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1、第四章 工业控制计算机 及集散控制系统1 4 1 工业集散控制系统概述 工业生产自动化的概念 工业生产的自动化控制系统可分为过程控制自动化 制造 工业自动化和混合型工业自动化 过程控制自动化主要是指大型连续生产的流程工业 如化 工 石油 电力 造纸等行业的生产过程自动化控制与测量 系统 制造工业自动化是指离散型制造过程 如汽车 电子设备 机械 飞机等行业及制造 加工配装过程的自动化控制与 测量系统 混合型制造业 又称间隙过程工业 自动化 如冶金 食品 玻璃 半导体 轻纺等行业生产过程的自动控制与自动测 量系统 工业生产自动化的概念 流程工业业自动动化测测控系统统的控制对对象是温度 流量 压压
2、力 物位等 以模拟拟量为为主 常采用传统传统 的模拟拟型 气动动或 电动电动 式 单单元组组合式工业仪业仪 表 也可采用智能式 数字式 回 路可编编程调节调节 器 ILC 或20世纪纪90年代流行的集散型控制系 统统 DCS 以及最新的现场总线现场总线 系统统 离散型的制造工业自动化的主要控制对象是速度 位置 几何量等 以开关量为主 常采用传统的继电器控制系统 或可编程逻辑控制器 PLC 混合型工业自动化控制系统的控制对象 既有模拟量又有 开关量 因此 上述两类系统所采用的控制装置常混合在一 起使用 目前国内轻工 食品加工业采用DCS的还很少 主要 是由于DCS的价格过于昂贵 但在国外 大型的
3、轻工 食品加 工业是DCS系统的大用户 数字式自动动化控制系统统 数字式控制系统的发展大致分为三个阶段 20世纪50年代为工业过程计算机应用 的初期 60年代至70年代为集中式计算机控制时期 70年代中期以后 以微型计算机 为基础的工业测控系统获得迅速发展和广泛的应用 尤其是80年代中期进入了以4C技 术 计算机 通信 控制 CRT 为特征的集散型控制系统的发展时期 50年代 在数字计计算机出现现以后 控制工程师们师们 就进进行了大量的实验实验 和研究 希望用计计算机对对大型生产过产过 程进进行集中检测检测 和控制 以克服模拟拟式仪仪表过过于分散 监视监视 和操作不便的缺点 并实现实现 比普通
4、的比例 积积分 微分 PID 更为为高级级的控制 当 时时人们们主要研究数字计计算机在导弹导弹 和飞飞机测测控方面的应应用 在离线线状态态下 对对数据 进进行采集和分析计计算 计计算机与过过程装置之间间没有任何物理上的联联系 后来 扩扩充 了对对控制器的设设定值值和执执行器位置值值的计计算 但计计算后的值值仍由人工输输入执执行装置 1956年美国的TRW航空公司和Texaco公司提出了一个论证报论证报 告 决定针对针对 美国得克 萨萨斯州 TEXAS 的Port Arthur炼炼油厂的一台聚合装置进进行研究 采用一台TRW 300计计 算机 1959年投入运行并获获得成功 它主要用于数据记录记
5、录 并可进行部分控制 这套控 制系统可测控26个流量 72个温度 3个压力和成分量 其基本功能是使反应器的压 力最小并确定5个反应器供料的最佳分配 根据催化剂性能的测量结果控制热水的流 入量以确定最佳循环 这是世界上最早成功应用数字计算机完成的工业测控系统 数字式自动动化控制系统统 60年代初 人们开始试验直接将计算机与变送器 执行器连接起来 实现过程 的测检 监视以及对过程的控制并取得了成功 如1962年英国帝国化学工业公司 ICI 安装了一套Ferranti Argus计算机控制系统 替代了全部模拟式控制仪表 它可 以直接测量224个过程参数并控制129个阀门 早期的数字控制在多数情况下的
