《檢測(cè)與控制技術(shù)》課件第1章

第1章微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的外貌——緒論第1章微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的外貌——緒論1.1微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的含義與作用1.2微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成和分類1.3微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)1.4本課程的內(nèi)容與性質(zhì)1.1微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的含義與作用

人類在各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了了解、掌握和控制整個(gè)過程的進(jìn)展及其最后結(jié)果，經(jīng)常需要對(duì)各種基本參數(shù)或物理量進(jìn)行檢查和測(cè)量，從而獲得必要的信息，將這些信息在不同層次上進(jìn)行分析計(jì)算，得出對(duì)整個(gè)過程的調(diào)節(jié)量，并利用它支配或約束整個(gè)過程，以實(shí)現(xiàn)人們所希望的結(jié)果。這就是檢測(cè)與控制技術(shù)（簡(jiǎn)稱測(cè)控技術(shù)）產(chǎn)生的原因。隨著人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，以信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、處理和控制為主要內(nèi)容的測(cè)控技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門完整的技術(shù)學(xué)科，在促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展和科技進(jìn)步的廣闊領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。

人類在認(rèn)識(shí)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(gè)任務(wù)我們稱之為“檢測(cè)”或“測(cè)量”?？陀^世界的信息雖然很多，但一般可分為電量與非電量?jī)煞N信息。電量可以借助于電壓表、電流表等儀器儀表加以測(cè)量。而諸如機(jī)床的切削速度、爐窯的溫度等這類非電量卻難以直接進(jìn)行測(cè)試，必須通過一定的方法，借助必要的儀器設(shè)備加以檢查與測(cè)量，從而達(dá)到調(diào)整工藝參數(shù)、控制加工質(zhì)量等目的。嚴(yán)格地講，檢測(cè)就是利用各種物理特性，采集客觀世界的有關(guān)非電量信息，并通過測(cè)量而賦予定性或定量結(jié)果的過程。另一方面還要采用各種方法支配或約束某一客觀事物的進(jìn)程結(jié)果，這個(gè)任務(wù)我們稱之為“控制”?！皺z測(cè)”和“控制”是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的兩項(xiàng)工作任務(wù)，而測(cè)控儀器或系統(tǒng)則是人類實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)任務(wù)的工具和手段。按照儀器或系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)不同，測(cè)控儀器或系統(tǒng)可分為三大類：?jiǎn)渭円詼y(cè)試或檢測(cè)為目的的“測(cè)試（檢測(cè)）儀器或系統(tǒng)”、單純以控制為目的的“控制系統(tǒng)”和集檢測(cè)與控制為一體的“測(cè)控系統(tǒng)”。

測(cè)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中起著把關(guān)者和指導(dǎo)者的作用，它從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)獲取各種參數(shù)，運(yùn)用科學(xué)規(guī)律和系統(tǒng)工程的做法，綜合有效地利用各種先進(jìn)技術(shù)，通過自控手段和裝備，使每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到優(yōu)化，進(jìn)而保證生產(chǎn)規(guī)范化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，滿足需要，保證安全生產(chǎn)。目前，測(cè)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工和紡織等行業(yè)。據(jù)悉，在寶山鋼鐵公司的技術(shù)裝備投資中，有1/3經(jīng)費(fèi)用于購(gòu)置儀器和自控系統(tǒng)。即使原來認(rèn)為可用土法生產(chǎn)的制酒工業(yè)，今天也需通過精密的儀器儀表嚴(yán)格控制溫度流程才能創(chuàng)出名牌。

1.2微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成和分類

1.2.1測(cè)控系統(tǒng)微機(jī)化的意義傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)主要由常規(guī)電子線路與儀表組成，存在功能單一、測(cè)控精度與自動(dòng)化程度較低、難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)發(fā)生了根本性變革，即采用微型計(jì)算機(jī)作為測(cè)控系統(tǒng)的主體和核心，代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的常規(guī)電子線路，從而成為新一代的微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)引入測(cè)控系統(tǒng)中，不僅可以解決傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)不能解決的問題，而且還能簡(jiǎn)化電路，增加或增強(qiáng)功能，提高測(cè)控精度和可靠性，顯著增強(qiáng)測(cè)控系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，縮短系統(tǒng)研制周期，降低成本，使得升級(jí)換代更加容易。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，使得測(cè)控系統(tǒng)具有以下新特點(diǎn)和新功能：（1）自動(dòng)調(diào)零功能?？纱蟠蠼档鸵驕y(cè)控系統(tǒng)漂移變化造成的誤差。（2）量程自動(dòng)切換功能?？筛鶕?jù)測(cè)量值和控制值的大小改變測(cè)量范圍和控制范圍，在保證測(cè)量和控制范圍的同時(shí)提高分辨率。（3）多點(diǎn)快速測(cè)控功能?？蓪?duì)多種不同參數(shù)進(jìn)行快速測(cè)量和控制。（4）數(shù)字濾波功能?？梢种聘鞣N干擾和脈沖信號(hào)。（5）自動(dòng)修正誤差功能。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(yán)重，從而帶來誤差。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以依靠軟件進(jìn)行在線或離線修正。

