過程控制第一章緒論

1、1 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 第一章第一章 緒論緒論 作者：魯照權(quán)作者：魯照權(quán) 方敏方敏 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS 2 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 本章內(nèi)容要點本章內(nèi)容要點 v 2. 從過程建模、控制策略與方法、軟測量技術(shù)、過程優(yōu)化和計算 機(jī)集成過程系統(tǒng)等方面介紹了過程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。 v 3. 工業(yè)過程往往具有高階次、多變量、分布參數(shù)、強(qiáng)耦合、大慣 性、大時滯、嚴(yán)重不確定與非線性等特點，因此，過程控制方案也 十分豐富。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計以被控過程的特性和工藝要求為依 據(jù)，通常有單變量控制系統(tǒng)，多變量控制系統(tǒng)；

2、有儀表過程控制系 統(tǒng)，DCS，也有FCS；有復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系 統(tǒng)。 v 1. 過程控制的發(fā)展經(jīng)歷了基于經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和多 學(xué)科交叉的三個階段。第一階段從基地式儀表發(fā)展到單元組合式儀 表；第二階段從單元組合式儀表發(fā)展到分布式控制系統(tǒng) （distributed Control System, DCS），又稱集散控制系統(tǒng)；第 三階段出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) （Fieldbus Control System, FCS）。 3 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 本章內(nèi)容要點本章內(nèi)容要點 v 5. 過程控制系統(tǒng)均由檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和被控 過

3、程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。通常，將它們稱為過程檢測控制儀表（或自動化 儀表），則過程控制系統(tǒng)由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組 成。 v 6. 從過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，可以將過程控制系統(tǒng)分為反饋控 制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)；從給定信號的 特點來看，可以將過程控制系統(tǒng)分為定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 和隨動控制系統(tǒng)。 v 4. 過程控制系統(tǒng)通常指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控量是 溫度、壓力、流量、液位和成分等過程變量的系統(tǒng)。 v 7. 簡單介紹了DCS和FCS 的結(jié)構(gòu)和特點。隨著PLC的快速發(fā)展，其 結(jié)構(gòu)越來越靈活，功能越來越強(qiáng)大。采用PLC構(gòu)成DCS或FCS將越來 越方便。 4

4、過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，連續(xù)工業(yè)逐步向大型化、連續(xù)化、自動 化和集成化方向發(fā)展。為了提高競爭力，連續(xù)工業(yè)正在不斷地通過提 高自動化水平來提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省能耗、降低成本以獲得更顯著的 經(jīng)濟(jì)效益。 1.1.1 1.1.1 過程控制的發(fā)展及現(xiàn)狀過程控制的發(fā)展及現(xiàn)狀 過程工業(yè)是指石化、電力、冶金、造紙、化工、醫(yī)藥和食品等工業(yè)， 其特點是連續(xù)性。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，1991年以來我國公布的產(chǎn)品銷售額排名 的前10名中，有80%90%屬于連續(xù)工業(yè)；按利潤排名的前20名中，連續(xù) 工業(yè)約占70%，可見連續(xù)工業(yè)的發(fā)展對我國

5、國民經(jīng)濟(jì)有著十分重要的意 義。 5 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 許多國內(nèi)外的專家、學(xué)者認(rèn)為，過程控制在控制理論、控制工 程、控制要求、控制水平等方面大約經(jīng)歷了以下三個發(fā)展階段，見 表1-1。 階段 第一階段 （20世紀(jì)70年代 以前） 第二階段 （20世紀(jì)70-80年 代） 第三階段 （20世紀(jì)90年代） 控制理論 控制工具 控制要求 控制水平 經(jīng)典控制理論 常規(guī)儀表 安全、平穩(wěn) 簡單 現(xiàn)代控制理論 DCS 優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗 先進(jìn)控制系統(tǒng) 多學(xué)科交叉 FCS、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 市場預(yù)測、柔性生產(chǎn)、綜合管理 CIPS 表1-1 過程控制發(fā)展的三個階段 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的

6、發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 6 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 在控制系統(tǒng)方面，絕大多數(shù)是單變量的簡單控制系統(tǒng)，對于比較重要 的工藝變量則設(shè)計串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)或前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代以前，過 程工業(yè)的自動化水平相對比較低。當(dāng)時的控制理論主要是經(jīng)典控制理論， 所能采用的控制工具主要是常規(guī)儀表。 20世紀(jì)70年代到80年代，基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)過程控制（Advanced Process Control, APC）應(yīng)運而生。先進(jìn)過程控制的出現(xiàn)主要是基于以下兩 點： 一是市場上先進(jìn)的控制工具，如分布式控制系統(tǒng)（DCS）的出現(xiàn)與完善； 二是現(xiàn)代

7、控制理論的不斷發(fā)展與提高，如預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、非 線性控制、魯棒控制，以及智能控制等控制策略與方法都已成為目前國內(nèi) 外學(xué)術(shù)界和工程界的熱門研究課題。國內(nèi)外已有許多先進(jìn)過程控制成功的 工業(yè)應(yīng)用報道。 7 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 近年來，在控制工具方面，出現(xiàn)了一種新的控制系統(tǒng)，稱之為現(xiàn)場總 線系統(tǒng)（FCS）?，F(xiàn)場總線技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的綜合 與集成，它的特點是全數(shù)字化、全分布、全開放、可互操作和開放式互連 網(wǎng)絡(luò)。它克服了DCS的一些缺點，在體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法、安裝調(diào)試方法和 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，對自動控制系統(tǒng)產(chǎn)

