附錄D（資料性附錄）　典型工業控制系統現場測控設備功能與構成

D.1　工業控制系統現場測控設備典型功能

工業控制系統現場測控設備位于工業控制系統的最底層，直接與生產過程設備連接，實現對現場的測量與控制，如圖D.1所示。現場設備具備的典型功能包括：通過現場總線與生產過程上的傳感器、調節器、變送器、開關或IO單元(含采集輸入與控制輸出)進行通信；進行控制邏輯運算；通過本地或遠程以太網上傳數據給實時數據庫服務器及操作員站，接受本地與中心操作員站的控制命令，完成控制參數調整與輸出調整，接受工程師站的控制方案更改、調試等操作；系統啟動、診斷、掉電數據保持等。

D.2　工業控制系統現場測控設備典型硬件結構

在硬件組成上，數字化的尤其是使用嵌入式軟件的工業控制系統現場測控設備通常由微處理器、存儲器、輸入/輸出模塊、通信模塊、電源、人機接口以及管理模塊等部分組成。根據設備的用途和先進程度的不同，設備的硬件組成不完全相同，并不是所有現場設備都具備以上提到所有的模塊。

微處理器進行設備內部邏輯控制與計算，具體功能包括采集輸入接口的所有數據、執行用戶程序、輸出控制指令到輸出接口并發送或接收通信數據至通信接口。作為系統核心的微處理器包括微控制器（MCU）、數字信號處理器（DSP）和嵌入式微處理器（MPU）。

存儲器包括有系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器。具體存儲介質包括RAM、SDRAM、E2PROM、Flash和CF卡等。

電源模塊實現設備自身的供電。

總線協議處理模塊實現對現場總線協議的處理和接口，但它物理上一般并不是獨立的硬件模塊，而是和處理器在一個模塊內。

通信模塊實現設備的通信連接。隨著總線技術以及網絡技術在工業控制系統中的標準化和應用，目前很多嵌入式現場設備都通過以太網實現現場數據采集與控制。即采用不同的網絡協議處理與接口模塊取代原有的輸入和輸出模塊。

輸入模塊接收電壓、電流、溫度、壓力等現場測量量，可分為模擬輸入模塊和數字輸入模塊。

輸出模塊輸入對開關、調節器等設備的控制信號。

人機接口（MMI）一般固定在裝置前面板上，有液晶顯示屏、參數設置鍵和就地功能按鈕。可以顯示當前的測量值、配置信息等。

管理模塊實現裝置的管理和通信。具體功能包括實現與人機接口面板、調試軟件、監控后臺、工程師站、遠動和打印機間的通信。

設備的對外物理接口形式包括有IEEE 802.3以太網口、電纜接口、RS232串口、RS485串口、ISO 11898串口等。

D.3　工業控制系統現場測控設備典型軟件結構

目前工業控制系統現場測控設備的軟件架構都是基于嵌入式軟件。

嵌入式系統的發展主要經歷了三個階段。無操作系統的嵌入式系統的出現最初是基于單片機，這類嵌入式系統具有與一些監測、伺服和指示設備相配合的功能。它無操作系統支持，而是通過匯編語言編程對系統進行直接控制，此外，它系統結構和功能相對單一，針對性強，幾乎沒有用戶接口。簡單監控式的實時操作系統主要以嵌入式處理器為基礎，以簡單監控式系統為核心。系統的優點是處理器種類繁多，開銷小，效率高一般配備系統仿真器，具有一定的兼容性和擴展性。但是此時的系統通信性較差，用戶界面不夠友好，主要用來控制系統負載以及監控系統應用程序運行。隨著對實時性要求的提高和軟件規模不斷擴大，實時多任務操作系統（RTOS）成為目前國際嵌入式系統的主流，包括VxWorks、pSOS、Win CE、Linux等，VxWorks以其強實時性、高性能的內核和良好的開發界面成為了嵌入式實時操作系統領域的杰出代表。這個階段嵌入式系統的特點是能運行在各種不同的微處理器上，具有強大的通用型操作系統功能，包括多任務、設備驅動支持、網絡支持、圖形窗口、用戶界面以及文件和目錄管理等功能，具有豐富的API和嵌入式應用軟件。

嵌入式實時操作系統的現場設備典型軟件架構如圖D.2所示。