计算机控制教案.pdf

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1、计 算 机 控 制 系 统 概 述 一、总 论 计 算 机 控 制 系 统 是 自 动 控 制 理 论、自 动 化 技 术 与 计 算 机 技 术 紧 密 结 合 的 产 物。控 制 理 论 的 发 展，尤 其 是 现 代 控 制 理 论 的 发 展，与 计 算 机 技 术 息 息 相 关。利 用 计 算 机 快 速 强 大 的 数 值 计 算、逻 辑 判 断 等 信 息 加 工 能 力，计 算 机 控 制 系 统 可 以 实 现 比 常 规 控 制 更 复 杂、更 全 面 的 控 制 方 案。计 算 机 为 现 代 控 制 理 论 的 应 用 提 供 了 有 力 的 工 具。同 时，计 算

2、机 控 制 系 统 应 用 于 工 业 控 制 领 域 提 出 来 一 系 列 理 论 与 工 程 上 的 问 题，又 进 一 步 推 动 了 控 制 理 论 和 计 算 机 技 术 的 发 展。计 算 机 技 术 在 控 制 领 域 中 的 应 用，还 有 力 地 推 动 了 自 动 控 制 技 术 的 发 展，大 大 扩 展 了 控 制 技 术 在 工 业 生 产 中 的 应 用 范 围，特 别 是 使 复 杂 的、大 规 模 的 自 动 化 系 统 与 过 程 发 展 到 了 一 个 崭 新 的 阶 段。二、计 算 机 控 制 系 统 及 其 组 成 计 算 机 控 制 系 统 就 是

3、利 用 计 算 机(通 常 称 为 工 业 控 制 计 算 机，简 称 工 业 控 制 机 I P C)来 实 现 生 产 过 程 自 动 控 制 的 系 统。1、计 算 机 控 制 系 统 的 工 作 原 理 图 1 计 算 机 控 制 系 统 原 理 图 计 算 机 控 制 系 统 的 工 作 原 理 可 归 纳 为 三 个 步 骤：(1)、实 时 数 据 采 集：对 来 自 测 量 变 送 装 置 的 被 控 量 的 瞬 时 值 进 行 检 测 和 输 入。(2)、实 时 控 制 决 策：对 采 集 到 的 被 控 量 进 行 分 析 和 处 理，并 按 预 定 的 控 制 规 律，决

4、定 将 要 采 取 的 控 制 策 略。(3)、实 时 控 制 输 出：根 据 控 制 决 策，实 时 地 对 执 行 机 构 发 出 控 制 信 号，完 成 控 制 任 务。上 述 过 程 不 断 重 复，使 整 个 系 统 按 照-,定 的 品 质 指 标 进 行 工 作，并 对 被 控 量 和 设 备 本 身 的 异 常 现 象 及 时 作 出 处 理。在 一 般 的 模 拟 控 制 系 统 中，控 制 规 律 是 由 硬 件 电 路 产 生 的，要 改 变 控 制 规 律 就 要 更 改 硬 件 电 路。而 在 计 算 机 控 制 系 统 中，控 制 规 律 是 用 软 件 实 现 的

5、，计 算 机 执 行 预 定 的 控 制 程 序，就 能 实 现 对 被 控 参 数 的 控 制。因 此，要 改 变 控 制 规 律，只 要 改 变 控 制 程 序 就 可 以 了。这 就 使 控 制 系 统 的 设 计 更 加 灵 活 方 便。特 别 是 可 以 利 用 计 算 机 强 大 的 计 算、逻 辑 判 断、记 忆、信 息 传 递 能 力，实 现 更 为 复 杂 的 控 制 规 律，如 非 线 性 控 制、逻 辑 控 制、自 适 应 控 制、自 学 习 控 制 及 智 能 控 制 等。2、在 线 方 式 和 离 线 方 式：在 计 算 机 控 制 系 统 中，生 产 过 程 和 计

6、 算 机 直 接 连 接，并 受 计 算 机 控 制 的 方 式 称 为 在 线 方 式 或 联 机 方 式；生 产 过 程 不 和 计 算 机 相 连，且 不 受 计 算 机 控 制，而 是 靠 人 进 行 联 系 并 作 相 应 操 作 的 方 式 称 为 离 线 方 式 或 脱 机 方 式。3、实 时 的 含 义：实 时 性 是 指 工 业 控 制 计 算 机 系 统 应 该 具 有 的 能 够 在 限 定 的 时 间 内 对 外 来 事 件 做 出 反 应 的 特 性。在 具 体 地 确 定 这 里 所 说 的 限 定 时 间 时，主 要 考 虑 两 个 要 素：-是 根 据 工 业

