(jī)或小型機(jī)，主要由主機(jī)、彩色顯示器、操作員專用鍵盤和打印機(jī)等組成。主機(jī)的內(nèi)存容量、硬盤容量可由用戶選擇，彩色顯示器可選觸屏式或非觸屏式，分辨率也可選擇，一般用工業(yè)PC機(jī)（IPC）或工作站做OS主機(jī)，個(gè)別DCS制造廠配專用OS主機(jī)，前者是發(fā)展趨勢(shì)，這樣可增強(qiáng)操作員站的通用性及靈活性。80（3）DCS工程師站的硬件結(jié)構(gòu)工程師站（ES）為32位或64位小型機(jī)和高檔微型機(jī)，主要由主機(jī)、彩色顯示器（CRT）、鍵盤、打印機(jī)等組成，其中主機(jī)的內(nèi)存容量、硬盤容量、CD或磁帶機(jī)為外部設(shè)備均可由用戶選擇。一般DCS的直接控制層和操作監(jiān)控層的設(shè)備都有定型產(chǎn)品供用戶選擇，即DCS制造廠為這兩層提供了各種類型的配套設(shè)備。生產(chǎn)管理層和決策層的設(shè)備無(wú)定型產(chǎn)品，一般由用戶自行配置。81（4）DCS的軟件系統(tǒng)DCS的軟件體系通常可以為用戶提供相當(dāng)豐富的功能軟件模塊和功能軟件包，控制工程師利用DCS提供的組態(tài)軟件，將各種功能軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹敖M裝連接”（即組態(tài)），生成滿足控制系統(tǒng)的要求各種應(yīng)用軟件。現(xiàn)場(chǎng)控制單元的軟件主要包括以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的數(shù)據(jù)巡檢、控制算法、控制輸出和網(wǎng)絡(luò)通信等軟件模塊組成。82（4）DCS的軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)起到了中心環(huán)節(jié)的作用，用來(lái)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)、控制輸出以及某些計(jì)算的中間結(jié)果和控制算法結(jié)構(gòu)等方面的信息。數(shù)據(jù)巡檢模塊用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、故障信號(hào)的采集，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)字濾波、單位變換、補(bǔ)償運(yùn)算等輔助功能。DCS的控制功能通過(guò)組態(tài)生成，不同的系統(tǒng)，需要的控制算法模塊各不相同，通常會(huì)涉及以下一些模塊：算術(shù)運(yùn)算模塊、邏輯運(yùn)算模塊、PID控制模塊、變型PID模塊、手自動(dòng)切換模塊、非線性處理模塊、執(zhí)行器控制模塊等等。控制輸出模塊主要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)以故障處理的輸出。83（4）DCS的軟件系統(tǒng)DCS中的操作站用以完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生成、測(cè)試和運(yùn)行等任務(wù)，這就需要相應(yīng)的系統(tǒng)軟件支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言及各種工具軟件等。一套完善的DCS，在操作站上運(yùn)行的應(yīng)用軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)管理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖形管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)顯示與修改、記錄報(bào)表生成與打印、人機(jī)接口控制、控制回路調(diào)節(jié)、參數(shù)列表、串行通信和各種組態(tài)等。848.5.3集散控制系統(tǒng)組態(tài)可以分為兩個(gè)主要方面：硬件組態(tài)和軟件組態(tài)。硬件組組態(tài)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求來(lái)確定硬件的模塊化配置，常見(jiàn)的內(nèi)容包括操作站（工程師站和操作員站）的選擇、現(xiàn)場(chǎng)控制站的配置以及電源的選擇。軟件組態(tài)：包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件組態(tài)。基本配置組態(tài)是給系統(tǒng)一個(gè)配置信息，例如系統(tǒng)各種站的個(gè)數(shù)，索引標(biāo)志，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站的最大點(diǎn)數(shù)，最短執(zhí)行周期等；應(yīng)用軟件組態(tài)包括數(shù)據(jù)庫(kù)生成、歷史庫(kù)生成、圖形生成、報(bào)表生成和控制組態(tài)等。858.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)8.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述8.6.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.6.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)868.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在測(cè)量控制設(shè)備間實(shí)現(xiàn)雙向多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通訊，又稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通訊的低層控制網(wǎng)絡(luò)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fieldbuscontrolsystem,FCS）是一種以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)，既是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。作為一種現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有開(kāi)放式數(shù)字通信功能，可與各種通信網(wǎng)絡(luò)。878.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線把控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自下而上的全數(shù)字化通信，可以認(rèn)為是通信總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的延伸，把企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍延伸到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生，不僅變革了傳統(tǒng)的單一功能的模擬儀表，將其改為綜合功能的數(shù)字儀；而且變革了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DDC,DCS），將輸入、輸出、運(yùn)算和控制功能分散分布到現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中，形成了全數(shù)字的徹底的分散控制系統(tǒng)。888.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制的一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。它是依靠具有檢測(cè)、控制、通信能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表（設(shè)備）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量和控制設(shè)備單個(gè)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些點(diǎn)以總線形式連接起來(lái)，形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它將原來(lái)集散型的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的功能，全部分散在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處。可以將原來(lái)封閉、專用的系統(tǒng)變成開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。使得不同制造商的產(chǎn)品可以互連，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，更好滿足了實(shí)時(shí)性要求，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。898.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有若干標(biāo)準(zhǔn)，尚未實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在3.5.1節(jié)進(jìn)行了介紹。常用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)(IEC認(rèn)定)：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF(FoundationFieldbus)CAN（ControllerAreaNetwork）LonworksDeviceNetPROFIBUSHART（HighwayAddressableRemoteTransducer）CC-Link（ControlCommunicationLink）WorldFIP908.6.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)的缺陷；把DCS的集中與分散相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。DCS半分散半數(shù)字FCS全分散全數(shù)字封閉開(kāi)放918.6.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將控制器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)成一種徹底的分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無(wú)線、紅外線等各種形式。FCS形成的控制網(wǎng)很容易與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和全球信息網(wǎng)互連，構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。圖8.14現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線控制器控制器車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)去工廠主干網(wǎng)938.6.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）開(kāi)放性和可互操作性FCS打破DCS廠家壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來(lái)了平等競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)遇。可互操作性實(shí)現(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能，從而使用戶對(duì)不同廠家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。（2）徹底的分散性徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴(kuò)建，且易于維護(hù)。（3）低成本衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不僅考慮造價(jià)，也應(yīng)考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)整個(gè)生命周期內(nèi)總投入。FCS開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，節(jié)省裝置、安裝、布線和維護(hù)費(fèi)用。948.6.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

