計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)李江全石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院電氣工程系2009年11月——計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1．滿足工藝要求在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)滿足生產(chǎn)過(guò)程所提出的各種要求及性能指標(biāo)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化服務(wù)的，因此設(shè)計(jì)之前必須對(duì)工藝過(guò)程有一定的熟悉和了解，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該和工藝人員密切結(jié)合，才能設(shè)計(jì)出符合生產(chǎn)工藝要求和性能指標(biāo)的測(cè)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)所達(dá)到的性能指標(biāo)不應(yīng)低于生產(chǎn)工藝要求，但片面追求過(guò)高的性能指標(biāo)而忽視設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)上的可能性也是不可取的。

2．可靠性要高

系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在現(xiàn)代生產(chǎn)和管理中，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)起著非常重要的作用，其安全可靠性，直接影響到生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常都是工作在比較惡劣的環(huán)境之中，各種干擾會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響，各種環(huán)境因素（如粉塵、潮濕、震動(dòng)等）也是對(duì)系統(tǒng)的考驗(yàn)。而計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)所控制的對(duì)象往往都是比較重要的，一旦發(fā)生故障，輕則影響生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失；重則會(huì)造成重大的人身傷亡事故，產(chǎn)生重大的社會(huì)影響。

所以，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總是應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)的可靠性放在第一位，以保證生產(chǎn)安全、可靠和穩(wěn)定地運(yùn)行。

3．操作性能要好

一個(gè)好的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)該人機(jī)界面好、方便操作、運(yùn)行，易于維護(hù)。操作方便主要體現(xiàn)在操作簡(jiǎn)單、顯示畫面形象直觀，有較強(qiáng)的人機(jī)對(duì)話能力，便于掌握。在考慮操作先進(jìn)性的同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)要真正做到以人為本，盡可能地為使用者考慮，兼顧操作人員的習(xí)慣，降低對(duì)操作人員專業(yè)知識(shí)的要求，使他們能在較短時(shí)間內(nèi)熟悉和掌握操作方法，不要強(qiáng)求操作人員掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)后才能操作。對(duì)于人機(jī)界面可以采用CRT、LCD或者是觸摸屏，使得操作人員可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種情況一目了然。

維護(hù)方便主要體現(xiàn)在易于查找故障、排除故障。為此，需要在硬件和軟件設(shè)計(jì)中綜合考慮。在硬件方面，宜采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模板式結(jié)構(gòu)，并能夠帶電插拔，便于及時(shí)查找并更換故障模板；模板上應(yīng)配置工作狀態(tài)指示燈和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，便于檢修人員檢查與維護(hù)。在軟件方面，設(shè)置檢測(cè)、診斷與恢復(fù)程序，用于故障查找和處理。

從軟件角度而言，要配置查錯(cuò)程序和診斷程序，以便在故障發(fā)生時(shí)能用程序幫助查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時(shí)間；在硬件方面，從零部件的排列位置，部件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化以及能否帶電插拔等諸多因素都要通盤考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡量方便用戶，簡(jiǎn)化操作規(guī)程，如面板上的控制開關(guān)不能太多、太復(fù)雜等。

4．實(shí)時(shí)性要強(qiáng)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能及時(shí)地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計(jì)算機(jī)處理的事件一般分為兩類：一類是定時(shí)事件，如數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，運(yùn)算控制等，對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置時(shí)鐘，保證定時(shí)處理；另一類是隨機(jī)事件，如事故報(bào)警等，對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急預(yù)先分配中斷級(jí)別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。

通用性是指所設(shè)計(jì)出的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)能根據(jù)各種不同設(shè)備和不同控制對(duì)象的控制要求，靈活擴(kuò)充、便于修改。工業(yè)控制的對(duì)象千差萬(wàn)別，而計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的研制開發(fā)又需要有一定的投資和周期。一般來(lái)說(shuō)，不可能為一臺(tái)裝置或一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程研制一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，常常是設(shè)計(jì)或選用通用性好的計(jì)算機(jī)測(cè)控裝置靈活地構(gòu)成系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備和控制對(duì)象有所變更時(shí)，或者再設(shè)計(jì)另外一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，通用性好的系統(tǒng)一般稍作更改或擴(kuò)充就可適應(yīng)。

5．通用性要好計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：一是硬件設(shè)計(jì)方面，首先應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板或功能模塊，并留有一定的冗余，當(dāng)需要擴(kuò)充時(shí)，只需增加相應(yīng)功能的通道或模板就能實(shí)現(xiàn)。二是軟件方面，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時(shí)盡量不進(jìn)行二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。

6．經(jīng)濟(jì)效益要高在滿足計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低成本，保證為用戶帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)在兩方面：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能價(jià)格比要盡可能的高，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量采用物美廉價(jià)的元器件；二是投入產(chǎn)出比要盡可能的低，應(yīng)該從提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、消除污染、改善勞動(dòng)條件等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。另外，要有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，盡量縮短開發(fā)設(shè)計(jì)周期，以降低整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用，使新產(chǎn)品盡快進(jìn)入市場(chǎng)。

7．開發(fā)周期要短

如果計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使用戶無(wú)法盡快地收回投資，影響了經(jīng)濟(jì)效益的提高；而且，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展非常快，只要幾年的時(shí)間原有的技術(shù)就會(huì)變得過(guò)時(shí)。設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，等于縮短了系統(tǒng)的使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，如何盡可能地使用成熟的技術(shù)，對(duì)于關(guān)鍵的元部件或軟件，不是萬(wàn)不得已就不要自行開發(fā)。

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施步驟

1．可行性研究階段開發(fā)者要根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，按照企業(yè)的經(jīng)濟(jì)能力、未來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行后可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、企業(yè)的管理要求、人員的素質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)行的成本等多種要素進(jìn)行分析?？尚行苑治龅慕Y(jié)果最終是要確定：使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)能否給企業(yè)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這里要指出的是，不顧企業(yè)的經(jīng)濟(jì)能力和技術(shù)水平而盲目地采用最先進(jìn)的設(shè)備是不可取的。

2．初步設(shè)計(jì)階段

也可以稱為總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是進(jìn)入實(shí)質(zhì)性設(shè)計(jì)階段的第一步，也是最重要和最為關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞會(huì)直接影響整個(gè)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的成本、性能、設(shè)計(jì)和開發(fā)周期等。在這個(gè)階段，首先要進(jìn)行比較深入的工藝調(diào)研，對(duì)被控對(duì)象的工藝流程有一個(gè)基本的了解，包括要測(cè)控的工藝參數(shù)的大致數(shù)目和測(cè)控要求、測(cè)控的地理范圍的大小、操作的基本要求等。然后初步確定未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)要完成的任務(wù)，寫出設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書，提出系統(tǒng)的控制方案，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。

