工業控制計算機系統的選型與人機接口方法

計算機在工業控制應用過程中有著較高的要求，如對這些要求不重視或考慮不全面，將引發操作界面消失或失控、系統數據丟失、通訊失靈、生產工藝流程被打亂等問題，影響企業的正常生產。因此在保證系統配置的情況下應重點考慮計算機的選型和人機接口方法

1設計選型

為了保證工業控制計算機系統的安全穩定運行，在總體方案確定以后，首要任務是選擇一臺適合的微型計算機。現在市場上的機型種類很多，所以必須經過反復調研、比較，特別是在可靠性及性價比方面給予高度的重視。

1.1機型的選擇

在計算機控制系統中，應根據被控對象與控制要求選擇機型。

選用現成的微機系統。隨著計算機的普及，目前已有許多工業控制機在市場上銷售，選用現成的微機系統將是人們配置工業控制計算機系統的首選。成品工業控制機系統的優點是使用方便，不需要很深的專業理論，編程方便。采用這種方案，選擇時應充分考慮工業控制機的性能、存儲容量、I/O通道的數量和種類、配置的外設以及所帶的系統軟件情況。

利用單片機進行開發。在中小企業，當需要控制的變量比較少，控制任務不多時，可利用購買的成品單片機（或單板機）進行二次開發，配置必須的輸入/輸出通道、A/D和D/A轉換器以及編制適當的應用軟件，便可以組成巡回檢測系統、PID模擬儀表控制系統以及DDC直接數字控制系統等。這種方法的特點是價格便宜、機動靈活。

采用標準功能模塊構成系統。各模塊之間采用相同的系統總線進行連接，根據系統的要求，可以選配多種不同功能、不同數量的模塊構成不同規模的工業控制系統。采用模塊化設計的工業控制機系統，配置靈活、方便，根據需要將所需模塊插入機架內的插槽中即可，無需進行硬件電路的二次開發；并且維修簡單、使用方便。能夠進行模塊化配置的系統，一般應在定型產品中選擇，自行設計或請廠家幫助設計。

1.2主機的選擇

當機型方案確定以后，就應對主機進行選擇。主要是對微型機的位數、指令系統等進行選擇，同時還應對微機的中斷系統、實時時鐘、支持人機對話能力等進行考慮。

微機的位數選擇。一般微處理器能夠一次處理的位數越多，它的運算功能及控制功能就越強，但成本也就越高。目前主要有8位、16位和32位機。字長的選擇一般根據工藝的要求和市場微機的價格，并綜合可用的軟件情況，按照其性價比來進行選擇。

中斷系統選擇。工業控制計算機系統必須具有實時控制能力。實時控制包含兩方面的內容：一是在系統在正常運行時的實時控制能力；二是在發生故障時的緊急事故處理能力。系統運行時往往需要在線修改某些參數，改變某個工作程序或在某個規定時間間隔到達時，啟動某種處理功能；在輸入輸出異常或出現緊急情況時應進行報警和自動作出必要的處理，如某接口電路發生故障，需要將冗余設備迅速切入運行，替代故障設備等。處理這些問題一般都采用中斷控制方式，CPU應及時接收中斷請求，暫停原來執行的程序，轉去執行相應的中斷服務程序，待中斷服務程序處理完畢，再返回原來程序的斷點處繼續執行。因此，要求微型機的CPU具有較完整的中斷服務系統，保證控制系統能夠滿足生產過程中提出的各種控制要求。

內存容量的選擇。單片機等微型計算機的內存容量有限，內存容量通常需要擴充，有時還應配備適當的外存儲器，如通常配盒式磁帶機等，用于在調試階段暫存程序和數據。單板機可配備2K至8K以上的只讀存儲器，監控程序和調試成功的應用程序都寫入只讀存儲器，實現軟件固化。微型計算機系統通常有64K以上的內存，一般配有磁盤作為外存儲器，系統程序和應用程序可保存在磁盤內，運行前由操作人員從磁盤裝入內存。歷史數據通常用軟盤等外存設備保存，需要使用時調入內存，也可進行趨勢顯示或數據分析等。微型計算機系統也可以擴充只讀存儲器，將調試成功的應用程序寫入只讀存儲器，提高系統可靠性。

