火電廠分散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用(第一章)-1

1、分 散 控 制 系 統(tǒng) 課 件火電廠分散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用火電廠分散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用翟永杰等編著翟永杰等編著第一章火電廠過程控制概述 1.1.DCSDCS是直譯為是直譯為“分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)”。一般譯為。一般譯為“分分散控制系統(tǒng)散控制系統(tǒng)”或或“集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)”，我國電力行業(yè)，我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義為分散控制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)定義為分散控制系統(tǒng)。2.2.DCSDCS的一般定義：的一般定義： 采用計算機、通信和屏幕顯示技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過采用計算機、通信和屏幕顯示技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、控制和保護等功能，利用通信技術(shù)程的數(shù)據(jù)采集、控制和保護等功能，利用通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的多計

2、算機監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的多計算機監(jiān)控系統(tǒng)。其其主要特點主要特點： 功能分散，數(shù)據(jù)共享，可靠性高功能分散，數(shù)據(jù)共享，可靠性高。根據(jù)具體情況也。根據(jù)具體情況也可以是硬件布置上的分散?？梢允怯布贾蒙系姆稚?。第一節(jié) 工業(yè)生產(chǎn)過程分類一、過程變量的分類一、過程變量的分類 表示工業(yè)生產(chǎn)過程狀態(tài)的量稱為過程變量，如溫度、壓力、表示工業(yè)生產(chǎn)過程狀態(tài)的量稱為過程變量，如溫度、壓力、流量、液位、開關(guān)的分合、電動機的運行停止?fàn)顟B(tài)等。流量、液位、開關(guān)的分合、電動機的運行停止?fàn)顟B(tài)等。 一般來說，過程變量按其隨時間變化的規(guī)律可分為模擬量和一般來說，過程變量按其隨時間變化的規(guī)律可分為模擬量和開關(guān)量兩大類，如圖所示。開

3、關(guān)量兩大類，如圖所示。第一節(jié) 工業(yè)生產(chǎn)過程分類1 1模擬量模擬量 模擬量模擬量( (連續(xù)量連續(xù)量) )是表達(dá)物理過程或設(shè)備量值的一種連續(xù)變是表達(dá)物理過程或設(shè)備量值的一種連續(xù)變化的量，其數(shù)值隨時間變化而變化。模擬量最大的特點是連續(xù)化的量，其數(shù)值隨時間變化而變化。模擬量最大的特點是連續(xù)性。性。-火電廠生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位、電火電廠生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓及功率等都?xì)w類于模擬量。流、電壓及功率等都?xì)w類于模擬量。2.2.開關(guān)量開關(guān)量 開關(guān)量開關(guān)量( (離散量離散量) )是一種表示物理過程或設(shè)備所處狀態(tài)的量，是一種表示物理過程或設(shè)備所處狀態(tài)的量，也可直接稱為狀態(tài)量也可

4、直接稱為狀態(tài)量。典型的開關(guān)量只有兩個取值，如開關(guān)的。典型的開關(guān)量只有兩個取值，如開關(guān)的“閉合閉合”與與“斷開斷開”、設(shè)備的、設(shè)備的“投入投入”與與“退出退出”、參數(shù)的、參數(shù)的“正常正?！迸c與“異常異常”、信號的、信號的“有有”與與“無無”、截斷閥門的、截斷閥門的“通通”與與“斷斷”等。等。3.3.其它其它 還有一些特殊的過程量，如脈沖量、還有一些特殊的過程量，如脈沖量、SOE(SOE(事件順序記錄）量事件順序記錄）量等在工程實際中經(jīng)常用到，屬于以上兩種過程量。等在工程實際中經(jīng)常用到，屬于以上兩種過程量。第一節(jié) 工業(yè)生產(chǎn)過程分類二、工業(yè)生產(chǎn)過程的分類：二、工業(yè)生產(chǎn)過程的分類：按照工業(yè)生產(chǎn)中主要過