6、应应用为单为单 回路控制 每台计计算机直接参与控制 和管理的过过程装置量比较较少 称为为直接数字控制系统统 Direct Digital Control System 简简称DDC系统统 它是用一台计计算机配以适当的输输入输输出设备设备 例如模数 A D 和数模 D A 转换转换 从生产现场获产现场获 取信息 按照预预先确定的控制算法算出控制 量 并通过输过输 出通道 直接作用于执执行机构上 实现实现 生产过产过 程的闭环闭环 控制 DDC控 制是数字式控制系统统中最基本的 应应用最为为广泛的控制形式 直接数字控制与常规 模拟式仪表控制系统有很大的相似性 但是由于计算机的快速性 数字化以及是通
7、过 执行程序来实现各种控制规律 因此 DDC控制又具有下列特点 一台计算机的DDC控制器可以取代多台模拟控制器 完成比例 积分 微分运算 和逻辑判断功能 且可以完成常规仪表很难甚至无法实现的通信和优化控制 控制规律的范围变化较宽 各参数之间无互相干扰 容易实现无扰动切换 对噪声较大的信号 可通过数字滤波 即滤波计算程序 来提高信号的真实性 DDC不仅能实现常规的PID调节规律 而且能灵活有效地实现各种更先进 更 复杂的控制规律 如前馈控制 大滞后系统控制和解耦控制等 数字式自动动化控制系统统 在70年代中期 随着石油工业业的大型化 在大型工业业生产产中仅仅采用上述的一 个计计算机控制单单个或几
8、个回路的DDC方式 就很难难适应应 因此 出现现了集中式计计 算机控制系统统 集中式DDC控制系统统是采用一台计计算机完成对对几十甚至几百个控 制回路 上千个过过程变变量的数据采集 处处理 存储储 报报警和控制 并且还还可以 实现实现 生产调产调 度和工厂管理的部分功能 这这种集中型DDC控制系统统比起常规仪规仪 表控 制系统统有很大的优优越性 控制功能齐齐全 可实现实现 模拟仪拟仪 表几乎无法实现实现 的复杂杂 控制 并且便于信息的分析和综综合 易实现实现 整个流程的最优优控制 众多的模拟拟 仪仪表指示盘盘可以用一台操作站的CRT显显示器替代 改善了人机界面 但是人们在大量应用集中型计算机控
9、制系统的过程中 也发现它存在一些问 题 单台计算机集中控制了几十个甚至几百个回路 一旦计算机发生故障 将 导致生产流程的全面瘫痪 即控制集中 危险也集中了 由于生产流程的控制变量和运算量很大 一台计算机的速度和容量不足 而用多台计算机 则计算机之间的数据和控制信息的交换比较困难 由于对流程的控制要求不断提高 软件更加庞大 复杂 开发周期长 修 改困难 因此 人们又逐渐地把注意力转向控制系统的分散化 并要求既具有DDC的 控制优点 又要解决信息集中管理 危险也集中的矛盾 于是提出了分层控制的 概念 自80年代中期逐步发展为目前的集散控制系统 集散型计算机控制系统 集散型计算机控制系统的结构是一个
10、分布式的系统 所以又称分布式计算机 控制系统DCS Distributed Computer System 基本思想是管理功能集中 控 制功能分散 1 集散系统组成 DCS是随着计计算机技术术 信号处处理技术术 自动测动测 量和控制技术术 通信网络络技 术术和人机接口技术术的发发展和相互渗透而产产生的 既不同于分散的常规仪规仪 表控制 系统统 又不同于集中式的计计算机控制系统统 它是吸收了两者的优优点 并在此基础础 上发发展起来的一个系统统工程 具有很强的生命力和显显著的优优越性 如图图7 2所示 集散型计算机控制系统 显然 集散型控制系统通常可分为四级 1 直接控制级 直接控制级的过程控制计
11、算机直接与现场各种装置相连 例如变送器 执行 器 记录和显示仪表等 对现场的装置和参数实施监测和控制 例如进行数字的 开环和闭环控制 对设备和控制系统进行测量或诊断 同时 它还与第二层的过 程管理计算机相连 接受上层计算机的指令和管理信息 并向上传递现场采集的 数据 包括实时数据和特征数据 该级可以采用带通信接口的可编程控制器 PLC 或单片计算机测控装置 具有网络功能的工业自动化仪表 如DDZ S 工业标准总 线计算机 STD总线 和工业增强型个人计算机 PC总线 集散型计算机控制系统 1 直接控制级 2 过程管理级 过程管理级计算机 又称操作站 可监视直接控制级各站的信息 如故障检 测存档