3．詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

詳細(xì)設(shè)計(jì)是將總體設(shè)計(jì)具體化。首先要進(jìn)行詳盡的工藝調(diào)研，然后選擇相應(yīng)的傳感器、變送器、執(zhí)行器、I/O通道裝置以及進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。對(duì)于不同類型的設(shè)計(jì)任務(wù)，則要完成不同類型的工作。如果是小型的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，硬件和軟件都是自己設(shè)計(jì)和開發(fā)；此時(shí)，硬件的設(shè)計(jì)包括電氣原理圖的繪制、元器件的選擇、印刷線路板的繪制與制作；軟件的設(shè)計(jì)則包括工藝流程圖的繪制、程序流程圖的繪制、將一個(gè)個(gè)模塊編寫成對(duì)應(yīng)的程序等。

4．系統(tǒng)實(shí)施階段

要完成各個(gè)元器件的制作、購(gòu)買、安裝；進(jìn)行軟件的安裝和組態(tài)以及各個(gè)子系統(tǒng)之間的連接等工作。

5．系統(tǒng)的調(diào)試（測(cè)試）階段

通過(guò)整機(jī)的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修改，例如檢查各個(gè)元部件安裝是否正確，并對(duì)其特性進(jìn)行檢查或測(cè)試；檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾能力等。調(diào)試成功后，還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行，其目的是通過(guò)連續(xù)不停機(jī)的運(yùn)行來(lái)暴露問(wèn)題和解決問(wèn)題。

6．系統(tǒng)運(yùn)行階段

該階段占據(jù)了系統(tǒng)生命周期的大部分時(shí)間，系統(tǒng)的價(jià)值也是在這一階段中得到體現(xiàn)。在這一階段應(yīng)該有高素質(zhì)的使用人員，并且嚴(yán)格按照章程進(jìn)行操作，盡可能地減少故障的發(fā)生。

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

確定計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)總體方案是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵而重要的一步?？傮w方案的好壞，直接影響到整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的成本、性能、實(shí)施細(xì)則和開發(fā)周期等?？傮w方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的工藝要求確定。為了設(shè)計(jì)出一個(gè)切實(shí)可行的總體方案與實(shí)施方案，設(shè)計(jì)者必須深入了解生產(chǎn)過(guò)程，分析工藝流程及工作環(huán)境，熟悉工藝要求，確定系統(tǒng)的測(cè)控目標(biāo)與任務(wù)。盡管被控對(duì)象多種多樣，工藝要求各不相同，在總體方案設(shè)計(jì)中還是有一定共性。

1．工藝調(diào)研

1）調(diào)研的任務(wù)

2）形成調(diào)研報(bào)告和初步方案

3）形成總體設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告

2．硬件總體方案設(shè)計(jì)

1）確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型

2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇

4）其他方面的考慮

3．軟件總體方案設(shè)計(jì)

軟件總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是確定軟件平臺(tái)、軟件結(jié)構(gòu)，任務(wù)分解，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略和控制算法等。在軟件設(shè)計(jì)也應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計(jì)方法，自上而下或自下而上地畫出軟件結(jié)構(gòu)方框圖，逐級(jí)細(xì)化，直到能清楚地表達(dá)出控制系統(tǒng)所要解決的問(wèn)題為止。

在確定系統(tǒng)總體方案時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件功能的劃分要做統(tǒng)一的綜合考慮，因?yàn)橐恍┛刂乒δ芗饶苡捎布?shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)，如計(jì)數(shù)、邏輯控制等。采用何種方式比較合適，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)性要求及整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比綜合比較后確定。4．系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體方案是硬件總體方案和軟件總體方案的組合體。

系統(tǒng)的總體方案反映了整個(gè)系統(tǒng)的綜合情況，要從正確性、可行性、先進(jìn)性、可用性和經(jīng)濟(jì)性等角度來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體方案。

作為總體方案的一部分，設(shè)計(jì)者還應(yīng)提供對(duì)各子系統(tǒng)功能檢測(cè)的一些測(cè)試依據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于較大的系統(tǒng)，還要編制專門的測(cè)試規(guī)范。

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

選擇系統(tǒng)總線

1．內(nèi)總線選擇

內(nèi)總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各組成部分之間進(jìn)行通信的總線，按功能分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線四部分，每種型號(hào)的計(jì)算機(jī)都有自身的內(nèi)部總線。

2．外總線選擇

外總線是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其他智能設(shè)備之間或智能外設(shè)之間進(jìn)行通信的連線集合，它包括IEEE-488并行通信總線和RS-232C串行通信總線；對(duì)于遠(yuǎn)距離通信、多站點(diǎn)互聯(lián)通信，還有RS-422和RS-485通信總線。

選擇主機(jī)

如果控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較好，對(duì)可靠性的要求又不是特別高，可以選擇普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)，否則還是選擇工控機(jī)為宜。在主機(jī)的配置上，以留有余地、滿足需要為原則，不一定要選擇最高檔的配置。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，可供選擇的微機(jī)有許多系列和種類。選擇微機(jī)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。

1．字長(zhǎng)

2．速度

3．中斷系統(tǒng)

4．輸入輸出通道

選擇輸入輸出板卡

1．選擇模擬量輸入輸出板卡

對(duì)與模擬量輸入板卡，一般都有單端輸入與雙端輸入兩種選擇，以采用雙端輸入為好，以提高抗干擾能力。對(duì)模擬輸入通道的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)要求：

1）能滿足生產(chǎn)工藝需要的轉(zhuǎn)換精度，這主要體現(xiàn)在A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和精度上；

2）要有較強(qiáng)的抗干擾能力。2．選擇數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出板卡

PCI總線I/O接口板卡多種多樣，通?？梢苑譃門TL電平的開入開出和帶光電隔離的開入開出。通常和工業(yè)控制機(jī)共地裝置的接口可以采用TTL電平，而其他裝置與工業(yè)控制機(jī)之間則采用光電隔離。

在采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)中，輸入輸出板卡可根據(jù)需要組合，不管哪種類型的系統(tǒng)，其板卡的選擇與組合均由生產(chǎn)過(guò)程的輸入?yún)?shù)和輸出控制通道的種類和數(shù)量來(lái)確定。選擇傳感器和變送器

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，首先要實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)，這個(gè)任務(wù)是由檢測(cè)儀表來(lái)完成的，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體要求、工藝過(guò)程信號(hào)的檢測(cè)原理、安裝環(huán)境等諸多因素選擇合適的檢測(cè)儀表。傳感器和變送器均屬于檢測(cè)儀表。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)被測(cè)參數(shù)的種類、量程、精度、被測(cè)對(duì)象的介質(zhì)類型和環(huán)境來(lái)選擇傳感器和變送器的具體型號(hào)。

