數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)備選型問(wèn)答

一、  DA&C系統(tǒng)一般有哪幾種形式？各有何優(yōu)點(diǎn)？未來(lái)趨勢(shì)是什么？

    粗略的講，DA&C可以采用三種形式來(lái)構(gòu)成：

    (1) 基于PLC的順序邏輯控制系統(tǒng)。 
    (2) 基于DCS的大型控制系統(tǒng)
    (3) 基于PC-BASED的DA&C系統(tǒng)。

    優(yōu)缺點(diǎn)見下表。

隨著PC及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來(lái)的趨勢(shì)是PLC及DCS逐漸向PC-BASED靠攏，如采用PC的CPU、流行的Ethernet、TCP/IP通訊協(xié)議；同時(shí)PC-BASED逐漸向PLC及DCS滲透，如采用遵循IEC-1131的軟PLC。三者會(huì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，即PLC和DCS的開放性及通訊能力逐漸加強(qiáng)，同時(shí)PC-BASED的實(shí)時(shí)性進(jìn)一步提高。

    二、  為什么說(shuō)PC-BASED系統(tǒng)開放性好？

    PC-BASED系統(tǒng)采用INTEL或兼容的硬件及微軟或兼容的軟件，俗稱WINTEL架構(gòu)。由于WINTEL架構(gòu)已經(jīng)成為商業(yè)PC機(jī)的主流，其標(biāo)準(zhǔn)公開、結(jié)構(gòu)公開、軟件及開發(fā)工具公開，因此具有很好的開放性。且硬件成本和開發(fā)成本相比較均很低。因此，PC-BASED的DA&C架構(gòu)受到廣大用戶的歡迎。

    三、基于PC-BASED的DA&C系統(tǒng)有幾種形式

    (1) 基于板卡的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基本方式是采用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具有代表性的廠家如Advantech、NI及吉時(shí)利。主要做法是將一塊基于IAS或PCI的板卡插入工業(yè)計(jì)算機(jī)或商用機(jī)(非嚴(yán)格場(chǎng)合)上，將外部信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線引至計(jì)算機(jī)的端子上然后接入數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)定制的軟件就可以進(jìn)行采集。優(yōu)點(diǎn)是成本較低，速度塊，如1MHZ數(shù)據(jù)采集，缺點(diǎn)是可靠性一般，同時(shí)布線費(fèi)用高

    (2) 基于分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基本方式是采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)采集智能模塊，流行的現(xiàn)場(chǎng)總線如RS-485(非嚴(yán)格)、CAN BUS、Profibus等。代表性的廠家如ADVANTECH ADAM系列等。基本做法是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將智能模塊引入計(jì)算機(jī)，上位機(jī)通過(guò)定制的軟件和智能模塊通訊。優(yōu)點(diǎn)是易維護(hù)、布線簡(jiǎn)單、可靠性高，缺點(diǎn)是采樣速度低、成本較高。

    四、  數(shù)據(jù)采集卡的分類？

    按照采集信號(hào)的類型分：模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、定時(shí)/計(jì)數(shù)等三種； 

    按照采樣速度可分成高速和低速； 
    按照隔離方式可分成隔離和非隔離； 
    因此用戶可以根據(jù)自己的需求來(lái)選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡。

    五、模擬量輸入為何分單端和差分？

    來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)總會(huì)存在各種干擾成份，尤其是共模干擾。模擬量的差分輸入正是采用差分放大器的形式來(lái)消除模擬量的共模干擾。如果信號(hào)源比較干凈，可以采用單端輸入的方式。兩個(gè)單端可以組成一個(gè)差分輸入，因此，單端輸入容量是雙端的一倍。

    六、數(shù)據(jù)采集卡如何與端子搭配

    研華數(shù)據(jù)采集卡與端子搭配見表。

    七、A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)傳輸共有幾種形式？

    將模擬量通過(guò)采集卡送入計(jì)算機(jī)，一般分成三步：(a) 啟動(dòng)A/D；(b) A/D轉(zhuǎn)換；(c) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入計(jì)算機(jī)。按照數(shù)據(jù)采集速度不同第(c)步可以采用不同的形式。

    軟件查詢的方式。通過(guò)軟件檢查A/D完成標(biāo)志，讀入數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。這種方法適合速度較慢的場(chǎng)合(<1KHZ)； 
    中斷方式。A/D完成后向PC發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種方式適合速度較快的場(chǎng)合(<30KHZ); 
    DMA方式。利用DMA控制器來(lái)完成數(shù)據(jù)采集卡和PC間數(shù)據(jù)傳輸。這種方式適合大批量的快速數(shù)據(jù)傳輸。 
    FIFO+INT。為了進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，A/D卡上要設(shè)置先進(jìn)先出(FIFO)緩沖區(qū)，容量在1K 或以上。A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)先放進(jìn)FIFO，當(dāng)FIFO半滿后，向PC發(fā)出中斷信號(hào)，由中斷服務(wù)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。這種方式適合高速數(shù)據(jù)采集，如>100KHZ的數(shù)據(jù)采集。 
    特殊高速數(shù)據(jù)采集卡。如卡上內(nèi)嵌CPU的高速數(shù)據(jù)采集卡。 

    八、  數(shù)據(jù)采集卡軟硬件件如何整合？

    一般正規(guī)廠家隨硬件會(huì)提供如下開發(fā)工具：

    DOS下函數(shù)庫(kù)及例程 
    DOS下寄存器使用例程； 
    WINDOWS 16/32 BIT DLL； 
    VC/VB/Delpohi例程；(以上一般免費(fèi)提供)； 
    OCX控件(可付費(fèi)獲取)； 
    OPC Server; 
    通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)整合。一般國(guó)內(nèi)的組態(tài)軟件均支持板卡，如組態(tài)王等 
　
    九、  采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有何好處？

