工业控制应用与发展Word文档格式.docx

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1.1　直接数字控制系统4

1.2　监督控制（SCC）系统5

1.3集散控制系统（DCS）6

1.4递阶控制系统（HCS）8

二PC总线工业控制机9

2.1.PC总线工业控制机主要特点9

2.1.1兼容性好、升级容易9

2.1.2性能价格比高9

2.1.3丰富的软件支持9

2.1.4通信功能强9

2.1.5可靠性高9

2.2PC总线工业控制机体系结构9

三工业控制计算机的发展10

3.1PC技术推动了嵌入式工控机技术的发展10

3.2各种总线的嵌入式工控机向高性能、高可靠方向发展11

3.2.1VME总线工控机仍然是主流产品11

3.2.2加固性ISA/PCI总线工控机仍然占有一定的市场份额12

3.2.3PC/104总线工控机通过PC/104-Plus向高性能方向发展12

3.2.4STD总线工控机采用单片PC技术升级ALL-IN-ONECPU板13

四结束语15

参考资料：

16

1.举一个具体的实例，进行详细说明，写出它的公式、方程，原理框图，曲线图，等效电路图，流程图。

2.其他实例可以略写，简要介绍即可

3.格式按照学校的撰写要求写

摘要

工业控制计算机也称工业计算机，简称工控机。

工控机主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。

工业控制计算机特别是工业PC机是目前逐步推广应用的控制计算机，很适合控制工程师选用，它采用开放式的总线结构，将各种过程通道做成相应的模板，可以和工业现场的各种传感器、执行机构直接相连，配以功能齐全的工业组态软件后，即可构成完善的计算机控制系统。

回顾历史，中国工控机技术的发展经历了80年代的第一代STD总线工控机，90年代的第二代IPC工控机，现在进入了第三代CompactPCI总线工控机时期，而每个时期大约要持续15年左右的时间。

STD总线工控机解决了当时工控机的有无问题；

IPC工控机解决了低成本和PC兼容性问题；

CompactPCI总线工控机解决的是可靠性和可维护性问题。

作为新一代工控机技术，CompactPCI总线工控机将不可阻挡地占据生产过程的自动化层，IPC将逐渐由生产过程自动化层向管理信息化层移动，而STD总线工控机必将退出历史舞台，这是技术发展的必然结果。

同时，新一代工控机技术也是下一代网络（NGN）技术设备的基础。

因此，覆盖CompactPCI总线、PXI总线以及AdvancedTCA技术的新一代工控机技术具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。

关键词：

控制系统兼容性PC机STD

第一章工业控制计算机的应用

1.1　直接数字控制系统

“直接数字控制”这个名字是为了强调计算机直接控制生产过程这一特征，其系统组成如图1所示。

计算机控制系统中首先是把反映过程状态的参数经过采样，并经过模数转换装置转换为相应的数字量。

计算机根据一定的控制算法进行计算，将控制作用经数模转换装置转换为相应的模拟量，通过执行机构去控制生产过程，以达到预期的目的。

同时，也可根据需要将必要的信息在终端机的屏幕上显示或用打印机打印出来。

图1.1　直接数字控制系统组成框图

当前以单片机为主体的DDC控制仪用量最大，如控制温度、流量，控制风机、水、油泵及炉门升降机构等。

这种微机控制仪表的功能已大大超过以摸拟电子元件为基础的测量仪表，而且有了处理工艺参数的功能，但它们需要与中间继电器、交流接触器、晶闸管、电磁阀、比例阀等执行机构形成完善的控制系统。