8、生了深遠(yuǎn)的影響。 盡管先進(jìn)過程控制能提高控制質(zhì)量并產(chǎn)生較明顯的經(jīng)濟(jì)效益（如采用 卡邊控制），但是它們?nèi)匀恢皇窍鄬铝⒌目刂葡到y(tǒng)。許多專家進(jìn)一步研 究發(fā)現(xiàn)，將控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理等集于一體，并將信號處理技術(shù)、數(shù) 據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而發(fā)展起來的高級 自動化具有更重要的意義。因此，出現(xiàn)了所謂綜合自動化系統(tǒng)。這種全新 的綜合自動化系統(tǒng)稱為計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（computer integrated process system，CIPS）可以認(rèn)為是過程控制發(fā)展中的第三個階段。 8 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1 1. . 過程建模過程建模 目前國內(nèi)外采用的建模方法大致有3類

9、： （1 1）機(jī)理建模）機(jī)理建模 此種建模方法根據(jù)過程本身的內(nèi)在機(jī)理，利用能量平衡、物質(zhì)平衡、 反應(yīng)動力學(xué)等規(guī)律建立系統(tǒng)的模型。此方法目前仍有不少應(yīng)用場合，但在 方法上沒有太大的發(fā)展。這是由于過程工業(yè)種類繁多，其物化反應(yīng)、生化 反應(yīng)等過程非常復(fù)雜，要想根據(jù)機(jī)理來建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 1.1.2 過程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 （2 2）“黑箱子黑箱子” ” 系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識 此種建模方法根據(jù)被控過程的輸人、輸出數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。屬于這 類方法的有最小二乘系統(tǒng)辨識、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型、模糊模型和專家系

10、 統(tǒng)模型等。各種智能模型的交叉亦是此類模型的一種趨勢。 9 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) （3 3）集成模型建模）集成模型建模 此種建模方法將彌補(bǔ)機(jī)理建模和“黑箱子”系統(tǒng)辨識建模的短處而利 用它們的長處。其基本思想是將機(jī)理建模方法與各種系統(tǒng)辨識方法有機(jī)地 結(jié)合，產(chǎn)生出能夠較準(zhǔn)確地描述復(fù)雜過程的模型。此方法目前尚無明確的 定義，但國內(nèi)外已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究和探討，是過程建模的的一個新 研究方向。 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 盡管國內(nèi)外許多學(xué)者在過程建模方面做出了卓有成效的努力，但就目 前過程控制的水平而言，工業(yè)過程模型仍然是控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的瓶頸， 在這

11、一方面，今后仍有大量的工作要完成。 10 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 目前，學(xué)術(shù)界所研究、開發(fā)出來的控制策略（算法）很多，但其 中許多算法仍只停留在計算機(jī)仿真或?qū)嶒炑b置的驗證上，真正能有效 地應(yīng)用在工業(yè)過程中的仍為數(shù)不多。以下是一些較公認(rèn)（特別是能得 到工程界認(rèn)可）的先進(jìn)控制策略（算法）： 2. 2. 控制策略與方法控制策略與方法 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 （1 1）改進(jìn)的或復(fù)合）改進(jìn)的或復(fù)合PIDPID控制算法控制算法 大量的事實證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對于絕大多數(shù)工業(yè)過程的被 控過程（高達(dá)90%）可取得較好的控制效果。采用改進(jìn)的PID算法或者 將

12、PID算法與其他算法相結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 11 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) （2 2）預(yù)測控制）預(yù)測控制 預(yù)測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控 制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高，因而 很快引起工業(yè)控制界以及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視，現(xiàn)已有許多商品 化的預(yù)測控制軟件包以及許多成功應(yīng)用的報道。預(yù)測控制有三個要素， 即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。其機(jī)理表明它是一種開放式的控 制策略，體現(xiàn)了人們在處理帶有不確定性問題時的一種通用的思想方 法。 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 根據(jù)預(yù)測模型的不同形式，預(yù)測控制分別

13、稱之為（model predictive control）MPC，（generalized predictive control） GPC和（receding horizon predictive control）RHPC。此外，預(yù)測 控制還可以采取其他形式的模型，如非線性模型、模糊模型和神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)模型等。目前，預(yù)測控制仍在不斷發(fā)展中。其中，將預(yù)測控制思想 和方法推廣到廣義控制問題是重要的研究方向之一。 12 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) （3 3）自適應(yīng)控制）自適應(yīng)控制 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 在過程工業(yè)中，不少的過程是時變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不

14、 變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應(yīng) 控制系統(tǒng)來適應(yīng)時變的過程。它是辨識與控制的結(jié)合。目前，比較成 熟的自適應(yīng)控制分三類：自整定調(diào)節(jié)器及其他簡單自適應(yīng)控制器、模 型參考自適應(yīng)控制和自校正調(diào)節(jié)與控制。 自適應(yīng)控制已在工程實踐中得到了不少的應(yīng)用，但它至今仍然有 許多待進(jìn)一步解決的問題（特別在參數(shù)估計方面），這些問題不解決， 自適應(yīng)控制的廣泛應(yīng)用仍將遇到許多困難。因此，仍有大量工作要做。 此外，更高一級的自組織與自學(xué)習(xí)控制也在不斷研究中。 13 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) （4 4）智能控制）智能控制 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 隨著