（6）數(shù)據(jù)處理功能。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜的處理和運(yùn)算功能，比如統(tǒng)計(jì)分析、檢索排序、函數(shù)變換、差值近似和頻譜分析等。

（7）復(fù)雜控制規(guī)律。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，例如，自適應(yīng)控制、模糊控制等。

（8）多媒體功能。利用計(jì)算機(jī)的多媒體技術(shù)，可以使儀器具有聲光和語音等功能，增強(qiáng)測(cè)控系統(tǒng)的個(gè)性或特色。

（9）通信或網(wǎng)絡(luò)功能。利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能，可以大大增強(qiáng)測(cè)控系統(tǒng)的外部接口功能和數(shù)據(jù)傳輸功能，并進(jìn)一步構(gòu)成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，這也是微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

（10）自診斷功能。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)后，可對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即報(bào)警，并可顯示故障部位或可能的故障原因，對(duì)排除故障的方法進(jìn)行提示。1.2.2微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1.微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，單純以“檢測(cè)”為目的的系統(tǒng)。它一般用來對(duì)被測(cè)過程中的一些物理量進(jìn)行測(cè)量并獲得相應(yīng)的精確測(cè)量數(shù)據(jù)，因此，又常稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其基本組成如圖1-1所示。

圖1-1微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成

被測(cè)參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由模擬量輸入通道進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換成微機(jī)要求的數(shù)字形式送入微機(jī)進(jìn)行必要的處理，再送到磁帶機(jī)、打印機(jī)等數(shù)據(jù)記錄器記錄下來，這樣就得到了供今后進(jìn)一步分析和處理的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄。為了對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行集中實(shí)時(shí)監(jiān)視，模擬量輸出通道將微機(jī)處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)換成模擬信號(hào)在示波器或圖示儀等模擬顯示器上顯示出來。在某些對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，如果被測(cè)參數(shù)超過規(guī)定限度，微機(jī)還將及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.微機(jī)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，單純以“控制”為目的的系統(tǒng)，其基本組成如圖1-2所示。這是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，其基本思想是將被控對(duì)象的動(dòng)作次序和各類參數(shù)輸入微機(jī)，微機(jī)執(zhí)行固定的程序，一步一步地控制被控對(duì)象的動(dòng)作，以達(dá)到預(yù)期的目的。例如機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制，預(yù)先輸入切削量、裕量、進(jìn)給量、工件尺寸及加工步驟等參數(shù)，運(yùn)行時(shí)由計(jì)算機(jī)控制刀具的動(dòng)作，最后加工出成品。

圖1-2微機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成

3.微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是以微機(jī)為核心、測(cè)控一體化的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的控制是依據(jù)對(duì)被控對(duì)象的測(cè)量結(jié)果決定的。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，其基本組成如圖1-3所示。

圖1-3微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本組成

從圖1-3可以看出，一個(gè)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由過程通道、微機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)接口和被控對(duì)象四部分組成。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)借助過程通道中的傳感器從生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）中收集信息，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視并提供控制信號(hào)。被收集的信息在不同層次上進(jìn)行分析計(jì)算，得出對(duì)生產(chǎn)裝置的調(diào)節(jié)量，并通過過程通道對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，或者為生產(chǎn)管理人員、工程師和操作員提供所需要的信息。過程通道又可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)（數(shù)字）量輸入通道和開關(guān)（數(shù)字）量輸出通道。模擬量輸入通道用來接收監(jiān)視生產(chǎn)裝置工作情況的各類傳感器的模擬輸出信號(hào)，也可用于直接連接模擬形式的輸入電壓或輸入電流。模擬量輸出通道帶有數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，其作用是使計(jì)算機(jī)能對(duì)模擬形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輸出設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。開關(guān)量輸入通道用來接收生產(chǎn)過程中以“開關(guān)”形式表示的信息，也就是關(guān)于被控過程的狀態(tài)信息。例如，閥門是否關(guān)閉？容器是否注滿？泵是否打開？這些信息是以開關(guān)量的形式提供給微機(jī)的。另外，開關(guān)量輸入可用來表示“超值”、“告警”、“極性轉(zhuǎn)換”等狀態(tài)并通知計(jì)算機(jī)做出相應(yīng)的處理。開關(guān)量輸出通道通常用來控制開關(guān)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如繼電器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等）。

