计算机控制系统软硬件的应用与关键技术

2016年1月上计算机控制系统软硬件的应用与关键技术杨璐纯（渤海大学信息科学与技术学院，辽宁锦州121000）【摘要】新时代背景下，计算机几乎被应用到了社会活动的所有领域中，不论日常生活，还是办公生产都需要运用计算机。计算机控制系统在生产中的应用，大大提高了生产效率和生产质量，促进了企业发展。本文从计算机控制系统的软件与硬件入手，分析其各自的应用，并深入探讨计算机控制系统的关键技术的发展。【关键词】计算机；控制系统；软硬件；关键技术【中图分类号】TP273.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2016）01-0209-02引言计算机控制系统是实现生产自动化、智能化、高效化的核心技术，是高新技术融合的产物，已在生产中活动中得到了广泛应用。计算机控制系统是自动控制理论与计算机技术的完美结合。计算机控制系统由软件和硬件两大部分组成，任何一部分故障或缺失都将导致整个系统的瘫痪。目前比较常见计算机控制系统有：DDC系统、DCS系统、FCS系统、PCS系统等。研究计算机控制系统软硬件的应用与关键技术，对于促进计算机控制系统的应用于推广有着重要意义。1计算机控制系统计算机又名电脑，是一种用于高速计算的电子计算机器，可同时进行逻辑运算及数值计算，具备一定储存记忆功能，可根据程序自动、高速的进行大量信息处理工作，是现代化智能电子设备，由软件系统和硬件系统组成。世界上第一台计算机发明于1946年，是由约翰·冯·诺依曼在宾夕法尼亚大学发明的“电子数字积分计算机”。这台最原始的计算机造价487000美元，由17840支电子管组成，重达28t，用来计算弹道。而现代计算机正在朝着集成化、智能化、自动化、微型化方向发展。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制对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统，从而实现工业过程自动化控制[1]。计算机控制系统应用的计算机为数字计算机，按照规模可分为：通用、微型、大型三类。计算机控制系统可应用于：生产过程控制、交通工具控制、机械设备控制等领域。通常情况下，由于计算机控制系统中控制机的输出和输入信号为数字信号，而采集到的信号和发送的执行信号为模拟信号。所以需要通过测量元件、变送单元、数模转换器来实现信号的转换与传输，根据要求运算，将信号传送到执行机构，从而对被控制对象下达指令，进行控制。最早的计算机控制系统出现于20世纪60年代，为数字信号控制方式，主要应用于过程控制。随着科学技术的发展，集中式计算机控制系统开始出现，这种计算机控制系统以现代化的微型处理器为核心，在运行中能够进行分层式控制，这种控制模式下能够实现过程控制的：控制管理、集中操作、集中监视。生产、科研等多个领域都对计算机控制系统进行了应用，20世纪70年代，计算机控制系统得到了空前发展，逐渐走向智能化、网络化、集成化。计算机控制系统的发展和进步及其在工业领域的应用，给工业生产带来了巨大影响，有效降低了生产成本，提高了企业利润，提升了生产效率。2计算机控制系统软件计算机控制系统由被控制对象和控制部分组成，其中控制部分包括：软件部分和硬件部分。软件部分包含：操作系统、语言处理程序和服务性程序，是能够完成各种功能计算机程序的总和，可分为：应用软件与系统软件两大部分。应用软件通常需要建立在系统软件的基础上才能运行和启动，是为了实现特定控制目的而编制出来的专用控制程序，具有一定针对性和特殊性，如报警处理程序、控制决策程序、数据采集程序、输出处理程序、编码转换程序等等。这类程序在编制过程中通常与控制策略及被控制对象的自身特点有直接关系。目前市面上常见的基于PC总线开发的专用工控组态软件和开发软件有：DELPHI、VB、MC++、C++、BORLAND等，这些软件为WINDOWS平台，提供了I/O驱动程序，OBJ文件，DLL服务，OCX控件，不仅开发界面友好，且操作简单，均为可视化界面，开发效率高，可用于各类应用程序开发。