7、生 产 过 程 出 现 的 事 件 能 够 保 持 多 长 的 时 间；二 是 该 事 件 要 求 计 算 机 在 多 长 的 时 间 以 内 必 须 做 出 反 应，否 则，将 对 生 产 过 程 造 成 影 响 甚 至 造 成 损 害。可 见，实 时 性 是 相 对 的。实 时 性 一 般 都 要 求 计 算 机 具 有 多 任 务 处 理 能 力，以 便 将 测 控 任 务 分 解 成 若 干 并 行 执 行 的 多 个 任 务，加 速 程 序 执 行 速 度。可 以 把 那 些 变 化 并 不 显 著，即 使 不 立 即 作 出 反 应 也 不 至 于 造 成 影 响 或 损 害 的

8、事 件，作 为 顺 序 执 行 的 任 务，按 照 一 定 的 巡 检 周 期 有 规 律 地 执 行，而 把 那 些 保 持 时 间 很 短 且 需 要 计 算 机 立 即 作 出 反 应 的 事 件，作 为 中 断 请 求 源 或 事 件 触 发 信 号，为 其 专 门 编 写 程 序，以 便 在 该 类 事 件 一 旦 出 现 时 计 算 机 能 够 立 即 响 应。如 果 山 于 测 控 范 围 庞 大，变 量 繁 多，这 样 分 配 仍 然 不 能 保 证 所 要 求 的 实 时 性 时,则 表 明 计 算 机 的 资 源 已 经 不 够 使 用，只 得 对 结 构 进 行 重 新

9、设 计，或 者 提 高 计 算 机 的 档 次。实 时 的 概 念 不 能 脱 离 具 体 过 程，一 个 在 线 的 系 统 不 一 定 是 一 个 实 时 系 统，但 一 个 实 时 控 制 系 统 必 定 是 在 线 系 统。4、计 算 机 控 制 系 统 组 成 计 算 机 控 制 系 统 山 计 算 机 和 工 业 对 象 组 成。计 算 机 是 计 算 机 控 制 系 统 中 的 核 心 装 置，是 系 统 中 信 号 处 理 和 决 策 的 机 构，它 相 当 于 控 制 系 统 的 神 经 中 枢。计 算 机 控 制 系 统 是 山 硬 件 和 软 件 两 部 分 组 成 的。

10、（1）、硬 件 组 成 计 算 机 控 制 系 统 的 硬 件 主 要 山 主 机、外 部 设 备、过 程 输 入 输 出 设 备 和 被 控 对 象 组 成，如 图 2 所 示。外 部 设 备 一 主 机 上 过 程 输 入 输 出 设 备，通 信 设 备 键 盘 一*接 口 CRT 接 口 打 印 机 系 统 总 线 CPURAMROM*接 口 D/A*接 口 一 开 关 输 入 接 口 开 关 输 出 被 控 对 象*-接 口 图 2 计 算 机 控 制 系 统 的 硬 件 组 成 框 图、主 机 由 中 央 处 理 器（CPU）和 内 存 储 器（R AM和 ROM）通 过 系 统 总

11、 线 连 接 的 主 机 是 计 算 机 的 核 心，也 是 整 个 控 制 系 统 的 核 心。它 按 照 预 先 存 放 在 内 存 中 的 程 序、指 令，不 断 通 过 过 程 输 入 设 备 获 取 反 映 被 控 对 象 运 行 工 况 的 信 息，并 按 程 序 中 规 定 的 控 制 算 法，或 操 作 人 员 通 过 键 盘 输 入 的 操 作 命 令 自 动 地 进 行 运 算 和 判 断，及 时 地 产 生 并 通 过 过 程 输 出 设 备 向 被 控 对 象 发 出 相 应 控 制 命 令，以 实 现 对 被 控 对 象 的 自 动 控 制 目 标。、外 部 设 备

12、常 用 的 外 部 设 备 有 4 类：输 入 设 备、输 出 设 备、外 存 储 器 和 通 信 设 备。输 入 设 备：常 用 的 是 键 盘，用 来 输 入（或 修 改）程 序、数 据 和 操 作 命 令。输 出 设 备：通 常 有 打 印 机、CRT显 示 器 等，它 们 以 字 符、曲 线、表 格、图 形 等 形 式 来 反 映 被 控 对 象 的 运 行 工 况 和 有 关 控 制 信 息。外 存 储 器：通 常 是 磁 盘（包 括 硬 盘 和 软 盘）。它 们 兼 有 输 入 和 输 出 两 种 功 能，用 来 存 放 程 序 和 数 据，作 为 内 存 储 器 的 后 备 存

