1．要設(shè)計(jì)工作安全可靠的微機(jī)控制裝置，必須善于對其裝置進(jìn)行故障分析，防患于未然
對整個(gè)系統(tǒng)而言，引起微機(jī)控制裝置故障的原因可分為兩個(gè)方面：一是裝置內(nèi)部自身產(chǎn)生的；二是不良的外界環(huán)境條件引起的。諸如不完善的微機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)、元器件的失效、焊接點(diǎn)的虛焊或脫焊、接插件的導(dǎo)電接觸面氧化或腐蝕、連接線的開路或短路等，都是引起裝置故障的內(nèi)部原因。而工作電源異常、電磁干擾、機(jī)械沖擊和振動等，則是引起故障的不良環(huán)境條件。根據(jù)故障的來源，還可把故障分為硬件故障和軟件故障兩大類。
(1)硬件故障是指元器件及其電路發(fā)生故障，它又可分為邏輯故障、參數(shù)故障、電源故障等。
1)邏輯故障是指電路中某個(gè)單元的輸出或輸入邏輯值與應(yīng)有值相反的故障，這類邏輯錯(cuò)誤主要是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過程中的工藝性錯(cuò)誤造成的。它包括各種錯(cuò)線、斷路、短路、碰線以及元器件失效，其中碰線是最常見也是最難于排除的故障。由于印制電路板的布線密度越來越高，工藝制作的失誤常常會造成引線與引線之間碰線。斷路常常是由于印制板上的金屬化孔制作不良，或接插件接觸不良而造成。元器件失效的原因有兩個(gè)方面：一是元器件本身損壞或性能差，如集成電路損壞，或速度、功率等技術(shù)參數(shù)不合格；二是組裝錯(cuò)誤造成元器件失效，如電容、二極管、三極管的極性接錯(cuò)，集成電路安裝方向顛倒等。
2)參數(shù)故障是指元器件某些參數(shù)的變化超出了允許范圍。這些參數(shù)包括元器件的特性參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。任何元器件的特性參數(shù)并非只有正常和失效兩個(gè)狀態(tài)，兩者之間還存在一個(gè)漸變過程。例如邏輯門的“閾值”電壓、驅(qū)動能力、交流特性，使用期間都有一個(gè)漸變過程。當(dāng)漸變到將近失效，就可能出現(xiàn)元器件間歇失效。此時(shí)系統(tǒng)的暫時(shí)性故障愈來愈多。
要查找間歇失效的元器件是比較困難的，往往要找很長時(shí)間，甚至要到元器件完全失效后才能找到。至于環(huán)境參數(shù)，指的是使用條件，如電源電壓、環(huán)境溫度、時(shí)鐘頻率等。使用不當(dāng)，超出允許范圍，自然會造成故障。
3)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)中，電源應(yīng)特別引起注意。常見的電源故障包括：電壓值不符合設(shè)計(jì)
要求或超過元器件工作電壓正常值；電源額定功率偏低，導(dǎo)致長期過載運(yùn)行；電源極性錯(cuò)誤；電源之間碰線；電源技術(shù)指標(biāo)(如紋波值、穩(wěn)壓性能等)不合格等。如果試制的樣機(jī)存在電源故障，則加電后很可能造成元器件損壞。由于地線或電源線配置不當(dāng)而引起器件之間的信號交聯(lián)，造成信號模糊，也可看作環(huán)境參數(shù)不合乎元器件的要求而造成的故障。一般可在元器件旁加上退耦電容以消除器件之間不應(yīng)有的交聯(lián)。
(2)軟件故障是指編制的程序有錯(cuò)誤。軟件故障包括程序運(yùn)行時(shí)對某些輸入量不能正確執(zhí)行，運(yùn)行結(jié)果出錯(cuò)，程序“走飛”(即進(jìn)入死循環(huán)或走人意想不到的空間)等。這些軟件故障有可能在系統(tǒng)總體安排階段形成，也可能在程序設(shè)計(jì)或程序指令化階段形成。從本質(zhì)上說，這是一種設(shè)計(jì)性故障。一般而言，樣機(jī)通過實(shí)驗(yàn)室聯(lián)機(jī)仿真，一個(gè)一個(gè)模塊進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，一定能找到程序出錯(cuò)的原因。可修改程序后再調(diào)試，直至排除故障為止。根據(jù)故障持續(xù)時(shí)間的不同，故障又可分為固定性故障和暫時(shí)性故障。①固定性故障是由電路元器件失效、內(nèi)部電路短路或斷路、環(huán)境參數(shù)不合要求、軟件有錯(cuò)誤等原因引起的，它的特點(diǎn)是故障連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)，在系統(tǒng)無自動切換等措施的情況下，只有人工切換、修理，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常；②暫時(shí)性故障是由電源電壓波動、電磁干擾、振動沖擊、元器件間歇失效、電路連接點(diǎn)虛焊等原因引起的偶然性故障，它的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短，隨機(jī)出現(xiàn)，因此很難對它進(jìn)行診斷定位。暫時(shí)性故障雖然持續(xù)時(shí)間短，但由它引起的后果有時(shí)卻是很嚴(yán)重的，如引起程序“走飛”或系統(tǒng)誤動作等。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，暫時(shí)性故障占全部故障中的大多數(shù)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作和采用可靠性技術(shù)措施時(shí)，必須加以仔細(xì)考慮。
根據(jù)故障的后果，故障又可分為災(zāi)難性故障和非災(zāi)難性故障。①災(zāi)難性故障將引起系統(tǒng)癱瘓或影響人身安全；②非災(zāi)難性故障只是使系統(tǒng)的部分或全部功能失效。對于可能出現(xiàn)的災(zāi)難性故障隱患，為了確保人身安全和避免整個(gè)系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞，必須增加出錯(cuò)邏輯(硬件)和出錯(cuò)程序(軟件)雙重保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，并采取特別報(bào)警措施，使可能出現(xiàn)的災(zāi)難性故障轉(zhuǎn)化為非災(zāi)難性故障。根據(jù)故障發(fā)生的原因，又可分為操作錯(cuò)誤故障和系統(tǒng)硬件故障。由于微機(jī)控制系統(tǒng)是由人操作的，所以要考慮人的誤操作。操作錯(cuò)誤引起的故障有時(shí)還可能是災(zāi)難性故障，必須設(shè)法避免。可以采用容錯(cuò)鍵盤(包括硬件和軟件)、連鎖開關(guān)、操作容錯(cuò)程序等加以檢查、警告和屏蔽。
由此可見，有的故障可以通過完善的設(shè)計(jì)加以預(yù)防和排除，有的則不能。設(shè)計(jì)錯(cuò)誤引起的硬件和軟件故障，在系統(tǒng)研制時(shí)，可通過系統(tǒng)仿真和調(diào)試，以及故障模擬等加以排除。它的特點(diǎn)是：一旦排除，不再重現(xiàn)。元器件的缺陷引起的故障可通過老化篩選預(yù)先剔除。元器件特性參數(shù)漸變故障有的可通過裕度設(shè)計(jì)加以改善。元器件的環(huán)境參數(shù)故障以及參數(shù)離散性引起的故障可通過調(diào)試而排除。但是，實(shí)際設(shè)計(jì)的微機(jī)控制系統(tǒng)，在使用過程中總有可能存在著因設(shè)計(jì)不完善、元器件性能變差、元器件失效以及外界干擾等原因引起的故障，有些是無法預(yù)防的。因此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具有容錯(cuò)能力，要充分利用微機(jī)芯片所具有的快速運(yùn)算能力、精確定時(shí)計(jì)數(shù)手段、強(qiáng)大的邏輯組合判斷功能以及靈活的軟件設(shè)計(jì)方法，在系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面采取各種抗干擾措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。
