工业控制计算机系统的选型与人机接口方法

计算机在工业控制应用过程中有着较高的要求，如对这些要求不重视或考虑不全面，将引发操作界面消失或失控、系统数据丢失、通讯失灵、生产工艺流程被打乱等问题，影响企业的正常生产。因此在保证系统配置的情况下应重点考虑计算机的选型和人机接口方法

1设计选型

为了保证工业控制计算机系统的安全稳定运行，在总体方案确定以后，首要任务是选择一台适合的微型计算机。现在市场上的机型种类很多，所以必须经过反复调研、比较，特别是在可靠性及性价比方面给予高度的重视。

1.1机型的选择

在计算机控制系统中，应根据被控对象与控制要求选择机型。

选用现成的微机系统。随着计算机的普及，目前已有许多工业控制机在市场上销售，选用现成的微机系统将是人们配置工业控制计算机系统的首选。成品工业控制机系统的优点是使用方便，不需要很深的专业理论，编程方便。采用这种方案，选择时应充分考虑工业控制机的性能、存储容量、I/O通道的数量和种类、配置的外设以及所带的系统软件情况。

利用单片机进行开发。在中小企业，当需要控制的变量比较少，控制任务不多时，可利用购买的成品单片机（或单板机）进行二次开发，配置必须的输入/输出通道、A/D和D/A转换器以及编制适当的应用软件，便可以组成巡回检测系统、PID模拟仪表控制系统以及DDC直接数字控制系统等。这种方法的特点是价格便宜、机动灵活。

采用标准功能模块构成系统。各模块之间采用相同的系统总线进行连接，根据系统的要求，可以选配多种不同功能、不同数量的模块构成不同规模的工业控制系统。采用模块化设计的工业控制机系统，配置灵活、方便，根据需要将所需模块插入机架内的插槽中即可，无需进行硬件电路的二次开发；并且维修简单、使用方便。能够进行模块化配置的系统，一般应在定型产品中选择，自行设计或请厂家帮助设计。

1.2主机的选择

当机型方案确定以后，就应对主机进行选择。主要是对微型机的位数、指令系统等进行选择，同时还应对微机的中断系统、实时时钟、支持人机对话能力等进行考虑。

微机的位数选择。一般微处理器能够一次处理的位数越多，它的运算功能及控制功能就越强，但成本也就越高。目前主要有8位、16位和32位机。字长的选择一般根据工艺的要求和市场微机的价格，并综合可用的软件情况，按照其性价比来进行选择。

中断系统选择。工业控制计算机系统必须具有实时控制能力。实时控制包含两方面的内容：一是在系统在正常运行时的实时控制能力；二是在发生故障时的紧急事故处理能力。系统运行时往往需要在线修改某些参数，改变某个工作程序或在某个规定时间间隔到达时，启动某种处理功能；在输入输出异常或出现紧急情况时应进行报警和自动作出必要的处理，如某接口电路发生故障，需要将冗余设备迅速切入运行，替代故障设备等。处理这些问题一般都采用中断控制方式，CPU应及时接收中断请求，暂停原来执行的程序，转去执行相应的中断服务程序，待中断服务程序处理完毕，再返回原来程序的断点处继续执行。因此，要求微型机的CPU具有较完整的中断服务系统，保证控制系统能够满足生产过程中提出的各种控制要求。

内存容量的选择。单片机等微型计算机的内存容量有限，内存容量通常需要扩充，有时还应配备适当的外存储器，如通常配盒式磁带机等，用于在调试阶段暂存程序和数据。单板机可配备2K至8K以上的只读存储器，监控程序和调试成功的应用程序都写入只读存储器，实现软件固化。微型计算机系统通常有64K以上的内存，一般配有磁盘作为外存储器，系统程序和应用程序可保存在磁盘内，运行前由操作人员从磁盘装入内存。历史数据通常用软盘等外存设备保存，需要使用时调入内存，也可进行趋势显示或数据分析等。微型计算机系统也可以扩充只读存储器，将调试成功的应用程序写入只读存储器，提高系统可靠性。

实时时钟的选择。实时时钟在过程控制中给出时间参数，记下某事件发生的时刻，同时使系统能按规定的时间顺序完成各种操作，支持良好的人机对话。实时时钟同时还是协调通信过程的重要因素，各模块之间的数据通信的同步靠时钟来协调。

2.人机接口

即时生产过程高度自动化，在生产运行中仍需要操作人员的干预。通常，操作人员依赖生产年过程的大量信息进行决策，并通过发出操作命令来干预过程的控制，因此需要人和计算机交互信息，完成这种交互功能的部件即所谓人机接口。人机接口的主要功能在于把系统的信息传给个人，为人对生产过程的分析和判断提供依据，并把人们要执行的命令信息传给系统，由系统去具体实施。现阶段的人机接口装置主要有：仪表盘、CRT显示器、.便携式的手操器。

2.1传统的仪表盘作为人机接口

常规控制系统中，模拟仪表盘就是主要的人机接口。操作人员要通过观察各种变量的仪表示值来判定控制系统的控制质量的好坏，并进行相关的操作。这种人机接口的特点是一台仪表指示一个或很少的几个变量的瞬时值，多块仪表并行指示过程变量，每一变量的调整都要在对应的仪表上进行。对于历史数据，一般是通过记录纸来实现，通过记录纸走纸，在记录纸上记录下变量的变化趋势。操作人员对过程运行状况的判断和故障原因的判断通常要通过对几块仪表的示值或记录纸的监视和对比来实现，同时还要定期记录相关的重要数据，工作量大。在计算机控制使用初期，由于计算机技术还不够成熟，操作人员掌握计算机的程度不够，人们对计算机控制的信任度不足，曾经一度出现计算机控制系统与常规控制系统并行存在于同一装置或过程的控制之中的历史现象。在这种情况下，操作人员还主要以传统的仪表面板操作作为人机接口。

2.2以CRT为基础的主要人机接口

从20世纪70年代开始至今，CRT显示器作为人机接口被广泛采用。CRT显示器可以显示图形、文字、数据等信息，进行灵活的组合，能够显示出快速、简明、动态的过程画面，并显示报警信息，能按照仪表刻度盘的外形形状显示过程变量的值，并能够显示变量的历史趋势。显示界面接近常规仪表的面板样式，符合操作人员的习惯，CRT显示器成为了人机联系的主要窗口。为便于操作人员了解和控制生产过程，通常配备操作员键盘、鼠标、轨迹球、打印机、拷贝机、操作台等，构成相对完备的CRT人机接口系统。操作人员通过CRT窗口监视生产过程的运行情况，通过键盘操作与计算机系统进行交互，实施对过程的干预，通过打印机打印出各种报表和其他信息。和传统的仪表盘台不同，大量的变量显示和其他信息的显示、操作都浓缩在一个很小的CRT窗口上进行，操作人员不必来回走动去观察和记录过程数据，不必到具体仪表上进行操作。随着显示技术的不断发展，超薄液晶显示器已经出现，在不远的将来，新型的显示器可能会取代现在的CRT显示器。

2.3便携式的手操器

这一类型的人机接口装置主要用在职能化的变送器和智能化执行器上。在一些单机或多级计算机系统中，便携式手操器是在工业现场非常实用的人机接口装置。便携式手操器采用液晶显示，可监视过程和控制计算机的相关信息；通过专用按键操作，输入操作指令或相关的程序，可与智能仪表和智能执行器专用的接口连接，拆装简单、携带方便。这种类型的人机接口随着智能化的仪表越来越广泛的应用，将发挥更大的作用。

（作者单位：天津渤海职业技术学院）