第1章　控制系統(tǒng)概論

1.1　控制系統(tǒng)的基本組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)，是在常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，將常規(guī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的模擬調(diào)節(jié)器由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。控制技術(shù)綜合應(yīng)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其他信息技術(shù)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、管理和決策，以達(dá)到增加生產(chǎn)量，提高生產(chǎn)率，確保生產(chǎn)安全的高新技術(shù)。

目前，控制系統(tǒng)幾乎離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，因此，將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為控制系統(tǒng)。盡管控制系統(tǒng)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(tǒng)由控制主機(jī)和外圍設(shè)備組成。控制主機(jī)包括中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換接口、D/A轉(zhuǎn)換接口、開(kāi)關(guān)量輸入接口、開(kāi)關(guān)量輸出接口等部件；外圍設(shè)備包括檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)界面、操作器件、通信設(shè)備等。盡管控制主機(jī)的類(lèi)型、型號(hào)等多種多樣，但本質(zhì)上說(shuō)都屬于計(jì)算機(jī)，都包含CPU、存儲(chǔ)器、I/O電路等。由于工業(yè)過(guò)程的應(yīng)用場(chǎng)合和目的各不相同，控制系統(tǒng)中的控制計(jì)算機(jī)的類(lèi)別和型號(hào)也千差萬(wàn)別，控制系統(tǒng)的組成也各不相同，但是，控制系統(tǒng)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(jī)、輸入/輸出模塊、通信設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、操作器件；軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等。

1.1.1　控制主機(jī)

控制主機(jī)由中央處理器、存儲(chǔ)器和接口電路等組成，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)輸入設(shè)備采集到的反映生產(chǎn)過(guò)程工作狀況的信息，按存儲(chǔ)器中預(yù)先存儲(chǔ)的程序，選擇相應(yīng)的控制算法，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理和運(yùn)算，實(shí)時(shí)地通過(guò)輸出設(shè)備向生產(chǎn)過(guò)程發(fā)送控制命令，從而達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。控制系統(tǒng)主機(jī)分為控制計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）和管理計(jì)算機(jī)（上位機(jī)），下位機(jī)負(fù)責(zé)過(guò)程控制，上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控管理。下位機(jī)一般采用PLC、DCS、FCS等控制主機(jī)，上位機(jī)一般采用工業(yè)計(jì)算機(jī)。

1.1.2　檢測(cè)儀表

用來(lái)檢測(cè)過(guò)程各個(gè)參數(shù)的技術(shù)工具稱(chēng)為檢測(cè)儀表。也稱(chēng)測(cè)量?jī)x表。是指能正確感受和反映被測(cè)量大小的儀表。確定被測(cè)變量的量值變化或量值特性、狀態(tài)、成分的儀表。工業(yè)生產(chǎn)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(cè)儀表一般由傳感器和變送器組成。傳感器能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置；變送器將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出或進(jìn)行顯示。

檢測(cè)儀表的輸出信號(hào)通常為4～20mA，該信號(hào)與檢測(cè)儀表的量程相對(duì)應(yīng)。檢測(cè)儀表也可以直接是傳感器（如熱電阻、熱電偶等）。常用的檢測(cè)儀表主要有：熱電阻、熱電偶、壓力變送器、差壓變送器、雷達(dá)物位計(jì)、電磁流量計(jì)、pH計(jì)等。

1.1.3　執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用電力、氣體、液體或其他能源并通過(guò)電機(jī)、汽缸或其他裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用。基本的執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于把閥門(mén)驅(qū)動(dòng)至全開(kāi)或全關(guān)的位置。用于控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠精確地使閥門(mén)走到任何位置。盡管大部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是用于開(kāi)關(guān)閥門(mén)，但是如今執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)功能，它們包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護(hù)裝置，邏輯控制裝置，數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝置全部安裝在一個(gè)緊湊的外殼內(nèi)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由執(zhí)行裝置和控制器組成，根據(jù)給定的模擬量信號(hào)（如4～20mA）的大小來(lái)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)（如閥門(mén)的開(kāi)度、變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速等）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)三種類(lèi)型，分別以電力、氣體、液體為動(dòng)力源。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有：電動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。

1.1.4　通信設(shè)備

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)模一般都比較大，其控制和管理也很復(fù)雜，往往需要幾臺(tái)或幾十臺(tái)計(jì)算機(jī)才能分級(jí)完成。這樣，在不同地理位置、不同功能的計(jì)算機(jī)或設(shè)備之間就需要通過(guò)通信設(shè)備進(jìn)行信息交換。不同廠家的控制主機(jī)系統(tǒng)提供不同的通信設(shè)備，以太網(wǎng)通信網(wǎng)卡及交換機(jī)是常用的通信設(shè)備。

1.1.5　操作器件

操作員與系統(tǒng)之間進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的信息交換工具，一般由按鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈等構(gòu)成，操作員通過(guò)操作器件可以了解與控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于某些重要設(shè)備的啟動(dòng)/停止操作控制，有時(shí)操作器件是必需的。目前，操作器件已經(jīng)多為虛擬器件所替代，即操作器件已經(jīng)不是有型的實(shí)物，而是計(jì)算機(jī)軟件的模擬功能畫(huà)面，通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的虛擬操作器件，可以啟動(dòng)/停止設(shè)備、設(shè)定控制量、顯示數(shù)據(jù)和狀態(tài)等。

1.1.6　人機(jī)界面

人機(jī)界面是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸的結(jié)合面，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。一般來(lái)說(shuō)，凡是人-機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。以前，人機(jī)界面主要指人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換的操作界面，如開(kāi)關(guān)、字符顯示儀、撥碼開(kāi)關(guān)等。目前，人機(jī)界面主要指觸摸屏式的計(jì)算機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)，提供更為豐富的顯示和操作功能，在一些場(chǎng)合可以完全替代操作器件。

1.1.7　系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)廠家提供，支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、測(cè)試、運(yùn)行和維護(hù)的工具軟件，主要包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（如WINDOWS、UNIX等）、各種控制主機(jī)的編程軟件（如西門(mén)子STEP7、三菱GX Developer等）和監(jiān)督管理軟件（如組態(tài)王、WINCC、INTOUCH等）等。系統(tǒng)軟件的主要特征是：

①與硬件有很強(qiáng)的交互性；

②能對(duì)資源共享進(jìn)行調(diào)度管理；

③能解決并發(fā)操作處理中存在的協(xié)調(diào)問(wèn)題；

④其中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外部接口多樣化，便于用戶(hù)反復(fù)使用。