13、储 器。通 信 设 备：用 来 与 其 他 相 关 计 算 机 控 制 系 统 或 计 算 机 管 理 系 统 进 行 联 网 通 信，形 成 规 模 更 大、功 能 更 强 的 网 络 分 布 式 计 算 机 控 制 系 统。以 上 这 些 常 规 的 外 部 设 备 通 过 接 口 与 主 机 连 接 便 构 成 具 有 科 学 计 算 和 信 息 处 理 功 能 的 通 用 计 算 机，但 是 这 样 的 计 算 机 不 能 直 接 用 于 控 制。如 果 用 于 控 制，还 需 要 配 备 过 程 输 入 输 出 设 备 构 成 计 算 机 控 制 系 统。、过 程 输 入 输 出 设

14、 备 过 程 输 入 输 出（简 称 I/O）设 备 是 计 算 机 与 被 控 对 象 之 间 信 息 联 系 的 桥 梁 和 纽 带，计 算 机 与 被 控 对 象 之 间 的 信 息 传 递 都 是 通 过 I/O设 备 进 行 的。I/O设 备 分 为 过 程 输 入 设 备 和 过 程 输 出 设 备。过 程 输 入 设 备：包 括 模 拟 输 入 通 道（简 称 A/D通 道）和 开 关 量 输 入 通 道（简 称 DI通 道），分 别 用 来 将 测 量 仪 表 测 得 的 被 控 对 象 各 种 参 数 的 模 拟 信 号 和 反 映 被 控 对 象 状 态 的 开 关 量 或

15、 数 字 信 号 输 入 计 算 机。过 程 输 出 设 备：包 括 模 拟 输 出 通 道（简 称 D/A通 道）和 开 关 量 输 出 通 道（简 称 DO通 道）。D/A通 道 将 计 算 机 产 生 的 数 字 控 制 信 号 转 换 为 模 拟 信.号，再 经 保 持 器 后 输 出，驱 动 执 行 装 置 对 被 控 对 象 实 施 控 制；DO通 道 将 计 算 机 产 生 的 开 关 量 控 制 命 令 直 接 输 出 驱 动 相 应 的 开 关 动 作。、被 控 对 象 一 般 来 说，被 控 对 象 是 连 续 模 拟 环 节，而 计 算 机 输 出 数 字 信 号，该 信

16、 号 经 D/A转 换、保 持 器 后 成 为 连 续 信 号，加 到 被 控 对 象 上。在 以 后 的 分 析 中，我 们 将 保 持 器、执 行 机 构 以 及 被 控 对 象 看 作 一 个 整 体，称 为 广 义 被 控 对 象。（2）、软 件 组 成 上 述 硬 件 构 成 的 计 算 机 控 制 系 统 只 是 一 个 硬 件 系 统，还 必 须 配 备 相 应 的 软 件 系 统 才 能 实 现 预 期 的 各 种 自 动 化 功 能。软 件 是 计 算 机 工 作 程 序 的 统 称，软 件 系 统 亦 即 程 序 系 统，是 实 现 预 期 信 息 处 理 功 能 的 各

17、种 程 序 的 集 合。计 算 机 控 制 系 统 的 软 件 系 统 的 优 劣 不 仅 关 系 到 硬 件 功 能 的 发 挥，而 且 也 关 系 到 控 制 系 统 的 控 制 品 质 和 操 作 管 理 水 平。计 算 机 控 制 系 统 的 软 件 通 常 由 系 统 软 件 和 应 用 软 件 两 大 软 件 组 成。、系 统 软 件 系 统 软 件 即 计 算 机 通 用 性 软 件，主 要 包 括 数 据 结 构、操 作 系 统、数 据 库 系 统 和 一 些 公 共 服 务 软 件（如 各 种 计 算 机 语 言 编 译、程 序 诊 断 以 及 网 络 通 信 等 软 件）。

18、系 统 软 件 通 常 由 计 算 机 厂 家 和 软 件 公 司 研 制，可 以 从 市 场 上 购 置。计 算 机 控 制 系 统 设 计 人 员 一 般 没 有 必 要 研 制 系 统 软 件，但 是 需 要 了 解 和 学 会 使 用 系 统 软 件，以 便 更 好 地 开 发 应 用 软 件。、应 用 软 件 应 用 软 件 是 计 算 机 在 系 统 软 件 支 持 下 实 现 各 种 应 用 功 能 的 专 用 程 序。计 算 机 控 制 系 统 的 应 用 软 件 一 般 包 括 控 制 程 序，过 程 输 入 输 出 接 口 程 序，人 机 接 口 程 序，显 示、打 印、报

