計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜述

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜述摘要:依據(jù)目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模型，通過對直接控制（DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制(SCC)系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的分析，概括了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向。對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少環(huán)境污染的必由之路，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為生產(chǎn)設(shè)備及過程控制等重要的組成部分，它代替人的思維成為工業(yè)設(shè)備及工藝過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制的指揮和監(jiān)督中心。工業(yè)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)步、工業(yè)生產(chǎn)工藝過程控制要求的提高和生產(chǎn)管理的完善而不斷發(fā)展。目前工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)層次基本上劃分為：直接數(shù)字控制（DDC

2、）系統(tǒng)、監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)（DCS）、遞階控制系統(tǒng)（HCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等幾種，其中DCS是融DDC系統(tǒng)、SCC系統(tǒng)及整個(gè)工廠的生產(chǎn)管理為一體的高級控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了其他控制系統(tǒng)中存在的“危險(xiǎn)集中”問題，具有較高的可靠性和實(shí)用性。但是，為了進(jìn)一步適合現(xiàn)場的需要，DCS也在不斷更新?lián)Q代，近年來，集計(jì)算機(jī)、通信、控制三種技術(shù)為一體的第5代過程控制體系結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，成為國內(nèi)外計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文對各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和特點(diǎn)以及發(fā)展方向作一分析研究。1 直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)“直接數(shù)字控制”這個(gè)名字是為了強(qiáng)調(diào)計(jì)算

3、機(jī)直接控制生產(chǎn)過程這一特征。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中首先是把反映過程狀態(tài)的參數(shù)經(jīng)過采樣，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算，將控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，以達(dá)到預(yù)期的目的。同時(shí)，也可根據(jù)需要將必要的信息在終端機(jī)的屏幕上顯示或用打印機(jī)打印出來。當(dāng)前以單片機(jī)為主體的DDC控制儀用量最大，如控制溫度、流量，控制風(fēng)機(jī)、水、油泵及爐門升降機(jī)構(gòu)等。這種微機(jī)控制儀表的功能已大大超過以摸擬電子元件為基礎(chǔ)的測量儀表，而且有了處理工藝參數(shù)的功能，但它們需要與中間繼電器、交流接觸器、晶閘管、電磁閥、比例閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成完善的控制系統(tǒng)。多數(shù)DDC控

4、制儀采用PID和模糊控制算法，但自身自調(diào)整和在線優(yōu)化能力仍較弱。最新推出的DDC控制系統(tǒng)均配有通信接口，可方便地進(jìn)行聯(lián)機(jī)。這類控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、輕便靈活、便于維護(hù)，有較高的抗干擾能力和控制精度，操作方便。主要問題是受運(yùn)行速度和內(nèi)存容量的限制，一般只能按預(yù)定工藝參數(shù)進(jìn)行工藝過程控制，難于動(dòng)態(tài)控制熱處理工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測，因此還是初級微機(jī)控制系統(tǒng)。國產(chǎn)的這類控制儀種類多，但目前仍存在著抗干擾自復(fù)位能力較差，可靠性差等問題。2監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)又稱設(shè)定值控制系統(tǒng)（SPC），它是將操作指導(dǎo)和DDC綜合起來的一種較高級形式的控制系統(tǒng)。它和DDC一樣屬于閉環(huán)控制。

5、在這類系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)是依靠模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)來完成的。SCC計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)進(jìn)行巡檢，并根據(jù)生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值，直接對模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)定，使生產(chǎn)過程在最優(yōu)工況下運(yùn)行。此外，它還可以通過在線的模型辯識，隨時(shí)對現(xiàn)有模型進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制。模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)直接面向生產(chǎn)過程，SCC計(jì)算機(jī)則面向模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)，也就是說，含有SCC的系統(tǒng)至少是一個(gè)兩級控制系統(tǒng)。一臺SCC計(jì)算機(jī)可監(jiān)督控制多臺DDC或模擬調(diào)節(jié)器。SCC系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行性能和可靠性。目前較高水平的熱處理設(shè)備計(jì)算機(jī)控制已基本上達(dá)到SCC級。我國引

