《面向對象的測控系統(tǒng)軟件設計》課件第1章

第1章概論1.1測控系統(tǒng)概述1.2測控系統(tǒng)微機化的重要意義1.3微機測控系統(tǒng)的組成與類型1.4軟件工程在微機測控系統(tǒng)中的重要地位1.5本書的內容與特點

1.1測控系統(tǒng)概述

人類在認識世界和改造世界的過程中，一方面要采用各種方法獲得客觀事物的量值，這個任務我們稱之為“測量”；另一方面也要采用各種方法支配或約束某一客觀事物的進程結果，這個任務我們稱之為“控制”?！皽y量”和“控制”是人類認識世界和改造世界的兩項重要任務，而測控系統(tǒng)則是人類實現(xiàn)這兩項任務的工具和手段。按照儀器或系統(tǒng)承擔的任務不同，測控儀器或系統(tǒng)可分為三大類：單純以測試或檢測為目的的“測試(檢測)系統(tǒng)”、單純以控制為目的的“控制系統(tǒng)”和測量控制一體的“測控系統(tǒng)”。發(fā)明元素周期表的科學家門捷列夫曾說過：“有測量才有科學。”科學的發(fā)展和突破往往是以檢測儀器和技術方法上的突破為先導的。例如，人類在光學顯微鏡出現(xiàn)以前，只能用肉眼來分辨物質，而19世紀出現(xiàn)了光學顯微鏡，這就使人們能夠借助顯微鏡來觀察細胞，從而大大推動了生物科學的發(fā)展。到20世紀30年代出現(xiàn)了電子顯微鏡，又使人們的觀察能力進入微觀世界，從而推動了生物科學、電子科學和材料科學的發(fā)展。在諾貝爾物理和化學獎中大約有1/4屬于測試方法和儀器創(chuàng)新。這些事實都說明了測試儀器和系統(tǒng)在科學研究中的重要作用。測控系統(tǒng)本質上就是計算機控制系統(tǒng)。為了對被控對象實施控制，對其參數(shù)和狀態(tài)進行檢測是必不可少的。計算機控制是以自動控制理論和計算機技術為基礎的?？刂茖ο髲男〉酱?，從簡單到復雜，都可以由計算機參與控制。計算機可以控制單個電機或閥門，也可以控制一臺設備和一個工藝過程，還可以控制和管理一條生產線、一個車間、整個工廠以至整個企業(yè)集團。計算機控制可以是單個回路參數(shù)的簡單控制，也可以是復雜控制規(guī)律的多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應控制乃至具有人類智慧功能的智能控制等。下面再來看一組例子，見表1-1。表1-1測控系統(tǒng)分類舉例由表1-1所示的各種實例表明：

(1)原來僅由機械機構實現(xiàn)運動的裝置，變成了與電子技術相結合來實現(xiàn)同樣運動的新的裝置。

(2)原來由人來判斷和操作的設備，由于嵌入了微機系統(tǒng)變?yōu)橛蓹C器進行判斷實現(xiàn)無人操作的設備。

(3)運用計算機控制技術，按照人類所編制的程序可實現(xiàn)靈活運動的設備。其中像數(shù)控(NC)機床和機器人這樣的典型例子可以舉出許多。目前，測控技術廣泛應用于煉油、化工、冶金、電力、電子、交通、航空航天、輕工和紡織等各行各業(yè)。據(jù)悉，許多現(xiàn)代化大型鋼鐵企業(yè)的技術裝備投資1/3經(jīng)費用于購置儀器和自控系統(tǒng)。即使原來認為以土法生產的制酒工業(yè)、卷煙企業(yè)，今天也需通過精密的儀器儀表嚴格控制濕度等流程才能創(chuàng)出名牌。

測控系統(tǒng)在工業(yè)生產中起著把關者和指導者的作用，它從生產現(xiàn)場獲取各種參數(shù)，運用科學的規(guī)律和系統(tǒng)工程的做法，綜合有效地利用各種先進技術，通過自控手段和裝備，使每個生產環(huán)節(jié)得到優(yōu)化，進而保證生產規(guī)范化，提高產品質量，降低成本，滿足需要，保證安全生產。

1.2測控系統(tǒng)微機化的重要意義

新一代微機化測控系統(tǒng)的使用可帶來以下一些新特點和新功能：

(1)自動對零功能。在每次采樣前對傳感器的輸出值自動清零，從而大大降低因測控系統(tǒng)漂移變化造成的誤差。

(2)量程自動切換功能。可根據(jù)測量值和控制值的大小改變測量范圍和控制范圍，在保證測量和控制范圍的同時提高分辨率。

(3)多點快速測控。可對多種不同參數(shù)進行快速測量和控制。

(4)數(shù)字濾波功能。利用計算機軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，可抑制各種干擾和脈沖信號。

(5)自動修正誤差。許多傳感器和控制器的特性是非線性的，且受環(huán)境參數(shù)變化的影響比較嚴重，從而給儀器帶來誤差。采用計算機技術，可以依靠軟件進行在線或離線修正。

(6)數(shù)據(jù)處理功能。利用計算機技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法實現(xiàn)的各種復雜的處理和運算功能，比如統(tǒng)計分析、檢索排序、函數(shù)變換和頻譜分析等。