15、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加 注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué) 習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過程日趨復(fù)雜，過程嚴(yán)重的非線性和不確定 性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前 提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計卻不依賴 過程的數(shù)學(xué)模型，因而對于復(fù)雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制 效果。 常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、 專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。這些智能控制方 法各有千秋，但又存在不足。同時，研究表明將它們相互交叉結(jié)合或 與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會產(chǎn)生更佳的效果。智能

16、控制已在家電行業(yè) 及工業(yè)過程中取得了許多成功的應(yīng)用，特別是模糊控制方法已在家電 行業(yè)中廣泛應(yīng)用。 14 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 在許多工業(yè)過程中，存在著很多這樣的變量：它們由于技術(shù)和經(jīng) 濟(jì)的原因，目前尚難以或暫時無法通過傳感器進(jìn)行檢測，但同時又需 要加以嚴(yán)格的控制、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過程工藝變量。如精 餾塔的產(chǎn)品組分濃度，化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度和產(chǎn)品分布，發(fā)酵罐 中的生物量參數(shù)和制漿工業(yè)中的卡伯值（Kappa numbe）等。 3. 3. 軟測量技術(shù)軟測量技術(shù) 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 解決這些變量檢測問題的途徑有：開發(fā)新的傳感器；基于一些容

17、 易測量的二次工藝變量，通過一定的方法推算出要檢測的工藝變量數(shù) 值。第二種方法就稱之為軟測量技術(shù)（或稱之為軟測量儀表）。建立 軟測量的方法通常有以下幾種： （1）基于工藝機(jī)理分析 （2）基于回歸分析 15 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 （3）基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) （4）基于模式識別 （5）基于模糊模型 有許多因素影響軟測量性能，如輔助變量及數(shù)目的選擇，檢測點 位置的選擇，數(shù)據(jù)的處理與變換，軟測量的在線校正等。要想真正地、 可靠地將軟測量用于工業(yè)過程，上述因素均需仔細(xì)地加以考慮并采取 相應(yīng)的有效措施，特別是對于工業(yè)現(xiàn)場存在許多干擾的

18、情況下更需付 出巨大的努力。 16 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 過程優(yōu)化包含兩層意思：一是穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，二是最優(yōu)控制。 4. 4. 過程優(yōu)化過程優(yōu)化 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 經(jīng)驗證明，在經(jīng)濟(jì)效益方面，過程優(yōu)化獲益比先進(jìn)控制要高出 510倍。因此，過程優(yōu)化技術(shù)在連續(xù)工業(yè)中大有作為。 目前穩(wěn)態(tài)優(yōu)化技術(shù)（或稱之為離線操作優(yōu)化或調(diào)優(yōu)）主要有三種 方法，即統(tǒng)計調(diào)優(yōu)法（evolutionary operation，EVOP），模式識別 法（pattern recognition，PR）與操作模擬分析法（operation simulation analysis，OS

19、A）。這些方法的共同點是利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)以 及建模、優(yōu)化方法在約束條件下求解最優(yōu)的工藝參數(shù)，提供操作指導(dǎo)。 當(dāng)然，操作條件優(yōu)化也可以用計算機(jī)在線自動完成。動態(tài)最優(yōu)控制則 是保證穩(wěn)態(tài)操作點的“最優(yōu)性”。 17 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 當(dāng)前，在機(jī)械加工行業(yè)中，計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）是國內(nèi) 外熱門的研究課題?？紤]到過程工業(yè)與機(jī)械加工行業(yè)的不同特點，在 過程工業(yè)中CIMS被稱為計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（Computer integrated process system，CIPS）。計算機(jī)集成過程系統(tǒng)的出現(xiàn)與計算機(jī)技術(shù)、 通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展是分不開的。 5. 5. 計算機(jī)集成過程

20、系統(tǒng)（計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPSCIPS） 1.1 過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 CIPS覆蓋操作層、管理層、決策層，涉及企業(yè)生產(chǎn)全過程的計算 機(jī)優(yōu)化。它的最大特點是多種技術(shù)的“綜合”與全企業(yè)信息的“集 成”，它是信息時代企業(yè)自動化發(fā)展的大方向。 企業(yè)內(nèi)存在許多自動化孤島，即企業(yè)內(nèi)的計算機(jī)系統(tǒng)是相互獨立 的，不同計算機(jī)間不能互通信息，工程師不能用生產(chǎn)過程計算機(jī)接收 實驗室計算機(jī)、管理系統(tǒng)計算機(jī)傳來的信息，硬件、軟件不能兼容， 造成過程控制與管理決策、經(jīng)營貿(mào)易的失衡，限制了公司迅速適應(yīng)營 銷、市場和生產(chǎn)變化的能力。 18 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.1 過程控