人機(jī)接口是微型計(jì)算機(jī)與操作人員的連接渠道。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)必須為操作員提供關(guān)于被控過程和控制系統(tǒng)本身運(yùn)行情況的全部信息，為操作員直觀地進(jìn)行操作處理提供各種手段，例如改變?cè)O(shè)定值，手動(dòng)調(diào)節(jié)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在發(fā)生報(bào)警的情況下進(jìn)行處理等。因此，它應(yīng)當(dāng)顯示各種信息和畫面，打印各種記錄，通過專用鍵盤對(duì)被控過程進(jìn)行操作等。此外，微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)還必須為管理人員和工程師提供各種信息，例如，生產(chǎn)裝置每天的工作記錄以及歷史情況的記錄，各種分析報(bào)表等，以便他們掌握生產(chǎn)過程的狀態(tài)和做出改進(jìn)生產(chǎn)狀態(tài)的各種決策。

微機(jī)系統(tǒng)是微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的核心，其作用是控制與管理整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分。硬件由主機(jī)、接口電路及其外圍設(shè)備等組成，其任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)警等，并通過接口電路向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種控制命令，指揮整個(gè)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。軟件是指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如操作、管理、控制、計(jì)算和自診斷等。它是微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。以功能來區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫等。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件組成如圖1-4所示。

圖1-4微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件組成

1.2.3微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的分類

1.按完成的功能分類按所完成的功能可將微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)分為微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)四類。

1）微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（MicrocomputerMonitorSystem）又稱為微機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（MicrocomputerDataAcquisitionSystem），其結(jié)構(gòu)框圖如圖1－5所示。

圖1-5微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

它利用微機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程的工況和數(shù)據(jù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，主要功能如下：(1)采集生產(chǎn)過程的有關(guān)數(shù)據(jù)。(2)接受操作人員的指令與信息。(3)信息處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。(4)數(shù)據(jù)和工況顯示、故障報(bào)警。(5)報(bào)表打印。

2）微機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（MicrocomputerSupervisorySystem）是微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提高型，其結(jié)構(gòu)類似于圖1-5，但是所采用的計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的檔次較高。它是在微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用計(jì)算機(jī)快速計(jì)算、海量存儲(chǔ)、綜合分析、邏輯判斷等功能，對(duì)預(yù)處理后的信息進(jìn)行二次加工，如各種常規(guī)計(jì)算、性能指標(biāo)計(jì)算、數(shù)據(jù)與指標(biāo)的圖形生成、事故狀態(tài)的判斷與記錄、險(xiǎn)情預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前工況提出操作建議等，具有分析決策能力。微機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)的軟件也包含豐富的內(nèi)容，如具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、故障診斷專家系統(tǒng)、生產(chǎn)指導(dǎo)專家系統(tǒng)等。

與微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一樣，微機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)的輸出也不直接作用于生產(chǎn)過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也不直接影響生產(chǎn)過程的進(jìn)行，它也是開環(huán)系統(tǒng)。但它所提供的信息要比微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)豐富，而且通常以多媒體方式提供。微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與微機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，特別適合于尚未明確控制規(guī)律或正在建立控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是被控對(duì)象仍需人工操作，操作速度難以提高。

3）直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControlSystem，DDC）是在微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一種或多種控制策略，能夠?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行控制的一種系統(tǒng)，它屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-6所示。

圖1-6直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

4）微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)從上述的DDC系統(tǒng)中可以看出，其給定值是預(yù)先設(shè)定的，它不能根據(jù)生產(chǎn)過程工藝信息的變化進(jìn)行及時(shí)修正，因而DDC系統(tǒng)不能使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工作狀態(tài)。所謂微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（MicrocomputerSupervisoryControlSystem）是指能夠根據(jù)描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，自動(dòng)地改變給定值，從而使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況（最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量、最佳質(zhì)量等）的一種控制系統(tǒng)。微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)結(jié)合了前三種系統(tǒng)的功能，控制效果取決于生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-7所示。