5、程按照工業(yè)生產(chǎn)中主要過程變量隨時間變化的特點，變量隨時間變化的特點，工業(yè)生產(chǎn)的典型過程可以工業(yè)生產(chǎn)的典型過程可以分為兩種：連續(xù)過程和離分為兩種：連續(xù)過程和離散過程，見圖散過程，見圖1-21-2。 一個完整的生產(chǎn)過程，一般都是連續(xù)過程和離散過程的混合一個完整的生產(chǎn)過程，一般都是連續(xù)過程和離散過程的混合體。例如，在火電廠生產(chǎn)過程中，鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒過程是連體。例如，在火電廠生產(chǎn)過程中，鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒過程是連續(xù)過程，但爐膛的吹掃過程是離散過程。續(xù)過程，但爐膛的吹掃過程是離散過程。 火電廠生產(chǎn)過程歸類于流程工業(yè)。在國際上，過程控制和過火電廠生產(chǎn)過程歸類于流程工業(yè)。在國際上，過程控制和過程自動化程自動

6、化(Process Automation)(Process Automation)一般都是指連續(xù)過程。一般都是指連續(xù)過程。 第二節(jié) 控制系統(tǒng)概述 一、控制系統(tǒng)組成一、控制系統(tǒng)組成 控制是在日常生活中經(jīng)常接觸到的事情，可以說在生活中處控制是在日常生活中經(jīng)常接觸到的事情，可以說在生活中處處都離不開控制?？刂剖吕翱刂颇Ｐ吞幎茧x不開控制?？刂剖吕翱刂颇Ｐ?：事例1續(xù)（事例2）由此綜述如下：由此綜述如下：上述液位控制的實例是一個典型的回路控制系統(tǒng)，由上述液位控制的實例是一個典型的回路控制系統(tǒng)，由控制單控制單元元( (大腦或控制器大腦或控制器) )、執(zhí)行單元執(zhí)行單元( (手或執(zhí)行器手或執(zhí)行器) )、測

7、量單元測量單元( (眼睛眼睛或傳感器或傳感器) )組成，一般也稱為組成，一般也稱為直接控制系統(tǒng)直接控制系統(tǒng)。直接控制系統(tǒng)定義為以下三個要素的集合直接控制系統(tǒng)定義為以下三個要素的集合( (如圖如圖1-51-5所示所示) )：(1)(1)測量方法和測量裝置。測量方法和測量裝置。(2)(2)控制方法控制方法( (包括算法包括算法) )和運算處理裝置。和運算處理裝置。(3)(3)執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置。執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置。 在這三個要素中，方法是軟件，這里的軟件是指解決方案，在這三個要素中，方法是軟件，這里的軟件是指解決方案，而不是指具體的程序代碼，各種裝置則是硬件，是實現(xiàn)方法的而不是指具體的程序代碼，各

8、種裝置則是硬件，是實現(xiàn)方法的手段。手段。一、控制系統(tǒng)組成（續(xù)）第二節(jié) 控制系統(tǒng)概述二、直接控制系統(tǒng)組成部分二、直接控制系統(tǒng)組成部分 1 1測量方法和測量裝置測量方法和測量裝置 測量是控制系統(tǒng)感知被控對象狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，一般通過敏感測量是控制系統(tǒng)感知被控對象狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，一般通過敏感元件或檢測元件來實現(xiàn)，如壓力傳感器、溫度傳感器元件或檢測元件來實現(xiàn)，如壓力傳感器、溫度傳感器( (熱電偶或熱電偶或熱電阻熱電阻) )等。傳感器一般基于物理或化學(xué)原理來感知各種狀態(tài)，等。傳感器一般基于物理或化學(xué)原理來感知各種狀態(tài)，輸出電流、電壓及氣壓等信號。輸出電流、電壓及氣壓等信號?？刂茊卧筮@些信號具有標(biāo)準(zhǔn)控制

