計算機控制在生產(chǎn)工業(yè)中的應(yīng)用

1、 HEFEI UNIVERSITY計算機控制在生產(chǎn)工業(yè)中的應(yīng)用題 目： 計算機控制在生產(chǎn)工業(yè)中的應(yīng)用 系 別： 電子信息與電氣工程系 專業(yè)（班級）： 11自動化1班 導(dǎo)師姓名： 完成時間： 2014-03-20 目錄摘要- 1 -一、 計算機控制技術(shù)的發(fā)展概況- 2 -1.1計算機控制技術(shù)的發(fā)展歷史- 2 -1.2計算機控制技術(shù)的分類- 2 -1.3計算機控制系統(tǒng)國內(nèi)外應(yīng)用狀況- 4 -1.4 計算機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢- 5 -二、 計算機控制的應(yīng)用- 6 -2.1計算機控制技術(shù)的應(yīng)用- 6 -2.1計算機控制技術(shù)的特點- 6 -三、總結(jié)- 8 -參考文獻- 8 -計算機控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用摘

2、要 計算機控制系統(tǒng)是自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工控機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)，它由控制計算機本體（包括硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和受控對象兩大部分組成。隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，計算機控制技術(shù)誕生并迅速蓬勃發(fā)展起來，其應(yīng)用遍及國防、航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等多種領(lǐng)域。在各個大中型企業(yè)的生產(chǎn)過程中現(xiàn)已廣泛采用計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策從而達到提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量、確保安全、提高生產(chǎn)率的目的?？刂评碚摗x器儀表、計算機和其他信息技術(shù)的應(yīng)用極大地推進了計算機自動控制技術(shù)的發(fā)展。自動控制理論

3、與計算機信息科學(xué)的緊密結(jié)合，給工業(yè)生產(chǎn)過程帶來了新的技術(shù)革新。在各個工業(yè)現(xiàn)場中計算機自動控制技術(shù)的應(yīng)用十分活躍。計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)可以應(yīng)用于幾乎所有的工廠、生產(chǎn)車間、生產(chǎn)線上。比如發(fā)動機廠、汽車制造廠、發(fā)電廠、鋼鐵廠等等。但是工業(yè)現(xiàn)場不同于事業(yè)單位的辦公室或其他場所那里一般環(huán)境比較惡劣有著強磁場、幾千伏高壓電、粉塵以及強烈的噪音等這就要求工業(yè)現(xiàn)場的計算機控制系統(tǒng)具有更好的性能更強的抗干擾能力。由此工業(yè)控制技術(shù)和工業(yè)控制計算機應(yīng)運而生這是一種特殊的更適合于在工業(yè)環(huán)境中工作有許多模擬量和開關(guān)量信號輸入和輸出并完成類似數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)控制等功能的具有高可靠性、高抗干擾能力、高精度的集成

4、計算機系統(tǒng)。本文主要介紹計算機控制技術(shù)發(fā)展歷史，現(xiàn)狀及趨勢，應(yīng)用領(lǐng)域具體實例以及關(guān)于計算機控制技術(shù)的思考。- 8 -1、 計算機控制技術(shù)的發(fā)展概況1.1計算機控制技術(shù)的發(fā)展歷史 世界上第一臺電子數(shù)字計算機于1946年在美國問世。經(jīng)歷了十多年的研究，1959年世界上第一臺過程控制計算機TRW-300在美國德克薩斯的一個煉油廠正式投入運行。這項開創(chuàng)性工作為計算機控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從此，計算機控制技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。同時，計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展是與計算機技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個階段：1計算機控制系統(tǒng)的開創(chuàng)期（20世紀50年代） 1946年世界第一

5、臺電子計算機ENICA問世。1952年，計算機首先被用來自動檢測化工生產(chǎn)過程的過程參量并進行數(shù)據(jù)處理。1954年，人們開始研究計算機的開環(huán)控制。1956年3月開始，美國開辟了計算機控制的新紀元。但是計算機控制并沒有得到廣泛的應(yīng)用。2直接數(shù)字控制階段（20世紀60年代） 1962年，英國研究了一臺用于過程控制的計算機，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制，但是系統(tǒng)的抗干擾性比較差，可靠性不是太好，因此許多計算機系統(tǒng)發(fā)生障礙。3集中式計算機控制系統(tǒng)發(fā)展時期（1967-1975年） 20世界60年代，人們提出了集中式計算機控制系統(tǒng)。但是仍不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的控制要求。 4以微處理器為核心的分層分布式控制系統(tǒng)（

