工控机在智能系统中的应用研究

摘 要：智能控制器是针对机电一体化系统的智能控制器件，利用工控机可使智能系统更好地适应工业现场的使用要求，提高智能系统的稳定性。作者设计了工控机在智能系统中的应用模式，探讨了工控机在智能系统中可行性新技术。关键词：工控机，智能系统，嵌入式1 引言 控制器是向系统部件提供协同运行所需要的控制信号。20世纪90年代以来，计算机技术、通讯技术、控制技术的发展促使控制系统向数字式、分布式、开放可互操作和面向开放式互连网络的现场总线控制系统发展。新型工业控制系统及产品的应用系统具有的一些控制要求和特点，如实时控制、分布控制、事件驱动控制、智能系统控制，不仅提高了系统的控制功能，同时也对其系统功能的实现提出了新形式和高要求。在此所讲的控制器主要是针对机电一体化系统的控制器件，例如：采用工业控制计算机、单片机、可编程序控制器等，在计算机辅助设计与制造、数控机床、工业机器人、自动生产线等领域进行了广泛的应用。 为了使微机控制系统能够很好地适应工业现场的使用要求，计算机公司专门研制了工业控制计算机，简称工控机，工控机采用标准总线和模板结构，具有许多显著的优点，因而得到了越来越广泛的应用。目前国内使用最多的工控机是STD总线工控机和PC总线工控机。2 工控机的功能模块 工控机的功能模板可分为系统模板、I/O接口类模板和通信类模板三大类。 对于STD总线工控机来说，系统模板包括CPU模板、存储器模板、人机接口和系统支持模板。对于PC总线工控机来说，系统模板就是一体化CPU板。I/O接口类模板包括开关量I/O模板、A/D转换模板、D/A转换模板、信号调理板、继电器输出板等。通信类模板包括如RS-232C接口板、USB接口板、GPIB接口板、工业局部网络接口板等。工控机的模板式结构，使用户能够根据实际需要方便地选择配置。例如：嵌入式主机板、Intel Pentium处理器、DDR内存、支持2个LAN网卡、支持LCD 和VGA显示、支持Audio、2个USB接口等配置。选用时可查阅相关计算机公司的产品目录。在进行系统分析的基础上确定选用哪些模板来组成应用系统。主要表现在输入输出接口及相关的控制设备，配上系统软件和设计的应用软件后，系统就能实现相关的检测和控制，并具有图形显示和打印功能。3 工控机应用系统3.1 检测、数据处理系统和顺序控制系统 检测、数据处理系统应用工控机对生产过程的各种参数进行检测，将检测结果存储、显示或打印，绘制成表格或曲线；并能根据需要对检测的数据进行处理；当测量值超过规定值或发生其它故障时，能发出声光报警。系统结构图如图1所示。 顺序控制系统是在工控机控制下，使生产设备按照预先确定的某种顺序有规律地进行工作。图1 工控机检测、数据处理系统结构3.2 直接数字控制系统 直接数字控制系统即DDC系统，是利用工控机作为数字调节装置，直接对生产过程进行控制。系统结构图如图2所示。图2 工控机DDC系统结构3.3 监督控制系统 监督控制系统即SCC系统，是根据生产现场的有关参数和状态信息，按照被控装置的数学模型和控制算法算出最佳工艺给定值，送DDC工控机作为控制依据。由DDC工控机实现PDI或前馈控制，直接指挥生产。也可不要DDC，其功能由SCC兼管。系统结构图如图3所示。图3 工控机SCC系统结构3.4 分存式控制系统 在生产规模大、生产过程复杂的情况平，控制系统可由多级组成，具有不同的结构形式，亦称集散控制系统。系统结构图如图4所示。图4 工控机分布式控制系统结构4 工控机新技术 （1）现场总线和现场总线控制系统FCS 自动化技术正经历重大变革，我们的工作实质上是围绕这种变革进行的。由于现场总线技术的发展，新一代的现场总线控制系统FCS正走向实用化，这是自动化技术革新的一个重要热点，它将给自动化技术带来一次深刻的革命。FCS的关键要点是：FCS的基础是数字化智能化现场装置；FCS的核心是现场总线协议，即总线标准；FCS的本质是信息处理的现场化和网络化。 （2）PC-based工业控制计算机 PC-based（包括嵌入式PC）控制系统亦称IPC，正以20%以上的速率增长，远远超出了FCS。这主要在于PC机的开放性，它具有丰富的硬件资源、软件资源和人力资源，既得利于广大工程技术人员的支持，也为广大群众所熟悉。各大FCS制造商已接受了IPC的技术路线，提供丰富的开放的硬件和软件平台，价格低廉，易于与其它信息技术集成，其应用范围将迅速扩大到全部自动化领域。 （3）管控一体化系统集成 管控一体化系统集成系统与软件，随着Internet技术深入到企业管理和控制之中，控制系统与管理系统的结合成为必然，这使得工业自动化界渴望已久的管控一体化、工业企业信息化、基于网络的自动化的目标成为可能。