分散式數字控制

分散式數字控制（Distributed digital control）指系統採用多處理機，藉助數字、字元或者其他符號對某一工作過程進行編程控制，以一定的分工方式來承擔整個交換機的控制功能(包括呼叫處理功能和維護管理功能)的控制方式。

基本介紹

• 中文名：分散式數字控制
• 外文名：Distributed digital control
• 涉及學科：信息安全
• 採用：多處理機
• 藉助：數字、字元或者其他符號
• 套用：自動化

數字控制

數字控制是一種藉助數字、字元或者其他符號對某一工作過程進行編程控制的自動化方法。

通常使用專門的計算機，操作指令以數字形式表示，機器設備按照預定的程式進行工作。簡稱數控。

數字控制(Numerical Control,NC)是近代發展起來的一種自動控制技術,國家標準(GB8129—87)定義為“用數位化信號對工具機運動及其加工過程進行控制的一種方法”,簡稱數控(NC)。

數控工具機(Numerical Control Machine Tools)就是採用了數控技術的工具機。國際信息處理聯盟(International Federation of Information Processing)第五技術委員會對數控工具機作了如下定義:“數控工具機是一個裝有程式控制系統的工具機,該系統能夠邏輯地處理具有使用代碼,或其他符號編碼指令規定的程式。”換言之,數控工具機是一種採用計算機,利用數字進行控制的高效、能自動化加工的工具機,它能夠按照國際或國家,甚至生產廠家所製造的數字和文字編碼方式,把各種機械位移量、工藝參數(如主軸轉速、切削速度)、輔助功能(如刀具變換、切削液自動供停等),用數字、文字元號表示出來,經過程式控制系統,即數控系統的邏輯處理與計算,發出各種控制指令,實現要求的機械動作,自動完成加工任務。在被加工零件或加工作業變換時,它只需改變控制的指令程式就可以實現新的控制。所以數控工具機是一種靈活性很強、技術密集度及自動程度很高的機電一體化加工設備,適用於中小批量生產,也是柔性製造系統里必不可少的加工單元。

數控技術和數控工具機是實現柔性製造(Flexible Manufacturing,FM)和計算機集成製造(Computer Integrated Manufacturing,CIM)的最重要基礎技術之一。數控工具機及其數控設備是製造系統最基本的加工單元。隨著微電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量技術的不斷發展和迅速套用,在製造業中,數控技術和數控工具機也早已從研製走向實用,並不斷更新換代,向高速度、多功能、智慧型化、開放型以及高可靠性等方面迅速發展。當前柔性自動化(單機和生產系統)是世界機械電子工業發展的趨勢。數控技術的套用,數控工具機的生產量已成為衡量一個國家工業化程度和技術水平的重要標誌。

分散式控制

定義

以微處理機為核心，實現地理上和功能上分散的控制，又通 過高速數據通道把各個分散點的信息集中起來，進行集中的監視和操作，並實 現高級複雜規律的控制。

它有許多突出的優點，例如容易實現複雜的控制規 律;系統是積木式結構，系統結構靈活可大可小，易於擴展;系統的可靠性高， 採用CRT顯示技術和智慧型操作台，操作、監視十分方便;電纜和敷纜成本低， 施工周期短;易於實現程式控制，如自動開車和自動停車等。

分散式控制的特點是和各子系統間有密切的聯繫。

分散式控制方式(distributed control)是程控交換機所採用的一種控制方式，它指系統採用多處理機，以一定的分工方式來承擔整個交換機的控制功能(包括呼叫處理功能和維護管理功能)。處理機之間的分工可分為功能分擔方式、負荷分擔方式、容量分擔方式以及三種分擔的混合方式。新一代的程控數字交換機大多數採用分散式控制方式。

分散式控制系統

分散式控制系統(Distribute Control System)，指的是多機系統，即多台計算機分別控制不同的對象或設備，各自構成子系統，各子系統間有通信或網路互連關係。從整個系統來說，在功能上、邏輯上、物理上以及地理位置上都是分散的。它的特點是各子系統間有密切的聯繫與信息交換，系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調與分配。同集中式控制相比，分散式控制系統被稱為第三代過程控制系統，在工業控制領域中，無論是集中式控制系統還是分散式控制系統都得到十分廣泛的套用。

由多台計算機分別控制生產過程中多個控制迴路，同時又可集中獲取數據、集中管理和集中控制的自動控制系統。分散式控制系統採用微處理機分別控制各個迴路，而用中小型工業控制計算機或高性能的微處理機實施上一級的控制。各迴路之間和上下級之間通過高速數據通道交換信息。

分散式控制系統具有數據獲取、直接數字控制、人機互動以及監控和管理等功能。分散式控制系統是在計算機監督控制系統、直接數字控制系統和計算機多級控制系統的基礎上發展起來的，是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。