19、 警 和 故 障 联 锁 程 序 等。一 般 情 况 下，应 用 软 件 由 计 算 机 控 制 系 统 设 计 人 员 根 据 所 确 定 的 硬 件 系 统 和 软 件 环 境 来 开 发 编 写。应 当 指 出，计 算 机 控 制 系 统 中 的 控 制 计 算 机（简 称 控 制 机 或 工 控 机）跟 通常 用 作 信 息 处 理 的 通 用 计 算 机（如 P C机），不 仅 在 结 构 上 而 且 在 技 术 性 能 方 面 都 有 较 大 差 别。由 于 控 制 机 要 对 被 控 对 象 进 行 实 时 控 制 和 监 视，需 要 不 间 断 长 期 可 靠 地 工 作，而

20、且 其 工 作 环 境 一 般 都 较 恶 劣，所 以 控 制 机 不 仅 需 要 配 置 过 程 输 入 输 出 设 备 实 现 与 被 控 对 象 之 间 的 信 息 联 系，而 且 还 必 须 具 有 实 时 响 应 能 力 和 很 强 的 抗 干 扰 能 力 以 及 很 高 的 可 靠 性。三、计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 2 0世 纪 5 0年 代 初，计 算 机 就 开 始 用 于 工 业 生 产 过 程 控 制。控 制 理 论 与 计 算 机 的 结 合，产 生 了 新 型 的 计 算 机 控 制 系 统。为 自 动 控 制 系 统 的 应 用 与 发 展 开 辟 了

21、新 途 径。1965年 到 1969年 是 计 算 机 控 制 进 入 实 用 普 及 的 阶 段。1970年 以 后 控 制 进 入 了 大 量 推 广 分 级 控 制 阶 段。2 0世 纪 9 0年 代 后，计 算 机 控 制 系 统 进 一 步 完 善、应 用 更 加 普 及、价 格 不 断 下 降 的 同 时:功 能 却 更 加 丰 富，性 能 亦 更 加 可 靠。可 以 预 料 的 是，计 算 机 控 制 技 术 将 会 随 着 计 算 机 技 术 与 自 动 控 制 技 术 的 发 展 而 飞 速 发 展，给 国 民 经 济 带 来 巨 大 的 经 济 效 益。作 业：I、简 述

22、计 算 机 控 制 系 统 的 工 作 原 理。2、计 算 机 控 制 系 统 是 由 哪 两 部 分 组 成?请 分 别 说 明。计 算 机 控 制 系 统 的 类 型 计 算 机 控 制 系 统 按 功 能 及 结 构 大 致 可 以 分 为 以 下 几 种 典 型 的 形 式。1、操 作 指 导 控 制 系 统（Operational Information System,简 称 OIS）图 1 操 作 指 导 控 制 系 统 该 系 统 不 仅 具 有 数 据 采 集 和 处 理 的 功 能，而 且 能 够 为 操 作 人 员 提 供 反 映 生 产 过 程 工 况 的 各 种 数 据

23、，并 相 应 地 给 出 操 作 指 导 信 息，供 操 作 人 员 参 考 该 控 制 系 统 属 于 开 环 控 制 结 构。计 算 机 根 据 一 定 的 控 制 算 法（数 学 模 型）,依 赖 测 量 元 件 测 得 的 信 号 数 据，计 算 出 供 操 作 人 员 选 择 的 最 优 操 作 条 件 及 操 作 方 案。操 作 人 员 根 据 计 算 机 的 输 出 信 息，如 C R T显 示 图 形 或 数 据、打 印 机 输 出 等 去 改 变 调 节 器 的 给 定 值 或 直 接 操 作 执 行 机 构。操 作 指 导 控 制 系 统 的 优 点 是 结 构 简 单，控

24、 制 灵 活 和 安 全。缺 点 是 要 由 人 工 操 作，速 度 受 到 限 制，不 能 控 制 多 个 对 象。2、直 接 数 字 控 制 系 统（Direct Digital Control,简 称 DDC）图 2 直 接 数 字 控 制 系 统 框 图 计 算 机 首 先 通 过 模 拟 量 输 入 通 道（A I）和 开 关 量 输 入 通 道（D1）实 时 采 集 数 据，然 后 按 照 一 定 的 控 制 规 律 进 行 计 算，最 后 发 出 控 制 信 息，并 通 过 模 拟 量 输 出 通 道（A 0）和 开 关 量 输 出 通 道（D O）直 接 控 制 生 产 过 程

25、。D D C系 统 属 于 计 算 机 闭 环 控 制 系 统，是 计 算 机 在 工 业 生 产 过 程 中 最 普 遍 的 一 种 应 用 方 式。由 于 D D C系 统 中 的 计 算 机 直 接 承 担 控 制 任 务，所 以 要 求 实 时 性 好、可 靠 性 高 和 适 应 性 强。为 了 充 分 发 挥 计 算 机 的 利 用 率，一 台 计 算 机 通 常 要 控 制 几 个 或 几 十 个 回 路，那 就 要 合 理 地 设 计 应 用 软 件，使 之 不 失 时 机 地 完 成 所 有 功 能。3、监 督 控 制 系 统 SCC（Supervisory Computer

