计算机测控系统的设计与实现

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计算机测控系统的设计与实现

1 计算机测控系统的发展历程及其定义

在现代工业控制领域，计算机以其无以伦比的运算能力，数据处理分析能力，在测控系统中起到了很大了作用，测控系统的发展经历了五个阶段：

测控系统的发展

在20世纪50年代，测控系统处于自动测量、人工控制阶段，整个系统结构简单，操作灵活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同时控制多个对象。

在20世纪60年代，采用电动单元组合式仪表测控系统，测控系统处于模拟式控制阶段，系统的控制精度和速度都有了提高，但抗干扰的能力比较差，且对操作人员的经验要求比较高。

直到20世纪70年代到20世纪80年代，出现的计算机集中测控系统以及分布式测控系统，才使得人类在控制领域实现了一次巨大的飞跃。

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计算机测控系统的发展

首先，在60年代末期，出现了用一台计算机代替多个调节控制回路的测控系统，就是直接数字测控系统，它的特点是控制集中，便于运算的集中处理，然而这种系统的危险性过于集中，可靠性不强。

随着70年代，电子技术的飞速发展，由美国Honeywell公司推出了以微处理器为基础的总体分散型测控系统，它的含义是集中管理，分散控制，所以又称为集散测控系统。

分布式测控系统是在集散测控系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的新一代测控系统，分布式测控系统更强调各子系统之间的协作，有明确的分解策略和算法。

因此，计算机测控系统就是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象联系，以达到一定控制目的所构成的系统

2 计算机测控系统的组成

测量设备计算机主控器执行机构

人机界面通讯模块

图1 测控系统的组成

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计算机测控系统的组成如图1所示，包括计算机主控器、测量设备、执行机构、人机界面或通讯模块所组成。 测量设备

测量设备的主要作用就是向计算机主控器输入数据。一般来说，是利用传感装置将被控对象中的物理参数，如：温度、压力、液位、速度。转换为电量，如电压，电流，再将这些电量送人到输入装置中，转换为计算机可以识别的数字量， 执行机构

执行机构（例如：调节阀、电动机）接收主控器的控制信号，输出动作，完成控制目的。 人机界面

计算机系统人机界面是系统和用户进行交互和信息交换的媒介，它实现信息内部形式与人类可接受形式之间的转换。人机界面一般而言分为基于窗体的界面和基于web 的界面，基于窗体的界面它的基本特点是对动作的反应十分灵敏，能够及时响应，它是由内部的CPU 处理数据。而基于web 的界面是一个轻量型的界面，它是由远程服务器处理数据。 通讯模块

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通讯模块就是通过网络，远程通信。它是计算机主控器与通讯网络之间的连接器，它可以为计算机主控器传递不同的讯号。

总而言之，一个测控系统，核心是主控器，必须有输入输出，一般而言还有人机界面或通讯模块，目的在于数据收集，参数控制。

3 主控器

主控器的结构

主控单元(CPU+外围芯片)

总线

DI AI DO AO

图2 主控器的组成

主控单元

主控单元一般而言，它由CPU（中央处理器）、外围芯片组成。CPU是控制和运算的的核心，CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Feich）、解码（Decode）执行（Execute）和写回（Writeback）。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，执行指令。

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外围芯片就是许多专门功能的集成电路，配合CPU构成整个主控系统，如：复位（看门狗电路）、定时器、各类总线控制器等。

数据的分类

从信号类型上分，分为开关量（D）和模拟量（A）。从方向上分，分为输入（I）和输出（O），因此DI就是开关量输入，AI就是模拟量输入，DO就是开关量输出，AO是模拟量输出，开关量只有0和1两种状态，而模拟量是连续的信号。

DI

凡在电路中起到“通”和“断”作用的各种按钮、触点、开关、继电器，它的端子引出数字信号，向控制器输入信号。此外，需同为数字信号，也需将外部的数字信号，转换为计算机接受的数字信号。

DO

DO的主要任务是将计算机发出的微弱的数字信号，转换为能驱动执行机构的数字信号，根据现场执行机构的负荷不同如：指示灯、继电器、阀门等，选用不同的功率放大器件，常用的有三极管、晶闸管。典型的数字输出驱动过程如下

图所示：

数字信号

放大器执行

机构

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图3 数字输出驱动过程

AI

模拟输入通道，是把外部的模拟信号送入到计算机，由于计算机只能处理数字信号，所以必须用A/D转换器进行信号的转换。

变送器的作用就是：.

现场的各种信号标准信号控制系统

图4 变送器作用示意图

AO

模拟输出模块通过D/A转换把控制系统的数字信号转换为模拟信号，并通过运算放大器把信号放大，AO就可以直接输出具体的电压（1-5V或2-10V）或电流信号（4-20mA）作用于执行机构(变频器或调节阀)。

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4 系统设计

下面以控制温度为例，设计一个计算机温度测控系统。

温度控制原理框图

整个系统通过测量设备把现场环境的温度与给定的期望温度做比较，得到的偏差信号送人控制器，使控制器产生控制作用，发出控制信号，控制执行机构，使执行机构工作，再把输出温度反馈回控制系统，使系统的输出温度始终和给定的温度保持一致。

温度控制的原理框图如图5所示：

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图5 系统的控制原理结构框图

系统的设计思路

整个系统的设计思路是，以电热器和固态继电器作为加热的执行机构，温度变送器为测量设备。，控制器可选用数字温控器，温控器直接控制的是固态继电器，利用固态继电器的导通和关断来使电热器加热或不加热，进而控制温度。在温控器上设置通讯网络接口实现与计算机远程通信，设置LED 数显和功能按钮实现人机交互。在计算机上对整个系统进行监控。系统硬件结构如图：

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图6 系统硬件结构图

系统测点配置 开关量输入信号（DI ）

电热器工作状态，温度变送器状态（上电、运行、故障），SSR 导通、关断状态，温控器状态（上电、报警、运行、故障） 开关量输出信号（DO ）

测量设备

控制器

-

给定温度

偏差

控制信号输出温度

执行机构

计算机

温控器

温度变送器

SSR

电热器

通讯协议