(7)復雜控制規(guī)律。利用計算機技術不僅可以實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還可以實現(xiàn)各種復雜的控制規(guī)律，如自適應控制、模糊控制等。

(8)多媒體功能。利用計算機的多媒體技術，可以使儀器具有聲光和語音等功能，增強測控系統(tǒng)的個性或特色。

(9)通信或網(wǎng)絡功能。利用計算機的數(shù)據(jù)通信功能，可以大大增強測控系統(tǒng)的外部接口功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。采用網(wǎng)絡功能的測控系統(tǒng)可以拓展一系列新穎的功能。

(10)自我診斷功能。采用計算機技術后，可對測控系統(tǒng)進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，就立即報警，并可顯示故障部位或可能的故障原因，對排除故障的方法進行提示。目前，在許多大型控制系統(tǒng)中，越來越多地采用了遠程監(jiān)控和診斷功能。

1.3微機測控系統(tǒng)的組成與類型

1.3.1微機測控系統(tǒng)的基本組成

1．微機化檢測系統(tǒng)

微機化檢測系統(tǒng)是以微機為核心，單純以檢測為目的的系統(tǒng)。它一般用來對被測過程中的一些物理量進行測量并獲得相應的精確測量數(shù)據(jù)，因此，又常稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其基本組成框圖如圖1-1所示。例如，在某些對生產過程、設備狀態(tài)等進行監(jiān)測的場合，為了對測量過程進行集中實時監(jiān)視，模擬量輸出通道將微機處理后的測量數(shù)據(jù)轉換成模擬信號，在示波器或圖示儀等模擬顯示器上顯示出來。如果被測參數(shù)超過規(guī)定限度，微機還將及時啟動報警器，發(fā)出報警信號。圖1-1微機化檢測系統(tǒng)組成框圖

2．微機化控制系統(tǒng)

微機化控制系統(tǒng)是以微機為核心，單純以程序控制為目的的系統(tǒng)，其組成框圖如圖1-2所示。這是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，程序控制的基本思想是將被控對象的動作次序和各類參數(shù)輸入微機，微機執(zhí)行固定的程序，一步一步地控制被控對象的動作，以達到預期的目的。例如，機床加工產品時可采用計算機控制，預先輸入切削量、進給量、工件尺寸和加工步驟等相關參數(shù)，運行時由計算機控制刀具的動作，最后加工出成品。圖1-2微機化控制系統(tǒng)組成框圖

3．微機化測控系統(tǒng)

微機化測控系統(tǒng)是以微機為核心、測控一體化的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)對被控對象的控制是由對被控對象的測量結果決定的。因此，它實質上是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，其基本組成框圖如圖1-3所示。測控系統(tǒng)從大的方面來講，可由測控裝置和測控對象兩大部分組成。測控裝置可分成硬件和軟件兩大部分。其中硬件包括傳感器、變送器、轉換電路、控制電路、執(zhí)行機構、計算機及外部設備等；而軟件是指操作系統(tǒng)和各種應用程序等，是系統(tǒng)的靈魂。

圖1-3中的輸入、輸出通道稱為過程通道，它是微機與測控對象的聯(lián)結渠道，因此，我們又稱之為“測控通道”。圖1-3微機化測控系統(tǒng)的基本組成框圖測控通道又可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道和開關量輸出通道。帶有模/數(shù)(A/D)轉換器的模擬量輸入通道用來連接各類模擬信號輸出的傳感器，也可直接用做模擬形式的電壓或電流的輸入端。被測參數(shù)經(jīng)傳感器、變送器，轉換成統(tǒng)一的標準信號，再經(jīng)多路開關分時送到A/D轉換器進行模擬/數(shù)字轉換，轉換后的數(shù)字量通過接口送入計算機(微機)。在計算機內部，用軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理和計算，然后經(jīng)模擬量輸出通道輸出。模擬量輸出通道帶有數(shù)/模(D/A)轉換器，使計算機能對模擬形式的執(zhí)行機構或輸出設備進行控制。開關量輸入通道用來接收外界以“開關”形式表示的信息。例如，在電網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)中，它可用來監(jiān)視電網(wǎng)各類斷路器的開合狀態(tài)。在另一些在線檢測中，開關量輸入通道可用來表示“超值”、“告警”、“極性轉換”等狀態(tài)并通知計算機做相應的處理。開關量輸出通道也可用編碼的形式向計算機輸入信息，這種信息既可以是命令信息(要求計算機執(zhí)行某種動作)，也可以是單純的數(shù)據(jù)信息。開關量輸出通道通常用來控制開關型執(zhí)行機構(繼電器、步進電機等)，也可用來以編碼形式輸出信息。圖1-3中的“人—機接口”是微機與操作人員的聯(lián)結渠道，也稱為“人—機通道”。最常用的有輸入命令和數(shù)據(jù)的鍵盤、顯示測量結果和運行狀態(tài)的顯示器、打印機以及各種數(shù)據(jù)記錄器等。

圖1-3中的“通信接口”是微機與其他微機系統(tǒng)的聯(lián)結渠道，也稱為“相互通道”。多微機測控系統(tǒng)的各個微機之間通過“通信接口”傳送指令或數(shù)據(jù)。

