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嵌入式控制系統設計

廣義上講，有兩種基本不同的控制系統型別

過程控制通常發生在化工或食品加工行業、石油和天然氣煉油廠等。這種型別的安裝元件包括閥門、溫度感測器、流量感測器等裝置，需要控制材料透過一系列後續操作的連續流動。
系統控制涉及（半）自主裝置的適當執行，即確保裝置在適當的時間執行預期的一組動作。這包括在各種控制動作之間切換，在不確定性下進行決策等。

過程控制和系統控制之間的另一個主要區別是前者實現的規模要大得多。

過程控制

一般來說，在過程控制中，會有多個感測器、執行器和控制器分佈在有時非常大的區域。這樣的系統總是擁有大量分散式硬體。

儘管具有這種分散式性質，但有必要有一個中央控制來遠端監控、管理和監測所有內容。但這並不意味著要‘控制’一切。每個從屬裝置都將擁有自己的處理能力來控制其周圍環境。

打個比方：這可以看作是一名軍隊將軍和下屬的排。將軍（中央控制）需要知道戰場上每個排的情況，才能做出高層的戰略決策並下達命令。而每個排（從屬裝置）則自行決定如何執行這些命令，然後將結果報告給將軍。

回到工程領域，中央控制將用於監控安全問題、執行級別並設定系統級別和屬性。這也稱為人機介面或HMI。

工廠或車間中的每個從屬裝置將控制整個系統中較小部分的溫度、流量或體積。它們彼此獨立，能夠獨立執行作為一個完整的單元。

實際的控制是在本地進行的，SCADA 主控制器收集和解釋整個系統的所有資料。主控制器還用於更改和設定執行級別。

連線所有這些獨立系統是開始變得棘手的地方。所有內容都必須協同工作，這意味著需要交換資訊：上游或下游從屬裝置的資訊可能對於它做出正確的控制決策是必要的。

有許多方法可以實現這種分散式硬體-集中式控制器系統。其中一種實現稱為SCADA。

設計考慮因素

在設計分散式硬體系統時，有一些設計考慮因素和決策需要做出，這些決策將在最終產品中產生顯著的影響。

需要考慮的四個主要方面是：安全、成本、最佳化和魯棒性。在這樣的設計中，這四個方面之間存在明確的聯絡，改變其中一個會自動影響其他方面。設計人員不斷面臨著這種權衡決策。

安全：與任何涉及人類的系統一樣，安全非常重要。在某些情況下比其他情況更為重要：例如，核電站與瓶裝水廠。

隨著安全措施的增加，最終的實施成本也會增加（額外的截止閥、冗餘控制器），魯棒性也會下降。安全性還可能意味著更好的通訊系統，以確保中央控制和從屬裝置之間以及各個從屬裝置之間傳輸正確的資料。

實施多個並行執行的主站，以防一個出現故障，連結到單個 SCADA 主終端。安全性與控制一樣，也是本地化的，但並不侷限於本地實施。主控制器可以並且將會進行一些安全控制。

魯棒性：希望系統即使在出現一些干擾和非有意事件的情況下也能繼續執行。魯棒性意味著安全性下降。

那麼問題就出現了：是否應該允許出現小問題？小問題可以透過從屬裝置本身糾正。如果處理不當，這些小問題會導致更大的問題。互連部件的級聯故障是由於沒有正確處理小問題造成的。

成本：最終希望設計能夠實現，因此將成本保持在最低限度，以使系統對市場具有吸引力。但降低成本會導致安全性下降，魯棒性也會下降。

最佳化：對於這個設計因素，目標是提高質量，並最大限度地降低成本（最小的產品或原材料浪費）。最佳化同樣會導致魯棒性下降。

因此，這種設計中最困難的部分是為每個專案找到成本、魯棒性、最佳化和安全性之間的最佳平衡。

由於這種系統的性質以及不斷變化的環境（需要生產不同的產品，或者產品的混合發生變化），因此需要人機互動。此外，人類需要能夠一目瞭然地判斷是否存在問題，問題在哪裡以及是什麼樣的問題。

在三里島事故中，人機互動的重要性得到了體現。不完整和不正確的資訊被認為是導致本來可以避免的事故的最終原因。

這增加了設計決策的安全方面，增加了冗餘，從而增加了成本。但從三里島事故中可以看出，及時提供正確的資訊是必要的。

此外，人機介面是用於獲取資訊或硬體的易於訪問的工具，否則這些資訊或硬體難以獲取。它還應該有一個引人注目的設定，以便能夠一目瞭然地進行系統評估。

儘管之前已經說過所有從屬裝置都可以獨立執行，但在大型工業系統中，並非所有部件都是如此。有些部件直接依賴於其他從屬裝置的資訊。

例如，如果一個閥門要控制流入某個容器的流量，它需要知道在容器裝滿時關閉。因此，必須有一個可靠的從屬裝置間通訊網路。

這種相互依賴性將中央系統管理安全的一些責任轉移到更本地化的區域。

因為最終所有獨立系統都必須協同工作才能形成最終產品，所以需要某種資料處理系統。這就是中央控制系統發揮作用並履行其主要作用的地方。

由於從屬裝置系統管理了大量實際的控制和安全，因此 SCADA 安裝主要處理自下而上的資料結構。主控制器不需要整個系統中所有可用的資訊。

因此，中央控制器可以看作是一個資訊收集單元。除了安全資訊之外，這些資料還可以用於計算趨勢和監控質量。

本華夏公益教科書其餘部分的大多數示例都是系統控制應用程式。