1、1 1第1章 計算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.2 工業(yè)控制計算機(jī)的特點(diǎn)工業(yè)控制計算機(jī)的特點(diǎn)1.3 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)類型微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)類型1.4 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展2 21946年世界上第一臺電子計算機(jī)在美國的問世，引起了科學(xué)技術(shù)史上一場深刻的革命。特別是近年來半導(dǎo)體電路的高度集成化，其運(yùn)行速度和工作可靠性的提高、成本的不斷降低，使計算機(jī)得以更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防乃至日常生活的各個領(lǐng)域。電子計算機(jī)不僅在數(shù)據(jù)處理、科學(xué)計算等方面應(yīng)用極廣，而且在工業(yè)自動控制方面也得到越來越廣泛的應(yīng)用。計算機(jī)控制系統(tǒng)

2、是以計算機(jī)為控制核心的自動控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今自動控制的主流系統(tǒng)，逐步取代了傳統(tǒng)的模擬檢測、調(diào)節(jié)、顯示、記錄、控制等儀器設(shè)備和很大部分人工操作管理，3 3并且可以采用較復(fù)雜的計算方法和處理方法，使受控對象的動態(tài)過程按規(guī)定方式和技術(shù)要求運(yùn)行，以完成各種過程控制、操作管理等任務(wù)。計算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于自動控制生產(chǎn)現(xiàn)場乃至各職能部門，并深入各行業(yè)的許多領(lǐng)域。微型計算機(jī)具有成本低、體積小、功耗少、可靠性高和使用靈活等特點(diǎn)，這就為實(shí)現(xiàn)分級計算機(jī)控制創(chuàng)造了良好的條件，其控制對象已從單一的工藝流程擴(kuò)展到企業(yè)生產(chǎn)過程的管理和控制。隨著微型計算機(jī)的推廣使用，信息自動化與過程控制

3、相結(jié)合的分級分布式計算機(jī)控制已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)，從而可以組成大規(guī)模的工業(yè)自動化系統(tǒng)，使計算機(jī)控制技術(shù)的水平發(fā)展到一個嶄新的階段。4 4計算機(jī)控制技術(shù)是關(guān)于計算機(jī)控制系統(tǒng)方面的技術(shù)，是計算機(jī)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信等多學(xué)科內(nèi)容的集成。計算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入/輸出接口、人機(jī)接口、控制器的設(shè)計及使用、抗干擾技術(shù)、可靠性技術(shù)等，均屬于計算機(jī)控制技術(shù)范疇。5 5計算機(jī)控制系統(tǒng)是由計算機(jī)和工業(yè)對象兩大部分組成的。圖1-1(a)所示是閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量元件對被控對象的被控參數(shù)(如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等)進(jìn)行測量； 1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6 6變換發(fā)送單元將被

4、測參數(shù)變成電壓(或電流)信號，反饋給控制器；控制器將反饋回來的信號與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差產(chǎn)生控制信號來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，使被控參數(shù)的值達(dá)到預(yù)定的要求。圖1-1(b)所示是開環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖。開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的不同之處是，它的控制器根據(jù)給定值直接控制被控對象工作，被控制量在整個控制過程中對控制量不產(chǎn)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，因沒有反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)相對簡單，但控制性能要差一些。7 7圖1-1 控制信號的一般形式(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖；(b)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖8 8由圖1-1可以看出，自動控制系統(tǒng)的基本功能是信號的傳遞、加工和比較。這些功能是由測量元件、變換發(fā)送單元（簡稱

5、變送單元）、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的?？刂破魇强刂葡到y(tǒng)中最重要的部分，它決定了控制系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。如果把圖1-1中的控制器用計算機(jī)來代替，那么就可以構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-2所示。如果計算機(jī)是微型計算機(jī)，那么就組成微型計算機(jī)控制系統(tǒng)。在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，只要會運(yùn)用各種指令，就能編寫出符合某種控制規(guī)律的程序。9 9微處理器執(zhí)行這樣的程序，就能實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計算機(jī)的輸入和輸出信號都是數(shù)字信號，而大部分被控對象的被控參數(shù)和控制量都是模擬信號，因此需要有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的AD轉(zhuǎn)換器，以及將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的DA轉(zhuǎn)換器。10 10圖1