2·在微機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)中，更不可忽視干擾來源及其抗干擾設(shè)計(jì)，否則4系統(tǒng)不能正常工作
(1)干擾來源工業(yè)生產(chǎn)中的干擾一般以脈沖的形式進(jìn)入微機(jī)控制裝置，干擾竄入裝置的渠道主要有3條：①空間干擾(場干擾)，通過電磁波輻射竄入系統(tǒng)的干擾；②過程通 道干擾，干擾通過與主機(jī)相連的前向通道、后向通道及其他與主機(jī)相互聯(lián)系的通道進(jìn)入；③供電系統(tǒng)干擾。一般情況下，空間干擾可用良好的屏蔽與正確的接地、濾波加以解決，故接口設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)防止供電系統(tǒng)與過程通道的干擾。
微機(jī)控制裝置與接口電路的可靠性及控制精度是由多種因素決定的，其中供電電源的質(zhì)量好壞對其影響極大。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是因有內(nèi)阻才引起電源的噪聲和干擾。如果沒有內(nèi)阻存在，無論何種噪聲都會被電源短路吸收，就不會在線路中建立起任何干擾電壓。根據(jù)電源電壓變化持續(xù)時(shí)間△≠的大小，可以把電源干擾分為以下幾種：①過壓、天壓、停電，△t>l s；②浪涌、下陷、降出，10ms<△t 過壓、欠壓、停電的危害是顯而易見的，解決的辦法是使用各種穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器，對短暫時(shí)間的停電則可通過配置不問斷電源(uPs)來解決。浪涌與下陷使電壓快速變化，如果幅度過大則會毀壞裝置，即使變化不大(10％～15％)，直接使用不一定會毀壞裝置，但由于裝置中接有反應(yīng)遲緩的磁飽和或電子交流穩(wěn)壓器，往往會在這些變化點(diǎn)附近產(chǎn)生振蕩，由此造成的振蕩能產(chǎn)生30％～40％的電壓變化，從而使裝置無法工作。解決辦法是使用快速響應(yīng)的交流電源調(diào)壓器。
(2)微機(jī)電源的抗干擾設(shè)計(jì)為了防止從微機(jī)電源引入干擾，可采用圖6—71所示的微機(jī)電源裝置，它由以下幾部分組成：
1)交流穩(wěn)壓器，用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源裝置的過壓或欠壓，有利于提高整個(gè)微機(jī)控制裝置的可靠性。
2)隔離變壓器，考慮到高頻噪聲通過變壓器時(shí)主要不是靠一、二級線圈的互感耦合，而是靠一、二級間的寄生電容耦合的，因此，隔離變壓器的一、二級之間采用屏蔽層隔離，以減小其分布電容，提高抗共模干擾的能力。
3)低通濾波器，由諧波頻譜分析可知，電源裝置的于擾源大部分是高次諧波，因此采用低通濾波器可以讓50Hz市電基波通過，濾去高次諧波，以改善電源波形。因受元器件耐壓能力的限制，在低壓情況下，當(dāng)濾波電路載有大電流時(shí)，宜采用／』、電感和大電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)濾波電路處于高壓時(shí)，則可采用小電容和允許的****電感構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)。在整流電路之后亦可采用雙T濾波器，以消除50Hz工頻干擾。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，對固定頻率的干擾濾波效果好。
4)分散獨(dú)立功能模塊供電。在每塊系統(tǒng)功能模塊上用三端穩(wěn)壓集成塊7805、7905、一812、7912等組成穩(wěn)壓電源，每個(gè)功能塊單獨(dú)對電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個(gè)系統(tǒng)遭到破壞，也減少了每個(gè)模塊公共阻抗的相互耦合以及和公共電源的相互 耦合，可大大提高供電的可靠性，也有利于電源散熱。為了抑制浪涌干擾，在電源變壓器的輸入端增加了雙軛流圈濾波器，如圖6-71所示。當(dāng)電流通過軛流圈L1和L2兩繞組時(shí)，所產(chǎn)生的內(nèi)磁通是互相抵消的。若工頻電流通過L1和L2，由于頻率低，阻抗極小，很容易通過；而當(dāng)高頻干擾電流通過時(shí)，雙軛流圈的阻抗將呈現(xiàn)很大值，因此在微機(jī)控制裝置和電網(wǎng)之間起到高頻隔離作用。對進(jìn)入電源線上的差分干擾信號，雙軛流圈的濾波作用不大。為了彌補(bǔ)這一不足，在軛流圈的輸入和輸出端并上濾波電容，使這一類干擾信號被旁路。
(3)微機(jī)接地技術(shù)的應(yīng)用 在微機(jī)控制裝置中，接地是抑制干擾的主要方法之一。在設(shè)計(jì)和施工中如能把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，可以解決大部分于擾問題。所以，在微機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)中對接地方法也必須加以充分考慮。誠然，接地技術(shù)并不是一門高精密的科學(xué)；然而因?yàn)椋紫冉拥伢w的幾何形狀比較復(fù)雜；其次，地層的結(jié)構(gòu)也各有差異，不同土壤的電阻率相差很大，其變化范圍為500～50000,／m，而河水的電阻率也能相差20倍左右，變化范圍為30～3000,／m；另外接地電阻的測量也難以做到很精確。正是由于這些原因，設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免兩種極端，一種是只考慮了理論上的完備，而使計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，脫離了工程實(shí)際的需要和可能；另一種是只簡單地規(guī)定一個(gè)接地電阻值作為接地標(biāo)準(zhǔn)，而忽視上述多種因素的綜合分析。
接地設(shè)計(jì)有2個(gè)基本目的：①消除各電路電流流經(jīng)一公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；②避免磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路，如果接地方式處理不好，就會形成地環(huán)路，造成噪聲耦合。眾所周知，地球是導(dǎo)體而且體積非常大，因而其靜電容量也非常大，電位比較恒定，所以人們常把它作為基準(zhǔn)電位，也就是零電位。當(dāng)然，當(dāng)雷雨云集結(jié)并靠近地面時(shí)，由于正負(fù)電荷相吸引，往往也會使地面上部分地區(qū)的電位產(chǎn)生變化，但一般情況下都是恒定的。
當(dāng)用導(dǎo)體與大地相連時(shí)，即使有少許接地電阻，只要沒有電流流人大地，則導(dǎo)體的各部分以及與該導(dǎo)體連接的其他導(dǎo)體全都和大地一樣，仍為零電位。但微機(jī)及其他電氣設(shè)備在工作時(shí)，和基準(zhǔn)電位之間存在著微小的電位差，實(shí)際上要完全不讓電流流人接地點(diǎn)是很困難的。因此，接地電位的變化是產(chǎn)生干擾的****原因之一。接地可分為保護(hù)接地和工作接地兩大類，保護(hù)接地的主要目的是為了避免工作人員因設(shè)備的絕緣被破壞或下降時(shí)遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全；工作接地則主要是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾。微機(jī)控制裝置的地線標(biāo)準(zhǔn)要求比較高。就地線形式而言，一般應(yīng)在機(jī)房周圍埋設(shè)網(wǎng)狀地線，其阻值禁忌大于10n，****限制在4～5n之內(nèi)。