26、Control）计 算 机 根 据 原 始 工 艺 信 息 和 其 他 参 数，按 照 描 述 生 产 过 程 的 数 学 模 型 或 其 他 方 法，自 动 地 改 变 模 拟/数 字 调 节 器 或 以 直 接 数 字 控 制 方 式 工 作 的 计 算 机 中 的 给 定 值，从 而 使 生 产 过 程 始 终 处 于 最 优 工 况（如 保 持 高 质 量、高 效 率、低 消 耗、低 成 本 等 等）。从 这 个 角 度 上 说，它 的 作 用 是 改 变 给 定 值，所 以 又 称 设 定 值 控 制 SPC（SetPoint Control）监 督 控 制 系 统 有 两 种 不

27、同 的 结 构 形 式。（1）SCC+模 拟/数 字 调 节 器 的 控 制 系 统 图 3 SCC+模 拟/数 字 调 节 器 系 统 该 系 统 是 由 计 算 机 系 统 对 各 物 理 量 进 行 巡 回 检 测，并 按 一 定 的 数 学 模 型 对 生 产 工 况 进 行 分 析、计 算 后 得 出 控 制 对 象 各 参 数 最 优 给 定 值 送 给 调 节 器，使 工 况 保 持 在 最 优 状 态。当 SC C计 算 机 出 现 故 障 时，可 由 模 拟/数 字 调 节 器 独 立 完 成 操 作。（2）、SCC+DDC的 分 级 控 制 系 统 图 4 SCC+DDC系

28、 统 这 实 际 上 是 一 个 二 级 控 制 系 统，S C C可 采 用 高 档 计 算 机，它 与 DD C之 间 通 过 通 信 接 口 进 行 通 信 联 系。S C C计 算 机 可 完 成 工 段、车 间 高 一 级 的 最 优 化 分 析 和 计 算，并 给 出 最 优 给 定 值，送 给 DD C级 执 行 过 程 控 制。当 D D C级 计 算 出 现 故 障 时，可 由 SC C计 算 机 完 成 D D C的 控 制 功 能，使 系 统 可 靠 性 得 到 提 高。4、集 散 控 制 系 统 集 散 控 制 系 统（Distributed Control Syste

29、m,简 称 DCS）该 系 统 是 运 用 计 算 机 通 信 技 术，山 多 台 计 算 机 通 过 通 信 网 互 相 连 接 而 成 的 控 制 系 统，因 而 它 具 有 网 络 分 布 结 构。D C S采 用 分 散 控 制、集 中 管 理、分 而 自 治 和 综 合 协 调 的 设 计 思 想，将 工 业 企 业 的 生 产 过 程 控 制、监 督、协 调 与 各 项 生 产 经 营 管 理 工 作 融 为 一 体，由 D C S中 各 子 系 统 协 调 有 序 地 进 行，从 而 实 现 管 理、控 制 一 体 化。系 统 功 能 自 下 而 上 分 为 过 程 控 制 级（

30、或 装 置 级）、控 制 管 理 级（或 车 间 级）、生 产 经 营 管 理 级（或 企 业 级）等，每 级 由 一 台 或 数 台 计 算 机 构 成，各 级 之 间 通 过 通 信 网 连 接。图 5 DCS控 制 系 统 其 中 过 程 控 制 级 由 若 干 现 场 控 制 计 算 机(又 称 现 场 控 制 单 元/站)对 各 个 生 产 装 置 直 接 进 行 数 据 采 集 和 控 制，实 现 数 据 采 集 和 D D C功 能；控 制 管 理 级 对 各 个 现 场 控 制 计 算 机 的 工 作 进 行 监 督、协 调 和 优 化：生 产 经 营 管 理 级 执 行 对

31、全 厂 各 个 生 产 管 理 部 门 监 督、协 调 和 综 合 优 化 管 理，主 要 包 括 生 产 调 度、各 种 计 划 管 理、辅 助 决 策 以 及 生 产 经 营 活 动 信 息 数 据 的 统 计 和 综 合 分 析 等。D C S具 有 整 体 安 全 性，可 靠 性 高；系 统 功 能 丰 富 多 样；系 统 设 计、安 装、维 护、扩 展 方 便 灵 活；生 产 经 营 活 动 的 信 息 数 据 获 取、传 递 和 处 理 快 捷 及 时；操 作、监 视 简 便 等 优 点，可 以 实 现 工 业 企 业 管 理、控 制 一 体 化，提 高 工 业 企 业 的 综 合