對比圖1-1、圖1-2和圖1-3可知，微機測控系統(tǒng)可認為是由“測試系統(tǒng)”和“控制系統(tǒng)”兩部分構成的，單純的“測試系統(tǒng)”或單純的“控制系統(tǒng)”只是“測控系統(tǒng)”的特例。1.3.2微機測控系統(tǒng)的結構分類

在工業(yè)生產上用到的計算機測控系統(tǒng)，其具體結構組成、硬件部件和軟件系統(tǒng)，會由于使用的目的、對功能的要求和投資的多少而各不相同。現(xiàn)結合系統(tǒng)功能和使用目的，介紹幾種常見的典型應用系統(tǒng)。

1．數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的結構框圖如圖1-4所示。嚴格地說，這種系統(tǒng)屬于計算機檢測系統(tǒng)，計算機并不直接參與控制。這種系統(tǒng)的主要作用是：

(1)生產過程的集中監(jiān)視。計算機對生產過程(被控對象)的不同變量參數(shù)進行巡回檢測，并將采集到的數(shù)據(jù)以一定格式在監(jiān)視器上顯示或通過打印機打印出來，實現(xiàn)對生產過程的集中監(jiān)視。

(2)操作指導。計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，并給出對生產過程控制的建議，由過程的操縱者依給定的建議，實現(xiàn)對生產過程的控制。圖1-4數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的結構框圖

2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)的結構框圖如圖1-5所示。計算機通過輸入通道進行實時數(shù)據(jù)采集，且按已給定的控制規(guī)律進行實時決策，產生控制指令，并通過輸出通道對生產過程(被控對象)實現(xiàn)直接控制。這種控制方式是應用最普遍的一種方式。由于這種系統(tǒng)中的計算機直接參與生產過程的控制，因此要求實時性好、可靠性高和環(huán)境適應性強。圖1-5直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結構框圖

3．監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)

監(jiān)督計算機控制(SCC)系統(tǒng)的結構框圖如圖1-6所示。該系統(tǒng)是二級計算機控制。其中直接數(shù)字控制計算機完成生產過程的直接控制；而監(jiān)督計算機則根據(jù)生產過程工況和已知的數(shù)學模型進行優(yōu)化分析和生產最優(yōu)值設定，以此作為直接數(shù)字控制的指令信號，由直接數(shù)字控制系統(tǒng)執(zhí)行。由于監(jiān)督計算機承擔了上一級控制與管理的任務，因此要求其數(shù)據(jù)處理功能強、存儲容量大。圖1-6監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)的結構框圖

4．分散型計算機控制系統(tǒng)

分散型計算機控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)也稱分布式控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)。它是利用計算機技術、控制技術、通信技術、圖形顯示技術實現(xiàn)過程控制和過程管理的控制系統(tǒng)。它以多臺微機分散應用于過程控制，通過通信總線、顯示器、鍵盤等設備集中進行操作顯示和報警。

在整個生產過程中，由于生產過程是復雜的，設備分布又很廣，其中各工序、各設備同時并行地工作，而且基本上是獨立的，故系統(tǒng)比較復雜。然而，隨著微型機價格的不斷下降和單片機的發(fā)展，人們越來越注重把原來使用中小型計算機的集中控制用分布控制系統(tǒng)來代替，這樣就可以避免傳輸誤差及系統(tǒng)的復雜化。

DCS系統(tǒng)采用分散控制原理、集中操作、分級管理與控制和綜合協(xié)調的設計原則，把系統(tǒng)從上而下分成生產管理級、控制管理級和過程控制級等，形成分布式控制。各級之間通過數(shù)據(jù)傳輸總線及網(wǎng)絡相互連接起來。系統(tǒng)中的過程控制級完成過程的檢測任務?？刂乒芾砑壨ㄟ^協(xié)調過程控制器工作，實現(xiàn)生產過程的動態(tài)優(yōu)化。生產管理級完成制定生產計劃和工藝流程以及對產品、人員、財務管理實現(xiàn)靜態(tài)優(yōu)化。在這種系統(tǒng)中，只是必要的信息才傳送到上一級計算機或中央控制室，而絕大部分時間都是各個計算機并行地就地工作。分布式控制系統(tǒng)有如下幾種結構：

1)星型網(wǎng)絡結構

星型網(wǎng)絡結構示意圖如圖1-7所示。它由一主機(中央處理機)和幾臺衛(wèi)星機(現(xiàn)場處理機)構成。這種結構的特點是線路可用性強、效率高，便于集中開發(fā)共享資源，但系統(tǒng)花費較大，負責協(xié)助工作的中央處理機負荷大。系統(tǒng)對中央機的依賴性也較強，一旦中央處理機發(fā)生故障，整個系統(tǒng)會停止工作。圖1-7星型網(wǎng)絡結構示意圖

2)總線結構

總線結構示意圖如圖1-8所示。它把所有微機都掛在一根總線上。它最大的特點是設備安裝費用低，可擴性能好，可靠性高，但通信效率不是很高，任何時間只能有一臺微機占用總線。如Novell局域網(wǎng)便是一種總線結構。圖1-8總線結構示意圖

