计算机控制技术的发展趋势

计算机控制技术的网络化、扁平化、智能化和综合化
引言
计算机控制技术系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物，利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和控制对象两大部分组成。

随着计算机技术和现代控制理论的快速发展，计算机控制技术诞生并迅速蓬勃发展起来，其应用遍及国防、航空航天、工业、农业、医学等多种领域。

网络化
现在，计算机技术和网络技术正在以迅猛的速度发展着，与此同时，各种层次的计算机网络在控制系统中的应用也越来越广泛，规模越来越大，控制系统的网络化时代渐渐到来。

除了集散控制系统外，现场总线控制系统也是计算机控制技术网络化下诞生的一个新的系统。

现场总线是顺应智能现场仪表而发展起来的一种开放型的数字通信技术，其发展的初衷是用数字通信代替一对一的I/O连接方式，把数字通信网络延伸到工业过程现场。

根据IEC和美国仪表协会ISA的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。

随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布计算机控制系统，即现场总线控制系统(简称FCS)。

传统的DCS系统由各种工作站通过局域网络连接而成，操作站和信息管理站完成系统的组态、监控和运行管理，现场测控站则完成生产过程信息的采集和控制。

DCS的主要问题是开放性差，分散不够，需要用大量的电缆传递信号。

FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于开放、通用标准化的解决方案，把集散系统结构变成了新型全分布式结构，把DCS控制站中基本且可独立的功能块彻底下放到现场智能仪表中去，从而构成虚拟控制站，更好地体现了DCS思想的精华。

简而言之，现场总线将把控制系统最基础的现场设备变成网络节点连接起来，实现自下而上的全数字化通信，可以认为是通信总线在现场设备中的延伸，把企业信息沟通的覆盖范围延伸到了工业现场。

现场总线作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Internet的结合成为可能。

企业内部网络系统(Intranet-Interconnect Networks)就是二者结合的产物。

Intranet作为Internet技术在企业内部的应用，为企业内部管理和信息交流提供了一个完善的技术方案，它已成为连接企业内部各部门交流信息的重要设施。

伴随着Intranet的逐渐深入企业，未来的企业信息管理模式将是一种分布式的基于现场总线控制网络的管理模式。

Intranet出现后，各企业相互共享信息的Extranet(企业外连网)也应运而生。

这样从单一的生产过程到全企业各个生产过程的统一管理控制，再到与企业有关的外部信息的共享，网络技术被大大地拓展了。

因为Intranet采用的是Internet技术，有很好的开放性，支持多种网络协议和标准，因此在组建Intranet时完全可以在企业现有的网络环境下实现。

由现场总线技术与Intranet结合构成的分布式网络控制系统将高度分散的工业现场前端的智能型传感器、
变送器、执行器等智能仪表通过现场总线网络连接到控制机或管理机构成局域网络控制系统。

这种分布式的局域网络系统，可节省大量的传输线，增强整个系统的可扩充性，具有较长的传输距离和较强的抗干扰能力，可实现无上位机的全分布式无主工作，为工业控制和企业管理决策带来了一种全新的解决方案。

同时，将现场总线技术和Intranet技术的结合，也大大促进了控制技术的发展和加快了信息时代的步伐。

使用现场总线企业网，给企业的管理与控制带来了很多好处：首先，通过企业网，加强了企业内部及内部与外部之间的信息共享，提高了资源的利用率。

其次，将企业的有关信息发布在Intranet上，用电子文件代替书面文件，节省了人力，提高了工作效率。

再次，Intranet采用Internet的技术，使开发工具易于得到，软件的开发周期短，而且可以直接利用Internet的一些优秀的软件，节省了开发费用。

最后，使用现场总线企业网能够更容易地实现工业过程管理决策与控制的一体化--CIPS(计算机集成过程系统)。

而基于现场总线技术发展起来的计算机控制网络，不但扩大了控制的区间和物理半径，而且提供了新的控制理论的实践平台，为控制系统的结构变化、控制理论的变革和控制方法及手段的创新开辟了新的领域，为控制理论的发展起到了积极的推动作用
智能化
经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在应用中遇到不少难题。

首先，这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上，而实际系统一般无法获得精确的数学模型；其次，为了提高控制性能，整个控制系统变得十分复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。