12、 历史数据 记录状态报告 打印显示 优化过程控制 协调各站的操作 关系 控制回路状态和参数修改等 该级常采用工业控制计算机 PC总线 和专用 计算机等 3 生产管理级 生产产管理级计级计 算机是根据用户户的订货订货 情况 库库存情况 能源情况来规规划各 单单元的产产品结结构和规规模 并且可以随时时更改产产品结结构 使生产线产线 具有柔性制造 的功能 是产产品生产产的总总体协调协调 与控制器 该级该级 容量大 运算功能强 信息的 实时实时 性要求低于过过程控制计计算机 一般通信速率在200ms以上 通常该级该级 在中小 企业业自动动化系统统中 也就是最高一级级了 对对于具有第四级级的大型企业业
13、生产产管 理级级可与上层层交互传递传递 数据 并接受管理指令 该级该级 常采用计计算机服务务器和小 型计计算机 集散型计算机控制系统 1 直接控制级 2 过程管理级 3 生产管理级 4 经营管理级 经营管理级是工厂自动化系统 factory Automation 的最高层 它 的管理范围包括工程技术 经济和商业事务 人事活动 财务活动 规 划和市场分析等 并存储和处理大量的信息 通过综合的产品计划 在 各种变化条件下对各种各样的信息和装置进行合理的配调 如产品的经 营 销售 订货 接受以及产品产量和质量的调整 调度生产计划 财 务管理 设备管理 总厂管理等 以达到最优地解决某些问题 该级常采用
14、小型或中型计算机 并与其他相关工厂或单位 如银行 税务 交通等组成广域网并提供大范围的产品售后服务和技术支持 目前 国内的中小企业大多只有第一层 某些发展较快的企业也只有 一 二层 少数大的企业已开始具有第三层的部分功能 在国外 即使 世界上目前最优秀的集散控制系统 也多局限在第一 二 三层 集散控制系统的特点 1 分散控制系统的可靠性高 DCS采用了标准化 模块化和系列化的设计 把众多的现场实时控制 交给许多台DDC来完成 控制功能分散了 负荷也分散了 当上级计算机 出现故障时 DDC仍可独立完成相应回路的控制 而且当某台DDC出现问题 相关的其他DDC有可能根据上级计算机的指令 完成某项操
15、作 补偿由 于某台DDC出问题所导致的控制功能的降低 这样可大大提高整个测控系 统的可靠性 2 管理集中 易于实现更高级的控制规律 各DDC与操作站是通过过网络络接口连连接起来的 它们们不仅仅可独立地完成 分配给给自己的任务务 而且在上级计级计 算机的协调协调 管理下 可以完成整个生 产产流程总总体功能的优优化控制 使系统统的操作具有更好的可控性 因为仅为仅 仅仅把生产线产线 的控制系统统由模拟仪拟仪 表改为为数字仪仪表 或由DDC改为为DCS所 带带来的控制效益有限 往往只有20 只有充分应应用DCS的功能 采用先 进进的测测控策略 才能提高DCS的经济经济 效益 约约占运行效益的60 集散
16、控制系统的特点 3 采用组态软件具有良好的人机界面 集散型控制系统软件大都采用菜单式组态软件 它是面向工程技术人员和生产操 作人员而设计的 其运行界面十分友好 集散系统的操作多为实用而简捷的人机会话系统 CRT彩色高分辨率交互图形显 示 复合多窗口技术 画面日趋丰富 综观 控制 调整 趋势 流程图 回路一览 报警一览 批量控制 计量报表 摸作指导等画面 菜单功能具有实时性 采用平 面密封式薄膜操作键盘或触摸式屏幕 鼠标器或跟踪球操作器等 语音输入 输出使 操作员与系统对话更方便 提供的组态软件 包括系统组态 过程控制组态 画面组态 报表组态等 是集散 型控制系统的关键部分 用户的方案及显示方式由它来解释生成DCS内部可理解的目 标程序或数据 它是DCS的 原料 加工处理软件 使用组态软件可以生成相应的实用 系统 易于用户制定新的控制策略 便于灵活扩充 4 配置灵活 可扩展性好 硬件和软软件采用开放式 标标准化和模块块化设计设计 系统为积统为积 木式结结构 具有灵活 的配置 可适应应不同的测测控需要 可根据生产产要求 改变变系统统的大小配置 在工厂 改变变生产产工艺艺 生产产流程时时 只