選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)工作原理可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓三種類型。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、使用可靠、維護(hù)容易、防火防爆等優(yōu)點(diǎn)；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有體積小、種類多、使用方便、響應(yīng)速度快，與計(jì)算機(jī)接口容易等優(yōu)點(diǎn)；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是輸出功率大、能傳送大扭矩和較大推力，控制和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，方便省力等。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如對(duì)于要實(shí)現(xiàn)連續(xù)的精確的控制，必須選用氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而對(duì)于要求不高的控制系統(tǒng)可選用電磁閥。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制的最后一道環(huán)節(jié)，必須考慮環(huán)境要求、行程范圍、驅(qū)動(dòng)方式、調(diào)節(jié)介質(zhì)、防爆等級(jí)等方面的因素。控制操作面板設(shè)計(jì)

控制操作面板也稱為控制操作臺(tái)，是人機(jī)對(duì)話的紐帶，也是微機(jī)控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備。根據(jù)具體情況，操作面板可大可小，大到可以是一個(gè)龐大的操作臺(tái)，小到只是幾個(gè)功能鍵和開關(guān)，如智能儀器中，操作面板都比較小。不同系統(tǒng)，操作面板可能差異很大，所以一般需要根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循安全可靠、使用方便、操作簡(jiǎn)單、板面布局適宜美觀、符合人性工程學(xué)要求的原則。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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、監(jiān)視、控制、計(jì)算和自診斷等。軟件是計(jì)算機(jī)的中樞神經(jīng)，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的，決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的功能強(qiáng)弱。軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。測(cè)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的要求

1．實(shí)時(shí)性由于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)是實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，即能夠在被控對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)完成對(duì)系統(tǒng)的控制、計(jì)算和處理等任務(wù)，尤其是對(duì)于多回路系統(tǒng)，更應(yīng)高度重視控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。為此，除在硬件上采取必要的措施外，還應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)上加以考慮，提高軟件的響應(yīng)和處理速度。

為了提高軟件的實(shí)時(shí)性，可以從以下幾個(gè)方面考慮：對(duì)于應(yīng)用軟件中實(shí)時(shí)性要求高的部分，可使用匯編語(yǔ)言；運(yùn)用編程技巧可以提高處理速度；對(duì)于那些需要隨機(jī)間斷處理的任務(wù)可采用中斷系統(tǒng)來(lái)完成；在滿足要求的前提下，應(yīng)盡量降低采樣頻率，以減輕整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

2．靈活性和通用性

在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省內(nèi)存和具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，通常要求有一定的靈活性和通用性。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)要做到以下幾點(diǎn)：程序的模塊化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)；盡量將共用的程序編寫成子程序；另外要求系統(tǒng)容量的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)功能的可擴(kuò)充性。

3.可靠性和容錯(cuò)性

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，不僅取決于硬件可靠性，而且還取決于軟件的可靠性，兩者的可靠性同等重要。為確保軟件的可靠性，可從下面幾方面考慮：在軟件設(shè)計(jì)中采用模塊化的結(jié)構(gòu)，有利于排錯(cuò)；設(shè)置檢測(cè)與診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)處理；采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)等。

4．有效性和針對(duì)性

有效性是指對(duì)系統(tǒng)主要資源的使用效率。這些資源主要包括CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、遠(yuǎn)程通信等。在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分利用系統(tǒng)資源，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，提高軟件運(yùn)行效率。由于應(yīng)用程序是針對(duì)一個(gè)具體系統(tǒng)，因此應(yīng)根據(jù)具體系統(tǒng)的要求和特性來(lái)設(shè)計(jì)，選用合適的算法。

5．可維護(hù)性

可維護(hù)性是指軟件能夠被理解、檢查、測(cè)試、校正、適應(yīng)和改進(jìn)的難易程度。所設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)該易于維護(hù)、測(cè)試，便于理解、改進(jìn)。為此，應(yīng)按照軟件工程的要求，在軟件編制設(shè)計(jì)中，應(yīng)使程序具有良好的程序結(jié)構(gòu)，易于閱讀，便于理解。加入適當(dāng)?shù)淖⑨?，以閱讀和理解源程序。

工業(yè)測(cè)控軟件的功能

1．?dāng)?shù)據(jù)輸入／輸出及報(bào)警檢測(cè)功能過(guò)程數(shù)據(jù)輸入／輸出是測(cè)控軟件的基本功能。數(shù)據(jù)輸入包括來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換值、讀數(shù)值、狀態(tài)值等以及來(lái)自控制臺(tái)的各種輸入值（如設(shè)定值、報(bào)警限等）。數(shù)據(jù)輸出包括送往現(xiàn)場(chǎng)的控制量、控制邏輯信號(hào)以及送往控制臺(tái)的各種指示信號(hào)。

2．回路控制功能

回路控制是測(cè)控軟件最重要的功能。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本任務(wù)和周期性任務(wù)就是根據(jù)設(shè)定值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值獲得偏差信號(hào)，由偏差信號(hào)經(jīng)一定控制算法獲得輸出控制量，并將該控制量送往執(zhí)行器，通過(guò)調(diào)節(jié)物料流量或能量，使控制對(duì)象的被控量逼近系統(tǒng)的目標(biāo)值（設(shè)定值）。由于信號(hào)的輸入、輸出構(gòu)成了一個(gè)環(huán)路，且控制過(guò)程是周期性的，因此稱之為回路控制。一個(gè)系統(tǒng)有多少個(gè)控制點(diǎn)就有多少個(gè)控制回路，檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)目至少等于控制回路的數(shù)目。

3．畫面顯示功能

不同的測(cè)控系統(tǒng)所要求的顯示畫面是不同的。但畫面的種類大體包括總貌顯示畫面、棒圖顯示畫面、細(xì)目顯示畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面、歷史趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面、回路控制畫面、參數(shù)總表畫面、操作記錄畫面、事故追憶畫面及工藝流程畫面等。

4．報(bào)表功能

報(bào)表的種類是多種多樣的，不同的測(cè)控系統(tǒng)、不同的用戶對(duì)報(bào)表的格式有不同的要求。但根據(jù)報(bào)表的打印啟動(dòng)方式來(lái)看，主要有定時(shí)報(bào)表、隨機(jī)報(bào)表和條件報(bào)表等。時(shí)報(bào)表、班報(bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表及年報(bào)表均視為定時(shí)報(bào)表，定時(shí)報(bào)表在定時(shí)時(shí)間到點(diǎn)時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)打印輸出。隨機(jī)報(bào)表可由操作人員隨時(shí)啟動(dòng)報(bào)表打印輸出；條件報(bào)表則只有條件滿足時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)打印操作，如：出現(xiàn)某個(gè)事故或報(bào)警信號(hào)時(shí)，自動(dòng)打印有關(guān)數(shù)據(jù)。