FCS的技術(shù)關(guān)鍵是智能儀表技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。智能儀表不僅具有精度高、可自診斷等優(yōu)點(diǎn)，而且具有控制功能，必將取代傳統(tǒng)的4-20mA模擬儀表。連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開(kāi)放式、數(shù)字化、多接點(diǎn)的雙向傳輸串行數(shù)據(jù)通路，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。結(jié)合PC豐富的軟硬件資源，既克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，又極大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性和效率，形成了一種全新的控制系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了自動(dòng)控制的新紀(jì)元，成為自動(dòng)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。958.7云控制系統(tǒng)8.7.1云控制系統(tǒng)概述8.7.2云控制系統(tǒng)雛形和控制流程8.7.3云邊協(xié)同控制系統(tǒng)968.7.1云控制系統(tǒng)概述

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是過(guò)去二十年的研究熱點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展和普及，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)面臨著控制系統(tǒng)復(fù)雜化、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間受限和傳統(tǒng)控制架構(gòu)自身限制的挑戰(zhàn)。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)交叉融合發(fā)展，控制系統(tǒng)需要更加智能、具備更加強(qiáng)大的功能、有更好的信息交互和處理能力。如美國(guó)國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)、德國(guó)工業(yè)4.0、歐盟地平線2020、中國(guó)制造2025等。國(guó)務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》也指出，新一代控制系統(tǒng)應(yīng)具有智能計(jì)算、優(yōu)化決策與控制能力。以控制為核心，以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為技術(shù)工具，以網(wǎng)絡(luò)化控制、信息物理系統(tǒng)、復(fù)雜大系統(tǒng)理論為依托，云控制系統(tǒng)（CloudControlSystems，CCSs)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)高度自主和高度智能的控制。978.7.1云控制系統(tǒng)概述

（1）基本概念云控制系統(tǒng)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)各種傳感器感知匯聚海量數(shù)據(jù)，并將大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于云端，在云端利用深度學(xué)習(xí)等智能算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線辨識(shí)與建模，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測(cè)控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制等先進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主智能控制。控制實(shí)時(shí)性，因?yàn)樵朴?jì)算的引入得到保證，在云端利用深度學(xué)習(xí)等智能算法，同大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測(cè)控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，可以使得云控制系統(tǒng)具有智能自主控制能力。最終將控制封裝成隨取隨用的服務(wù)形式，也就是“控制即服務(wù)”（ControlasaService，CaaS）。云控制系統(tǒng)綜合了云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的先進(jìn)理論和其他近期發(fā)展的相關(guān)結(jié)果，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題提供了可能，將會(huì)在工業(yè)領(lǐng)域和其他相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。988.7.1云控制系統(tǒng)概述

（2）主要核心技術(shù)1）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)云控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是控制和監(jiān)控的前提。對(duì)于云控制系統(tǒng)，由于過(guò)程復(fù)雜或者涉及變量多，往往無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型甚至無(wú)法建模，可以利用的只是通過(guò)傳感技術(shù)測(cè)得的系統(tǒng)狀態(tài)或者輸出，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)不再適用，因此提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制。在大部分實(shí)際應(yīng)用中，只有數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸并被控制器和執(zhí)行器接收，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法特別適用于云控制系統(tǒng)。998.7.1云控制系統(tǒng)概述

（2）主要核心技術(shù)1）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)云控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)云控制系統(tǒng)中，傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器，