工业自动化控制中计算机控制技术的应用路径研究

赵晶晶

[摘 要] 对工业自动化控制中计算机控制技术的应用路径进行探究。首先概述了工业自动化技术及计算机控制技术；其次分析了计算机控制系统的工作原理及应用特点；最后指出了工业自动化控制中计算机控制技术的应用路径，包括数字控制、可编程逻辑控制器、分布式控制系统、计算机传感器以及自动化生产中的现场总线应用。

[关 键 词] 工业自动化控制；计算机控制技术；应用路径

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）12-0202-02

一、工业自动化技术及计算机控制技术概述

（一）工业自动化技术概述

当前工业自动化技术正在向集成化、智能化以及网络化方向发展，具体表现在以下几方面：（1）主流为低成本工业控制自动化，该种工业控制自动化以化工业PC为基础；（2）PLC（可编程逻辑控制器）在向微型化与PC化方向发展；（3）DCS系统技术提升，应用渐广；（4）控制系统正在向FCS（现场总线）方向发展；（5）数控技术正在向智能化、信息化方向发展；（6）工业控制软件向先进控制方向发展。当前APC（Advanced Process Control，先进过程控制）尚没有明确的定义，但是多数学者将用计算机实现控制的算法均称为先进过程控制，且有较多的研发，为我国国民经济的发展起到了重要的作用。

（二）计算机控制技术概述

计算机控制技术的组成要素较多，主要的四个要素为控制对象、测量仪器、执行器以及数字调节器，其中控制对象是各项实体设备，如控制设备、控制仪器等；仪器测量是转换企业各生产参数，利用各种仪器将参数转换成信号，为后续的控制提供基础；执行器即调节器，通过调整实现对工业生产更好的控制；数字调节器是计算机控制技术的核心要素，通过对各种测量信号进行调节，探寻出规律，从而自动完成对工业生产的闭环控制。当前计算机控制技术主要是通过计算机控制系统实现对工业生产的控制，使工业生产实现自动化。

二、计算机控制系统的工作原理及应用特点

（一）计算机控制系统的工作原理

计算机控制技术主要通过计算机控制系统来实现对工业生产的控制，故而探析计算机控制系统的工作原理极为必要。计算机控制系统主要包括三个部分，分别为硬件系统、软件控制算法以及上位机操控软件，这三部分相互配合最终实现對被控制对象的控制，使被控制对象能够执行各项命令，以实现自动化。其中硬件系统的结构如图1所示：

由上可以看出，计算机控制系统中硬件系统主要是为了辅助软件系统，通过信息采集与交互为软件系统提供数据，从而实现对被控对象的控制。理论如此，但在工业自动化的实际控制中，一般采用的是实时控制的方式，通过实时控制使生产过程更为可靠。其工作的原理为三大步骤，分别为数据采集、实施决策以及完成控制任务。为实现实时控制，在数据采集阶段必须对被控目标的瞬时值进行采集，采集之后立刻通过交互将数据输入计算机之中，以保障数据的及时交互，为之后计算机软件的数据分析提供基础；实施决策是计算机控制系统中的软件依据相应的规则来对所提供的数据进行分析，同时依据具体的情况制订下一步的控制计划；控制任务的完成主要是由控制硬件系统来完成的，通过执行软件的决策，使各任务得到落实，最终实现工业自动化。

（二）计算机控制系统的应用特点

计算机控制系统的应用特点分别是开放性特点、交互性与可操行特点、智能化特点以及精确性特点。具体来说，因为计算机控制技术所依托的是计算机，是大数据，故而其具有公开性，而且从其作用上来看，计算机控制系统为保障各设备正常运转，必须能够与各种设备相连，能够灵活地依据实际需求将各环节的系统联结起来，所以说计算机控制系统具备开放性；计算机控制系统为实现对被控对象的实时控制，该系统内各个设备之间必须相互联结，构成一个信息传递的交互系统，同时还需要便于操作，故而计算机控制系统具备交互性与可操作性；从智能化角度来看，计算机控制系统能够实现工业自动化，能够自主分析工业生产规律进行调整，多已具备智能化；从精确性的角度来说，计算机控制系统通常情况下具备较强的数值运算能力，这种较强的数值运算能力能够使设备运行中的误差尽可能地缩小，从而实现更好的控制，故而计算机控制系统具备较高的精确性。在工业自动化中应用计算机控制技术，也需要从这几方面出发，以实现对被控对象的控制，使生产效率提升。

三、工业自动化控制中计算机控制技术的应用

计算机控制技术较多，包括模糊控制技术、神经网络控制技术、预测控制技术、数字控制技术、计算机传感器技术等，在科技发展下，各种计算机控制技术也获得了极大的发展，但在工业自动化控制中所应用的主要为五种，分别是数字控制、可编程逻辑控制器、分布式控制系统、计算机传感器以及自动化生产中的现场总线应用，这五种技术在工业自动化控制中发挥着重要的作用。

