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計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)展
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)展
摘要:本文簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(CCS)硬件以及軟件方面的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)
1引言
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡(jiǎn)稱CCS)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參與控制并借助一些輔助部件與被控對(duì)象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。
在CCS問(wèn)世之前，工業(yè)生產(chǎn)中的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)是由自動(dòng)控制中常規(guī)控制設(shè)備完成的，但在CCS中，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)是由數(shù)字計(jì)算機(jī)完成。
由于數(shù)字計(jì)算機(jī)具有傳送、采集、存貯、處理大量數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)它集最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)于一身，從而使自動(dòng)控制系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍。
目前，CCS在現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)中扮演者越來(lái)越重要的角色。
2 CCS的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制部分和被控對(duì)象組成，其控制部分包括硬件部分和軟件部分，下面對(duì)CCS的硬件部分和軟件部分的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀簡(jiǎn)要介紹一下。
2.1 CCS的的硬件類型和現(xiàn)狀[1-2]
(1)60年代末，由于生產(chǎn)控制自動(dòng)化的需要，出現(xiàn)了集中控制系統(tǒng)。
在集中控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)開(kāi)始發(fā)揮它的控制功能，它能夠計(jì)直接根據(jù)給定值、過(guò)程變量和過(guò)程中其它的測(cè)量值,通過(guò)PID運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,以使被控量達(dá)到理想的工作狀態(tài)，這種控制系統(tǒng)即常說(shuō)的直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)[3]。
DDC控制系統(tǒng)具有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠行使更復(fù)雜的控制功能;(2)控制功能的靈活性大大提高;(3)具有豐富的顯示和數(shù)據(jù)處理功能。
但是這種系統(tǒng)也有一個(gè)非常大的缺點(diǎn)，那就是由于系統(tǒng)是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停止運(yùn)行，造成十分嚴(yán)重的后果。
它的這個(gè)缺點(diǎn)也限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。
(2)70年代，大規(guī)模集成電路開(kāi)始廣泛應(yīng)用，這為集散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
在1975年，美國(guó)Honeywell公司首先推出了以微處理器為基礎(chǔ)的TDC-2000型總體分散型控制系統(tǒng),也叫做集散控制(DCS)系統(tǒng)。
DCS是以微處理器為基礎(chǔ)的對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的集中分散控制系統(tǒng)。
DCS的出現(xiàn)在控制系統(tǒng)的變革中具有里程碑式的意義，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)構(gòu)成靈活;(2)操作管理便捷;(3)控制功能豐富;(4)信息資源共享;(5)安裝、調(diào)試方便;(6)安全可靠性高。
正是因?yàn)镈CS具有上述的優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
(3)隨著微處理器的發(fā)展,20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了品種繁多的高智能化的單/多回路調(diào)節(jié)器，SCC系統(tǒng)是四川儀表十八廠消化吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的小型分散系統(tǒng),并于1991年投入使用,該系統(tǒng)價(jià)格低廉,但在通訊距離和實(shí)時(shí)性方面有待改善。
以單/多回路調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)具有高可靠性,即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障,各個(gè)回路調(diào)節(jié)器仍然可不受影響而獨(dú)立工作,不會(huì)影響生產(chǎn)。
(4)在20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一體化(儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄)的發(fā)展，這種開(kāi)放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。
FCS具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1.系統(tǒng)的開(kāi)放性;2.互可操作性與可用性;3.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性;4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性;5.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的底層控制網(wǎng)絡(luò)，溝通生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制設(shè)備以及更高控制管理層次之間的聯(lián)系，相互之間可以直接進(jìn)行數(shù)字通信。
作為新一代的控制系統(tǒng)，一方面FCS突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了給予開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù);另一方面FCS進(jìn)一步變革了DCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式的系統(tǒng)構(gòu)架，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。
FCS被稱為21世紀(jì)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 CCS的的軟件類型和現(xiàn)狀[4-6]
計(jì)算機(jī)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(yǔ)言處理程序和服務(wù)性程序等，它們通常由計(jì)算機(jī)制造廠為用戶配套，有一定的通用性。
應(yīng)用軟件是為實(shí)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(bào)警處理程序等。
它們涉及被控對(duì)象的自身特征和控制策略等，由實(shí)施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。
下面重點(diǎn)介紹一下應(yīng)用軟件。
(1)基于PC總線的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件
這是一類在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用較早的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件，其相應(yīng)的軟件分為通用的開(kāi)發(fā)軟件和專用的工控組態(tài)軟件。
通用的開(kāi)發(fā)軟件工具數(shù)量較多，包括:BORLAND、C++,M C++,VB和DELPH I等,用于W INDOW S平臺(tái)。
而專用的工控組態(tài)軟件數(shù)量卻不多，主要是因?yàn)殚_(kāi)發(fā)這樣的軟件投資較大。
(2)基于各種PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件
這類控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有卓越的性價(jià)比，因此在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。
在使用該系統(tǒng)時(shí)需要兩套相應(yīng)的軟件：上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。
上位機(jī)軟件種類很多,如INTELLUTION FIX、INTOUCH等,這些軟件可以在多種不同的PLC產(chǎn)品中應(yīng)用。
下位機(jī)軟件一般與PLC硬件對(duì)應(yīng),不同的PLC有不同的下位機(jī)軟件。
通常使用一種叫梯形圖的控制軟件。
(3)DCS控制系統(tǒng)組態(tài)軟件[7]
目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的DCS控制系統(tǒng)組態(tài)軟件主要是由Honeywel公司和英國(guó)歐陸生產(chǎn)。
這類軟件具有強(qiáng)大的組態(tài)功能,如SFC,FBD和梯形圖軟件。
最重要是,其均有1個(gè)上下位機(jī)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表,因此可根據(jù)不同的控制要求,采用最合適的組態(tài)編程方式,而變量可在不同的組態(tài)編程環(huán)境中直接引用,使用起來(lái)非常方便。
3.CCS的發(fā)展趨勢(shì)
進(jìn)入21世紀(jì)，由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，CCS也出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，其主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
(1)控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功的將所有的網(wǎng)絡(luò)接口移到了各種儀表單元，使儀表單元均具有了直接的通訊功能，這就使得網(wǎng)絡(luò)延伸到控制系統(tǒng)的末端。
在原有控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合這一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就實(shí)現(xiàn)了完成最基本控制任務(wù)的底層到完成優(yōu)化調(diào)度工作的最高層的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化連接。
(2)控制系統(tǒng)走向系統(tǒng)扁平化
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使每個(gè)網(wǎng)端可以容納不同回路系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和儀表單元,同時(shí)，不同的網(wǎng)端還可以通過(guò)網(wǎng)橋相互連接,這樣就大大提高了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的連接能力，從而使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,逐步形成兩層網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
上層負(fù)責(zé)完成高層管理功能, 底層負(fù)責(zé)完成所有具體的控制任務(wù),這樣的系統(tǒng)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次,縮短了上層控制任務(wù)到下層單元實(shí)施過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的信息交換公共平臺(tái),加強(qiáng)了上層子系統(tǒng)與下層子系統(tǒng)或單元之間的聯(lián)系。
綜上所述,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制能力越來(lái)越強(qiáng)，從而大大提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，從而使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
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