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1、计算机控制技术摘 要：计算机控制技术及工程应用是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。控制系统的发展趋势：向国产DCS系统转移，向PLC转移，向现场总线控制系统FCS转移，而以PC为基础的控制系统(PC-Based Control System, PCBCS)也呈现良好的发展态势。关 键 词：计算机控制；多元化；发展动向1 计算机控制系统的概述计算机控制系统(puter Control System，简称CCS
2、)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。工业上定义为利用计算机实现工业生产过程的自动控制系统。1.1 计算机控制系统的特点(1) 系统控制功能强通过强大的数字、逻辑计算能力实现复杂运算；通过通讯实现大规模系统的控制；通过数据存储实现人工智能。工业上随着生产规模的扩大，模拟控制盘越来越长，这给集中监视和操作带来困难;而计算机采用分时操作，用一台计算机可以代替许多台常规仪表，在一台计算机上操作与监视则方便了许多。(2) 操作的灵活性强（人机对话功能强）、界面友好常规模拟式控制系统的功能实现和方案修改比较困难，常需要进行硬件重新配置调整和接线更改；而
3、计算机控制系统，由于其所实现功能的软件化，复杂控制系统的实现或控制方案的修改可能只需修改程序、重新组态即可实现。另外硬件和软件的通用型强，便于系统的开发和修改，如：软件通用级(ANSYS)、硬件系统通用级(PC平台)、芯片通用级（软核）等。(3) 实现资源共享性常规模拟控制无法实现各系统之间的通讯，不便全面掌握和调度生产情况；计算机控制系统可以通过通信网络而互通信息，实现数据和信息共享，能使操作人员及时了解生产情况，改变生产控制和经营策略，使生产处于最优状态。(4) 计算机的智能控制计算机具有记忆和判断功能，它能够综合生产中各方面的信息，在生产发生异常情况下，及时做出判断，采取适当措施，并提供
4、故障原因的准确指导，缩短系统维修和排除故障时间，提高系统运行的安全性，提高生产效率，这是常规仪表所达不到的。1.2 计算机控制系统的组成及分类这里的计算机通常指数字计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。被控对象的围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，也可以是开环的。计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由
5、硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。图1为计算机控制系统的一般组成框图。计算机控制系统主要有以下几个类别：操作指导控制系统（OGC） 、直接数字控制(DDC) 、现场总线控制系统（FCS）、监督计算机控制系统（SCC）、分散控制系统（DCS）等。目前微型计算机控制系统的发展趋势主要有可编程控制器（P
6、LC）、采用新型的控制系统（集散控制系统）、人工智能、神经网络控制系统。2 控制系统类型的多元化20世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路与方案。在工业生产过程中，1969年问世的PLC和1975年问世的DCS可能是两类影响最为深远的计算机控制系统。PLC的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程序控制；DCS的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和PID回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，PLC、DCS互相融合，互相渗透，取长补短。另外，随着其他计算机控制
7、系统的不断出现，控制系统的产品早已呈现出多元化的发展格局，而针对某一具体用户来说，DCS+PLC的控制方案不再受青睐，控制系统设备一体化的呼声越来越高。2.1 操作指导控制系统（OGC）操作指导控制系统-是基于数据采集系统的一种开环结构。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。 2.2 直接数字控制(
8、DDC)DDC系统-是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。2.3 现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统即FCS-是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构
9、模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。它的结构组成如图所示。每个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。2.4 监督计算机控制系统（SCC） 监督计算机控制系统即SCC-是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量