1)微機(jī)控制裝置地線分類①數(shù)字地(又叫邏輯地)。這種地作為邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的零電位。
②模擬地。這種地作為A／D轉(zhuǎn)換前置放大器或比較器的零電位。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器在獲取O～50mV這類小信號時(shí)，模擬地必須認(rèn)真對待，否則將會給系統(tǒng)帶來不可估量的誤差。
⑧功率地。這種地為大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電平，如內(nèi)存磁芯體的驅(qū)動電路、打印機(jī)電磁鐵的驅(qū)動電路的地。
④信號地。這種地通常為傳感器的地。
⑤交流地。50Hz交流電的地線，這種地線是噪聲地。
⑥直流地。直流電源的地線。
⑦屏蔽地(也叫機(jī)殼地)。為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)的地線。
以上這些不同的地線如何處理，是浮地還是接地，是一點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地，是分散接地還是集中接地等，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的一個(gè)大問題，必須認(rèn)真對待一2)接地原則①一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的應(yīng)用原則。根據(jù)常識，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是大問題，然而接地電路形成的環(huán)路卻可能產(chǎn)生較大干擾，因此常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn)。但一點(diǎn)接地不適用于高頻電路，因?yàn)樵诟哳l電路中，地線上具有電感，因而增加了地線的阻抗，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。當(dāng)頻率很高時(shí)，特別是當(dāng)接地線長度等于1／4波長的奇數(shù)倍時(shí)，地線阻抗就會變得很高，這時(shí)地線變成了天線，可以向外輻射噪聲信號。所以這時(shí)的地線長度應(yīng)小于25m，并要求地線鍍銀。一般來說，頻率在lM，Hz以下時(shí)，可用一點(diǎn)接地；而高于10lHz時(shí)，應(yīng)多點(diǎn)接地；在1~10MHz之間時(shí)，如用一點(diǎn)接地，其地線長度不得超過波長的1／20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。
②交流地與信號地不能共用。因?yàn)樵谝欢坞娫吹鼐�的兩點(diǎn)間會有數(shù)毫伏甚至幾伏的電壓降，這是一個(gè)非常嚴(yán)重的干擾，因此必須加以隔截和防止。
③浮地和接地的比較。全機(jī)浮空即機(jī)器各個(gè)部分全部與大地浮置起來，這種方法簡單，但全機(jī)與地的絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但是一旦絕緣下降便會帶來干擾；另外浮空容易產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致干擾。還有一種方法，就是將計(jì)算機(jī)機(jī)殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，而且安全可靠，不過制造工藝復(fù)雜，在國產(chǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中比較少見。日本生產(chǎn)的HQc-700E計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬于這種形式的接地，其接地電阻約為3．3Ω，接地引線長度為15～20m，由直徑為10～15mm的多股銅線編織而成。邏輯地與大地的絕緣電阻不得小于50MΩ。
⑧數(shù)字地。主要是TTL、cMOs印制板的地。印制板中的地線應(yīng)成網(wǎng)狀，而且其他布線不要形成環(huán)路，特別是環(huán)繞外周的環(huán)路，在噪聲干擾上這是很重要的問題。印制板中的條狀線不要長距離平行，不得已時(shí)，應(yīng)加隔離電極和跨接線或屏蔽。印制電路板上的接地線要根據(jù)電流通路逐漸加寬，****不要小于3mm。印制電路板的旁路電容引線不能太大，特別是高頻旁路電容器不能帶引線。還有，每塊集成芯片(Ic)的電源與地之間****加裝旁路電容器，并注意極性。當(dāng)安裝大規(guī)模集成電路芯片時(shí)，要讓芯片跨越平行的地線和電源線，這樣可以減少干擾。
⑤模擬地。A／D轉(zhuǎn)換器采集O～50mV的微弱信號時(shí)，模擬地接法極為重要。為了提高抗共模干擾的能力，可以采用圖6—72所示的三線采樣雙層屏蔽浮地技術(shù)。所謂三線采樣，就是將地線和信號線一起采樣，這樣的雙層屏蔽技術(shù)是抗共模干擾最有效的辦法。
由于傳感器和機(jī)殼之間容易引起共模干擾，所以A／D轉(zhuǎn)換器的模擬地一般采用浮空隔離，即A／D轉(zhuǎn)換器不接地，它的電源自成回路。
A／D轉(zhuǎn)換器和微機(jī)的連接通過脈沖變壓器或光耦合器實(shí)現(xiàn)。
⑥功率地。這種地線因電流較大，所以線徑較粗，而且應(yīng)與小信號地線分開，并與直 流地相連。
⑦信號地。傳感器的地，一般以5t2導(dǎo)體(接地電阻)一點(diǎn)接地，這種地不浮空。
⑧屏蔽地。這類地用于對電場的屏蔽。根據(jù)屏蔽目的的不同，屏蔽接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題，一般接大地。電磁場屏蔽主要為了避免雷達(dá)、短波電臺的于擾，這種屏蔽地可利用低阻抗高導(dǎo)流金屬材料制成，可以接大地也可以不接，以接大地為好。磁路屏蔽以防止磁鐵、電動機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)、磁耦合，其屏蔽方法用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般以接大地為好。當(dāng)信號電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如果電纜的屏蔽層接地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流。對于扭絞電纜的芯線來說，屏蔽層中的電流會在芯線上耦合出不同的電壓，形成干擾噪聲源。當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號源和一個(gè)接地的(即便不是接大地)放大器相連時(shí)，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端。相反，當(dāng)接地的信號源與不接地的放大器連接時(shí)，即使信號源接的不是大地，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號源的公共端。
(4)電纜和接插件的屏蔽在用電纜連接時(shí)，常會發(fā)生無意中的地環(huán)路以及屏蔽不良現(xiàn)象，特別是當(dāng)不同的電路在一起時(shí)更是如此。正確的布線走線應(yīng)該清除這些現(xiàn)象，這里應(yīng)該注意下面幾點(diǎn)：
1)高電平線和低電平線不要走同一條電纜。當(dāng)不得已時(shí)，高電平線應(yīng)組合在一起，并單獨(dú)加屏蔽。同時(shí)要仔細(xì)選擇低電平線的位置。
2)高電平線和低電平線不要走同一接插件。不得已時(shí)，要將高電平端子和低電平端子分立兩端。中間留備用端子，并在中間接高電平引線地線和低電平引線地線。