9、單元要求這些信號具有標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的表現(xiàn)形式。因此如果傳感器輸出的信號不符合規(guī)范和的、規(guī)范的表現(xiàn)形式。因此如果傳感器輸出的信號不符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，則不能被控制器直接處理，往往會在傳感器后增加變送器標(biāo)準(zhǔn)，則不能被控制器直接處理，往往會在傳感器后增加變送器予以變換形成符合一定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號，予以變換形成符合一定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號，如圖如圖l-6l-6所示。所示。二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）在控制系統(tǒng)中，各種模擬連續(xù)量需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣在控制系統(tǒng)中，各種模擬連續(xù)量需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣壓、電流或電壓信號，有一個對應(yīng)的數(shù)值區(qū)間；開關(guān)壓、電流或電壓信號，有一個對應(yīng)的數(shù)值區(qū)間；開關(guān)離散量也需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，一般用

10、電平的高或低離散量也需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，一般用電平的高或低表示不同的狀態(tài)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則采用二進(jìn)制表示不同的狀態(tài)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則采用二進(jìn)制位的位的0 0或或1 1表示開關(guān)量的狀態(tài)。表示開關(guān)量的狀態(tài)。 二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）2.2.控制方法和運算處理裝置控制方法和運算處理裝置 控制系統(tǒng)是根據(jù)不同被控過程的特點實施控制的?？刂葡到y(tǒng)是根據(jù)不同被控過程的特點實施控制的。對于連對于連續(xù)過程，一般使用調(diào)節(jié)性質(zhì)的控制；對于離散過程，則一般使續(xù)過程，一般使用調(diào)節(jié)性質(zhì)的控制；對于離散過程，則一般使用程序控制。用程序控制。 (1)(1)對連續(xù)過程的控制。對連續(xù)過程的控制。連續(xù)過程的控制一般稱之

11、為過程控連續(xù)過程的控制一般稱之為過程控制或流程控制，它是一種調(diào)節(jié)性質(zhì)的控制制或流程控制，它是一種調(diào)節(jié)性質(zhì)的控制。 調(diào)節(jié)是控制的一種，調(diào)節(jié)是控制的一種，它特指通過反饋的方法對連續(xù)變化的它特指通過反饋的方法對連續(xù)變化的對象進(jìn)行連續(xù)的控制，對象進(jìn)行連續(xù)的控制，如通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度以控制流量如通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度以控制流量的大小，從而使容器水位保持在期望水位范圍內(nèi)。在這里水位的大小，從而使容器水位保持在期望水位范圍內(nèi)。在這里水位是一個連續(xù)變化的量，對水位的調(diào)節(jié)也是連續(xù)進(jìn)行的。是一個連續(xù)變化的量，對水位的調(diào)節(jié)也是連續(xù)進(jìn)行的。二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）回路控制：一般把對最小過程單元進(jìn)行的閉環(huán)控制

12、或調(diào)節(jié)稱為回回路控制：一般把對最小過程單元進(jìn)行的閉環(huán)控制或調(diào)節(jié)稱為回路控制。路控制。如圖如圖1-71-7所示。所示。 被控過程的輸出是控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，即被控變量，檢測被控過程的輸出是控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，即被控變量，檢測元件得到過程的輸出值，并作為控制器的測量值送給控制器，形元件得到過程的輸出值，并作為控制器的測量值送給控制器，形成了一個閉合回路。在這個閉環(huán)系統(tǒng)中，控制單元將根據(jù)控制算成了一個閉合回路。在這個閉環(huán)系統(tǒng)中，控制單元將根據(jù)控制算法處理測量值和設(shè)定值的偏差，并控制過程減小此偏差。法處理測量值和設(shè)定值的偏差，并控制過程減小此偏差。二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）連續(xù)過程的兩個基本要素：

13、連續(xù)過程的兩個基本要素：1)1)受控對象對目標(biāo)值的允許受控對象對目標(biāo)值的允許偏差。偏差。2)2)進(jìn)行測量和控制的周期。進(jìn)行測量和控制的周期。 連續(xù)過程調(diào)節(jié)使用的控連續(xù)過程調(diào)節(jié)使用的控制算法包括經(jīng)典的制算法包括經(jīng)典的PIDPID調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)、模糊控制等，根據(jù)這些調(diào)節(jié)模糊控制等，根據(jù)這些調(diào)節(jié)控制算法進(jìn)行計算，是控制控制算法進(jìn)行計算，是控制系統(tǒng)的核心功能。系統(tǒng)的核心功能?？刂茊卧话阌袃蓚€輸入：控制單元一般有兩個輸入：1)1)測量值：傳傳感器變送測量值：傳傳感器變送器給出的表達(dá)被控對象運行器給出的表達(dá)被控對象運行狀態(tài)的量。狀態(tài)的量。2)2)設(shè)定值：根據(jù)生產(chǎn)過程的設(shè)定值：根據(jù)生產(chǎn)過程的要求所設(shè)定的控制目