5．系統(tǒng)生成功能

專用的測(cè)控軟件一般不具有系統(tǒng)生成功能，而一個(gè)通用的測(cè)控軟件往往具有系統(tǒng)生成功能。系統(tǒng)生成功能即系統(tǒng)組態(tài)功能，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)生成、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)生成、圖形生成、報(bào)表生成、順序控制生成及連續(xù)控制生成等諸多子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫(kù)生成子系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)記錄編輯、數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)記錄打印、數(shù)據(jù)庫(kù)記錄轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫(kù)記錄連接等多項(xiàng)功能，通用測(cè)控軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)往往可以和市面上的主流數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和電子表格軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

歷史庫(kù)生成子系統(tǒng)具有歷史記錄的編輯、歷史執(zhí)行記錄的生成、歷史庫(kù)與實(shí)時(shí)點(diǎn)的連接等功能；

圖形生成子系統(tǒng)具有流程圖背景畫面編輯、顯示畫面編輯、實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)及歷史顯示點(diǎn)的編輯以及動(dòng)畫的編輯等功能，許多通用的測(cè)控軟件往往將商用圖形制作工具作為圖形子系統(tǒng)，測(cè)控軟件實(shí)際上只提供了圖形格式識(shí)別功能。也有的組態(tài)軟件提供了自己的圖形生成子系統(tǒng)和常用的圖庫(kù)，如組態(tài)王就是這樣的軟件。

報(bào)表生成子系統(tǒng)能生成各種格式的報(bào)表和各種打印條件的報(bào)表，有的組態(tài)軟件提供的報(bào)表系統(tǒng)和商用表格軟件的數(shù)據(jù)格式兼容，比如許多報(bào)表系統(tǒng)生成的報(bào)表和EXCEL兼容。

順序控制生成子系統(tǒng)提供邏輯控制、順序控制生成功能，并能夠以梯形圖、文本語(yǔ)言進(jìn)行編輯和組態(tài)。

連續(xù)控制生成子系統(tǒng)提供單回路控制、多回路控制、解耦控制、最優(yōu)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)等多種控制策略，并能夠以框圖方式、表格方式和文本方式等進(jìn)行回路組態(tài)和編輯。

6．通訊功能

運(yùn)行在單機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)控軟件一般不具有通訊功能，即使有通訊功能，也只是為擴(kuò)充系統(tǒng)所作的考慮。運(yùn)行在多機(jī)系統(tǒng)的測(cè)控軟件必須具有通訊功能。多機(jī)控制系統(tǒng)往往又是二級(jí)或多級(jí)控制系統(tǒng)。上位機(jī)與上位機(jī)之間一般采用通用的網(wǎng)絡(luò)通信，如以太網(wǎng)、TCP／IP協(xié)議等。上位機(jī)與下位機(jī)之間一般都采用RS-485總線式通訊網(wǎng)絡(luò)或具有實(shí)時(shí)性的通訊網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議，以確?？刂乒δ艿膶?shí)時(shí)性和可靠性。

7.其它功能控制策略：為控制系統(tǒng)提供可供選擇的控制策略方案；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢；系統(tǒng)保護(hù)：自診斷、掉電處理、備用通道切換和為提高系統(tǒng)可靠性、維護(hù)性采取的措施；

數(shù)據(jù)共享：具有與第三方程序的接口，方便數(shù)據(jù)共享。

工業(yè)測(cè)控軟件的種類

工控軟件有單任務(wù)和多任務(wù)兩大類。單任務(wù)工控軟件完成的任務(wù)比較簡(jiǎn)單或程序所執(zhí)行的任務(wù)是預(yù)先安排好的，這種單任務(wù)工控軟件也可以引入中斷處理程序。多任務(wù)工控軟件比較復(fù)雜，系統(tǒng)并行地運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，分別處理不同的事件，并以某種方式分時(shí)占用計(jì)算機(jī)資源。多任務(wù)工控軟件往往需要多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，由操作系統(tǒng)來(lái)完成多任務(wù)的調(diào)度工作。

工控軟件又分為專用和通用兩大類。專用控制軟件針對(duì)某個(gè)特定的控制系統(tǒng)而研制，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)、控制回路數(shù)、控制策略、顯示畫面以及報(bào)表功能都是相對(duì)固定，無(wú)法做大的改動(dòng)。通用控制軟件也稱之為組態(tài)軟件，它不針對(duì)具體的控制對(duì)象，而是提供一種開發(fā)平臺(tái)，使設(shè)計(jì)者能快速地根據(jù)不同的控制對(duì)象構(gòu)成具體的控制系統(tǒng)。

工業(yè)測(cè)控軟件的模塊結(jié)構(gòu)

1）數(shù)據(jù)采集及處理模塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序，主要是完成多路信號(hào)（包括模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量和脈沖量）的采樣、輸入變換、存儲(chǔ)等；數(shù)據(jù)處理程序，包括：數(shù)字濾波程序，用來(lái)濾除干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)；線性化處理程序，對(duì)檢測(cè)元件或變送器的非線性用軟件補(bǔ)償；標(biāo)度變換程序，把采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程量；數(shù)字信號(hào)采集與處理程序，對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行采集及碼制之間的轉(zhuǎn)換

2）控制模塊

控制算法程序是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)核心程序模塊，主要實(shí)現(xiàn)所選控制規(guī)律的計(jì)算，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制量。它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種各樣的控制算法和千差萬(wàn)別的被控對(duì)象的具體情況來(lái)編寫，控制程序的主要目標(biāo)是滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。常用的有數(shù)字式PID調(diào)節(jié)控制程序、最優(yōu)控制算法程序、順序控制及插補(bǔ)運(yùn)算程序等。還有運(yùn)行參數(shù)設(shè)置程序，對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3）監(jiān)控報(bào)警模塊

由采樣讀入的數(shù)據(jù)或經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視；根據(jù)控制策略，判斷是否超出工藝參數(shù)的范圍，計(jì)算機(jī)要加以判別，如果超越了限定值，就需要由計(jì)算機(jī)或操作人員采取相應(yīng)的措施，實(shí)時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制，或輸出其它有關(guān)信號(hào)，如報(bào)警信號(hào)等，確保生產(chǎn)的安全。

4）系統(tǒng)管理模塊

首先用來(lái)將各個(gè)功能模塊程序組織成一個(gè)程序系統(tǒng)，并管理和調(diào)用各個(gè)功能模塊程序；其次用來(lái)管理數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)和輸出。系統(tǒng)管理程序一般以文字菜單和圖形菜單的人-機(jī)界面技術(shù)來(lái)組織、管理和運(yùn)行系統(tǒng)程序。

5）數(shù)據(jù)管理模塊這部分程序用于生產(chǎn)管理部分，主要包括變化趨勢(shì)分析、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表，打印輸出、數(shù)據(jù)操作、生產(chǎn)調(diào)度及庫(kù)存管理等程序。

分為兩部分：人機(jī)對(duì)話程序包括顯示、鍵盤、指示等程序；畫面顯示程序包括用圖、表及曲線在CRT屏幕上形象地反映生產(chǎn)狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控程序等。

