計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用的研究

楊巨淼

摘 要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)控制技術(shù)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著重要作用。文章簡單介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，分析了其工作過程、特點(diǎn)以及組成，并從操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向等方面，就計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用情況加以探討。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù);現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);直接數(shù)字控制系統(tǒng)

0 引言

電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求，因此以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為核心，以電子技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等為基礎(chǔ)，綜合可編程控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新興學(xué)科得以快速發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)較傳統(tǒng)電氣自動化技術(shù)具有更加精密化、生產(chǎn)設(shè)備信息化、自動化程度高、機(jī)電控制系統(tǒng)最佳化等優(yōu)勢，故而其在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及其他領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，依然成為助推現(xiàn)代社會發(fā)展的重要技術(shù)。

1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

所謂計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，簡單來說就是通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與不同的動態(tài)系統(tǒng)相連并進(jìn)行控制的技術(shù)，其核心在于使用計(jì)算機(jī)代替自動控制中的常規(guī)控制設(shè)備，從而借助計(jì)算機(jī)在采集、傳輸、存儲以及處理能力方面的能力優(yōu)勢提高自動、動態(tài)、智能控制水平。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通?？梢苑譃殚_環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)兩種，前者指系統(tǒng)輸出量不會影響控制作用的系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于無須測量和處理系統(tǒng)輸出量;后者指系統(tǒng)輸出信號直接影響控制作用的系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于需要準(zhǔn)確處理反饋并維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行基本上可以劃分內(nèi)三部分，即數(shù)據(jù)采集、決策以及控制執(zhí)行，通過這三部分基本上能夠滿足所有的控制要求。首先是數(shù)據(jù)采集。在溫度儀器、濕度儀器等測量裝置的作用下，能夠?qū)崟r采集系統(tǒng)需要的相關(guān)數(shù)據(jù)并傳輸至計(jì)算機(jī)，為整個計(jì)算機(jī)控制活動的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。其次是控制決策。計(jì)算機(jī)通過軟件對采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，按照程序下達(dá)相應(yīng)的指令，明確控制目標(biāo)、內(nèi)容和方式。最后是控制執(zhí)行。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令被執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接收，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的指令動作，完成控制[1]。

1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為復(fù)雜程度高、集成度高、應(yīng)用范圍廣、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，有著較為復(fù)雜而多樣化的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)于以下幾方面。其一，模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心便是數(shù)字計(jì)算機(jī)，這使得其具有數(shù)字控制特性;同時系統(tǒng)中還包含大量模擬部件如測量裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，這使得其具有模擬控制特性。其二，信號形式多樣。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要是基于連續(xù)模擬信號進(jìn)行控制，這是因?yàn)槠渲饕獞?yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制，而工業(yè)生產(chǎn)控制往往需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)測量。不過該系統(tǒng)依舊支持離散模擬、離散數(shù)字等不同信號形式，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整及應(yīng)用。其三，靈活性和適用性良好。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠通過在線修改的方式直接修改控制方案、控制規(guī)律、控制程序等，修改過程較為簡單快速，故而能夠有效適應(yīng)不同的工業(yè)生產(chǎn)需求，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時動態(tài)修改。其四，控制效果良好。計(jì)算機(jī)本身處理性能強(qiáng)大，尤其是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成化和自動化，構(gòu)建控制與管理一體化的全新模式，助力企業(yè)發(fā)展。

1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

硬件以及軟件是系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同樣如此，主要硬件和軟件包括以下幾部分。首先是計(jì)算機(jī)主機(jī)。作為控制系統(tǒng)的核心部分，計(jì)算機(jī)主機(jī)必然少不了高速的中央處理器以及時鐘電路、內(nèi)存儲器等。其次是通用外圍設(shè)備。整個系統(tǒng)包含大量通用外圍設(shè)備，是支持系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備，而且可以按照功能劃分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及外存儲器等。然后是過程I/O通道以及通用接口電路。作為連接系統(tǒng)中不同硬件設(shè)施設(shè)備的部分，過程I/O通道以及通用接口電路的作用不容忽視，可以說是支持整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要基礎(chǔ)。再然后是傳感器和變送器。二者在整個系統(tǒng)中的作用主要是將檢測到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)電信號并進(jìn)行傳輸，從而確保計(jì)算機(jī)能夠有效接收和處理數(shù)據(jù)。之后是運(yùn)行操作臺。運(yùn)行操作臺主要是供工作人員操作的區(qū)域，往往集中了控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、顯示器、聲信器等硬件。最后是軟件，也就是各種計(jì)算機(jī)程序的總和，其通常能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、管理、控制、計(jì)算、自診等功能[2]。

2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)又稱為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)中每隔一段時間計(jì)算機(jī)就會進(jìn)行一次采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理，然后再進(jìn)行報警、打印或顯示操作。計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象，操作人員根據(jù)輸出的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定值的改變或必要的操作。因此該系統(tǒng)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活安全等特點(diǎn)，但受限于人工操作，通常只會應(yīng)用于單個或者兩個等人工操作速度能夠完全滿足的情況，否則容易因?yàn)槿斯げ僮魉俣认拗贫绊懣刂菩Ч?，甚至可能引發(fā)各種安全事故。