6、-2 計算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖11 11計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程通常可歸結(jié)為以下兩個步驟：(1)數(shù)據(jù)采集：對被控參數(shù)的瞬時值進(jìn)行檢測，并將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)。(2)控制：對采集到的被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律決定控制過程，適時地對控制機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號。上述過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)能夠按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行工作，同時對被控參數(shù)和設(shè)備本身出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時監(jiān)督，同時做出迅速處理。12 12工業(yè)生產(chǎn)過程是連續(xù)進(jìn)行的，應(yīng)用于工業(yè)控制的微型計算機(jī)系統(tǒng)通常是一個實(shí)時控制系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。13 131.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般由

7、微型計算機(jī)(簡稱微型機(jī))、外部設(shè)備、輸入/輸出通道、操作臺等組成，如圖1-3所示。14 14圖1-3 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成15 151.微型機(jī)微型機(jī)微處理器是微型計算機(jī)的中央處理器，它是微型計算機(jī)的核心，擔(dān)負(fù)著微型計算機(jī)的運(yùn)算和控制功能。而微型機(jī)則是具有完整運(yùn)行功能的計算機(jī)，它除了有相應(yīng)的微處理器作為核心部件外，還包括存儲器、輸入/輸出電路以及其他配套電路。在控制系統(tǒng)中，微型機(jī)完成程序存儲、程序執(zhí)行等工作，即進(jìn)行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷和數(shù)值處理。16 162.外部設(shè)備外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)微型機(jī)與外界交換信息功能的設(shè)備稱為外部設(shè)備(簡稱外設(shè))。外部設(shè)備包括人機(jī)通信設(shè)備、輸入/輸出設(shè)備、外存儲器

8、等。輸入設(shè)備主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備主要用來把各種信息和數(shù)據(jù)提供給操作人員，以便操作人員及時了解控制過程的情況。常用的輸出設(shè)備有打印機(jī)、顯示器(數(shù)碼顯示器或CRT顯示器)、記錄儀、繪圖儀等。17 17外存儲器(簡稱外存)如磁帶裝置、磁盤裝置等，兼有輸入/輸出功能，主要用于存儲系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。18 183.輸入輸入/輸出通道輸出通道輸入/輸出通道是計算機(jī)與生產(chǎn)過程之間信息傳遞和變換的連接通道，它的作用有兩個方面：一方面將工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)取出，經(jīng)傳感器(一次儀表)、變送器、A/D轉(zhuǎn)換器等變換成計算機(jī)能夠接收和識別的代碼；另一方面將計算機(jī)輸出的控制

9、命令和數(shù)據(jù)經(jīng)過變換后作為操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。輸入/輸出通道一般分為開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸出通道、模擬量輸入通道、模擬量輸出通道。它們的詳細(xì)情況將在后面的章節(jié)敘述。19 19輸入/輸出通道與工業(yè)對象通過各種自動化儀表發(fā)生聯(lián)系。自動化儀表包括測量元件、檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。20204.操作臺操作臺人機(jī)接口人機(jī)接口操作臺是操作人員用來與微型機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行“對話”的設(shè)備，其基本功能如下：(1)有顯示裝置，如顯示屏幕或熒光數(shù)碼顯示器，以顯示操作人員要求顯示的內(nèi)容或報警信號。(2)有一組或幾組功能鍵，功能鍵旁應(yīng)有標(biāo)明其作用的標(biāo)志或字符。對功能鍵進(jìn)行操作，微

