[科普中国]-分布式数字控制

数字控制

数字控制是一种借助数字、字符或者其他符号对某一工作过程进行编程控制的自动化方法。1

通常使用专门的计算机，操作指令以数字形式表示，机器设备按照预定的程序进行工作。简称数控。

数字控制(Numerical Control,NC)是近代发展起来的一种自动控制技术,国家标准(GB8129—87)定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”,简称数控(NC)。

数控机床(Numerical Control Machine Tools)就是采用了数控技术的机床。国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing)第五技术委员会对数控机床作了如下定义:“数控机床是一个装有程序控制系统的机床,该系统能够逻辑地处理具有使用代码,或其他符号编码指令规定的程序。”换言之,数控机床是一种采用计算机,利用数字进行控制的高效、能自动化加工的机床,它能够按照国际或国家,甚至生产厂家所制造的数字和文字编码方式,把各种机械位移量、工艺参数(如主轴转速、切削速度)、辅助功能(如刀具变换、切削液自动供停等),用数字、文字符号表示出来,经过程序控制系统,即数控系统的逻辑处理与计算,发出各种控制指令,实现要求的机械动作,自动完成加工任务。在被加工零件或加工作业变换时,它只需改变控制的指令程序就可以实现新的控制。所以数控机床是一种灵活性很强、技术密集度及自动程度很高的机电一体化加工设备,适用于中小批量生产,也是柔性制造系统里必不可少的加工单元。

数控技术和数控机床是实现柔性制造(Flexible Manufacturing,FM)和计算机集成制造(Computer Integrated Manufacturing,CIM)的最重要基础技术之一。数控机床及其数控设备是制造系统最基本的加工单元。随着微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用,在制造业中,数控技术和数控机床也早已从研制走向实用,并不断更新换代,向高速度、多功能、智能化、开放型以及高可靠性等方面迅速发展。当前柔性自动化(单机和生产系统)是世界机械电子工业发展的趋势。数控技术的应用,数控机床的生产量已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。

分布式控制定义以微处理机为核心，实现地理上和功能上分散的控制，又通 过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实 现高级复杂规律的控制。2

它有许多突出的优点，例如容易实现复杂的控制规 律;系统是积木式结构，系统结构灵活可大可小，易于扩展;系统的可靠性高， 采用CRT显示技术和智能操作台，操作、监视十分方便;电缆和敷缆成本低， 施工周期短;易于实现程序控制，如自动开车和自动停车等。

分布式控制的特点是和各子系统间有密切的联系。

分布式控制方式(distributed control)是程控交换机所采用的一种控制方式，它指系统采用多处理机，以一定的分工方式来承担整个交换机的控制功能(包括呼叫处理功能和维护管理功能)。处理机之间的分工可分为功能分担方式、负荷分担方式、容量分担方式以及三种分担的混合方式。新一代的程控数字交换机大多数采用分布式控制方式。

分布式控制系统分布式控制系统(Distribute Control System)，指的是多机系统，即多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互连关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分散的。它的特点是各子系统间有密切的联系与信息交换，系统对其总体目标和任务可以进行综合协调与分配。同集中式控制相比，分布式控制系统被称为第三代过程控制系统，在工业控制领域中，无论是集中式控制系统还是分布式控制系统都得到十分广泛的应用。

由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。

分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。

在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级（控制回路）仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。

原理金属切削机床加工零件,是操作者根据图纸要求、手动控制机床操作系统,不断改变刀具与工件相对运动参数(位置、速度等),使刀具从工件上切除多余材料,最终获得符合技术要求的尺寸、形状、位置要求和表面质量的零件。

数控加工的基本工作原理则是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、工件夹紧、进给、启停、刀具选择、冷却液供给等)步骤以及工件的形状尺寸用程序———数字化的代码来表示(称为数字信息),再由计算机数控装置对这些输入的信息进行处理和运算。把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量,即最小位移量,然后由数控系统按照零件程序的要求控制机床伺服驱动系统,使坐标移动若干个最小位移量,从而实现刀具与工件的相对运动,以完成零件的加工。当被加工工件改变时,除了重新装夹工件和更换刀具之外,只需更换程序。

在数控加工中,使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递运动命令的脉冲群,每一个脉冲对应于机床的单位位移量。在进行曲线加工时,可以用一给定的数字函数来模拟线段ΔL。即知道了一个曲线的种类、起点、终点以及速度后,根据给定的数字函数,如线性函数、圆函数或高次曲线函数,在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间,进行数据点的密化,确定一些中间点,这种方法称之为插补。处理这些插补的算法,称之为插补运算。

由此可见,要实现数控加工,则必须有一台能达到下述要求的数控设备:

数控装置,即能接受零件图样加工要求的信息,并按照一定的数字模型进行插补运算,实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切削用量的数字控制计算机;

具有快速响应,并具有足够功率的驱动装置;

