计算机控制系统综述.docx

计算机控制系统综述.docx

《计算机控制系统综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制系统综述.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

计算机控制系统综述

计算机控制系统综述

摘要:

依据目前国内外工业生产过程计算机控制系统的模型，通过对直接控制（DDC）系统、监督控制（SCC）系统、集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）的深入分析，研究了计算机系统的应用现状和发展方向。

关键词:

过程控制；直接控制系统；监督控制；集散控制系统；现场总线控制系统；

引言

计算机控制系统（ComputerControlSystem，简称CCS）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。

这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。

辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。

与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。

一．计算机控制系统发展背景

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，互相渗透，取长补短。

PLC吸取了DCS在回路控制功能、CRT显示功能、网络功能等方面的长处，DCS吸取了PLC在联锁控制功能、程序控制功能、梯形图及功能块图编程功能等方面的长处，两者之间的差别越来越小，分界线也越来越模糊了。

另外，随着其他计算机控制系统的不断出现，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。

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-BasedControlSystem,PCBCS）也呈现良好的发展态势[3]。

20世纪70年代中期，DCS刚刚问世一两年就开始进入中国，作为一种全新的控制模式和方便实用的CRT显示手段，很快为中国用户所接受，而在国外出现更早的PLC却迟至80年代初才为中国技术人员所知晓。

不久因单回路可编程序控制器的普及，

又出现了PC+单回路可编程序控制器组合的计算机控制系统，由于此方案的数据采集、控制功能均由单回路可编程序控制器完成，集中管理在PC机上实现，系统组成灵活、规模可变、危险分散、费用不高，所以当时就有学者指出这是最符合中国国情的一种控制系统选型方案。

在中国市场上影响最大的日本山武公司的KMM、SDC-40B，日本横河公司的SLPC、YS170，美国福克斯波罗公司的MICRO760、761、762，美国霍尼韦尔公司的UDC6000、6300及国产DTZB-2310A等均可以这种方式构成计算机控制系统[3]。

进入90年代，单回路可编程序控制器向多回路及可附加I/O方向发展，一台盘装仪表形式的可编程序控制器可以完成双回路、4回路、8回路甚至24个回路的PID控制，I/O点总数可达数十点乃至上百点，非常适合小型装置使用。

一些生产大型DCS的厂商也开始推出中型化、小型化、微型化的DCS，例如美国霍尼韦尔公司就先后推出MICROTDC-3000、S9000、SCAN3000、UMC800等控制系统，系统经济规模从数千点可减少到数十点。

北京和利时公司在推出HS2000系统之后，也曾推出过100点以下规模的mCS微型控制系统和稍大规模的FOCS系统。

二．计算机控制技术简介

1.计算机控制系统的结构

与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。

它也可以是开环的，这有两种方式：

一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，

然后由人工去影响被控对象。

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[1]。

2.计算机控制系统的特点及用途

计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。

计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。

而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生产管理有机的结合起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理[1]。

3.计算机控制系统的组成

计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。

在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出时数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器这两个环节。

计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，

直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。

这种系统称为闭环控制系统。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。

工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。

硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。

软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。

4.计算机控制系统的应用类型

a.数据采集系统

在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。

它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。

b.直接数字控制系统

计算机根据控制规律进行运算，然后将结果经过过程输出通道，作用到被控对象，从而使被控变量符合要求的性能指标。

与模拟系统不同之处在于，在模拟系统中，信号的传送不需要数字化；而数字系统必须先进行模数转换，输出控制信号也必须进行数模转换，然后才能驱动执行机构。

因为计算机有较强的计算能力，所以控制算法的改变很方便。

由于计算机直接承担控制任务，所以要求实时性要好、可靠性高和适应性强[1]。

c.监督计算机控制系统

这个系统根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给直接数字控制系统执行。

监督计算机系统承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。

d.现场总线控制系统

也就是FCS，是新一代分布式控制系统。

该系统改进了DCS系统成本高，各厂商的产品通信标准不统一而造成不能互联的弱点。

近年来，由于现场总线的发展，智能传感器跟执行器也向数字化方向发展，用数字信号取代4-20mA模拟信号，为现场总线的应用奠定了基础。

现场总线是连接工业现场仪表和控制装置之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。

现场总线被称为21世纪的工业控制网络标准[1]。

三．计算机控制系统国内外研究现状

工业生产过程的计算机控制系统，随着计算机的进步、工业生产工艺过程控制要求的提高和生产管理的完善而不断发展。

目前工业计算机控制系统按结构层次基本上划分为：

直接数字控制（DDC）系统、监督控制（SCC）系统、集散型控制系统（DCS）、递阶控制系统（HCS）和现场总线控制系统（FCS）等几种，其中DCS是融DDC系统、SCC系统及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统，该系统克服了其他控制系统中存在的“危险集中”问题，具有较高的可靠性和实用性。