21、制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢 據(jù)專家分析，CIPS的關(guān)鍵技術(shù)有如下幾個方面： （1）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) （2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) （3）各種接口技術(shù) （4）過程操作優(yōu)化技術(shù) （5）先進(jìn)控制技術(shù) （6）軟測量技術(shù) （7）生產(chǎn)過程的安全保護(hù)技術(shù)等 其中（4）（7）是自動化技術(shù)的熱門研究課題，它們的發(fā)展與 進(jìn)步將是實施CIPS的保證。 CIPS利用計算機(jī)技術(shù)對整個企業(yè)的運作和過程進(jìn)行綜合管理和控 制，它包括市場營銷、生產(chǎn)計劃調(diào)度、原料選擇、產(chǎn)品分配、成本管 理，以及工藝過程的控制、優(yōu)化和管理的全過程。分布式控制系統(tǒng)、 先進(jìn)過程控制以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)是實現(xiàn)CIPS的重要基礎(chǔ)。

22、19 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.2 過程過程工業(yè)工業(yè)與控制的特點與控制的特點 從控制工程的觀點看，過程工業(yè)有以下一些特點： 1）連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨著物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變反應(yīng)等。 因此，過程機(jī)理十分復(fù)雜； 2）被控過程往往是高階次、強(qiáng)耦合、大慣性、大時滯、嚴(yán)重不確 定性與非線性等，控制起來非常困難； 3）連續(xù)工業(yè)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運行，生產(chǎn) 的安全性是至關(guān)重要的。因此，對自動控制系統(tǒng)的可靠性提出了非常 苛刻的要求。 與其它自動控制系統(tǒng)相比，過程控制大致可歸納為： 1) 連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。過程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過程的 自動控制，其被控量需定量地控制，而且滿足連續(xù)

23、可調(diào)。若控制動作 在時間上是離散的（如采樣控制系統(tǒng)等），但是，其被控量需定量控 制，也歸入過程控制。 20 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 2) 被控過程是多種多樣的、非電量的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中， 工業(yè)過程很復(fù)雜。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品品種 多樣，因此過程控制中的被控過程是多種多樣的。諸如石油化工過程 中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器、流體傳輸設(shè)備；熱工過程中的鍋爐、熱交 換器；冶金過程中的轉(zhuǎn)爐、平爐、加熱爐；機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐等。 它們的動態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大時滯、非線性特性。有些機(jī)理復(fù) 雜（如發(fā)酵過程、生化過程等）的過程至今尚未被人們所認(rèn)識，很難 建立其精確的數(shù)學(xué)模型。因此，設(shè)

24、計能適應(yīng)各種過程的控制系統(tǒng)并非 易事。 3) 過程工業(yè)的控制過程多屬慢過程，而且多半為參量控制。由于 被控過程具有大慣性、大時滯等特性，控制過程多屬慢過程。另外， 在石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、制藥等過程工業(yè)中，往往 采用一些物理量和化學(xué)量（如溫度、壓力、流量、液位、成分、pH值 等）來表征其生產(chǎn)過程是否正常。因此，需要對上述過程參數(shù)進(jìn)行自 動檢測和自動控制，故過程控制多半為參量控制。 1.2 過程過程工業(yè)工業(yè)與控制的特點與控制的特點 21 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 4) 過程控制方案十分豐富。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，工藝條件 越來越復(fù)雜，對過程控制的要求越來越高。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計以

25、被 控過程的特性為依據(jù)。由于工業(yè)過程大多屬多變量、分布參數(shù)、大慣 性、大時滯和非線性等的復(fù)雜、多變特性，為了滿足上述特點與工藝 要求，過程控制中的控制方案是十分豐富的。通常有單變量控制系統(tǒng)， 也有多變量控制系統(tǒng)；有儀表過程控制系統(tǒng)，也有集散控制系統(tǒng)；有 復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系統(tǒng)。 5) 定值控制是過程控制的一種常用形式。在石油、化工、電力、 冶金、輕工、環(huán)保和原子能等現(xiàn)代過程工業(yè)中，過程控制的主要目的 在于消除或減小外界干擾對被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在給 定值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高能和低消耗的目標(biāo)。定值控制仍 是目前過程控制的一種常用形式。 1.2 過程過程工業(yè)工

26、業(yè)與控制的特點與控制的特點 22 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控量是 溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度和pH值（酸堿度或氫離 子濃度）等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。 1.3.1 1.3.1 過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 下面以幾個典型的控制系統(tǒng)為例，來介紹過程控制系統(tǒng)的組成。 1 1發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 鍋爐是電力、冶金、石油化工等工業(yè)部門不可缺少的動力設(shè)備， 其產(chǎn)品是蒸汽。發(fā)電廠從鍋爐汽鼓（汽包）中出來的飽和蒸汽經(jīng)過過 熱器繼續(xù)加熱

