工業自動化控制中計算機控制技術的應用路徑研究

趙晶晶

[摘 要] 對工業自動化控制中計算機控制技術的應用路徑進行探究。首先概述了工業自動化技術及計算機控制技術；其次分析了計算機控制系統的工作原理及應用特點；最后指出了工業自動化控制中計算機控制技術的應用路徑，包括數字控制、可編程邏輯控制器、分布式控制系統、計算機傳感器以及自動化生產中的現場總線應用。

[關 鍵 詞] 工業自動化控制；計算機控制技術；應用路徑

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）12-0202-02

一、工業自動化技術及計算機控制技術概述

（一）工業自動化技術概述

當前工業自動化技術正在向集成化、智能化以及網絡化方向發展，具體表現在以下幾方面：（1）主流為低成本工業控制自動化，該種工業控制自動化以化工業PC為基礎；（2）PLC（可編程邏輯控制器）在向微型化與PC化方向發展；（3）DCS系統技術提升，應用漸廣；（4）控制系統正在向FCS（現場總線）方向發展；（5）數控技術正在向智能化、信息化方向發展；（6）工業控制軟件向先進控制方向發展。當前APC（Advanced Process Control，先進過程控制）尚沒有明確的定義，但是多數學者將用計算機實現控制的算法均稱為先進過程控制，且有較多的研發，為我國國民經濟的發展起到了重要的作用。

（二）計算機控制技術概述

計算機控制技術的組成要素較多，主要的四個要素為控制對象、測量儀器、執行器以及數字調節器，其中控制對象是各項實體設備，如控制設備、控制儀器等；儀器測量是轉換企業各生產參數，利用各種儀器將參數轉換成信號，為后續的控制提供基礎；執行器即調節器，通過調整實現對工業生產更好的控制；數字調節器是計算機控制技術的核心要素，通過對各種測量信號進行調節，探尋出規律，從而自動完成對工業生產的閉環控制。當前計算機控制技術主要是通過計算機控制系統實現對工業生產的控制，使工業生產實現自動化。

二、計算機控制系統的工作原理及應用特點

（一）計算機控制系統的工作原理

計算機控制技術主要通過計算機控制系統來實現對工業生產的控制，故而探析計算機控制系統的工作原理極為必要。計算機控制系統主要包括三個部分，分別為硬件系統、軟件控制算法以及上位機操控軟件，這三部分相互配合最終實現對被控制對象的控制，使被控制對象能夠執行各項命令，以實現自動化。其中硬件系統的結構如圖1所示：

由上可以看出，計算機控制系統中硬件系統主要是為了輔助軟件系統，通過信息采集與交互為軟件系統提供數據，從而實現對被控對象的控制。理論如此，但在工業自動化的實際控制中，一般采用的是實時控制的方式，通過實時控制使生產過程更為可靠。其工作的原理為三大步驟，分別為數據采集、實施決策以及完成控制任務。為實現實時控制，在數據采集階段必須對被控目標的瞬時值進行采集，采集之后立刻通過交互將數據輸入計算機之中，以保障數據的及時交互，為之后計算機軟件的數據分析提供基礎；實施決策是計算機控制系統中的軟件依據相應的規則來對所提供的數據進行分析，同時依據具體的情況制訂下一步的控制計劃；控制任務的完成主要是由控制硬件系統來完成的，通過執行軟件的決策，使各任務得到落實，最終實現工業自動化。

（二）計算機控制系統的應用特點

計算機控制系統的應用特點分別是開放性特點、交互性與可操行特點、智能化特點以及精確性特點。具體來說，因為計算機控制技術所依托的是計算機，是大數據，故而其具有公開性，而且從其作用上來看，計算機控制系統為保障各設備正常運轉，必須能夠與各種設備相連，能夠靈活地依據實際需求將各環節的系統聯結起來，所以說計算機控制系統具備開放性；計算機控制系統為實現對被控對象的實時控制，該系統內各個設備之間必須相互聯結，構成一個信息傳遞的交互系統，同時還需要便于操作，故而計算機控制系統具備交互性與可操作性；從智能化角度來看，計算機控制系統能夠實現工業自動化，能夠自主分析工業生產規律進行調整，多已具備智能化；從精確性的角度來說，計算機控制系統通常情況下具備較強的數值運算能力，這種較強的數值運算能力能夠使設備運行中的誤差盡可能地縮小，從而實現更好的控制，故而計算機控制系統具備較高的精確性。在工業自動化中應用計算機控制技術，也需要從這幾方面出發，以實現對被控對象的控制，使生產效率提升。

三、工業自動化控制中計算機控制技術的應用

計算機控制技術較多，包括模糊控制技術、神經網絡控制技術、預測控制技術、數字控制技術、計算機傳感器技術等，在科技發展下，各種計算機控制技術也獲得了極大的發展，但在工業自動化控制中所應用的主要為五種，分別是數字控制、可編程邏輯控制器、分布式控制系統、計算機傳感器以及自動化生產中的現場總線應用，這五種技術在工業自動化控制中發揮著重要的作用。