32、 自 动 化 水 平，增 强 生 产 经 营 的 灵 活 性 和 综 合 管 理 的 动 态 优 化 能 力，从 而 可 以 使 工 业 企 业 获 取 更 大 的 经 济 和 社 会 效 益。D C S自 2 0世 纪 7 0年 代 中 期 出 现 以 来，其 技 术 和 应 用 发 展 很 快，如 今 已 成 为 计 算 机 工 业 控 制 系 统 的 主 流，也 代 表 了 今 后 工 业 企 业 综 合 自 动 化 的 发 展 方 向。5、现 场 总 线 控 制 系 统 现 场 总 线 控 制 系 统(Fieldbus Control System,简 称 F C S)是 新 一 代

33、分 布 式 控 制 结 构。2 0世 纪 8 0年 代 发 展 起 来 的 D C S,其 结 构 模 式 为“操 作 站 控 制 站 一 现 场 仪 表”三 层 结 构，系 统 成 本 较 高，且 各 厂 商 的 D C S有 各 自 的 标 准，不 能 互 联。F C S与 D C S不 同，它 的 结 构 模 式 为“工 作 站 现 场 总 线 智 能 仪 表”二 层 结 构，F C S用 二 层 结 构 完 成 了 D C S中 的 三 层 结 构 功 能，降 低 了 成 本，提 高 了 可 靠 性，国 际 标 准 统 一 后，可 实 现 真 正 的 开 放 式 互 联 系 统 结 构

34、。6、PLC+上 位 机 系 统 可 编 程 逻 辑 控 制 器(Programmable Logic Controller,简 称 P L C)最 初 是 用 计 算 机 的 逻 辑 运 算 功 能 代 替 传 统 的 接 线 逻 辑(或 称 继 电 器 逻 辑)而 设 计 的 一 种 小 型 的 计 算 机 控 制 系 统。但 是 严 格 来 讲，PL C并 不 能 称 作 是 系 统，因 为 它 在 运 行 时 并 不 需 要 人 工 的 干 预，因 此 也 没 有 计 算 机 系 统 通 常 都 包 括 的 人 机 界 面 设 备，最 多 只 有 一 些 状 态 指 示 灯，以 表 示

35、 设 备 运 行 状 态，供 现 场 维 修、诊 断 用。PLC所 完 成 的 是 逻 辑 控 制，它 根 据 各 种 输 入 状 态，经 过 逻 辑 判 断 和 逻 辑 运 算，得 出 控 制 输 出，并 进 行 输 出 实 施 控 制。另 外，P L C还 可 以 通 过 预 先 编 制控 制 程 序 实 现 顺 序 控 制，用 P L C代 替 继 电 器 逻 辑，大 大 提 高 了 控 制 实 现 的 灵 活 性 和 功 能，并 使 控 制 的 可 靠 性 提 高 了，因 为 它 用 电 子 元 件 的 运 行 代 替 了 机 械 的 动 作，免 除 了 机 械 的 磨 损 和 机 械

36、 动 作 部 分 的 材 料 疲 劳。现 在 出 现 了 用 数 据 高 速 公 路(Data Highway,D H)将 众 多 PL C互 联 起 来，而 形 成 的 较 大 控 制 系 统。仅 有 逻 辑 的 功 能 己 不 能 满 足 要 求，而 需 要 扩 充 数 值 控 制 的 功 能。为 了 满 足 上 述 要 求，各 P L C厂 家 做 了 大 量 工 作，分 别 推 出 自 己 的 以 PL C为 主 的 控 制 系 统，这 种 系 统 与 单 个 的 PLC相 比 有 几 点 重 大 的 改 变。、在 数 据 高 速 公 路 上 挂 接 了 在 线 的 通 用 计 算 机

37、，其 作 用 一 是 可 以 实 现 在 线 组 态、编 程 和 下 载，二 是 可 以 在 线 地 监 视 被 控 过 程 的 状 态，这 样 一 个 具 有 现 场 控 制 层 和 协 调 控 制 层 的 D C S雏 形 就 出 现 了。、在 P L C中 增 加 了 数 值 量 的 I/O接 口 和 数 值 处 理 计 算 功 能，这 样，PLC就 不 仅 可 以 完 成 逻 辑 控 制 功 能，也 可 以 完 成 数 值 控 制 功 能 和 混 合 控 制 功 能。、越 来 越 多 的 P L C厂 家 把 专 用 的 数 据 高 速 公 路 改 成 为 通 用 的 网 络，并 逐