为实现数控加工,还必须有能满足上述加工方式要求的机床主机、刀具、辅助设备以及各种加工所需的辅助功能。

综上所述,只要具备了机床主机、数控装置、驱动装置以及相应的配套设备,就可以组成一台数控机床,完成各种零件的数控加工了。

特点（1）高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

（2）开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

（3）灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

（4）易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

（5）协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

（6）控制功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

1975年美国霍尼韦尔(HoneyWell)第一套分布式控制系统TDCS-2000问世以来，分布式控制系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力，逐渐成为过程工业自动控制的主流系统。

迄今，全世界数百家厂商已经开发了各种类型的分布式控制系统1500余种，DCS以其先进、可靠、灵活和操控简便以及合理的价格而得到广大工业用户的青睐，广泛应用于冶金、电力、化工、石油和造纸等工业领域。

发展近年来,计算机在全球范围内的各行各业中得到了广泛的应用和发展。同时,随着计算机技术的不断发展,尤其是网络技术的迅猛发展,全球的信息产业已进入一个空前发展的新时期。以互联网(internet)为代表的信息高速公路在世界范围内不断膨胀和延伸。计算机技术、信息技术与传统控制技术相结合,为数控技术的发展和进步提供了新的条件。现代数控技术的发展体现在以下几个方面。

数控系统PC化1981年,IBM公司推出了第一台使用Intel公司8086为中央处理器的个人计算机,微软公司推出了MS—DOS,一场PC机革命的序幕就此拉开。在随后的十几年里,80×86系列的CPU发展到64位,主频500MHz以上的PⅢ;微软公司PC机的操作系统发展到全面支持64位运算、多任务、图形用户接口WindowsNT5.0(Windows2000)。此外,AMD和Cyrics公司的系列CPU和Linux系列的操作系统为PC用户提供了更多的选择。计算机网络技术,特别是Internet技术的诞生和推广使用,进一步推进了PC机在社会生活中的应用。而PC机的价格却从最初的几千美元降低到几百美元。全世界数千万人在使用PC机,学习和使用基于PC的软件。

数控系统,作为工业控制器中的一种典型产品,同样也有采用PC作为主控制器的趋势。

发展基于PC平台CNC推动力量主要来自PC中丰富的软硬件资源。由于PC已是世界上产量最大的计算机产品,其技术发展和支持可以得到很大的保证,并在PC的快速更新换代和价格持续下降中获益匪浅。利用当前PC的高速数据处理能力,可将原由硬件完成的NC功能由软件来实现,而且借助于PC技术可方便地实现图形界面、网络通信,紧跟计算机技术发展而升级换代,并具有良好的开放性,十分有利于二次开发和功能扩展。经过加固的工业级PC,已经在工业控制各个领域中得到普遍应用并已逐步成为主流,其技术上的成熟程度使其可靠性大大超过以往的专用CNC硬件。

使用PC为基础的CNC具有以下优点:

成本低。PC是性能不断提高,而价格不断下降的工业产品。以PC作为基础的CNC将直接从中获益。

标准化。在十几年的发展过程中,PC机的硬件平台已经形成了标准。PC的硬件平台的标准化和互易性都有利于数控系统的维修。而且为以PC为基础的数控系统的标准化、模块化和开放奠定硬件基础。

可靠性高。PC的生产批量大,而且其各个部件都已经形成比较完善的标准。这有利于批量生产和质量控制。工业PC可以使数控系统在高可靠性和低成本间找到折衷的平衡点。

软件资源丰富。PC的丰富的软件资源和开发工具为数控软件的开发提供了方便,缩短了研制周期,降低了开发成本,同时也为CAD/CAM/CNC集成创造了良好的环境。

便于联网。基于PC平台的网络设备和网络浏览器可以方便地接入Internet,为实现全球制造、虚拟制造、共享制造资源奠定了硬件基础。

尽管以PC为基础的数控系统已呈现出越来越多的优越性,但PC机在软硬件上都存在不能完全适应机床控制的问题,其中最突出的问题就是现有PC机的硬件结构上为用户提供的中断比较少,而且一些附加设备还将挤占这些中断资源,例如:声卡、网卡和附加硬盘设备IDE(Integrated Device Electronics,集成电子器件)等。其次,使用现有的操作系统实现实时控制机制也有许多问题有待进一步研究。

PC化的数控系统可以分为三类:

NC板插入PC中。这种数控系统是将数控的核心功能插卡化,并将其插入PC中。PC将实现用户接口、文件管理以及通信等功能,NC插卡将全面负责机床的运动控制和开关量控制。

PC板嵌入CNC中。许多制造商不愿放弃传统的成熟的CNC技术,而他们又需要PC的柔性和开放,于是就采取了一种折衷的方案:提供PC前端接口或直接将PC母板嵌入CNC中,使其CNC装置一样具有PC的柔性。这种方式为很多大公司所采用。应该看到,这种CNC是一种折衷方案,是在数控技术上已取得一定优势的公司出于商业利益的考虑,不愿意放弃其成熟技术的表现。但随着计算机技术的发展,硬件的标准化和成本的降低,这种方式很可能只是过渡形式。