（一）數字控制

數字控制（Numerical Control）是借助符號、數字等來控制工業生產過程的一種方法，但是該種方法的應用需要借助專門的計算機設備，該計算機設備中已經確定好了程序，該程序能夠對數字控制的各種代碼進行處理并發出指令，從而使工業設備在該指令下機械地、精確化地完成任務。所以數字控制技術常與“數控機床”相連，數控技術通過數控機床得以實現。數控機床的組成主要有主機、計算機數控裝備、伺服驅動系統以及信息載體四部分，其構成圖如圖2所示：

由上圖可以看出，數控機床完全是構建在數控技術之上的，利用的是數控加工的原理。具體來說，該原理是利用數字化的代碼來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，再依據系統要求實現“小單位量”中的位移、切割等操作，最終完成對零件的加工，使生產效率加快。對數字控制的應用主要是構建數控設備，該數控設備內有一定的數學模型，能夠對所需要的零件圖樣的加工信息進行處理，從而發出相應的指令。同時該設備還應當具有足夠功率的驅動裝置，以快速接收相應的信息，從而對數據進行加工。另外，該設備還應當輔以刀具等輔助設備，來實現對產品的加工。故而數字控制技術在工業自動化中的應用主要是數控機床的構建。

（二）可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）也是一種計算機運算操作系統，是在數字技術的基礎上依據當前的工業環境研發出的一種系統，在可編程邏輯控制器內部存儲著執行邏輯運算、順序控制以及算術運算等操作指令，同時還具備定時功能，通過模擬式的輸入輸出來控制各種工業產品的生產過程。可編程邏輯控制器可以說是一臺微型的計算機，其硬件結構也與微型計算機類似，包括五個部分，分別是電源、中央處理單元、存儲器、輸入單元以及輸出單元。該系統在投入工業生產運行之后，也分為三個階段：（1）輸出采樣階段，該階段主要是通過掃描來讀取各種數據，并將這些數據存入I/O映象區中；（2）用戶程序執行階段，該階段主要是依據系統所設置的順序對所輸入的數據進行邏輯運算，最終依據設置確定相應的指令；（3）輸出刷新階段，在系統指令之后，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據進行輸出，最終實現其控制功能。

（三）分布式控制系統

分布式控制系統（Distributed Control System）是隨著科技的發展而產生的新一代控制系統，該系統的設計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調的原則，鑒于該系統的“多層分級”特點，所以該系統每一層下均有若干子系統，而每一個子系統又有不同的目標，所以分布式控制系統能夠確保工業產品生產的精確性。

當前在電力、石化以及冶金等部門，分布式控制系統應用極為廣泛，應用的范圍也逐漸擴大，其主要表現為四方面：（1）分布式控制系統的系統功能逐步向開放式發展，傳統的分布式控制系統結構較為封閉，所以不同的工業企業之間系統難以兼容，無法實現系統的繼承，在經過開發之后，分布式控制系統的開放性增強，同時能與PLC、FCS及各種控制設備和軟件資源實現集成；（2）儀表技術向網絡化、智能化發展，最終實現“全分散”“全數字”控制，使系統的維護以及使用都更為方便；（3）工控軟件控制性加強，日漸標準化、智能化；（4）系統架構向FCS方向發展。總而言之，分布式控制系統以其特有的優點應用日漸廣泛。

（四）計算機傳感器

計算機傳感器技術（Computer sensor technology）是獲取信息的一種重要手段，主要是將所測量的生物量、化學量以及物理量利用生物效應、化學效應、物理效應進行轉化，再依據轉化的結果傳達信息，最終實現對工業生產的控制。傳感技術是自動調節的重要環節，在傳感器的原理上制作出傳感器，利用敏感元件以及轉換元件實現對信息的實時傳播。

（五）自動化生產中的現場總線應用

現場總線（Field bus）是近年來隨著計算機控制技術在工業中的應用而迅速發展起來的一種技術，又被稱為“工業數據總線”，主要用來解決現場中的各種設備之間的信息傳遞問題，當前典型的10種技術為TS61158現場總線、ControlNet和Ethernet/IP現場總線、Profibus現場總線、P-NET現場總線、FF HSE現場總線、SwiftNet現場總線、World FIP現場總線、Interbus現場總線、FF H1現場總線以及PROFInet現場總線，這些技術從其本質上來看均為通信網絡，具備設備互聯的特點，同時操作性強、分散功能快，能夠使自動設備以及系統之間的信息交互與數據分析更具有保障性，能夠及時地發現各種設備可能存在的問題，同時還能使數據的更新與傳播加快，且其具有尋求統一的現場總線國際標準與Industrial Ethernet走向工業控制網絡的趨勢，故而在工業自動化生產中應用極為廣泛。

四、結語

通過本文的研究使相關人員了解到計算機控制應用的方向，以提升企業的生產效率，從而促進企業的發展。同時，拋磚引玉，希望有更多的學者參與其中進行探討，從而完善計算機控制技術，加強計算機控制在工業企業中的應用，以促進我國工業產業健康發展。

參考文獻：

[1]楊林.基于工業以太網的運動控制系統關鍵技術研究[D].山東大學，2017.

[2]楊麗.幾類網絡控制系統的建模與控制分析[D].燕山大學，2016.