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第六章计算机控制系统软件基础第一节计算机控制系统软件概述概述计算机操作系统数据结构计算机控制系统中的数据库第二节计算机控制系统应用软件概述组态软件控制软件商品化的工业控制软件简介第三节计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术计算机控制系统的抗

干扰与可靠性技术系统供电与接地技术看门狗（Watchdog）及其电源掉电检测技术第一节Unit1计算机控制系统软件概述IntroductionofComputerControlSystemSoftware概述计算机控制系统软件基础过程计算机控制系统软件构成过程

计算机控制系统软件功能计算机操作系统数据结构计算机控制系统中的数据库6-1-1概述（1）•计算机控制系统软件基础–计算机应用系统中的软件•系统软件•工具软件•应用软件–数据收集部分–数据分析部分–监督部分–输出控制

部分6-1-1概述（2）•计算机控制系统软件构成–系统软件•计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台–应用软件第一级(控制级）：监控平台软件、基本控制软件、先进控制软件、约束控制软件、操作优化软件第二级（管理

级）：最优调度软件和企业计划决策软件等6-1-1概述（3）•计算机控制系统软件功能–控制系统软件实现的功能•实时数据采集•闭环控制输出•逻辑控制•操控界面：报警监视、画面显示和报表输出•可靠性措施：自诊断、掉电处理、备份

维护•信息管理：文件管理、数据库、趋势、统计分析•数据通信•应用功能：满足用户需求的各种监管功能（如报表生成、消息发布、电子商务）6-1-2操作系统（1）•操作系统的功能与任务–操作系统•主要目的是控制与管理计算机的硬件和软件资源。合

理地组织计算机工作流程，方便各种用户使用计算机计算机软件的构成示意图6-1-2操作系统（2）–操作系统的功能•作业(job)管理：“脱机”和“联机”两种方式•处理机（CPU）管理：作业调度、进程调度•存储管理：内存分配、内存保护、内存扩充（虚拟内存）

•设备管理：设备分配、设备驱动、虚拟设备•文件管理：文件存储与检索、文件操作、文件保护与控制6-1-2操作系统（3）•操作系统的分类–操作系统按功能分类•批处理操作系统•分时操作系统•实时操作系统–按计算机配置分类：大型机和

微机、单机和网络系统–按用户/任务分类•单/多用户，单/多任务6-1-2操作系统（4）•实时多任务操作系统–实时多任务操作系统•就是能够执行多任务的实时操作系统•大多数实时多任务操作系统CPU的负荷率应保证在30%之内•实时响应时间随系统的要求而变化–应具备的特征•异步事件响应：要有异步I/

O和中断处理能力•切换时间短•中断等待时间短•优先级中断和调度•同步–一些著名的实时多任务操作系统•WindowsNT、OS/2、VMS、RTLinux等，具有很好的通用性、实时性和可靠性。其中Wind

owsNT是实时操作系统的主流6-1-4数据库（1）•数据库的特点–集成化的有穷数据集合•按照数据间的自然联系，以最佳的方式组织、存储数据，使之具有最小的冗余度–提供共享性•允许几个用户同时并发地使用数据库–具有较高的数据独立性•确保数据的安全性和完整性–面

向数据而不是面向应用6-1-4数据库（2）•数据库系统的组成–数据库（DB）•物理数据库（工作数据的集合）、描述数据库–硬件支持系统•服务器、大规模存储设备、网络通信设备、终端等–软件支持系统•操作系统、宿主语言、实用程序和数据库管理系统等–数据库管理员（DBA）•管理、开发和使用数据库系统的人

员6-1-4数据库（3）•关系型数据库–特点是采用关系作为唯一的基本数据结构类型，具有关系完备的数据子语言，在一定程度上实现了数据独立性，确保用户能够依靠关系名、关键字值和属性名的结合用逻辑方式访问数据库中的每一个数据。–Oracle和Sybase是典型的代表•SQL（S

tructuredQueryLanguage）语言–SQL是一种关系数据库语言，已成为国际标准。–目前，数据库产品的各个厂家纷纷推出各自的支持SQL的软件或可与SQL接口的软件。6-1-4数据库（4）–SQL的功能•数据定义语言D

