工業(yè)自動(dòng)化控制中計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用路徑研究

趙晶晶

[摘 要] 對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制中計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用路徑進(jìn)行探究。首先概述了工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；其次分析了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用特點(diǎn)；最后指出了工業(yè)自動(dòng)化控制中計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用路徑，包括數(shù)字控制、可編程邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)傳感器以及自動(dòng)化生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用。

[關(guān) 鍵 詞] 工業(yè)自動(dòng)化控制；計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；應(yīng)用路徑

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）12-0202-02

一、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

（一）工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)概述

當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)正在向集成化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾方面：（1）主流為低成本工業(yè)控制自動(dòng)化，該種工業(yè)控制自動(dòng)化以化工業(yè)PC為基礎(chǔ)；（2）PLC（可編程邏輯控制器）在向微型化與PC化方向發(fā)展；（3）DCS系統(tǒng)技術(shù)提升，應(yīng)用漸廣；（4）控制系統(tǒng)正在向FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線）方向發(fā)展；（5）數(shù)控技術(shù)正在向智能化、信息化方向發(fā)展；（6）工業(yè)控制軟件向先進(jìn)控制方向發(fā)展。當(dāng)前APC（Advanced Process Control，先進(jìn)過(guò)程控制）尚沒(méi)有明確的定義，但是多數(shù)學(xué)者將用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的算法均稱為先進(jìn)過(guò)程控制，且有較多的研發(fā)，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的作用。

（二）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的組成要素較多，主要的四個(gè)要素為控制對(duì)象、測(cè)量?jī)x器、執(zhí)行器以及數(shù)字調(diào)節(jié)器，其中控制對(duì)象是各項(xiàng)實(shí)體設(shè)備，如控制設(shè)備、控制儀器等；儀器測(cè)量是轉(zhuǎn)換企業(yè)各生產(chǎn)參數(shù)，利用各種儀器將參數(shù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，為后續(xù)的控制提供基礎(chǔ)；執(zhí)行器即調(diào)節(jié)器，通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)更好的控制；數(shù)字調(diào)節(jié)器是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的核心要素，通過(guò)對(duì)各種測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，探尋出規(guī)律，從而自動(dòng)完成對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的閉環(huán)控制。當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的控制，使工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用特點(diǎn)

（一）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的控制，故而探析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理極為必要。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別為硬件系統(tǒng)、軟件控制算法以及上位機(jī)操控軟件，這三部分相互配合最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的控制，使被控制對(duì)象能夠執(zhí)行各項(xiàng)命令，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其中硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

由上可以看出，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)主要是為了輔助軟件系統(tǒng)，通過(guò)信息采集與交互為軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。理論如此，但在工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)際控制中，一般采用的是實(shí)時(shí)控制的方式，通過(guò)實(shí)時(shí)控制使生產(chǎn)過(guò)程更為可靠。其工作的原理為三大步驟，分別為數(shù)據(jù)采集、實(shí)施決策以及完成控制任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，在數(shù)據(jù)采集階段必須對(duì)被控目標(biāo)的瞬時(shí)值進(jìn)行采集，采集之后立刻通過(guò)交互將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)之中，以保障數(shù)據(jù)的及時(shí)交互，為之后計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)；實(shí)施決策是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的軟件依據(jù)相應(yīng)的規(guī)則來(lái)對(duì)所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)依據(jù)具體的情況制訂下一步的控制計(jì)劃；控制任務(wù)的完成主要是由控制硬件系統(tǒng)來(lái)完成的，通過(guò)執(zhí)行軟件的決策，使各任務(wù)得到落實(shí)，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。

（二）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)分別是開(kāi)放性特點(diǎn)、交互性與可操行特點(diǎn)、智能化特點(diǎn)以及精確性特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)所依托的是計(jì)算機(jī)，是大數(shù)據(jù)，故而其具有公開(kāi)性，而且從其作用上來(lái)看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為保障各設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須能夠與各種設(shè)備相連，能夠靈活地依據(jù)實(shí)際需求將各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來(lái)，所以說(shuō)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具備開(kāi)放性；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)控制，該系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間必須相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成一個(gè)信息傳遞的交互系統(tǒng)，同時(shí)還需要便于操作，故而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具備交互性與可操作性；從智能化角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，能夠自主分析工業(yè)生產(chǎn)規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，多已具備智能化；從精確性的角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常情況下具備較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算能力，這種較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算能力能夠使設(shè)備運(yùn)行中的誤差盡可能地縮小，從而實(shí)現(xiàn)更好的控制，故而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具備較高的精確性。在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，也需要從這幾方面出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，使生產(chǎn)效率提升。

三、工業(yè)自動(dòng)化控制中計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)較多，包括模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、預(yù)測(cè)控制技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)傳感器技術(shù)等，在科技發(fā)展下，各種計(jì)算機(jī)控制技術(shù)也獲得了極大的發(fā)展，但在工業(yè)自動(dòng)化控制中所應(yīng)用的主要為五種，分別是數(shù)字控制、可編程邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)傳感器以及自動(dòng)化生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用，這五種技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化控制中發(fā)揮著重要的作用。

（一）數(shù)字控制

數(shù)字控制（Numerical Control）是借助符號(hào)、數(shù)字等來(lái)控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一種方法，但是該種方法的應(yīng)用需要借助專門的計(jì)算機(jī)設(shè)備，該計(jì)算機(jī)設(shè)備中已經(jīng)確定好了程序，該程序能夠?qū)?shù)字控制的各種代碼進(jìn)行處理并發(fā)出指令，從而使工業(yè)設(shè)備在該指令下機(jī)械地、精確化地完成任務(wù)。所以數(shù)字控制技術(shù)常與“數(shù)控機(jī)床”相連，數(shù)控技術(shù)通過(guò)數(shù)控機(jī)床得以實(shí)現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床的組成主要有主機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝備、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及信息載體四部分，其構(gòu)成圖如圖2所示：