圖1-7微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖(a)SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)；（b）SCC+DCC系統(tǒng)

2.按系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)分類

1）直接監(jiān)控系統(tǒng)直接監(jiān)控系統(tǒng)（DirectSupervisoryControlSystem）是指由一臺(tái)微機(jī)和有關(guān)的過程接口及必要的外部設(shè)備組成的系統(tǒng)，它實(shí)際上是一個(gè)單機(jī)控制系統(tǒng)。一般來說，這種系統(tǒng)規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，價(jià)格較低，適合于比較簡(jiǎn)單的對(duì)象。圖1-5和圖1-6所示的系統(tǒng)都是直接監(jiān)控系統(tǒng)。但是，由于這種系統(tǒng)的所有功能都集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因此它具有“危險(xiǎn)集中”的缺點(diǎn)，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)就可能癱瘓。直接監(jiān)控系統(tǒng)是組成大型分級(jí)控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2）分級(jí)控制系統(tǒng)分級(jí)或多級(jí)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（MultilevelMicrocomputerSupervisoryControlSystem）是一個(gè)綜合的多機(jī)系統(tǒng)。由一臺(tái)或幾臺(tái)微機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的某一級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)需要可分為幾級(jí)，級(jí)與級(jí)之間通過通信傳遞信息。圖1-7所示的系統(tǒng)就屬于分級(jí)控制系統(tǒng)。最常見的分級(jí)控制系統(tǒng)包含直接測(cè)控級(jí)和過程監(jiān)督級(jí)兩級(jí)，如圖1-8所示。

圖1-8分級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

過程監(jiān)督級(jí)處在系統(tǒng)的上級(jí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)督控制與管理，通常又稱為上位機(jī)。從監(jiān)督控制的角度看，它的主要任務(wù)是：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前生產(chǎn)情況進(jìn)行優(yōu)化控制或優(yōu)化生產(chǎn)操作指導(dǎo)，向直接測(cè)控級(jí)微機(jī)提供各種控制信息，如最優(yōu)設(shè)定值或最優(yōu)控制量等。從管理角度看，它的主要任務(wù)是：為生產(chǎn)決策者提供有關(guān)信息；根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃制定調(diào)度方案；實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)；進(jìn)行有關(guān)性能指標(biāo)計(jì)算；完成數(shù)據(jù)的組織與管理，顯示和打印各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表與圖形；進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，記錄和統(tǒng)計(jì)已經(jīng)發(fā)生的事故。直接測(cè)控級(jí)位于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或設(shè)備附近，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程或設(shè)備的直接測(cè)量與控制。其主要任務(wù)是：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、開環(huán)或閉環(huán)控制、故障報(bào)警和處理、接收和執(zhí)行上位機(jī)的命令、向上位機(jī)傳送實(shí)時(shí)信息等。

3）分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）又稱為分散式控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)，其基本思想是集中管理，分散控制。分布式控制系統(tǒng)一般由四個(gè)層次組成，如圖1-9所示。

圖1-9分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

每一層有一臺(tái)或多臺(tái)微機(jī)，同一層的微機(jī)以及不同層的微機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)密的整體。每層的功能如下：

(1)第一層，直接測(cè)控層。該層可能有多臺(tái)微機(jī)或可編程序控制器(PLC)或?qū)Ｓ每刂破鞣植加谏a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制。

(2)第二層，過程優(yōu)化層。該層主要由監(jiān)控微機(jī)、操作站和工程師站組成。其任務(wù)是直接監(jiān)視直接測(cè)控層中各站點(diǎn)的所有信息，集中顯示，集中操作，并完成各控制回路的組態(tài)、參數(shù)的設(shè)定、修改及優(yōu)化控制等。

(3)第三層，生產(chǎn)管理層。該層上的微機(jī)稱為管理微機(jī)，其任務(wù)是針對(duì)車間和工廠的生產(chǎn)向決策者提供各種信息，以便決策者制定生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度和管理方案。

(4)第四層，經(jīng)營(yíng)決策層。該層的計(jì)算機(jī)都是大、中型計(jì)算機(jī)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算能力。一般與財(cái)物、人事、檔案、倉庫、經(jīng)營(yíng)等辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和Internet相連，其任務(wù)是負(fù)責(zé)全廠或全公司的總體協(xié)調(diào)、計(jì)劃管理和市場(chǎng)營(yíng)銷。

