近幾十年以來，各種類型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成了工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本條件和重要保證，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可替代的神經(jīng)中樞。與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)表現(xiàn)有極大的優(yōu)越性，例如系統(tǒng)構(gòu)筑簡單、維護(hù)方便、控制功能強(qiáng)大、便于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、人機(jī)交互界面友好等等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅能夠有效地實(shí)現(xiàn)常規(guī)意義上的工業(yè)過程自動(dòng)化，更主要的是它還可以實(shí)現(xiàn)集信息流自動(dòng)化和信息管理自動(dòng)化為一體的綜合自動(dòng)化?；仡櫧┠陙碜詣?dòng)化技術(shù)發(fā)展過程，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征從早期的直接數(shù)字量控制、集中型計(jì)算機(jī)控制，發(fā)展到分布式計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)場總線控制；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能特征也由單一的回路自動(dòng)化、工廠局域自動(dòng)化，發(fā)展為全廠綜合自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)集成制造。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成

（1）       硬件組成 

從硬件角度看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制裝置、測量變送裝置、執(zhí)行器和被控對象等幾大部分組成，如圖1.1所示。

計(jì)算機(jī)控制裝置通常可理解為由一般意義上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和特定的過程輸入輸出設(shè)備組成，典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可以細(xì)分為主機(jī)、外部設(shè)備、系統(tǒng)總線等若干部分。其中，計(jì)算機(jī)控制裝置的系統(tǒng)總線包括內(nèi)部總線和外部總線二種，前者是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?；后者是?jì)算機(jī)控制裝置與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、智能儀表及各種智能設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?，如：RS-232C、RS-485及各種類型的現(xiàn)場總線等等。過程輸入輸出設(shè)備也即I/O接口，它們是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與生產(chǎn)過程之間信號傳遞和變換的連接通道。

（2）       軟件組成

硬件部分只能構(gòu)成裸機(jī)，必須為裸機(jī)提供軟件才能把人的思維和知識(shí)用于對生產(chǎn)過程的控制。通常軟件分為系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件三種類型。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)等支持軟件和應(yīng)用軟件最基礎(chǔ)的運(yùn)行平臺(tái)。支持軟件運(yùn)行在系統(tǒng)軟件的平臺(tái)上，用于開發(fā)各種功能的應(yīng)用軟件，一般包括匯編語言、高級語言、數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件等。應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對某個(gè)生產(chǎn)過程及其控制要求而特定編制的控制和管理程序。用于操作站的應(yīng)用軟件前者主要實(shí)現(xiàn)通信管理、數(shù)據(jù)庫的使用和維護(hù)、人機(jī)交互等功能，它要求在滿足一定的實(shí)時(shí)性要求的前提下提供盡可能完善的功能，這部分軟件一般可以采用特定的組態(tài)軟件、VB、VC、Delphi或其它一些高級語言來開發(fā)。過程輸入/輸出、信號濾波、實(shí)時(shí)控制等功能通常由控制站的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，它基于經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論中的控制算法，將其演繹為實(shí)際應(yīng)用，這部分軟件的開發(fā)重點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)有效控制的前提下滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想

設(shè)計(jì)一套完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要要把握好系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、實(shí)時(shí)性和性價(jià)比四方面的性能。

安全可靠是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，可靠度、平均無故障工作時(shí)間MTBF是描述可靠性的主要指標(biāo)。一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的可靠度越高、或者M(jìn)TBF越大，說明其可靠性越高。選用高可靠性的硬件設(shè)備、采用分散控制思想、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障自診斷和自動(dòng)處理功能等都是設(shè)計(jì)高可靠性系統(tǒng)的基本措施，必要時(shí)還可以采用硬件冗余的方法來提高系統(tǒng)的整體可靠性。

可維護(hù)性是指故障發(fā)生后通過維修使系統(tǒng)恢復(fù)的能力，簡單的說它主要體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。一般來說，采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式可便于調(diào)整系統(tǒng)構(gòu)成、更換故障模塊；選擇系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、一致性好的硬件設(shè)備，易于保證故障設(shè)備更換前后的系統(tǒng)性能不受影響；夠帶電插拔維修，可降低子系統(tǒng)的故障對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響；實(shí)現(xiàn)軟硬件自診斷功能，可便于維修人員對故障點(diǎn)的快速定位、分析檢查和排除故障等等。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是指被控信號的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，亦即系統(tǒng)對被控信號的變化具有足夠快的響應(yīng)速度，不丟失信息，不延誤操作?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性不一定要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度是最快的，但最大響應(yīng)時(shí)間一定是可預(yù)知的。

