第1章　控制系統概論

1.1　控制系統的基本組成

計算機控制系統是利用計算機來實現工業生產過程自動控制的系統，是在常規儀表控制系統的基礎上發展起來的，將常規自動控制系統中的模擬調節器由計算機來實現，就組成了一個典型的計算機控制系統。控制技術綜合應用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對工業生產過程實現檢測、控制、優化、管理和決策，以達到增加生產量，提高生產率，確保生產安全的高新技術。

目前，控制系統幾乎離不開計算機，因此，將計算機控制系統簡稱為控制系統。盡管控制系統的模式多種多樣，但其基本組成大致相同。如圖1.1所示，控制系統由控制主機和外圍設備組成。控制主機包括中央處理器（CPU）、存儲器、A/D轉換接口、D/A轉換接口、開關量輸入接口、開關量輸出接口等部件；外圍設備包括檢測儀表、執行機構、人機界面、操作器件、通信設備等。盡管控制主機的類型、型號等多種多樣，但本質上說都屬于計算機，都包含CPU、存儲器、I/O電路等。由于工業過程的應用場合和目的各不相同，控制系統中的控制計算機的類別和型號也千差萬別，控制系統的組成也各不相同，但是，控制系統的基本組成大同小異，主要由兩大部分組成：硬件和軟件。其中硬件包括主機、輸入/輸出模塊、通信設備、現場設備、操作器件；軟件包括系統軟件和應用軟件等。

1.1.1　控制主機

控制主機由中央處理器、存儲器和接口電路等組成，是計算機控制系統的核心。根據輸入設備采集到的反映生產過程工作狀況的信息，按存儲器中預先存儲的程序，選擇相應的控制算法，自動地進行信息處理和運算，實時地通過輸出設備向生產過程發送控制命令，從而達到預定的控制目標。控制系統主機分為控制計算機（下位機）和管理計算機（上位機），下位機負責過程控制，上位機負責監控管理。下位機一般采用PLC、DCS、FCS等控制主機，上位機一般采用工業計算機。

1.1.2　檢測儀表

用來檢測過程各個參數的技術工具稱為檢測儀表。也稱測量儀表。是指能正確感受和反映被測量大小的儀表。確定被測變量的量值變化或量值特性、狀態、成分的儀表。工業生產中有壓力、流量、溫度、液位等物理儀表，有氣體分析、水分分析、微量元素分析等分析儀表。

檢測儀表一般由傳感器和變送器組成。傳感器能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置；變送器將傳感器的信號轉換為規定的標準信號輸出或進行顯示。

檢測儀表的輸出信號通常為4～20mA，該信號與檢測儀表的量程相對應。檢測儀表也可以直接是傳感器（如熱電阻、熱電偶等）。常用的檢測儀表主要有：熱電阻、熱電偶、壓力變送器、差壓變送器、雷達物位計、電磁流量計、pH計等。

1.1.3　執行機構

執行機構使用電力、氣體、液體或其他能源并通過電機、汽缸或其他裝置將其轉化成驅動作用。基本的執行機構用于把閥門驅動至全開或全關的位置。用于控制閥的執行機構能夠精確地使閥門走到任何位置。盡管大部分執行機構都是用于開關閥門，但是如今執行機構的設計遠遠超出了簡單的開關功能，它們包含了位置感應裝置，力矩感應裝置，電極保護裝置，邏輯控制裝置，數字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝置全部安裝在一個緊湊的外殼內。

執行機構通常由執行裝置和控制器組成，根據給定的模擬量信號（如4～20mA）的大小來調節工作狀態（如閥門的開度、變頻電機轉速等）。執行機構主要有電動、氣動、液動三種類型，分別以電力、氣體、液體為動力源。常用的執行機構主要有：電動執行器、電動調節閥、氣動執行器、氣動調節閥、液動執行器、液動調節閥等。

1.1.4　通信設備

現代化工業生產過程的規模一般都比較大，其控制和管理也很復雜，往往需要幾臺或幾十臺計算機才能分級完成。這樣，在不同地理位置、不同功能的計算機或設備之間就需要通過通信設備進行信息交換。不同廠家的控制主機系統提供不同的通信設備，以太網通信網卡及交換機是常用的通信設備。

1.1.5　操作器件

操作員與系統之間進行人機對話的信息交換工具，一般由按鈕、開關、指示燈等構成，操作員通過操作器件可以了解與控制整個系統的運行狀態。對于某些重要設備的啟動/停止操作控制，有時操作器件是必需的。目前，操作器件已經多為虛擬器件所替代，即操作器件已經不是有型的實物，而是計算機軟件的模擬功能畫面，通過監控計算機的虛擬操作器件，可以啟動/停止設備、設定控制量、顯示數據和狀態等。

1.1.6　人機界面

人機界面是指人和機器在信息交換和功能上接觸的結合面，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。一般來說，凡是人-機信息交流的領域都存在著人機界面。以前，人機界面主要指人與計算機進行信息交換的操作界面，如開關、字符顯示儀、撥碼開關等。目前，人機界面主要指觸摸屏式的計算機或工業計算機，提供更為豐富的顯示和操作功能，在一些場合可以完全替代操作器件。

1.1.7　系統軟件

系統軟件一般由計算機廠家提供，支持系統開發、測試、運行和維護的工具軟件，主要包括計算機操作系統（如WINDOWS、UNIX等）、各種控制主機的編程軟件（如西門子STEP7、三菱GX Developer等）和監督管理軟件（如組態王、WINCC、INTOUCH等）等。系統軟件的主要特征是：

①與硬件有很強的交互性；

②能對資源共享進行調度管理；

③能解決并發操作處理中存在的協調問題；

④其中的數據結構復雜，外部接口多樣化，便于用戶反復使用。