多数DDC控制仪采用PID和模糊控制算法，但自身自调整和在线优化能力仍较弱。

最新推出的DDC控制系统均配有通信接口，可方便地进行联机。

这类控制系统的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干扰能力和控制精度，操作方便。

主要问题是受运行速度和内存容量的限制，一般只能按预定工艺参数进行工艺过程控制，难于动态控制热处理工艺过程和产品质量预测，因此还是初级微机控制系统。

国产的这类控制仪种类多，但目前仍存在着抗干扰自复位能力较差，可靠性差等问题。

1.2　监督控制（SCC）系统

监督控制（SCC）系统又称设定值控制系统（SPC），它是将操作指导和DDC综合起来的一种较高级形式的控制系统。

它和DDC一样属于闭环控制。

在这类系统中，生产过程的闭环自动调节是依靠模拟调节器或DDC计算机来完成的。

SCC计算机对生产过程的工艺参数进行巡检，并根据生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，直接对模拟调节器或DDC计算机进行设定，使生产过程在最优工况下运行。

此外，它还可以通过在线的模型辩识，随时对现有模型进行修改，实现最优控制和自适应控制。

SCC系统组成原理框图如图2所示。

模拟调节器或DDC计算机直接面向生产过程，SCC计算机则面向模拟调节器或DDC计算机，也就是说，含有SCC的系统至少是一个两级控制系统。

一台SCC计算机可监督控制多台DDC或模拟调节器。

SCC系统具有较高的运行性能和可靠性。

目前较高水平的热处理设备计算机控制已基本上达到SCC级。

我国引进的不少热处理设备，如济南柴油机厂引进德国IPSEN公司的SUPERCARB多用炉，陕西齿轮厂引进奥地利艾协林渗碳自动生产线，均带有SCC系统。

目前，国内也开始开发这类控制系统。

生产中的主要问题在于基础工作不完善，如工艺过程控制及产品质量预测、工艺参数影响因素及过程精确控制数学模型的建立等。

因此，加强对引进系统的消化吸收，开发适合我国国情的SCC热处理计算机控制系统是近期的主要发展方向。

图1.2　监督控制（SCC）系统组成原理框图

采用SCC系统的原因是由于DDC系统在进行实时控制时，采样周期不能太长。

而较短的采样周期又难以完成较为复杂的运算与控制，SCC系统则可以完成较为复杂的计算，如优化计算、自适应算法等，而将计算出的最佳设定值送给DDC系统或模拟调节器去执行，因此，可实时实现优化控制。

但是，DDC系统和SCC系统都属于集中型控制系统，当这种系统集中了很多的控制回路时，就必然会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性大为降低。

这就要求直接数字控制由集中型向分散型转移，于是出现了“控制分散、信息集中”的集散型控制系统［2］。

1.3集散控制系统（DCS）

集散控制系统（DCS）又称为分散控制系统或分布式控制系统。

它是融DDC、SCC及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统。

目前所使用的集散控制系统有环形、总线形和分级式几种。

现以分级式为例介绍该系统的组成。

分级式控制系统通常由分散过程控制级（DDC级）、监督控制（SCC级）和生产管理级（MIC级）等3级组成，如图3所示

图1.3　分级式集散型控制系统的组成

分散过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。

它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。

分散过程控制级收集的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信息，并依此而工作。

可见分散过程控制级基本上属于DDC系统的形式，但将DDC系统的职能由各工作站分别完成。

由于工作任务由各站来完成，因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中”的缺点。

监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。

监控级根据生产管理级的技术要求，确定分散过程控制级最优给定量。

监控级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。

管理级则是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。

集散型控制系统实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。

它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。

具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。

能够适应工业生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益［3］。

1.4递阶控制系统（HCS）

集散系统进一步向上联网，和上层的管理信息系统一起构成递阶控制系统。

随着计算机技术的发展，人们把注意力转向工厂的生产效率、能源消耗、利润指标等管理信息方面，于是就把生产过程的监控与科学化的企业管理结合起来。

递阶控制系统一般分成4级，如图4所示。

图1.4　递阶控制系统示意图

在直接控制级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（如变送器、执行器、记录仪表等）相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第2层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特征数据和采集到的实时数据。