2.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digit Control，簡稱“DDC系統(tǒng)”）實(shí)際上就是傳統(tǒng)電氣控制技術(shù)在數(shù)字計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用，其原理和電氣控制技術(shù)較為類似，即計(jì)算機(jī)直接獲取相關(guān)參數(shù)后根據(jù)程序設(shè)定進(jìn)行運(yùn)算，再根據(jù)運(yùn)算結(jié)果下達(dá)控制指令，從而達(dá)到控制目的。和傳統(tǒng)電氣控制技術(shù)相比，DDC系統(tǒng)得益于計(jì)算機(jī)自身強(qiáng)大的運(yùn)算處理性能，能夠?qū)崿F(xiàn)多個復(fù)雜控制回路的分時處理，控制效果良好且穩(wěn)定可靠，其通常被應(yīng)用于小型或中型生產(chǎn)裝置的控制。DDC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包含模板式以及模塊式兩類，而且安裝方式又包含有盒式、臺式、柜式等，故而其能夠適應(yīng)不同的工業(yè)生產(chǎn)需求，適用性極強(qiáng)。DDC系統(tǒng)還具有在線實(shí)時控制、分時方式控制、靈活和多功能等特性，能夠直接通過軟件編寫和修改控制方案，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、最優(yōu)控制、智能控制等，控制精度高且實(shí)時性、可靠性良好。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)配備的中央處理器、內(nèi)存儲器等性能大幅提升，使得DDC系統(tǒng)能夠通過一臺計(jì)算機(jī)穩(wěn)定控制多達(dá)數(shù)十個回路，故而相應(yīng)的應(yīng)用范圍極為廣泛，諸如材料熱加工、化工、機(jī)械、冶金等工業(yè)領(lǐng)域均會大量應(yīng)用該系統(tǒng)。

2.3 監(jiān)督控制系統(tǒng)

顧名思義，監(jiān)督控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control，簡稱“SCC系統(tǒng)”）是以監(jiān)督為主要功能的控制系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，SCC系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，其能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的全方面、全過程監(jiān)督，按照預(yù)定程序?qū)ο嚓P(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分析與處理，從而判斷生產(chǎn)過程是否存在異常，并能實(shí)現(xiàn)打印、現(xiàn)實(shí)以及報警等功能，充分發(fā)揮監(jiān)督作用。SCC系統(tǒng)和操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)較為類似，不過其并非只能通過人工操作的方式進(jìn)行控制，也能實(shí)現(xiàn)監(jiān)督與控制一體化，是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。SCC系統(tǒng)的應(yīng)用是保障工業(yè)生產(chǎn)安全性和可靠性的重要手段，尤其是當(dāng)上位機(jī)和DDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，SCC系統(tǒng)能夠取代DDC系統(tǒng)并進(jìn)行有效控制，最大程度減輕故障對工業(yè)生產(chǎn)的影響。

2.4 分散控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱“DCS系統(tǒng)”）是基于控制分散、操作和管理集中的設(shè)計(jì)思想而來的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)一般為多層分級、合作自洽形式。DCS系統(tǒng)的硬件主要包括現(xiàn)場控制單元以及操作站，前者即分散在現(xiàn)場各個部分的控制單元，是實(shí)現(xiàn)分散控制的基礎(chǔ);后者則是現(xiàn)實(shí)、記錄各控制單元的過程數(shù)據(jù)并支持人機(jī)交互的區(qū)域，是實(shí)現(xiàn)集中操作和管理的基礎(chǔ)。由于DCS系統(tǒng)自身的特殊性，其往往兼具操作指導(dǎo)系統(tǒng)、DDC系統(tǒng)、SCC系統(tǒng)等的功能，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)場分散控制，故而其在諸多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，簡稱“FCS系統(tǒng)”）是DCS系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其與后者相比是通過智能現(xiàn)場設(shè)備以及自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起整個系統(tǒng)的架構(gòu)，故而其更能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的數(shù)字通信、自動控制發(fā)展需求。實(shí)際上就目前的情況來看，F(xiàn)CS系統(tǒng)正在逐漸取替DCS系統(tǒng)，不少大型工業(yè)企業(yè)都在工業(yè)生產(chǎn)中升級應(yīng)用FCS系統(tǒng)，從而獲得更為穩(wěn)定、可靠和高效的控制性能。

2.6 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的不斷深化以及現(xiàn)代技術(shù)和工業(yè)的飛速發(fā)展，準(zhǔn)確把握相應(yīng)的應(yīng)用發(fā)展方向?qū)⑹沁M(jìn)一步提升應(yīng)用水平的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。就目前來看，集散控制系統(tǒng)兼具分散控制以及綜合管理的優(yōu)勢，是滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制和管理需求的有效方式，具有巨大的應(yīng)用發(fā)展前景。對自動化技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)等進(jìn)行全面整合的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)具有生產(chǎn)一體化管理的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效益、高柔性的智能制造，無疑也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的一大方向。

3 結(jié)語

綜上可知，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)，其在控制工業(yè)生產(chǎn)和支持生產(chǎn)管理方面的作用不容忽視。準(zhǔn)確把握計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用情況和發(fā)展前景，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，無疑是充分挖掘該技術(shù)優(yōu)勢和功能，助推現(xiàn)代工業(yè)自動化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵，值得大力研究、探索、嘗試和發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李齊齊.淺析計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國西部，2017（6）：82.

[2]曹越.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[J].數(shù)字化用戶，2019（22）：215.

[3]翟佩華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].工業(yè)，2016（1）：261.

（編輯 王永超）