摘 要：智能控制器是針對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的智能控制器件，利用工控機(jī)可使智能系統(tǒng)更好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，提高智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。作者設(shè)計(jì)了工控機(jī)在智能系統(tǒng)中的應(yīng)用模式，探討了工控機(jī)在智能系統(tǒng)中可行性新技術(shù)。 關(guān)鍵詞：工控機(jī)，智能系統(tǒng)，嵌入式 1 引言 控制器是向系統(tǒng)部件提供協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)。20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展促使控制系統(tǒng)向數(shù)字式、分布式、開放可互操作和面向開放式互連網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展。新型工業(yè)控制系統(tǒng)及產(chǎn)品的應(yīng)用系統(tǒng)具有的一些控制要求和特點(diǎn)，如實(shí)時(shí)控制、分布控制、事件驅(qū)動(dòng)控制、智能系統(tǒng)控制，不僅提高了系統(tǒng)的控制功能，同時(shí)也對(duì)其系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提出了新形式和高要求。在此所講的控制器主要是針對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制器件，例如：采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、可編程序控制器等，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。 為了使微機(jī)控制系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，計(jì)算機(jī)公司專門研制了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工控機(jī)，工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)總線和模板結(jié)構(gòu)，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)使用最多的工控機(jī)是STD總線工控機(jī)和PC總線工控機(jī)。 2 工控機(jī)的功能模塊 工控機(jī)的功能模板可分為系統(tǒng)模板、I/O接口類模板和通信類模板三大類。 對(duì)于STD總線工控機(jī)來說，系統(tǒng)模板包括CPU模板、存儲(chǔ)器模板、人機(jī)接口和系統(tǒng)支持模板。對(duì)于PC總線工控機(jī)來說，系統(tǒng)模板就是一體化CPU板。I/O接口類模板包括開關(guān)量I/O模板、A/D轉(zhuǎn)換模板、D/A轉(zhuǎn)換模板、信號(hào)調(diào)理板、繼電器輸出板等。通信類模板包括如RS-232C接口板、USB接口板、GPIB接口板、工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)接口板等。工控機(jī)的模板式結(jié)構(gòu)，使用戶能夠根據(jù)實(shí)際需要方便地選擇配置。例如：嵌入式主機(jī)板、Intel Pentium處理器、DDR內(nèi)存、支持2個(gè)LAN網(wǎng)卡、支持LCD 和VGA顯示、支持Audio、2個(gè)USB接口等配置。選用時(shí)可查閱相關(guān)計(jì)算機(jī)公司的產(chǎn)品目錄。在進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上確定選用哪些模板來組成應(yīng)用系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在輸入輸出接口及相關(guān)的控制設(shè)備，配上系統(tǒng)軟件和設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件后，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的檢測(cè)和控制，并具有圖形顯示和打印功能。 3 工控機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 3.1 檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng) 檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)用工控機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程的各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、顯示或打印，繪制成表格或曲線；并能根據(jù)需要對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；當(dāng)測(cè)量值超過規(guī)定值或發(fā)生其它故障時(shí)，能發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 順序控制系統(tǒng)是在工控機(jī)控制下，使生產(chǎn)設(shè)備按照預(yù)先確定的某種順序有規(guī)律地進(jìn)行工作。 3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)即DDC系統(tǒng)，是利用工控機(jī)作為數(shù)字調(diào)節(jié)裝置，直接對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 3.3 監(jiān)督控制系統(tǒng) 監(jiān)督控制系統(tǒng)即SCC系統(tǒng)，是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的有關(guān)參數(shù)和狀態(tài)信息，按照被控裝置的數(shù)學(xué)模型和控制算法算出最佳工藝給定值，送DDC工控機(jī)作為控制依據(jù)。由DDC工控機(jī)實(shí)現(xiàn)PDI或前饋控制，直接指揮生產(chǎn)。也可不要DDC，其功能由SCC兼管。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 3.4 分存式控制系統(tǒng) 在生產(chǎn)規(guī)模大、生產(chǎn)過程復(fù)雜的情況平，控制系統(tǒng)可由多級(jí)組成，具有不同的結(jié)構(gòu)形式，亦稱集散控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 4 工控機(jī)新技術(shù) （1）現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS 自動(dòng)化技術(shù)正經(jīng)歷重大變革，我們的工作實(shí)質(zhì)上是圍繞這種變革進(jìn)行的。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS正走向?qū)嵱没?，這是自動(dòng)化技術(shù)革新的一個(gè)重要熱點(diǎn)，它將給自動(dòng)化技術(shù)帶來一次深刻的革命。FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)是：FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字化智能化現(xiàn)場(chǎng)裝置；FCS的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)；FCS的本質(zhì)是信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化和網(wǎng)絡(luò)化。 （2）PC-based工業(yè)控制計(jì)算機(jī) PC-based（包括嵌入式PC）控制系統(tǒng)亦稱IPC，正以20%以上的速率增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了FCS。