在过程管理级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站和工程师站。

它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修正，优化过程处理等。

在生产管理级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。

经营管理级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等［2］。

需要说明的一点是，有些文献将分级控制系统单独归为一类，有些文献则将它归为集散控制系统中的一种，本文采取的是后一种分类方法。

第二章PC总线工业控制机

2.1.PC总线工业控制机主要特点

2.1.1兼容性好、升级容易

兼容性好、升级容易由于采用ISA标准总线，兼容性好，且升级容易。

如升级到VL—BUS局部总线，只需在ISA总线基础上加上VL总线部分即可；

升级到PCI总线工控机，只需在ISA总线基础上增加PCI总线即可。

对于CPU芯片，从80386到80486以至到Pentium芯片也很容易实现升级。

2.1.2性能价格比高PC总线工控机的性能比其他机种高，但其价格却比其他机种便宜。

工控机软件包括操作系统、应用软件、数据库、网络通信、工控软件包等。

这些软件有许多公司的产品支持，并可应用商用PC机软件。

工控机具有多种通信网卡和通信支持软件，因而极易构成分散型控制系统（DCS）。

冲击振动能力、抗尘埃性能、抗电涌冲击能力、抗腐蚀性气体能力以及适应宽的温度能力等方面，工业PC均比普通PC提高2-3倍。

2.2PC总线工业控制机体系结构

工业PC（IPC）是以PC总线（ISA、VESA、PCI总线）为基础构成的工业计算机。

其总线结构便于维护、扩充和模块化。

IPC构成如Fig3.2所示。

图2.2IPC构成原理

IPC主机结构包括：

加固型机箱、无源总线底板、工业电源、ALL—IN—ONE主机板、显示卡、3.5in软盘驱动器、硬盘、CD-ROM驱动器、显示器、键盘以及鼠标等。

1　直接数字控制（DDC）系统.

2.3渗碳炉渗碳系统的构成与控制概述

井式渗碳炉的控制系统如图2.3所示.

滴注式气体渗碳工艺过程,通常可以分为:

升

温排气、渗碳（包括强渗和扩散）、降温冷却等三个

阶段,如图二所示.

各个阶段的工艺要求不同,所采取的控制方式以及参数设定也不同[3].升温排气阶段零件装炉以后,温度大幅度下降,同时还有大量空气进入炉内,因此本阶段的作用是使炉内温度迅速上升恢复到规定的渗碳温度,同时要尽快排出进入炉内的空气,防止零件氧化.在煤油+甲醇渗碳的排气阶段,向炉内大量滴入甲醇,当炉温升高到900℃以上时,再滴入煤油,使工件进入顺利的渗碳阶段.排气阶段持续时间一般是炉子达到渗碳温度后再延续30～60min,以便完全排除炉内的CO2,H2O,O2等氧化脱碳性气体.渗碳阶段此阶段的作用是渗入碳原子,并获得一定深度的渗层.这一期间,炉内温度保持不变,炉内压力保持在150～200Pa.渗剂滴量的控制可分为两种方法:

一段法（碳势固定不变）,滴量始终保持恒定.其优点是操作简便,缺点是渗碳速度慢,渗层表面碳浓度高,浓度梯度很大.另一种方法是分段法,即前段是强烈渗碳,后段为扩散.前段采用大滴量,维持炉内高碳势,这时工件表面吸收大量的活性碳原子,形成高浓度梯度,以提高渗碳速度.后段采用小滴量,以适当降低炉内碳势,使工件表面的碳原子逐步向内层扩散,适当降低工件表面碳浓度,最后获得所要求的表面碳浓度和渗层深度.分段法虽然操作比较麻烦,但渗碳速度快,能缩短渗碳周期,而且渗碳质量高,是渗碳工艺中最常用的方一法.降温冷却阶段在渗碳阶段结束前1h左右,从炉内取出所做试样（工艺中称为定碳片）来检查渗碳质量和渗层深度是否达到渗碳要求,确定准确的渗碳时间.当达到要求的技术指标后,对需要重新加热淬火的零件,随炉降温到860～880℃,然后出炉转入可防止氧化脱碳的冷却室里冷却到室温,对直接淬火的零件,随炉降温到810～840℃,保温25～30min,然后进行淬火冷却.在以上的降温和保温过程中,应向炉内滴注适量的甲醇和煤油,炉内压力控制在50～150Pa,以防止氧化脱碳.

