智能儀器的硬件設計

1.1硬件體系結構的設計

智能儀器系統硬件體系結構的選擇主要是根據應用系統的規模大小、控制功能性質及復雜 程度、實時響應速度及檢測控制精度等專項指標和通用指標決定的。首先根據系統規模及可靠 性要求考慮，對于普通要求規模較小的應用系統，可采用單機系統；對于高可靠性系統，即使 系統規模不大，但為了可靠，也常采用雙機系統。

1. 單機系統結構設計

單機系統也叫直接測控儀器系統。用單片機進行適當擴充和接口，可滿足一般智能儀器的 需要。單片機技術的發展在許多方面都展示出它的*性。其*性主要表現在芯片集成度高、 可靠性高、芯片種類多、體積小重量輕。

單片機應用系統中包括單片機系統、信號測量功能模塊、信號功能控制模塊、人機對話功 能模塊和遠程通信功能模塊。其中單片機系統包括單片機基本系統的擴展部分。單片機系統的 擴展部分包括存儲器擴展和接口擴展。

單片機應用系統中的信號測量功能模塊是測量對象與單片機相互的*的部分，不 同的傳感器輸出的信號，經過放大、整形、轉換（電流電壓轉換，模數轉換，電壓頻率轉換）后 輸入單片機，如果要進行巡回檢測，還需在信號檢測部分裝多路選擇開關、多路放大器。若使用 多個放大器，則各放大器應放在多路選擇開關之前；若使用單個放大器，放大器應放在多路選擇 開關之后。控制信號功能模塊是單片機與控制對象相互的重要部分。信號控制功能模塊由單 片機輸出的數字量、開關量或頻率量轉換（模數轉換或頻率電壓轉換）后，再由各種驅動回路來 驅動相應執行器實現控制功能。人機對話功能模塊包括鍵盤、顯示器（LED、LCD或CRT)、打 印機及報警系統等部分。為實現它與單片機的接口，采用接口芯片（如8279)或通用串/并 行接口芯片。遠程通信功能模塊擔負著單片機間信息交換的功能。在具有多個單片機的應用系統 中，各單片機有時相距很遠，采用并行通信，投資會急劇增加，技術上也不能實現。采用串行通 信方式時，可以用單片機的串行接口，也可以使用可編程串行接口芯片。距離較遠時，還要增加調制解調器等。另外傳感器、各功能模塊和單片機系統要統一考慮，軟、硬件要有幾套方案進行 比較，按經濟、技術的要求從中選擇*方案。各功能塊、單片機系統硬件電路要盡可能選用標 準化器件，模塊化結構的典型電路要留有余地，以備擴展，盡可能采用集成電路，減少接插件相 互間的連線，降低成本，提高可靠性。此外，要切斷來自電源、傳感器、測量信號功能模塊、控制信號功能模塊部分的干擾。硬件、軟件設計要合理、可靠、抗千擾、模塊化等。

2. 多微處理機系統的結構設計

對于一些大型復雜的測控對象，用一臺微機無法實現復雜的任務及對眾多的對象進行測控 時，可組成多微機儀器系統或網絡化儀器系統。多微機系統具有速度快、性價比高、系統可靠 且宜于擴充和改進等優點。多微機系統從它們相互之間的所達到的目的和要求可以分為兩種類型，即計算機局域網絡和分布式（或集散式）微機測控系統。二者因地域分散的不同，應用目的不同，導致在結構設計上的差異。

計算機局域網絡互連的目的是為了資源共享（包括硬件和軟件資源），相互之間能傳遞一 批信息。各計算機之間的比較松散，獨立性很強，主要依靠操作系統對它們的操作進 行管理。這類多機系統更多地適用于辦公自動化數字通信的場合。

在分布式計算機或集散式微機系統中，除了資源共享外，各微機是系統的一個功能部件， 它們之間相互協調形成一個整體以完成系統的總體任務。分布式系統從總體結構上分為分級式結構、集散式結構和現場總線式結構。

(1)分級式結構系統

分級或多級儀器系統是一個綜合的多機系統。它由多臺計算機構成系統中的各個級以完成 多種功能，各級之間通過通信傳送信息，相互協調。zui常用的是上、下兩級計算機組成的智能 儀器測控系統，包括直接測控級和過程監督級，如圖8-2所示。各級主要分工如下。

①過程監督級為生產決策者提供有關信息，根據生產計劃做出調度方案，進行各設備間 的協調，使它們處于*運行狀態；根據歷史數據及當前生產狀況進行優化控制或優化生產操 作指導，給直接控制級計算機提供各種控制信息，如*設定值及*控制量等；進行有關性 能指標計算，生成各種生產數據和指標的圖形，數據的組織管理，生產過程事故狀態判斷和記 錄，險情預測預報，報表打印等。過程監督級的計算機可以采用標準的工業PC，在有些環境 較好的地方，也可以考慮采用普通PC。