10、型機(jī)就能執(zhí)行該標(biāo)志所標(biāo)明的動作。(3)有一組或幾組輸入數(shù)字的按鍵，用來輸入某些數(shù)據(jù)或修改控制系統(tǒng)的某些參數(shù)。21 21(4)操作臺在設(shè)計時應(yīng)設(shè)有保護(hù)裝置，即使操作人員操作錯誤，也不應(yīng)造成嚴(yán)重后果。操作臺有多種形式，鍵盤式是常用的一種形式，有時把它和微型機(jī)控制臺結(jié)合在一起。22221.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件是指計算機(jī)控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件；另一類是應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括程序設(shè)計系統(tǒng)、診斷程序、操作系統(tǒng)以及與計算機(jī)密切相關(guān)的程序，它具有一定的通用性，由計算機(jī)制造廠家或軟件供應(yīng)商提供。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題編寫

11、的各種程序。在微型機(jī)控制系統(tǒng)中，每個控制對象或控制任務(wù)都配有相應(yīng)的控制程序，通過這些控制程序來實(shí)現(xiàn)對各個控制對象的不同要求。2323這種為實(shí)現(xiàn)特定控制目的而編制的程序，通常稱為應(yīng)用程序。這些程序的編制基于對生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備、控制工具、控制規(guī)律的深入理解，只有先建立符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型，確定控制算法和控制功能，才能將其編制成相應(yīng)的程序。計算機(jī)控制系統(tǒng)隨著硬件技術(shù)的日臻完善，對軟件提出了越來越高的要求。只有軟件和硬件相互有機(jī)地配合，才能充分發(fā)揮計算機(jī)的優(yōu)勢，研制出完善的計算機(jī)控制系統(tǒng)。2424數(shù)字計算機(jī)所具有的運(yùn)算和邏輯功能可以有效地實(shí)現(xiàn)當(dāng)代復(fù)雜生產(chǎn)過程的控制要求。專門用于生產(chǎn)過程控制的數(shù)字計算機(jī)

12、通常稱為生產(chǎn)過程控制用計算機(jī)系統(tǒng)，也稱為工業(yè)控制計算機(jī)(簡稱工控機(jī))。1.2 工業(yè)控制計算機(jī)的特點(diǎn)工業(yè)控制計算機(jī)的特點(diǎn)2525工控機(jī)一般有以下特點(diǎn)：(1)工控機(jī)的可靠性和可維修性是兩項(xiàng)非常重要的因素，它們決定著系統(tǒng)在控制上的可用程度?？煽啃缘暮唵魏x是指設(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)運(yùn)行不會發(fā)生故障。為此，需采用可靠性技術(shù)來保障。為了實(shí)現(xiàn)高度的可靠性，具備高的可維修性是非常重要的。另外，維修工控機(jī)必須有診斷程序，這些程序能在閑余時間里通過檢驗(yàn)和測試計算機(jī)的不同部位來確定故障。2626(2)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。工控機(jī)一般應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，易受環(huán)境條件，如強(qiáng)電流、強(qiáng)磁場、腐蝕性氣體、灰塵、溫度變化的影響，這些都會影

13、響計算機(jī)的可靠性和使用壽命。工控機(jī)應(yīng)該能夠在這樣的環(huán)境下保證正常工作。(3)控制的實(shí)時性。所謂“實(shí)時”，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機(jī)對輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)或進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機(jī)，也失去了控制的意義。為此，工控機(jī)必須配有實(shí)時時鐘和完善的中斷系統(tǒng)。2727(4)較完善的輸入/輸出通道。為了對生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，計算機(jī)要經(jīng)常不斷地與被控制的工業(yè)對象交換信息，因此需要配備較完善的輸入/輸出通道，如模擬量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸出、人機(jī)通信設(shè)備等。(5)較豐富的軟件。工控機(jī)應(yīng)配備有比較完

14、整的操作系統(tǒng)和適合生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用程序，使機(jī)器的操作簡單、使用合理、控制性能好。2828(6)適當(dāng)?shù)挠嬎憔群瓦\(yùn)算速度。一般工業(yè)對象對于精度和運(yùn)算速度的要求并不苛刻，通常控制字長為832位，控制速度在幾萬次每秒至100萬次每秒，控制用內(nèi)存的容量為464KB等。但隨著工業(yè)控制自動化程度的提高，對于精度和運(yùn)算速度的要求也在不斷提高，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用對象及使用方式選取合適的機(jī)型。2929目前，微型計算機(jī)控制系統(tǒng)種類繁多，命名方法也各不相同。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，微型計算機(jī)控制系統(tǒng)主要分為六種類型：計算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制