在分散式控制系統中，按地區把微處理機安裝在測量裝置與控制執行機構附近，將控制功能儘可能分散，管理功能相對集中。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不會由於計算機的故障而使整個系統失去控制。當管理級發生故障時，過程控制級（控制迴路）仍具有獨立控制能力，個別控制迴路發生故障時也不致影響全局。與計算機多級控制系統相比，分散式控制系統在結構上更加靈活、布局更為合理和成本更低。

原理

金屬切削工具機加工零件,是操作者根據圖紙要求、手動控制工具機作業系統,不斷改變刀具與工件相對運動參數(位置、速度等),使刀具從工件上切除多餘材料,最終獲得符合技術要求的尺寸、形狀、位置要求和表面質量的零件。

數控加工的基本工作原理則是將加工過程所需的各種操作(如主軸變速、工件夾緊、進給、啟停、刀具選擇、冷卻液供給等)步驟以及工件的形狀尺寸用程式———數位化的代碼來表示(稱為數字信息),再由計算機數控裝置對這些輸入的信息進行處理和運算。把刀具與工件的運動坐標分割成一些最小單位量,即最小位移量,然後由數控系統按照零件程式的要求控制工具機伺服驅動系統,使坐標移動若干個最小位移量,從而實現刀具與工件的相對運動,以完成零件的加工。當被加工工件改變時,除了重新裝夾工件和更換刀具之外,只需更換程式。

在數控加工中,使數控工具機動作的是數控裝置給數控工具機傳遞運動命令的脈衝群,每一個脈衝對應於工具機的單位位移量。在進行曲線加工時,可以用一給定的數字函式來模擬線段ΔL。即知道了一個曲線的種類、起點、終點以及速度後,根據給定的數字函式,如線性函式、圓函式或高次曲線函式,在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間,進行數據點的密化,確定一些中間點,這種方法稱之為插補。處理這些插補的算法,稱之為插補運算。

由此可見,要實現數控加工,則必須有一台能達到下述要求的數控設備:

1. 數控裝置,即能接受零件圖樣加工要求的信息,並按照一定的數字模型進行插補運算,實時地向各坐標軸發出速度控制指令及切削用量的數字控制計算機;
2. 具有快速回響,並具有足夠功率的驅動裝置;
3. 為實現數控加工,還必須有能滿足上述加工方式要求的工具機主機、刀具、輔助設備以及各種加工所需的輔助功能。

綜上所述,只要具備了工具機主機、數控裝置、驅動裝置以及相應的配套設備,就可以組成一台數控工具機,完成各種零件的數控加工了。

特點

（1）高可靠性

由於DCS將系統控制功能分散在各台計算機上實現，系統結構採用容錯設計，因此某一台計算機出現的故障不會導致系統其它功能的喪失。此外，由於系統中各台計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現的功能採用具有特定結構和軟體的專用計算機，從而使系統中每台計算機的可靠性也得到提高。

（2）開放性

DCS採用開放式、標準化、模組化和系列化設計，系統中各台計算機採用區域網路方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通信網路或從網路中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。

（3）靈活性

通過組態軟體根據不同的流程套用對象進行軟硬體組態，即確定測量與控制信號及相互間連線關係、從控制算法庫選擇適用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統。

（4）易於維護

功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當某一局部或某個計算機出現故障時，可以在不影響整個系統運行的情況下線上更換，迅速排除故障。

（5）協調性

各工作站之間通過通信網路傳送各種數據，整個系統信息共享，協調工作，以完成控制系統的總體功能和最佳化處理。

（6）控制功能齊全

控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制於一體，可實現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進控制，並可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的構成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據採集站等組成，也可由通用的伺服器、工業控制計算機和可程式控制器構成。

處於底層的過程控制級一般由分散的現場控制站、數據採集站等就地實現數據採集和控制，並通過數據通信網路傳送到生產監控級計算機。生產監控級對來自過程控制級的數據進行集中操作管理，如各種最佳化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術的發展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設備通過網路連線來實現更高級的集中管理功能，如計畫調度、倉儲管理、能源管理等。

1975年美國霍尼韋爾(HoneyWell)第一套分散式控制系統TDCS-2000問世以來，分散式控制系統已經在工業控制的各個領域得到了廣泛的套用，以其高度的可靠性、方便的組態軟體、豐富的控制算法、開放的聯網能力，逐漸成為過程工業自動控制的主流系統。

迄今，全世界數百家廠商已經開發了各種類型的分散式控制系統1500餘種，DCS以其先進、可靠、靈活和操控簡便以及合理的價格而得到廣大工業用戶的青睞，廣泛套用於冶金、電力、化工、石油和造紙等工業領域。