14、標(biāo)。要求所設(shè)定的控制目標(biāo)?？刂茊卧娜蝿?wù)：控制單元的任務(wù)：1)1)在設(shè)定值根據(jù)生產(chǎn)過程的要求在設(shè)定值根據(jù)生產(chǎn)過程的要求發(fā)生改變時，采用一定的控制算發(fā)生改變時，采用一定的控制算法計算出需要進(jìn)行何種操作和調(diào)法計算出需要進(jìn)行何種操作和調(diào)節(jié)，并對被控對象的可操作、可節(jié)，并對被控對象的可操作、可調(diào)節(jié)部分實施輸出，以使被控對調(diào)節(jié)部分實施輸出，以使被控對象盡快達(dá)到控制目標(biāo)。象盡快達(dá)到控制目標(biāo)。2)2)在出現(xiàn)干擾時，被控對象的運在出現(xiàn)干擾時，被控對象的運行狀態(tài)偏離了預(yù)定的目標(biāo)行狀態(tài)偏離了預(yù)定的目標(biāo)( (設(shè)定設(shè)定值值) )。這時控制單元要通過測量。這時控制單元要通過測量得到偏離的程度，并采用一定的得到偏離的程度

15、，并采用一定的算法計算出操作步驟或調(diào)節(jié)量，算法計算出操作步驟或調(diào)節(jié)量，并實施輸出，以使被控對象的運并實施輸出，以使被控對象的運行狀態(tài)盡快回到預(yù)定目標(biāo)值。行狀態(tài)盡快回到預(yù)定目標(biāo)值。二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）控制單元的輸出量是對被控對象所實施的操作和調(diào)節(jié)：控制單元的輸出量是對被控對象所實施的操作和調(diào)節(jié)：1)1)操作一般指通過某種方法改變被控對象的運行方式操作一般指通過某種方法改變被控對象的運行方式，如開通或關(guān)斷某個管道的閥門，閉合或分離電路的開如開通或關(guān)斷某個管道的閥門，閉合或分離電路的開關(guān)等。關(guān)等。2)2)調(diào)節(jié)則是通過某種方法改變被控對象的運行參數(shù)調(diào)節(jié)則是通過某種方法改變被控對象的運行參數(shù)，

16、如通過控制調(diào)節(jié)閥改變管路中的流量，通過調(diào)節(jié)加熱如通過控制調(diào)節(jié)閥改變管路中的流量，通過調(diào)節(jié)加熱器改變溫度等。器改變溫度等。 所有這些輸出不論所有這些輸出不論操作還是調(diào)節(jié)均被稱為控制指令。操作還是調(diào)節(jié)均被稱為控制指令。二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）(2)(2)對離散過程的控制對離散過程的控制 對于對于離散過程的控制以狀態(tài)控制離散過程的控制以狀態(tài)控制為主，根據(jù)各個被控對象為主，根據(jù)各個被控對象的動作時間、動作順序和邏輯關(guān)系進(jìn)行的控制的動作時間、動作順序和邏輯關(guān)系進(jìn)行的控制-就是按照一就是按照一定的方式改變被控對象的狀態(tài)或位置，一般稱為程序控制、順定的方式改變被控對象的狀態(tài)或位置，一般稱為程序控制、順