3)設(shè)備上出入電纜部分應(yīng)保持屏蔽完整。電纜的屏蔽體也要經(jīng)接插件予以連接。當(dāng)兩條以上屏蔽電纜共用一個(gè)插件時(shí)，每條電纜的屏蔽層都要單獨(dú)用一個(gè)接線端子。否則，易造成地環(huán)路，使電流在各屏蔽層中間流動。
4)低電平電纜的屏蔽層要一端接地，屏蔽層外面要有絕緣層，以防與其他地線接魅相碰。
3·微機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)和應(yīng)用要時(shí)刻關(guān)注常會遇到的技術(shù)問題，謹(jǐn)防多走彎路，禁忌陷入誤區(qū)
計(jì)算機(jī)控制裝置內(nèi)含有各種豐富的功能，設(shè)計(jì)和應(yīng)用中經(jīng)常會遇到的技術(shù)問題有以下各種內(nèi)容：
(1)輸入數(shù)據(jù)處理對模擬量來說，一般要進(jìn)行采樣、增益****化、A／D轉(zhuǎn)換、規(guī)格化、合理性檢查、零漂校正、熱電偶冷端補(bǔ)償、線性化處理、超限判斷、工程量變換、數(shù)字濾波、開方計(jì)算、上下限報(bào)警等處理，以及對脈沖序列進(jìn)行瞬時(shí)值變換及累積計(jì)算等。
1)數(shù)據(jù)的采樣速率。按系統(tǒng)不同的需要，采取不同的掃描采樣頻率。流量、壓力、液位、溫度等采樣頻率，的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是1／5～1Hz、1／10～1／3Hz、1／8～1／5Hz、1／20～1／15Hz，電動機(jī)拖動快速系統(tǒng)采樣頻率是幾百赫茲或幾千赫茲。
2)增益****化。模擬量信號在A／D轉(zhuǎn)換之前要進(jìn)行前置放大，以使被轉(zhuǎn)換量落在A／D轉(zhuǎn)換線性范圍之內(nèi)(通常在50％～100％滿度范圍內(nèi))，以提高通道的相對測量精度。因此要選擇合適的量程，增益****化即能自動挑選****增益。
3)模擬信號的規(guī)格化。模擬量信號的規(guī)格化是指1～5V的模擬信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路變成規(guī)格化的數(shù)字量。
4)合理性檢查。假如A／D轉(zhuǎn)換超出限定時(shí)間或接到指令后根本未進(jìn)行變換，則應(yīng)故障置位，而給出不合理標(biāo)志。如果是A／D轉(zhuǎn)換超量程或欠量程(小于下限值)，該數(shù)據(jù)將進(jìn)一步處理，給出讀數(shù)不合理標(biāo)志。
5)零漂校正。由溫度、電源等環(huán)境因素變化引起放大器零點(diǎn)漂移，可通過軟件進(jìn)行校正。通常是把輸入短路時(shí)采集的放大器零原碼取平均值存入內(nèi)存，然后在當(dāng)前測量結(jié)果中扣除此零點(diǎn)漂移值。
6)工程量變換。上位機(jī)需顯示或打印時(shí)，還應(yīng)將規(guī)格化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程量單位值。
7)超限判斷。參數(shù)值超限時(shí)、一般均需報(bào)警，通常分為****值報(bào)警、偏差報(bào)警、速度報(bào)警以及累計(jì)值報(bào)警等。
8)熱電偶冷端補(bǔ)償。對于安裝在現(xiàn)場多路切換箱中的熱電偶，其冷端溫度自動補(bǔ)償是通過一支專用的冷端溫度檢測熱電偶進(jìn)行的；輸入處理時(shí)先接通一次，測量短路電勢；再短一次，測量短路電勢；兩者相減即可消除外線路影響。
9)非線性校正。對于溫度與熱電勢毫伏數(shù)或熱電阻歐姆數(shù)值間的非線性關(guān)系，可通過折線近似或曲線擬合的方法加以校正。采用內(nèi)線擬合法時(shí)，多采用高次方程。
10)開方處理。對于平方特性的數(shù)據(jù)，例如節(jié)流式流量計(jì)的差壓信號與流量成平方關(guān)系，需進(jìn)行開方處理，才能使信號與流量成線性關(guān)系。
11)熱電偶開路檢查。測點(diǎn)在被切斷之前，用一小電流流過模擬信號線、多路切換電路和變換器，假如通過外電路的壓降超過正常值，就表明熱電偶已經(jīng)開路。
12)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波就是為克服隨機(jī)干擾引入的誤差而進(jìn)行的數(shù)據(jù)平滑處理。常用的數(shù)字濾波算法有程序判斷法、中位值法、算術(shù)平均濾波、遞推平均濾波、加權(quán)平均濾波、一階慣性濾波和復(fù)合濾波等。
(2)輸出處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出一般分模擬量輸出和開關(guān)量輸出。模擬量輸出時(shí)，cPu算出的數(shù)字結(jié)果再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換成4～20mA模擬信號送端子板輸出，在輸出帶限幅信號時(shí)可經(jīng)限幅處理。在D／A轉(zhuǎn)換之前，數(shù)據(jù)先與限幅信號作比較，正常時(shí)將輸出送D／A，反之將限幅值送D／A。在開關(guān)量輸出時(shí)，由主機(jī)電路送出數(shù)字信號，先存輸出鎖存器，再經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，去控制現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字輸出可有三種不同的形式：
1)瞬時(shí)輸出。信號一消失，觸點(diǎn)就斷開。
2)延時(shí)軸出。信號消失，延時(shí)一段時(shí)間后觸點(diǎn)才斷開。
3)鎖定輸出。觸點(diǎn)閉合后，待下次信號來時(shí)才斷開。
(3)控制功能控制部分是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。按所具有回路數(shù)的多少，可分為單回路、雙回路和多回路控制；多回路的控制最可達(dá)400個(gè)回路。控制算法的數(shù)目從幾十種到上百種。隨著微機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，控制功能越來越強(qiáng)。控制方式也從早期只有連續(xù)控制功能的傳統(tǒng)控制，已發(fā)展到今天普遍具有邏輯控制、順序控制、批量控制和各種智能控制方式的現(xiàn)代控制。
1)連續(xù)控制。嚴(yán)格說來，計(jì)算機(jī)控制全部是離散控制，但為區(qū)別于順序控制和邏輯控割，還是稱它為連續(xù)控制。連續(xù)就是調(diào)節(jié)器隨輸入信號的不斷變化按一定規(guī)則輸出，不間斷地修正輸出值的大小。連續(xù)控制算法一般有PID控制、選擇性控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、smith預(yù)估控制、多變量解耦控制等常規(guī)傳統(tǒng)控制算法，還有模糨控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法。除了各種算法之外，連續(xù)控制還必須具有一些附加功能才可以完成實(shí)際的 過程控制。
①手動方式。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的指導(dǎo)，通過控制開關(guān)與儀表對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。
②自動方式。以設(shè)定值為基準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方式。
③串級方式(cAs)。以另一個(gè)控制回路的輸出值作為本回路的設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)串級控制方式。
