第一章

過(guò)程控制系統(tǒng)的進(jìn)展和系統(tǒng)概念     

 

控制生產(chǎn)過(guò)程的方法 隨著時(shí)間不斷地變化著。它開始地使用模擬調(diào)節(jié)器的單回路控制。現(xiàn)在，使用數(shù)字信號(hào)的分散控制系統(tǒng)在過(guò)程控制領(lǐng)域一直在不斷增長(zhǎng)著。進(jìn)而，在工廠中應(yīng)用的各種控制系統(tǒng)綜合成一體的趨勢(shì)也在不斷向前發(fā)展（如CIM：Computer Integrated Manufacturing計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)*）。

第一章講述控制系統(tǒng)的進(jìn)展，當(dāng)然系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容也將說(shuō)明。

 

 

目        錄

1.1 關(guān)鍵詞條 PAGEREF _Toc467383039 \h 1

1.2 調(diào)節(jié)器進(jìn)行的過(guò)程控制 PAGEREF _Toc467383040 \h 2

1.3 過(guò)程控制功能 PAGEREF _Toc467383041 \h 3

1.4 過(guò)程控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc467383042 \h 4

1.5 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史 PAGEREF _Toc467383043 \h 5

1.6 綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc467383044 \h 8

1.7 CENTUM CS的系統(tǒng)概念 PAGEREF _Toc467383045 \h 10

 

 

 

 

 

*譯注：CIM在中國(guó)稱為CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）機(jī)械制造和裝配工業(yè)中從接受定單到向用戶交貨全過(guò)程的計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。近年來(lái)對(duì)化工、發(fā)電、煉油等過(guò)程工業(yè)也發(fā)展了與CIMS類似的COPS（Computer Integrated Process System）技術(shù)。

1.1 關(guān)鍵詞條

下列各條為本章中將研究的內(nèi)容

（1）調(diào)節(jié)器，指示調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器 1.2

（2）反饋控制 1.3

（3）順序控制 1.3

（4）直接數(shù)字控制（DDC） 1.4

（5）集中控制系統(tǒng) 1.5

（6）分散控制系統(tǒng) 1.5

（7）集中監(jiān)視和分散控制 1.5

（8）一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng) 1.6

（9）CS系統(tǒng)概念 1.7

 

1.2 調(diào)節(jié)器進(jìn)行的過(guò)程控制

圖1.1為使用模擬調(diào)節(jié)器的溫度控制回路。操作者設(shè)定一個(gè)溫度“給定值”，調(diào)節(jié)器自動(dòng)的調(diào)整操作變量，即輸出（例中為調(diào)整控制蒸汽流量的閥門開度）以減小測(cè)得的“過(guò)程變量”（溫度）和目標(biāo)值“給定值”之間的偏差。這種調(diào)整操作變量以減小“過(guò)程變量”和“給定值”之間偏差的過(guò)程稱之為反饋控制。

指示調(diào)節(jié)器（PID）指示測(cè)得的 “過(guò)程變量”（遠(yuǎn)處貯槽中液體的溫度），使用PID算法（P—比例，I—積分和D—微分）計(jì)算操作變量輸出（蒸汽流量），蒸汽流量的變化將減小“過(guò)程變量”和“設(shè)定”溫度間的偏差，也控制了貯槽中液體的溫度。

圖1.1    使用模擬調(diào)節(jié)器的過(guò)程控制

 

 

圖1.1也可用圖1.2來(lái)表示。

 

1.3 過(guò)程控制功能

直接控制生產(chǎn)過(guò)程的方法大體分為兩大類：回路控制（包括反饋和前饋控制）和順序控制。前者輸入模擬測(cè)量信號(hào)，后者輸入操作順序和過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)。

l 反饋控制：控制動(dòng)作直接校正過(guò)程變量（如貯槽中液體溫度）, 比較目標(biāo)值（設(shè)定值），使兩者一致。

l 前饋控制：借助測(cè)量干擾量（如環(huán)境溫度）產(chǎn)生校正動(dòng)作，在干擾尚未對(duì)過(guò)程產(chǎn)生影響前直接作用于閥門。

l 順序控制：根據(jù)預(yù)先指定的順序，控制作用為一系列連續(xù)完成的控制步程.

 

在CENTUM CS中，所有回路控制，包括前饋控制均歸于“反饋控制”類中。同樣，它還包括諸如電動(dòng)機(jī)控制，電力分配控制。

 

1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)

為完成圖1.1所示的溫度控制，需要一個(gè)控制系統(tǒng)（即一種完成控制運(yùn)算的設(shè)備）。有多種可選用的控制系統(tǒng)，它們一般可分為模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。

模擬控制系統(tǒng)：使用運(yùn)算放大器等，控制設(shè)備用模擬信號(hào)（如電壓）進(jìn)行控制運(yùn)算，不能進(jìn)行順序控制。

數(shù)字控制系統(tǒng)：使用處理器（處理單元），控制設(shè)備用數(shù)字信號(hào)完成控制運(yùn)算，它不僅可以完成反饋和前饋控制（總稱直接數(shù)字控制DDC），而且還可用于順序控制。

 

 

l DDC（直接數(shù)字控制）：由數(shù)字設(shè)備完成調(diào)節(jié)器功能，控制器的輸入和輸出可以是模擬信號(hào)。同樣，在監(jiān)視時(shí)，上位機(jī)直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出。

 

1.5 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史

數(shù)字控制系統(tǒng)隨著它的組件變化而取得的進(jìn)步而不斷進(jìn)展，圖1.5展示了這些進(jìn)展。

 

 

 

電子計(jì)算機(jī)首次用于過(guò)程控制領(lǐng)域是在60年代，隨后一些數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。

引入計(jì)算機(jī)的目的有兩個(gè): ?數(shù)據(jù)報(bào)表; -初期的設(shè)定點(diǎn)控制（SPS）.