但是，为了进一步适合现场的需要，DCS也在不断更新换代，近年来，集计算机、通信、控制三种技术为一体的第5代过程控制体系结构，即现场总线控制系统，成为国内外计算机过程控制系统一个重要的发展方向。

本文对各种工业控制计算机系统的结构层次和特点以及发展方向作一分析研究[2]。

1、直接数字控制（DDC）系统

　　“直接数字控制”这个名字是为了强调计算机直接控制生产过程这一特征。

计算机控制系统中首先是把反映过程状态的参数经过采样，并经过模数转换装置转换为相应的数字量。

计算机根据一定的控制算法进行计算，将控制作用经数模转换装置转换为相应的模拟量，通过执行机构去控制生产过程，以达到预期的目的。

同时，也可根据需要将必要的信息在终端机的屏幕上显示或用打印机打印出来。

当前以单片机为主体的DDC控制仪用量最大，如控制温度、流量，控制风机、水、油泵及炉门升降机构等。

这种微机控制仪表的功能已大大超过以摸拟电子元件为基础的测量仪表，而且有了处理工艺参数的功能，但它们需要与中间继电器、交流接触器、晶闸管、电磁阀、比例阀等执行机构形成完善的控制系统。

多数DDC控制仪采用PID和模糊控制算法，但自身自调整和在线优化能力仍较弱。

最新推出的DDC控制系统均配有通信接口，可方便地进行联机[4]。

这类控制系统的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干扰能力和控制精度，操作方便。

主要问题是受运行速度和内存容量的限制，一般只能按预定工艺参数进行工艺过程控制，难于动态控制热处理工艺过程和产品质量预测，因此还是初级微机控制系统。

国产的这类控制仪种类多，但目前仍存在着抗干扰自复位能力较差，可靠性差等问题[5]。

2、监督控制（SCC）系统

　　监督控制（SCC）系统又称设定值控制系统（SPC），它是将操作指导和DDC综合起来的一种较高级形式的控制系统。

它和DDC一样属于闭环控制。

在这类系统中，生产过程的闭环自动调节是依靠模拟调节器或DDC计算机来完成的。

SCC计算机对生产过程的工艺参数进行巡检，并根据生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，直接对模拟调节器或DDC计算机进行设定，使生产过程在最优工况下运行。

此外，它还可以通过在线的模型辩识，随时对现有模型进行修改，实现最优控制和自适应控制。

　　模拟调节器或DDC计算机直接面向生产过程，SCC计算机则面向模拟调节器或DDC计算机，也就是说，含有SCC的系统至少是一个两级控制系统。

一台SCC计算机可监督控制多台DDC或模拟调节器。

SCC系统具有较高的运行性能和可靠性。

目前较高水平的热处理设备计算机控制已基本上达到SCC级。

我国引进的不少热处理设备，如济南柴油机厂引进德国IPSEN公司的SUPERCARB多用炉，陕西齿轮厂引进奥地利艾协林渗碳自动生产线，均带有SCC系统。

目前，国内也开始开发这类控制系统。

生产中的主要问题在于基础工作不完善，如工艺过程控制及产品质量预测、工艺参数影响因素及过程精确控制数学模型的建立等。

因此，加强对引进系统的消化吸收，开发适合我国国情的SCC热处理计算机控制系统是近期的主要发展方向。

　　采用SCC系统的原因是由于DDC系统在进行实时控制时，采样周期不能太长。

而较短的采样周期又难以完成较为复杂的运算与控制，SCC系统则可以完成较为复杂的计算，如优化计算、自适应算法等，而将计算出的最佳设定值送给DDC系统或模拟调节器去执行，因此，可实时实现优化控制。