發展

近年來,計算機在全球範圍內的各行各業中得到了廣泛的套用和發展。同時,隨著計算機技術的不斷發展,尤其是網路技術的迅猛發展,全球的信息產業已進入一個空前發展的新時期。以網際網路(internet)為代表的信息高速公路在世界範圍內不斷膨脹和延伸。計算機技術、信息技術與傳統控制技術相結合,為數控技術的發展和進步提供了新的條件。現代數控技術的發展體現在以下幾個方面。

數控系統PC化

1981年,IBM公司推出了第一台使用Intel公司8086為中央處理器的個人計算機,微軟公司推出了MS—DOS,一場PC機革命的序幕就此拉開。在隨後的十幾年裡,80×86系列的CPU發展到64位,主頻500MHz以上的PⅢ;微軟公司PC機的作業系統發展到全面支持64位運算、多任務、圖形用戶接口WindowsNT5.0(Windows2000)。此外,AMD和Cyrics公司的系列CPU和Linux系列的作業系統為PC用戶提供了更多的選擇。計算機網路技術,特別是Internet技術的誕生和推廣使用,進一步推進了PC機在社會生活中的套用。而PC機的價格卻從最初的幾千美元降低到幾百美元。全世界數千萬人在使用PC機,學習和使用基於PC的軟體。

數控系統,作為工業控制器中的一種典型產品,同樣也有採用PC作為主控制器的趨勢。

發展基於PC平台CNC推動力量主要來自PC中豐富的軟硬體資源。由於PC已是世界上產量最大的計算機產品,其技術發展和支持可以得到很大的保證,並在PC的快速更新換代和價格持續下降中獲益匪淺。利用當前PC的高速數據處理能力,可將原由硬體完成的NC功能由軟體來實現,而且藉助於PC技術可方便地實現圖形界面、網路通信,緊跟計算機技術發展而升級換代,並具有良好的開放性,十分有利於二次開發和功能擴展。經過加固的工業級PC,已經在工業控制各個領域中得到普遍套用並已逐步成為主流,其技術上的成熟程度使其可靠性大大超過以往的專用CNC硬體。

使用PC為基礎的CNC具有以下優點:

1. 成本低。PC是性能不斷提高,而價格不斷下降的工業產品。以PC作為基礎的CNC將直接從中獲益。
2. 標準化。在十幾年的發展過程中,PC機的硬體平台已經形成了標準。PC的硬體平台的標準化和互易性都有利於數控系統的維修。而且為以PC為基礎的數控系統的標準化、模組化和開放奠定硬體基礎。
3. 可靠性高。PC的生產批量大,而且其各個部件都已經形成比較完善的標準。這有利於批量生產和質量控制。工業PC可以使數控系統在高可靠性和低成本間找到折衷的平衡點。
4. 軟體資源豐富。PC的豐富的軟體資源和開發工具為數控軟體的開發提供了方便,縮短了研製周期,降低了開發成本,同時也為CAD/CAM/CNC集成創造了良好的環境。
5. 便於聯網。基於PC平台的網路設備和網路瀏覽器可以方便地接入Internet,為實現全球製造、虛擬製造、共享製造資源奠定了硬體基礎。

儘管以PC為基礎的數控系統已呈現出越來越多的優越性,但PC機在軟硬體上都存在不能完全適應工具機控制的問題,其中最突出的問題就是現有PC機的硬體結構上為用戶提供的中斷比較少,而且一些附加設備還將擠占這些中斷資源,例如:音效卡、網卡和附加硬碟設備IDE(Integrated Device Electronics,集成電子器件)等。其次,使用現有的作業系統實現實時控制機制也有許多問題有待進一步研究。

PC化的數控系統可以分為三類:

1. NC板插入PC中。這種數控系統是將數控的核心功能插卡化,並將其插入PC中。PC將實現用戶接口、檔案管理以及通信等功能,NC插卡將全面負責工具機的運動控制和開關量控制。
2. PC板嵌入CNC中。許多製造商不願放棄傳統的成熟的CNC技術,而他們又需要PC的柔性和開放,於是就採取了一種折衷的方案:提供PC前端接口或直接將PC母板嵌入CNC中,使其CNC裝置一樣具有PC的柔性。這種方式為很多大公司所採用。應該看到,這種CNC是一種折衷方案,是在數控技術上已取得一定優勢的公司出於商業利益的考慮,不願意放棄其成熟技術的表現。但隨著計算機技術的發展,硬體的標準化和成本的降低,這種方式很可能只是過渡形式。
3. 軟體CNC。軟體CNC可以理解為用PC的概念和手段實現CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機,充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷最佳化的作業系統,實現工具機控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。目前這一方案中還有許多問題有待解決,所以主要還停留在實驗室研究階段。但可以預見,隨著計算機技術的發展,這種形態的工具機控制器將具有不可匹敵的價格優勢和可擴展性,有廣闊的前途。

