微型计算机控制技术的发展及应用

1、微型计算机控制技术的发展及应用摘 要微型计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。文章介绍了计算机控制系统的组成及分类，微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，控制软件是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作，并介绍了微型计算机控制的起源、发展过程、应用现状及发展趋势。关键词微型计算机；控制技术；发展应用一、引言微型计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，辅助部件主要

2、指输入输出接口，检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系。也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是为达到某种最优化目标。二、计算机控制系统组成及分类计算机控制系统由工业控制计算机和工业对象两大部分组成。图1 为计算机控制系统基本框图。与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，也可以是开环的。而闭环方式用得最普遍，是最基本的

3、控制方式。d图11 、硬件组成微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图2 所示。图22 、计算机控制系统的软件软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。微型计算机控制系统分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统（D D C ）、计算机监督系统（S C C ）、分级计算机控制系统。三、微型计算机控制系统的现状及发展趋势将数字计算机用作控制器的思想萌生于20 世纪50 年代初。最早，试图在飞行器控制中应用计算机，但由于当时通用机体积大、能耗多、可靠性差而未被使用。此后，计

4、算机控制主要进展是在工业过程控制领域。美国首先用计算机实现过程的巡回检测和数据采集。20世纪50年代后期已成功地实现计算机在线闭环控制。1962 年英国实现了计算机的直接数字控制，充分利用计算机的高速分时运算能力，来替代多台控制功能较单一的常规模拟控制仪表。20世纪70年代微型计算机的诞生，使计算机控制系统的应用进入一个新阶段。在工业过程控制领域，不久就出现了控制上分散、操作管理上集中的分散控制直至20 世纪90 年代，集散型控制系统一直是世界各国也包括我国在过程计算机控制方面的重要发展方向。至今世界上已有数万套以上的集散型控制系统在现场运行，取得了可观的经济效益。微型计算机控制系统技术还迅速

5、渗透到机电控制领域，不仅在航空航天、军事装备、机器人、机械生产自动线中得到广泛应用，而且在家庭生活设施中，如洗衣机、微波炉、空调机、电视机等，都有微型计算机（单片机）构成的控制系统。计算机控制将在以下方面得到发展：1 、推广应用成熟的先进技术：普及应用可编程序控制器（P L C ）；广泛使用智能调节器；采用新型的 D C S 和F C S 。2 、大力研究和发展智能控制系统。当前最流行的控制系统有：分级递阶智能控制系统；模糊控制系统；专家控制系统；学习控制系统；神经控制系统。（一） 以工业PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流20 世纪90 年代以来，由于PC-based的工业计算机（简

6、称工业P C ）的发展，以工业P C 、I / O 装置、监控装置、控制网络组成的PC-based 的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。近年来，工业P C 在我国得到了异常迅速的发展。由于基础自动化和过程自动化对工业P C 的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC 已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是 C o m p a c tPCI-based 工控机，而IPC 将占据管理自动化层。和P L C 一样，工业P C 市场在过去的两年里保持平稳。与PLC 相比，工业PC 软件很便宜。据Frost & Sullivan公司估计，全世界每年7

7、 亿美元工业P C市场里，大约8 5 0 0 万美元为控制软件，一亿美元为操作系统。到2007 年会翻一番，工业P C 市场变得非常可观。（二）P L C 在向微型化、网络化、PC 化和开放性方向发展长期以来，P L C 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与D C S 和工业P C 形成了三足鼎立之势。同时，PLC 也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业P C 所带来的冲击。微型化、网络化、P C 化和开放性是P L C 未来发展的主要方向。随着软P L C（Soft PLC）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC 组态软件和PC

8、based控制的市场份额将逐步得到增长。当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet 技术的扩展，PLC 也不例外。现在越来越多的PLC 供应商开始提供Ethernet 接口。可以相信，PLC 将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业P C 的控制系统。（ 三） 面向测控管一体化设计的D C S 系统集散控制系统DCS（DistributedControl System）问世于1975 年，生产厂家主要集中在美、日、德等国。近1 0年，特别是“九五”以来，我国D C S系统研发和生产发展很快。据统计，到2005 年，我国石化行业有1000 多套装置需要应用D C S 控制；电