 

 

?計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)報(bào)表操作指導(dǎo)              -計(jì)算機(jī)控制設(shè)定值控制（SPS）

             圖1.6 數(shù)據(jù)報(bào)表                      圖1.7  設(shè)定值控制

 

 

計(jì)算機(jī)引入過(guò)程控制初期，調(diào)節(jié)器功能由計(jì)算機(jī)代替和DDC控制，在DDC控制中，開始用計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過(guò)程。

早期，控制系統(tǒng)是集中的那里一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)不僅完成監(jiān)督和操作，而且還完成全部過(guò)程控制。這樣做最重要的原因是計(jì)算機(jī)的成本。

微處理器的出現(xiàn)大大地改變了上述情況。研究的主題變?yōu)槿缈蓪?shí)現(xiàn)多種多樣的功能分散風(fēng)險(xiǎn)，分散功能，等等），如何將各種各樣專有的和普遍要求結(jié)合在一起。

分散控制系統(tǒng)（DCS）根據(jù)過(guò)程控制的要求，現(xiàn)在已有輸入點(diǎn)分散至1個(gè)回路8個(gè)回路16個(gè)回路直至80個(gè)回路的適用系統(tǒng)。

 

 

®集中控制：                                   ˉ分散控制：

  集中控制 , 集中監(jiān)測(cè)                           分散控制   集中檢測(cè)

圖1.8 集中控制                           圖1.9 分散式控制

 

 

1.6 綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)

當(dāng)今對(duì)分布于全工廠的控制系統(tǒng)一體化的趨勢(shì)已達(dá)到實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）水平。下面的4種方法促進(jìn)了CIM的實(shí)現(xiàn)。由于這些方法是相互結(jié)合的，故將來(lái)的系統(tǒng)需要一體化。

l 控制室的一體化

減少控制室數(shù)量以減少操作各個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面的數(shù)量。

l  現(xiàn)存系統(tǒng)的一體化

現(xiàn)存多個(gè)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)新系統(tǒng)，以達(dá)到在新系統(tǒng)中的ICS站上集中操       作。

l 單窗口

作為CIM的一部分，應(yīng)用CENTUM CS人機(jī)接口中的“X-window”功能操作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

l 過(guò)程儀表裝置和電氣控制的一體化

過(guò)程控制和電氣控制由DCS的一個(gè)操作界面操作.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1.11   一體化控制系舉例（2）

 

1.7 CENTUM CS的系統(tǒng)概念

這一節(jié)將引入“綜合處理 ”的概念，這是橫河電機(jī)系統(tǒng)工作引出的一個(gè)基本概念。本節(jié)將講述這個(gè)概念和CENTUM CS一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的關(guān)系及其特點(diǎn)。

 

（1） 綜合處理

綜合處理（CS）是橫河系統(tǒng)業(yè)務(wù)工作中產(chǎn)生的一個(gè)基本概念。橫河電機(jī)支持用戶總結(jié)多年來(lái)為滿足生產(chǎn)需要解決各種問(wèn)題而積累的技術(shù)專利。為實(shí)現(xiàn)上述目的，橫河電機(jī)與用戶密切使用相結(jié)合，集中精力通過(guò)一體化技術(shù)如計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）和生產(chǎn)中心組織等方式構(gòu)筑先進(jìn)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

*生產(chǎn)中心組織：

這是一種構(gòu)想，目的是將生產(chǎn)組織得更合理，方法是提高直接生產(chǎn)各部分和間接生產(chǎn)各部分間的協(xié)調(diào)性。

 

 

 CS也含用戶滿意（Customer Satisfaction）之義.

通過(guò)CENTUM CS，橫河電機(jī)可提供滿足用戶要求的各種解決方案。

 

（2） 系統(tǒng)概念

為滿足預(yù)期90年代中期開始或產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)變化，橫河電機(jī)開發(fā)了CENTUM CS系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)下列四類系統(tǒng)構(gòu)想：

構(gòu)想1不斷創(chuàng)新的系統(tǒng)一體化

構(gòu)想2可持續(xù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

構(gòu)想3使用期間費(fèi)用最小

構(gòu)想4工程技術(shù)可不斷革新

實(shí)現(xiàn)了上述構(gòu)想，CENTUM CS給了用戶一個(gè)十分令人滿意的解決方案。

 

圖1.12 系統(tǒng)概念構(gòu)成