15、系統(tǒng)及工業(yè)過程計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。1.3 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型30301.3.1 計算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)計算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)計算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-4所示。該系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。早期的生產(chǎn)過程很少有數(shù)字傳感器，數(shù)字量輸入多為開關(guān)量，故僅有模擬量輸入和數(shù)字開關(guān)量輸入部分。生產(chǎn)過程需要收集的參數(shù)經(jīng)多路模擬量輸入、多路數(shù)字開關(guān)量輸入送進(jìn)微機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析處理，并將采集處理的數(shù)據(jù)以一定的形式存儲、顯示或打印出來。當(dāng)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警。這種系統(tǒng)中的微機(jī)不直接參與影響生產(chǎn)的過程控制，只是為操作人員提供指導(dǎo)信息，供操作人員

16、參考。操作人員根據(jù)計算機(jī)的指導(dǎo)，通過控制儀器來對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。31 31圖1-4 計算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖3232132 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl，DDC)系統(tǒng)一般是在線實(shí)時系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-5所示。微型機(jī)通過模擬量輸入通道及接口AI、數(shù)字開關(guān)量輸入通道及接口DI進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，然后按已定的控制規(guī)律進(jìn)行實(shí)時控制決策，最后通過模擬量輸出通道及接口AO、數(shù)字開關(guān)量輸出通道及接口DO輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的直接控制。DDC系統(tǒng)屬于計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是工業(yè)生產(chǎn)控制過程中普遍采用的系統(tǒng)。為提高利用率，一臺計算機(jī)有時要控

17、制幾個或幾十個回路。3333圖1-5 直接數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3434133 監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機(jī)控制(SupervisoryComputerControl，SCC)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-6所示。3535圖1-6 監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3636SCC系統(tǒng)是兩級微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，其中，DDC級計算機(jī)完成生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制；SCC級計算機(jī)則根據(jù)生產(chǎn)過程的工況和已定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化分析計算，產(chǎn)生最優(yōu)化給定值，送給DDC級計算機(jī)執(zhí)行。SCC級計算機(jī)承擔(dān)著高級控制與管理任務(wù)，要求數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、存儲容量大，一般用較高檔微機(jī)。3737134 集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)集

18、散型控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)也叫分散型控制系統(tǒng)，它采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，把系統(tǒng)從下到上分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級等若干級，形成分級分布式控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-7所示。3838圖1-7 DCS的組成結(jié)構(gòu)圖3939三級系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)通路HW和局域網(wǎng)絡(luò)LCN兩級通信線路相連。控制管理級與過程控制級為操作站控制站現(xiàn)場儀表三層結(jié)構(gòu)模式，由現(xiàn)場控制站、輸入/輸出過程接口單元PIU、CRT顯示操作站、高速數(shù)據(jù)通路、監(jiān)控計算機(jī)五部分組成。在高速數(shù)據(jù)通路上可以掛接可編程控制器PLC、智能調(diào)節(jié)器或其他可連測控裝置?？?/p>

19、制管理級的監(jiān)控計算機(jī)通過協(xié)調(diào)各控制站的工作，達(dá)到生產(chǎn)過程的動態(tài)最優(yōu)化控制。生產(chǎn)管理級的上位管理機(jī)具有制定生產(chǎn)計劃和工藝流程以及管理產(chǎn)品、財務(wù)、人員等功能，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的優(yōu)化。生產(chǎn)管理級可具體細(xì)分為工段、車間、廠、公司等幾層，由上層的其他局域網(wǎng)絡(luò)互相連接，傳遞信息，進(jìn)行更高層次的管理、協(xié)調(diào)工作。4040135 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）采用新一代分布式控制結(jié)構(gòu)，如圖18所示。該系統(tǒng)克服了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互連等弱點(diǎn)，采用集管理、控制功能于一身的工作站現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，