3)樹型結構

樹型結構示意圖如圖1-9所示。它由一主機和多級從機構成，故也稱分級結構、分層結構。圖1-9樹型結構示意圖這種結構一般分為三級，即生產管理(MIS)級、監(jiān)督控制(SCC)級以及直接數(shù)字控制(DDC)級。

MIS級根據(jù)企業(yè)的規(guī)模及管理范圍的大小還可以分幾級，如公司管理級、工廠管理級以及車間管理級等。通常管理級都是高檔微機，一般要求數(shù)據(jù)處理和科學計算能力強，內存及外存容量大。

SCC級一般作為車間級或廠級。它的主要任務是用來實現(xiàn)最優(yōu)控制和自適應控制的計算，調整下一級DDC控制的給定值，以及給操作人員發(fā)出指示等。一般選用普通工控機或性能較好的微型計算機，這種機器要求運算速度較快、精度較高。

DDC級為直接數(shù)字控制級，它用來對單個的控制設備或裝置進行巡回檢測和數(shù)字控制。本級一般選用單片微型機或智能化控制裝置。

在分級結構中，由于通信比較簡單，且各級分散控制，因而程序設計簡單，在分布式控制系統(tǒng)中這種結構應用最多。由于測控規(guī)模和功能的不同，測控計算機系統(tǒng)在體系結構上可以有所不同。對于一般規(guī)模不大、要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)來說，采用單處理器結構即可滿足要求；對于控制對象不分散、相互耦合緊密，但控制規(guī)律復雜、數(shù)字解算任務重且實時性要求又高的測控系統(tǒng)來說，可采用多處理器并行處理結構；對于控制對象較多且在地理上、功能上較分散，相互間獨立性強，但又需要進行統(tǒng)一的協(xié)調管理和集中監(jiān)控操作的測控系統(tǒng)來說，可采用分布式或集散式計算機結構；而對于一條生產線、一個車間、一個工廠、一個公司乃至一個區(qū)域的綜合最優(yōu)化、自動化以及大部分智能控制問題，則可采用分層遞階控制結構或計算機網(wǎng)絡結構。無論哪種體系結構，作為其直接與測控對象及其I/O通道打交道的底層，都必然包含一個或多個裝置控制級直接數(shù)字控制計算機，以完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)檢測和伺服控制等任務。1.3.3微機測控系統(tǒng)的發(fā)展

1．集中型測控系統(tǒng)

如果把一個工業(yè)大系統(tǒng)中所有要控制的參數(shù)(包括檢測參數(shù))都集中起來，由一臺計算機控制，就稱為集中控制。集中控制既可以是每個參數(shù)所在的各個控制回路相互獨立、互不相干，只是形式上在一臺計算機中運行，也可以是多個參數(shù)相互關聯(lián)，由一臺計算機統(tǒng)一發(fā)出控制指令，從而實現(xiàn)現(xiàn)代控制理論或大系統(tǒng)理論提供的控制規(guī)律。集中控制要求“控制計算機”速度快，容量大，對計算機及通道的可靠性要求特別苛刻。另外，集中控制的參數(shù)越多，危險集中的程度就越大，計算機上的任何故障都會危及整個工業(yè)大系統(tǒng)。

由一臺計算機或單片機擔當控制、檢測、輸出任務，例如智能儀器、工業(yè)過程集中監(jiān)視以及用來對檢測參數(shù)進行高效和自動化測量報警與閉環(huán)控制的儀器，大多都是專用計算機系統(tǒng)。集中控制的缺點是：可靠性差，干擾大，開發(fā)復雜，周期長。

2．分布式控制系統(tǒng)