實時時鐘的選擇。實時時鐘在過程控制中給出時間參數，記下某事件發生的時刻，同時使系統能按規定的時間順序完成各種操作，支持良好的人機對話。實時時鐘同時還是協調通信過程的重要因素，各模塊之間的數據通信的同步靠時鐘來協調。

2.人機接口

即時生產過程高度自動化，在生產運行中仍需要操作人員的干預。通常，操作人員依賴生產年過程的大量信息進行決策，并通過發出操作命令來干預過程的控制，因此需要人和計算機交互信息，完成這種交互功能的部件即所謂人機接口。人機接口的主要功能在于把系統的信息傳給個人，為人對生產過程的分析和判斷提供依據，并把人們要執行的命令信息傳給系統，由系統去具體實施。現階段的人機接口裝置主要有：儀表盤、CRT顯示器、.便攜式的手操器。

2.1傳統的儀表盤作為人機接口

常規控制系統中，模擬儀表盤就是主要的人機接口。操作人員要通過觀察各種變量的儀表示值來判定控制系統的控制質量的好壞，并進行相關的操作。這種人機接口的特點是一臺儀表指示一個或很少的幾個變量的瞬時值，多塊儀表并行指示過程變量，每一變量的調整都要在對應的儀表上進行。對于歷史數據，一般是通過記錄紙來實現，通過記錄紙走紙，在記錄紙上記錄下變量的變化趨勢。操作人員對過程運行狀況的判斷和故障原因的判斷通常要通過對幾塊儀表的示值或記錄紙的監視和對比來實現，同時還要定期記錄相關的重要數據，工作量大。在計算機控制使用初期，由于計算機技術還不夠成熟，操作人員掌握計算機的程度不夠，人們對計算機控制的信任度不足，曾經一度出現計算機控制系統與常規控制系統并行存在于同一裝置或過程的控制之中的歷史現象。在這種情況下，操作人員還主要以傳統的儀表面板操作作為人機接口。

2.2以CRT為基礎的主要人機接口

從20世紀70年代開始至今，CRT顯示器作為人機接口被廣泛采用。CRT顯示器可以顯示圖形、文字、數據等信息，進行靈活的組合，能夠顯示出快速、簡明、動態的過程畫面，并顯示報警信息，能按照儀表刻度盤的外形形狀顯示過程變量的值，并能夠顯示變量的歷史趨勢。顯示界面接近常規儀表的面板樣式，符合操作人員的習慣，CRT顯示器成為了人機聯系的主要窗口。為便于操作人員了解和控制生產過程，通常配備操作員鍵盤、鼠標、軌跡球、打印機、拷貝機、操作臺等，構成相對完備的CRT人機接口系統。操作人員通過CRT窗口監視生產過程的運行情況，通過鍵盤操作與計算機系統進行交互，實施對過程的干預，通過打印機打印出各種報表和其他信息。和傳統的儀表盤臺不同，大量的變量顯示和其他信息的顯示、操作都濃縮在一個很小的CRT窗口上進行，操作人員不必來回走動去觀察和記錄過程數據，不必到具體儀表上進行操作。隨著顯示技術的不斷發展，超薄液晶顯示器已經出現，在不遠的將來，新型的顯示器可能會取代現在的CRT顯示器。

2.3便攜式的手操器

這一類型的人機接口裝置主要用在職能化的變送器和智能化執行器上。在一些單機或多級計算機系統中，便攜式手操器是在工業現場非常實用的人機接口裝置。便攜式手操器采用液晶顯示，可監視過程和控制計算機的相關信息；通過專用按鍵操作，輸入操作指令或相關的程序，可與智能儀表和智能執行器專用的接口連接，拆裝簡單、攜帶方便。這種類型的人機接口隨著智能化的儀表越來越廣泛的應用，將發揮更大的作用。

（作者單位：天津渤海職業技術學院）