[科普中国]-测控系统

发展

早期的测控系统主要由测量和控制电路组成，所具备的测控功能较少，测控性能也有限。随着科学技术的不断发展，尤其是微电子技术和计算机技术的飞速发展，测控系统在组成和设计上有了突飞猛进的发展。

20世纪三四十年代，当时的工业生产规模很小，工业产品主要是单机生产，批量也小；测控仪表主要采用基地式仪表，即采用安装在设备上的单体仪表，仪表与仪表之间不能进行信息传输。

20世纪五六十年代，随着社会化工业生产规模的不断扩大，生产设备越来越多，生产结构也越来越复杂，需要掌握的运行参数和信息也越来越多，往往还要求对多点信息同时进行操作与控制。这就对测控系统提出了更高的要求，于是单元组合式仪表与检测装置应运而生。生产过程中的各种参数经分布式传感器转换后输出模拟信号，统一送往中心控制室．再由各类仪表计算、测量并显示，从而实现集中监测、集中操作与控制。

20世纪70年代，生产过程逐步向自动化方向发展，特别是随着计算机的出现，使得工业自动化进入到一个崭新的阶段，出现了以计算机为核心的测控系统。计算机测控系统可以将工业现场的各种物理参数进行采集、传输、集中分析与处理，完成过程控制。

20世纪70年代后．随着微处理器与嵌入式技术的不断发展和应用，测控系统逐步向小型化、智能化、便携式、系统化方向发展，出现了GPIB仪器、智能仪器、智能传感器、VXI仪器等，大大增强了系统的通用性与可扩展性。

上述已经取得的测控技术的发展成果使得传统的测控系统发生了根本性的变化．计算机成为测控系统的主体和核心，形成了新一代的计算机自动测量和控制CAMAC(ComputeAutomated Measurement and Control)系统，它是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通信技术有机结合、综合发展的产物。

20世纪90年代以后，在北美和欧洲出现了面向工业测试现场的现场总线技术．并得到很好的应用。这主要因为其本身就是服务于现场的专用总线，能够满足工业现场应用的特殊要求，如总线供电、安全防爆等，并提供有专用的软件开发工具。许多公司都推出了具有现场总线接口的传感器、执行器和各种智能仪表，极大地推动了现场总线控制系统的应用。

20世纪90年代中后期，国内外利用业已成熟的以太网技术，对基于以太网的工业测控系统进行了大量研究和实践，国外对现场级高速以太网的研究大约始于1997年。尽管对以太网测控系统有不同的看法，但一般认为这是一种较好的工业测控技术解决方案，并具有很好的发展前景，是未来现场总线发展的方向。1

基本构成由四个部分构成：

传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）

信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）

信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）

信息控制部分：控制信息（现代控制技术）

特点现代测控系统充分利用计算机技术，广泛集成无线通信、计算机视觉、传感器网络、全球定位、虚拟仪器、智能检测理论方法等新技术，使得现代测控系统具有以下特点。

1．测控设备软件化

通过计算机的测控软件，实现测控系统的自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测等功能。软测量可以简化系统硬件结构，缩小系统体积，降低系统功耗，提高测控系统的可靠性和“软测量”功能。

2．测控过程智能化

在现代测控系统中，由于各种计算机成为测控系统的核心，特别是各种运算复杂但易于计算机处理的智能测控理论方法的有效介入，使现代测控系统趋向智能化的步伐加快。

3．高度的灵活性

现代测控系统以软件为核心，其生产、修改、复制都较容易，功能实现方便，因此，现代测控系统实现组态化、标准化，相对硬件为主的传统测控系统更为灵活。

4．实时性强

随着计算机主频的快速提升和电子技术的迅猛发展，以及各种在线自诊断、自校准和决策等快速测控算法的不断涌现，现代测控系统的实时性大幅度提高，从而为现代测控系统在高速、远程以至于超实时领域的广泛应用奠定了坚实基础。

5．可视性好

随着虚拟仪器技术的发展、可视化图形编程软件的完善、图像图形化的结合以及三维虚拟现实技术的应用，现代测控系统的人机交互功能更加趋向人性化、实时可视化的特点。

6．测控管一体化

随着企业信息化步伐的加快，一个企业从合同订单开始，到产品包装出厂，全程期间的生产计划管理、产品设计信息管理、制造加工设备控制等，既涉及对生产加工设备状态信息的在线测量，也涉及对加工生产设备行为的控制，还涉及对生产流程信息的全程跟踪管理，因此，现代测控系统向着测控管一体化方向发展，而且步伐不断加快。

