暖通与燃气数值化测量技术2007

暖通与燃气数值化测量技术

学时数：30学时 专业班级：07级研究生 学分： 2学分 授课时间：2007年9月

第一章 计算机控制技术基础

1-1 概述

电子计算机是本世纪40年代中期开始发展起来的，1971年以后，随着大规模集成电路技术的飞速发展，诞生了微型计算机，引起了科学技术的深刻革命。计算机正进入人们生活的各个领域，给整个世界带来了巨大变化，从人类生产到生活以至战争，影响之大，出乎人们的预料。 CPU ROM RAM

I/O接口电路

Single Chip Computer Single Board Computer 1-1-1 自动化与工控机

“4A”（工业自动化、农业自动化、办公自动化、家庭自动化）已成为国际上的热门话题，有许多问题需要研究和解决。

工控机：现代化工业实现自动化不可缺少的工具。运转率99.95%，即一年的停机不超过4小时。 MTBF 平均无故障时间 MTTR 短的故障修复时间 1-1-2 工控机的研制与发展

工控机的三个发展阶段：50年代至60年代初期为开创时期；60年代末至70年代初为系列小型机发展时期；进入70年代中期以后，以微型机为基础的工控机获得了迅速发展和广泛应用（工控机测控系统：微机自动测试系统、

1

微机数控及程控装置；采用“4C”技术的微机测控系统）。 4C：computer、communication、control、CRT 工控机开创时期

50年代初开创，萌芽了将数字计算机作为测控系统的组成部分这一思想，着重研究数字计算机在导弹和飞机测控方面的应用。50年代中期，计算机开始用于过程控制，美国Thomson Ramo Woolrige（TRW）航空公司和Texaco公司联合提出了一个可行性研究报告，针对得克萨斯州的Port Arthur炼油厂的一台聚合装置进行研究，设计出采用TRW-300计算机的聚合装置测控系统，该系统1959年投入运行，它控制26个流量、72温度、3个压力和3 个成分，基本功能是使反应器的压力最小，对5个反应器供料确定最佳分配，根据催化剂性能的测量结果控制热水的注入量，以确定最佳循环。

60年代初，英国的帝国化学工业公司制造出一套以计算机为中心的过程控制系统，它可以直接测量224个过程参数并控制129个阀门。

60年代末，以计算机为中心的测控系统得到了迅速发展并推广应用。当时，测控系统采用16位字长小型计算机，如CDC1700、PDP-11、以及NOVA等机型。

1969年发表CAMAC标准（采用标准接口的计算机自动测量和控制系统），1972年发表OP-IB通用接口标准。

70年代中期，采用微处理器的工控装置，如微型机程控装置、数控装置、可编程控制器、数据通信装置、数字信号处理技术和数字处理机等相继问世。这个时期计算机系统的特点：采用开放式的结构和总线（BUS）系统。如S-100总线、STD总线和IBM PC/XT/AT总线等。以采用“4C”技术为特征的分散控制系统得到了长足的发展。

1976年IEC着重研究过程数据公路（Proway）国际标准规程，出现了MAP标准，为分散系统的发展奠定了良好基础。80年代初，单回路调节器研制成功，小型分散控制系统得到进一步发展，光纤通信技术引入分散型控制系统的数据公路，微型可编程控制器及快速通信系统研制成功。

当前，工控机仍以大系统和分散对象应用为主，采用分布式系统结构，继续发展分散型控制系统。另一方面，为适应工业过程、科学实验和测量自动化，

2

发展适合中低层次需要的测控系统。这类系统大都采用开放式系统设计思想，充分考虑了数据采集、处理、控制多方面要求，在继承集中式体系结构的基础上进行联网。1987年美国FOXBORO公司率先推出新一代的控制系统——I/A系列智能自动化系统。不仅使当今的自动化更具有灵活性、完善性、经济性和安全性，而且为将来的工业信息集成和自动化系统提供了新的结构，成为当今自动化系统的最新结构。

微电子技术、通信技术、CRT技术、控制技术的发展和微处理器的应用给工控机的发展带来了深刻影响。分布式体系和集中式体系互为补充，工业控制局域网成为工控机系统发展的重要方向，分散控制系统和工业微型机测量和控制系统成为代表产品被广泛应用。过程控制和管理有机结合，发展控制与管理集成系统、智能自动化系统已成为当今国际上工控机系统的发展方向。 我国工控机的发展概况

“六·五”期间，工控机列入国家计算机系列型，开展了工控机系统、分散控制型系统、工业控制模板系列、过程通道子系统、自动测试系统和微机数控、程控装置等各系列产品的研究。

“七·五”期间，分散型控制系统与工业控制局域网列入国家攻关计划，我国工控机已成为一个跨行业、跨地区、跨部门的高新技术行业。

工控机应用于过程控制、设备配套潜力很大。效益明显。从系统结构上来看，分布式系统结构是发展的方向，不排斥集中式系统结构，两者互为补充。另外，设备配套、机电一体化配套将是工控机OEM（Original Equipment Manufacture）产品应用的主要领域。 1-2计算机控制系统的基本组成、分类和特点 1-2-1 工业控制机的组成

工控机系统包括硬件和软件。硬件方面包括主机、外部设备以及与被控对象相联系的过程输入输出设备和人-机对话设备。软件方面包括工业控制的实时系统软件、通用应用软件和专用软件。 1-2-2 工业控制系统的基本结构 两种基本结构：内总线结构和外总线结构 1-2-3 工业控制系统的分类

3

1、可编程控制器PLC 2、微型机测控系统 3、分散式计算机测控系统 4、单片微控制器 1-2-4 工业控制机的特点 1、输入/输出功能 2、实时性 3、高可靠性 4、环境适应性 5、丰富的应用软件 6、技术综合性

计算机在控制系统中的典型应用方式 1-3-1 数据采集和数据处理系统 1-3-2 开环计算机监督控制系统 1-3-3 直接数字控制系统（DDC） DDC优点

可实现多个回路的PID控制 容易实现复杂控制规律 变更方案、参数等方便 容易实现无扰动切换 系统品质得到提高

1-3-4 计算机监督控制系统（SCC，又称SPC）SCC+模拟 SCC+DDC

1-3-5 分级控制系统（MCS） 计算机总线结构 何谓总线？ 微处理器总线示意图 1-4-1 总线结构

4

1-3 1-4 数据总线（What） 地址总线（Where） 控制总线（When）

1-4-2常用总线及其技术特点 S-100总线 MulitibusⅠ和Ⅱ

VME总线（IEEE1014标准） 微通道和EISA总线

采用总线复用技术的Q总线和NUBUS IBM PC总线和AT总线

STD（Standard）总线 1987年末被批准为IEEE961标准

PC总线主要用于数据处理、软件开发工具以及一般用途；VEM总线包括Multibus主要用于工作站、图像处理等高性能领域；工控领域主要采用STD总线，以及PC总线和VME总线。 1-4-3 STD总线工业机 1、STD总线引脚定义 2、STD总线引脚说明 3、STD总线引脚信号描述 4、STD总线的技术特点

4个特点: 小板结构和高度的模板化

严格的标准化和广泛的兼容性 面向I/O口的设计

高可靠性（例如美国Pro-Log公司生产的STD总线提供5年保用期，

MTBF超过60年，采用了固化操作系统和系统软件以及watchdog等系统支持功能与措施。）

1-4-4 PC总线工业机 1、工业PC总线微机 2、PC总线工控机的组成 3、PC总线工业I/O模板

5