④計(jì)算機(jī)方式(cOMtP)。由數(shù)據(jù)通信線路接受計(jì)算機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，作為本回路設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算的控制方式(sPs)，或者直接接受計(jì)算機(jī)的輸出數(shù)據(jù)作為輸出值的控制方式(DD(：)。
⑤PV跟蹤。PID算法必須具有PV跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時(shí)，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的設(shè)定值，而跟蹤PV值；PV跟蹤時(shí)，從手動切換到自動偏差總為零。因此，P1D輸出值不會產(chǎn)生擾動，實(shí)現(xiàn)了平滑切換。切換到自動后，再逐步把設(shè)定值調(diào)整到所要求的數(shù)值。
⑥輸出值跟蹤。PID算法在設(shè)置PV跟蹤的同時(shí)，還需要設(shè)置輸出值跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時(shí)，使內(nèi)存上次輸出單元的數(shù)值跟蹤手操輸出值。這樣，在切換到自動時(shí)，由于輸出單元數(shù)值與手操輸出值相等，從而實(shí)現(xiàn)無擾動切換。
⑦預(yù)置。PTD算法在偏差為零時(shí)，輸出為一不定的常值。構(gòu)成串級控制時(shí)，次級回路在處于串級斷開狀態(tài)時(shí)，把次級回路的設(shè)定值(LsF)送到主回路的輸出單元(OP)，稱為預(yù)置。這樣，當(dāng)串級的主回路設(shè)置Pv跟蹤，次級回路設(shè)置預(yù)置和Pv跟蹤，則串級調(diào)節(jié)回路從任何非串級調(diào)節(jié)狀態(tài)值切換到串級時(shí)，都是無擾動切換。
⑧反算。當(dāng)串級調(diào)節(jié)主回路PID算法輸出插有靜態(tài)偏置，算法必須具有反算功能，即算法塊(例如加法功能塊)必須反算出(逆運(yùn)算)一個(gè)平衡無擾的輸入值，作為主回路的輸出。
2)邏輯控制。根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關(guān)系進(jìn)行的控制稱為邏輯控制。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由邏輯塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。它們可直接用于過程控制進(jìn)行工藝連鎖，也可作為順序控制中的功能塊，進(jìn)行條件判斷、狀態(tài)變換等。
3)順序控制。順序控制是根據(jù)預(yù)定順序或邏輯，逐步進(jìn)行各種信息處理的控制方法：
兼有連續(xù)控制、邏輯控制和輸入／輸出監(jiān)控的功能。
4)批量控制。批量控制就是利用順序程序控制一個(gè)間斷的生產(chǎn)過程，以得到規(guī)定的產(chǎn)品。例如研制生產(chǎn)一種催化劑溶液，需經(jīng)投料、加放一定量溶劑、攪拌、加熱控制到一定溫度、保溫至規(guī)定時(shí)間、最后過濾排放。每個(gè)操作都不是連續(xù)的，但有規(guī)定的要求，每步的轉(zhuǎn)移又都必須有一定的條件。這里除了要進(jìn)行連續(xù)常規(guī)的溫度、流量閉環(huán)調(diào)節(jié)外，還需要執(zhí)行打開閥門、起動攪拌等開關(guān)控制及判斷，因此要用順序程序把這些操作按次序連接起來，定義每步操作的具體條件和要求，直接指揮有關(guān)的現(xiàn)場控制設(shè)備，以得到滿意的產(chǎn)品。因此．批量控制是順序控制的一種應(yīng)用。
(4)人機(jī)接口功能按照現(xiàn)場控制的連接方式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的人-機(jī)接口可分為現(xiàn)場簡易接口和cRT操作站兩種。人一機(jī)接口直接與現(xiàn)場裝置相連，或經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場裝置相連。簡易操作接口如開關(guān)、電位器、按鍵、數(shù)碼顯示等器件，使現(xiàn)場工作人員能完成對系統(tǒng)進(jìn)行操作、監(jiān)視和設(shè)定的基本功能。cRT操作站不僅能在屏幕上、鍵盤上實(shí)現(xiàn)上述基 本功能，還能自動地對信息進(jìn)行分析、判斷和綜合。人一機(jī)接口的主要功能歸納起來有以下幾個(gè)方面：
1)對全部過程變量進(jìn)行各種格式的顯示，并允許操作人員對過程進(jìn)行干預(yù)、狀態(tài)切換、緊急處理等。
2)對過程變量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲。
3)顯示和打印過程報(bào)警。
4)編制和調(diào)用各種用戶顯示畫面。
5)編制和打印各種報(bào)表。
6)狀態(tài)和狀態(tài)監(jiān)視、控制和管理軟件。
7)對通信總線上所連接的設(shè)備進(jìn)行組態(tài)。
8)完成系統(tǒng)的自診斷和故障維修。
(5)通信功能通信功能是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要支柱，執(zhí)行分散控制的各單元以及各級人一機(jī)接口要靠通信系統(tǒng)連成一體。它是一個(gè)高通信速率、低誤碼串、快速響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，具有組態(tài)靈活、易于擴(kuò)展、資源共享的特點(diǎn)。
(6)自診斷功能為了提高可靠性，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各裝置具有較強(qiáng)的自診斷功能。
系統(tǒng)投運(yùn)前，用離線診斷程序檢查各部分工作狀態(tài)；系統(tǒng)投運(yùn)中，各設(shè)備不斷執(zhí)行在線自診斷程序，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，立即切換到備用設(shè)備，同時(shí)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)在cRT上顯示出故障代碼，等待及時(shí)處理。通常故障代碼可以定位到插件板，用戶只需更換插卡。
(7)冗余技術(shù) 自診斷可以及時(shí)檢查出故障，但須保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行不受故障的影響，這主要靠冗余技術(shù)的應(yīng)用。冗余有兩種方式：工作冗余和后備冗余，俗稱“熱備用”和“冷備用”。操作站常采用工作冗余的方式。對現(xiàn)場控制器，各冗余方式不同，有的采用1：l冗余，也有的為Ⅳ：1冗余，但均采用無中斷自動切換方式。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特別重視供電系統(tǒng)的可靠性，除了正常的交流供電外，還要有備用電源、不間斷電源uPs以及各種掉電保護(hù)措施。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中大多數(shù)采用兩套相同通信網(wǎng)絡(luò)的冗余形式，但具體工作情況有所不同，工作冗余和后備冗余的情況都有。
除了硬件冗余外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還采用了信息冗余技術(shù)，就是在發(fā)送信息的末端增加信息位，以提高檢錯(cuò)及糾錯(cuò)的能力。
4．要進(jìn)行微機(jī)控制裝置(系統(tǒng))設(shè)計(jì)，必須時(shí)刻關(guān)注計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的新發(fā)展，與時(shí)俱進(jìn)，禁忌因循守舊，使所設(shè)計(jì)的微機(jī)控制裝置(系統(tǒng))落后于時(shí)代發(fā)展，缺乏競爭力
