测控总线及仪器通信技术(第二版)

第1章概论 自从进入现代工业社会以来，人们更迫切地需要了解客观对象的变化情况，并根据得到的信息采取措施，以使得各种自然和人工系统的变化尽可能在人们的掌控之中。这个活动有两个基本过程：一个是对系统状态的了解，即检测过程；一个是对系统状态的改造，即控制过程。用于检测过程的人工系统称为检测系统，用于控制过程的人工系统则称为控制系统。检测的目的是为更好地控制，控制的结果需要检测来检验，这是一个反馈过程。这两类系统统称为测控系统。 仪器是人们对物质实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种设备与系统的总称，主要是利用物理、化学和生物的方法，获取被检测对象的运动和变化信息，通过信息转换和处理，使其成为人们易于理解和表达的量化形式。仪器是信息的源头，是人类感知器官如听、视、触、嗅等功能的延伸和扩展。仪器按应用性质可分为计量仪器、分析仪器、生物医疗仪器、地球探测仪器、天文仪器、航空航天航海仪器、控制仪器与工业仪表等［1］。 通信是指信息的传递过程。正因为有了通信，人与人以及人与自然界之间的交流就不再受地域的限制，各种测控系统和仪器也就不再仅仅局限于单一观测量，它面对的将是一个观测对象（含多个观测量)或一个观测区域（含多个观测对象)。通信是现代测控技术和仪器技术的基础。 本教材所提到的测控系统与仪器主要是指用于工业、国防、环境、医学等领域的各种过程控制系统、仪器仪表、自动监测系统等。 1.1过程控制系统 测控系统的发展经历了从无工具到有工具，从人工监测与控制、自动监测与控制到复杂智能监测与控制的演变。过程控制系统主要用于武器的导航与制导、生产过程控制等，强调监测的目的是自动控制。下面以生产过程控制系统的演变为例介绍过程控制系统的发展历史。 1.1.1生产过程控制系统的演变 随着工业生产规模的扩大，相应的设备越来越多，结构也越来越复杂，这给生产的运行与管理带来了困难。为此，生产设备状态的监测与控制显得越来越重要，它是生产过程实现自动化，以提高生产效率、降低劳动强度的前提与保证。设备运行状态的监测与控制方式在不断地改进，尤其是信息技术的广泛应用，测控系统从结构到性能都发生了根本性变化。到目前为止，生产过程控制系统的发展经历了三个阶段。 **阶段：20世纪30~40年代。生产过程控制系统主要采用大尺寸的基地式仪表，实现单体设备就地分散的局部自动化。各单体设备之间无联系或联系很少。 第二阶段：20世纪40~50年代。生产过程控制系统主要采用单元组合仪表和巡回检测装置，实现集中监视、操作和控制，以适应生产向大型化和自动化方向发展的需要。 第三阶段：20世纪60年代至今。生产过程控制系统从车间集中控制向全厂综合自动化方向发展。尤其是计算机的出现和应用，使得工业自动化发展到一个崭新的阶段，形成以计算机技术为主，集市场调节、资源管理、生产规划、过程控制于一体的新一代计算机测控系统。 随着微处理器和嵌入式技术的发展和应用，测控系统正向微型化、智能化、系统化、网络化方向发展。从应用的方式来看，系统可分为开环监视、闭环控制、监督控制和集散控制等。 在生产过程控制系统中，计算机系统用于测控系统的过程经历了以下三个阶段。 （1) 1965年以前的试验阶段。计算机系统主要完成生产过程中的数据处理、安全监视和监督控制。1958年9月，美国Louisina公司的Sterling电厂安装了**台计算机安全监视系统。1959年3月，美国Texaco公司的Port Arthur炼油厂实现了**套计算机闭环控制系统。1960年1月，美国Monsanto公司的氨厂实现了**个计算机监督控制系统。1962年3月，美国Monsanto公司的乙烯厂实现了**个直接数字控制系统。 （2) 1965年到1969年的实用阶段。随着高性能价格比的小型计算机的出现，计算机在过程控制领域中的应用得到了更大的发展。