    在眾多PC-BASED廠家中，以研華的ADAM系列分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最具有代表性。
  
    十、現(xiàn)場(chǎng)總線的分類及特點(diǎn)。

    （1）CAN
    最初由Robert Bosch設(shè)計(jì)，以提供車輛內(nèi)電子面板控制單元（Electronic Control Units, ECUs）的串行通信。其特點(diǎn)為實(shí)時(shí)、高傳輸可靠性和數(shù)據(jù)安全性，CAN產(chǎn)品廣泛、成本低，從而超出汽車工業(yè)應(yīng)用至工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如移動(dòng)機(jī)床。

    CAN面向消息，多主、廣播協(xié)議，被ISO11898標(biāo)準(zhǔn)化為高速通信，（只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層）。CAN采用帶非破壞性位判斷的CSMA或沖突避免（CSMA/CA）以解決潛在的總線訪問(wèn)沖突，不丟失數(shù)據(jù)和帶寬。識(shí)別符的長(zhǎng)度（判斷域）為11位標(biāo)準(zhǔn)ID和29位擴(kuò)展ID（CAN Kingdom）。
   
   （2）HART
    是為了滿足過(guò)程控制應(yīng)用中，在不中斷4-20mA信號(hào)情況下，實(shí)現(xiàn)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與主設(shè)備之間的雙向數(shù)字通信，最初由Rosemount開發(fā)，得到了HART通信基金會(huì)（HCF）的支持。HART協(xié)議符合OSI-RM的1、2、7層。

    物理層使用基于FSK技術(shù)的Bell 202。HART可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式運(yùn)行在已有的4-20mA信號(hào)線上，過(guò)程值以模擬方式傳送，HART用來(lái)組態(tài)和測(cè)試；或者通過(guò)雙絞線以多點(diǎn)組態(tài)模式運(yùn)行，滿足本安要求時(shí)，單個(gè)電源最多可遠(yuǎn)程供電15臺(tái)設(shè)備；如果本地供電，可連接更多數(shù)量的設(shè)備。

    （3） LonWorks
    Lonworks是對(duì)等控制網(wǎng)絡(luò)，適用于分散控制和樓宇自動(dòng)化中連接智能設(shè)備，由美國(guó)Echelon公司開發(fā)。

　　LonWorks提供多種傳輸介質(zhì)，柔性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率可達(dá)2.5Mbps。介質(zhì)訪問(wèn)分散爭(zhēng)用。

　　應(yīng)用層提供4類36種服務(wù)，更新網(wǎng)絡(luò)變量（隱式報(bào)文）和顯式報(bào)文。變量類型為預(yù)定義類型或C語(yǔ)言定義。報(bào)文的發(fā)送為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)方式，帶或不帶確認(rèn)。

    （4） Modbus Plus
　　Modbus Plus是為工業(yè)控制應(yīng)用（如過(guò)程控制和監(jiān)控信息傳遞）設(shè)計(jì)的局域網(wǎng)，由AEG Modicon開發(fā)。

　　網(wǎng)絡(luò)總線采用單/雙電纜布局，可連接至多64個(gè)可尋址節(jié)點(diǎn)，1Mbps傳輸速率。信息格式為HDLC，介質(zhì)訪問(wèn)采用令牌方式。

    （5） Profibus: PROcess Field BUS
    Profibus由Siemens領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，共有3種版本：

　　·Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）：針對(duì)單元控制，主要是為了解決控制器與智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的大容量信息的傳送。采用令牌與主從方式相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)總線訪問(wèn)控制。FMS包括兩個(gè)基本組件：FMS，MMS子集，在面向?qū)ο蟆lient/server體系結(jié)構(gòu)下提供服務(wù)給用戶應(yīng)用，其重要特性為虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（Virtual Field Device, VFD）和低層接口（Lower Layer Interface, LLI），使應(yīng)用功能適應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的眾多特性。FMS有39種服務(wù)，包括環(huán)境管理、變量訪問(wèn)、域管理、程序調(diào)用管理、事件管理、虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備支持、對(duì)象字典（Object Dictionary, OD）管理等。不支持實(shí)時(shí)服務(wù)，規(guī)約在用戶層定義。是MiniMAP的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
　　·Profibus-DP（Decentralised Peripherals）：針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)循環(huán)I/O通信。省略了OSI模型的第7層，通過(guò)直接數(shù)據(jù)連結(jié)映像器直接將用戶接口連結(jié)到第2層。
　　·Profibus-PA（Process Automation）：面向過(guò)程控制應(yīng)用。物理層滿足IEC 1158-2本安傳送標(biāo)準(zhǔn)，“電壓模式，31.25kbps?，或RS485；數(shù)據(jù)鏈路層為DIN 19245的功能集合；應(yīng)用層與Profibus-FMS相同。儀表A和B的規(guī)約在用戶層定義，已確保設(shè)備的可互操作性和互換性。

    FMS和DP主要服務(wù)于離散制造應(yīng)用，使用RS485接口。實(shí)際上，可在同一系統(tǒng)甚至同一設(shè)備中同時(shí)使用FMS和DP。不同功能和10種傳輸速率（9.6kbps~12Mbps）的芯片和開發(fā)工具可選。

    Profibus是一個(gè)從現(xiàn)場(chǎng)到單元層的系統(tǒng)方案，在Siemens的極力推薦下，已被工業(yè)界廣泛接受，安裝數(shù)量很多。