通过以太网和Web技术实现开放型分布智能系统，基于以太网和TCP/IP协议的技术标准，提供模块化、分布式、可重用的自动化方案。主要发展基于网络的工程化工业控制与管理软件。这样管控一体化可以使企业选择到真正符合新经济时代的最佳解决方案，从而提高企业的生产效率，增强市场竞争能力。 （4）工业以太网 工业以太网不仅指只有物理层和链路层的Ethernet，而是指基于internet技术革新的以太网，即ETHERNET+TCP/UDP/IP+应用层，这里 UDP比TCP协议更能满足实时性的要求。工业以太网的关键技术实时性、总线供电、远距离传输等到方面取得了很大进展。基于高速以太网技术的现场总线控制设备，其研究目标是：研究应用于工业控制现场的高速以术网关键技术，包括以太网通信实时性、总线供电、本质安全、可互操作性、远距离传输、抗干扰性和可靠性等。并研究开发基于以太网技术的现场设备、网络化控制系统和相应的系统软件。以太网技术是未来控制网络的最佳解决方案，以太网一直延伸到企业现场设备控制层是控制网络发展的必然趋势。 （5）新一代工业计算机总线CompactPCI 前面所述IPC工控机是在PC机的基础上，在机箱、结构等方面适当保留了PCI-ISA总线的有源底板，开发和扩充了系列工业I/O模板来构成。1993年以来，由于PCI总线的高性能、低成本、通用操作系统等到方面的优势，得到迅速的普及和发展，但是这种PCI-ISA底板总线的工业控制计算机也有不足，还难以用于有苛刻要求和高性能的场合。为此，主要由原来STD总线工控机的厂商，如Ziatech、Pro-Log以及Intel等，在PICMG（PCI工业计算机制造商协会）支持下，制定PCI-ISA总线的无源底板标准和处理器板标准，即CompactPCI。其出发点在于改造PCI标准，使其成为无源底板总线的结构。 CompactPCI是一种新的开放式工业计算机标准，采用CompactPCI.既能吸收PC机最新的技术成果，又具有满足通信和工业实时应用所必需的更坚固、更可靠、模块化、易使用、易维护的优点。其最具有吸引力的特点是热拔插（hotswap）。这意味着一个模板能够在不切断电源的情况下从机箱内拔出或插入，依靠先进的软件，系统能够自动调整配置。CompactPCI的热插拔实现是在结构上采用三种不同长度的引脚插针，使得模板插入或拔出时，电源和接地、PCI总线信号、插拔启动信号按序进行；采用总线隔离装置和电源的软启动；在操作系统中要具有即插即用的功能。 （6）嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等到要求的专用计算机系统。嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统，固化的应用软件。硬件除CPU外，还有外围电路的支持。通用和嵌入式CPU、微控制器、DSP等已构成嵌入式系统硬件的基础。嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。嵌入式系统已发展到以Internet为导向的嵌入式系统，正在迅速发展。目前在多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及与信息家电、工业控制技术结合日益密切，两者的结合将代表嵌入式系统的未来。我国在嵌入式CPU方面最近取得了很大进展，“龙芯”和方舟CPU的研制成功是一件很有意义的大事。嵌入式系统，由于需求千变万化，没有统一的架构，可以不受控制，软硬件需要各种各样的组合，技术密集，市场容量大，可有无限制的创新空间。5 结束语 通过集成制造技术、计算机技术与以及人工智能等技术，发展一种新型的制造技术与智能控制系统，以标准的工控机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，更有利于国际间信息交换使世界先进制造技术共享。参考文献：[1] 钱平.伺服系统[M].北京：机械工业出版社，2005.[2] 王道宏.数控编程技术[M].北京：人民邮电出版社，2005.[3] 杨世兴，黄向慧，黄梦涛，汪梅.现代电气自动控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.[4] 顾小洪，吴秋峰.无线网络在工业企业中应用的一些探讨[J]. 工业控制计算机，2006，（11）：1-2.