10、大的高档计算机。2.5 分散控制系统（DCS）分散控制系统-是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集管理和分散控制的先进计算机控制统。 图2为其系统框图。由于早期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分散控制系统，国也有人将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分散控制系统简称为DCS。DCS 采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。 图2 DCS控制系统框图2.6 近年来，控制系统的发展还出现这样一些趋势：向国产DCS系统转移，向PLC转移，向现场总线控制系统FCS转移，而以PC为基础的控制系统(PC-Based
11、 Control System, PCBCS)也呈现良好的发展态势。（1）可编程调节器（PLC）又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程IO（输入/输出） 单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。（2）总线式工控机是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。（3）随着微电子技术与超大规模集成技术
12、的发展，计算机技术的另一个分支超小型化的单片微型计算机(Single Chip Microputer)简称单片机诞生了。它是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、甚至A/D转换器、脉宽调制器、 图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。3 计算机控制技术的发展动向3.1 控制设备的一体化按我国的体制，工程设计、施工安装、现场维护通常都是分成自控仪表、电气两个专业采用两套控制设备，构成两个控制中心，带来投资、操作、生产管理上的大量问题，所以不少用户迫切希望工艺过程的所有控制要求应该由一个控制系统来完成，这就是要现控制设备一体化。
13、3.2 向国产DCS转移在与国外DCS厂家的竞争中，目前还不好说国产DCS全面占有优势，但至少在一部分行业、在中小型企业能打成平手甚至略占优势。国产DCS从中小型企业开始，从辅助工序开始，现已逐步进入大型、特大型企业，进入主体工序。3.3 向PLC控制系统转移PLC以其产品应用广泛、产量大、价格稍低的优势逐渐挤占了DCS原有的市场。据介绍，在国水泥行业控制系统20余年的应用中，DCS、PLC大体上各占半壁江山，其中80年代中后期及90年代初期以传统的DCS应用较多，而在此之后，是以PLC型DCS(即PLC+微机组成的DCS系统)的应用较多，世界著名的水泥公司设计或建设的大型水泥厂的控制系统也是
14、以PLC型DCS为多。3.4 向现场总线控制系统转移现场总线具有以下特点：开放性、可互操作性与可互换性、全数字化、双向通信、智能化现场仪表，而以现场总线为基础的开放式、全数字化的控制系统称为现场总线控制系统。当现场总线控制系统的概念刚刚推出时，控制功能分散、现场仪表信息量增加、节省电缆、减少安装工作量等优点使用户非常容易接受，经过几年来的舆论宣传，现场总线控制系统可以说已经深入人心，人们追求新潮的心理再加上实实在在的好处，使控制系统从常规的DCS、PLC向现场总线控制系统转移是顺理成章的事了。3.5 PCBCS的发展前景市场要求自动化系统制造商提供开放的平台，但是只有PC机才能提供一个真正的、
15、完全开放的平台，系统所有的功能集成于PC这个统一开放的平台上，可以减少安装空间、节省电缆，将复杂的通信连接简单化，还可通过Internet或Intranet得到重要的生产信息，实现生产过程优化。什么是PCBCS呢？它是指将经过加固的PC机硬件与控制软件相结合，实施通常由专用PLC执行的控制功能，或者说将PLC的控制功能“封装在”软件，运行在PC的环境中。PCBCS具有非常好的开放性，下层对I/O系统是开放的，可以支持多种I/O硬件，包括很多PLC的远程I/O及I/O分站，上层对多种管理及通信软件是开放的。4 结束语从上述分析论述中, 我们可以得出以下简单的结论:当今社会是计算机的时代，而工业控
16、制领域，计算机更是扮演着不可缺少的角色。随着计算机技术、自动控制技术与网络通信技术的不断发展, 计算机控制系统中, 数字式分散控制DCS 并不会消亡, 现场总线控制系统FCS 的出现, 只是要改变DCS 中心地位, DCS 可作为现场总线的一个站点。控制系统的发展还出现这样一些趋势：向国产DCS系统转移，向PLC转移，向现场总线控制系统FCS转移，而以PC为基础的控制系统(PC-Based Control System, PCBCS)也呈现良好的发展态势。参考文献1 王永华.现场总线技术及其应用教程；机械工业2 朱斌编.计算机控制，华南理工大学3 魏晓东.分散型控制系统M.:科学技术文献，1991.4 阳宪惠.现场总线技术及其应用M.:清华大学，1999.5 何克忠,伟编著；计算机控制系统；清华大学1998. 2.6 浩.工业计算机网络与多媒体技术M.:机械工业,1998.7 何衍庆.集散控制系统原理及其应用；化学工业