系统主要采用集中型监控方式，一台计算机可以控制上百乃至几百个回路。但集中型监控方式也导致系统的风险集中，系统的安全可靠性将因此受到影响。一旦计算机发生故障，将影响整个系统的工作，而且这种影响是致命的。国际上，工业控制系统的连续运转率指标是99.5%。单靠一台计算机难以达到这样高的可靠性要求。实际生产中，通常采用一台计算机工作、另一台计算机备用的双工系统模式，或计算机和模拟仪表共存的混合系统模式，以分散系统的风险，提高安全可靠性。 （3) 1970年以后的成熟阶段。该阶段的典型系统是20世纪70年代中期出现的集散型控制系统和分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems，TDCS)。它是“4C”技术（即计算机——Computer、控制器——Controller、通信——Communication和CRT)相结合的产物。TDCS以通信系统为核心，把微型计算机、显示操作装置、过程通道、模拟仪表等有机地结合起来，采用单元组合组装方式（积木方式)，为综合自动化创造了有利的条件。其特点是分散控制、集中操作、分级管理、分布自治、综合协调等。 1.1.2我国生产过程控制系统的发展概况 我国工业生产过程的计算机自动化进程是从20世纪60年代开始的。以电力系统为例，电力系统热工过程计算机监测控制的建设始于1964年，至今已有50多年的历史，大体上可分为4个阶段。 **阶段为1964年到1973年，在上海南市电厂和北京高井电厂试点。计算机系统的主要作用是实现开环监视。 第二阶段为1974年到1983年，进一步在望亭电厂、清河电厂、秦岭电厂进行试点。计算机系统的功能仍然是实现开环监视。 第三阶段为1984年到1994年，在全国范围进行推广。此时，大批小型计算机和微型计算机用于数据采集和处理，各种先进的通信与网络技术被用于系统的数据传输，计算机测控系统的应用走上了稳定发展的轨道。此阶段主要以国外进口成套系统为主。 第四阶段为1995年至今，国产集散控制系统趋于成熟。上海新华控制工程有限公司研制的XDPS-400投放国内外市场，在发电、化工、石油、纺织、造纸等诸多领域得到了广泛应用。 1.1.3计算机过程控制系统的基本组成 计算机过程控制系统主要由5部分组成，如图1-1所示。 图1-1计算机过程控制系统的基本构成 CRT操作站和上位计算机主要完成测控系统的管理、调度和静态优化处理任务，并协调指挥各监控站的工作，即完成“集中操作、综合协调”的功能；同时也完成“分级管理”的功能。CRT操作站有系统组态工作台、运行操作工作台、CRT显示器、打印机和软硬盘通信接口等。上位计算机一般是小型计算机、超小型计算机或高性能微型计算机。 高速数据通道实际上是一种具有高速通信能力的总线，负责各监控站之间以及各监控站与上位计算机、外部系统之间的数据传输，是现代计算机测控系统的支柱。该总线一般采用局域网络，使用通用或专用通信协议。 通信接口是配合高速数据通道完成各监控站之间通信的基本部件。它的结构和监控站的功能有关，主要包括移位寄存器、地址译码寄存器、驱动器和收发电路等。依通信规则，有的计算机测控系统设有通信指挥器或通信控制站。 除上位计算机外，其他通过通信接口挂接在高速数据通道上的装置都称为监控站。站的功能不同，具体构成也不同，并赋予不同的名称。每个站都以微处理器为核心，是一个高度依赖计算机技术的智能装置。 除上面的硬件系统外，计算机过程控制系统还需要配备非常丰富的软件系统，包括操作系统、网络通信系统、组态软件、数据采集软件、控制算法软件、诊断软件、报警程序等。 1.2智能仪器与自动测试系统 1.2.1概述 测量是为确定被测对象的量值而进行的处理过程，是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界、进而改造世界的重要手段。