0.2 計算機測控系統的任務和工作原理

1.計算機測控系統的任務

下面以生產過程控制系統為例來說明計算機測控系統的任務，因為它比較集中地體現了計算機測控系統的各種功能。如圖0-2所示，計算機測控系統借助傳感器從生產過程中收集信息，對生產過程被控對象進行監視并提供控制信號。被收集的信息在不同層次上進行分析計算，得出對生產裝置提供的調節量，完成自動控制，或者為生產管理人員、工程師和操作員提供所需要的信息。

由此可以看出，計算機測控系統應當完成下列任務：

1）檢測

生產過程參數的大小是由傳感器進行檢測的。傳感器產生與被測物理量（如溫度、壓力、流量、液位等）成比例（一般為正比）的電信號。

傳感器信號在進入計算機系統的接口之前，首先要轉換成一種標準形式，通常是把傳感器的0%～100% 量程轉換成4～20 mA電流或1～5 V電壓。

另一類測量值是關于被控過程的狀態信息。例如，閥門是否關閉？容器是否注滿？泵是否打開？這些信息是以開關量的形式提供給計算機的，通過繼電器接點的開閉或TTL電平的變化來表示。

計算機也可通過串行或并行通信口直接接收數字量信息。目前，很多傳感器都帶有微處理器（如智能儀表），可以直接給出數字量信息。

2）控制

對生產裝置的控制通常是通過對閥門或伺服機構等執行機構進行調節的，通過對泵和電動機進行控制來達到的。計算機可以產生一串脈沖去驅動執行機構達到所需要的位置，可以通過繼電器接點閉合或產生某個電平的跳變去起動或停止某個電動機，也可通過D/A轉換產生一個正比于某設定值的電壓或電流去驅動執行機構。執行機構在收到控制信號之后，通常還要反饋一個測量信號給計算機，以便檢查控制命令是否被執行。

在工業過程控制系統中常用的控制方案有三種類型：直接數字控制、順序控制和監督控制。大多數生產過程的控制需要其中一種或幾種控制方案的組合。

3）人機交互

計算機控制系統必須為操作員提供關于被控過程和控制系統本身運行情況的全部信息，為操作員直觀地進行操作提供各種手段，例如改變設定值，手動調節各種執行機構，在發生報警的情況下進行處理等。因此，它應當能顯示各種信息和畫面，打印各種記錄，通過專用鍵盤對被控過程進行操作等。

此外，計算機控制系統還必須為管理人員和工程師提供各種信息，例如，生產裝置每天的工作記錄以及歷史情況的記錄，各種分析報表等，以便掌握生產過程的狀況和做出改進生產狀況的各種決策。

4）通信

現今的工業過程控制系統一般都采用分級分散式結構，即由多臺計算機組成計算機網絡，共同完成上述的各種任務。因此，各級計算機之間必須能實時地交換信息。此外，有時生產過程控制系統還需要與其他計算機系統（例如，全廠的綜合信息管理系統）進行數據通信。

2.計算機測控系統的工作原理

下面以一個計算機溫度測控系統來簡要地說明計算機測控系統的工作原理，圖0-3為系統組成示意圖。

根據工藝要求，該系統要求加熱爐的爐溫控制在給定的范圍內或者按照一定的時間曲線變化。由于存在著各種干擾，使用計算機進行控制，并在顯示器上用數字或圖形實時地顯示溫度值。

假設加熱爐使用的燃料為重油，并使用調節閥作為執行機構，使用熱電偶來測量加熱爐爐內的溫度。熱電偶把檢測信號（電勢信號）送入溫度變送器，將其轉換為電壓信號（1～），再將該電壓信號送入輸入裝置。輸入裝置可以是一個模塊也可以是一塊板卡，它將檢測到的信號轉換為計算機可以識別的數字信號。計算機軟件根據該數字信號按照一定的控制算法進行計算，計算出來的結果通過輸出模塊轉換為可以推動調節閥動作的電流信號（4～20 mA 5V）。通過改變調節閥的閥門開度即可以改變燃料流量的大小，從而達到控制加熱爐爐溫的目的。與此同時，計算機中的軟件還可以將與爐溫相對應的數字信號以數值或圖形的形式在計算機的顯示器屏幕上顯示出來。操作人員可以利用計算機的鍵盤和鼠標輸入爐溫的設定值，由此實現計算機監控的目的。

上述溫度監控計算機系統對生產過程實現自動控制可以分解為四個過程：

（1）生產過程的被控參量（過程信號）通過測量環節轉化為相應的電參量或電參數，再由變送器或放大器變換成標準的電壓或電流信號；

（2）電壓或電流信號經過A/D轉換后變成計算機可以識別的數字信號，并將其轉換為人們易于理解的工程量（測量值）；

（3）計算機根據測量值與給定值的偏差，按一定的控制算法輸出控制信號；

（4）控制信號作用于執行機構，通過調節物料流量或能量的大小來實現對生產過程的調節。

以上這四個過程是周期性的。