6)人機(jī)交互模塊

7）數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信程序是用于完成計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備之間大信息傳遞和交換。它的主要功能有：設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的波特率（速率）；上位機(jī)向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送機(jī)號(hào)；上位機(jī)接收和判斷數(shù)據(jù)采集站發(fā)回的機(jī)號(hào)；命令相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站傳送數(shù)據(jù)；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)采集站傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)流程1）需求分析

2）程序說(shuō)明

3）軟件設(shè)計(jì)

4）軟件編碼

5）軟件測(cè)試與調(diào)試

6）軟件維護(hù)

1）需求分析需求分析是分析用戶的要求，主要是確定待開發(fā)軟件的功能、性能、數(shù)據(jù)、界面等要求。系統(tǒng)的功能要求，即列出應(yīng)用軟件必須完成的所有功能；系統(tǒng)的性能要求，如響應(yīng)時(shí)間、處理時(shí)間、振蕩次數(shù)、超調(diào)量等；數(shù)據(jù)要求，如采集量、導(dǎo)出量、輸出量、顯示量等，確定數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系等；系統(tǒng)界面要求描述了系統(tǒng)的外部特性；系統(tǒng)的運(yùn)行要求，如對(duì)硬件、支撐軟件、數(shù)據(jù)通信接口等的要求；安全性、保密性和可靠性方面的要求；異常處理要求，即在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常情況時(shí)應(yīng)采取的行動(dòng)及需顯示的信息。

2）程序說(shuō)明

根據(jù)需求分析，編寫程序說(shuō)明文檔，作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)。其中一個(gè)重要的工作是繪制流程圖。我們可以把測(cè)控系統(tǒng)整個(gè)軟件分解為若干部分，它們各自代表了不同的分立操作，把這些不同的分立操作用方框表示，并按一定順序用連線連接起來(lái)，表示它們的操作順序。這種互相聯(lián)系的表示圖稱為功能流程圖。

3）軟件設(shè)計(jì)

可分為概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。概要設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定軟件的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模塊劃分，確定每個(gè)模塊的功能和模塊間的接口，以及全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)的任務(wù)是為每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)和局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。所有設(shè)計(jì)中的考慮都應(yīng)以設(shè)計(jì)說(shuō)明書的形式加以描述，以供后續(xù)工作使用。

4）軟件編碼

它的任務(wù)是用某種語(yǔ)言編寫程序。編寫程序可用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或各種高級(jí)語(yǔ)言。究竟采用何種語(yǔ)言則由程序長(zhǎng)度、測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求及所具備的研制工具而定。在復(fù)雜的系統(tǒng)軟件中，一般采用高級(jí)語(yǔ)言。對(duì)于規(guī)模不大的應(yīng)用軟件，大多用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫，因?yàn)閺臏p少存儲(chǔ)容量、降低器件成本和節(jié)省機(jī)器時(shí)間的觀點(diǎn)來(lái)看，這樣做比較合適。

5）軟件測(cè)試與調(diào)試測(cè)試是保證軟件質(zhì)量的重要手段，是微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的一步，其目的是為了在軟件引入測(cè)控系統(tǒng)之前，找出并改正邏輯錯(cuò)誤或與硬件有關(guān)的程序錯(cuò)誤。可利用各種測(cè)試方法檢查程序的正確性，發(fā)現(xiàn)軟件中的錯(cuò)誤，修改程序編碼，改進(jìn)程序設(shè)計(jì)，直至程序運(yùn)行達(dá)到預(yù)定要求為止。

文檔編制也是軟件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。它不僅有助于設(shè)計(jì)者進(jìn)行查錯(cuò)和測(cè)試，而且對(duì)程序的使用和擴(kuò)充也是必不可少的。如果文檔編得不好，不能說(shuō)明問(wèn)題，程序就難于維護(hù)、使用和擴(kuò)充。一個(gè)完整的應(yīng)用軟件文檔，一般應(yīng)包括流程圖、程序的功能說(shuō)明、所有參量的定義清單、存儲(chǔ)器的分配圖、完整的程序清單和注釋、測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試結(jié)果說(shuō)明。

6)文檔編制

軟件的維護(hù)是指軟件的修復(fù)、改進(jìn)和擴(kuò)充。當(dāng)軟件投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后，一方面可能會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，因而必須利用特殊的診斷方式和其他的維護(hù)手段，像維護(hù)硬件那樣修復(fù)各種故障；另一方面，用戶往往會(huì)由于環(huán)境或技術(shù)業(yè)務(wù)的變化，提出比原計(jì)劃更多的要求，因而需要對(duì)原來(lái)的應(yīng)用軟件進(jìn)行修改或擴(kuò)充，以適應(yīng)情況變化的需要。因此，一個(gè)好的應(yīng)用軟件，不僅要能夠執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)，而且在開始設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該考慮到維護(hù)和再設(shè)計(jì)的方便，使它具有足夠的靈活性、可擴(kuò)充性和可移植性。

7）軟件維護(hù)

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)方法

1）模塊化程序設(shè)計(jì)模塊化程序設(shè)計(jì)是把一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用軟件，分解為若干個(gè)功能模塊，形成模塊化層次結(jié)構(gòu)。頂層模塊調(diào)用它的下層模塊以實(shí)現(xiàn)完整功能，每個(gè)下層模塊再調(diào)用更下層的模塊，底層模塊完成最具體的功能。2）結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)采用自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法符合抽象和分解的原則，是解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)常用的方法。在設(shè)計(jì)一個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)算法時(shí)先考慮整體后考慮局部，先抽象后具體，通過(guò)逐步細(xì)化，最后得到詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)算法。

應(yīng)用軟件開發(fā)工具的選擇

編寫應(yīng)用程序首先面臨的一個(gè)問(wèn)題是選用什么語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序?？梢赃x用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言以及組態(tài)語(yǔ)言來(lái)編寫程序。

用匯編語(yǔ)言編寫的程序代碼針對(duì)性強(qiáng)，代碼長(zhǎng)度短，程序執(zhí)行速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且要求的硬件也少，但編程繁瑣，工作量大，調(diào)試?yán)щy，開發(fā)周期長(zhǎng)，通用性差，不便于交流推廣。高級(jí)語(yǔ)言通用性好，編程容易，功能多，數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力強(qiáng)，但實(shí)時(shí)性相對(duì)差些。匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。在程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)發(fā)揮匯編語(yǔ)言實(shí)時(shí)功能強(qiáng)、高級(jí)語(yǔ)言運(yùn)算能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，所以在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中，一般采用高級(jí)語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的方法，即用高級(jí)語(yǔ)言編寫數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、圖形繪制、顯示、打印、網(wǎng)絡(luò)管理程序等；用匯編語(yǔ)言編寫時(shí)鐘管理、中斷管理、輸入輸出、數(shù)據(jù)通信程序等。組態(tài)軟件