27、成為過熱蒸汽。過熱蒸汽的溫度是火力發(fā)電廠重要的生 產(chǎn)工藝參數(shù)。過熱蒸汽溫度控制是保證汽輪機(jī)組（發(fā)電設(shè)備）正常運 行的一個重要條件。通常過熱蒸汽的溫度應(yīng)達(dá)到460左右再去推動汽 輪機(jī)做功。每種鍋爐與汽輪機(jī)組都有一個規(guī)定的運行溫度，在這個溫 度下運行，機(jī)組的效率最高。如果過熱蒸汽的溫度過高，會使汽輪機(jī) 的壽命大大縮短；如果溫度過低，當(dāng)過熱蒸汽帶動汽輪機(jī)做功時，會 使部分過熱蒸汽變成水滴。小水滴沖擊汽輪機(jī)葉片，會造成事故。所 以必須對過熱蒸汽的溫度進(jìn)行控制。 23 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 通常在圖1-1a所示的過熱器之前或中間部分串接一個減溫器，通過 控制減溫水流量的大小來控制過熱蒸汽的溫度，所以

28、設(shè)計圖1-1a所示的 溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中過熱蒸汽溫度采用熱電阻溫度計1來測量，并經(jīng)溫 度變送器2（TT）將測量信號送至調(diào)節(jié)器3（TC）的輸入端，與過熱蒸汽 溫度的給定值進(jìn)行比較得到其偏差，調(diào)節(jié)器按此輸入偏差以某種控制規(guī) 律進(jìn)行運算后輸出控制信號，以控制閥4的開度，從而改變減溫水流量的 大小，達(dá)到控制過熱蒸汽溫度的目的。圖1-1b為該系統(tǒng)的框圖。 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 a）控制系統(tǒng)流程圖 b）系統(tǒng)框圖 1熱電阻，2溫度變送器，3調(diào)節(jié)器，4調(diào)節(jié)閥 圖 1-1 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 24 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 2. 2. 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐供氧量控制

29、系統(tǒng) 轉(zhuǎn)爐是煉鋼工業(yè)生產(chǎn)過程中的一種重要設(shè)備。熔融的鐵水裝入轉(zhuǎn) 爐后，可以通過氧槍供給轉(zhuǎn)爐一定的氧氣量。在氧氣的作用下，鐵水 中的碳逐漸氧化燃燒，從而使鐵水中的含碳量不斷地降低。控制吹氧 量和吹氧時間就可以控制冶煉鋼水的含碳量，于是可以獲得不同品種 的鋼。為了冶煉各種不同品種的鋼材，設(shè)計了圖1-2a所示的轉(zhuǎn)爐供氧 量控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用節(jié)流裝置1來測量氧氣流量，并送至流量變送 器2（FT），經(jīng)開方器3后作為流量調(diào)節(jié)器4（FC）的測量值，其測量值 與供氧量的給定值進(jìn)行比較得到偏差，調(diào)節(jié)器按此偏差信號以某種控 制規(guī)律進(jìn)行運算并輸出控制信號去控制調(diào)節(jié)閥5的開度，從而改變供氧 量的大小，以滿足生產(chǎn)工藝

30、的要求。圖1-2b為供氧系統(tǒng)框圖。 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 為了便于應(yīng)用控制理論分析過程控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的工作過程， 由控制流程圖1-1a和圖1-2a可以分別畫出其框圖1-1b和圖1-2b?，F(xiàn)以 圖1-1b為例介紹圖中的各方框、連線等的含義。 25 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 在圖1-1b中每個框表示組成該系統(tǒng)的一個（設(shè)備或裝置）環(huán)節(jié)，兩 個框之間的一條帶有箭頭的連線表示其相互關(guān)系和信號傳遞方向，但不 表示方框之間的物料聯(lián)系。在該圖中的溫度測量元件、變送器、調(diào)節(jié)器 和調(diào)節(jié)閥等各環(huán)節(jié)是單方向作用的，即環(huán)節(jié)的輸入信號會影響輸出信號， 但是輸出信號不會反過來去影

31、響輸入信號。應(yīng)該指出，在過程控制中， 調(diào)節(jié)閥控制的介質(zhì)流量可以流入給過程，也可以是從過程中流出來。如 果被控的物料是流入過程的，則正好與框圖中箭頭方向一致。如果被控 物料是從過程流出來的，則圖中信號的傳遞方向與物料的流動方向就不 一致了。 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 a）控制系統(tǒng)流程圖 b）系統(tǒng)框圖 1節(jié)流裝置，2流量變送器，3開方器，4流量調(diào)節(jié)器，5調(diào)節(jié)閥 圖 1-2 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng) 26 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 在圖1-1b中的“過程”（又稱對象）方框指某些被控制的裝置或設(shè)備， 在本例中表

32、示測量溫度的熱電阻溫度計到調(diào)節(jié)閥之間的管道設(shè)備，即包括過 熱器、減溫器及到調(diào)節(jié)閥前的一段管道。 表示過熱蒸汽的溫度，是過熱 蒸汽溫度控制系統(tǒng)的被控參數(shù)，是“過程”的輸出信號。在本例中進(jìn)入過熱 器的煙氣溫度的高低以及環(huán)境溫度的變化（如刮風(fēng)、降溫）情況都是會引起 被控參數(shù)波動的外來因素，稱其為擾動作用，可用 表示。它是“過程”的擾動信號。減溫器水流量的改變是由于調(diào)節(jié)閥動 作（開度改變）所致，它也是影響過熱蒸汽溫度變化的因素，作為調(diào)節(jié)閥方 框的輸出信號，也是“過程”的輸入信號，可用 表示，稱其為操作變量， 也叫控制參數(shù)，最終實現(xiàn)控制作用。調(diào)節(jié)器的輸出 稱為控制作用，它是 調(diào)節(jié)閥的輸入信號。測量變送器

