工业控制计算机

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[外文]：processcomputer用于实现工业生产过程控制和管理的计算机，又称过程计算机。它是自动化技术工具中最重要的设备。在工业控制方面，计算机最早用在模拟控制系统中起监控作用。它对过程变量进行周期扫描，向操作人员显示全过程的信息，并通过计算为模拟量调节器设置给定值。1962年英国首先采用计算机实现化工厂的直接数字控制。此后计算机控制在工业领域得到越来越广的应用（见数字控制系统）。大规模集成电路的迅速发展，使以微型计算机为基础的分散控制系统得到迅速发展和推广。功能与特点工业控制计算机分为大、中、小和微型4类。它们被用于工业控制对象的实时控制和工厂、企业的信息管理，能完成如下6项功能。（1）巡回检测和数据处理：对数以百计的过程物理参数周期性地或随机地进行测量显示、打印记录，对于间接指标或参数可进行计算处理。（2）顺序控制和数值控制：对复杂的生产过程可按一定顺序进行启、停、开、关等操作，或对工件加工的尺寸进行精密数值控制。（3）操作指导：对生产过程进行测量，根据测量结果与预期目的作出比较判断，决定下一步应该怎样改变生产进程，将这种决定打印或显示出来供操作人员执行或参考。（4）直接数字控制：对生产过程直接进行反馈或前馈控制，代替常规的自动调节器或控制装置，采用分时的形式，一台工业控制计算机可以同时控制众多的生产环节。（5）监督控制：对生产过程不进行直接控制，只监督生产过程的进行，根据生产过程的状态、环境、原料等因素，按照过程的数字模型（或控制算法）计算出最优状况或当时应采取的控制措施，把这种措施交给在现场起直接控制作用的计算机或常规控制仪表执行（整定其给定值）。（6）工厂管理或调度：对车间或全厂的自动生产线或生产过程进行调度管理。工业控制计算机与一般通用计算机相比，具有如下4项特点。（1）实时响应性：工业控制计算机的控制对象都是实时变化的，为了及时对付被控对象随时发生的变化，计算机在某一限定的时间内必须完成规定处理的动作，通常要求工业控制计算机具有硬实时（严格的实时处理）性。（2）配备完善的过程接口子系统：工业控制计算机为完成对生产过程的检测和控制，必须配有完善的过程接口子系统（即过程输入输出设备）。（3）比较完善的实时控制软件：包括实时操作系统和实时控制软件包，借以完成严格的实时处理功能。（4）极高的可靠性：避免因计算机故障而引起质量事故或生产事故。图1是工业控制计算机用于燃烧炉监控的一个实例。燃油与空气配比之后在燃烧炉进行充分燃烧，对原料进行加热。原料通过反应器之后即变成要求的产品。各种原始数据（空气流量、燃油流量、被加热原料流量、炉温、分析结果）连续输入计算机。计算机根据预定的数学模型（或控制算式）计算出应有的给定值输出，最后调节两个阀门的开度，以保证产品的质量。系统结构工业控制计算机系统主要由主机、过程接口和人机接口等部分组成（图2）。（1）主机：通常采用16位字长的计算机。但是，随着处理信息量的增加和实现最优控制，也采用32位字长的计算机。它具有实时应答性能，例如平均指令执行时间为1～2微秒，一般的应答时间在1毫秒以下。主存储器容量通常为256千字节～1兆字节。（2）过程接口：又称过程输入输出设备，是由许多与工业对象相互作用的装置组成。它一方面把工业对象的生产过程参数变换成计算机能够接受和识别的代码，以便计算机处理；另一方面，又把计算机发出的控制指令，变成操作执行器的控制信号。经过过程接口的信号有模拟量输入、数字量输入、模拟量输出和数字量输出等。模拟量输入信号一般来自温差电偶、热电阻和压力传感器等；而数字量输入则为开关接点或脉冲信号。模拟量输出用于控制电磁阀或伺服电动机的电压（电流）信号；数字量输出则多用于控制继电器触点。（3）人机接口：用于手动控制和监视工厂状态的操作开关以及工作状态显示装置统称为人机接口或操作员接口。人机接口装置通常制成操作台形式，由键盘打字机、阴极射线管显示装置和指示灯显示装置等组成。工业控制计算机系统结构分为三种类型。集中型计算机直接控制系统在工业控制计算机系统发展的初期，多采用一台较大型的计算机对生产过程集中进行监视和控制。在这种控制系统中，通常采用双机工作方式或用一台计算机作后备或设置模拟量调节器作为关键控制回路的备份,以提高系统工作的可靠性(见直接数字控制系统)。分散型计算机控制系统在集中型计算机直接控制系统中，一台计算机往往要控制几十个甚至几百个回路，一旦计算机出现故障，就会对生产带来很大影响，这就是所谓的危险集中。提高系统安全性和可靠性的方法是将控制权分散，即将基本控制功能由以微型机为基础的控制器来实现。随着大规模集成电路的出现，微型计算机技术和计算机网络通信技术迅速发展，有可能用微型计算机实现分散控制，并用上位计算机对生产过程进行集中控制、监视和管理，从而构成分散型计算机控制系统（图3）。分散控制系统用微型计算机在生产现场控制几个或十几个回路。有若干台微处理机就可以控制整个生产过程，从而使“危险分散”。在分散控制的基础上，把大量信息通过数据通信电缆送到阴极射线管(CRT)显示操作站和上位计算机，以实现集中监视和管理（见分散控制系统）。多级计算机控制系统分散型控制系统的大型化就构成多级计算机控制系统。多级计算机系统一般分为直接控制级、监控级和生产管理级（图4）。直接控制级直接控制生产过程，进行比例积分微分(PID)、顺序、比值串级、前馈、延迟补偿等各种控制运算，还具有数据收集、监视报警等功能。监控级主要实现最优控制和适应控制，指挥直接控制级工作，调整常规调节器的给定值或向操作人员发出操作指示等。在某些场合下，监控级还能兼做直接控制级的一些工作。生产管理级主要进行生产的计划和调度，指挥监控级工作。这一级依企业规模和管理范围又可划分为总厂管理级、分厂管理级和车间管理级。模块化和标准化分散控制系统的特点是功能分散化。它的必然发展趋势是功能的模块化和标准化。80年代以来开始把分散控制系统的数据获取(过程接口)、直接数字控制、监督控制和操作员控制台等功能部分做成模块，再连接起来构成整个系统。每个模块都采用微型计算机,对模块的功能和计算机程序实行标准化设计,这类似于模拟仪表的功能化和标准化设计。模块之间采用数字通信系统(计算机网络)连接起来。组成通信系统的通信线路具有高速和公用的特点，因此被形象地称为数据公路。通信系统使分散控制系统在工厂按地区安装模块的成本大为降低。通过对通信系统的研究设计，可以改变各模块间的连接方式，增强功能的独立性，当其他级的功能块发生故障时不致影响本块的工作。这种积木块式的结构能简化控制系统的设计，使组装新系统的时间减少到最低限度，还可对关键功能设置备用模块，或在某模块发生故障时临时把任务转派给其他模块，从而降低备用成本，提高系统运行的可靠性。工业控制计算机的功能分散化、模块化和标准化设计的效果是：降低成本；提高可靠性、安全性；使用灵活和便于重新设计、组装和维修。