4）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）是發(fā)展于20世紀(jì)70年代，成熟于20世紀(jì)90年代的新一代工業(yè)測(cè)控技術(shù)。根據(jù)FF（FieldbusFoundation）定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(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)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)高度結(jié)合與集成的產(chǎn)物?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將組成測(cè)控系統(tǒng)的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器用現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)上的信息傳輸完成各設(shè)備的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。它是一個(gè)開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-10所示。

圖1-10現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

與傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。一是信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，避免了傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)中模擬信號(hào)傳輸方式所產(chǎn)生的信號(hào)衰減、精度下降和易受干擾等缺點(diǎn)，提高了信號(hào)傳輸?shù)木扰c可靠性；二是實(shí)現(xiàn)了控制的徹底分散，把測(cè)控功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表中，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表變?yōu)榫哂芯C合功能的智能設(shè)備和智能儀表，經(jīng)過統(tǒng)一組態(tài)，可以構(gòu)成各種所需的測(cè)控系統(tǒng)，使系統(tǒng)的性能大為提高。

1.3微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)

1.微機(jī)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展歷程（1）過程控制技術(shù)由分立設(shè)備發(fā)展到共享設(shè)備經(jīng)歷了四個(gè)階段。首先是20世紀(jì)40年代至50年代初的人工控制（基地式儀表控制）階段，在這個(gè)階段，工業(yè)規(guī)模小，設(shè)備陳舊，必要的調(diào)節(jié)主要依靠最簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)x表并由人工操作；其次是20世紀(jì)50年代的模擬儀表控制系統(tǒng)（電動(dòng)單元組合式儀表控制系統(tǒng)），1956年，國(guó)家制定了12年科技發(fā)展規(guī)劃，使得自動(dòng)化儀表與裝置產(chǎn)業(yè)從此產(chǎn)生、發(fā)展并成熟。

到20世紀(jì)50年代末，研制生產(chǎn)的傳感器、變送器、記錄儀、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等基本上可以顯示過程狀態(tài)并完成對(duì)工藝流程的調(diào)節(jié)；第三個(gè)階段是20世紀(jì)60年代的計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)，這時(shí)可利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制數(shù)十以至上百個(gè)回路，部分取代了傳統(tǒng)的控制室儀表，但是因當(dāng)時(shí)電子器件與計(jì)算機(jī)本身的可靠性較差，計(jì)算機(jī)的參與使得控制集中了，“危險(xiǎn)”也隨之被集中；第四個(gè)階段是20世紀(jì)70年代中期的分散式控制系統(tǒng)，由一個(gè)CPU控制多個(gè)回路，控制功能相對(duì)分散，組態(tài)比較方便，能夠解決一些復(fù)雜的控制，但在系統(tǒng)的開放性、系統(tǒng)向上與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的連接、系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信等方面存在一些問題。

（2）自動(dòng)化儀表工業(yè)技術(shù)由模擬儀表控制發(fā)展到智能儀表。20世紀(jì)70年代中期以前，自動(dòng)化儀表都是模擬儀表，信號(hào)的傳輸均采用4～20mA模擬信號(hào)；20世紀(jì)70年代后期，在控制儀表上應(yīng)用了微處理器，可使儀表通過串行通信方式與計(jì)算機(jī)接口，但儀表間的接口仍然為模擬信號(hào)；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表，能適應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化和多參數(shù)的測(cè)量，但需要提供一個(gè)有效的雙向數(shù)據(jù)通信鏈路以實(shí)現(xiàn)它們之間以及與控制室設(shè)備的多種數(shù)據(jù)交換。

（3）計(jì)算機(jī)控制理論方面先后出現(xiàn)了采樣定理、差分方程、Z變換法、狀態(tài)空間理論、最優(yōu)控制與隨機(jī)控制、代數(shù)系統(tǒng)理論、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制等理論，并逐步應(yīng)用于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，且取得了重要成果。（4）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由管理與控制信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，已有將企業(yè)中分散或獨(dú)立的部門、機(jī)構(gòu)、各種設(shè)備連接在一起的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，它分為工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)、車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)三層。綜上所述，工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之所以發(fā)展迅速，歸根結(jié)底是需求牽引，技術(shù)推動(dòng)的結(jié)果，這也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的規(guī)律。

2.微機(jī)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)目前微機(jī)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，展望未來，前景誘人。今后的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)向開放型體系結(jié)構(gòu)發(fā)展是大勢(shì)所趨。由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的分散型控制系統(tǒng)將會(huì)改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，DCS向FCS發(fā)展并最終代替DCS，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。概括起來，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

(1)推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)。如可編程序控制器（PLC