20、完成了DCS中三層結(jié)構(gòu)模式的功能，降低了成本，提高了可靠性。國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，F(xiàn)CS可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連體系結(jié)構(gòu)。41 41圖1-8 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4242近年來，智能傳感器的發(fā)展使得須用數(shù)字信號取代420mA(DC)的模擬信號，這就形成了現(xiàn)場總線。現(xiàn)場總線是連接工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，它是用新一代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）代替集散控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)集成的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線被稱為21世紀(jì)工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。4343136 工業(yè)過程計算機(jī)集成制造系

21、統(tǒng)工業(yè)過程計算機(jī)集成制造系統(tǒng)隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的日益復(fù)雜與大型化，現(xiàn)代化工業(yè)要求計算機(jī)系統(tǒng)不僅要完成直接面向過程的控制和優(yōu)化任務(wù)，而且要在獲取盡可能多的全部生產(chǎn)過程信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整個生產(chǎn)過程的綜合管理、指揮調(diào)度和經(jīng)營管理。隨著自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等的迅速發(fā)展，滿足這些要求已不是夢想。能實(shí)現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)稱為計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。當(dāng)CIMS用于流程工業(yè)時，簡稱為流程CIMS。流程工業(yè)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)按其功能可以自下而上地分為過程直接控制層、過程監(jiān)控優(yōu)化層、生產(chǎn)調(diào)度層、企業(yè)管理層和經(jīng)營決策層等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-9所示。4444圖1-9 流程工業(yè)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

22、示意圖4545從圖中可以看到，這類系統(tǒng)除了常見的過程直接控制、先進(jìn)控制與過程優(yōu)化功能之外，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟(jì)信息、計劃調(diào)度和產(chǎn)品訂貨、銷售、運(yùn)輸?shù)确莻鹘y(tǒng)控制的諸多功能。因此，計算機(jī)集成制造系統(tǒng)所要解決的不再是局部最優(yōu)問題，而是一個工廠、一個企業(yè)乃至一個區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的全局多目標(biāo)最優(yōu)，也即企業(yè)綜合自動化問題。最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料最省、能耗最小、成本最低、可靠性最高、對環(huán)境污染最小等指標(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求，是工業(yè)過程自動化及計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的一個方向。4646141 計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程自1946年世界上

23、第一臺電子計算機(jī)ENIAC正式使用以來，數(shù)字計算機(jī)在世界各國得到了極大的重視和迅速發(fā)展。20世紀(jì)70年代微型計算機(jī)的推廣，標(biāo)志著計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了新的階段。1.4 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展4747計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給控制系統(tǒng)開辟了新的途徑?，F(xiàn)代控制理論以及各種新型控制規(guī)律和組合控制規(guī)律的發(fā)展又給自動控制系統(tǒng)增添了理論支柱。經(jīng)典的和現(xiàn)代的控制理論與計算機(jī)相結(jié)合，出現(xiàn)了新型的計算機(jī)控制系統(tǒng)。從美國工業(yè)控制機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用來看，用計算機(jī)來控制生產(chǎn)過程，大體上經(jīng)歷了三個階段。1965年以前是試驗(yàn)階段。早在1952年，在化工生產(chǎn)中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動測量和數(shù)據(jù)處理。1954年，開始

24、用計算機(jī)構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)。1957年，采用計算機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)開始應(yīng)用于石油蒸餾過程的調(diào)節(jié)。1959年，在美國一個煉油廠建成了第一臺閉環(huán)計算機(jī)控制裝置。1960年，在合成氨和丙烯腈生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)監(jiān)督控制。484819651969年是計算機(jī)控制進(jìn)入實(shí)用和開始逐步普及的階段。隨著小型計算機(jī)的出現(xiàn)，控制可靠性不斷提高，成本逐年下降，計算機(jī)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，但這個階段仍然主要是集中型的計算機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證明，采用高度集中控制時，若計算機(jī)出現(xiàn)故障，將對整個生產(chǎn)裝置和整個生產(chǎn)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響，雖然采用多機(jī)并用的方案可以提高集中控制的可靠性，但這樣就要增加投資。1970年以后是大量推

