1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的硬件

計算機控制系統(tǒng)的硬件主要包括：微處理器或微控制器、存儲器（ROM/RAM）、數(shù)字I/O接口通道、A-D與D-A轉(zhuǎn)換器接口通道、人機接口設(shè)備（如顯示器、鍵盤、鼠標等）、網(wǎng)絡通信接口、實時時鐘和電源等。它們通過微處理器或微控制器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線（亦稱系統(tǒng)總線）構(gòu)成一個系統(tǒng)，其硬件框圖如圖1-4所示。

圖1-4 計算機控制系統(tǒng)硬件框圖

1.計算機

計算機由CPU和存儲器構(gòu)成。它通過過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)生產(chǎn)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預先安排的程序，自動地進行信息的處理、分析和計算，并做出相應的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出通道及時發(fā)出控制命令。計算機中的程序和控制數(shù)據(jù)是人們預先根據(jù)被控對象的特征編制的控制算法。計算機控制系統(tǒng)執(zhí)行控制程序和系統(tǒng)程序，完成事先確定的控制任務。

2.常規(guī)外部設(shè)備

常規(guī)外部設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。

常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標等，主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)等。

常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機等。輸出設(shè)備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。

存儲設(shè)備用來存儲數(shù)據(jù)庫和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤等。

3.過程通道

過程通道是在計算機與工業(yè)生產(chǎn)過程之間進行信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。根據(jù)信號的方向和形式，過程通道可分為以下四種。

（1）模擬量輸入通道

完成過程和被控對象送往計算機的模擬信號通過模擬量輸入通道轉(zhuǎn)換為計算機能夠接收的標準數(shù)字信號。模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的準確性和速度反映為A-D轉(zhuǎn)換的精度、位數(shù)和采樣的時間。

（2）模擬量輸出通道

目前，大多數(shù)執(zhí)行機構(gòu)仍只能接收模擬信號，而計算機運算決策的最終結(jié)果是數(shù)字信號。模擬量輸出通道能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

（3）數(shù)字量輸入通道

數(shù)字量輸入通道的主要作用是把過程和被控對象的開關(guān)量或已通過傳感器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量以并行或串行的方式傳給計算機。

（4）數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道的主要作用是將計算機運算、決策之后的數(shù)字信號以串行或并行的方式輸出給被控對象或外部設(shè)備。應該強調(diào)的是數(shù)字量輸出通道輸出的信號有時直接驅(qū)動外部設(shè)備，因此其功率和阻抗的匹配問題應該特別注意。

過程控制通道應該說是計算機與被控對象及外部設(shè)備連接的橋梁。為了提高計算機的可靠性和安全性，在許多場合應該充分考慮過程控制通道的信號隔離問題。

4.外部設(shè)備

過程通道是不能直接由計算機控制的，必須由“接口”來傳送相應的信息和命令。根據(jù)應用的不同，計算機控制系統(tǒng)的接口電路有多種類型。從廣義上講，過程通道屬于過程參數(shù)和計算機之間的作用接口。這里所講的接口是指通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中斷管理、直接存取DMA管理、計數(shù)/定時等）。

5.操作控制臺

每個計算機的標準人機接口是用來直接與CPU對話的。程序員使用該人機設(shè)備（運行操作臺）來檢查程序。當計算機硬件發(fā)生故障時，維修人員可以利用此設(shè)備判斷故障。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺的使用細節(jié)，否則會引起嚴重后果。當然控制臺的軟保護也是很重要的。

生產(chǎn)過程的操作人員除了要與計算機控制系統(tǒng)進行“對話”以了解生產(chǎn)過程狀態(tài)外，有時還要進行參數(shù)修改和系統(tǒng)維護，在發(fā)生事故時還要進行人工干預等。

操作控制臺是計算機控制系統(tǒng)人機交互的關(guān)鍵設(shè)備。通過操作控制臺，操作人員可以及時了解被控過程的運行狀態(tài)、運行參數(shù)，對控制系統(tǒng)發(fā)出各種控制的操作命令，并且通過操作控制臺修改控制方案和程序。操作控制臺一般應完成以下功能。

（1）信息的顯示

一般采用CRT顯示屏或一些狀態(tài)指示燈、聲光報警器對被控參數(shù)、狀態(tài)和計算機的運行情況進行顯示或報警。

（2）信息的記錄

一般采用打印機、硬拷貝機、記錄儀等設(shè)備對顯示或輸出的信息進行記錄。

（3）工作方式狀態(tài)的選擇

采用多種人機交互方式，如電源開關(guān)、數(shù)據(jù)段地址、選擇開關(guān)、操作方式等操作，可以實現(xiàn)對工作方式的選擇，并且可以完成手動-自動轉(zhuǎn)換、手動控制（遙感）和參數(shù)的修改與設(shè)置。

（4）信息輸入

利用鍵盤或其他輸入設(shè)備可以完成人對機的控制功能。操作控制站的各組成部分都通過對應的接口電路與計算機相連，由計算機實現(xiàn)對各個部分的相應管理。

6.網(wǎng)絡通信接口

當多個計算機控制系統(tǒng)之間需要相互傳遞信息或與更高層計算機通信時，每一個計算機控制系統(tǒng)就必須設(shè)置網(wǎng)絡通信接口。如一般的RS-232C、RS-485通信接口；TCP/IP以太網(wǎng)接口；現(xiàn)場總線接口等。計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類為對等式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（Peer-to-Peer）；另一類為客戶/服務器結(jié)構(gòu)（Client/Server）。這種分類主要是按照各網(wǎng)絡節(jié)點之間的關(guān)系確定。

7.實時時鐘

計算機控制系統(tǒng)的運行需要一個時鐘，用于確定采樣周期、控制周期及事件發(fā)生時間等。常用的實時時鐘電路如美國Dallas公司的DS12C887等。

8.工業(yè)自動化儀表

它是被控對象與過程通道發(fā)生聯(lián)系的設(shè)備。有測量儀表（包括傳感器和變送器）、顯示儀表（包括模擬和數(shù)字顯示儀表）、調(diào)節(jié)設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)和手動-自動切換裝置等。手動-自動切換裝置在計算機發(fā)生故障或調(diào)試程序時，可由操作人員從自動切換到手動，實現(xiàn)無擾動切換，確保生產(chǎn)安全。