计算机控制在生产工业中的应用Word格式.docx

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计算机控制技术的发展及应用

摘要

计算机控制系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物,利用计算机（通常称为工业控制计算机,简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统,它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。

随着计算机技术和现代控制理论的快速发展,计算机控制技术诞生并迅速蓬勃发展起来，其应用遍及国防、航空航天、工业、农业、医学等多种领域。

在各个大中型企业的生产过程中现已广泛采用计算机控制技术，实现对工业生产过程的检测、控制、优　化、调度、管理和决策从而达到提高产品品质和产量、确保安全、提高生产率的目的。

控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术的应用极大地推进了计算机自动控制技术的发展。

　自动控制理论与计算机信息科学的紧密结合，给工业生产过程带来了新的技术革新。

在各个工业现场中计算机自动控制技术的应用十分活跃.计算机技术、网络技术、工业控制技术可以应用于几乎所有的工厂、生产车间、生产线上。

比如发动机厂、汽车制造厂、发电厂、钢铁厂等等。

但是工业现场不同于事业单位的办公室或其他场所那里一般环境比较恶劣有着强磁场、几千伏高压电、粉尘以及强烈的噪音等这就要求工业现场的计算机控制系统具有更好的性能更强的抗干扰能力.由此工业控制技术和工业控制计算机应运而生这是一种特殊的更适合于在工业环境中工作有许多模拟量和开关量信号输入和输出并完成类似数据采集、生产控制等功能的具有高可靠性、高抗干扰能力、高精度的集成计算机系统。

本文主要介绍计算机控制技术发展历史,现状及趋势,应用领域具体实例以及关于计算机控制技术的思考。

一、计算机控制技术的发展概况

1。

1计算机控制技术的发展历史

世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世.经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。

这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。

同时，计算机控制系统的发展是与计算机技术、控制技术的发展密切相关的.计算机控制系统的发展大致经历了以下四个阶段:

1计算机控制系统的开创期（20世纪50年代）

1946年世界第一台电子计算机ENICA问世。

1952年，计算机首先被用来自动检测化工生产过程的过程参量并进行数据处理。

1954年，人们开始研究计算机的开环控制。

1956年3月开始，美国开辟了计算机控制的新纪元。

但是计算机控制并没有得到广泛的应用。

2直接数字控制阶段（20世纪60年代）

1962年，英国研究了一台用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制，但是系统的抗干扰性比较差，可靠性不是太好，因此许多计算机系统发生障碍。

3集中式计算机控制系统发展时期（1967—1975年）

20世界60年代，人们提出了集中式计算机控制系统。

但是仍不能满足工业生产的控制要求。

4以微处理器为核心的分层分布式控制系统（1975年至今）

分散性控制系统（DCS）采用分层分布式的递阶控制结构,用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制.DCS在世界范围内获得了广泛应用，其中,FCS中用数字信号代替了模拟信号.

2计算机控制技术的分类

计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；

控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制.因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。

常用的是按照系统功能分类，分为以下几类：

1）基于PC总线的板卡与工控机的计算机控制系统：

是一个典型的DDC控制系统

2）基于数字调节器的计算机控制系统：

数字调节器是一种数字化的过程控制仪表,其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通道、电源等部分构成的一个微型计算机系统.一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，控制方式除一般PID之外，还可组成串级控制、前馈控制等。

3）基于PLC的计算机控制系统：

PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物,是一种进行数字运算的电子系统，是能直接应用于工业环境下的特殊计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，能够较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题.

4）基于嵌入式系统的计算机控制系统：

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户应用程序等四部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

应用嵌入式系统，要求针对特定应用、特定功能开发特定系统，即要求系统与所嵌入的应用环境成为一个统一的整体，具有紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术特点，因此就必须研究它的独特的设计方法和开发技术，这是嵌入式系统成为一个相对独立的计算机研究领域的原因。

5）集散控制系统（DCS）：

为满足大型工业生产要求,以微型计算机为基础，从综合自动化的角度，按分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则而设计的一种集散型综合控制系统，广泛用于模拟量回路控制较多的行业,尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中.先进的分散型控制系统将以CIMS/CIPS为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。

6）现场总线控制系统（FCS）：

FCS（FieldbusControlSystem）是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。

作为一种现场通信网络系统,FCS具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连；

作为一种现场自动化系统,FCS把安装于生产现场的具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表或现场设备作为现场总线的节点,并直接在现场总线上构成分散的控制回路。

7）计算机集成制造/过程系统（CIMS/CIPS）:

CIMS是基于1973年美国Dr。

JosephHarrington《ComputerIntegratedManufacturing》博士论文中提出的CIM概念而构成的一种现代制造系统.

①企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动，彼此是紧密连接的,是一个不可分割的整体,应该在企业整体框架下统一考虑各个环节的生产活动；

②整个生产过程的实质是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是“数据”的物质表现。

1.3计算机控制系统国内外应用状况

近十几年，过程控制系统发展非常迅速，由于集散控制系统是这一领域的主导发展方向，各国厂商都在这一市场不断推陈出新。

美国和日本的产品代表两个主要的发展方向：

美国厂商重点推出开放型集散系统，加速研制现场总线产品，推广应用智能变送器;

日本厂商则着重发展高功能集散系统，从软件开发入手，挖掘软件工作的潜力，强调控制功能和管理功能的结合.

