計算機控制技術(shù)綜述及發(fā)展方向

1、計算機控制技術(shù)的綜述及發(fā)展方向摘 要： 計算機控制技術(shù)及工程應(yīng)用是把計算機技術(shù)與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問，是以計算機為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。從計算機應(yīng)用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動化控制工程來看，計算機技術(shù)又是一個主要的實現(xiàn)手段?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)展趨勢：向國產(chǎn)DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，向PLC轉(zhuǎn)移，向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS轉(zhuǎn)移，而以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)(PC-Based Control System, PCBCS)也呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。關(guān) 鍵 詞： 計算機控制；多元化；發(fā)展方向1 計算機控制系統(tǒng)的概述 計算機控制系統(tǒng)(Computer Contro

2、l System，簡稱CCS)是應(yīng)用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。工業(yè)上定義為利用計算機實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)。1.1 計算機控制系統(tǒng)的特點(1) 系統(tǒng)控制功能強 通過強大的數(shù)字、邏輯計算能力實現(xiàn)復(fù)雜運算；通過通訊實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的控制；通過數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)人工智能。工業(yè)上隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，模擬控制盤越來越長，這給集中監(jiān)視和操作帶來困難;而計算機采用分時操作，用一臺計算機可以代替許多臺常規(guī)儀表，在一臺計算機上操作與監(jiān)視則方便了許多。(2) 操作的靈活性強（人機對話功能強）、界面友好 常規(guī)模擬式控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和方案修改比較困難，常需要進

3、行硬件重新配置調(diào)整和接線更改；而計算機控制系統(tǒng)，由于其所實現(xiàn)功能的軟件化，復(fù)雜控制系統(tǒng)的實現(xiàn)或控制方案的修改可能只需修改程序、重新組態(tài)即可實現(xiàn)。另外硬件和軟件的通用型強，便于系統(tǒng)的開發(fā)和修改，如：軟件通用級(ANSYS)、硬件系統(tǒng)通用級(PC平臺)、芯片通用級（軟核）等。(3) 實現(xiàn)資源共享性 常規(guī)模擬控制無法實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的通訊，不便全面掌握和調(diào)度生產(chǎn)情況；計算機控制系統(tǒng)可以通過通信網(wǎng)絡(luò)而互通信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，能使操作人員及時了解生產(chǎn)情況，改變生產(chǎn)控制和經(jīng)營策略，使生產(chǎn)處于最優(yōu)狀態(tài)。(4) 計算機的智能控制 計算機具有記憶和判斷功能，它能夠綜合生產(chǎn)中各方面的信息，在生產(chǎn)發(fā)生異常情況下

4、，及時做出判斷，采取適當(dāng)措施，并提供故障原因的準(zhǔn)確指導(dǎo)，縮短系統(tǒng)維修和排除故障時間，提高系統(tǒng)運行的安全性，提高生產(chǎn)效率，這是常規(guī)儀表所達不到的。1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成及分類 這里的計算機通常指數(shù)字計算機。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。被控對象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機械裝置、交通工具、機器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電器和兒童玩具等?？刂颇康目梢允鞘贡豢貙ο蟮臓顟B(tài)或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標(biāo)。與一般控制系統(tǒng)相同，計算機控制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的，也可以是開環(huán)的。計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分和軟

5、件部分，這不同于模擬控制器構(gòu)成的系統(tǒng)只由硬件組成。計算機控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和服務(wù)性程序等，它們通常由計算機制造廠為用戶配套，有一定的通用性。應(yīng)用軟件是為實現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等。它們涉及被控對象的自身特征和控制策略等，由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。圖1為計算機控制系統(tǒng)的一般組成框圖。計算機控制系統(tǒng)主要有以下幾個類別：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OGC） 、直接數(shù)字控制(DDC) 、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SCC）、分散控制系統(tǒng)（DCS）等。目前微型計算機

6、控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有可編程控制器（PLC）、采用新型的控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)）、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。2 控制系統(tǒng)類型的多元化 20世紀(jì)后半葉，由于計算機、通信、控制、儀表、軟件等技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅產(chǎn)生了多種多樣的自控產(chǎn)品，也豐富了人們進行自控設(shè)計的思路與方案。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，1969年問世的PLC和1975年問世的DCS可能是兩類影響最為深遠的計算機控制系統(tǒng)。PLC的問世取代了繼電器之類的器件，實現(xiàn)了開關(guān)量的聯(lián)鎖控制、程序控制；DCS的問世取代了顯示儀、調(diào)節(jié)器之類的儀表，實現(xiàn)了模擬量的指示、記錄和PID回路調(diào)節(jié)等功能。隨著計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，PLC、DCS互相融合，互

7、相滲透，取長補短。另外，隨著其他計算機控制系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，控制系統(tǒng)的產(chǎn)品早已呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展格局，而針對某一具體用戶來說，DCS+PLC的控制方案不再受青睞，控制系統(tǒng)設(shè)備一體化的呼聲越來越高。2.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OGC）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)-是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進行最優(yōu)化計算，計算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據(jù)此去改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動與半自動工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能

8、同時控制多個回路。 2.2 直接數(shù)字控制(DDC) DDC系統(tǒng)-是用一臺計算機不僅完成對多個被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進行實時決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。DDC系統(tǒng)中的一臺計算機不僅完全取代了多個模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS-是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點，采用集管理控制