33、的作用是將被控量 成比例地轉(zhuǎn)換為測量信號 ，它是調(diào)節(jié)器的輸入信號，亦稱反饋信號。 應(yīng)當(dāng)指出，調(diào)節(jié)器是根據(jù) 測量值的變化與給定值 進(jìn)行比較得 出的偏差值對被控過程進(jìn)行控制的。過程的輸出信號，即溫度控制系統(tǒng)的 輸出通過溫度測量元件與變送器的作用，將輸出信號反饋到輸入端，構(gòu)成 一個閉環(huán)控制回路，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng) 27 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 在生產(chǎn)過程中，由于擾動不斷產(chǎn)生，控制作用也在不斷地進(jìn)行。若 因擾動（如冬天刮風(fēng)降溫）使過熱蒸汽的溫度下降，測量元件（熱電阻 溫度計）將溫度的變化值測量出來，經(jīng)變送器送至調(diào)節(jié)器的輸入端，并 與其給定值

34、進(jìn)行比較得到偏差，調(diào)節(jié)器按此偏差并以某種控制規(guī)律發(fā)出 信號，去關(guān)小調(diào)節(jié)閥的開度，使減溫水減小，從而使過熱蒸汽的溫度逐 漸升高，并趨向于給定值。反之亦然。 從以上兩個工業(yè)過程控制的實例可見，控制系統(tǒng)由檢測元件、變送 器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和被控過程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。如果把測量元件、變送器、 調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥統(tǒng)稱為過程檢測控制儀表，則一個過程控制系統(tǒng)是由被 控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成的。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù) 工業(yè)過程的特性和工藝要求，通過選用過程檢測控制儀表構(gòu)成系統(tǒng)，再 通過調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行自動檢測、自動監(jiān)督 和自動控制。 28 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.3 過程控制過

35、程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 1.3.2 1.3.2 過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)的分類 過程控制系統(tǒng)的分類方法很多，若按被控參數(shù)的名稱來分，有溫度、 壓力、流量、液位、成分、pH值等控制系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)完成的功能來 分，有比值、分程和選擇等控制系統(tǒng)；按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來分，有比 例、比例積分、比例微分、比例積分微分、智能控制系統(tǒng)等；按被控量 的多少來分，有單變量和多變量控制系統(tǒng)；按采用儀表的形式來分，有 常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、DCS（集散控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)） 等。但是，按過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類和按給定值信號的特點來分 類是兩種最基本的分類方法。 1 1按過程

36、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類按過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類 （1）反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中的一種最基本的控制結(jié)構(gòu)形式。反 饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進(jìn)行工作的，偏差值是控制的依據(jù)， 最后達(dá)到消除或減小偏差的目的。圖1-1所示的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)就 是一個反饋控制系統(tǒng)。另外，反饋信號也可能有多個，從而可以構(gòu)成多 個閉合回路，稱其為多回路控制系統(tǒng)。 29 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) （2）前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)在原理上完全不同于反饋控制系統(tǒng)。前饋控制是以不 變性原理為理論基礎(chǔ)的。前饋控制系統(tǒng)直接根據(jù)擾動量的大小進(jìn)行工作， 擾動是控制的依據(jù)。由于沒有被控量的反饋，所以也稱為開環(huán)控

37、制系統(tǒng)。 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 圖1-3所示為前饋控制框圖。擾動是引起被控量變化的原因，是根據(jù) 擾動進(jìn)行工作的，能及時克服擾動對被控量的影響。但是，由于前饋控 制是一種開環(huán)控制，最終不能檢查控制的精度。因此，在實際工業(yè)生產(chǎn) 過程自動化中是不能單獨應(yīng)用的 圖 1-3 前饋控制系統(tǒng)框圖 30 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) （3）前饋-反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)） 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，引起被控參數(shù)變化的擾動是多種多樣的。開環(huán) 前饋控制的最主要的優(yōu)點是能針對主要擾動及時迅速地克服其對被控參 數(shù)的影響；對其余次要擾動，則利用反饋控制予以克服，使控制系統(tǒng)在 穩(wěn)態(tài)時能準(zhǔn)確地

38、使被控量控制在給定值上。在實際生產(chǎn)過程中，將兩者 結(jié)合起來使用，充分利用前饋與反饋控制兩者的優(yōu)點、在反饋控制系統(tǒng) 中引入前饋，從而構(gòu)成圖1-4所示的前饋-反饋控制系統(tǒng)，它可以大大提 高控制質(zhì)量。 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 圖 1-4 前饋-反饋控制系統(tǒng) 31 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 2 2按給定值信號的特點來分類按給定值信號的特點來分類 （1）定值控制系統(tǒng) 所謂定值控制系統(tǒng)，就是系統(tǒng)被控量的給定值保持在某一定值不變， 或在小范圍的附近。定值控制系統(tǒng)是過程控制中應(yīng)用最多的一種控制系 統(tǒng)，這是因為在工業(yè)生產(chǎn)過程中大多要求系統(tǒng)被控量的給定值保持在某 一定值，或保