2.4　PC总线工业控制机的硬件设计

PC总线工业控制机硬件系统如图3所示.

　2.4.1PC总线工业控制机选择

PC总线工业控制机采用是研华IPC610,其配置为Pentium4CPU3.0GHzP512M内存P160G硬盘P集成显示卡P52倍光驱,满足本系统要求

2.4.2　APD板卡的选配

APD板卡采用研华PCL818L,其性能为数据采集板,具有16路单端P8路双端模拟量输入通道,程控增益:

1,2,4,8;

输入信号范围:

双极性时,-10V～+10V,-5V～+5V,-2.5V～+2.5V,-1.25V～+1.25V或-5V～+5V,-2.5V～+2.5V,-1.25V～+1.25V,-0.625V～+0.625V;

转换精度:

12位;

在此为了提高共模干扰采用双端模拟量输入.

2.4.3　DPA板卡的选配

DPA板卡采用研华PCL726,其性能为数据模拟输出板,具有6路模拟输出通道,DPA分辨率为12位,电压输出范围:

±

5V,±

10V,0～5V,0～10V硬件设置）;

电流输出范围:

4～20mA,上电DPA输出清零,为了阀门正反方向运动,采用双极性输出.

2.4.4　IPO板卡的选配

IPO板卡采用研华PCL725,其性能为DI,DO板,具有8通道数字量输入,8通道继电器数字量输出,跳线选择数字量输入信号是否隔离.在此采用8通道数字量输入中的几个作为输入并隔离,8通道继电器数字量输出用6个作为双向可控硅驱动控制.

第三章工业控制计算机的发展

3.1PC技术推动了嵌入式工控机技术的发展

当今，市场上每年销售大约30亿颗嵌入式CPU，其中绝大部分是8位和16位的CPU。

与此同时，嵌入式工业控制机的市场也在迅速增长。

嵌入式工控机是嵌入在工业系统内部，在工业极端环境里能够连续长期稳定可靠工作的工业型计算机。

随着IntelCPU和MicrosoftDOS/WINDOWS架构演变成事实上的标准，ISA/PCI总线加固型工业PC（IPC）开始向工业领域渗透。

IPC虽然经过了工业化改造（如取消了大母板，采用无源背板、插卡式模板，工业电源，全钢密封机箱微正压散热，温度自动检测和调整等），但其本质上仍然不是工业型PC，不能从根本上解决大母板水平放置、抗震动冲击能力差、非均匀散热、元器件失效率高、平均修复时间（MTTR）长、维护困难等问题，难以满足工业控制任务的苛刻要求。

为了满足市场对工业型计算机的要求，除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。

3.2嵌入式工控机向高性能方向发展

3.2.1VME总线工控机仍然是主流产品但开始融入PC技术历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式工业应用的首选机型。

1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，从此VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、实时处理和军事通讯中得到了广泛应用。

1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。

VME总线接口为2个96芯的针孔连接器P1和P2（6U欧洲卡），其中P2的外侧2排针由用户自定义，以满足用户的特殊要求。

VME总线的数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/sec。

1996年的新标准VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80MB/sec。

由FORCECOMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320MB/sec。

VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。

VME总线OEM产品由众多的制造商支持，主要采用Motorola公司的68K系列微处理器，如25M/33M的68060。

现在越来越多的VME总线SBC的制造商开始采用Intel公司和AMD公司生产的微处理器，如DY4Systems、ConcurrentTechnologies、VMIC、PEPModular、Computers，以及SBSEmbeddedComputers等公司，最新产品已经采用了500MHz的PentiumⅢ

处理器，也有一些产品采用PowerPC等其它处理器，但市场份额很小。

1987年VXI总线联合会成立，其目标是定义板级仪器标准，即VME扩展仪器仪表总线。

VXI总线工控机以VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为四种：

VXIA（3.9inx6.3）、VXIB（in9.2inx6.3in）、VXIC（9.2inx13.4in）及VXID（14.4inx13.4in），其中现在最常用的是VXIC规格。

