1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜述袁衛(wèi)華（鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南鄭州，450002）【關(guān)鍵詞】：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)【摘要】：依據(jù)目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)生 產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模型，通過(guò) 對(duì)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(chǎng)總線(xiàn)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。綜述abstract】:according toindustrial production process at home and abroad and computer control system model, through tothe direct control

2、 system, supervision and control system, the distributed control system and the analysis of fieldbus control system, summarized the present si tuation of the appl ication of the computer system and the development direction.【key words :computer control system arc reviewed in this paper對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制

3、 是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少環(huán) 境污染的必由z路，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 已成為生產(chǎn)設(shè)備及過(guò)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(guò)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(guò)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(guò) 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）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(chǎng)總線(xiàn)控制系 統(tǒng)（fcs）等幾種，其屮dcs是融ddc 系統(tǒng)、scc系統(tǒng)及整個(gè)工廠(chǎng)的生產(chǎn)管 理為一體的高級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克 服了其他控制系

4、統(tǒng)中存在的“危險(xiǎn)集 中"問(wèn)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(chǎng)的需 要，dcs也在不斷更新?lián)Q代，近年來(lái), 集計(jì)算機(jī)、通信、控制三種技術(shù)為一 體的第5代過(guò)程控制體系結(jié)構(gòu)，即現(xiàn) 場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)，成為國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī) 過(guò)程控制系統(tǒng)一個(gè)重要的發(fā)展方向。 本文對(duì)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)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過(guò)程這-特 征。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中首先是把反映 過(guò)程狀態(tài)的參數(shù)經(jīng)過(guò)采樣，并經(jīng)過(guò)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

5、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(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生 產(chǎn)過(guò)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(lái)。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(mén)升降機(jī)構(gòu)等。 這種微機(jī)控制儀表的功能已大大超過(guò) 以摸擬電子元件為基礎(chǔ)的測(cè)量?jī)x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控制 儀采用pid和模糊控制算法，但自身 自調(diào)整和在線(xiàn)優(yōu)化能力仍較弱。最新 推岀的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(lèi)

6、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(wèn)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(guò)程控制，難于動(dòng)態(tài)控制熱處理 工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)，因此還是 初級(jí)微機(jī)控制系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)的這類(lèi)控制 儀種類(lèi)多，但日前仍存在著抗干擾自 復(fù)位能力較差，可靠性差等問(wèn)題。2監(jiān)督控制(scc)系統(tǒng)監(jiān)督控制(scc)系統(tǒng)乂稱(chēng)設(shè)定值 控制系統(tǒng)(spc),它是將操作指導(dǎo)和 ddc綜合起來(lái)的一種較高級(jí)形式的控 制系統(tǒng)。它和ddc樣屬于閉環(huán)控制。 在這類(lèi)系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)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(lái)完成的。scc計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程

7、的 工藝參數(shù)進(jìn)行巡檢，并根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程 的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值，直 接對(duì)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(guò)程在最優(yōu)工況下運(yùn)行。 此外，它還可以通過(guò)在線(xiàn)的模型辯識(shí), 隨時(shí)對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)最優(yōu) 控制和白適應(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(guò)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(shuō)，含 有scc的系統(tǒng)至少是一個(gè)兩級(jí)控制系 統(tǒng)。一臺(tái)scc計(jì)算機(jī)可監(jiān)督控制多臺(tái) 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(jí)。我國(guó)引進(jìn)的不少熱處理 設(shè)備，如濟(jì)南柴油機(jī)廠(chǎng)引進(jìn)德國(guó)ipsen 公司的sup

8、er carb多用爐，陜西齒 輪廠(chǎng)引進(jìn)奧地利艾協(xié)林滲碳自動(dòng)生產(chǎn) 線(xiàn)，均帶有scc系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)也 開(kāi)始開(kāi)發(fā)這類(lèi)控制系統(tǒng)。生產(chǎn)中的主 要問(wèn)題在于基礎(chǔ)工作不完善，如工藝 過(guò)程控制及產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)、工藝參數(shù) 影響因素及過(guò)程精確控制數(shù)學(xué)模型的 建立等。因此，加強(qiáng)對(duì)引進(jìn)系統(tǒng)的消 化吸收，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)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)，釆樣周期不 能太長(zhǎng)。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ddc系統(tǒng)或模擬調(diào)節(jié) 器去執(zhí)行，

9、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(lái) “危險(xiǎn)高度集中,，的問(wèn)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(chēng)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(chǎng)的生產(chǎn)管理 為一體的高級(jí)控制系統(tǒng)。目前所使用 的集散控制系統(tǒng)有環(huán)形、總線(xiàn)形和分 級(jí)式幾種?，F(xiàn)以分級(jí)式為例介紹該系 統(tǒng)的組成。分級(jí)式控制系統(tǒng)通常由分 散過(guò)程控制級(jí)（ddc級(jí)）、監(jiān)督控制 （scc級(jí)）和生