這主要在于PC機(jī)的開放性，它具有豐富的硬件資源、軟件資源和人力資源，既得利于廣大工程技術(shù)人員的支持，也為廣大群眾所熟悉。各大FCS制造商已接受了IPC的技術(shù)路線，提供豐富的開放的硬件和軟件平臺(tái)，價(jià)格低廉，易于與其它信息技術(shù)集成，其應(yīng)用范圍將迅速擴(kuò)大到全部自動(dòng)化領(lǐng)域。 （3）管控一體化系統(tǒng)集成 管控一體化系統(tǒng)集成系統(tǒng)與軟件，隨著Internet技術(shù)深入到企業(yè)管理和控制之中，控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的結(jié)合成為必然，這使得工業(yè)自動(dòng)化界渴望已久的管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化、基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化的目標(biāo)成為可能。通過以太網(wǎng)和Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)開放型分布智能系統(tǒng)，基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提供模塊化、分布式、可重用的自動(dòng)化方案。主要發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的工程化工業(yè)控制與管理軟件。這樣管控一體化可以使企業(yè)選擇到真正符合新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的最佳解決方案，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 （4）工業(yè)以太網(wǎng) 工業(yè)以太網(wǎng)不僅指只有物理層和鏈路層的Ethernet，而是指基于internet技術(shù)革新的以太網(wǎng)，即ETHERNET+TCP/UDP/IP+應(yīng)用層，這里 UDP比TCP協(xié)議更能滿足實(shí)時(shí)性的要求。工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)時(shí)性、總線供電、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)鹊椒矫嫒〉昧撕艽筮M(jìn)展。基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)備，其研究目標(biāo)是：研究應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的高速以術(shù)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，包括以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性、總線供電、本質(zhì)安全、可互操作性、遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾性和可靠性等。并研究開發(fā)基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。以太網(wǎng)技術(shù)是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，以太網(wǎng)一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層是控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 （5）新一代工業(yè)計(jì)算機(jī)總線CompactPCI 前面所述IPC工控機(jī)是在PC機(jī)的基礎(chǔ)上，在機(jī)箱、結(jié)構(gòu)等方面適當(dāng)保留了PCI-ISA總線的有源底板，開發(fā)和擴(kuò)充了系列工業(yè)I/O模板來構(gòu)成。1993年以來，由于PCI總線的高性能、低成本、通用操作系統(tǒng)等到方面的優(yōu)勢(shì)，得到迅速的普及和發(fā)展，但是這種PCI-ISA底板總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)也有不足，還難以用于有苛刻要求和高性能的場(chǎng)合。為此，主要由原來STD總線工控機(jī)的廠商，如Ziatech、Pro-Log以及Intel等，在PICMG（PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)）支持下，制定PCI-ISA總線的無源底板標(biāo)準(zhǔn)和處理器板標(biāo)準(zhǔn)，即CompactPCI。其出發(fā)點(diǎn)在于改造PCI標(biāo)準(zhǔn)，使其成為無源底板總線的結(jié)構(gòu)。 CompactPCI是一種新的開放式工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，采用CompactPCI.既能吸收PC機(jī)最新的技術(shù)成果，又具有滿足通信和工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用所必需的更堅(jiān)固、更可靠、模塊化、易使用、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。其最具有吸引力的特點(diǎn)是熱拔插（hotswap）。這意味著一個(gè)模板能夠在不切斷電源的情況下從機(jī)箱內(nèi)拔出或插入，依靠先進(jìn)的軟件，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整配置。CompactPCI的熱插拔實(shí)現(xiàn)是在結(jié)構(gòu)上采用三種不同長(zhǎng)度的引腳插針，使得模板插入或拔出時(shí)，電源和接地、PCI總線信號(hào)、插拔啟動(dòng)信號(hào)按序進(jìn)行；采用總線隔離裝置和電源的軟啟動(dòng)；在操作系統(tǒng)中要具有即插即用的功能。 （6）嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等到要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是集軟件、硬件于一體的高可靠性系統(tǒng)，固化的應(yīng)用軟件。硬件除CPU外，還有外圍電路的支持。通用和嵌入式CPU、微控制器、DSP等已構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史，近幾年來，計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子的一體化趨勢(shì)日益明顯，嵌入式技術(shù)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)已發(fā)展到以Internet為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)，正在迅速發(fā)展。目前在多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合日益密切，兩者的結(jié)合將代表嵌入式系統(tǒng)的未來。我國(guó)在嵌入式CPU方面最近取得了很大進(jìn)展，“龍芯”和方舟CPU的研制成功是一件很有意義的大事。嵌入式系統(tǒng)，由于需求千變?nèi)f化，沒有統(tǒng)一的架構(gòu)，可以不受控制，軟硬件需要各種各樣的組合，技術(shù)密集，市場(chǎng)容量大，可有無限制的創(chuàng)新空間。 5 結(jié)束語 通過集成制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與以及人工智能等技術(shù)，發(fā)展一種新型的制造技術(shù)與智能控制系統(tǒng)，以標(biāo)準(zhǔn)的工控機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，更有利于國(guó)際間信息交換使世界先進(jìn)制造技術(shù)共享。 參考文獻(xiàn)： [1] 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