1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件包括計(jì)算機(jī)主機(jī)硬件和各種控制設(shè)備；軟件包括系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、開發(fā)軟件）和應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖1-4所示。

圖1-4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

1.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成

硬件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體，是完成控制任務(wù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，硬件質(zhì)量的好壞直接決定了控制系統(tǒng)的工作性能。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要由計(jì)算機(jī)主機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理器、輸入/輸出裝置、驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)設(shè)備和通信接口等部分組成，如圖1-5所示。

圖1-5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖

1.計(jì)算機(jī)主機(jī)

計(jì)算機(jī)主機(jī)是整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它的性能直接影響到系統(tǒng)的優(yōu)劣。主機(jī)由中央處理器（CPU）、內(nèi)存儲(chǔ)器及系統(tǒng)總線等構(gòu)成。它通過輸入裝置發(fā)送來的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并做出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出裝置及時(shí)發(fā)出控制命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)聯(lián)系。目前采用的主機(jī)有微型計(jì)算機(jī)（PC）（或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)即IPC）、可編程序邏輯控制器（PLC）和單片機(jī)等。

2.傳感器

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)借助傳感器從生產(chǎn)過程中信息的收集，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視并提供控制信號(hào)。

生產(chǎn)過程的參數(shù)大小是由傳感器進(jìn)行檢測(cè)的。傳感器輸出與被測(cè)物理量（如溫度、壓力、流量或液位等）成一定比例（一般為正比）的電信號(hào)，一般為模擬電壓或電流。

還有一類測(cè)量值是關(guān)于被控過程的狀態(tài)信息。例如，閥門是否關(guān)閉，容器是否注滿，泵是否打開等。這些信息是以開關(guān)量的形式提供給計(jì)算機(jī)的，通過繼電器觸點(diǎn)的開閉或TTL（晶體管-晶體管邏輯）電平的變化來表示。

3.信號(hào)調(diào)理器

信號(hào)調(diào)理器（電路）的作用是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于輸送、顯示和記錄的電信號(hào)（電壓或電流）。例如，傳感器輸出信號(hào)是微弱的，就需要放大電路將微弱信號(hào)加以放大，以滿足過程通道的要求；為了與計(jì)算機(jī)接口方便，需要A—D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)等。常見的信號(hào)調(diào)理電路包括：電橋電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波電路、放大電路、線性化電路、A—D轉(zhuǎn)換電路和隔離電路等。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳感器信號(hào)在進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口之前，首先要轉(zhuǎn)換成一種標(biāo)準(zhǔn)形式，通常是把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA標(biāo)準(zhǔn)電流或15V標(biāo)準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換的是各種變送器，如溫度變送器和壓力變送器。

4.輸入/輸出裝置

反映被測(cè)量的電信號(hào)在進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前需要進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換處理，變成計(jì)算機(jī)能識(shí)別和接受的數(shù)字量；要驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置（如調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)機(jī)）動(dòng)作，計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量還必須轉(zhuǎn)換成可對(duì)執(zhí)行裝置進(jìn)行控制的電信號(hào)。因此，構(gòu)成一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，除了計(jì)算機(jī)主機(jī)外，還需要配備各種用途的I/O接口產(chǎn)品，即輸入/輸出裝置。

5.驅(qū)動(dòng)電路

要想驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一方面必須具有較大的輸出功率，即向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供大電流、高電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以帶動(dòng)其動(dòng)作；另一方面，由于各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理不盡相同，有的用電動(dòng)，有的用氣動(dòng)或液動(dòng)，如何使計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)與之匹配，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須解決的重要問題。因此為了實(shí)現(xiàn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率配合，一般都要在計(jì)算機(jī)輸出板卡與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配置驅(qū)動(dòng)電路。

6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

對(duì)生產(chǎn)裝置的控制通常是通過對(duì)閥門或伺服機(jī)構(gòu)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)泵和電動(dòng)機(jī)的控制來達(dá)到目的的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動(dòng)作，使被控對(duì)象按預(yù)先規(guī)定的要求進(jìn)行調(diào)整，保證其正常運(yùn)行。

常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)開關(guān)，電液伺服閥，交/直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，各種有觸點(diǎn)和無觸點(diǎn)開關(guān)，電磁閥等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需根據(jù)系統(tǒng)的要求來選擇。

7.人機(jī)設(shè)備

人機(jī)設(shè)備包括操作臺(tái)和各種外圍設(shè)備。生產(chǎn)過程的操作人員通過操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；程序員使用操作臺(tái)檢查程序；維修人員利用操作臺(tái)判斷故障等。

外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。它用來顯示、存儲(chǔ)、打印和記錄各種數(shù)據(jù)，如顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)等。常用的外圍設(shè)備包括打印機(jī)、圖形顯示器、外部存儲(chǔ)器（硬盤、光盤等）、記錄儀和聲光報(bào)警器等。

此外，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還必須為管理人員和工程師提供各種信息。例如，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行的工作記錄以及歷史情況的記錄、各種分析報(bào)表等，以便掌握生產(chǎn)過程的狀況和做出改進(jìn)生產(chǎn)狀況的各種決策。