9、功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去，形成一個徹底的分散控制模式。它的結(jié)構(gòu)組成如圖所示。每個現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個智能節(jié)點，都帶CPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。2.4 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SCC） 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)即SCC-是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級系統(tǒng)。顯然，這屬于計算機在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機出現(xiàn)故障時，可由下位機獨立完成控制。下位機直接參與生產(chǎn)過程控制，要求其實時性好，可靠性高和抗干擾能力強；而上位機承擔(dān)高級

10、控制與管理任務(wù)，應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強，存儲容量大的高檔計算機。2.5 分散控制系統(tǒng)（DCS） 分散控制系統(tǒng)-是以微處理器為基礎(chǔ)，借助于計算機網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)過程進行集中管理和分散控制的先進計算機控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。DCS 采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則。2.6 近年來，控制系統(tǒng)的發(fā)展還出現(xiàn)這樣一些趨勢：向國產(chǎn)DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，向PLC轉(zhuǎn)移，向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS轉(zhuǎn)移，而以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)(PC-B

11、ased Control System, PCBCS)也呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。 （1）可編程調(diào)節(jié)器（PLC）又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器。它主要由微處理單元、過程IO（輸入/輸出） 單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。（2）總線式工控機是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制的通用性計算機，一般稱為工業(yè)控制計算機，簡稱為工業(yè)控制機或工控機。通常，計算機的生產(chǎn)廠家是按照某個總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計制造出若干符合總線標(biāo)準(zhǔn)、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設(shè)計人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程與技術(shù)要求，選用相應(yīng)的功能模板組合成自己所需的計算機控制系統(tǒng)。（3）隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)

12、模集成技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)的另一個分支超小型化的單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)簡稱單片機誕生了。它是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、 圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。3 計算機控制技術(shù)的發(fā)展方向3.1 控制設(shè)備的一體化按我國的體制，工程設(shè)計、施工安裝、現(xiàn)場維護通常都是分成自控儀表、電氣兩個專業(yè)采用兩套控制設(shè)備，構(gòu)成兩個控制中心，帶來投資、操作、生產(chǎn)管理上的大量問題，所以不少用戶迫切希望工藝過程的所有控制要求應(yīng)該由一個控制系統(tǒng)來完成，這就是要求

13、實現(xiàn)控制設(shè)備一體化。3.2 向國產(chǎn)DCS轉(zhuǎn)移在與國外DCS廠家的競爭中，目前還不好說國產(chǎn)DCS全面占有優(yōu)勢，但至少在一部分行業(yè)、在中小型企業(yè)能打成平手甚至略占優(yōu)勢。國產(chǎn)DCS從中小型企業(yè)開始，從輔助工序開始，現(xiàn)已逐步進入大型、特大型企業(yè)，進入主體工序。3.3 向PLC控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移 PLC以其產(chǎn)品應(yīng)用廣泛、產(chǎn)量大、價格稍低的優(yōu)勢逐漸擠占了DCS原有的市場。據(jù)介紹，在國內(nèi)水泥行業(yè)控制系統(tǒng)20余年的應(yīng)用中，DCS、PLC大體上各占半壁江山，其中80年代中后期及90年代初期以傳統(tǒng)的DCS應(yīng)用較多，而在此之后，是以PLC型DCS(即PLC+微機組成的DCS系統(tǒng))的應(yīng)用較多，世界著名的水泥公司設(shè)計或建設(shè)的

14、大型水泥廠的控制系統(tǒng)也是以PLC型DCS為多。3.4 向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移 現(xiàn)場總線具有以下特點：開放性、可互操作性與可互換性、全數(shù)字化、雙向通信、智能化現(xiàn)場儀表，而以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的開放式、全數(shù)字化的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。當(dāng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念剛剛推出時，控制功能分散、現(xiàn)場儀表信息量增加、節(jié)省電纜、減少安裝工作量等優(yōu)點使用戶非常容易接受，經(jīng)過幾年來的輿論宣傳，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以說已經(jīng)深入人心，人們追求新潮的心理再加上實實在在的好處，使控制系統(tǒng)從常規(guī)的DCS、PLC向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移是順理成章的事了。3.5 PCBCS的發(fā)展前景 市場要求自動化系統(tǒng)制造商提供開放的平臺，但是只

15、有PC機才能提供一個真正的、完全開放的平臺，系統(tǒng)所有的功能集成于PC這個統(tǒng)一開放的平臺上，可以減少安裝空間、節(jié)省電纜，將復(fù)雜的通信連接簡單化，還可通過Internet或Intranet得到重要的生產(chǎn)信息，實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化。什么是PCBCS呢？它是指將經(jīng)過加固的PC機硬件與控制軟件相結(jié)合，實施通常由專用PLC執(zhí)行的控制功能，或者說將PLC的控制功能“封裝在”軟件內(nèi)，運行在PC的環(huán)境中。PCBCS具有非常好的開放性，下層對I/O系統(tǒng)是開放的，可以支持多種I/O硬件，包括很多PLC的遠程I/O及I/O分站，上層對多種管理及通信軟件是開放的。4 總結(jié)從上述分析論述中, 我們可以得出以下簡單的結(jié)論:當(dāng)今社會是計算機的時代，而工業(yè)控制領(lǐng)域，計算機更是扮演著不可缺少的角色。隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展, 計算機控制系統(tǒng)中, 數(shù)字式分散控制DCS 并不會消亡, 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 的出現(xiàn), 只是要改變DCS 中心地位, DCS 可作為現(xiàn)場總線的一個站點。控制系統(tǒng)的發(fā)展還出現(xiàn)這樣一些趨勢：向國產(chǎn)DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，向PLC轉(zhuǎn)移，向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS轉(zhuǎn)移，而以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)(PC-Based Control