25、廣和分級控制階段?，F(xiàn)代工業(yè)的特點(diǎn)是高度連續(xù)化、大型化，裝置與裝置、設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)系日趨密切。4949因此，為了降低能量消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量，僅僅實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)的孤立控制是難以取得顯著效果的。因此，人們已開始運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)的方法來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模綜合管理系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)通常不是由一臺計算機(jī)或數(shù)臺獨(dú)立的、相互無關(guān)的小型機(jī)來進(jìn)行控制的，而是由大、中、小型計算機(jī)組合起來，形成計算機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行控制的。在這種采用了分段結(jié)構(gòu)的計算機(jī)控制系統(tǒng)中，充分利用各種計算機(jī)的優(yōu)勢，形成分級控制。近年來，微型計算機(jī)所具有的可靠性高、價格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，為分級計算機(jī)控制的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。5050142 近年

26、來計算機(jī)控制系統(tǒng)在我國的發(fā)展趨勢近年來計算機(jī)控制系統(tǒng)在我國的發(fā)展趨勢微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展是與組成該控制系統(tǒng)的核心部分微型機(jī)的發(fā)展緊密相關(guān)的。微型機(jī)和微處理器自從20世紀(jì)70年代崛起以來，發(fā)展極為迅猛：芯片的集成度越來越高，半導(dǎo)體存儲器的容量越來越大，控制和計算性能幾乎每兩年就提高一個數(shù)量級。另外，大量新型接口和專用芯片的不斷涌現(xiàn)、軟件的日益完善和豐富等，大大擴(kuò)大了微型計算機(jī)的功能，這為促進(jìn)微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。51 51目前，計算機(jī)控制技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向發(fā)展。微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。52521.以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動

27、化將成為主流從20世紀(jì)60年代開始，西方國家就依靠技術(shù)進(jìn)步（即新設(shè)備、新工藝以及計算機(jī)應(yīng)用）開始對傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行改造，使工業(yè)得到飛速發(fā)展。然而這種自動化需要投入大量的資金，是一種高投資、高效益同時是高風(fēng)險的發(fā)展模式，很難為大多數(shù)中小企業(yè)所采用。在我國，中小型企業(yè)以及準(zhǔn)大型企業(yè)走的還是低成本工業(yè)控制自動化的道路。工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。5353傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)，其基礎(chǔ)自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要由各種進(jìn)口的過程計算機(jī)或小型機(jī)組成，其硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的價格昂貴，令

28、眾多企業(yè)望而卻步。20世紀(jì)90年代以來，隨著基于PC的工業(yè)計算機(jī)（簡稱工業(yè)PC）的發(fā)展，以工業(yè)PC、I/O裝置、監(jiān)控裝置、控制網(wǎng)絡(luò)組成的基于PC的自動化系統(tǒng)得到了迅速普及，成為實(shí)現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑。我國的許多大企業(yè)也拆除了原來的DCS或單回路數(shù)字式調(diào)節(jié)器，而改用工業(yè)PC來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法，獲得了良好效果。5454由于基于PC的控制器被證明可以像PLC一樣可靠，并且易被操作和維護(hù)人員所接受，因此，更多的制造商至少在部分生產(chǎn)中正在采用PC控制方案?；赑C的控制系統(tǒng)易于安裝和使用，有高級的診斷功能，為系統(tǒng)集成商提供了更靈活的選擇，且從長遠(yuǎn)角度看，PC控制系統(tǒng)的維護(hù)成本低。