數控系統智慧型化

智慧型製造的通俗理解就是套用人工智慧技術控制製造過程,包括製造過程的建模、監控、決策等。數控系統是智慧型製造的重要物質基礎,數控系統的智慧型化是控制器研究者的理想。計算機軟硬體技術的發展和人工智慧技術的發展,使工具機控制器具備了套用人工智慧技術的條件。

數控系統的智慧型化主要體現在以下幾個方面:

1. 數控程式編制的智慧型化。高檔數控系統大多可以通過會話自動編程系統來自動選擇刀具,生成工藝路線,計算切削深度和切削速度,實現切削仿真,大大提高了線上編程和對複雜型面編程的效率。
2. 加工過程智慧型化監控。數控系統通過對影響加工精度和效率的物理量進行測試數字控制技術量、建模,提取特徵來感知系統的運行狀態,快速作出實現最佳目標的決策,對進給速度和主軸轉速進行實時的調整,使整個加工過程處於合理狀態。套用比較多的智慧型化監控是刀具的磨損和破損監控,工具機適應控制也屬於加工過程智慧型化監控的重要套用。
3. 故障診斷智慧型化。高檔數控系統大多內置實時診斷系統。當工具機出現故障時,該系統可以進行診斷並指導故障的排除。傳統的研究方法以專家系統為主,但專家系統用於故障診斷存在知識獲取困難、組合爆炸和匹配衝突等難以克服的問題。近一段時間以來,模糊數學和神經網路等人工智慧技術在故障診斷方面的套用取得了良好效果。

值得注意的是,單一智慧型技術往往不能全面地解決工具機控制中的複雜問題。在這種情況下,多種人工智慧技術的綜合套用可以取得更好的效果。目前,由於大多數的人工智慧算法還不能滿足實時控制的要求,如何提高智慧型算法的速度是影響智慧型算法套用的重要問題。另一方面,大多數控制器尚不能開放,即未提供集成智慧型技術的接口,這也影響了智慧型技術在數控系統中的套用。隨著數控系統功能的拓展和人工智慧技術的發展,各種人工智慧方法在工具機控制器中的套用將為控制器的發展帶來更美好的前景。

數控系統開放化

當今工具機正朝著靈活、多功能、網路化的方向發展,控制器也必須跟上這一發展步伐。這就要求控制器能夠重新配置、修改、擴充和改裝,甚至有時要求控制器能重新生成。完成這一任務的有效途徑就是“開放”。

數控系統“開放”化的要求來自生產方式的發展,來自用戶和工具機廠對附加技術的要求,也來自於控制器廠追求高質量、低成本和提高產品競爭力的需要。可以說“,開放”已成為以數控工具機為代表的製造裝備不可扭轉的發展趨勢。

歐洲、美國、日本目前都在進行自動化領域的開放式體系結構的研究,紛紛出台各自的開放式體系結構規範。開放化的趨勢在全球製造業中,已成為潮流。美國政府為了增強其製造業的持久發展能力和在國際市場上的競爭力,在20世紀90年代初又開展的下一代數控系統NGC的研究,在1989年—1994年中,由國防部委託Martin Marietta Astronautics(馬丁-馬瑞塔航天研究所)研究的NGC計畫,作為具有開放性結構的提案,受到了廣泛的關注。目前,美國三大汽車工業巨頭:GM,Ford,Chysler正在與控制器廠商合作,開發以PC為基礎的開放式模組化控制器，命名為OMAC(Open Modular Architecture Control)。1991年10月,在ESPRITⅢ中開始了一項整個歐洲的控制系統計畫OSACA(Open System Architecture for Control Swithin Automation System)，其研究目標是研製出自動化系統中的開放式控制系統體系結構。參加單位來自歐洲各國11家工具機廠、控制器廠商和高等院校。此項目工期從1992年5月到1996年5月,投入89人·年,總投資1140萬歐洲貨幣單位。日本於1994年12月成立了通產省的外圍組織IROFA(國際機器人及工廠自動化技術中心)下屬的NC開放化政策委員會。NC開放化政策委員會共有11家企業參加,主要課題是“開放型NC裝置的定義”及“參考模型(含接口等)的製作”。1994年,在日本還成立了OSE研究會,發起者為:東芝機械、豐田工機、日本IBM、三菱電機和SML。OSE的研究目的是制定(能將以計算機網路為中心的信息處理技術和以通用處理器驅使的具有高附加值的機能裝入控制器內的)開放式控制器的體系結構和安裝規約,進行實驗驗證和標準化的活動。

開放化的趨勢在全球製造業中已成為不可逆轉的潮流。這種國際趨勢的結果將是產生高度模組化、可以方便聯網集成的、可以方便進行二次開發的、擁有大量第三方套用軟體支持的、價格更便宜的、全新概念的數控系統。