39、持在很小的偏差范圍內(nèi)。例如，過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng)均為一個定值控制系統(tǒng)。對于定值控制系統(tǒng)來說， 由于，引起被控量變化的是擾動信號，所以定值控制系統(tǒng)的輸入信號是 擾動信號。 1.3 過程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 （2）程序控制系統(tǒng) 它是被控量的給定值按預(yù)定的時間程序變化。控制的目的就是使系 統(tǒng)的被控量按工藝要求規(guī)定的程序自動變化。例如同期作業(yè)的加熱設(shè)備 （機(jī)械、冶金工業(yè)中的熱處理爐），一般工藝要求加熱升溫、保溫和逐 次降溫等程序，給定值就按此程序目動地變化，控制系統(tǒng)按此給定程序 自動工作，達(dá)到程序控制的目的。 32 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.3 過

40、程控制過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 （1）隨動控制系統(tǒng) 與運動控制系統(tǒng)中的位置等隨動控制不同，它是一種被控量的給定 值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)。其主要作用是克服一切擾動，使被控量 快速跟隨給定值而變化。例如，在加熱爐燃燒過程的自動控制中，生產(chǎn) 工藝要求空氣量跟隨燃料量的變化而成比例地變化，而燃料量是隨生產(chǎn) 負(fù)荷而變化的，其變化規(guī)律是任意的。隨動控制系統(tǒng)使空氣量跟隨燃料 量的變化自動控制空氣量的大小，達(dá)到加熱爐的最佳燃燒。 33 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 1.4.1 DCS1.4.1 DCS（Distributed Control SystemD

41、istributed Control System集散控制系統(tǒng)）集散控制系統(tǒng)） DCS（Distributed Control System）直譯分布式控制系統(tǒng)，國內(nèi)稱 之為集散控制系統(tǒng)。它是由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò) 為紐帶的多級計算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計算機(jī)（Computer）、通訊 （Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)。其基本 思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS具有 可靠性、開放性、靈活性、易于維護(hù)性、協(xié)調(diào)性等特點。 可靠性。由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機(jī)上實現(xiàn)，系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計。因此，某一臺

42、計算機(jī)出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其 它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一， 可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機(jī)，從而 使系統(tǒng)中每臺計算機(jī)的可靠性也得到提高。 開放性。DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計。系統(tǒng) 中各臺計算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸。當(dāng)需要改變或擴(kuò)充 系統(tǒng)功能時，可將新增計算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下， 幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機(jī)的工作。 靈活性。通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進(jìn)行軟硬件組態(tài)， 即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控 制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報

43、警畫面，從 而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。 34 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 易于維護(hù)性。功能單一的小型或微型專用計算機(jī)，具有維護(hù)簡單、 方便的特點。當(dāng)某一局部或某個計算機(jī)出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個 系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故障。 協(xié)調(diào)性。各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信 息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。 控制功能齊全、算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制 于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測等先進(jìn)控制，并可方 便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管 理計算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)

44、采集站 等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。 處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實 現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機(jī)。生 產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、 統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按 照需要與更高性能的計算機(jī)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)更高級的集中管理 功能，如計劃調(diào)度、倉儲管理、能源管理等。 1.4 DCS、FCS與與PLC 35 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 為了適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)控制與管理的需要，DCS采用多層次分級結(jié)構(gòu)形式 （現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級、管理

45、級）。各級分別采用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)Fnet （Field Network）、控制網(wǎng)絡(luò)Cnet（Control Network）、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) Snet（Supervision Network）和管理網(wǎng)絡(luò)Mnet（Management Network） 進(jìn)行信號與數(shù)據(jù)傳遞。其基本組成如圖1-5所示。 圖 1-5 集散控制系統(tǒng)的基本組成 1.4 DCS、FCS與與PLC 36 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 由圖可見，集散控制系統(tǒng)由過程輸入輸出接口、過程控制單元、 數(shù)據(jù)高速通路、CRT操作站、管理計算機(jī)等五部分組成。下面就其各部分 的工作原理作一介紹。 1.4 DCS、FCS與與PLC 數(shù)據(jù)輸入-輸出單元。它是帶有

46、微處理器的智能裝置，主要用于 采集過程信息（模擬量和數(shù)字量），故又稱其為數(shù)據(jù)采集站。它能完成 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對實時數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的加工，提供CRT操作站的顯示 與打印。同時，在有管理計算機(jī)的情況下，它可以用模擬量與開關(guān)量的 方式向過程終端輸出計算機(jī)的控制指令。 基本控制單元。它相當(dāng)于若干臺常規(guī)調(diào)節(jié)器，能完成常規(guī)調(diào)節(jié)器 的全部運算與控制功能。通過軟件組態(tài)能靈活地構(gòu)成滿足各種不同控制 要求的復(fù)雜控制系統(tǒng)。它接受現(xiàn)場的各種信號，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。再通過內(nèi) 部微處理器進(jìn)行各種運算處理，輸出轉(zhuǎn)換為DC 420mA的信號，去操作 各類執(zhí)行器，實現(xiàn)自動控制。 37 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)高速通路，又稱數(shù)