38、步 将 P L C之 间 的 通 信 规 约 向 通 用 的 网 络 通 信 规 约 靠 拢，这 样 就 使 P L C有 条 件 和 其 他 各 种 计 算 机 系 统 和 设 备 实 现 集 成，以 组 成 大 型 的 控 制 系 统。在 很 多 应 用 领 域 已 经 达 到 可 与 传 统 的 D C S相 竞 争 的 水 平。7、现 代 集 成 控 制 系 统 现 代 集 成 控 制 系 统 是 以 经 济 指 标 为 目 标，以 生 产 过 程 优 化 运 行、优 化 控 制 与 优 化 管 理 为 核 心 技 术，实 现 在 线 成 本 的 预 测、控 制 和 反 馈 校 正，以

39、 形 成 生 产 成 本 控 制 中 心，保 证 生 产 过 程 的 优 化 运 行；实 施 生 产 全 过 程 的 优 化 调 度、统 一 指 挥，以 形 成 生 产 指 挥 中 心，保 证 生 产 过 程 的 优 化 控 制；实 现 生 产 过 程 的 质 量 跟 踪、安 全 监 控，以 形 成 质 量 管 理 体 系 和 设 备 保 证 体 系，保 证 生 产 过 程 的 优 化 管 理。因 此，现 代 集 成 控 制 系 统 一 般 来 说 是 一 个 多 层 次 递 阶 的 集 成 系 统，通 常 分 为 如 图 6 所 示 的 ERP/MES/PCS/三 层 模 型 结 构，即 划

40、 分 为 考 虑 生 产 过 程 问 题 的 生 产 过 程 控 制 系 统 PCS(Process Control System)；考 虑 企 业 层 面 经 营 管 理 问 题 的 企 业 资 源 计 划 ERP(Enterprise Resource Planning)系 统 以 及 同 时 考 虑 生 产 与 管 理 结 合 问 题 的 中 间 层 生 产 执 行 系 统 MES(Manufacturing ExecutionS y s te m,又 称 制 造 执 行 系 统)三 个 层 次。厂 1 业 资 源 计 划 ERP-!(Enterprise Resource Planni

41、ng)生 产 执 行 系 统 MES(Manufacturing Execution System)过 程 控 制 系 统 CPS(Process Control System)图 6 现 代 集 成 控 制 系 统 分 层 模 型(1)、E R P企 业 资 源 计 划 系 统 E R P企 业 资 源 计 划 系 统 包 括 人 力 资 源 管 理、财 务 管 理、生 产 数 据 管 理、生产 计 划 管 理、生 产 作 业 计 划 管 理 等 企 业 经 营 管 理 功 能，对 企 业 各 种 资 源 进 行 有 效 管 理。（2）、MES生 产 执 行 系 统 M ES生 产 执 行

42、系 统 是 处 于 计 划 层 与 控 制 层 之 间 的 执 行 层，起 到 对 由 生 产 过 程 产 生 的 信 息 以 及 由 经 营 管 理 和 生 产 管 理 活 动 中 产 生 的 信 息 进 行 转 换、加 工、传 递 的 作 用，是 生 产 活 动 与 管 理 活 动 信 息 集 成 的 重 要 桥 梁 和 纽 带。ERP企 业 资 源 管 理 生 产 管 理 E R P层 资 产 动 态 管 理 中 间 库 中 间 产 存 管 理 品 管 理 物 流 计 划 生 产 成 本 计 划 生 产 计 划 物 流 控 制 与 管 理 生 产 成 本 控 制 与 管 理 数 据 统

43、计/计 划 调 度 生 产 过 程 管 理 实 时 调 度 M E S层 质 量 管 理 I生 产 流 程 模 拟 I生 产 过 程 模 型 化 运 行 操 作 支 持 I安 全 控 谕 与 管 理 基 于 工 艺 目 标 与 技 术 经 济 指 标 过 程 优 化 设 备 维 护 管 理 生 产 过 程 支 持 知 识 信 息-控 制 接 口 与 信 息 界 面 一 一 大，.|传 统 APC FCS系 统/P C S层 DCS系 统|lE C S系 统 传 感 器、执 行 机 构、在 线 分 析 仪 图 7 现 代 集 成 控 制 系 统 的 典 型 体 系 结 构 1）、生 产 过 程

44、模 型 化 这 是 现 代 集 成 控 制 系 统 的 核 心，根 据 与 该 模 块 相 连 的 其 它 模 块 所 提 供 的 信 息 与 知 识，构 造 这 些 模 块 所 代 表 的 企 业 生 产 控 制 与 管 理 活 动 所 需 要 的 各 种 类 型 的 模 型，主 要 包 括 物 料 流、资 金 流、信 息 流 和 工 作 流 模 型。2）、生 产 过 程 管 理 包 括 物 流 控 制 与 管 理、生 产 成 本 控 制 与 管 理、数 据 统 计/生 产 调 度 等 功 能,是 与 企 业 资 源 管 理 层 的 生 产 计 划 相 对 应 的 功 能 模 块。它 实 际