凡是利用电子技术进行的测量可统称为电子测量，由此形成的仪器称为电子测量仪器，此外还有光学测量仪器、分析量测仪器等。测量仪器与微型计算机的结合，形成了微计算机化仪器（Microcomputer-Based Instruments)。 习惯上，把内部装有微计算机的仪器，或者把内部装有微计算机并可程控的仪器叫做智能仪器（Intelligent Instruments)，或称为灵巧仪器（Smart Instruments)。在智能仪器中，微计算机的作用是负责信号的处理、变换、计算、判断、诊断，以及仪器测量过程的协调等。从嵌入式技术的角度来看，微计算机系统以嵌入式系统、仪器为宿主系统。随着人工智能理论与技术的成熟，智能仪器正在向着具有自学习、智能识别、智能判断的高级智能仪器发展。1982年后，出现了另一类与微计算机紧密结合的仪器，即个人仪器（Personal Instruments)或个人计算机仪器（PC Instruments)。这种仪器与智能仪器的不同之处在于它将与信号检测有关的硬件做成计算机标准部件，并置于个人计算机系统内。 通常把较少人工参与下就能自动进行测量、数据处理并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统（Automatic Test System)。20世纪50年代以来，自动测试系统经历了三代演变。 **代是指自动数据采集系统、自动分析系统等。主要是将一些仪器仪表通过改造互连起来，并与计算机相连接。仪器与仪器之间、仪器与计算机之间的接口问题是当时研究的主要问题。 第二代是指采用标准化的接口母线，把测试系统中有关设备按积木的形式连接起来的系统，这些设备包括计算机、程控仪器、可控开关等。各设备均配备标准化的接口功能电路，用统一的无源母线电缆连接。计算机系统的主要作用是担任系统的控制并完成一些数据的计算和处理。 第三代是指将计算机系统和测量系统或设备更紧密地结合起来的系统。特点是用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，特别是直接用计算机产生激励信号并完成测试功能。典型的应用有微型自动测试系统（Mini ATS)和虚拟仪器（Virtual Instruments)。 1.2.2自动测试系统的组成 图1-2为一个测试放大器幅频特性的自动测试系统组成原理框图。图中调节电压源给放大器建立直流工作状态。在每个测试点调整信号源产生一定频率和电平的正弦信号做激励，从电压表读取输出电压数据，*后记录并绘图。这些测试过程都由计算机通过总线指挥，并由计算机通过总线发布命令来完成放大器幅频特性的自动测量。 图1-2测试放大器幅频特性的自动测试系统的组成原理框图 1.2.3智能仪器与个人仪器 智能仪器主要包括微型计算机系统、测试功能或信号发生器、通用仪器接口总线（GPIB)三个部分，如图1-3所示。仪器中的键盘控制、输出显示是微型计算机系统的组成部分。微处理器是整个智能仪器的核心，各种信号的传递通过总线进行。键盘和显示部分的原理与微型计算机系统的接口类似。 图1-3智能仪器的组成示意图 图1-4为个人仪器的组成示意图。个人仪器共有三种结构，其中： 图1-4（a)结构是把个人仪器插件（或称仪器卡、插入式组件)直接插在个人计算机的总线扩展槽。个人仪器发展初期都是这种结构，但该结构难以满足重载仪器对散热和电源的要求，因此测试功能受到限制。 图1-4（b)结构为1984年出现的多功能个人仪器系统。该系统在PC总线扩展出来的扩展底板或外部插件箱上插上若干仪器卡，并配上可编程通用仪器接口总线和其他仪器连接，形成一个以PC扩展总线为核心的多功能仪器系统。由于采用单独的电源，该系统不仅满足了图1-4（a)结构个人仪器不能满足的电源要求，而且信号采集电路部分还避开了个人计算机的噪声干扰。 图1