6、1975年至今）分散性控制系統(tǒng)（DCS）采用分層分布式的遞階控制結(jié)構(gòu)，用計算機對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。DCS在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，其中，F(xiàn)CS中用數(shù)字信號代替了模擬信號。1.2計算機控制技術(shù)的分類計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廠泛，計算機可以控制單個電機、閥門，也可以控制管理整個工廠企業(yè)；控制方式可以是單回路控制，也可以是復(fù)雜的多變量解耦控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制乃至智能控制。因而，它的分類方法也是多樣的，可以按照被控參數(shù)、設(shè)定值的形式進行分類，也可以按照控制裝置結(jié)構(gòu)類型、被控對象的特點和要求及控制功能的類型進行分類，還可以按照系統(tǒng)功能、控制規(guī)律和控制方式進行分類。常

7、用的是按照系統(tǒng)功能分類，分為以下幾類： 1）基于PC總線的板卡與工控機的計算機控制系統(tǒng)：是一個典型的DDC控制系統(tǒng) 2）基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)：數(shù)字調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內(nèi)部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數(shù)字量I/O通道、電源等部分構(gòu)成的一個微型計算機系統(tǒng)。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調(diào)節(jié)器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級控制、前饋控制等。 3）基于PLC的計算機控制系統(tǒng)：PLC是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物,是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是能直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下的特殊計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并

8、具有較強的驅(qū)動能力，能夠較好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。 4）基于嵌入式系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及用戶應(yīng)用程序等四部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，要求針對特定應(yīng)用、特定功能開發(fā)特定系統(tǒng)，即要求系統(tǒng)與所嵌入的應(yīng)用環(huán)境成為一個統(tǒng)一的整體，具有緊湊、高可靠性、實時性好、低功耗等技術(shù)特點，因此就必須研究它的獨特的設(shè)計方法和開發(fā)技術(shù)，這是嵌入式系

9、統(tǒng)成為一個相對獨立的計算機研究領(lǐng)域的原因。 5）集散控制系統(tǒng)（DCS）:為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)要求，以微型計算機為基礎(chǔ)，從綜合自動化的角度，按分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設(shè)計原則而設(shè)計的一種集散型綜合控制系統(tǒng)，廣泛用于模擬量回路控制較多的行業(yè)，盡量將控制所造成的危險性分散，而將管理和顯示功能集中。先進的分散型控制系統(tǒng)將以CIMS/CIPS為目標，以新的控制方法、現(xiàn)場總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，為用戶實現(xiàn)過程控制自動化相結(jié)合的管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。 6）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）:FCS（Fieldbus Control System）是一種以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)

10、絡(luò)自動化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場自動化系統(tǒng)。作為一種現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，F(xiàn)CS具有開放式數(shù)字通信功能，可與各種通信網(wǎng)絡(luò)互連；作為一種現(xiàn)場自動化系統(tǒng)，F(xiàn)CS把安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場的具有信號輸入、輸出、運算、控制和通信功能的各種現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備作為現(xiàn)場總線的節(jié)點，并直接在現(xiàn)場總線上構(gòu)成分散的控制回路。 7）計算機集成制造/過程系統(tǒng)（CIMS/CIPS）：CIMS是基于1973年美國Dr.Joseph HarringtonComputer Integrated Manufacturing博士論文中提出的CIM概念而構(gòu)成的一種現(xiàn)代制造系統(tǒng)。企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，即從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、

11、經(jīng)營管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動，彼此是緊密連接的，是一個不可分割的整體，應(yīng)該在企業(yè)整體框架下統(tǒng)一考慮各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)活動；整個生產(chǎn)過程的實質(zhì)是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程，最終形成的產(chǎn)品可以看作是“數(shù)據(jù)”的物質(zhì)表現(xiàn)。1.3計算機控制系統(tǒng)國內(nèi)外應(yīng)用狀況 近十幾年，過程控制系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，由于集散控制系統(tǒng)是這一領(lǐng)域的主導(dǎo)發(fā)展方向，各國廠商都在這一市場不斷推陳出新。美國和日本的產(chǎn)品代表兩個主要的發(fā)展方向：美國廠商重點推出開放型集散系統(tǒng)，加速研制現(xiàn)場總線產(chǎn)品，推廣應(yīng)用智能變送器；日本廠商則著重發(fā)展高功能集散系統(tǒng)，從軟件開發(fā)入手，挖掘軟件工作的潛力，強調(diào)控制功能和管理功能的結(jié)合。20世紀80年

12、代，比較著名的大型集散控制系統(tǒng)新產(chǎn)品有：美國Honeywell公司的TDC一3000，F(xiàn)oxboro公司的VAS，Bailey公司的INn一9o，日本橫河公司的CENTRUM XL，英國Oxford Automation公司的SYSTEM一86，德國Siemens公司的TELEPERM系統(tǒng)等等。這些都屬于第三代DCS，控制點可達到一萬點以上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接近標準化，采用局域網(wǎng)技術(shù)。它的主要改變是在局域網(wǎng)絡(luò)方面，采用了符合國際標準化組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互連的參考模型。因此，在符合開放系統(tǒng)的各制造廠商產(chǎn)品間可以互相連接、互相通訊和進行數(shù)據(jù)交換，第三方的應(yīng)用軟件也能在系統(tǒng)中應(yīng)用，從而使集散控制系統(tǒng)