软件CNC。软件CNC可以理解为用PC的概念和手段实现CNC的功能。这种CNC装置的主体是PC机,充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统,实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。目前这一方案中还有许多问题有待解决,所以主要还停留在实验室研究阶段。但可以预见,随着计算机技术的发展,这种形态的机床控制器将具有不可匹敌的价格优势和可扩展性,有广阔的前途。

数控系统智能化智能制造的通俗理解就是应用人工智能技术控制制造过程,包括制造过程的建模、监控、决策等。数控系统是智能制造的重要物质基础,数控系统的智能化是控制器研究者的理想。计算机软硬件技术的发展和人工智能技术的发展,使机床控制器具备了应用人工智能技术的条件。

数控系统的智能化主要体现在以下几个方面:

数控程序编制的智能化。高档数控系统大多可以通过会话自动编程系统来自动选择刀具,生成工艺路线,计算切削深度和切削速度,实现切削仿真,大大提高了在线编程和对复杂型面编程的效率。

加工过程智能化监控。数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行测试数字控制技术量、建模,提取特征来感知系统的运行状态,快速作出实现最佳目标的决策,对进给速度和主轴转速进行实时的调整,使整个加工过程处于合理状态。应用比较多的智能化监控是刀具的磨损和破损监控,机床适应控制也属于加工过程智能化监控的重要应用。

故障诊断智能化。高档数控系统大多内置实时诊断系统。当机床出现故障时,该系统可以进行诊断并指导故障的排除。传统的研究方法以专家系统为主,但专家系统用于故障诊断存在知识获取困难、组合爆炸和匹配冲突等难以克服的问题。近一段时间以来,模糊数学和神经网络等人工智能技术在故障诊断方面的应用取得了良好效果。

值得注意的是,单一智能技术往往不能全面地解决机床控制中的复杂问题。在这种情况下,多种人工智能技术的综合应用可以取得更好的效果。目前,由于大多数的人工智能算法还不能满足实时控制的要求,如何提高智能算法的速度是影响智能算法应用的重要问题。另一方面,大多数控制器尚不能开放,即未提供集成智能技术的接口,这也影响了智能技术在数控系统中的应用。随着数控系统功能的拓展和人工智能技术的发展,各种人工智能方法在机床控制器中的应用将为控制器的发展带来更美好的前景。

数控系统开放化当今机床正朝着灵活、多功能、网络化的方向发展,控制器也必须跟上这一发展步伐。这就要求控制器能够重新配置、修改、扩充和改装,甚至有时要求控制器能重新生成。完成这一任务的有效途径就是“开放”。

数控系统“开放”化的要求来自生产方式的发展,来自用户和机床厂对附加技术的要求,也来自于控制器厂追求高质量、低成本和提高产品竞争力的需要。可以说“,开放”已成为以数控机床为代表的制造装备不可扭转的发展趋势。

欧洲、美国、日本目前都在进行自动化领域的开放式体系结构的研究,纷纷出台各自的开放式体系结构规范。开放化的趋势在全球制造业中,已成为潮流。美国政府为了增强其制造业的持久发展能力和在国际市场上的竞争力,在20世纪90年代初又开展的下一代数控系统NGC的研究,在1989年—1994年中,由国防部委托Martin Marietta Astronautics(马丁-马瑞塔航天研究所)研究的NGC计划,作为具有开放性结构的提案,受到了广泛的关注。目前,美国三大汽车工业巨头:GM,Ford,Chysler正在与控制器厂商合作,开发以PC为基础的开放式模块化控制器，命名为OMAC(Open Modular Architecture Control)。1991年10月,在ESPRITⅢ中开始了一项整个欧洲的控制系统计划OSACA(Open System Architecture for Control Swithin Automation System)，其研究目标是研制出自动化系统中的开放式控制系统体系结构。参加单位来自欧洲各国11家机床厂、控制器厂商和高等院校。此项目工期从1992年5月到1996年5月,投入89人·年,总投资1140万欧洲货币单位。日本于1994年12月成立了通产省的外围组织IROFA(国际机器人及工厂自动化技术中心)下属的NC开放化政策委员会。NC开放化政策委员会共有11家企业参加,主要课题是“开放型NC装置的定义”及“参考模型(含接口等)的制作”。1994年,在日本还成立了OSE研究会,发起者为:东芝机械、丰田工机、日本IBM、三菱电机和SML。OSE的研究目的是制定(能将以计算机网络为中心的信息处理技术和以通用处理器驱使的具有高附加值的机能装入控制器内的)开放式控制器的体系结构和安装规约,进行实验验证和标准化的活动。

开放化的趋势在全球制造业中已成为不可逆转的潮流。这种国际趋势的结果将是产生高度模块化、可以方便联网集成的、可以方便进行二次开发的、拥有大量第三方应用软件支持的、价格更便宜的、全新概念的数控系统。