DL：用于定义、撤消和修改数据模式；•查询语言QL：用于查询数据；•数据操纵语言DML：用于增、删、改数据；•数据控制语言DCL：用于数据访问权限的控制。6-1-4数据库（5）•实时数据库系统（RTDBS）–事务和数据都具有定时特性或定时限制的数据库系统。而且系统的正

确性不仅依赖于逻辑结果，而且还依赖于逻辑结果产生的时间。过程实时数据库系统串行通信网络支持动态流程显示报警历史数据报表打印功能应用软件棒图过程I/O历史趋势自动化系统中以过程实时数据库为核心的监控平台…6-1-4数据库（6）•实时数据库系统（RTDBS）–大容量内存实时

数据库•内存数据库•全驻内存和主驻内存（驻内和留外）•历史数据库–较多应用关系型数据库•数据库接口–通过动态数据交换（DDE）进行接口–采用开放式数据库互连（ODBC）进行接口–以及采用目前最新的对象链接和嵌入技术OPC技术实现接口第二节Unit2计算机控制系统应用软件

AppliedSoftwareofComputerControlSystem概述计算机控制系统应用软件的组成应用软件设计技术应用软件开发环境及平台组态软件商品化的工业控制软件简介6-2-1计算机控制系统软件组成（1）•计算机控制系统软件组成–第一级•

设备层：负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号•控制层：完成对现场工艺过程的实时监测与控制•监控层–通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的–监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产

信息化的重要组成部分。–第二级•管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。6-2-1计算机控制系统软件组成（2）•监控平台的概念–以实时数据库为核心，具有组态功能的通用软件–能提供方便地用组态方式实现实时数据的显示、历史趋势的显示、棒图显示、动态数据流程的显示等，形成各种打印报表，并

具有与各种DCS及PLC的数据通信等功能–具有开放式结构，便于用户将先进控制软件及在线优化软件嵌入其主控程序中；同时它可以方便地实现先进控制系统及在线操作优化算法的投运和切除6-2-1应用软件设计技术（3）•控制系统软件设计的基本原则–抽象（abstraction）抽象

是一个系统的简化描述或规范说明•抽象包括“数据抽象”、“控制抽象”和“过程抽象”–细化（refinement）实质是分解–模块化（modularity）是软件设计中最古老的一条原则–信息隐藏（informationhiding）一个模块内部的数据与过程，应该对没有必要了解这些数据与过程的其它

模块隐藏起来–其他：一致性、完整性、可验证性等6-2-1控制系统软件设计的方法（4）•自顶向下设计•程序设计者在开始设计时就有全局观点，对欲开发的软件有全面的了解；然后由顶层起逐层向下分解，直至所有的模块都达到便于管理的目的

为止•设计过程中的大概步骤•设计管理程序并进行测试•对每一个程序标志进行程序设计•对最后形成的整个程序进行测试6-2-1控制系统软件设计的方法（5）•面向对象设计–随着C++、Delphi等一批面向对象语言的出现，设计人员用“对象”和“消息传递”直接映射客观系统中的“实体”及其“

相互关系”变为可能，使得用这类工具设计出来的程序，其结构可与客观系统的抽象模型相同或相似–面向对象设计的最大优点•改变了按照语言结构来分析问题的传统思维方式，转而按事物的本来面貌来认识系统，建立其抽象模型•提高了软件的可重用性6-2-1应用软件开发环境及平台（6）

•软件开发环境–要求有合适的语言，良好的软硬件工具，有效的编辑和调试手段，以及尽可能丰富的实用程序•运行环境•基本平台–泛指由主机、外部设备、网络产品以及操作系统（如WindowsNT）及其界面环境（如WINCC，力控，Fix，LOOKOUT等）集成起来的基本开发与操

作环境6-2-2组态软件简介（1）•组态软件是用计算机语言编写的能将各种控制硬件（工业PC机、各种控制板卡、PLC、模块、单片机、数字仪表）组合到一起，形成一个大的能进行实时监控的系统专业应用软件–是可对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，–特

点•延续性和可扩充性：当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生变化时，不需做很多修改而方便地完成软件更新和升级•封装性（易学易用）：各种功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不须掌握太多编程语言技术（

甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。•通用性：每个用户根据工程实际情况，利用通用工业组态软件提供的底层设备（变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，

不受行业限制。•缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。6-2-2组态软件简介（2）•组态软件组成–图形界面系统–实时数据库系统–第三方程序接口组件–控制功能组件6-2-3商品化的工业控制软件简介•为说明工业控制软件的应用情况，加深大家