例如，DELPHI和VB就特别适合应用在有特殊控制要求，且控制点少，管理规模及数据量大的程序开发中。与PC总线相比PLC控制系统的应用软件性价比较高，也是十分适合大规模应用，并且控制性能较强。由于PLC不同于一般系统结构，因此构成PLC控制系统的应用软件通常由：下位机软件与上位机软件组成。下位机软件通常情况下与PLC硬件相互对应，LSS和LM90就是典型的下位机软件。下位机软件具有开关量的逻辑控制功能，其功能大同小异，运算能力通常要取决于CPC性能[2]。对于具有特殊控制要求的下位机软件，通常使用SFC和FBD。上位机软件与下位机软件相比，类型更多、更复杂，典型的上位机软件是INTELLUTION和INTOUCH、FIX等。以FIX为例，目前FIX支持五百多种不同驱动程序和组态软件，按OPC标准开发的程序均可在工控组态软件上运行。此外，DCS系统组态软件也有着十分强大的性能，且各个方面的功能也已经十分成熟，最适合组态编程方式，并且这些程序通用性和移植性较好，可在不同组态编程环境下直接引用，因此开发效率较高，使用非常方便，开发成本低。不同控制系统的软件性能、功能都存在差异。因此，在软件选择时，要正确结合控制特点和实际控制要求，科学选择。3计算机控制系统硬件计算机控制系统硬件是整个计算机控制系统的核心及软件运行基础，软件系统功能的实现，性能的发挥需要得到硬件系统的支持。计算机控制系统硬件指计算机本身及外围设备，包括：计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。常见的计算机控制系统硬件系统有：可编程控制系统、现场总线控制系统、分散控制系统、直接数字控制系统、单回路控制系统、多回路控制系统等。直接数字控制系统的核心是微机，论述2092016年1月上该系统是利用一定数量的外围设备来实现数据处理与显示，进行控制。通过软件组态，可实现各种不同控制算法。直接数字控制的控制功能丰富，控制灵活性强，不需要增加控制仪表和现场连线，仅需改变控制软件组态，就可进行更高级及更复杂的控制，且具有强大的数据处理与显示功能，根据控制规律便可进行运算，作用于被控制对象。但直接数字控制系统所有控制功能都集中在一台计算机上，集中度较高，这是一种致命缺陷，一旦发生故障，将直接影响整个控制系统的运行，导致无法正常进行控制，甚至会导致数据及信息丢失，造成系统混乱，后果十分严重。分散控制系统虽然也是以微处理器为基础，但采用控制功能分散、显示操作集中设计原则，稳定性和可靠性更高。分散控制系统目前主要应用在：石化、电力、冶金等领域。分散控制系统实现了信号运算、输入、输出、变换过程控制分级、分层，主要配置了I/O插件、主机插件、通信插件、电源插件、操作接口、显示设备、打印输出设备、输入设备、存储设备等硬件设备。最早的分散控制系统开发于1975年，其开发目的是为了分散管理风险，保障系统稳定性和可靠性，提高生产效率，现如今已经成为工业自动化主流系统。目前国际上流行的分散控制系统有：N-90、TDC-300、TEWMAC500、MAX1、P-400-ICS、TOSDIC等。分散控制系统操作集中、显示集中，所以操作方面简单，效率高，功能分散所以安全可靠，且具有较强兼容性。此外，可编程控制系统应用也十分广泛，主要应用工业领域，采用可编程存储器，利用逻辑运算来实现控制，能够控制各种类型的机械设备和生产过程，功能性和可靠性都比较高，可大规模应用。可编程控制系统现场输入接口电路由：微机接口与光耦合电路组成；输出电路由：中断请求电路、选通电路、寄存器组成；开关量按隔离方式可分为：晶体管隔离和继电器隔离两大类。模拟量模块包括：电压型、电流型、脉冲型、热电阻等几大类。基本单元可分为：集成式与模块式、分布式、扩展式。主体结构包括：中央处理单元、存储器、I/O模块、电源及通信接口。可编程控制系统抗干扰能力强、功能完善、易学易用、适用性强、容易改造，且体积小、能耗低、性价比高。