它是一種針對(duì)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的面向問(wèn)題的開發(fā)軟件，它為用戶提供了眾多的功能模塊，比如控制算法模塊（如PID）、運(yùn)算模塊（四則運(yùn)算、開方、最大值/最小值選擇、一階慣性、超前滯后、工程量變換、上下限報(bào)警等數(shù)十種）、計(jì)數(shù)/計(jì)時(shí)模塊、邏輯運(yùn)算模塊、輸入模塊、輸出模塊、打印模塊、CRT顯示模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需根據(jù)控制要求，選擇所需的模塊就能十分方便地生成系統(tǒng)控制軟件，因而軟件設(shè)計(jì)工作量大為減少。

工業(yè)控制軟件包是由控制專業(yè)公司開發(fā)的現(xiàn)成控制軟件產(chǎn)品，它具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊組合化、組態(tài)生成化等特點(diǎn)，通用性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性和可靠性高。利用工業(yè)控制軟件包和用戶組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)者可根據(jù)控制系統(tǒng)的需求來(lái)組態(tài)生成各種實(shí)際的應(yīng)用軟件。這種開發(fā)方式極大地方便了設(shè)計(jì)者，他們不必過(guò)多地了解和掌握如何編制程序的技術(shù)細(xì)節(jié)，只需要掌握工業(yè)控制軟件包和組態(tài)軟件的操作規(guī)程和步驟，就能開發(fā)、設(shè)計(jì)出符合需要的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件，從而大大縮短研制時(shí)間，也提高了軟件的可靠性。

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行可分為離線仿真與調(diào)試和在線調(diào)試與運(yùn)行兩個(gè)階段。離線仿真與調(diào)試一般是在實(shí)驗(yàn)室或非工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，而在線調(diào)試與運(yùn)行是在生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。離線仿真與調(diào)試是基礎(chǔ)，是檢查系統(tǒng)硬件和軟件的整體性能，為在線調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行做準(zhǔn)備?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行是對(duì)全系統(tǒng)的實(shí)際考驗(yàn)與檢查。圖9-3示出了系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行階段的工作流程。圖中硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、硬件與軟件統(tǒng)調(diào)（即系統(tǒng)仿真）和考機(jī)屬于離線仿真與調(diào)試階段，而現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、驗(yàn)收和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行屬于在線調(diào)試與運(yùn)行階段。1．硬件調(diào)試對(duì)于自行開發(fā)的硬件電路板，首先需要用萬(wàn)用表或邏輯測(cè)試筆逐步按照邏輯圖檢查電路板中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時(shí)為了保護(hù)集成芯片，先對(duì)各管座電位（或電源）進(jìn)行檢查，確定其無(wú)誤后再插入芯片。再根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明、設(shè)計(jì)要求和預(yù)定技術(shù)指標(biāo)對(duì)電路板功能進(jìn)行功能性檢查，測(cè)試其是否滿足要求。對(duì)于各種標(biāo)準(zhǔn)功能模板，應(yīng)按照說(shuō)明書要求檢查主要功能。在檢查過(guò)程中，最好利用仿真器或開發(fā)系統(tǒng)，有時(shí)需要編制一些短小有針對(duì)性的測(cè)試程序?qū)Ω鞴δ茈娐愤M(jìn)行分別測(cè)試，以檢測(cè)這些電路的正確性或存在的問(wèn)題。對(duì)于A/D和D/A模板首先檢查信號(hào)的零點(diǎn)和滿量程，然后再分欄檢查。比如滿量程的10％、25％、50％、75％、100％，并且上行和下行來(lái)回調(diào)試，以便檢查線性度是否合乎要求。如有多路開關(guān)板（或電路），還應(yīng)測(cè)試各通路是否能正確切換。檢查開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出模板，需利用開關(guān)量輸入和輸出程序來(lái)進(jìn)行。對(duì)于開關(guān)量的輸入，可在各輸入端加開關(guān)量信號(hào)，并讀入以檢查讀入狀態(tài)的正確性。對(duì)于開關(guān)量的輸出，運(yùn)行開關(guān)量輸出測(cè)試程序，在輸出端檢查（用萬(wàn)用表或在輸出端接測(cè)試信號(hào)器件電路）輸出狀態(tài)的正確性。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如溫度變送器、流量變送器、壓力變送器、差壓變送器、電壓變送器、電流變送器、功率變送器以及電動(dòng)或氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。這些儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須在安裝前按說(shuō)明書要求進(jìn)行校驗(yàn)。分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，需要測(cè)試其通信功能，檢查數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。實(shí)際硬件調(diào)試中，并非在硬件總裝后才進(jìn)行硬件系統(tǒng)調(diào)試，而是邊裝邊調(diào)試。2．軟件調(diào)試軟件測(cè)試一般安排在硬件調(diào)試之后。有了正確的硬件作保證，就很容易發(fā)現(xiàn)軟件的錯(cuò)誤。在軟件測(cè)試過(guò)程中，有時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)硬件故障。一般情況下，軟件測(cè)試后，硬件中的隱藏問(wèn)題大部分能被發(fā)現(xiàn)和糾正。