分布式控制(DistributedControl)就是把一個工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，分別由若干臺控制器去控制。不過它與分散控制不同。它承認各個子系統(tǒng)間的聯(lián)系，經(jīng)過通信子網(wǎng)將各個局部控制器聯(lián)系起來，分工合作實現(xiàn)總目標。為了實現(xiàn)大系統(tǒng)意義上的總體目標最優(yōu)，必須設置上級計算機，實現(xiàn)協(xié)調控制。一個工業(yè)大系統(tǒng)的生產線，在地理上常分布在較大的范圍內。在進行子系統(tǒng)分解時，通常沿著生產線的地理分布進行分割，局部控制器沿生產線分布，“分布式控制”的“分布”兩字就是由此而來的。按地理位置進行分布，將減少數(shù)據(jù)采集與控制通道的長度，有利于建立通信子網(wǎng)。分布式控制是目前采用較多的一種控制方式。分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)也稱為分散控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)，它成功地實現(xiàn)了信息集中管理、過程分散控制的有機結合。該系統(tǒng)是以微處理機技術為基礎，將計算機(Computer)、數(shù)據(jù)通信(Communication)、控制(Control)、圖形顯示(CRT)等“4C”技術綜合為一體的系統(tǒng)。在分布式控制技術發(fā)展的初期，是由上位機經(jīng)網(wǎng)絡與分散的執(zhí)行器控制微機之間進行信息交換的，如美國的TDC2000。該技術現(xiàn)在已發(fā)展成為具有共享公用數(shù)據(jù)庫的多微處理機的網(wǎng)絡系統(tǒng)，如美國的WOPFⅢ型。采用智能工作站、令牌式的通信方式，系統(tǒng)工作站間無上、下位機之分，獨立工作，一旦出現(xiàn)故障就自動退出，真正實現(xiàn)了危險的分散，避免了全局故障。分布式微機控制系統(tǒng)雖然能完成生產過程中各個局部的控制作用，但是各單元之間并無直接的聯(lián)系，于是人們又使用一臺檔次較高的上位計算機對各分散的下位控制單元進行統(tǒng)一的管理，上位機根據(jù)接收到各下位控制單元送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和處理后對下位控制單元進行監(jiān)督控制，實現(xiàn)對整個生產過程控制的協(xié)調和優(yōu)化。必要時上位機還可以對生產過程編制計劃，進行原材料及能源的調度、成本核算、庫存管理、打印統(tǒng)計報表等管理工作，這一系統(tǒng)結構形式實際上就是一種綜合分散型系統(tǒng)。這種結構方案于20世紀80年代在國外已成為系統(tǒng)設計思想的潮流。到了20世紀90年代國內在設計較大的系統(tǒng)時都肯定了這一系統(tǒng)結構原則。由于微機控制系統(tǒng)的集散化，解決上、下位機之間的數(shù)據(jù)通信就自然成為當前課題。計算機數(shù)據(jù)高速傳送技術、計算機局部網(wǎng)絡技術、光纖通信技術將逐步進入微機控制的應用領域，這樣，就能進一步促進生產管理的微機化、規(guī)范化和科學化，使工廠各生產職能管理部門能夠將計算機終端通過電話線或光纖通信線路與微機控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，隨時從公用數(shù)據(jù)庫中了解、分析生產情況，便于對下一步的生產和技術改造進行決策，有利于提高生產率、提高產品質量、降低原材料和能量消耗、減小環(huán)境污染。今后，微機控制系統(tǒng)會在計算機結構和數(shù)據(jù)通信技術中充分應用容錯技術、冗余技術、自診斷技術和自糾錯技術，使系統(tǒng)可靠性得到不斷的提高，這些技術在指導微機控制系統(tǒng)工作中將起到越來越重要的作用。

總之，微機控制技術在計算機科學和自動控制理論的支持和推動下，將會以更高的速度向前發(fā)展，它的工作性能和可靠性將會有更大幅度的提高?？梢灶A料，在自動控制領域中，微機控制會起到越來越重要的作用，占有越來越重要的地位。

3．LonWorks

現(xiàn)場操作網(wǎng)絡LonWorks(LocalOperationNetwork，LON)是1992年由美國埃施朗(Echelon)公司與日本東芝公司聯(lián)合開發(fā)的一種用于自動控制領域的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術。到目前為止，全世界安裝的LonWorks節(jié)點已超過400萬個，已有3000多家公司致力于LonWorks控制網(wǎng)絡產品和解決方案，涉及建筑、通信和交通等多個行業(yè)。LonWorks技術逐步成為完全分布式的、開放的、可互操作的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的一個通用技術平臺。

LonWorks網(wǎng)絡的技術核心是LonTalk協(xié)議。開放式通信協(xié)議LonTalk為設備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個通用的標準。在Lontalk協(xié)議的協(xié)調下，以往那些孤立的系統(tǒng)和產品融為一體，形成一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。LonTalk協(xié)議最大的特點是對OSI參考模型的7層協(xié)議的支持，是直接面向對象的網(wǎng)絡協(xié)議，這是以往的現(xiàn)場總線所不支持的。為了便于廣大用戶經(jīng)濟、高效地使用LonTalk協(xié)議，埃施朗公司將LonTalk協(xié)議固化在了神經(jīng)元芯片(NeuronChip)中。神經(jīng)元芯片是LonWorks技術的基礎，它不僅是總線通信處理器，同時也可作為采集和控制的通用處理器，LonWorks技術中所有關于網(wǎng)絡的操作實際上都是通過它來完成的。具體實現(xiàn)是采用網(wǎng)絡變量這一形式。節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞是通過各個網(wǎng)絡變量的互相連接完成的。

LonWorks網(wǎng)絡與常規(guī)DCS不同的是，常規(guī)DCS的通信聯(lián)網(wǎng)方式有高速通道組網(wǎng)DHW方式、BITBUS串行通信總線方式和傳統(tǒng)局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，LAN)方式。存在的問題是聯(lián)網(wǎng)技術復雜、結構不靈活、速度低、費用高、開發(fā)周期長，基本調節(jié)器由單片機核心構成，難以實現(xiàn)完全分散控制。而LonWorks卻具有以下優(yōu)點：

(1)無中心機控制的真正分散控制，使智能節(jié)點盡可能靠近對象。

(2)開放式系統(tǒng)結構，各傳感器、變送器、執(zhí)行器直接掛在總線上，組態(tài)靈活，增減容易。

(3)節(jié)點之間通信媒體有雙絞線、電話線、擴頻無線等。

(4)可靠性高。

(5)網(wǎng)絡通信協(xié)議固化在節(jié)點內部。

(6)節(jié)點編程容易、簡單，可用C語言編程。

LonWorks節(jié)點的構成如圖1-10所示。LonWorks組成的網(wǎng)絡，可由微控制器、PC機、工作站任意構成，如圖1-11所示。圖1-10LonWorks節(jié)點的構成圖圖1-11LonWorks組成的網(wǎng)絡示意圖