②直接測控級進行數據采集、數據預處理、系統控制、設備單元的監測及故障診斷、事 故報警等。同時它還接收和執行上級計算機（過程監督級）的指令，并向上級計算機傳遞實時 信息。在許多情況下，直接測控級計算機都是控制器（或者單片機、DSP處理器、PLC 等），它可以安放在生產現場或設備附近，使用十分靈活。

(2)集散式結構系統

集散式（DCS，Distributed Control System)結構系統又稱分散式系統。它在體系結構上的特點是層次化，其基本思想是集中操作管理，分散控制。由于控制分散，就可以做到“危險分 散”，從而使整個系統的可靠性大大提高。而且可以將多種監測控制、計劃管理功能有機地集 成起來，使整個系統的性能大為提高。分布式系統是計算機監測控制系統一個重要的發展方向。 對于大型、復雜的控制過程，分布式系統成為方案。但集散式系統中的硬件（包括計算機、接口等）和軟件（包括操作系統、應用平臺、組態軟件等）都是從工業應用出發專門設計的， 價格昂貴，這是它推廣應用的主要難點所在。

對集散式系統的結構有各種觀點，比較一致的一種意見是將集散式系統的層次分為4層， 如圖8-3所示。每一層具有一臺或多臺計算機，各計算機連成網絡，相互協調。每一層也稱為 一級。各層（級）的功能大體劃分如下：

①*層：直接測控級。這一層上有多臺微機（工控機或單片機）或者PLC和控制 器直接面對生產現場的各類設備，完成各現場設備的監測、控制，它的功能與多級系統中的直 接測控級類似。

②第二層：過程優化級。這一層上主要有監控計算機、操作站、工程師站。它綜合監視 直接控制級中各站點的所有信息，集中顯示，集中操作，進行各控制回路的組態、參數設定和 修改，優化控制過程等。

③第三層：生產管理級。這一層上的管理計算機為決策者提供有關信息，以便其做出關 于生產計劃、調度和管理的方案，使計劃協調和生產管理處于*狀態。這些管理工作主要是 針對車間和工廠的生產，而不涉及市場和營銷。

④第四層：經營決策級。這一層的中央計算機擔負全廠或全公司的總體協調、計劃管理、 市場營銷。它與廠里的財務、人事、檔案、倉庫、經營等各辦公自動化系統連接，制定長期發 展規劃和近期的發展計劃，綜合生產的計劃、管理、銷售、訂貨，了解與分析市場經營動向和 本部門的財務收支及預算，對全企業進行總決策，向下級下達任務，實現總調度。在現代化的企業系統中，也連接到互聯網上，實現電子商務。經營決策級的計算機都是大中型計算機，一 般要求數據處理和科學計算能力強，存儲容量大。

(3)現場總線式結構系統

現場總線系統（FCS，Fieldbus Control System)是20世紀90年代興起的新一代工業測控 技術，它將當今網絡通信與管理的概念引入工業控制領域，被稱為“21世紀控制系統結構體 系”。計算機技術、通信技術和計算機網絡技術的發展推動著智能儀器系統體系結構的變革， 模擬和數字混合的集散式系統逐漸發展為全數字系統，由此產生了工業生產領域應用的現場總 線。按電工委員會IEC 61158標準定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數 字式、雙向傳播、多分支結構的通信網絡。通俗地說，FCS將構成智能儀器系統的各種傳感 器、執行器及控制器通過現場控制網絡起來，通過網絡上的信息傳輸完成傳統儀器系統中 需要硬件連接才能傳遞的信號，并完成各設備的協調，實現自動化測量與控制。

圖8-4所示為FCS的系統結構簡圖。它是一個開放式的互聯網絡，既可以與同層網絡互 聯，也可以與不同層的網絡互聯；在現場設備中，以微處理器為核心的現場智能設備可方便地 進行設備互聯、互操作。從測控的角度看，FCS有兩個顯著特點：

①傳統的4?20mA模擬信號制被雙向數字通信現場總線信號制所代替。FCS把通信線 一直延伸到生產現場中的生產設備，構成用于現場設備和現場儀表互聯的現場通信網絡。其全 數字化的信號傳輸極大地提高了信號轉換的精度和可靠性，避免了模擬信號在傳輸過程中的信 號衰減、精度下降、干擾信號易于進入等問題。

②傳統的集中在控制器和中央控制系統的控制功能分散下放到現場設備中，實現*的 現場控制。FCS廢棄了 DCS的I/O控制站，將這一級的功能分散地分配給現場設備和儀表。 用戶可以靈活地選用各種功能塊，經過統一組態構成控制回路實現控制。

圖8-4中現場總線的節點包括現場設備和現場儀表，如傳感器、變送器、執行器和編程器等。但不是傳統的單功能現場設備和儀表，而是具有綜合功能的智能設備和儀表。例如，溫度 變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，而且具有PID (或某種更優良的）控制功能和運算 功能；調節閥除了具有驅動和執行的基本功能外，還內含輸出特性的補償功能，也可以有PID 或其他的控制和運算功能，以及閥門特性的自校正和自診斷功能等。這些功能模塊分散在各個 現場設備和儀表中，并可統一進行組態，構成所需的控制系統，從而實現了更*的分散控制。