一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在充分考慮系統(tǒng)性能的同時(shí)，也需要分析系統(tǒng)應(yīng)該帶來的經(jīng)濟(jì)效益，即追求盡可能高的性能價(jià)格比。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的簡要發(fā)展過程

在應(yīng)用過程控制之前，計(jì)算機(jī)主要作為數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)值分析的工具，與實(shí)際生產(chǎn)過程沒有任何的物理連接。上世紀(jì)50年代末期，DDC的出現(xiàn)，開辟了一個(gè)轟轟烈烈的計(jì)算機(jī)工業(yè)應(yīng)用時(shí)代。先后由直接數(shù)字量控制系統(tǒng)、集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)，一直發(fā)展到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

 　

在過去的幾十年中，工業(yè)過程控制儀表一直采用4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號傳輸，一對信號傳輸線中僅能單向地傳輸一個(gè)信息，如圖1.2。隨著微處理器在過程控制裝置和儀表裝置中的應(yīng)用不斷增加，各種智能儀表和設(shè)備在現(xiàn)代化的工業(yè)控制中的應(yīng)用日漸廣泛，導(dǎo)致了用數(shù)字信號傳輸技術(shù)代替模擬信號傳輸技術(shù)的需要，這種現(xiàn)場信號傳輸技術(shù)就被稱作為現(xiàn)場總線。根據(jù)國際電工委員會(huì)和現(xiàn)場總線基金會(huì)對現(xiàn)場總線的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。如圖1.3，現(xiàn)場總線在本質(zhì)上是全數(shù)字式的，它有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是雙向數(shù)據(jù)通信能力；二是把控制任務(wù)下移到智能現(xiàn)場設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)測量控制一體化，從而提高系統(tǒng)固有可靠性。當(dāng)前，現(xiàn)場總線及由此而產(chǎn)生的現(xiàn)場總線智能儀表和控制系統(tǒng)已成為全世界范圍自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展特征

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化發(fā)展成為一種趨勢，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要發(fā)展特征可以歸納為以下三個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)向扁平化方向發(fā)展

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化。尤其是現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各個(gè)層面的網(wǎng)絡(luò)化成為可能。另外，新一代的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同樣會(huì)是分層的，各網(wǎng)絡(luò)層面的信息交換將在一個(gè)“貫通”、“透明”的網(wǎng)絡(luò)整體中實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將由多層向兩層網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，即所謂的網(wǎng)絡(luò)扁平化。

(2)系統(tǒng)功能向綜合化方向發(fā)展

在網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能不再局限于傳統(tǒng)意義上的“控制”，而是要實(shí)現(xiàn)集工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化為一體的計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化，它主要的是體現(xiàn)以信息集成為本質(zhì)的技術(shù)集成，也包括人的集成。此外，應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)、提供更多的先進(jìn)控制軟件也將是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要發(fā)展的一個(gè)主要內(nèi)容，這也是進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能價(jià)格比最為有效的途徑。

(3)系統(tǒng)設(shè)備向多樣化方向發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能日趨復(fù)雜，系統(tǒng)軟硬件也逐漸向多樣化集成的方向發(fā)展。例如：DCS與PLC的相互融合、發(fā)展以IPC為基礎(chǔ)的小型工業(yè)控制系統(tǒng)、OPC技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用、現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用等等。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中硬件系統(tǒng)的連接形式。歸納起來，主要有如圖1.4所示的幾種形式。

網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)是指通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)送方與接收方之間的物理通路，常用的傳輸介質(zhì)有：雙絞線、同軸電纜、光纖和無線傳輸介質(zhì)等。

雙絞線是把2根相互絕緣的銅線以一定的密度絞成有規(guī)則的螺旋型，使一根導(dǎo)線發(fā)出的電磁波被另一根導(dǎo)線發(fā)出的電磁波所抵消。若把一對和多對雙絞線集成一束，并把它們安裝在絕緣套管中便形成了典型的雙絞線電纜。雙絞線電纜是是多數(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的首選傳輸介質(zhì)，成本較低，但它在傳輸距離、帶寬等方面受到一些限制。雙絞線電纜分為非屏蔽雙絞線UTP和屏蔽雙絞線STP兩類，如圖1.5，STP在雙絞線和保護(hù)層之間增加了一個(gè)屏蔽層，以提高抗干擾性能。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)多采用STP作為傳輸介質(zhì)。