1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE1155。

VXI总线工控机规定的操作系统类型有DOS、WINDOW3.1、WINDOWS95、WINDOWSNT、Solaris1和2、HP-UX、MacOS以及SCOUnix。

从VXI总线和VME总线工控机运行的操作系统可以看出：

VXI总线工控机制造商希望兼容主流计算机市场提供的丰富而廉价的应用软件开发工具包、外设和驱动软件，而VME总线只能利用OS制造商或第三方合作伙伴提供的专用开发环境和外设工作。

3.2.2加固性ISA/PCI总线工控机

现在工业控制机已经发生了很大的变化，过去专用的封闭式的架构迅速被PC技术的开放式架构所取代，其中最重要的原因之一就是软件的兼容性。

工业控制机用户过去和现在都希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，这就导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。

然而，桌面PC机技术是面向每年2000亿美元的商用机市场的，而不是相对比较小的工业计算机市场的，它不具备工业级性能：

抗强震动、冲击、高温、潮湿和具有快速修复能力（MTTR一般小于5分钟）。

由桌面PC技术衍生的ISA总线加固型计算机在工业上得到了相当广泛的应用。

3.2.3PC/104向高性能方向发展

用自层迭互连方式和3.6inx3.8in的小板结构，抛弃了PC机的大母板，使其更适合在尺寸和空间受到限制的嵌入式环境中使用，如消费类电子产品：

洗衣机、烘干机、洗碗机、收在80年代末，AmproComputers发明了PC/104总线。

1992年3月PC/104总线联合会发布了PC/104规范1.0版,几经修改，于1996年6月公布了PC/104规范3.2版。

PC/104总线采款机等。

近来，由于紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中开始采用，如火箭、导弹和战斗机等。

虽然PC/104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差（4mA），其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。

为了兼容PCI总线技术，1997年2月PC/104总线联合会推出了PC/104-Plus规范1.0版，在PC/104规范3.2版的基础上，增加了30x4根信号线的J2插座，支持PCI局部总线规范2.1版。

今天，许多单板计算机（SBC）都设计有PC/104总线接口，以便通过PC/104总线丰富的I/O模块扩展功能，满足不同的嵌入式应用要求。

PC/104总线工控机主流产品是486DX和586，如Winsystems公司486DX4-100MHz的SAT-DX5x86-133MHz的PCM-586。

VersaLogic公司的VSBC-6，支持Pentium133-266MHz和AMDK6-2200-366MHz处理器。

结束语

如今的时代是变革的时代，也是推陈出新的时代。

以CompactPCI总线工控机技术为核心，覆盖CompactPCI、PXI和ATCA的新一代工控机技术注定要成为这个时代的主旋律。

业界权威人士已经预测：

“第一，CompactPCI将以每年15%～20%的增长速度取代传统的IPC工控机；

第二，CompactPCI与嵌入式系统将成为未来工业控制器的两大主流技术；

第三，中国将成为CompactPCI全球最大的市场。

”伴随着新一代工控机技术的兴起，工控机制造行业也将重新洗牌，强者和弱者将站在同一个起跑线上，百戈争流，不进则退，机遇与挑战并存。

国内的企业，只要抓住机遇，大胆创新，勇于和善于迎接挑战，就一定会与新一代工控机技术一起发展壮大，这是不可阻挡的历史潮流。

[1]孙廷才，工业控制计算机组成原理.北京：

清华大学出版社，2001.5

[2]陈曾汉，工业PC及测控系统.北京：

机械工业出版社，2004.1

[3]王建华，计算机控制技术.北京：

高等教育出版社，2003

[4]王锦标，过程计算机控制.北京：

清华大学出版社，1992

[5]陈章龙，嵌入式系统.北京：

北京航空航天大学出版社，2002.10

[6]陈连坤，嵌入式系统的设计与开发.北京：

清华人学出版社，2005.7