10、產(chǎn)管理級(jí)（mic級(jí)） 等3級(jí)組成。分散過(guò)程控制級(jí)是dcs的基礎(chǔ)， 用于直接控制生產(chǎn)過(guò)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(guò)程控制級(jí)收集的數(shù)據(jù) 供監(jiān)控級(jí)調(diào)用，各工作站接收監(jiān)控級(jí) 發(fā)送的信息，并依此而工作?？梢?jiàn)分 散過(guò)程控制級(jí)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(lái) 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(jí)的任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行 監(jiān)視與操作。監(jiān)控級(jí)根據(jù)生產(chǎn)管理級(jí) 的技術(shù)要求，確定分散過(guò)程控制級(jí)最 優(yōu)給定量。監(jiān)控級(jí)

11、能全面地反映各工 作站的情況，提供充分的信息，因此 本級(jí)的操作人員可以據(jù)此直接t預(yù)系 統(tǒng)的運(yùn)行。管理級(jí)則是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它根 據(jù)監(jiān)控級(jí)提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)的要 求，編制全而反映整個(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(duì)下一級(jí) 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(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操 作、管理和分散控制的一種新型控制 技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理 技術(shù)、測(cè)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(jiǎn)單 規(guī)范化、調(diào)試方便、運(yùn)行

12、安全可靠的 特點(diǎn)。能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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 牛產(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(chǎng)的生產(chǎn)效率、能源 消耗、利潤(rùn)指標(biāo)等管理信息方而，于 是就把生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控與科學(xué)化的企 業(yè)管理結(jié)合起來(lái)。遞階控制系統(tǒng)一般 分成4級(jí)。在直接控制級(jí)上，過(guò)程控制計(jì)算 機(jī)直接與現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)裝置（如變送器、 執(zhí)行器、記錄儀表等）相連，對(duì)所連 接的裝置實(shí)施監(jiān)測(cè)、控制，同時(shí)

13、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(guò)程管理級(jí)上的過(guò)程管理計(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(guò)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(guò)程處理等。在生產(chǎn)管理級(jí)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(jí) 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(yíng)管理級(jí)居于屮央計(jì)算機(jī)上， 并與辦公室自動(dòng)化連接起來(lái)，擔(dān)負(fù)起 全廠(chǎng)的總體協(xié)調(diào)管理，包扌&各類(lèi)經(jīng)營(yíng) 活動(dòng)、人事管理等。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，有些文獻(xiàn)將 分級(jí)控制系統(tǒng)單獨(dú)歸為一類(lèi)，有些文 獻(xiàn)則將它歸為集散控制系統(tǒng)中的一 種，木文采取的

14、是后一種分類(lèi)方法。5現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的需要, 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（fcs）應(yīng)運(yùn)而生， 并且已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(lèi)部件組成的實(shí) 時(shí)連續(xù)反饋系統(tǒng)，即由被控過(guò)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(guò)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(chǎng)總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備或現(xiàn)場(chǎng)儀表

15、，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的名稱(chēng)及功 能隨所應(yīng)用的企業(yè)而定。用于過(guò)程自 動(dòng)化構(gòu)成fcs的慕本設(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(lèi)，每 類(lèi)乂有多個(gè)品種。變送器既有檢測(cè)、 變換和補(bǔ)償功能，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(lèi)，每類(lèi)又有多個(gè)品種。執(zhí)行 器的基木功能是信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還 內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸岀特性補(bǔ)償、pid控制和 運(yùn)算等功能，另外還有閥門(mén)特性自校 驗(yàn)和白診斷功能。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、

16、總線(xiàn)電源、 便攜式編程器等。監(jiān)控設(shè)備：工程師站供現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) 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(chǎng)總線(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總 線(xiàn)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)通信與管 理的觀念引入工業(yè)控制領(lǐng)域。從本質(zhì) 上說(shuō)，它是一種數(shù)字通信協(xié)議，是連 接智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連、 互操作性、分散的功能塊、通信線(xiàn)供 電、開(kāi)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(duì)數(shù)字通信和自動(dòng)控制的需 求，

17、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。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)作為一種新一代的 過(guò)程控制系統(tǒng)，無(wú)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, fcs與已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年不斷發(fā)展 和完善的dcs系統(tǒng)相比在某些方而尚 存在著一些問(wèn)題，要在復(fù)雜度很高的 過(guò)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的進(jìn) 一步發(fā)展和完善，這些問(wèn)題將會(huì)逐漸 得到解決?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 bensonnn r.process control the future.computing and control engineering journal, 1997,8(4):161 1662張宇河，金鉉編著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京理工大學(xué)出版社,19963 lewis r.design of distributedcontrol systems in the next millennium.computing and control engineeringjournals 997,8(4): 148 1524王錦標(biāo).現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng).微計(jì)算 機(jī)信