29、近年來，工業(yè)PC在我國得到了迅速的發(fā)展。從世界范圍來看，工業(yè)PC主要包含兩種類型：IPC工控機(jī)和CompactPCI工控機(jī)以及它們的變形機(jī)，如AT96總線工控機(jī)等。由于基礎(chǔ)自動化和過程自動化對工業(yè)PC的運(yùn)行穩(wěn)定性、熱插拔和冗余配置要求很高，5555因此，現(xiàn)有的IPC已經(jīng)不能完全滿足要求，將逐漸退出該領(lǐng)域，取而代之的將是CompactPCI-based工控機(jī)，而IPC將占據(jù)管理自動化層。幾年前，當(dāng)“軟PLC”出現(xiàn)時，業(yè)界曾認(rèn)為工業(yè)PC將會取代PLC，然而時至今日，工業(yè)PC并沒有代替PLC，主要有兩個原因：一個是系統(tǒng)集成原因；另一個是軟件操作系統(tǒng)WindowsNT的原因。一個成功的基于PC的控制系

30、統(tǒng)要具備兩點(diǎn)：一是所有工作要由一個平臺上的軟件完成；二是要向客戶提供所需要的所有東西?？梢灶A(yù)見，工業(yè)PC與PLC的競爭將主要集中在高端應(yīng)用上，其數(shù)據(jù)復(fù)雜且設(shè)備集成度高。5656工業(yè)PC不可能與低價的微型PLC競爭，這也是PLC市場增長最快的一部分。從發(fā)展趨勢看，控制系統(tǒng)的將來很可能存在于工業(yè)PC和PLC之間，這種融合的跡象已經(jīng)顯現(xiàn)。57572.PLC在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性方化和開放性方向發(fā)展向發(fā)展長期以來，PLC始終處于工業(yè)控制自動化領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供非?？煽康目刂品桨福cDCS和工業(yè)PC形成了三足鼎立之勢。同時，PLC也承受著來自其他

31、技術(shù)產(chǎn)品的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。目前，全世界PLC生產(chǎn)廠家已達(dá)到200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。國內(nèi)PLC市場仍以國外產(chǎn)品為主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE等產(chǎn)品。5858經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠家約有30家，但都沒有形成具有一定規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，可以說PLC在我國尚未形成制造產(chǎn)業(yè)化。在PLC應(yīng)用方面，我國是很活躍的，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性是PLC未來發(fā)展的主要方向。在基于PLC的自動化早期，PLC體積大而且價格昂貴；但在最近幾年，微型PLC（小于32I/O）已經(jīng)出現(xiàn)，價格只有幾百歐元。隨著軟PLC（Sof

32、tPLC）控制組態(tài)軟件的進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有軟PLC組態(tài)軟件和基于PC的控制所占市場份額將逐步得到增長。5959當(dāng)前，過程控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一就是Ethernet技術(shù)的擴(kuò)展，PLC也不例外?，F(xiàn)在越來越多的PLC供應(yīng)商開始提供Ethernet接口?？梢韵嘈?，PLC將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向發(fā)展，尤其是基于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)。60603.面向測、控、管一體化設(shè)計的面向測、控、管一體化設(shè)計的DCS系統(tǒng)系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）問世于1975年，生產(chǎn)廠家主要集中在美國、日本及德國。我國從20世紀(jì)70年代中后期開始引入國外的DCS，20世紀(jì)80年代

33、初期在引進(jìn)、消化和吸收的同時，開始了國產(chǎn)化DCS的技術(shù)攻關(guān)?！熬盼濉币詠?，我國DCS系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)發(fā)展得很快，崛起了一批優(yōu)秀企業(yè)，這批企業(yè)研制生產(chǎn)的DCS系統(tǒng)，不僅品種和數(shù)量有大幅度增加，而且產(chǎn)品的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。短短幾年，國外DCS系統(tǒng)在我國一統(tǒng)天下的局面從此不再出現(xiàn)。61 61這些專業(yè)化公司不僅占據(jù)了一定的市場份額，積累了發(fā)展的資本和技術(shù)，同時也使得國外引進(jìn)的DCS系統(tǒng)價格大幅度下降，為我國自動化推廣事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。與此同時，國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的出口也在逐年增長。雖然國產(chǎn)DCS的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，但國外DCS產(chǎn)品在國內(nèi)市場中的占有率還較高，其中主要是Honeywell和

