1.2 計算機控制系統的組成

計算機控制系統是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件包括計算機主機硬件和各種控制設備；軟件包括系統軟件（操作系統、開發軟件）和應用軟件。計算機控制系統組成框圖如圖1-6所示。

計算機控制系統的硬件是計算機控制系統的軀體，是完成控制任務的設備基礎，硬件質量的好壞直接決定了控制系統的工作性能。

而計算機的操作系統和各種應用程序是執行控制任務的關鍵，統稱為軟件。計算機控制系統的軟件程序不僅決定其硬件功能的發揮，而且也決定了控制系統的控制品質和操作管理水平。

1.2.1 計算機控制系統的硬件組成

計算機控制系統的硬件部分主要由計算機主機、傳感器、信號調理器、輸入裝置、輸出裝置、驅動電路、執行機構、人機設備和通信接口等部分組成，如圖1-7所示。

1.計算機主機

計算機主機是整個計算機控制系統的核心，它的性能直接影響到系統的優劣。它通過輸入裝置發送來的工業對象的生產工況參數，按照人們預先安排的程序，自動地進行信息處理、分析和計算，并做出相應的控制決策或調節，以信息的形式通過輸出裝置及時發出控制命令，以實現對被控對象的自動控制，實現良好的人機聯系。

2.傳感器

計算機控制系統借助傳感器從生產過程中收集信息，對被控對象進行監視并提供控制信號。

生產過程的參數大小是由傳感器進行檢測的。傳感器輸出與被測物理量（如溫度、壓力、流量和液位等）成一定比例（一般為正比）的電信號，一般為模擬電壓或電流。

還有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、泵是否打開等。這些信息是以開關量的形式提供給計算機的。

3.信號調理器

信號調理器的作用是對傳感器輸出的電信號進行加工和處理，轉換成便于輸送、顯示和記錄的電信號（電壓或電流）。例如，傳感器輸出信號是微弱的，就需要放大電路將微弱信號加以放大，以滿足過程通道的要求；為了與計算機接口方便，需要A-D轉換電路將模擬信號變換成數字信號等。

4.輸入/輸出裝置

被測量的電信號在進入計算機之前需要進行一系列轉換處理，變成計算機能識別和接收的數字量；要驅動執行裝置（如調節閥、電動機）動作，計算機輸出的數字量還必須轉換成可對執行裝置進行控制的電信號。因此，構成一個工業控制系統，還需要配備具有各種用途的I/O接口產品，即輸入/輸出裝置。

5.驅動電路

要想驅動執行機構，一方面必須具有較大的輸出功率，即向執行機構提供大電流、高電壓驅動信號，以帶動其動作；另一方面，由于各種執行機構的動作原理不盡相同，有的用電動，有的用氣動或液動，如何使計算機輸出的信號與之匹配，也是執行機構必須解決的重要問題。因此為了實現與執行機構的功率配合，一般都要在計算機輸出裝置與執行機構之間配置驅動電路。

6.執行機構

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，對泵和電動機進行控制來實現的。執行機構的作用是接收計算機發出的控制信號，并把它轉換成相應的動作，使生產過程按預先規定的要求正常運行，即控制生產過程。

7.人機設備

人機設備包括操作臺和各種外圍設備。生產過程的操作人員通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數，發出各種操作命令；程序員使用操作臺檢查程序；維修人員利用操作臺判斷故障等。外圍設備主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。它用來顯示、存儲、打印和記錄各種數據，如顯示系統運行狀態、運行參數，發出報警信號等。

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。

8.通信接口

外部設備和被控對象不能直接由計算機主機控制，必須由“接口”來傳送相應的信息和命令。I/O接口是主機和通道以及外部設備進行信息交換的紐帶。

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通過網絡通信接口及時地交換信息。

1.2.2 計算機控制系統的軟件組成

計算機只有在配備了所需的各種軟件后，才能構成完整的控制系統。在計算機控制系統中，許多功能都是通過軟件來實現的，即在基本不改變系統硬件的情況下，只需修改計算機中的應用程序便可實現不同的控制功能。

計算機控制系統的軟件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、調度和操作計算機的各種資源，實現對系統的監控和診斷，提供各種開發支持的程序。系統軟件包括操作系統和開發軟件等。

操作系統提供了程序運行的環境，是計算機控制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，如各種版本的Windows操作系統、UNIX操作系統等。

開發軟件是用于開發控制系統的應用軟件，它是各種語言的匯編、解釋和編譯程序，包括面向機器的匯編語言（如MASM），面向過程的語言（如C），面向對象的語言（如Visual C++、Visual Basic等），組態監控軟件（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等），各種數據庫軟件（如SQL、Sybase）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。計算機控制系統的設計人員一般沒有必要自行研制系統軟件，因為它們只是開發應用軟件的工具。但是需要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、圖形和圖像處理軟件、數據庫軟件、事務管理軟件、輔助設計類軟件和控制類軟件等。

計算機控制類軟件屬于應用軟件，它主要實現企業對生產過程的實時控制和管理以及對企業整體生產的管理控制。

計算機控制類應用軟件是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。

計算機控制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。