4．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

隨著計算機和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，一種新型的控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)正以迅猛的勢頭快速發(fā)展。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)于20世紀90年代已進入實用階段，是目前自動化技術中的一個熱點，正越來越受到國內外自動控制領域的廣泛關注。FCS是由PLC和DCS發(fā)展而來的。FCS與PLC及DCS之間既有聯(lián)系，又存在著本質的差異。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)有如下優(yōu)點：

(1)全數(shù)字化。將企業(yè)管理與生產自動化有機結合一直是工業(yè)界的理想，只有在FCS出現(xiàn)以后，這種理想才有可能高效、低成本地實現(xiàn)。在采用FCS的企業(yè)中，用于生產管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡緊密銜接。此外，數(shù)字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。

(2)全分布。在FCS中各現(xiàn)場設備有足夠的自動性，它們彼此之間相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設備中，而不再需要一個中央控制計算機，實現(xiàn)真正的分布式控制。

(3)雙向傳輸。傳統(tǒng)的4～20mA電流信號，一條線只能傳遞一路信號。現(xiàn)場總線設備則在一條線上既可以向上傳遞傳感器信號，也可以向下傳遞控制信息。

(4)自診斷?，F(xiàn)場總線儀表本身具有自診斷功能，且這種診斷信息可以送到中央控制室，以便于維護，而這在只能傳遞一路信號的傳統(tǒng)儀表中是做不到的。

(5)節(jié)省布線及控制室空間。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，每個儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個大配線架。而在FCS系統(tǒng)中多臺現(xiàn)場設備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進入中央控制室，大量節(jié)省了布線費用，同時也降低了中央控制室的造價。

(6)多功能儀表。數(shù)字、雙向傳輸方式使得現(xiàn)場總線儀表可以擺脫傳統(tǒng)儀表功能單一的制約，可以在一個儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測、運算、控制于一體的變送控制器。

(7)開放性。1999年底現(xiàn)場總線協(xié)議已被IEC批準正式成為國際標準，從而使現(xiàn)場總線成為一種開放的技術。

(8)互操作性?，F(xiàn)場總線標準保證不同廠家的產品可以互操作，這樣就可以在一個企業(yè)中由用戶根據(jù)產品的性能、價格選用不同廠商的產品，集成在一起，避免了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產品限制，促進了有效的競爭，降低了控制系統(tǒng)的成本。

(9)智能化與自治性?，F(xiàn)場總線設備能處理各種參數(shù)、運行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了傳統(tǒng)的基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及分布式控制系統(tǒng)(DCS)后，正朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的方向發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用，可以說是自動化領域的一場革命。采用現(xiàn)場總線技術構造低成本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，促進現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢。盡管以現(xiàn)場總線為基礎的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷地發(fā)展與完善?？梢钥隙ǖ氖?，結合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，在工業(yè)現(xiàn)場得到了越來越多的應用，并將在控制領域中占有更加重要的地位。未來的控制系統(tǒng)將會是：FCS處于控制系統(tǒng)中心地位，兼有DCS、PLC系統(tǒng)的一種新型標準化、智能化、開放性、網(wǎng)絡化、信息化的控制系統(tǒng)。1.4軟件工程在微機測控系統(tǒng)中的重要地位

微機執(zhí)行程序需要時間，若要為快速響應過程的控制系統(tǒng)(如電動機)編寫控制程序，就要注意它執(zhí)行時間的長短，以保證控制系統(tǒng)的實時性。

計算機實時控制應用軟件是用戶為解決實時控制問題而提出的，一般由用戶自行設計和編制。計算機控制系統(tǒng)是一個實時控制系統(tǒng)，因此這種實時控制軟件的主要特點是：實時性和針對性強、靈活性與通用性好、多種輸入/輸出功能強、可靠性高。1.4.1軟件的分類

微機測控系統(tǒng)中的軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件是用來管理計算機各組成部件進行工作及調度用戶程序運行的程序，它把用戶與主機聯(lián)系起來，為用戶提供一個良好的使用環(huán)境。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)和一系列基本的工具(比如編譯器、數(shù)據(jù)庫管理、存儲器格式化、文件系統(tǒng)管理、用戶身份驗證、驅動管理、網(wǎng)絡連接等方面的工具)等。如果測控系統(tǒng)采用制造商提供的成品計算機，則可有相應配套的系統(tǒng)軟件。為更適合應用目的，可以適當修改或補充已有的系統(tǒng)軟件。如果從硬件模塊級開始組裝系統(tǒng)，則系統(tǒng)軟件也需要自行編制。應用軟件是為了某種特定的用途而被開發(fā)的軟件。它可以是一個特定的程序(比如一個圖像瀏覽器)，也可以是一組功能聯(lián)系緊密，可以互相協(xié)作的程序的集合(比如微軟的Office軟件)，還可以是一個由眾多獨立程序組成的龐大的軟件系統(tǒng)(比如企業(yè)的MIS系統(tǒng))。就控制系統(tǒng)而言，應用程序是一個直接的控制程序，而其他的系統(tǒng)程序則是為它服務的?？刂葡到y(tǒng)的應用程序要由系統(tǒng)設計者自己編寫，它的開發(fā)任務占軟件開發(fā)工作量的大部分。因此，應用程序的優(yōu)劣將會給系統(tǒng)的精度和效率帶來很大影響。軟件是人的思維與機器硬件之間的橋梁。盡管軟件的運行離不開硬件，但軟件的優(yōu)劣關系到系統(tǒng)的正常運行及硬件功能的充分發(fā)揮。在實際測控系統(tǒng)的研制中，軟件研制周期及所需人力絕不少于硬件研制。