8.通信接口

外部設(shè)備和被控對(duì)象不能直接由計(jì)算機(jī)主機(jī)控制，必須由“接口”來傳送相應(yīng)的信息和命令。I/O接口是主機(jī)與通道以及外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的紐帶。接口電路有并行接口、串行接口、脈沖接口和直接數(shù)據(jù)傳送接口等。

現(xiàn)今的工業(yè)過程控制系統(tǒng)一般都采用分級(jí)分散式結(jié)構(gòu)，即由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，共同完成上述的各種任務(wù)。因此，各級(jí)計(jì)算機(jī)之間必須通過網(wǎng)絡(luò)通信接口及時(shí)交換信息。

1.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件是完成控制任務(wù)的設(shè)備基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序是執(zhí)行控制任務(wù)的關(guān)鍵，統(tǒng)稱為軟件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件程序不僅決定其硬件功能的發(fā)揮，而且也決定了控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)和操作管理水平。

計(jì)算機(jī)只有在配備了所需的各種軟件后，才能構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，許多功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，即在基本不改變系統(tǒng)硬件的情況下，只需修改計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序便可實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。

軟件通常由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。

1.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)運(yùn)行操作的基礎(chǔ)，用于管理、調(diào)度和操作計(jì)算機(jī)的各種資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和診斷，提供各種開發(fā)支持的程序。

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和開發(fā)軟件等。

操作系統(tǒng)提供了程序運(yùn)行的環(huán)境，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信息的指揮者和協(xié)調(diào)者，并具有數(shù)據(jù)處理和硬件管理等功能，如各種版本的Windows操作系統(tǒng)和UNIX操作系統(tǒng)等。

開發(fā)軟件是用于開發(fā)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，它是各種語言的匯編、解釋和編譯程序，包括面向機(jī)器的匯編語言（如Masm），面向過程語言（如C），面向?qū)ο笳Z言（如Visual C++、Visual Basic等），監(jiān)控組態(tài)軟件（如KingView、MCGS、FIX等），虛擬儀器軟件（如LabVIEW、LabWindows/CVI等），數(shù)字信號(hào)處理軟件（如MATLAB等）和各種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等。

考慮到目前工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)工控機(jī)上普遍使用Windows操作系統(tǒng)，對(duì)工控軟件的要求是具有良好的人機(jī)界面和豐富的監(jiān)視界面，在使用操作上需要簡(jiǎn)捷，便于在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出功能完善的控制軟件，因此當(dāng)前控制軟件的開發(fā)普遍采用面向?qū)ο笳Z言、監(jiān)控組態(tài)軟件及虛擬儀器軟件等。

系統(tǒng)軟件通常由計(jì)算機(jī)廠商和專門軟件公司研制，可以從市場(chǎng)上購(gòu)置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員一般沒有必要自行研制系統(tǒng)軟件，它們只是作為開發(fā)應(yīng)用軟件的工具。但是需要了解和學(xué)會(huì)使用系統(tǒng)軟件，才能更好地開發(fā)應(yīng)用軟件。

2.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)軟件支持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序。應(yīng)用軟件是軟件公司或用戶為解決某類應(yīng)用問題而專門研制的軟件，主要包括科學(xué)和工程計(jì)算軟件、文字處理軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、圖形軟件、圖像處理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、事務(wù)管理軟件、輔助類軟件和控制類軟件等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，主要用以實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制和管理以及企業(yè)整體生產(chǎn)的管理控制。

計(jì)算機(jī)控制類應(yīng)用軟件是設(shè)計(jì)人員根據(jù)某一具體生產(chǎn)過程的控制對(duì)象、控制要求和控制任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)高效、可靠、靈活的控制而自行編制的各種控制和管理程序。其性能優(yōu)劣直接影響控制系統(tǒng)的控制性能和管理水平。

控制對(duì)象的差異性使其對(duì)應(yīng)用軟件的要求也有很大的差別。一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，針對(duì)每個(gè)控制對(duì)象，為完成相應(yīng)的控制任務(wù)，都要求配置相應(yīng)的專門的控制軟件才能使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件一般包括過程輸入和輸出接口程序、控制程序、人機(jī)接口程序、顯示程序、打印程序、報(bào)警和故障診斷程序、通信和網(wǎng)絡(luò)程序等。

計(jì)算機(jī)控制類應(yīng)用軟件的編寫涉及生產(chǎn)工藝、控制理論和控制設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，一般由控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的控制對(duì)象和不同的控制任務(wù)自行編制或根據(jù)具體情況在商品化軟件的基礎(chǔ)上自行組態(tài)。

軟件技術(shù)對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要性，表明了計(jì)算機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的重要地位，但不能認(rèn)為，掌握了計(jì)算機(jī)技術(shù)就等于掌握了控制技術(shù)。這是因?yàn)椋湟唬?jì)算機(jī)軟件永遠(yuǎn)不可能全部取代控制系統(tǒng)的硬件；其二，不懂得控制系統(tǒng)的基本原理就不可能正確地組建控制系統(tǒng)。一個(gè)專業(yè)程序設(shè)計(jì)者，可以熟練而又巧妙地編制算法復(fù)雜的運(yùn)算程序，但若不懂控制技術(shù)則根本無法編制控制程序。