但是，DDC系统和SCC系统都属于集中型控制系统，当这种系统集中了很多的控制回路时，就必然会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性大为降低。

这就要求直接数字控制由集中型向分散型转移，于是出现了“控制分散、信息集中”的集散型控制系统[5]。

3、集散控制系统（DCS）

　　集散控制系统（DCS）又称为分散控制系统或分布式控制系统。

它是融DDC、SCC及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统。

目前所使用的集散控制系统有环形、总线形和分级式几种。

现以分级式为例介绍该系统的组成。

分级式控制系统通常由分散过程控制级（DDC级）、监督控制（SCC级）和生产管理级（MIC级）等3级组成。

分散过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。

它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。

分散过程控制级收集的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信息，并依此而工作。

可见分散过程控制级基本上属于DDC系统的形式，但将DDC系统的职能由各工作站分别完成。

由于工作任务由各站来完成，因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中”的缺点。

[6]

监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。

监控级根据生产管理级的技术要求，确定分散过程控制级最优给定量。

监控级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。

管理级则是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。

集散型控制系统实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。

它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。

具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。

能够适应工业生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益[6]。

4、递阶控制系统（HCS）

　　集散系统进一步向上联网，和上层的管理信息系统一起构成递阶控制系统。

随着计算机技术的发展，人们把注意力转向工厂的生产效率、能源消耗、利润指标等管理信息方面，于是就把生产过程的监控与科学化的企业管理结合起来。

递阶控制系统一般分成4级。

　　在直接控制级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（如变送器、执行器、记录仪表等）相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第2层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特征数据和采集到的实时数据。

　　在过程管理级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站和工程师站。

它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修正，优化过程处理等。

　　在生产管理级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。

　　经营管理级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。

　　需要说明的一点是，有些文献将分级控制系统单独归为一类，有些文献则将它归为集散控制系统中的一种，本文采取的是后一种分类方法。

[7]

5、现场总线控制系统（FCS）

　　集散控制系统（DCS）在不断更新换代，为了进一步满足现场的需要，现场总线控制系统（FCS）应运而生，并且已经成为工业生产过程自动化领域中一个新的热点。

　　FCS是一个由三类部件组成的实时连续反馈系统，即由被控过程（环境）、数据融合机制、传感器及施动器组成的闭环通信控制系统。

其中，多传感器为数据融合机制提供有关被控过程当前状态的信息；数据融合机制是一个数据处理系统，它利用传感器提供信息计算所需的操作，以减少系统设定理想状态和当前状态之间的差异；施动器完成了数据融合机制计算出的行为操作[9]。

四．计算机控制系统发展前景

现在场总线技术是90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理的观念引入工业控制领域。

从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。

是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合，具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信线供电、开放式互连网络等技术特点，这些特点不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与Internet网互连构成不同层次的复杂网络成为可能，代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向[9]。

现场总线控制系统作为一种新一代的过程控制系统，无疑具有十分广阔的发展前景。

但是，我们同时也应看到，FCS与已经经历了二十多年不断发展和完善的DCS系统相比在某些方面尚存在着一些问题，要在复杂度很高的过程控制系统中应用FCS尚有一定的困难。

当然，随着现场总线技术的进一步发展和完善，这些问题将会逐渐得到解决[10]。

五．参考文献

参考文献

[1].BensonnnR.ProcessControltheFuture.ComputingandControlEngineering

[J]1997,8（4）:

161～166

[2].张宇河,金钰编著.计算机控制系统.北京理工大学出版社,1996

[3]LewisR.DesignofDistributedControlSystemsintheNextMillennium.ComputingandControlEngineering[J]1997,8（4）:

148～152

[4].王锦标.现场总线控制系统.微计算机信息，1996,12（6）:

8～16

[5].张颖等.现场总线与工业企业网.微计算机信息,1998,14（4）:

4～6

[6].HoskeMT.ApplyingFieldbusTechnology.ControlEngineering[J],1998,45（6）:

53

[7].董玲，白焰.现场总线控制系统的选择.微计算机信息.1999,15

（2）:

12～13

[8].谢松云,热处理过程计算机控制系统研究与设计：

［硕士论文］.西安:

西北工业大学,1997.2

[9].王永华，现场总线控制技术及应用机械工业出版社,2007.2

[10].张俊谟，微控制原理及应用.北京航空航天大学出版社2005.6