(1)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 自1946年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)在美國問世以來，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)迅猛發(fā)展，20世紀(jì)50年代便應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如導(dǎo)彈和飛機(jī)的控制。
1956年首先用于工業(yè)過程控制的，是由TRW航空公司與德克薩克公司提出方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)煉油廠的聚合裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
1959年，第一臺過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在美國得克薩斯州的POMAJthur煉油廠正式投入運(yùn)行，由一臺Rw一300計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和操作指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)26個(gè)流量、72個(gè)溫度、3個(gè)玉力和3個(gè)成分的控制。基本功能是保持反應(yīng)器壓力為最小，確定5個(gè)反應(yīng)器之間進(jìn)料的優(yōu)化分配，通過測量催化劑的活性來控制熱水流量。這項(xiàng)有意義的工作標(biāo)志著計(jì)算機(jī)過程控制的開始。 1961年IBM公司推出一種專門用于過程控制的數(shù)字計(jì)算機(jī)——IBM1700，先后安裝于 印第安那美國石油公司、加利幅尼亞標(biāo)準(zhǔn)石油公司和杜邦公司。
1962年，英國帝國化學(xué)工業(yè)公司用一臺計(jì)算機(jī)代替所有用于過程控制的模擬儀表，實(shí)現(xiàn)了244個(gè)數(shù)據(jù)采集量、129個(gè)控制閥門的直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DD(：)，創(chuàng)立了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的新紀(jì)元。此時(shí)，計(jì)算機(jī)平均無故障時(shí)問從早期的50～100h提高到1000h以上。
1972年誕生的微型計(jì)算機(jī)，以其速度快、體積小、可靠性高和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于過程控制，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)量猛增而成本急劇下降，從1970年的約5千臺上升到1975年的5萬臺。1980年，一臺與1975年時(shí)售價(jià)為10000美元的小型機(jī)性能相當(dāng)?shù)奈C(jī)價(jià)格，僅為500美元。
與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制理論也與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供了分析設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。
1949年香農(nóng)完成的采樣定理，解決了采樣值復(fù)現(xiàn)信號的理論問題，1952年，被定義的z變換經(jīng)改進(jìn)，在50年代末成熟并引出脈沖傳遞函數(shù)的概念，提供了分析設(shè)計(jì)采祥系統(tǒng)的有效數(shù)學(xué)工具。當(dāng)時(shí)，可用差分方程描述離散系統(tǒng)，用差分方程的特征根來定義系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1962年，針對現(xiàn)代工業(yè)日趨復(fù)雜的問題，龐特里亞金確定了****化控制的極大值理論，Kdman建立了控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示法，奠定了現(xiàn)代控制理論發(fā)展的基礎(chǔ)。由于現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于現(xiàn)代航天工業(yè)取得的輝煌成果，20世紀(jì)60年代初到70年代末，掀起了現(xiàn)代控制理論向過程控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用的熱潮，除線性多變量系統(tǒng)和****控制理論外，隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)控制及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論逐步成熟起來。極大地推動了計(jì)算機(jī)控制理論及應(yīng)用的高速發(fā)展。
20世紀(jì)70年代中期到80年代初，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用出現(xiàn)了********的高潮，世界上幾個(gè)主要計(jì)算機(jī)和儀表制造廠于1975年幾乎同時(shí)生產(chǎn)出分散控制系統(tǒng)(DCs)，如美國H0neweIl公司的TDcs2000和日本撈河公司的cE TuM等。80年代末又推出具有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cAD)、專家系統(tǒng)、控制和管理融為一體的新型分散型控制系統(tǒng)。國內(nèi)在20世紀(jì)70年代未和80年代初開始引進(jìn)和研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各類工廠紛紛上馬了大量的計(jì)算機(jī)控制方面的項(xiàng)目，也研制出一些有一定影響的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。作為微型計(jì)算機(jī)另一個(gè)發(fā)展分支的單片微型計(jì)算機(jī)，更以其小巧、多功能、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，在控制領(lǐng)域中得到普遍應(yīng)用。20年來的應(yīng)用實(shí)踐證明，單片機(jī)性能穩(wěn)定可靠，微機(jī)控制技術(shù)通過單片機(jī)較好地實(shí)現(xiàn)了以軟件取代模擬或數(shù)字電路硬件，并提高了系統(tǒng)的功效，改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。許多國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各類插板或功能塊也較多采用單片機(jī)系列芯片，如美國Honewell公司TDc--3000系統(tǒng)的過程管理機(jī)PM等。
從本質(zhì)上講，微機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程可歸納為以下三個(gè)步驟：
1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，對來自測量元件和變送單元的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。
2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策。