軟件一般有主程序、功能模塊和子程序。一般測(cè)試順序?yàn)樽映绦?、功能模塊和主程序。有些程序的測(cè)試比較簡(jiǎn)單，利用仿真器或開發(fā)系統(tǒng)提供的測(cè)試程序就可進(jìn)行測(cè)試。近年來(lái)出現(xiàn)一種所謂仿真軟件，可不用硬件直接在微機(jī)上測(cè)試匯編語(yǔ)言程序，待基本測(cè)試好以后，再移到硬件系統(tǒng)中去測(cè)試。這種軟件、硬件并行測(cè)試方法，可大大加快系統(tǒng)開發(fā)速度。一般與過(guò)程輸入/輸出通道無(wú)關(guān)的程序，如運(yùn)算模塊都可用開發(fā)裝置或仿真器的調(diào)試程序進(jìn)行測(cè)試，有時(shí)為了測(cè)試某些程序，可能還要編寫臨時(shí)性的輔助程序。一旦所有的子程序和功能模塊測(cè)試完畢，就可以用主程序?qū)⑺鼈冞B接在一起，進(jìn)行整體測(cè)試。整體測(cè)試的方法是自底向上逐步擴(kuò)大，首先按分支將模塊組合起來(lái)，以形成模塊子集，測(cè)試完各模塊子集，再將部分模塊子集連接起來(lái)進(jìn)行局部測(cè)試，最后進(jìn)行全局測(cè)試。這樣經(jīng)過(guò)子集、局部和全局三步測(cè)試，完成了整體測(cè)試工作。通過(guò)整體測(cè)試能夠把設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和隱含的缺陷暴霹出來(lái)，從而基本上消除了編程上的錯(cuò)誤，為以后的系統(tǒng)仿真測(cè)試和在線測(cè)試及運(yùn)行打下良好的基礎(chǔ)。3．系統(tǒng)仿真在硬件和軟件分別調(diào)試后，需要再進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，以進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)室條件下把存在的問(wèn)題充分暴露，并加以解決。硬、軟件統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)，就是通常所說(shuō)的“系統(tǒng)仿真”。所謂系統(tǒng)仿真就是應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來(lái)研究事物，也就是用模型來(lái)代替實(shí)際系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。系統(tǒng)仿真有以下三種類型：數(shù)字仿真（或稱計(jì)算機(jī)仿真）、全物理仿真（或稱為在模擬環(huán)境條件下的全實(shí)物仿真）、半物理仿真（或稱硬件閉路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)）。系統(tǒng)仿真應(yīng)該盡量采用全物理仿真或半物理仿真。試驗(yàn)條件或工作狀態(tài)越接近真實(shí)，其效果也就越好。對(duì)于純數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般可做到全物理仿真；而對(duì)于控制系統(tǒng)，全物理仿真幾乎不可能。因此，控制系統(tǒng)一般采用半物理仿真進(jìn)行試驗(yàn)。被控對(duì)象用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停〝?shù)學(xué)模型）來(lái)代替。不經(jīng)過(guò)系統(tǒng)仿真和各種試驗(yàn)，試圖在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中一舉成功是不實(shí)際的，往往會(huì)被現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作的現(xiàn)實(shí)所否定。4．考機(jī)在系統(tǒng)仿真結(jié)束后，還要進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。測(cè)控系統(tǒng)中有些問(wèn)題和缺陷在短時(shí)間運(yùn)行，可能不能暴露，只有長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行才能出現(xiàn)。因此，考機(jī)的目的是要在連續(xù)不停機(jī)的運(yùn)行中，暴露問(wèn)題和解決問(wèn)題，同時(shí)也是檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在考機(jī)過(guò)程中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的運(yùn)行條件和周圍環(huán)境，設(shè)計(jì)一些特殊運(yùn)行條件和外部干擾，以考驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和抗干擾能力。例如，可設(shè)計(jì)高溫和低溫劇變運(yùn)行試驗(yàn)；振動(dòng)和抗電磁干擾試驗(yàn)；電源電壓波動(dòng)、劇變，甚至掉電試驗(yàn)等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，它往往工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜，并且惡劣，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不可避免地受到各種各樣的干擾。這些干擾可能會(huì)影響到系統(tǒng)的控制精度，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行混亂和故障，進(jìn)而造成生產(chǎn)事故。

對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾是客觀存在的。干擾可能來(lái)自外部，也可能來(lái)自內(nèi)部；它可通過(guò)不同的途徑作用于控制系統(tǒng)，且其作用程度及引起的后果與干擾的性質(zhì)及干擾強(qiáng)度等有關(guān)。為了保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮抑制干擾問(wèn)題，并采取行之有效的抗干擾措施，以保證工業(yè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

干擾信號(hào)的來(lái)源

1．內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾是指控制系統(tǒng)內(nèi)部電子電路的各種干擾。主要來(lái)自：分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)線傳輸?shù)牟ǚ瓷洌帱c(diǎn)接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾以及電子元件內(nèi)部的熱噪聲等。2．外部干擾源外部干擾是指與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)無(wú)關(guān)的，由外界竄入到控制系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾，一般來(lái)自：電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，大型用電設(shè)備（天車、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)）的啟停，高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射，通信設(shè)備發(fā)出的電磁波以及傳輸電纜的共模干擾等。除此之外，太陽(yáng)和其他天體輻射的電磁波、雷電，甚至氣溫、濕度等氣象條件也會(huì)造成干擾。

干擾信號(hào)的種類

1．按干擾耦合的形式分類1）靜電干擾。靜電耦合是干擾電場(chǎng)通過(guò)電容耦合方式竄入其他回路中。在控制系統(tǒng)中，互容現(xiàn)象是很普遍的。兩根導(dǎo)線之間構(gòu)成電容；印刷電路板的印刷導(dǎo)線之間存在電容；變壓器的線匝之間和繞組之間也都會(huì)構(gòu)成電容。電容為信號(hào)的傳輸提供了一條通路，造成電場(chǎng)干擾信號(hào)。2）電磁干擾。在任何通電導(dǎo)體周圍空間都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且電流的變化必然引起磁場(chǎng)的變化，變化的磁場(chǎng)就要在其周圍閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁會(huì)引起干擾；在設(shè)備外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在很長(zhǎng)的一段區(qū)間架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生干擾。

3）漏電耦合干擾。漏電耦合又稱為電阻性耦合。當(dāng)相鄰的元件或?qū)Ь€間絕緣電阻降低時(shí)，有些信號(hào)便通過(guò)這個(gè)降低了的絕緣電阻耦合到信號(hào)傳送的輸入端而形成干擾。

4）共阻抗感應(yīng)干擾。在控制系統(tǒng)的回路之間不可避免地存在公共耦合阻抗。例如電源引線、匯流排等都具有一定的阻抗，對(duì)于多回路來(lái)說(shuō)就是一個(gè)公共阻抗，盡管數(shù)值很小，但當(dāng)流過(guò)較大電流時(shí)，其作用就像一根天線，將干擾信號(hào)引入各回路。2．按干擾的作用方式分類1）串模干擾信號(hào)串模干擾信號(hào)是指串聯(lián)于有用信號(hào)源回路之中的干擾，也稱橫向干擾或常態(tài)干擾。其表現(xiàn)形式如圖9-4所示。當(dāng)串模干擾的幅值與有用信號(hào)相接近時(shí)，系統(tǒng)就無(wú)法正常工作，即這時(shí)提供給微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重失真，甚至是錯(cuò)誤的。2）共模干擾信號(hào)

共模干擾信號(hào)是指由于對(duì)地電位的變化所形成的干擾信號(hào)，也稱為對(duì)地干擾、橫向干擾或不平衡干擾。共模干擾示意圖見(jiàn)圖9-5。