6、進(jìn)的不少熱處理設(shè)備，如濟(jì)南柴油機(jī)廠引進(jìn)德國IPSEN公司的SUPER CARB多用爐，陜西齒輪廠引進(jìn)奧地利艾協(xié)林滲碳自動(dòng)生產(chǎn)線，均帶有SCC系統(tǒng)。目前，國內(nèi)也開始開發(fā)這類控制系統(tǒng)。生產(chǎn)中的主要問題在于基礎(chǔ)工作不完善，如工藝過程控制及產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測、工藝參數(shù)影響因素及過程精確控制數(shù)學(xué)模型的建立等。因此，加強(qiáng)對引進(jìn)系統(tǒng)的消化吸收，開發(fā)適合我國國情的SCC熱處理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是近期的主要發(fā)展方向。采用SCC系統(tǒng)的原因是由于DDC系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，采樣周期不能太長。而較短的采樣周期又難以完成較為復(fù)雜的運(yùn)算與控制，SCC系統(tǒng)則可以完成較為復(fù)雜的計(jì)算，如優(yōu)化計(jì)算、自適應(yīng)算法等，而將計(jì)算出的最佳設(shè)定值送給

7、DDC系統(tǒng)或模擬調(diào)節(jié)器去執(zhí)行，因此，可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。但是，DDC系統(tǒng)和SCC系統(tǒng)都屬于集中型控制系統(tǒng)，當(dāng)這種系統(tǒng)集中了很多的控制回路時(shí)，就必然會(huì)帶來“危險(xiǎn)高度集中”的問題，從而使系統(tǒng)的可靠性大為降低。這就要求直接數(shù)字控制由集中型向分散型轉(zhuǎn)移，于是出現(xiàn)了“控制分散、信息集中”的集散型控制系統(tǒng)。3 集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)（DCS）又稱為分散控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)。它是融DDC、SCC及整個(gè)工廠的生產(chǎn)管理為一體的高級控制系統(tǒng)。目前所使用的集散控制系統(tǒng)有環(huán)形、總線形和分級式幾種。現(xiàn)以分級式為例介紹該系統(tǒng)的組成。分級式控制系統(tǒng)通常由分散過程控制級（DDC級）、監(jiān)督控制（SCC級）和生產(chǎn)

8、管理級（MIC級）等3級組成。分散過程控制級是DCS的基礎(chǔ)，用于直接控制生產(chǎn)過程。它由各工作站組成，每一工作站分別完成數(shù)據(jù)采集、順序控制或某一被控制量的閉環(huán)控制等。分散過程控制級收集的數(shù)據(jù)供監(jiān)控級調(diào)用，各工作站接收監(jiān)控級發(fā)送的信息，并依此而工作。可見分散過程控制級基本上屬于DDC系統(tǒng)的形式，但將DDC系統(tǒng)的職能由各工作站分別完成。由于工作任務(wù)由各站來完成，因此局部的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，從而避免了集中控制系統(tǒng)中“危險(xiǎn)集中”的缺點(diǎn)。監(jiān)控級的任務(wù)是對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與操作。監(jiān)控級根據(jù)生產(chǎn)管理級的技術(shù)要求，確定分散過程控制級最優(yōu)給定量。監(jiān)控級能全面地反映各工作站的情況，提供充分的信息，因此本級

9、的操作人員可以據(jù)此直接干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行。管理級則是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它根據(jù)監(jiān)控級提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)的要求，編制全面反映整個(gè)系統(tǒng)工作情況的報(bào)表，審核控制方案，選擇數(shù)學(xué)模型，制定最優(yōu)控制策略，并對下一級下達(dá)命令。集散型控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展、滲透而產(chǎn)生的。具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡單規(guī)范化、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的各種需要，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平和管理水平，提高產(chǎn)品

10、質(zhì)量，降低能源消耗和原材料消耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證生產(chǎn)安全，促進(jìn)工業(yè)技術(shù)發(fā)展，創(chuàng)造最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。4 遞階控制系統(tǒng)（HCS）集散系統(tǒng)進(jìn)一步向上聯(lián)網(wǎng)，和上層的管理信息系統(tǒng)一起構(gòu)成遞階控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們把注意力轉(zhuǎn)向工廠的生產(chǎn)效率、能源消耗、利潤指標(biāo)等管理信息方面，于是就把生產(chǎn)過程的監(jiān)控與科學(xué)化的企業(yè)管理結(jié)合起來。遞階控制系統(tǒng)一般分成4級。在直接控制級上，過程控制計(jì)算機(jī)直接與現(xiàn)場各類裝置（如變送器、執(zhí)行器、記錄儀表等）相連，對所連接的裝置實(shí)施監(jiān)測、控制，同時(shí)它還向上與第2層的計(jì)算機(jī)相連，接收上層的管理信息，并向上傳遞裝置的特征數(shù)據(jù)和采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在過程管理級上的過程管