4计算机控制系统软硬件关键技术的发展方向通过前文分析可以知道，计算机控制系统由控制部分与被控制对象组成，控制目的是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求。计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和逻辑判断功能等特点，广泛应用于企业管理和工业生产中，被控制对象包括：各行各业的生产过程、实验装置、家用电器、仪器仪表、交通工具、机械装置等等，可实现高级、复杂、精密的控制效果。先来看计算机控制系统的硬件关键技术发展。近些年随着计算机、网络、信息技术、通信技术的发展和进步，硬件技术水平得到了明显提高，PLC和DCS相互渗透融合成为主流趋势，很显然PLC正在吸取DCS的优势，取长补短，例如DCS的CRT显示功能、网络功能等，而DCS也吸取了PLC的程序控制功能、模块编辑功能、联锁控制功能等，二者间界线越来越模糊，性能差距越来越小。功能的丰富使PLC正在逐步向现场总线控制系统FCS转移。从当前计算机控制系统硬件关键技术发展来看，控制类型呈现多元化，控制设备呈现一体化，系统组合更灵活，且规模可变，风险分散，成本更低。如，DCS作为新型控制模式，其强大的性能以及CRT显示手段，很快就随着单回路可编程控制回路的普及得到了广泛应用，这种控制模式控制功能与数据采集均由单回路可编程控制器来实现，目前已经成为工业控制的通用模式。再来看当前计算机控制系统关键技术，主要发展方向是：网络技术和多媒体集成化、控制与管理集成化、软件技术相互融合化、智能化、开放化。不论是智能程度，还是自动化程度都将越来越高，除了提供基本的比值、串级、前馈、PID控制算法外，还提供了多变量逻辑控制、数据整定控制、自适反馈控制、前馈整定控制、批量生产管理控制、智能模糊控制、统计过程控制等功能。软件编程技术开放性和标准化发展趋势越来越明显，能为各种应用软件提供技术支持。网络化也是当前计算机控制系统关键技术主要发展方向。在INTEMET背景下，数据传输更快，能够实现数据的共享和高速通讯，大大提高了数据利用率。因此，目前许多应用软件都在融入网络技术。例如，FIX就融入了网络技术，FIX在互联网环境下可直接监控生产控制过程，且FIX已支持动画显示和语音功能，所以应用起来效率更高，控制过程和操作响应速度更快。计算机控制系统的应用优势十分明显，在不久的将来必然成为主流工业过程控制技术。5结束语计算机已成为生活、办公中、生产中不可缺乏的重要工具，计算机几乎融入到了现代社会各个领域。计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论的完美融合，实现了机械控制，生产过程控制，大大提高了工业化生产效率和生产质量。计算机控制系统由控制部分与被控制部分组成，其中控制部分由：硬件与软件组成。想要实现控制目的和控制功能，离不开软件与硬件的协调和应用，其关键技术值得研究。参考文献[1]张志燕.基于运动控制器的开放式数控系统关键技术研究与应用[D].华中科技大学，2014，03：52~53+59.[2]陈光武.轨道交通安全计算机系统及安全控制机制关键技术研究[D].兰州交通大学，2015，03：196.[3]李明浩.计算机软件可专利性之辩证思考[J].中国发明与专利，2014（01）：73~76.[4]谢小雨.计算机软件可专利性之辩证思考[J].电子世界，2014（08）：52.[5]林涛涛.计算机软件版权与专利交叉保护立法探析[J].武汉理工大学学报（社会科学版），2014（05）：728~731.[6]马赫男.计算机软件开发的基础架构原理分析[J].武汉冶金管理干部学院学报，2014（6）：70~72.[7]杨玉明.计算机软件开发的基础架构原理分析[J].科学论坛，2013（4）：22~23.[8]施庆虎.基于计算机软件的应用体系架构分析[J].电子制作，2014（9）：97~98.收稿日期：2015-12-29论述210