47、據(jù)通信總線。它是一條同軸電纜或光導(dǎo)纖 維，高速率傳送基本控制單元、過程輸入-輸出單元與顯示操作站之間的 數(shù)據(jù)。為了提高信息傳輸?shù)目煽啃?，通常DCS除有主通信總線外，還配置 有冗余通信總線。 1.4 DCS、FCS與與PLC CRT操作站。它是集散控制系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置，主要用于操作 工藝生產(chǎn)過程，并監(jiān)視工廠的運行狀態(tài)及回路組態(tài)，調(diào)整回路參數(shù)（如 PID值、極限報警值與設(shè)定值等），顯示動態(tài)流程畫面以及進(jìn)行部分生產(chǎn) 管理。通常它由CRT監(jiān)視器、數(shù)據(jù)通信總線接口、操作鍵盤、打印機(jī)、存 儲裝置等組成。 管理計算機(jī)。它通過數(shù)據(jù)通信總線和系統(tǒng)中各智能單元，采集各 種數(shù)據(jù)信息，并綜合下達(dá)諸如設(shè)定值（SPC

48、）等各種高級命令。它可以進(jìn) 行集中管理與最優(yōu)控制，實現(xiàn)信息控制管理一體化。通常管理計算 機(jī)還有可能供用戶進(jìn)一步開發(fā)高級語言軟件，可完成有關(guān)工藝參數(shù)間復(fù) 雜的運算和數(shù)據(jù)分析工作等。 38 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 1.4.2 FCS1.4.2 FCS（Field bus Control SystemField bus Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)） 隨著微處理器和通信技術(shù)的發(fā)展，控制界也不斷在控制精度、可操 作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線 控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。 可以說集散控制系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展：一是

49、向上發(fā)展，即向CIMS （計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）、CIPS（計算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)）發(fā)展；二是向 下發(fā)展，即向FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）發(fā)展。 FCS由于采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，能夠?qū)⒃菵CS系統(tǒng)中處于控制室的 控制模塊、輸入/輸出模塊置于現(xiàn)場總線設(shè)備上，加上現(xiàn)場總線設(shè)備具有 通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號，因 而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完 成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個 信號（包括多個運行參數(shù)值、多個設(shè)備狀態(tài)、故障信息），同時又為多 個現(xiàn)場總線設(shè)備提供電源?，F(xiàn)場總線設(shè)備以外不再需要A

50、/D、D/A轉(zhuǎn)換部 件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、 維護(hù)費用創(chuàng)造了條件。 39 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC （1）通信方式 DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方 式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對一模擬信號（如DC 4 20mA）傳輸方式。因此，可以說DCS是一個“半數(shù)字信號”系統(tǒng)。FCS采 用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。從最底層的傳感器、變送器和?zhí)行 器開始就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直到最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 多條分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場，用來連接現(xiàn)場數(shù)字儀表，采用一對多 連接。 （2）

51、分散控制 在DCS中，生產(chǎn)現(xiàn)場的多臺模擬儀表集中地接于輸入輸出單元，而 輸入、輸出、控制和運算等功能塊都集中于DCS的控制站內(nèi)。DCS只是一 個“半分散”系統(tǒng)。FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元，由現(xiàn)場儀表取而 代之，即將DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場總線上 的數(shù)字儀表，實現(xiàn)徹底的分散控制。 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對一的I/O連線，對于大規(guī)模 的I/O系統(tǒng)來說，減少了DCS由接線點造成的不可靠因素。同時，數(shù)字化 的現(xiàn)場設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場設(shè)備的在線故障診斷、報警、記 錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng) 了系統(tǒng)的可維護(hù)性

52、。 40 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC （3）互操作性 DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場級設(shè)備都是各制造商自行研制開發(fā)的，不同廠商的產(chǎn) 品由于通信協(xié)議的專有與不兼容，彼此難以互聯(lián)、互操作。而FCS的現(xiàn)場 設(shè)備只要采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品既可互聯(lián)也可互換，并可 以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，具有很好 的可集成性。 （4）可靠性、易維護(hù)性 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對一的I/O連線，對于大規(guī)模 的I/O系統(tǒng)來說，減少了DCS由接線點造成的不可靠因素。同時，數(shù)字化 的現(xiàn)場設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場設(shè)備的在線故障診斷、報警、記 錄功

53、能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng) 了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 DCS與FCS的對比見表1-2。 41 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 表1-2 FCS與DCS的對比 對比點FCSDCS 結(jié) 構(gòu) 一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向 傳輸多個信號。 一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸 一個信號。 抗干擾性 數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高。模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。 狀態(tài)監(jiān)控 操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備和 現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對設(shè)備進(jìn)行 參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收希?設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控 狀態(tài)之中。 操作

54、員在控制室既不了解模擬儀表的工作情 況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測 故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)。 控 制控制功能分散在各個智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。 互 換 性 用戶可以自由選擇不同制造商提供的性 能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將 不同品牌的儀表互連，實現(xiàn)“即插即 用”。 盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)（420mADC）， 可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使 不同品牌的儀表互換性差。 儀 表 智能儀表除了具有模擬儀表的檢測、變 換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能 力，并且具有控制和運算能力。 模擬儀表只具有檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ堋?42 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 1.4.3 PLC1.4.3 PLC（Programmable logic ControllerProgramm