11、理計(jì)算機(jī)主要有監(jiān)控計(jì)算機(jī)、操作站和工程師站。它綜合監(jiān)視過程各站的所有信息，集中顯示操作，控制回路組態(tài)和參數(shù)修正，優(yōu)化過程處理等。在生產(chǎn)管理級上的管理計(jì)算機(jī)根據(jù)產(chǎn)品各部件的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)各單元級的參數(shù)設(shè)定，是產(chǎn)品的總體協(xié)調(diào)員和控制器。經(jīng)營管理級居于中央計(jì)算機(jī)上，并與辦公室自動(dòng)化連接起來，擔(dān)負(fù)起全廠的總體協(xié)調(diào)管理，包括各類經(jīng)營活動(dòng)、人事管理等。需要說明的一點(diǎn)是，有些文獻(xiàn)將分級控制系統(tǒng)單獨(dú)歸為一類，有些文獻(xiàn)則將它歸為集散控制系統(tǒng)中的一種，本文采取的是后一種分類方法。5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）集散控制系統(tǒng)（DCS）在不斷更新?lián)Q代，為了進(jìn)一步滿足現(xiàn)場的需要，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）應(yīng)運(yùn)而生，并且已經(jīng)成

12、為工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化領(lǐng)域中一個(gè)新的熱點(diǎn)。FCS是一個(gè)由三類部件組成的實(shí)時(shí)連續(xù)反饋系統(tǒng)，即由被控過程（環(huán)境）、數(shù)據(jù)融合機(jī)制、傳感器及施動(dòng)器組成的閉環(huán)通信控制系統(tǒng)。其中，多傳感器為數(shù)據(jù)融合機(jī)制提供有關(guān)被控過程當(dāng)前狀態(tài)的信息；數(shù)據(jù)融合機(jī)制是一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它利用傳感器提供信息計(jì)算所需的操作，以減少系統(tǒng)設(shè)定理想狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)之間的差異；施動(dòng)器完成了數(shù)據(jù)融合機(jī)制計(jì)算出的行為操作?，F(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)備稱為現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的名稱及功能隨所應(yīng)用的企業(yè)而定。用于過程自動(dòng)化構(gòu)成FCS的基本設(shè)備如下：變送器：常用的變送器有溫度、壓力、流量、物位和分析5大類，每類又有多個(gè)品種。變送器既有檢測、變換和補(bǔ)償功

13、能，又有PID控制和運(yùn)算功能。 執(zhí)行器：常用的執(zhí)行器有電動(dòng)、氣動(dòng)兩大類，每類又有多個(gè)品種。執(zhí)行器的基本功能是信號驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補(bǔ)償、PID控制和運(yùn)算等功能，另外還有閥門特性自校驗(yàn)和自診斷功能。 服務(wù)器和網(wǎng)橋：服務(wù)器下接H1和H2，上接局域網(wǎng)LAN(local area network);網(wǎng)橋上接H2，下接H1。 輔助設(shè)備：H1/氣壓、H1/電流和電流/H1轉(zhuǎn)換器、安全柵、總線電源、便攜式編程器等。監(jiān)控設(shè)備：工程師站供現(xiàn)場總線組態(tài)，操作員站供工藝操作與監(jiān)視，計(jì)算機(jī)站用于優(yōu)化控制和建模。FCS的核心是現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線技術(shù)是90年代興起的一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，它將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與

14、管理的觀念引入工業(yè)控制領(lǐng)域。從本質(zhì)上說，它是一種數(shù)字通信協(xié)議，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。是控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三者的結(jié)合，具有現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、互操作性、分散的功能塊、通信線供電、開放式互連網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)不僅保證了它完全可以適應(yīng)目前工業(yè)界對數(shù)字通信和自動(dòng)控制的需求，而且使它與Internet網(wǎng)互連構(gòu)成不同層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)成為可能，代表了今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種方向?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為一種新一代的過程控制系統(tǒng)，無疑具有十分廣闊的發(fā)展前景。但是，我們同時(shí)也應(yīng)看到，F(xiàn)CS與已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年不斷發(fā)展和完

15、善的DCS系統(tǒng)相比在某些方面尚存在著一些問題，要在復(fù)雜度很高的過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用FCS尚有一定的困難。當(dāng)然，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，這些問題將會(huì)逐漸得到解決。參考文獻(xiàn)1Bensonnn R.Process Control the Future.Computing and Control Engineering Journal,1997,8(4):1611662 張宇河,金鈺編著.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京理工大學(xué)出版社,19963Lewis R.Design of Distributed Control Systems in the Next Millennium. Computing and Control Engineering Journal,1997,8(4):1481524王錦標(biāo).現(xiàn)場總線控制系統(tǒng).微計(jì)算機(jī)信息，1996,12(6):8165張穎等.現(xiàn)場總線與工業(yè)企業(yè)網(wǎng).微計(jì)算