3）長(zhǎng)線傳輸干擾

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)到控制計(jì)算機(jī)以及控制計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的線路進(jìn)行信號(hào)傳輸，即長(zhǎng)線傳輸。對(duì)于高速信號(hào)傳輸?shù)木€路，即在高頻信號(hào)電路中，多長(zhǎng)的傳輸線可作為長(zhǎng)線，取決于電路信號(hào)頻率的大小，在有些情況下，可能1米左右的線就應(yīng)作為長(zhǎng)線看待。長(zhǎng)線傳輸干擾主要有：外界干擾；信號(hào)延時(shí)干擾；信號(hào)反射干擾。3．按干擾信號(hào)的性質(zhì)分類1）隨機(jī)干擾信號(hào)。隨機(jī)干擾信號(hào)是無(wú)規(guī)律的隨機(jī)性干擾信號(hào)，如突發(fā)性脈沖干擾信號(hào)，連續(xù)性脈沖干擾信號(hào)。2）周期干擾信號(hào)。屬于周期干擾信號(hào)的有交流聲、嘯叫、汽船聲等自激振蕩。4．按干擾源的類型分類1）外部干擾信號(hào)。外部干擾信號(hào)是指來(lái)源于系統(tǒng)外部、與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的的干擾源。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的外部干擾源種類繁多，干擾性強(qiáng)，隨機(jī)性大，主要有電源、用電設(shè)備、自然界的雷電、帶電的物體等。2）內(nèi)部干擾信號(hào)。內(nèi)部干擾信號(hào)是由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、線路設(shè)計(jì)、元器件性能變化和漂移等原因所形成的存在于系統(tǒng)內(nèi)部的干擾信號(hào)?？垢蓴_技術(shù)所謂抗干擾是指把竄入微機(jī)控制系統(tǒng)的干擾衰減到一定的強(qiáng)度以內(nèi)，保證系統(tǒng)能夠正常工作或者達(dá)到要求的測(cè)量控制精度。提高設(shè)備的抗干擾能力，必須從設(shè)計(jì)階段開始，要考慮到電磁兼容性（EMC）的設(shè)計(jì)。電磁兼容性設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，既不受周圍電磁干擾而能正常工作，又不對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生干擾。常用抗干擾技術(shù)主要有：濾波、接地、屏蔽、隔離、設(shè)置干擾吸收網(wǎng)絡(luò)及合理布線等。1．接地技術(shù)將電路、單元與充作信號(hào)電位公共參考點(diǎn)的一個(gè)等位點(diǎn)或等位面實(shí)現(xiàn)低阻抗連接，稱為接地。一個(gè)系統(tǒng)涉及到許多接地點(diǎn)，它對(duì)系統(tǒng)的工作性能有極大的影響。良好的接地處理有利于抑制干擾信號(hào)和穩(wěn)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，接地處理不當(dāng)則導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，甚至根本不能工作。接地的目的通常有兩個(gè)：一是為了安全，即安全接地；二是為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，并給高頻干擾提供低阻通路，即工作接地。

1）接地方式（1）安全接地：設(shè)備金屬外殼的接地。

（2）工作接地：信號(hào)回路接于基準(zhǔn)導(dǎo)體或基準(zhǔn)電位點(diǎn)。（3）屏蔽接地：電纜、變壓器的屏蔽層的接地。

2）浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)

3）交流地與直流地分開

4）模擬地與數(shù)字地分開

5）印刷電路板的地線安排

6）屏蔽地

2．屏蔽技術(shù)

1）電場(chǎng)屏蔽

2）電磁屏蔽

3）磁屏蔽

3．隔離技術(shù)

1）光電隔離

2）變壓器隔離

3）繼電器隔離

干擾信號(hào)的抑制

干擾是客觀存在的，為了減少干擾對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的影響，必須采取各種抗干擾措施，以保證系統(tǒng)能正常工作。抗干擾是一個(gè)綜合性問(wèn)題，涉及面較廣，既要盡可能地消除干擾源，遠(yuǎn)離干擾源，也要防止干擾信號(hào)的竄入，甚至干擾產(chǎn)生影響后的保護(hù)措施等。

1．串模干擾的抑制1）在信號(hào)電路中加裝濾波器

2）選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器

3）采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)

4）盡可能早地進(jìn)行前置放大或者盡可能早地完成模／數(shù)變換；或采用隔離和屏蔽等措施5）使用電流信號(hào)傳輸

6）使用數(shù)字信號(hào)輸出

7）對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行良好的電磁屏蔽；信號(hào)線應(yīng)選用帶有屏蔽層的雙絞線或同軸電纜線，并應(yīng)有良好的接地措施，

8）用光電耦合器隔離干擾；配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源等

2．共模干擾的抑制

1）可以選擇隔離技術(shù)，使共模干擾不能構(gòu)成回路2）采用浮空輸入法

3）模擬量輸入板卡或模塊的前置放大器采用差分輸入

4）使用較好的穩(wěn)壓電源

3．長(zhǎng)線傳輸中的抗干擾問(wèn)題

長(zhǎng)線傳輸一般選用同軸電纜或雙絞線，不宜選用一般平行導(dǎo)線。在電場(chǎng)干擾較強(qiáng)時(shí)可采用屏蔽雙絞線在用雙絞線作傳輸線時(shí)，應(yīng)注意；1）盡可能采用平衡式傳輸線路；2）若將雙絞線的一根接地，就變成非平衡的傳輸線路3）當(dāng)多根雙絞線一起敷設(shè)時(shí)，最好使用節(jié)距不同的雙絞線4．電源干擾的抑制

1）過(guò)程通道板卡上的每塊集成電路芯片的電源與地線引入端之間接一個(gè)容量為0.01∽0.1μF的去耦電容器

2）大功率器件和邏輯器件可以使用不同的電源

3）采用能抑制交流電源干擾的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源

4）微機(jī)用不間斷電源UPS5）當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電設(shè)備較多時(shí)，工控機(jī)系統(tǒng)控制柜電源應(yīng)該使用控制變壓器

5．軟件抗干擾措施

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，雖然采用了硬件抗干擾措施，但由于干擾的頻譜較廣，干擾的來(lái)源多和影響復(fù)雜，仍可能會(huì)有一些干擾進(jìn)入系統(tǒng)，并作用于輸入信號(hào)和系統(tǒng)。為此，在硬件抗干擾的基礎(chǔ)上，應(yīng)再采用軟件抗干擾措施，使兩者相互配合，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的可靠性。

1）數(shù)字濾波當(dāng)各種干擾信號(hào)的存在使被測(cè)信號(hào)中混入了無(wú)用成分時(shí)，可以采用濾波器濾掉信號(hào)中的無(wú)用成分，以提高信號(hào)質(zhì)量。濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種類型。模擬濾波器在低頻或甚低頻時(shí)實(shí)現(xiàn)是比較困難的，而數(shù)字濾波器則不存在這些問(wèn)題。它具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此在工控機(jī)控制系統(tǒng)中被廣泛用于克服隨機(jī)誤差。

常用的數(shù)字濾波包括一階慣性濾波、限幅濾波、中位值濾波、算術(shù)平均值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、加權(quán)滑動(dòng)平均濾波、復(fù)合濾波和卡爾曼濾波等。

2）數(shù)字信號(hào)的軟件抗干擾措施（1）輸入開關(guān)量信號(hào)的抗干擾對(duì)于開關(guān)量信號(hào)來(lái)說(shuō)，干擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短。利用這一特點(diǎn)，在采集某一開關(guān)量信號(hào)時(shí)，可多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致方為有效。若多次采集后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)警信號(hào)。對(duì)開關(guān)量信號(hào)的采集不能采用多次平均方法，而是比較兩次或