同軸電纜由內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體組成，內(nèi)導(dǎo)體為實(shí)芯或多芯銅質(zhì)電纜，外導(dǎo)體是以內(nèi)導(dǎo)體為軸線的金屬或金屬網(wǎng)層，內(nèi)外導(dǎo)體之間是絕緣層，每一層的排列都基于相同的軸線。同軸電纜的傳輸特性要優(yōu)于雙絞線電纜。

光導(dǎo)纖維是在給定的頻率下以光的出現(xiàn)和消失表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，一般是用玻璃或塑料制成的，塑料光纖的傳輸性能不如玻璃光纖，主干網(wǎng)絡(luò)中常采用光纖作為傳輸介質(zhì)。

無線傳輸不需要架設(shè)傳輸電纜或光纖等物理介質(zhì)，信息是利用微波、紅外線、激光等通過空氣傳送，這種傳輸方式的抗干擾能力相對較弱。

開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型

OSI/RM是在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)互聯(lián)制定出來的七層模型，其目的是為異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提供一個(gè)共同的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架，并保持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性提供共同的參考，它強(qiáng)調(diào)了通信系統(tǒng)連接的開放特性。

TCP/IP協(xié)議

當(dāng)前，在眾多的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，涉及面最廣、影響最大的當(dāng)屬TCP/IP體系，它是Internet的核心協(xié)議。雖然TCP/IP不是國際標(biāo)準(zhǔn)，但由于該協(xié)議的簡單、實(shí)用和成熟，更由于Internet的流行，TCP/IP成為了事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，TCP/IP已滲透到了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面。

(1)IP協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP正象網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)交換信息所使用的共同語言，它規(guī)定了在通信中所應(yīng)共同遵守的約定，對底層網(wǎng)絡(luò)硬件幾乎沒有任何要求。IP地址是任何使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要求有唯一的IP地址。目前Internet上所使用的第四版本的IP，即IPv4，一個(gè)完整的IP地址有4字節(jié)（32位）。每個(gè)IP地址包括兩個(gè)標(biāo)識(shí)碼，即網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID。網(wǎng)絡(luò)ID用以標(biāo)明具體的網(wǎng)絡(luò)段，同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID；主機(jī)ID用以標(biāo)明具體的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)主機(jī)有一個(gè)主機(jī)ID與其對應(yīng)。隨著Internet的飛速膨脹，IPv4的32位地址長度已顯得不夠用了，新一代的IP協(xié)議IPv6將成為下一代IPng的標(biāo)準(zhǔn)，IPv6的地址由原來的32位擴(kuò)展到128位。

IP協(xié)議向上提供的是面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，不存在建立通路、釋放通路的問題。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸一般包括三個(gè)步驟：①數(shù)據(jù)的封裝，把IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成物理幀；②數(shù)據(jù)的分段，以“方便”為原則，根據(jù)通信子網(wǎng)的最大傳輸單元MTU確定分組的大小。當(dāng)分組傳送到MTU較小的通信子網(wǎng)時(shí)，再將分組分成若干較小部分，封裝到不同幀里進(jìn)行傳送。③數(shù)據(jù)的重組，IP數(shù)據(jù)的重組就是對數(shù)據(jù)報(bào)的還原。一旦數(shù)據(jù)報(bào)被分段，各段數(shù)據(jù)作為獨(dú)立的分組進(jìn)行傳輸，到達(dá)信宿機(jī)之前可能被多次分段，但重組則只有在信宿機(jī)上進(jìn)行的一次。

(2)TCP和UDP協(xié)議

傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP都是傳輸層協(xié)議，一般情況下，它們共存于一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)中。UDP建立在IP協(xié)議之上，提供面向無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸。UDP是一個(gè)不可靠的傳輸層協(xié)議，除了可以通過校驗(yàn)和來判斷數(shù)據(jù)的完整性之外，它不進(jìn)行任何其它檢查，它不能保證數(shù)據(jù)報(bào)的接收順序同發(fā)送順序相同，甚至也不能保證它們是否全部到達(dá)，因此，基于UDP的通信進(jìn)程必須自己解決諸如報(bào)文丟失、報(bào)文重復(fù)、報(bào)文失序等可靠性問題。TCP是一種面向連接、端對端、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸層協(xié)議，它建立在不可靠的IP協(xié)議之上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃酝耆蒚CP自己保證。在接收端，TCP按發(fā)送前的順序還原，并加以校驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，TCP將會(huì)要求重發(fā)。因此，TCP/IP幾乎可以無差錯(cuò)地傳送數(shù)據(jù)。