计算机控制系统的应用及发展.docx
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计算机控制系统的应用及发展
第一章计算机过程控制系统的应用与发展
在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。
生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。
凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。
过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。
随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。
1.1计算机过程控制系统的发展回顾
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。
回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期：
（1）起步时期（20世纪50年代）。
20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。
（2）试验时期（20世纪60年代）。
1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。
（3）推广时期（20世纪70年代。
随着大规模集成电路（LSI）技术的发展，1972年生产出了微型计算机（mi—erocomputer）。
其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。
（4）成熟时期（20世纪80年代）。
随着超大规模集成电路（VLSI）技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。
80年代末，又推出了具有计算机辅助设计（CAD）、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。
（5）进一步发展时期（20世纪90年代）。
在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。
1.2计算机过程控制系统的分类
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。
它是以数据库为核心，任何终端都需通过企业内的控制局域网络和管理局域网络与数据库交换数据、信息、知识。
数据库由实时数据库和关系数据库组成，实时数据库用来存储工业现场数据、系统运行状况信息、先进控制和过程优化指令等；关系数据库用于企业ERP层的支持，并可存放实时数据库中的永久性数据。
管理局域网络对内与关系数据库连接，对外与Internet连接，是企业管理信息化的物理载体。
1.3计算机过程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计算机过程控制系统的发展趋势
计算机控制系统以其特有的优势和强大的功能，已在过程控制领域得到广泛的应用。
同时，随着计算机软硬件技术和通讯技术的飞速发展，新的控制理论和新的控制方法也层出不穷。
展望未来，它的发展趋势有以下几个方面。
（1）大力推广应用成熟的先进技术。
普及应用具有智能VO模块的、功能强、可靠性高的可编程控制器（PLC），广泛使用智能化调节器，采用以位总线（Bitbus）、现场总线（Fieldbus）技术等先进网络通讯技术为基础的新型DCS和FCS控制系统。
（2）大力研究和发展智能控制系统。
智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。
智能控制系统的类型主要包括：
分级梯阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、人工神经网络控制系统和基于规则的仿人工智能控制系统等。
（3）控制与管理结合，向低成本自动化（1owCostAutomation，LCA）方向发展。
LCA是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能，而投资较低的自动化系统。
在DCS和FCS的基础上，采用先进的控制策略，将生产过程控制任务和企业管理任务共同兼顾，构成计算机集成控制系统（ciPs），可实现低成本综合自动化系统的方向发展。
总之，由于计算机过程控制在控制、管理功能、经济效益等方面的显著优点，使之在石油、化工、冶金、航天、电力、纺织、印刷、医药、食品等众多工业领域中得到广泛的应用。
计算机控制系统将会随着计算机软硬件技术、控制技术和通讯技术的进一步发展而得到更大的发展，并深入到生产的各部门。
第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势
最近lO年来，随着计算机技术和大规模集成电路技术的飞速发展，特别是WINDOWS平台的出现、成熟和壮大．在该平台上涌现出许多优秀的应用软件。
根据油田工艺过程和生产特点，国内油田控制系统的操作平台．大部分采用DOS或WINDOWS。
近几年来，随着WINDOWS的大规模普及和性能的不断完善．已被大部分软件开发商认同。
原先基于DOS的开发商逐渐在向WINDOWS转移。
油田控制系统的硬件主要分为三大类：
第一类是基于工业PC总线的控制系统；第二类是基于各种可编程逻辑控制器，简称PLC；第三类是中小型的DCS控制系统。
下面基于以上三类主要硬件控制系统，简单介绍相应应用软件的现状及发展趋势
2.1基于PC总线的控制系统应用软件
PC总线是较早成功运用在油田的控制系统，相应的应用软件的种类很多，主要分为两类：
通用的开发软件和专用的工控组态软件。
通用的开发软件工具包括：