1．系統(tǒng)軟件

計算機系統(tǒng)中的所有軟件和硬件統(tǒng)稱為資源。操作系統(tǒng)是對計算機進行管理和控制的一種系統(tǒng)軟件。計算機控制系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，而實時系統(tǒng)要求軟件具有實時、可靠、靈活的特點。所謂實時，是指計算機對被控對象送來的信息能及時處理，輸出響應的信息及時控制被控對象，為此，計算機應配備有實時監(jiān)控程序或實時操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)的任務是：不僅要管理計算機資源、輸入/輸出接口和有關的外設，還要實現(xiàn)模塊的調度，完成周期任務。實時操作系統(tǒng)還應具有處理中斷的能力，能對實時時鐘和實時文件以及計算機通信進行管理。根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的要求，用戶要編寫應用程序在計算機系統(tǒng)上運行。因此，計算機的系統(tǒng)軟件還應包括以下幾類程序：

(1)編輯程序。該程序用于對程序進行插入、增補、刪除、修改、移動等編輯加工，并在磁盤上建立源程序文件。

(2)編譯程序。計算機不能執(zhí)行源程序，只能執(zhí)行機器代碼。編譯程序就是把用戶應用源程序“翻譯”成機器代碼，同時在編譯過程中對用戶程序進行語法檢查并顯示出錯信息。

(3)鏈接程序。源程序經(jīng)編譯后形成浮動地址目標程序，而計算機最后執(zhí)行的是絕對地址的目標程序。鏈接程序就是將浮動地址的目標程序鏈接起來成為一個完整的絕對地址的目標程序。

(4)子程序庫。一些有關外設(如打印機、鍵盤、磁盤、顯示設備等)程序的編寫較復雜，因為不僅要了解每個外設的性能，還要了解它們與主機交換信息的規(guī)程。同時計算中常常要有應用面廣、使用頻繁的算式和代碼轉換程序，為使用戶編程方便，系統(tǒng)程序中都提供了這些應用的子程序庫。這些子程序庫是經(jīng)過系統(tǒng)軟件設計者仔細推敲并經(jīng)長期運行考驗后設計而成的，一般比較合理。用戶了解這些子程序的功能和調用條件后，就能直接在程序中調用它們。隨著微電子技術的發(fā)展，計算機的結構越來越復雜，維修計算機將變得十分困難，因而需要系統(tǒng)軟件中包括有診斷軟件。當計算機發(fā)生故障后，診斷軟件應能迅速地指出故障類型和發(fā)生故障的部件，為短時間內排除故障、修復系統(tǒng)提供方便。

2．應用軟件

應用軟件是用戶針對各自系統(tǒng)的任務特點而編制的。目前，計算機控制系統(tǒng)除了對生產過程進行控制外，還對生產過程進行管理。根據(jù)應用程序的功能，可將應用程序分為以下幾類：

(1)控制程序。控制程序是根據(jù)系統(tǒng)理論設計所得的控制算法編制的應用程序，它可實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的控制。

(2)數(shù)據(jù)采集及處理程序。數(shù)據(jù)采集及處理程序包括數(shù)據(jù)可靠性檢查程序(用于檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù))、A/D轉換及采樣程序、數(shù)字濾波程序(用于濾除干擾造成的錯誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù))、線性化處理程序(用于對檢測元件或變送器的非線性特性進行補償)。

(3)巡回檢測程序。巡回檢測程序除包括數(shù)據(jù)采集及處理程序外，還應包括越限報警程序(在生產過程中某些量值超過限定值時報警)、事故預告程序(生產過程中，某些量不允許超過限定值，若從這些量的變化趨勢看，有可能超過限定值時，發(fā)出事故預告信號)、畫面顯示程序(用圖、表等形式在CRT上形象地反映生產狀況)。

(4)數(shù)據(jù)管理程序。數(shù)據(jù)管理程序主要包括統(tǒng)計報表程序(可按生產管理部門要求的格式打印各種報表)、產品銷售程序、生產調度程序、庫存管理程序和產值利潤預測程序等。1.4.2實時控制程序設計語言的選用

編寫應用程序前首先面臨的一個問題是選用什么語言設計程序。用戶采用哪一種語言來編寫應用程序，主要取決于控制系統(tǒng)軟件配置的情況和整個系統(tǒng)的要求。一般來說，可以選用機器語言、匯編語言或高級語言(如BASIC、PASICAL、FORTRAN、PL/M、Ada、C等)來編寫程序。

(1)機器語言(即機器指令)。用這種語言編程十分麻煩，效率很低，所編出的程序不易檢查和修改；優(yōu)點是它能具體描述計算過程，緊湊地使用內存單元，對內存的分配比較清楚。