的印象，下面演示的是一些商品化的工控软件组态图片、实时运行的一些屏幕拷贝图片，以及代表工控软件发展趋势的基于Web技术的HMI（HumanMachineInterface）。商品化的工业控制组态软件示例之一——正在组态过程商品化的工业控制组态软件示例之二——连续系统商品化的工业控制组

态软件示例之三——间歇系统商品化的工业控制组态软件示例之四——异地系统监控第三节Unit3计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术Anti-DisturbingandReliabilityTechniquesofComputerControlSystems•计算机控制系统的

抗干扰与可靠性技术•系统供电与接地技术•看门狗（Watchdog）及其电源掉电检测技术6-3-1抗干扰技术•干扰来源及种类–串模干扰–共模干扰–长线传输干扰•串模干扰(又称横向干扰或正态干扰)–串联于信号源回路中的干扰A放大器VnVsA放大器V

sC1C2干扰线In串模干扰示意图(a)(b)6-3-1串模干扰的抑制措施•用有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号引线–可减少电磁感应•采用各种滤波器•采用双积分式A/D转换器•其它措施6-3-1共模干扰•共模干扰

（也称纵向干扰或共态干扰）–由不同的“地”而引起信号源VsZrAVc(a)VsVcZr(b)共模干扰示意图6-3-1对共模干扰的抑制（1）•共模干扰对输入信号的影响VsZcZcVcmm(a)单端输入被测信号的输入方式Vs

Zs1Zc1Vcmm(b)双端输入Zc1Zs26-3-1对共模干扰的抑制（2）•双端输入•变压器隔离•光电隔离•浮地屏蔽•采用仪表放大器提高共模抑制比6-3-1长线传输干扰及其抑制•长线干扰产生原因易受到外界干扰具有信号延时会引起波反射现象•消除波反射或将它抑

制到最低限度终端阻抗匹配或始端阻抗匹配信号线的选择和敷设6-3-2系统供电技术接地技术•供电系统的一般保护交流稳压器低通滤波器直流稳压器计算机一般计算机控制系统供电结构220VAC6-3-2系统供电技术•电源异常的

保护具有不间断电源的供电结构电池充电器电池组直流稳压器220VAC逆变器交流稳压器控制器计算机6-3-2系统接地技术•计算机系统接地的目的抑制干扰,使计算机稳定地工作保护计算机、电器设备和操作人员的安全•计算机控制系统中的“地”

模拟地，数字地，安全地，系统地，交流地6-3-2系统接地技术•计算机控制系统中的分别回流法单点接地数字地横汇流条数字地纵汇流条模拟地横汇流条模拟地纵汇流条接地板安全地(机壳地)系统板大地分别回流法接地示例图6-3-2系统的低频接地技术•一点接地方式串联接地（

或称共同接地）并联接地（或称分别接地）电路1电路2电路3r1r2r3I3I2I1CBAI3I2+I3I1+I2+I3串联一点接地电路1电路2电路3r1r2r3I3I2I1CBA并联一点接地6-3-2系统的低频接地技术

•实用的低频接地串联一点接地的综合接法信号地线噪声地线金属件地线实用低频接地方式信号地线：低电平电路地线噪声地线：继电器、电动机等的地线金属件地线：设备机壳地线6-3-2系统输入通道的接地技术•电路一点地基准–即单端接地：接地点位于信号源端

时，放大器电源不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。•电缆屏蔽层的接地–信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地6-3-2其它（1）•主机外壳接地，机芯浮空–主机外壳作为屏蔽罩接地，而

把机内器件架与外壳绝缘，即机内信号地浮空。机芯主机外壳大地外壳接地，机芯浮空示意图6-3-2其它（2）•多机系统的接地近距离多机系统的一点接地（如图示）远距离系统采用隔离的方法主机打印机绘图仪操作台过程通道大地近距离多机系统的接地示意图地线6-3-3看门狗（watchdog）技术•看门

狗（即监控定时器）作用–用来检测系统出错并自动恢复运行–也可用来检测硬件的故障定时或启动或清零定时器CPU定时到复位或中断时钟CLK看门狗(Watchdog)电路6-3-3电源掉电检测技术•系统设计时应采取当掉电发生时的安全措施和保护性处置办法–执行机构–控制计算机的状态•及时检测出发生掉电

•应用程序设计的措施