由上圖可以看出，數(shù)控機(jī)床完全是構(gòu)建在數(shù)控技術(shù)之上的，利用的是數(shù)控加工的原理。具體來(lái)說(shuō)，該原理是利用數(shù)字化的代碼來(lái)表示各種操作的步驟或者是工件的形狀等，如主軸變速、工件夾緊、冷卻液供給以及道具選擇等，將這些均用不同的代碼表示，再依據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)“小單位量”中的位移、切割等操作，最終完成對(duì)零件的加工，使生產(chǎn)效率加快。對(duì)數(shù)字控制的應(yīng)用主要是構(gòu)建數(shù)控設(shè)備，該數(shù)控設(shè)備內(nèi)有一定的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)λ枰牧慵D樣的加工信息進(jìn)行處理，從而發(fā)出相應(yīng)的指令。同時(shí)該設(shè)備還應(yīng)當(dāng)具有足夠功率的驅(qū)動(dòng)裝置，以快速接收相應(yīng)的信息，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。另外，該設(shè)備還應(yīng)當(dāng)輔以刀具等輔助設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的加工。故而數(shù)字控制技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要是數(shù)控機(jī)床的構(gòu)建。

（二）可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）也是一種計(jì)算機(jī)運(yùn)算操作系統(tǒng)，是在數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上依據(jù)當(dāng)前的工業(yè)環(huán)境研發(fā)出的一種系統(tǒng)，在可編程邏輯控制器內(nèi)部存儲(chǔ)著執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制以及算術(shù)運(yùn)算等操作指令，同時(shí)還具備定時(shí)功能，通過(guò)模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程?？删幊踢壿嬁刂破骺梢哉f(shuō)是一臺(tái)微型的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)也與微型計(jì)算機(jī)類似，包括五個(gè)部分，分別是電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入單元以及輸出單元。該系統(tǒng)在投入工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行之后，也分為三個(gè)階段：（1）輸出采樣階段，該階段主要是通過(guò)掃描來(lái)讀取各種數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入I/O映象區(qū)中；（2）用戶程序執(zhí)行階段，該階段主要是依據(jù)系統(tǒng)所設(shè)置的順序?qū)λ斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最終依據(jù)設(shè)置確定相應(yīng)的指令；（3）輸出刷新階段，在系統(tǒng)指令之后，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，最終實(shí)現(xiàn)其控制功能。

（三）分布式控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System）是隨著科技的發(fā)展而產(chǎn)生的新一代控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治與綜合協(xié)調(diào)的原則，鑒于該系統(tǒng)的“多層分級(jí)”特點(diǎn)，所以該系統(tǒng)每一層下均有若干子系統(tǒng)，而每一個(gè)子系統(tǒng)又有不同的目標(biāo)，所以分布式控制系統(tǒng)能夠確保工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的精確性。

當(dāng)前在電力、石化以及冶金等部門，分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用極為廣泛，應(yīng)用的范圍也逐漸擴(kuò)大，其主要表現(xiàn)為四方面：（1）分布式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能逐步向開(kāi)放式發(fā)展，傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為封閉，所以不同的工業(yè)企業(yè)之間系統(tǒng)難以兼容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的繼承，在經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)之后，分布式控制系統(tǒng)的開(kāi)放性增強(qiáng)，同時(shí)能與PLC、FCS及各種控制設(shè)備和軟件資源實(shí)現(xiàn)集成；（2）儀表技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)“全分散”“全數(shù)字”控制，使系統(tǒng)的維護(hù)以及使用都更為方便；（3）工控軟件控制性加強(qiáng)，日漸標(biāo)準(zhǔn)化、智能化；（4）系統(tǒng)架構(gòu)向FCS方向發(fā)展?？偠灾植际娇刂葡到y(tǒng)以其特有的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用日漸廣泛。

（四）計(jì)算機(jī)傳感器

計(jì)算機(jī)傳感器技術(shù)（Computer sensor technology）是獲取信息的一種重要手段，主要是將所測(cè)量的生物量、化學(xué)量以及物理量利用生物效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、物理效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再依據(jù)轉(zhuǎn)化的結(jié)果傳達(dá)信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的控制。傳感技術(shù)是自動(dòng)調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)，在傳感器的原理上制作出傳感器，利用敏感元件以及轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的實(shí)時(shí)傳播。

（五）自動(dòng)化生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線（Field bus）是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用而迅速發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，又被稱為“工業(yè)數(shù)據(jù)總線”，主要用來(lái)解決現(xiàn)場(chǎng)中的各種設(shè)備之間的信息傳遞問(wèn)題，當(dāng)前典型的10種技術(shù)為TS61158現(xiàn)場(chǎng)總線、ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線、FF HSE現(xiàn)場(chǎng)總線、SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線、World FIP現(xiàn)場(chǎng)總線、Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線、FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線以及PROFInet現(xiàn)場(chǎng)總線，這些技術(shù)從其本質(zhì)上來(lái)看均為通信網(wǎng)絡(luò)，具備設(shè)備互聯(lián)的特點(diǎn)，同時(shí)操作性強(qiáng)、分散功能快，能夠使自動(dòng)設(shè)備以及系統(tǒng)之間的信息交互與數(shù)據(jù)分析更具有保障性，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)各種設(shè)備可能存在的問(wèn)題，同時(shí)還能使數(shù)據(jù)的更新與傳播加快，且其具有尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)，故而在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究使相關(guān)人員了解到計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用的方向，以提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，從而促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，拋磚引玉，希望有更多的學(xué)者參與其中進(jìn)行探討，從而完善計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用，以促進(jìn)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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