（一）数字控制

数字控制（Numerical Control）是借助符号、数字等来控制工业生产过程的一种方法，但是该种方法的应用需要借助专门的计算机设备，该计算机设备中已经确定好了程序，该程序能够对数字控制的各种代码进行处理并发出指令，从而使工业设备在该指令下机械地、精确化地完成任务。所以数字控制技术常与“数控机床”相连，数控技术通过数控机床得以实现。数控机床的组成主要有主机、计算机数控装备、伺服驱动系统以及信息载体四部分，其构成图如图2所示：

由上图可以看出，数控机床完全是构建在数控技术之上的，利用的是数控加工的原理。具体来说，该原理是利用数字化的代码来表示各种操作的步骤或者是工件的形状等，如主轴变速、工件夹紧、冷却液供给以及道具选择等，将这些均用不同的代码表示，再依据系统要求实现“小单位量”中的位移、切割等操作，最终完成对零件的加工，使生产效率加快。对数字控制的应用主要是构建数控设备，该数控设备内有一定的数学模型，能够对所需要的零件图样的加工信息进行处理，从而发出相应的指令。同时该设备还应当具有足够功率的驱动装置，以快速接收相应的信息，从而对数据进行加工。另外，该设备还应当辅以刀具等辅助设备，来实现对产品的加工。故而数字控制技术在工业自动化中的应用主要是数控机床的构建。

（二）可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）也是一种计算机运算操作系统，是在数字技术的基础上依据当前的工业环境研发出的一种系统，在可编程逻辑控制器内部存储着执行逻辑运算、顺序控制以及算术运算等操作指令，同时还具备定时功能，通过模拟式的输入输出来控制各种工业产品的生产过程。可编程逻辑控制器可以说是一台微型的计算机，其硬件结构也与微型计算机类似，包括五个部分，分别是电源、中央处理单元、存储器、输入单元以及输出单元。该系统在投入工业生产运行之后，也分为三个阶段：（1）输出采样阶段，该阶段主要是通过扫描来读取各种数据，并将这些数据存入I/O映象区中；（2）用户程序执行阶段，该阶段主要是依据系统所设置的顺序对所输入的数据进行逻辑运算，最终依据设置确定相应的指令；（3）输出刷新阶段，在系统指令之后，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据进行输出，最终实现其控制功能。

（三）分布式控制系统

分布式控制系统（Distributed Control System）是随着科技的发展而产生的新一代控制系统，该系统的设计原则是控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治与综合协调的原则，鉴于该系统的“多层分级”特点，所以该系统每一层下均有若干子系统，而每一个子系统又有不同的目标，所以分布式控制系统能够确保工业产品生产的精确性。

当前在电力、石化以及冶金等部门，分布式控制系统应用极为广泛，应用的范围也逐渐扩大，其主要表现为四方面：（1）分布式控制系统的系统功能逐步向开放式發展，传统的分布式控制系统结构较为封闭，所以不同的工业企业之间系统难以兼容，无法实现系统的继承，在经过开发之后，分布式控制系统的开放性增强，同时能与PLC、FCS及各种控制设备和软件资源实现集成；（2）仪表技术向网络化、智能化发展，最终实现“全分散”“全数字”控制，使系统的维护以及使用都更为方便；（3）工控软件控制性加强，日渐标准化、智能化；（4）系统架构向FCS方向发展。总而言之，分布式控制系统以其特有的优点应用日渐广泛。

（四）计算机传感器

计算机传感器技术（Computer sensor technology）是获取信息的一种重要手段，主要是将所测量的生物量、化学量以及物理量利用生物效应、化学效应、物理效应进行转化，再依据转化的结果传达信息，最终实现对工业生产的控制。传感技术是自动调节的重要环节，在传感器的原理上制作出传感器，利用敏感元件以及转换元件实现对信息的实时传播。

（五）自动化生产中的现场总线应用

现场总线（Field bus）是近年来随着计算机控制技术在工业中的应用而迅速发展起来的一种技术，又被称为“工业数据总线”，主要用来解决现场中的各种设备之间的信息传递问题，当前典型的10种技术为TS61158现场总线、ControlNet和Ethernet/IP现场总线、Profibus现场总线、P-NET现场总线、FF HSE现场总线、SwiftNet现场总线、World FIP现场总线、Interbus现场总线、FF H1现场总线以及PROFInet现场总线，这些技术从其本质上来看均为通信网络，具备设备互联的特点，同时操作性强、分散功能快，能够使自动设备以及系统之间的信息交互与数据分析更具有保障性，能够及时地发现各种设备可能存在的问题，同时还能使数据的更新与传播加快，且其具有寻求统一的现场总线国际标准与Industrial Ethernet走向工业控制网络的趋势，故而在工业自动化生产中应用极为广泛。

四、结语

通过本文的研究使相关人员了解到计算机控制应用的方向，以提升企业的生产效率，从而促进企业的发展。同时，抛砖引玉，希望有更多的学者参与其中进行探讨，从而完善计算机控制技术，加强计算机控制在工业企业中的应用，以促进我国工业产业健康发展。

参考文献：

[1]杨林.基于工业以太网的运动控制系统关键技术研究[D].山东大学，2017.

[2]杨丽.几类网络控制系统的建模与控制分析[D].燕山大学，2016.