(2)匯編語言。這是一種用助記符編寫程序的語言。匯編程序比機器語言程序易讀、易記、易檢查修改。它具有與機器語言程序相同的靈活性，能發(fā)揮計算機硬件的特性，編出的程序運行所需的時間較短，所以在實時控制中還經(jīng)常采用。

用匯編語言編制應用程序比較繁瑣、工作量大、開發(fā)周期長、通用性差，有一定的局限性，不利于交流推廣。

(3)高級語言。高級語言用于計算機控制系統(tǒng)編程有許多優(yōu)點，如不必了解計算機的指令系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，不用考慮內部寄存器和存儲單元的安排，程序易修改，編程工作量小，編程時間短，程序易讀等。用高級語言編制控制程序存在的主要問題是編寫出的源程序經(jīng)編譯后得到的目標代碼比用匯編程序經(jīng)編譯后所得到的目標代碼要長得多，因而執(zhí)行程序所花的時間也要長得多，也就是說實時性比較差，難以滿足快速性控制要求。在微機控制系統(tǒng)軟件開發(fā)中，對系統(tǒng)頻帶較寬(動態(tài)響應較快)、實時性要求較高的系統(tǒng)，多采用匯編語言。而對實時性要求不太嚴格的控制系統(tǒng)，多采用高級語言?；蛘吒鶕?jù)性能要求，把兩者結合起來，即匯編語言的嵌套和調用。

(4)高級語言和匯編語言的混合使用。一般情況下，用匯編語言編寫的程序比用高級語言編寫的程序執(zhí)行速度要快。單用匯編語言編程，對某些運算(例如帶小數(shù)的十進制運算、帶符號數(shù)的乘除法運算)很不方便。當控制規(guī)律比較復雜時，實時控制算法的程序采用匯編語言編程通常是相當繁瑣的。而高級語言與硬件接口的處理比較復雜，但其指令系統(tǒng)比較完善。描述的計算算式與數(shù)學公式相近，并具有豐富的子程序庫。若混合應用這兩類語言得當，就可各取所長，兼顧兩類語言的特點，方便用戶。例如，在硬件管理及不常改動的中斷管理和輸入/輸出程序等實時管理方面可以采用匯編語言來編制，在程序中復雜計算、調整算法以及圖形繪制、顯示、打印等方面采用高級語言來編制。目前許多微機系統(tǒng)大都允許用戶在FORTRAN及BASIC、C語言編制的程序中調用匯編語言的子程序。

另一種高級語言調用匯編函數(shù)的方法是：編制出獨立的高級語言和匯編語言的源程序模塊，分別使用高級語言的編譯器和匯編語言的匯編程序，對源程序進行編譯和匯編，然后得到各自的目標模塊(.obj文件)，使用鏈接程序進行鏈接，最后得到可執(zhí)行的.exe文件。1.4.3軟件設計的步驟和方法

軟件設計通常要經(jīng)過以下幾個步驟：明確任務書，編寫可行性報告，編制項目計劃，進行需求分析、概要設計、詳細設計，對軟件進行單元測試、組裝測試及確認測試。

首先根據(jù)系統(tǒng)資源以及實際控制要求確定軟件系統(tǒng)的目標、指標，決定計算機的輸入/輸出形式，計算機與接口硬件電路的連接和出錯處理的方法，明確并編寫任務書。

可行性研究報告的編寫目的是說明該軟件開發(fā)項目的實現(xiàn)技術、經(jīng)濟和社會條件方面的可行性，評述為了合理地達到開發(fā)目標而可能選擇的各種方案，說明并論證所選定的

方案。編制項目開發(fā)計劃的目的是用文件的形式，把對于在開發(fā)過程中各項工作的負責人員、開發(fā)進度、所需經(jīng)費預算、所需軟/硬件條件等問題做出的安排記載下來，以根據(jù)本計劃開展和檢查本項目的開發(fā)工作。

在需求分析階段，要對任務書進行任務細化、指標化，并編寫軟件需求說明書。

軟件需求說明書的編制是為了使用戶和軟件開發(fā)者雙方對該軟件的初始規(guī)定有一個共同的理解，使之成為整個開發(fā)工作的基礎。如果一個軟件比較簡單，關系不太復雜，則該說明書可以不單獨編寫，有關內容可合并入概要設計。根據(jù)實際系統(tǒng)的情況，如果需要開發(fā)的軟件系統(tǒng)比較大，就必須經(jīng)過概要設計和詳細設計兩個階段。如果需要開發(fā)的軟件比較小，則只需要將這兩個設計階段任務合為一個階段的任務來完成。概要設計階段的任務就是根據(jù)軟件需求規(guī)格說明書建立軟件系統(tǒng)的總體結構和模塊間的關系，設計全局數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)結構，定義各功能模塊和接口模塊的輸入/輸出參數(shù)及控制參數(shù)，進行用戶界面描述，規(guī)定設計約束，將各子模塊與需求關聯(lián)，對各子模塊的功能進行描述，對問題范疇之外可能遇到的問題(即使很難發(fā)生)也應該有處理辦法(即必須有異常出口)，提出軟件測試點(一般為關鍵點)，指定組裝測試計劃(包括對每項測試活動的內容、進度安排、設計