20世纪80年代，比较著名的大型集散控制系统新产品有：

美国Honeywell公司的TDC一3000，Foxboro公司的VAS，Bailey公司的INn一9o，日本横河公司的CENTRUM—XL，英国OxfordAutomation公司的SYSTEM一86,德国Siemens公司的TELEPERM系统等等.这些都属于第三代DCS，控制点可达到一万点以上，系统结构接近标准化,采用局域网技术。

它的主要改变是在局域网络方面，采用了符合国际标准化组织ISO的OSI开放系统互连的参考模型.因此，在符合开放系统的各制造厂商产品间可以互相连接、互相通讯和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进入了更高的阶段。

在2o世纪9o年代初,随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以管控一体化的形式出现。

它在硬件上采用了开放的工作站，使用mSc替代CISC,采用了客户机／服务器（Client／Server）的结构。

在网络结构上增加了工厂信息网（Intranet），并可与国际信息网（In．temeO联网.在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富。

同时，在制造业,计算机集成制造系统（CIMS）得到了应用，使人们看到了应用信息管理系统的经济效益。

随着现场总线技术的出现，在世界上引起了广泛重视，各大仪表制造厂商纷纷在自己的DCS系统中融7、现场总线技术，推出现场总线控制系统及相应的现场总线仪表装置。

第四代集散控制系统的典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，横河公司CENTER—CS控制系统,Foxboro公司l／AS50／51系列控制系统,ABB公司Advant系列OCS开放控制系统等。

这-代集散控制系统主要是为解决DCS系统的集中管理而研制，它们在信息的管理、通讯等方面提供了综合的解决方案。

1.4计算机控制技术的发展趋势

要发展计算机控制技术，必须对生产过程知识、测量技术、计算机技术和控制理论等领域进行广泛深入地研究。

1）开放式控制系统的兴起。

目前，各系统的体系结构并不一致，相互之间缺乏兼容性和互换性,各厂家的系统不具备可移植性和互操作性，真正实现控制系统的开放性，还有很长的路要走.

2）推广发展智能控制系统.常用的智能控制策略包括模糊控制、专家控制、学习控制以及神经控制等，智能化是控制系统技术水平的重要标志.

3）采用新型的分层分布式控制系统。

发展以Bitbus、现场总线等先进网络技术为基础的DCS和FCS控制结构，并采用先进控制策略，向LCA系统的方向发展，实现计算机集成制造系统。

4）推广应用先进的控制技术。

普及应用PLC；

采用智能化的仪器仪表；

根据应用要求选择处理器。

5）控制系统的综合自动化。

综合自动化包括计算机集成制造系统和计算机集成过程系统，是过程工业中的CIMS。

6）控制系统的网络化与虚拟化。

在数字化基础上，虚拟化技术的研究正在迅速发展，它主要包括虚拟现实、虚拟产品开发、虚拟制造和虚拟企业等.

7）控制系统的绿色化。

绿色自动化技术的概念，保证信息安全与减少信息污染、电磁谱波抑制、洁净生产、人机和谐和绿色制造等。

二、计算机控制的应用

2。

1计算机控制技术的应用

1工业炉控制的典型情况

为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定.它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；

也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑.

为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。

为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，必须采用压力控制回路.测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。

为了提高炉子的热效率,还须对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制.

2.1计算机控制技术的特点

1安全可靠 

工业控制计算机不同于一般用于科学计算或管理的计算机，它的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行,而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象.因此在设计过程中把安全可靠放在首位。

2作维护方便 

操作方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握计算机知识才能操作。

既要体现操作的先进性,又要兼顾原有得操作习惯。

维修方便体现在易于

查找故障,易于排除故障。

采用标准的功能没,模板式结构，便于更换故障模板.并在功能模板上安装状态指示灯 

和监测点，便于维修人员检查.另外配制诊断程序用来查找故障. 

3时性强 

工业控制机的实时性表现在对内部和外部事件能及时的响应,并做出响应的处理，不丢失信息，不延误操作。

计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数椐的定时采集、运算控制等；

另一类是随机事件，如事故、报警等。

对于定时事件,系统设置时钟保证定时处理。

对于随机事件系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生保证优先处理紧急故障。

4通用性好 

工业控制计算机的通用灵活性体现在两个方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板,以便在扩充功能时只需增加功能摸板就能实现；

二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各功能模块,灵活地进行控制系统组态。

5济效益高 

计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识.经济效益表现两个方面，一是系统设计的性能价格比要尽可能高；

二是投入产出比要尽可能的低。

三、总结

计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术,从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。

目前,企业对具备较强的计算机控制技术应用能力专门人才需求很大，将来一定有很大的发展前景.

参考文献

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