0.4 計算機測控系統的組成

計算機測控系統和一般計算機系統一樣，也是由硬件和軟件兩部分組成的，如圖0-4所示。

1.計算機測控系統的硬件組成

計算機測控系統的硬件部分一般由計算機主機、過程通道、操作控制臺、被監控對象（生產機械或生產過程）等部分組成。

1）計算機主機

由微處理器、內存儲器及系統總線組成的計算機主機是整個計算機測控系統的核心，它的功能、性能直接影響到系統的優劣。主機按照預先存放在內存中的程序指令，由過程輸入通道不斷地獲取反映被控對象運行工況的信息，并按程序中規定的控制算法，或操作人員通過鍵盤輸入的操作命令自動地進行信息處理、分析和計算，做出相應的控制決策，并通過過程輸出通道向被控對象及時地發出控制命令，以實現對被控對象的自動控制。

目前，所采用的主機有單片機、PLC和工業PC（工控機）等。在實際應用中，應根據應用規模、控制目的和控制需要等選用性價比高的計算機，例如，對于小型控制系統、智能儀表及智能化接口，盡量采用單片機模式；對于新產品開發或用量較大，為了降低成本，也可采用單片機模式；對于中等規模的控制系統，為了加快系統的開發速度，可以選用PLC或工控機，應用軟件可自行開發；對于大型的生產過程控制系統，最好選用工控機、專用DCS或FCS，軟件可自行開發或購買現成的組態軟件。

如果控制現場環境比較好，對可靠性的要求又不是特別高，可以選擇普通的個人計算機，否則還是選擇工控機為宜。在主機的配置上，以留有余地、滿足需要為原則，不一定要選擇最高檔的配置。

2）過程通道

過程通道是計算機主機與生產過程被控對象之間進行信息傳遞和變換的連接裝置。根據信號傳送方向，可分為輸入通道和輸出通道；根據傳送信號的形式，又可分為模擬量通道和開關量通道。目前工業上使用最多的是板卡式過程通道，其次是遠程I/O模塊。

（1）模擬量輸入通道。在微機測控系統中，為了實現對生產過程或其他設備或周圍環境的測量和控制，首先必須對各種模擬量參數如溫度、壓力、流量、成分、液位、速度、距離等進行采集，為此，要用傳感器和變送器將采集量變成標準的電信號，通過濾波放大，經A/D轉換器轉換成計算機能接收的數字量。

（2）模擬量輸出通道。目前工業生產中使用的執行機構，其控制信號基本上是模擬的電壓或電流信號。因此計算機輸出的數字信號必須經D/A轉換器變為模擬量后，方能去控制執行機構。當控制多個回路時，還需要使用多路開關進行切換。

（3）開關量輸入通道。開關量輸入通道的任務主要是將現場輸入的開關信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號。

開關量輸入通道在控制系統中主要起以下作用：定時記錄生產過程中某些設備的狀態，例如電動機是否在運轉，閥門是否開啟等；對生產過程中某些設備的狀態進行檢查，以便發現問題并進行處理。

（4）開關量輸出通道。對于只有“0”和“1”兩種工作狀態的執行機構或器件，用計算機控制系統輸出開關量來控制它們，例如控制電動機的起動和停止、信號指示燈的亮和滅、電磁閥的打開與關閉、繼電器的接通與斷開、步進電機的運行等。開關量輸出通道的任務就是把計算機輸出的開關信號傳送給這些執行機構或器件。

（5）執行機構。在計算機測控系統中，必須將經過采集、轉換、處理的被控參量（或狀態）與設定值（或事先安排好的動作順序）進行比較，然后根據偏差來控制有關輸出部件，達到自動調節被控量（或狀態）的目的。

（6）I/O接口。外部設備和被控對象是不能直接由計算機主機控制的，必須由“接口”來傳送相應的信息和命令。I/O接口是主機和通道、外部設備進行信息交換的紐帶。接口電路有并口、串口、脈沖接口和直接數據傳送接口等。絕大多數I/O接口都是可編程的，它們的工作方式可以通過編程設置。

由上可知，過程通道由各種硬件設備組成，它們起著信息變換和傳遞的作用，配合相應的輸入/輸出控制程序，使計算機和被控對象間能進行信息交換，從而實現對生產機械、生產過程的控制。

3）操作控制臺

操作控制臺是操作員與計算機控制系統之間進行聯系的紐帶，如圖0-5所示。通過操作控制臺，操作人員可及時了解被控過程的運行狀態、運行參數、報警信號等，并進行必要的人為干預，發出各種控制命令或緊急處理某些事件，實現相應的控制目標，還能通過它輸入程序和修改有關參數。

為了實現上述功能，操作控制臺一般應包括以下幾部分：

（1）信息顯示。采用狀態指示和報警指示的指示燈、聲光報警器、LED、LCD或CRT顯示屏，顯示所需內容和報警信號。在顯示數據較少、系統功耗小的簡易系統中，更多的是采用LCD顯示器；而在規模比較大，要求比較高的復雜控制系統中，可以選用CRT顯示器。因為CRT顯示器不僅可以顯示數據表格，而且可以顯示各種圖形，如控制系統流程圖、參數變化趨勢圖、調節回路指示圖等。清晰美觀的顯示，不是簡單地為了改善控制系統外觀，而是為了便于操作人員工作，提高系統的性能。

