计算机控制技术浅探

计算机控制技术浅探　谢常华荆州市乾盏纺织有限公司　湖北荆州４３４０００　【摘要】首先介绍了计算机控制系统概况，其次对计算机控制技术的发展历史进行了简单的回顾，再次对计算机控制系统的干扰　问题进行了分析，最后针对计算机控制系统的抗干扰技术作了细致的探讨。　【关键词】计算机控制技术　计算机控制系统　中图分类号：ＴＰ３１　１文献标识码：Ｂ文章编号：１００９—４０６７（２０１０）０９—１０２－０１　１．计算机控制系统基本概念及其分类　自动控制是指通过控制装置使过程在没有人直接参与的情况下自动地　按照预定的要求运行。计算机控制系统是以数字计算机代替自动控制中的常　规控制设备，对动态系统进行调节和控制。由于数字计算机具有采集、传送、　存贮、处理大量数据的能力，使自动控制进入了以计算机为主要控制设备的　新阶段。计算机控制系统通常包括软件与硬件两大部分。软件是指实现计算　机自动控制功能的应用软件程序，可以由各种高级语言或者专用计算机语言　编制而成；硬件是指以计算机和控制对象为中心，以及进行联络与控制的通　道和设备等，可以是成套设备，也可以是各种智能专用设备。计算机控制系　统大致可分以下几种类型：①操作指导控制系统；②直接数字控制系统（ＤＤＣ），　③监督控制系统（ｓｃＣ）；④分布式控制系统（ＤＣＳ）　⑤现场总线控制系统　（ＦＣＳ）。　２．计算机控制技术的发展概要　１９４６年第一台计算机问世ｌ　１９５８年美国Ｌｏｕｓｉｎａ公司电厂投入第一个计　算机安全监视系统，１９５９年美国Ｔｅｘａｃｏ公司的炼油厂安装了第一个计算机　闭环控制系统，１９６０年美国Ｍｏｎｓａｎｔｏ公司的氨厂实现第一个计算机监控控　制系统。早期的工业过程计算机控制系统很不成熟，稳定性和可靠性欠缺，　仍然常常需要模拟控制装置对过程进行控制。随着半导体技术的发展，计算　机运算速度加快，可靠性提高。世界上几个主要的计算机和仪表制造商在２ｏ　世纪７０～８Ｏ年代几乎同时推出ＤＣＳ系统。尤其是２Ｏ世纪９Ｏ年代后，计算　机控制技术的发展更加明显。诞生了现场总线控制系统（ＦＣＳ），它是新一　代的ＤＣＳ结构，采用了“工作站——现场总线智能仪表　的两层结构模式，　降低了系统成本，提高了可靠性，并且在统一的国际标准下实现真正开放式　互联系统结构　３．计算机控制技术的关键问题　很多从事计算衫成制应用技术的科研人员或工作人员都曾有过这样的　经历：当他们将经过千辛万苦安装和调试好的计算机控制装置投人现场运行　时，才发现此系统几乎不能正常的工作，有时一开机就失灵，有时时好时坏，　让人不知所措。其实，这是因为工业现场中存在各种各样干扰所致。　３．１计算机控制系统的主要干扰源…　３．１．１空间感应的干扰。空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的　传播，例如，输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播发射的无线电波，　太阳或其他天体辐射出来的电磁波，空中雷电以及火花放电、弧光放电、辉　光放电等放电现象。　３．１．２过程通道的干扰。过程通道的干扰常常沿着过程通道进入计算　机，主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线，要设法削弱和斩断那些　来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰能力。　３．１．３电源系统的干扰。控制用电计算机一般由交流电网供电，电网　冲击、频率的波动将导致稳压电源的波动，造成干扰。　３．１．４地电位波动的干扰　计算机控制系统分散的很广，地线与地线　之间存在一定的电位差，计算机交流供电电源的地电位很不稳定，在交流地　上任意两点之间，往往很容易就有几伏至十几伏的电位差存在。　３．１．５反射波的干扰。电信号在沿导线传输过程中，由于分布电容、电　感和电阻的存在，导线上各点的电信号并不能马上建立，而是有一定的滞　后，离起点越远，电压波和电流波到达的时间越晚。这样，电流在线路上以　一定的速度传播，从而形成行波，实践证明，如果传输线的终端阻抗与传输　线的波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引起反射。同样，反射　波到达传输线始端时，如果始端阻抗不匹配，也会引起新的反射。