人工智能的出现和发展，促进自动控制向更高的层次发展，即智能控制。

智能控制是一类无需人的干预就能够实现其目标的过程，是用机器模拟人类智能的一个重要领域。

智能控制包括学习控制系统、分级递阶智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。

应用智能控制技术和自动化控制理论来实现的先进的计算机控制系统，将有力地推动科学技术进步，并提高工业生产系统的自动化水平。

计算机技术的发展加快了智能控制方法的研究。

智能控制方法通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。

计算机控制系统的优势、应用特色及发展前景将随着智能控制系统的发展而发展。

以智能传感器为例说明控制系统的智能化发展。

智能传感器采用超大规模集成电路技术，嵌入式系统(Embedded system)，将CPU、存储器、A/D转换器和输入、输出功能集成在一块芯片上，传感器信号可以直接以数字量形式输出，使信号的模数转换工作从计算机端下移到现场端，降低了系统复杂性，简化了系统结构，现代智能仪表的另一个主要优点是除了象传统传感器一样输出被测信号量外，还能给出传感器自身的状况信息，使得系统控制人员能随时掌握系统中各传感器的运行现状和维修、更换传感器的时间，为整个系统的安全运行提供了可靠的保障。

智能传感器的第三个强有力功能是自带控制功能，许多简单的控制算法(如PID控制)可以直接由智能传感器完成，进一步简化了系统结构。

智能传感器与传统的传感器有着本质的区别，它是一个以工业现场总线为基础，以CPU 为处理核心，以数字通信为变送方式的传感器和变送器的统一体。

这种传感器比普通的智能传感器又增加了数字通信功能，或者说它是面向网络的，具有联网功能。

总线式智能传感器是新一代的信息采集装置，每个这样的传感器都是智能化网络的一个节点，各自决定系统的运行而不需求助于中央控制器的控制。

在这种全分布式系统中，测控点的模件面向网络，用软件规定系统的行为，而不求助于点对点的联接，不需要复杂联线，可以即插即用，实际上这种系统是多个智能传感器与智能执行器的集成。

这种系统的节点具有良好的交互性，因为系统内每个结点都可以是组态结点的控制器，所以具有按照意愿的组态能力，
且系统的建立和扩展简单易行。

智能传感器的应用使得控制系统有更强的应用型、实时性和适应性，而且它还具有高效率、高可靠性和低成本的特点
扁平化
在系统的集散和分布式计算机控制系统中，根据完成的不同功能和实际的网络结构，系统以网络为界限被分成了多个层次，各层网络之间通过计算机相连。

由于各网络层次之间相互独立，信息在传递和交换时，将受连接计算机的限制，是信息传递的瓶颈。

同时由于集散和分布式控制系统本身网络和数据结构的封闭性，造成不同厂家产品之间的交互性差。

随着企业网络技术的发展，网络通讯能力和网络连接规模得到了极大的提高，使得原本在分布式的网络环境中较难实现的数据传输和交换，可以在一个贯穿的网络环境中实现。

尤其是现场级网络技术在工业控制系统中的出现，带来了现场级设备和仪表单元的网络化，从而使控制系统的底层也可以通过网络相互连接起来。

同时，现场级网络技术的发展还保证了网络的设备容量，能够接入较多的设备，使连接在一起的可以是不同的回路控制系统的现场级设备和仪表单元。

也就是说，每个网段可以容纳不同回路系统的现场级设备和仪表单元。

而实际上不同的网段，还可以通过网桥相互连接，这样就使得现场级网络的连接能力可以进一步提高。

新一代计算机控制系统的结构发生了明显变化，逐步形成两层网络的系统结构。

上层负责完成高层管理功能，包括各种控制功能之间的协调、系统优化调度、信息综合管理和组织以及总体任务的规划等。

底层负责完成所有具体的控制任务，如参数调节的回路控制、过程数据的采集和显示、现场控制的监视以及故障诊断和处理等等。

正如书中所述：现场总线控制系统（FCS）是新一代分布式控制结构。

它的结构模式为“工作站——现场总线智能仪表”二层结构，FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。

因此，新一代计算机控制系统具有两层网络的系统结构，使得整体系统出现了扁平化趋势，即所有的高层次控制、管理和调度任务均在上一层完成，而所有的具体控制、显示、记录和诊断任务均在下一层完成。

这种系统的优势是：简化了系统的结构和层次，缩短了上层控制任务到下层单元实施过程，实现了较大规模的信息交换公共平台，加强了上层子系统与下层子系统或单元之间的联系。

综合化
集散控制系统是以微机为核心，把微机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来的一种计算机控制系统，它为生产的综合自动化创造了条件。

若采用先进的控制策略，会使自动化系统向低成本、综合化、高可靠性的方向发展，实现计算机集成控制系统（CIMS）。

计算机集成控制系统（CIMS）是以微型计算机为基础，从综合自动化的角度，按分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则设计的。

CIMS包含了一个制造工厂的全部生产经营活动，从市场反洗、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动彼此紧密连接，是不可分割的整体；CIMS涉及的计算机系统、自动化系统不是工厂各个环节的计算机系统、自动化的简单相加，而是有机的集成。