3)實(shí)時(shí)控制輸出，根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號，完成工作任務(wù)。
工程實(shí)際中上述過程不斷重復(fù)。所謂“實(shí)時(shí)”，是指信號的輸入、運(yùn)算處理和輸出能在一定的時(shí)間內(nèi)完成，即要求微機(jī)對輸入信號要以足夠快的速度進(jìn)行測量與處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)或產(chǎn)生相應(yīng)的控制。超過這個(gè)時(shí)間，就會失去控制時(shí)機(jī)。“實(shí)時(shí)”概念不能脫離具體過程，如煉鋼的爐溫控制，由于時(shí)間慣性很大，輸出延遲幾秒仍然是“實(shí)時(shí)”的： 而軋鋼機(jī)的拖動電動機(jī)控制，一般需在幾毫秒或更短的時(shí)間內(nèi)完成對電流的調(diào)節(jié)，否則，電流失控將造成事故。
在常規(guī)模擬控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是用硬件電路實(shí)現(xiàn)的，改變控制規(guī)律需要改變硬件；而在微機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律程序化了，要改變控制規(guī)律和被控參數(shù)，只需改變程序就可以了。
工控微機(jī)系統(tǒng)是比較有代表性的微機(jī)控制系統(tǒng)，和一般常規(guī)模擬系統(tǒng)相比，有如下突出特點(diǎn)：
1)技術(shù)集成和系統(tǒng)復(fù)雜程度高。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、控制、通信、電子等多種新技術(shù)的集成，是理論方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合；由于信息量大、速度快和精度高，因此能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，從而達(dá)到較高的控制質(zhì)量。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了常規(guī)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的多變量控制、智能控制、參數(shù)自整定等，如原子裂變、衛(wèi)星軌道監(jiān)控等。
2)可靠性高和可維護(hù)性好。這兩個(gè)因素決定著系統(tǒng)的可用程度，由于采取有效的抗干擾、冗余、可靠性技術(shù)和系統(tǒng)的自診斷功能，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性高，而且可維護(hù)性好。如有的工控機(jī)，一旦出現(xiàn)故障，能迅速指出故障點(diǎn)和處理辦法，便于立即修復(fù)。
3)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。工業(yè)環(huán)境惡劣，要求工業(yè)控制機(jī)適應(yīng)高溫、高濕、腐蝕、振動、沖擊、灰塵等環(huán)境：工業(yè)環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，供電條件不良，一般的工業(yè)控制機(jī)都有較高的電磁兼容性。
4)控制的多功能性。微機(jī)控制系統(tǒng)具有集中操作、實(shí)時(shí)控制、控制管理、生產(chǎn)管理等多種功能。
5)應(yīng)用的靈活性。由于軟件功能豐富，編程方便和硬件體積小，重量輕以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)在配置上有很強(qiáng)的靈活性。如一些工控機(jī)有操作簡易的結(jié)構(gòu)化、組態(tài)化控制軟件，硬件的可裝配性、可擴(kuò)充性也很好。
另外，技術(shù)更新快、信息綜合性強(qiáng)、內(nèi)涵豐富、操作便利等，也都是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。
(2)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展方向 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展很快，促使其高速發(fā)展的主要因素是：微處理器及其超大規(guī)模集成電路(VLsI)技術(shù)的應(yīng)用。現(xiàn)在的64位微處理器已應(yīng)用于現(xiàn)場控制站，功能更強(qiáng)、速度更快、存儲器容量不斷遞增；人機(jī)接口技術(shù)的交互圖形、復(fù)合窗口及觸摸屏幕的應(yīng)用，使操作站更趨完善，操作更為便捷，彩色cRT分辨率更高；專用集成電路(ASIC)和表面安裝技術(shù)(SMl)在硬件設(shè)計(jì)上的使用，使板級上的元件數(shù)量更少，硬件的可靠性大大提高；智能半導(dǎo)體器件進(jìn)入到現(xiàn)場一級成為現(xiàn)場儀表，包括直接數(shù)字傳感器、光纖傳感器和智能執(zhí)行器；標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通信鏈路和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，影響網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的變化。另外，各種公共網(wǎng)絡(luò)體系的建立和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下新的各類控制系統(tǒng)已成為可能；開放式結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)將深刻地影響著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)代表的DS(：****有典型性，其現(xiàn)狀及發(fā)展前景如下：
1)開放化。Dcs的通信，用實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)互連(OSI)來滿足工廠自動化對各種設(shè)備(計(jì)算機(jī)、Dcs、單回路調(diào)節(jié)器、PLc等)之間通信能力加強(qiáng)的要求，以方便地構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng)。
Dcs各制造商為適應(yīng)這種發(fā)展，競相先期改造自己的專用網(wǎng)絡(luò)以符合國際標(biāo)準(zhǔn)，或在自己的專用網(wǎng)絡(luò)與普通網(wǎng)絡(luò)之間加入網(wǎng)關(guān)，使其與以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)連接。開放化的關(guān)鍵是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。通信標(biāo)準(zhǔn)化MAP／TOP已獲成功，并為世界各國所接受。因此，新推出來的集散 型控制系統(tǒng)均采用開發(fā)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模型、通信協(xié)議或規(guī)程，以滿足MAP／TOP的要求，提高數(shù)據(jù)高速公路的吞吐能力，發(fā)展寬帶的光纖傳輸介質(zhì)。新一代的集散控制系統(tǒng)的開放型結(jié)構(gòu)，將方便地與指揮生產(chǎn)管理的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。