这种信号　的多次反射现象，使信号波形严重的畸变，并且引起干扰脉冲。　３．２硬件抗干扰技术　如果一个系统的硬件措施使用得当，可将大多数干扰信号拒之Ｉ＇ｌ＃ｂ，硬　件抗干扰措施具有抗干扰效率高的优点。在明确了干扰的类型、来源和种类　１０２　中国电子商务．．２０１０・０９　之后，抑制干扰的方法大致有如下几种：①抗电源干扰；②过程通道抗干扰；　③抗空间电磁波干扰措施；④接地技术。下面介绍两种主要的计算机控制系　统硬件抗干扰技术。　３．２．１抗电源干扰。由于计算机控制系统所处的工业环境，电机的起　停、接触器的通断，往往会造成电源电压波动，据统计分析，计算机的干扰　４０％来自电源。因此，须采取电源保护措施，一般保护措施有：（１）采用独　立的供电电源。为使关键的计算机控制设备免受电压波动的影响，可对该设　备配备独立的供电电源。要求独立供电电源电压稳定，，无大的波动。（２）采　用稳压器。对于电压波动大，又无独立供电电源的场，可对计算机控制系统　中的核心设备采取稳压措施，如稳压器和ＵＰＳ等。（３）采用电源滤波器。使　输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。　（４）电源变压器采取屏蔽措施。利用几毫米厚的高导磁材料将变压器严密地　屏蔽起来，以减小漏磁通的影响。　３．２．２接地技术　】。在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟　地、数字地、安全地、系统地和交流地。计算机控制系统中的高频电路应就　近多点接地，低频电路应一点接地；交流地和信号地不能共用；将系统的各个　部分全部与大地浮置起来，但系统中的各机壳接地；对于数字地，印刷板中　的地线应成网状，而且其它布线不要形成环路，当Ａ／１）转换器的模拟信号较　弱时，可采用三线采样双层屏蔽浮地技术提高抗共模干扰的能力Ｉ对于功率　地，由于地线的电流较大，接地线的线径应较粗，且与小信号地线分开，连　直流地Ｉ对于小信号前置放大电路本身采用一点接地，不能一个电路多点接　地，Ａ／Ｄ前置放大电路一般浮空。　３．３软件抗干扰技术　３．３．１数字滤波方法。由于工业生产的现场干扰源很多，计算机控制　系统通过输＾通道采集到的数据信号，经过硬件电路的滤波处理后仍会混有　随机干扰噪数字滤波，即计算机系统对输入信号多次采样，采用某种计算方　法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得—个真　实信号的过程。常用的数字滤波方法有：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波　和惯性滤波等。　３．３．２指令冗余技术。ＣＰＵ对指令的执行过程是：先取操作码，再取　操作数。当计算机系统受到外界干扰，ＣＰＵ正常的工作时序被破坏，可能　造成程序计数器ＰＣ值发生改变，跳转到随机的程序存储区。当程序跑飞到　某一单字节指令上，程序便自动纳入正轨；当程序跑飞到某—双字节指令上，　有可能落到其操作数上，则ＣＰｕ会误将操作数当操作码执行，当程序跑飞到　三字节指令上，因它有２个操作数，出错的机率会更大。可在程序中人为地　插入一些空操作指令ＮＯＰ或重复书写有效的单字节指令，即指令冗余技术。　由于空操作指令为单字节指令，且对计算机的工作状态无任何影响，因而失　控的程序在遇到该指令后，能够调整其ＰＣ值至正确的轨道，使后续的指令　得以正确地执行。　３．３．３软件陷阱技　。以上讨论的２种方法都是建立在工控机能正确　运行全部或部分程序基础上，有时一个意想不到的干扰中断或破坏了所有程　序的正常运行，此时ＰＣ值可能在程序区内，也可能在程序区外，要使其能够　自己恢复正常运行，只有依赖于广布“陷阱”的方法了。这里所谓的“陷阱　，　是指某些类型的ＣＰｕ提供给用户使用的软件中断指令或者复位指令，它强行　将捕获到的程序引向一个指定的地址，在那里是一段对程序出错进行处理的　专用程序。如果我们把这段程序的地址称为ＥＲＲＯＭ，软件陷阱即为一条　ＬＪＭＰ　ＥＲＲＯＭ指令，为加强其捕获能力，可在其前面Ｎ２条ＮＯＰ作冗余指　令。软件陷阱一般安放在非程序区，包括未使用的中断向量区、未使用的大　片程序存储器空间及各种表格的最后位置。陷阱不但需要在Ｒ０Ｍ的全部非内　容区、ＲＡＭ的全部非数据区设置，而且要在程序区的模块之间广泛布置。一　旦机器程序“跑飞”，总会碰上“陷阱”，这样立即就可以救活机器。