34、橫河公司的產(chǎn)品。小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發(fā)展的主要方向。目前小型DCS所占有的市場，已逐步與PLC、工業(yè)PC、FCS持平。6262今后小型DCS可能首先與這三種系統(tǒng)融合，而且“軟DCS”技術(shù)將首先在小型DCS中得到發(fā)展。基于PC的控制將更加廣泛地應(yīng)用于中小規(guī)模的過程控制，各DCS廠商也將紛紛推出基于工業(yè)PC的小型DCS系統(tǒng)。開放性DCS系統(tǒng)將同時向上和向下雙向延伸，向測、控、管一體化方向發(fā)展，使來自生產(chǎn)過程的現(xiàn)場數(shù)據(jù)在整個企業(yè)內(nèi)部自由流動，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與控制技術(shù)的無縫連接。63634.控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場總線方向發(fā)展控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場總線方向發(fā)展由于3C（Computer、Co

35、ntrol、Communication）技術(shù)的發(fā)展，過程控制系統(tǒng)將由DCS發(fā)展到FCS。FCS可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設(shè)備（FieldDevice）中。FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對一的420mA模擬信號線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)帶來革命性的變化。根據(jù)IEC61158的定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。6464現(xiàn)場總線使測控設(shè)備具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的功能及性能。IEC/TC65的

36、SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。目前在各種現(xiàn)場總線的競爭中，以Ethernet為代表的COTS(CommercialOffTheShelf)通信技術(shù)正成為現(xiàn)場總線發(fā)展中新的亮點(diǎn)，其關(guān)注的焦點(diǎn)主要集中在兩個方面：(1)能否出現(xiàn)全世界統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)；(2)現(xiàn)場總線系統(tǒng)能否全面取代現(xiàn)時風(fēng)靡世界的DCS系統(tǒng)。6565采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)造低成本的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，促進(jìn)了工業(yè)控制系統(tǒng)向現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化方向發(fā)展。國家在“九五”期間為了加快現(xiàn)場總線技術(shù)在我國的發(fā)展，把重點(diǎn)放在了智能化儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)的開發(fā)和工程化上，希望通過補(bǔ)充

37、和完善工藝設(shè)備、開發(fā)裝置和測試裝置，建立智能化儀表和開發(fā)自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)基地，從而形成適度規(guī)模經(jīng)濟(jì)?？傊?，計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)（DCS）后，將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的方向發(fā)展。6666雖然以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護(hù)和改造還需要DCS，因此FCS要完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個較長的過程，同時DCS本身也在不斷地發(fā)展與完善之中?？梢钥隙ǖ氖牵Y(jié)合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進(jìn)控制等新技術(shù)的FCS將具有強(qiáng)大的生命

38、力。工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線技術(shù)作為一種靈活、方便、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，在工業(yè)現(xiàn)場得到了越來越多的應(yīng)用，并將在控制領(lǐng)域中占有更加重要的地位。67675.儀器儀表技術(shù)在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表技術(shù)在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展、微型化方向發(fā)展經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國儀器儀表工業(yè)已有相當(dāng)基礎(chǔ)，初步形成了門類比較齊全的生產(chǎn)、科研、營銷體系。目前我國儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品大多屬于中低檔水平，隨著國際上數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化產(chǎn)品逐漸成為主流，我國同國外的差距還將進(jìn)一步加大。目前，我國高檔、大型儀器設(shè)備大多依賴進(jìn)口，中檔產(chǎn)品以及許多關(guān)鍵零部件，60%以上來自國外，而國產(chǎn)分析儀器只占不到2的全球市場份額。68686.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無線相結(jié)合的方向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無線相結(jié)合的方向發(fā)展發(fā)展自從1977年第一個民用網(wǎng)系統(tǒng)AR