汇编语言、C、BASIC等．用于DOS平台，汇编语言主要用于硬件ItO的输入、输出和有特殊要求的编程；BORLANDc++、MC++、VB、DELPHI等，用于WIND0WS平台。
在DOS平台上．应用软件通常是把用户的源代码和硬件供货商提供的I／O驱动代码（一般是源代码方式或OBJ文件方式），通过链接编译形成执行文件：
该方式的缺点是软件开发者花费大量的时间和精力设计人机接口，但人机接口仍不够友好，同时程序的维护性和移植性均不好。
在WIND—IWS平台上，硬件供货商提高了IlO板的各种驱动程序．如源代码、0BJ文件、l6位或32位的DLL、以及提供VB和DELPHI直接使用OCX控件等这样，开发者直接利用WINDOWS提供的良好人机界面和易于使用的驱动程序，如DLL和OCX控件。
该方式的优点是开发效率高，特别是适合应用在有特殊控制算法和要求．且控制点较少的场合；缺点是当要求管理较大规模的数据量时，编程、维护和移植效率降低。
2.2基于各种PLC控制系统的应用软件
PLC因其卓越的性能价格比在油田控制系统得到大规模的应用，如MODICON、SIEMENS、OM．RON、GEFANUC、AB等。
使用PLC构成控制系统，一般涉及两套应用软件，即上位机软件和下位机软件。
下位机软件一般与PLC硬件对应，不同的PLC有不同的下位机软件。
通常使用一种叫梯形图的控制软件。
例如，对于OMRONPLC，使用下位机软件为LSS（LADDERSuRPPORTS0兀wARE）；对于GEGANUCPLC，使用的软件为LMgO（LOGICMAS．TER90）；对于MODICON，使用的软件为M0DS0FT或CONCEPT；对于SIEMENSPLC，使用的软件为STEP'／等等。
这些软件功能大同小异，一般均具有开关量的逻辑控制功能，如LD、OUT、AND、OR、DIFI~I、DIFD、COUNTER和TIMER等等，其数学运算能力因CPU的能力不同雨不同。
对于较复杂的顺序控制，可使用一种顺序功能图的开发组态软件SFC（SequentialFunctionChart）或功能块图FBD（FunctionBlockDiagram）。
例如，GEGANUC和SIE—MENS公司都提供了顺序功能图SFC的可选软件包，MODICON公司的CONCEPT软件则全部提供了SFC和FBD的功能。
2.3中小规模的DCS控制系统组态软件
DCS系统主要用于油田规模较大、控制要求及可靠性较高的联合站、深度污水处理站和西部自动化要求较高的油田。
使用的DCS系统多为HONFY．WELL公司生产的各种型号的DCS系统和英国欧陆DCS系统。
这些系统的组态软件具有强大的组态功能，如SFC、CCC、FBD和梯形图软件。
最重要是，均有一个上下位机统一的数据表，因此可根据不同的控制要求，采用最合适的组态编程方式，而变量可在不同的蛆态编程环境中直接引用，使用起来非常方便。
但是，由于PLC技术的不断发展，特别是当各种软件技术如IEC1131、OPC技术的成熟，使得PLC控制系统的性能不断逼近DCS系统，而性能价格比要优越得多。
2.4计算机控制系统应用软件的发展趋势
根据目前油田计算机控制系统应用软件的现状。
计算控制系统应用软件发展趋势主要有以下几个方面：
①由DOS平台向WINDOWS平台转移；②向标准化方向发展；③各种软件技术相互借鉴，相互发展；④向智能化开放性发展；⑤控制和管理系统集成；⑥网络技术和多媒体集成。
DOS平台的单任务使其可靠性很高，今后在油田某些控制规模较小的系统仍会使用。
由于WINDOWS良好的人机界面，标准化技术，如DLL、DDE、OCX和OLE等，强占式多任务技术和不断加强的可靠性。
在油田得到越来越多的运用。
从最近几年来看，计算机控制系统应用软件使用的平台几乎全部是WINDOWS95tNT。
DLLL、DDE是早期WINDOWS提供的标准化技术，如果提供一套DLL驱动程序，任何人均可使用它，且可获得较为一致的性能；DDE则是一种程序间实时交换数据的标准协议，几乎所有的组态软件提供DDE组件WINDOWS的图形化界面也是一种标准化技术；OPC技术是近几年发展起来的标准化技术。
根据该技术，每一种硬件只需要一种OPC驱动程序，这必将降低软件的成本，而工程技术人员也只须掌握使用该驱动程序。
IEC1131是针对PLC的一种编程标准，对LD、lrxT、SFC和FBD等编程语言规定严格的标准，它强化了PDe件技术，使其软件性能非常按谴DCS系统的软件性能：
而且，IEC1131提供了一种模拟仿真PLC的标准．使得PLC的离线调试性能更加完美MODI．CON公司推出的PLCS组杰软件CONCEPT，该软件的LD、SFC和FBD语言功能非常强大，且使用统的变量声明。
该软件提供的PLC仿真器，使得控制系统在连接I／O设备之前测试并修改控制程序，降低控制程序的调试时间。
台湾研华的亚当5000系列控制器也推出了符合IEC1131的编程组态软件。
控制软件和管理软件的集成已成为面向2l世纪自动化领域的重大课题。
软件基础技术的进步，诸如数据库管理系统、相关数据库、第四代计算机语言、计算机辅助工程、面对对象的编程技术以及计算机软件技术的开放性和标准化的发展，都为应用软件的集成提供技术支持。
Hone）q~'ellHi．specSo．1ution公司的ProfimaticsPIROS是集成信息系统技术的一个范例。
它采用特定的应用软件包，将所有数据和信息集合在一个一致的结构中。
这些软件包括有：
过程监控、计算用NLP、调查、过程仿真、过程控制、实验室分析、灌区管理、财务系统等。
然后将这些信息提供给所有的职能部门，作为特定应用软件的输入。
在此基础上，同时实现经营销售管理的自动化集成。
网络技术己经逐渐成为现代信息技术韵主流。
Intemet的最大优点在于资源共享和高速通讯。
大多数的应用软件已经开发出专门的网上浏览器，如FIX、CIMPLICITY等等。
通过该浏览器，在Intemet就可直接监控生产控制过程。
同时这些软件也集成了各种多媒体技术，如FIX、CIMPuCITY支持语音功能和动画功能。
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