45、 上 是 现 代 集 成 捽 制 系 统 架 构 中 承 上 启 下 的 关 键 模 块。该 模 块 一 方 面 负 责 将 经 营 决 策 层 的 经 营 目 标（如：生 产 计 划、成 本、劳 动 生 产 率 等 目 标）通 过 合 理 的 生 产 调 度 方 案 加 以 实 现；另 一 方 面，通 过 生 产 数 据 统 计，进 行 及 时 准 确 的 生 产 过 程 绩 效 分 析 和 监 测,并 与 计 划 的 目 标 相 比 较，实 现 质 量、成 本 的 闭 环 控 制 和 管 理。3）、生 产 过 程 支 持 提 供 基 于 知 识 和 基 于 信 息 的 支 持，将 其 它

46、模 块 送 来 的 数 据、信 息 和 知 识 进 行 加 工、处 理，形 成 相 应 的 方 法、算 法 或 软 件，为 现 代 集 成 控 制 系 统 各 功 能 模 块 提 供 支 持。4）、基 于 工 艺 目 标 与 技 术 经 济 指 标 的 过 程 优 化 建 立 过 程 参 数 与 工 艺 目 标 或 技 术 经 济 指 标 之 间 的 联 系。提 供 以 保 证 工 艺 目 标 或 技 术 经 济 指 标 为 前 提 的 过 程 参 数 优 化 支 持，并 通 过 接 口 向 先 进 控 制 层 提 供 最 佳 的 操 作 条 件。5）、先 进 控 制 包 括 用 于 过 程

47、优 化 控 制 的 多 变 量 先 进 控 制（MAPC）、智 能 控 制 方 法 和 算 法 等。先 进 控 制 是 对 那 些 不 同 于 常 规 单 回 路 P1D控 制，并 具 有 比 常 规 P1D控 制 更 好 控 制 效 果 的 控 制 策 略 的 统 称，而 非 专 指 某 种 计 算 机 控 制 算 法。这 些 控 制 策 略 的 先 进 性 在 于 其 目 前 在 工 业 生 产 过 程 中 尚 很 少 使 用。先 进 控 制 的 任 务 是 明 确 的，即 用 来 处 理 那 些 采 用 常 规 控 制 效 果 不 好，甚 至 无 法 控 制 的 复 杂 工 业 过 程

48、控 制 的 问 题。6）、控 制 接 口 与 信 息 界 面 与 过 程 控 制 层 的 各 个 软 硬 件 相 连 接，调 用 PLC、DCS、FCS、F C S 或 其 它 过 程 控 制 装 备 中 的 过 程 信 息，并 发 出 M E S层 根 据 生 产 计 划 和 生 产 过 程 的 实 际 状 况 做 出 的 控 制 策 略。目 前 实 时 数 据 库 监 控 软 件 平 台 已 成 为 M E S层 控 制 接 口 与 信 息 界 面 事 实 上 的 标 准 配 置，实 时 数 据 库 监 控 软 件 平 台 可 以 实 现 企 业 网 络 环 境 下 的 实 时 数 据 采

49、 集、实 时 流 程 查 看、实 时 趋 势 浏 览、报 警 记 录 与 查 看、开 关 量 变 位 记 录 与 查 看、报 表 数 据 存 储、历 史 趋 势 存 储 与 查 看、生 产 过 程 报 表 生 成、生 产 统 计 报 表 生 成 以 及 标 准 ODBC/SQL过 程 数 据 接 口 等 功 能，从 而 实 现 企 业 过 程 控 制 系 统 与 信 息 系 统 的 网 络 集 成 和 综 合 管 理。7）、实 时 调 度 包 括 基 于 模 型、基 于 数 据 和 基 于 知 识 的 多 种 动 态 调 度 算 法，利 用 流 程 模 拟 模 型，针 对 供 需 变 动、工

50、艺 切 换、资 源 波 动、设 备 故 障 变 化 等 装 置 状 况，实 时 地 做 出 生 产 方 案、工 艺 路 线 和 资 源 分 配，进 行 生 产 作 业 计 划 的 优 化 调 度，以 最 少 的 能 耗、最 高 的 安 全 性 或 最 大 的 产 品 效 益，确 定 各 个 生 产 装 置 的 负 荷。实 时 调 度 其 实 是 一 类 特 殊 的 在 线、多 段、多 目 标、实 时 优 化 问 题，由 于 企 业 生 产 过 程 的 复 杂 性，目 前 实 时 调 度 尚 未 有 广 泛 的 应 用。8）、质 量 管 理 管 理 生 产 过 程 中 所 有 与 质 量 有 关