计算机测控系统
《新编电气工程师手册》全3册:
1 概述
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，计算机在过程自动化、工厂自动化、计算机综合生产系统等自动化领域中得到越来越广泛的应用。例如用它来实现对生产过程的自动监控、产品质量的自动检验、能源自动检测与管理等。这类技术的采用，对于提高产品的产量与质量降低成本、确保生产安全、改善工作条件、减轻劳动强度、节省能源和材料、实现生产过程的优化控制及科学管理等都具有重要作用。
计算机测控技术的发展在国际上大致可分为三个阶段。20世纪50年代至60年代为开创时期；60年代末至70年代初为系列化小型工业控制机发展时期；进入70年代中期以后，以微型机为基础的测控技术和以4C（计算机、通讯、控制、CRT）技术为特征的分散型控制系统得到了长足发展。目前正是这一阶段的鼎盛时期。正是这一时期，工业计算机测控技术才真正被广泛地应用于各种生产领域，这一阶段的工业计算机测控技术不仅注重监控，而且注重管理，把过程监控和生产管理有机结合在一起。监控与管理集成系统、智能自动系统已成为当前国际上工业计算机测控技术的发展方向。
80年代初，给排水行业中的工业计算机测控技术还基本上是一片空白。80年代中期以后，一些基于微处理器的简单控制装置开始
在给排水行业中运行。从80年代末开始，一大批国外贷款工程的实例，引进了多种计算机检测控制产品和技术，使计算机测控技术在国内给排水行业得到普遍应用，并带动了相关技术的发展，培养了一大批计算机测控技术人才。今天，计算机测控技术已成为给排水行业不可缺少的、最具活力的部分之一。出现这种情况一方面是由于工艺过程对监控和管理的要求进一步提高；另一方面，由于计算机测控技术的发展，新一代高性能、高可靠性、低价格的计算机控制系统确实能够满足这种需求。
总之，由于计算机测控技术的发展，在一定程度上促进了给排水工艺技术的革新。给排水技术的革新反过来又给计算机测控技术的发展提出了更高的要求。这种相互促进的良好态势将使计算机测控技术在给排水行业中的应用不断向前迈进。
2 计算机测控系统分类
计算机测控系统根据其类控制方案、体系结构、复杂程度和技术发展来源不同，可分成以下几种典型类型。
(1)可编程控制器：可编程序控制器简称PLC，是一种数字式运算操作的电子系统，专门为工业环境下使用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部储存并执行逻辑、顺控、计时、四则运算等功能，并通过数字或模拟式输出输入组件，控制各种生产机械和生产过程。它是通过早期继电器逻辑控制系统与现代计算机技术相结合而发展起来的新一代计算机控制装置。它的低端即为继电逻辑控制器件的代用品，而其高端实际上是一种高性能的工业计算机控制系统。与普通
计算机相比，它具有更强的工业过程接口，更直接地适用于控制要求的编程语言，并具有可以在恶劣环境下运行等特点。
【PLC的基本组成可用图表示（见附图）】
1）中央处理器（CPU）: 中央处理器（CPU）是PLC控制系统的核心，它主要用来实现逻辑和算术运算，采用扫描的方式接受现场输入装置的状态或数据，并存入输入状态表或寄存器中，同时可诊断电源、内部电路的工作状态以及编程过程的语法错误。PLC运行时，中央处理器（CPU）从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号去指挥整个系统工作。
目前大型PLC多采用双极型位片式处理器或16位微处理器，甚至32位超级微处理器作为其中中央处理器（CPU）;而中、小型PLC 的中央处理器主要选用8位通用微处理器，微型PLC的中央处理器（CPU）则都使用单片机。
2）存储器：存储器用来存放监控程序、功能子程序、调用管理程序和用户程序及数据等。
目前使用的存储器主要有CMOS、RAM、EPROM、E2PROM。CMOSRAM是一种动态存储器。在PLC中通常用来存储那些经常发生变化的程序和数据。为了防止因失电源掉电而造成的数据丢失，一般使用专用电池作为其后备电池。EPROM, E2PROM属于半导体静态储存器，读取容易，但要在线刷新则较麻烦。这种储存器的优点在于不需要电池后备，数据不容易丢失。PLC中通常用它来储存不需要更改的程序和数据。
3）输入/输出（I/O）接口：将工业过程信号与中央处理器（CPU）联系起来的装置称为输入/输出（I/O）接口。它通常包括数字量（I/O）和模拟量（I/O）。数字量输入接口将工业过程中的状态信号转换成符合计算机电平的内部信号供中央处理器（CPU）识别。数字量输出接口则将内部电平信号转换成外部过程状态信号。模拟量输入接口将工业过程中可连续变化的信号转换成中央处理器（CPU）可识别的数字信号。模拟量输出接口则将中央处理器（CPU）内部的数字量信号转换成工业过程中可连续变化的信号。传统的接口概念是指一种能实现电平转换的电路。由于智能输入/输出（I/O）接口的出现，使这一概念发生了变化。这些智能输入/输出（I/O）接口带有自身的处理器系统，它们本身就是一台计算机。它们使PLC使用更为灵活，功能更为强大。
4）通讯接口：目前一般的PLC均配有通讯接口，用来实现“人－机”或“机－机”对话。这类通讯接口是实现多级多机PLC网络控制系统的硬件基础。它使得PLC可以完成整个工厂的自动化控制任务。
PLC所配通讯接口一般为标准型如：RS-232C、RS-422或RS-485等。一台PLC可以配一个或多个通讯接口以完成不同的任务。
5）编程器：PLC最大的优点是可以在不改变硬件的条件下，通过调整程序（软件）来改变控制动作。而编程器正是用来编辑程序并使之下载至PLC的装置。编程器除了用来编写、输入、调试用户程序外，还可以用来完成对现场工业过程的监视。它实际上也是一种“人
机”接口。
编程器可分为专用型和通用型两种。专用型一般带LED或LCD 显示器，较为简单的键盘，体积小且轻便，适于编写小程序或对已经编好的程序进行调试。通用型编程器一般为普通个人计算机配以专用软件。由于有丰富的软件支持和完善的存储手段，可以用来编写大型程序。
6）电源：PLC作为一种面向恶劣工业现场环境的控制装置其电源必须能够抑制工业现场的电干扰和磁干扰。
PLC的电源一般来源于220V交流电源。使用带屏蔽的变压器使电源内部与电网隔离开来，防止外界电磁干扰对它的影响。电路形式一般有串联稳压电源开关稳压电源两种。使用效果都比较好。
（2）单、多回路调节器是简单的计算机闭环控制系统。其功能是用来实现工业过程中某一或多个回路的自动控制。
在过去的很长一段时间内，模拟式控制仪表是生产过程自动控制的主要手段，它具有运行容易、操作方便、价格便宜的优点，因而受到用户的欢迎。随着计算机数字技术的发展，模拟式控制仪表逐渐显示出它的不足。主要表现在控制精度差，功能不全，难以实现程序、前馈控制、纯滞后控制等。特别是不能与计算机网络相连接。这些不足促使了以微处理器为核心的数字式控制仪表逐步取代模拟式控制仪表。单、多回路调节器亦属于这类控制仪表。它既可以单独使用，实现某一回路的自动控制，也可以用来构筑分散式控制系统的低端，实现整个生产过程的自动控制。