7．立体化

建立在以全球卫星定位、无线通信、雷达探测等技术基础上的现代测控系统，具有全方位的立体化网络测控功能，如卫星发射过程中的大型测控系统的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球化方向发展。2

分类检测系统单纯以“检测”为目的的系统，一般用来对被测对象中的一些物理量进行测量并获得相应的测量数据。它由下列功能环节组成。

(1)敏感元件从被测对象感受信号，同时产生一个与被测物理量成某种函数关系的输出量。

(2)变量转换环节将敏感元件的输出变量做进一步变换，即变换成更适于处理的变量，并且要求它应当保存原始信号中所包含的全部信息。

(3)变量控制环节为了完成对检测系统提出的任务，要求用某种方式去控制以某种物理量表示的信号。这里所说的控制的意思是在保持变量物理性质不变的条件下，根据某种固定的规律，仅仅改变变量的数值。

(4)数据传输环节当检测系统的几个功能环节被分隔开时，必须从一个地方向另一个地方传输数据。

(5)数据显示环节有关被测量的信息要想传给人以完成监视、控制或分析的目的，则必须将信息变成人的感官能接受的形式，完成这种转换机能的环节称为数据显示环节。例如：数字显示和打印记录。

(6)数据处理环节检测系统要对测量所得数据进行数据处理。数据处理工作由机器自动完成，不需要人工进行繁琐的运算。

若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等输出。此种系统一般称为监测系统；除监测以外，还参与一些开关量的控制，如：断电、闭锁等顺序控制，此种系统一般称为监控系统。3

控制系统单纯以程序控制为目的的系统。这是一种开环控制系统，程序控制的基本思想是将被控对象的动作次序和各类参数输入控制器，去指挥执行机构按照固定的程序，一步一步地控制被控对象的动作，动作的结果如何，却无从知道，因而控制精度不高。3

测控系统指既“测”又“控”的系统。依据被控对象、被控参数的检测结果，按照人们预期的目标对被控对象实施控制，这里的控制除了指对系统开关量的控制外，更主要指的是对被控对象参数变量的控制。3

功能测控系统应当完成如下任务。

(1)测量

在生产过程中，被测参量分为非电量与电量。常见的非电量参数有位移、液位、压力、转速、扭矩、流量、温度等，常见的电量参数有电压、电流、功率、电阻、电容、电感等。非电量参数可以通过各种类型的传感器转换成电量输出。

测量过程通过传感器获取被测物理量的电信号或控制过程的状态信息，通过串行或并行接口接收数字信息。在测量过程中，计算机周期性地对被测信号进行采集，把电信号通过A/D转换成等效的数字量。有时，对输入信号还必须进行线性化处理、平方根处理等信号处理。如果在测量信号上叠加有噪声，还应当通过数字滤波进行平滑处理．以保证信号的正确性。

为了检查生产装置是否处于安全工作状态，对大多数测量值还必须检查是否超过上、下限值，如果超过．则应发出报警信号，超限报警是过程控制计算机的一项重要任务。

(2)执行机构的驱动

对生产装置的控制通常是通过对执行机构进行调节、控制来达到目的的。计算机可以直接产生信号去驱动执行机构达到所需要的位置，也可通过A/D产生一个正比于某设定值的电压或电流去驱动执行机构，执行机构在收到控制信号之后。通常还要反馈一个测量信号给计算机，以便检查控制命令是否已被执行。

(3)控制

利用计算机控制系统可以方便地实现各种控制方案。在工业过程控制系统中常用的控制方案有三种类型：直接数字控制(DDC)、顺序控制和监督控制(SPC)。大多数生产过程的控制需要其中一种或几种控制方案的组合。

(4)人机交互

控制系统必须为操作员提供关于被控过程和控制系统本身运行情况的全部信息，为操作员直观地进行操作提供各种手段，例如改变设定值、手动调节各种执行机构、在发生报警的情况下进行处理等。因此，它应当能显示各种信息和画面，打印各种记录，通过专用键盘对被控过程进行操作等。

此外，控制系统还必须为管理人员和工程师提供各种信息，例如生产装置每天的工作记录以及历史情况的记录．各种分析报表等，以便掌握生产过程的状况和做出改进生产状况的各种决策。

(5)通信

现今的工业过程控制系统一般都采用分组分散式结构．即由多台计算机组成计算机网络，共同完成上述的各种任务。因此，各级计算机之间必须能实时地交换信息。此外。有时生产过程控制系统还需要与其他计算机系统(例如．全单位的综合信息管理系统)之间进行数据通信。1