2)小型化。個(gè)人計(jì)算機(jī)的性能不斷提高，價(jià)格不斷降低，使得中小規(guī)模的Dcs可廣泛采用高檔微機(jī)以及加強(qiáng)的工業(yè)Pc來構(gòu)成低價(jià)格集散控制系統(tǒng)，以滿足小型工廠和裝置的應(yīng)用。從規(guī)模來看，大量小型計(jì)算機(jī)和價(jià)廉的可編程控制器已開始起著大型Dcs的作用，為此可靠、價(jià)廉的Dcs將深受用戶的歡迎，小型系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用是十分有意義的事情。
3)智能化。人工智能特別是知識庫系統(tǒng)(KBS)和專家系統(tǒng)(Es)在過程控制中的應(yīng)用包括：自整定和自適應(yīng)控制器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、故障診斷、生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度、過程優(yōu)化、控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真培訓(xùn)和在線維修等。人工智能將在Dcs的各級(從控制到工廠管理)上實(shí)現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備已相繼出現(xiàn)，如智能變迭器、可編程序調(diào)節(jié)器、數(shù)字交直流調(diào)速器、智能PID自整定控制、智能人機(jī)接口，智能集散控制系統(tǒng)等。
4)基于現(xiàn)場總線的PLc。PLc以其結(jié)構(gòu)緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，獲得廣泛應(yīng)用，已成為與Dcs并駕齊驅(qū)的主流工業(yè)控制系統(tǒng)。目前以PLc為基礎(chǔ)的Dcs發(fā)展很快，PLc與Dcs相互滲透、相互融合、相互競爭，已成為當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著PLc計(jì)算機(jī)與Dcs和其他控制回路之間接口的迅速發(fā)展，將連續(xù)控制功能、邏輯功能、批量控制功能、信息處理功能及軟件組態(tài)回路等集成在統(tǒng)一的高性能系統(tǒng)中，從而將PI_c和Dcs融合在一起。滿足了協(xié)調(diào)的需要，以適應(yīng)離散類和批量工業(yè)自動化的要求。PLc將與IPc、Dcs集成，逐漸成為占據(jù)自動化裝置及過程控制系統(tǒng)****市場份額的產(chǎn)品。現(xiàn)場總線技術(shù)將用于各種現(xiàn)場自動化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，以及各種現(xiàn)場儀表(包括變送器、執(zhí)行器、記錄儀、單回路調(diào)節(jié)器、可編程序控制器、流程分析器等)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信。有人預(yù)測，基于現(xiàn)場總線的Fcs將取代Dcs成為控制系統(tǒng)的主角，Intemet和Intranet技術(shù)也將進(jìn)入工程控制領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)自動化系統(tǒng)滲透到企業(yè)從生產(chǎn)到管理，直到經(jīng)營的方方面面。
5)新一代智能變送器。高度集成的智能器件向現(xiàn)場延伸，國外公司已開發(fā)生產(chǎn)各類數(shù)字式智能變送器，包括溫度、壓差、流量、液位、密度、壓力、轉(zhuǎn)速、位置等多個(gè)品種。如美國霍尼威爾公司的sT系列產(chǎn)品，具有如下顯著的特點(diǎn)：
①測量精度高，誤差僅為O．1％，即使平方根輸出，也能達(dá)到0．1％。
②能在控制室設(shè)定或變更各種變送器參數(shù)，包括測量范圍、輸出線性或平方根選擇、阻尼時(shí)間常數(shù)、正反作用以及輸出電流等。
③能對溫度或靜壓變化引起的零點(diǎn)和量程漂移進(jìn)行校正，具有良好的濕度、靜壓特性：
④量程比大(400：1)，使用規(guī)格減少，降低采購量和庫存。
⑤能在控制室檢查變送器特性并及時(shí)處理問題，減少排除故障的時(shí)間和費(fèi)用。
6)管控一體化綜合集成系統(tǒng)cIMS。20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從功能上贛著制造自動化、過程控制自動化、辦公室自動化和經(jīng)營管理自動化相結(jié)合的方向發(fā)展，即構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)，簡稱cIMS或cIPs。
cIMS由決策管理、規(guī)劃調(diào)度、監(jiān)控、控制四個(gè)功能層次的子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)管理控制一體化模式。具體地說，決策層根據(jù)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息和管理信息，發(fā)出多目標(biāo)決策指 令。規(guī)劃調(diào)度層則按指令制定相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃并進(jìn)行調(diào)度，通過監(jiān)控層對控制層加以實(shí)施，使生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和操作條件在最短時(shí)間內(nèi)得到調(diào)整，跟蹤和滿足上層指令。同時(shí)，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和操作條件調(diào)整后的信息反饋到?jīng)Q策層，與決策目標(biāo)進(jìn)行比較評估。如有偏差，即修改決策，使整個(gè)系統(tǒng)處于****的運(yùn)行狀態(tài)。
cIMS代表著工業(yè)控制系統(tǒng)的未來，它的研究開發(fā)不是以某個(gè)區(qū)域或某項(xiàng)活動為對象，而是以企業(yè)的全部活動為對象。從市場預(yù)測、接受訂貨、原料供應(yīng)、生產(chǎn)計(jì)劃、作業(yè)排序、過程控制、產(chǎn)品銷售，到用戶反饋、新產(chǎn)品開發(fā)、經(jīng)營管理，整個(gè)形成一個(gè)動態(tài)反饋系統(tǒng)，具有自判斷、自組織、自學(xué)習(xí)的能力。由此可見，cIMS不僅是對生產(chǎn)技術(shù)的變革，也是生產(chǎn)組織和生產(chǎn)方式的變革，因而它不是單純地對現(xiàn)行生產(chǎn)模式進(jìn)行計(jì)算機(jī)化及自動化，而是必須按照新的生產(chǎn)組織原理，對現(xiàn)行生產(chǎn)模式進(jìn)行全面改造。
cIMS把孤立的工廠自動化系統(tǒng)在新的管理模式與工藝指導(dǎo)下，綜合運(yùn)用信息技術(shù)和自動化技術(shù)，并通過軟件支持，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的物質(zhì)流與管理過程的信息流和決策過程的決策流進(jìn)行有效的控制和協(xié)調(diào)，以滿足新的競爭模式下市場對生產(chǎn)和管理過程提出的高質(zhì)量、高速度、高靈活性和低成本的要求。
總之，要進(jìn)行微機(jī)控制裝置(系統(tǒng))設(shè)計(jì)，就要時(shí)刻把握住計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)新發(fā)展的脈搏，做到與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新；禁忌因循守舊，使所設(shè)計(jì)的微機(jī)控制裝置(系統(tǒng))落后于時(shí)代發(fā)展，缺乏市場競爭力。
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