13、進入了更高的階段。在2o世紀9o年代初，隨著對控制和管理要求的不斷提高，第四代集散控制系統(tǒng)以管控一體化的形式出現(xiàn)。它在硬件上采用了開放的工作站，使用mSc替代CISC，采用了客戶機服務(wù)器(ClientServer)的結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)(Intranet)，并可與國際信息網(wǎng)(IntemeO 聯(lián)網(wǎng)。在軟件上則采用UNIX系統(tǒng)和XWindows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富。同時，在制造業(yè)，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)得到了應(yīng)用，使人們看到了應(yīng)用信息管理系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，在世界上引起了廣泛重視，各大儀表制造廠商紛紛在自己的DCS系統(tǒng)中融7、現(xiàn)場總線技術(shù)，推出

14、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及相應(yīng)的現(xiàn)場總線儀表裝置。第四代集散控制系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，橫河公司CENTE R CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司lAS 5051系列控制系統(tǒng)，ABB公司Advant系列OCS開放控制系統(tǒng)等。這代集散控制系統(tǒng)主要是為解決DCS系統(tǒng)的集中管理而研制，它們在信息的管理、通訊等方面提供了綜合的解決方案。1.4 計算機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢要發(fā)展計算機控制技術(shù)，必須對生產(chǎn)過程知識、測量技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論等領(lǐng)域進行廣泛深入地研究。1）開放式控制系統(tǒng)的興起。目前，各系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)并不一致，相互之間缺乏兼容性和互換性，各廠家的系統(tǒng)不具備可移植性和互操

15、作性，真正實現(xiàn)控制系統(tǒng)的開放性，還有很長的路要走。2）推廣發(fā)展智能控制系統(tǒng)。常用的智能控制策略包括模糊控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制以及神經(jīng)控制等，智能化是控制系統(tǒng)技術(shù)水平的重要標志。3）采用新型的分層分布式控制系統(tǒng)。發(fā)展以Bitbus、現(xiàn)場總線等先進網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的DCS和FCS控制結(jié)構(gòu)，并采用先進控制策略，向LCA系統(tǒng)的方向發(fā)展，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)。4）推廣應(yīng)用先進的控制技術(shù)。普及應(yīng)用PLC；采用智能化的儀器儀表；根據(jù)應(yīng)用要求選擇處理器。5）控制系統(tǒng)的綜合自動化。綜合自動化包括計算機集成制造系統(tǒng)和計算機集成過程系統(tǒng)，是過程工業(yè)中的CIMS。6）控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與虛擬化。在數(shù)字化基礎(chǔ)上，虛擬化

16、技術(shù)的研究正在迅速發(fā)展，它主要包括虛擬現(xiàn)實、虛擬產(chǎn)品開發(fā)、虛擬制造和虛擬企業(yè)等。7）控制系統(tǒng)的綠色化。綠色自動化技術(shù)的概念，保證信息安全與減少信息污染、電磁譜波抑制、潔凈生產(chǎn)、人機和諧和綠色制造等。2、 計算機控制的應(yīng)用2.1計算機控制技術(shù)的應(yīng)用1工業(yè)爐控制的典型情況為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。它可以防止空氣太多時，過?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當空氣太少時，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧化碳或碳黑。為了保持所需的爐溫，將測得的爐溫送入計算機計算，進而控制燃料和空氣閥門的開度。 為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過低時從爐墻的縫隙處吸入大量過?？諝猓蛟趬毫^高

17、時大量燃料通過縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進而控制煙道出口擋板的開度。 為了提高爐子的熱效率，還須對爐子排出的廢氣進行分析，一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧，通過計算而得出其熱效率，并用以指導(dǎo)燃燒控制。2.1計算機控制技術(shù)的特點1安全可靠  工業(yè)控制計算機不同于一般用于科學(xué)計算或管理的計算機，它的工作環(huán)境比較惡劣，周圍的各種干擾隨時地威脅著它的正常運行，而且它所擔當?shù)目刂浦厝斡植辉试S它發(fā)生異?，F(xiàn)象。因此在設(shè)計過程中把安全可靠放在首位。 2作維護方便  操作方便體現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握計算機知識

18、才能操作。既要體現(xiàn)操作的先進性，又要兼顧原有得操作習(xí)慣。維修方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。采用標準的功能沒，模板式結(jié)構(gòu)，便于更換故障模板。并在功能模板上安裝狀態(tài)指示燈 和監(jiān)測點，便于維修人員檢查。另外配制診斷程序用來查找故障。 3時性強  工業(yè)控制機的實時性表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時的響應(yīng)，并做出響應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類，一類是定時事件，如數(shù)椐的定時采集、運算控制等；另一類是隨機事件，如事故、報警等。對于定時事件，系統(tǒng)設(shè)置時鐘保證定時處理。對于隨機事件系統(tǒng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急，預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生保證優(yōu)先處理緊