（2）信息記憶。主要采用打印機、記錄儀、存儲設備等輸出設備。存儲設備有磁盤驅動器、光盤驅動器、優盤、磁帶機等，主要用于存儲程序和數據。

（3）工作方式選擇。采用各種開關，如按鈕、扳鍵等，實現工作方式的選擇，例如電源開關、數據及地址選擇開關、操作方式（如自動、手動）選擇開關等。通過這些開關，可以完成對計算機的啟動、暫停，對系統的啟動、暫停，對參數或數據的修改，對工作方式、算法、控制方式進行選擇等功能。

（4）信息輸入。采用輸入設備，有鍵盤、掃描儀、紙帶讀入機和卡片讀入機等，主要用于輸入程序和數據。操作鍵盤一般應包括數字鍵及功能鍵。數字鍵主要用來向主機輸入數據或修改控制系統的參數。通過功能鍵可向主機申請中斷服務，使計算機進入功能鍵所代表的功能服務程序，如啟動、復位、打印、顯示等功能服務程序。

計算機控制系統的復雜程度不同，其硬件組成差別很大，可根據實際情況進行選擇。

2.計算機測控系統的軟件組成

計算機測控系統的硬件是完成測控任務的設備基礎，而計算機的操作系統和各種應用程序是執行測控任務的關鍵，統稱為軟件。計算機測控系統的軟件程序不僅決定其硬件功能的發揮，而且也決定了測控系統的控制品質和操作管理水平。計算機只有在配備了所需的各種軟件后，才能構成完整的測控系統。在計算機測控系統中，許多功能都是通過軟件來加以實現的，即在基本不改變系統硬件的情況下，只需修改計算機中的程序便可實現不同的控制功能。

軟件通常由系統軟件和應用軟件組成。

1）系統軟件

系統軟件是計算機運行操作的基礎，用于管理、調度、操作計算機的各種資源，實現對系統監控和診斷，提供各種開發支持的程序。

系統軟件包括操作系統、監控管理程序、故障診斷程序、各種語言的匯編、解釋和編譯程序、數據庫管理系統、通信網絡軟件等。

操作系統提供了程序運行的環境，是計算機測控系統信息的指揮者和協調者，并具有數據處理、硬件管理等功能，如DOS、Windows 98/2000/XP、UNIX等。

用于開發測控系統應用軟件的是各種語言的匯編、解釋和編譯程序，包括：面向機器的匯編語言（如Masm）、面向過程語言（如C語言）、面向對象語言（如Visual C++、Visual Basic等）、監控組態軟件（如KingView、MCGS、FIX等）、虛擬儀器軟件（如LabVIEW、LabWindows/CVI等）、數字信號處理軟件（如Matlab），以及各種數據庫軟件等。

考慮到目前工業自動化企業工控機上普遍使用Windows操作系統，對工控軟件的要求是具有良好的人機界面和豐富的監視畫面，在使用上操作簡捷，能在較短的時間開發出功能完善的測控軟件，因此當前測控軟件的開發普遍采用面向對象語言、監控組態軟件及虛擬儀器軟件等。

系統軟件通常由計算機廠商和專門軟件公司研制，可以從市場上購置。計算機測控系統的設計人員一般沒有必要自行研制系統軟件，只是將其作為開發應用軟件的工具。但是只有了解和學會使用系統軟件，才能更好地開發應用軟件。

2）應用軟件

應用軟件是計算機在系統軟件支持下實現各種應用功能的專用程序。應用軟件是軟件公司或用戶為了解決某類應用問題而專門研制的軟件，主要包括科學和工程計算軟件、文字處理軟件、數據處理軟件、圖形軟件、圖像處理軟件、應用數據庫軟件、事務管理軟件、輔助類軟件和控制類軟件等。計算機測控系統軟件屬于應用軟件，它主要實現企業對生產過程的實時控制和管理以及企業整體生產的管理控制。

計算機測控類應用軟件是測控系統設計人員根據某一具體生產過程的控制對象、控制要求、控制任務，為實現高效、可靠、靈活的控制而自行編制的各種控制和管理程序。其性能的優劣直接影響控制系統的控制品質和管理水平。

控制對象的差異性使對應用軟件的要求也有很大的差別。一般在工業控制系統中，針對每個控制對象，為了完成相應的控制任務，都要求配置相應的專門控制軟件，才能使整個系統實現預定的功能。

計算機測控系統的應用軟件一般包括過程輸入和輸出接口程序、控制程序、人機接口程序、顯示程序、打印程序、報警和故障診斷程序、通信和網絡程序等。

測控類應用軟件的編寫涉及生產工藝、控制理論、控制設備等相關領域的知識，一般由測控系統設計人員根據不同的控制對象和不同的控制任務自行編制或根據具體情況在商品化軟件的基礎上自行組態。

軟件技術對于計算機測控系統的重要性，表明了計算機技術在現代測控系統中的重要地位，但不能認為，掌握了計算機技術就等于掌握了測控技術。這是因為，其一，計算機軟件永遠不可能全部取代測控系統的硬件；其二，不懂得測控系統的基本原理就不可能正確地組建測控系統，也不可能正確應用計算機。一個專業的程序設計者，可以熟練而又巧妙地編制科學計算的程序，但若不懂測控技術則根本無法編制測控程序。測控程序是專業程序編制人員無法編寫的，而必須且只能由精通測控技術的工程人員來編寫。