9、力系统每年新装1000 多万千瓦发电机组，需要DCS 实现监控。小型化、多样化、P C 化和开放性是未来D C S 发展的主要方向。今后小型D C S 可能首先与P L C 、工业P C 、F C S三种系统融合。PC-based 控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制， 各DCS 厂商也将纷纷推出基于工业PC 的小型D C S 系统。开放性的D C S 系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。（ 四） 控制系统正在向现场总线（F C S ）方向发展由于4C （Computer 、Control

10、、Communication、CRT）技术的发展，过程控制系统将由DCS（DistributedControl System，集散控制系统）发展到FCS（Fieldbus Control System，现场总线网络控制系统）。FCS 可以将P I D控制彻底分散到现场设备（F i e l dDevice）中。基于现场总线的FCS 又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（D C S ）后，将朝着现

11、场总线控制系统（F C S ）的方向发展。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的地位。（ 五）仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展今后仪器仪表技术的主要发展趋势：仪器仪表向智能化方向发展，产生智能仪器仪表；测控设备的PC 化，虚拟仪器技术将迅速发展；仪器仪表网络化，产生网络仪器与远程测控系统。（六）计算机控制网络将向有线和无线相结合方向发展计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传Internet

12、的Web 服务相结合，它的实现需要经过数据预理、建立数据仓库、数据分析、分析应用四个阶段。面向Web 的商业智能系统如图3。图3首先将连接在网络中的不同平台下的数据库、知识库、模型库，以及元数据收集，前提是将基于不同平台的异构性数据转化成网络环境认可的X M L 格式，因为X M L 具有良好的平台无关性，是Web service平台中表示数据的基本格式。同时网络环境中各个客户的平台是不同的，对远程站点应用程序的调用就必须使用基于X M L 的网络协议进行网络会话，各个平台使用的网络协议不同，如J2EE 的RMI，CORBA 的IIOP，都必须转换成基于X M L 的S O A P 协议。收集

13、转化后的数据并非全部都是企业认为有价值的信息，必须从海量数据中提取有用的信息，这就需要建立一个半结构化的抽取模型，对数据进行抽取、转换、装载，最后形成一个面向过程的数据模型。面向W e b 的数据仓库的建立也是至关重要的一步，它是商业智能的基础，将经过E T L 数据预处理的X M L 数据构建成多维数据模型装载入数据仓库，方便数据的分析预测。在良好的数据仓库的基础上使用O L A P 分析、D M 分析以及O L A M 分析方法进行数据分析和预测。基于Web Service 的分析服务可以通过W e b 服务注册中心注册并发布，企业用户借助WSDL 描述要访问的分析服务，用SOAP 向注册

14、中心发出查询请求，企业用户将得到注册中心返回的WSDL 描述，生成SOAP 请求消息，绑定服务提供者。基于Web 的分析服务器将调用相应方法最终将S O A P 消息提交到企业用户手中。3 商业智能的现状和发展趋势目前， 电信、金融、制造、政府等行业都率先大规模的应用了商业智能，以辅助业务管理，2005 年中国商业智能软件市场的规模约为10 亿元，比2004 年的6.55 亿元增长了70%，成为了中国软件市场的一大亮点。全球BI 市场，新许可证的销售收入超过了23 亿美元，以10% 以上的速度增长6。未来经济的发展越来越需要前瞻性的分析预测系统，因而商业智能责无旁贷。商业智能未来将对业务实施实

15、时决策支持，从C E O 的范围扩展到业务层面，出现B I 技术与ERP 、C R M等多种技术的融合。4 结束语商业智能的发展已经在现在的商业软件中占有越来越多的份额，同时与Internet的结合，面向Web 的商业智能系统将会带动企业进入一个更高的技术领域，实现对全球资源和分析预测信息的共享，快速提升了企业的竞争力和综合实力。图3 面向Wed 的商业智能系统感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。（七）计算机控制软件正向先进控制方向发展自20 世纪80 年代初期诞生至今，工业控制软件已有2 0 多年的发展历史。工业控制软件主要包括人机界面软件（H M I ），基于P C 的控制软件以及生产管理软