17、序控制或邏輯控制。序控制或邏輯控制。 如：生活中最簡單的例子如出門的過程，第一步關(guān)燈，第二如：生活中最簡單的例子如出門的過程，第一步關(guān)燈，第二步鎖門，第三步離開，后一步在前一步程序完成狀態(tài)改變之后步鎖門，第三步離開，后一步在前一步程序完成狀態(tài)改變之后進(jìn)行。進(jìn)行。 離散控制過程由一組非連續(xù)對象按照工序的要求組合在一起，離散控制過程由一組非連續(xù)對象按照工序的要求組合在一起，以完成一個比較復(fù)雜的動作或任務(wù)以完成一個比較復(fù)雜的動作或任務(wù)。 動作時間、動作順序和邏輯關(guān)系是對離散過程實行控制的動作時間、動作順序和邏輯關(guān)系是對離散過程實行控制的要素。要素。二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）(3)(3)連續(xù)控制和

18、離散控制的比較。連續(xù)控制和離散控制的比較。對這兩種控制的比較見表對這兩種控制的比較見表l-1l-1?？刂品绞娇刂品绞较嚓P(guān)要素相關(guān)要素 連續(xù)控制連續(xù)控制 離散控制離散控制運行方式運行方式周期性的重復(fù)控制循環(huán)周期性的重復(fù)控制循環(huán)從開始到結(jié)束的一系列從開始到結(jié)束的一系列控制步驟控制步驟控制目標(biāo)控制目標(biāo)預(yù)期的允許偏差范圍預(yù)期的允許偏差范圍預(yù)期的狀態(tài)或位置預(yù)期的狀態(tài)或位置控制算法控制算法PID等數(shù)學(xué)方程等數(shù)學(xué)方程邏輯公式邏輯公式時間特性時間特性與過程適應(yīng)的控制周期與過程適應(yīng)的控制周期各個步驟的執(zhí)行和間隔各個步驟的執(zhí)行和間隔時間時間控制質(zhì)量控制質(zhì)量目標(biāo)參數(shù)的控制精度目標(biāo)參數(shù)的控制精度邏輯關(guān)系的正確性邏輯關(guān)

19、系的正確性穩(wěn)定性要求穩(wěn)定性要求干擾工況下盡量小的偏離干擾工況下盡量小的偏離干擾工況下無錯誤動作干擾工況下無錯誤動作二、直接控制系統(tǒng)組成部分（續(xù)）3 3執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置執(zhí)行方法和執(zhí)行裝置 由控制單元輸出的控制指令，通過各種不同的執(zhí)行機構(gòu)作用由控制單元輸出的控制指令，通過各種不同的執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象的可操作部分或可調(diào)節(jié)部分，這些執(zhí)行機構(gòu)也稱為于被控對象的可操作部分或可調(diào)節(jié)部分，這些執(zhí)行機構(gòu)也稱為執(zhí)行裝置或執(zhí)行單元執(zhí)行裝置或執(zhí)行單元，如氣動閥、電磁閥、控制電動機及繼電，如氣動閥、電磁閥、控制電動機及繼電器等。器等。 執(zhí)行裝置將運算處理裝置輸出的控制指令轉(zhuǎn)換為被控對象可執(zhí)行裝置將運算處理裝置輸出

20、的控制指令轉(zhuǎn)換為被控對象可接受的動作，以改變被控對象的運行狀態(tài)。接受的動作，以改變被控對象的運行狀態(tài)。 控制單元的輸出也可分為模擬量和開關(guān)量兩大類。控制單元的輸出也可分為模擬量和開關(guān)量兩大類。模擬量輸出用于對被控對象進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)模擬量輸出用于對被控對象進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，如調(diào)整閥門的開，如調(diào)整閥門的開度度( (百分比百分比) )以控制燃料流量，調(diào)整燃燒過程以控制溫度等；以控制燃料流量，調(diào)整燃燒過程以控制溫度等；開關(guān)量控制則用于改變被控對象的狀態(tài)或工況開關(guān)量控制則用于改變被控對象的狀態(tài)或工況，如通過電源，如通過電源開關(guān)的分合以改變電燈的發(fā)光狀態(tài)等。開關(guān)的分合以改變電燈的發(fā)光狀態(tài)等。三、完整的控制系統(tǒng)

21、組 成 測量單元、控制單元和執(zhí)行單元構(gòu)成直接控制系統(tǒng)測量單元、控制單元和執(zhí)行單元構(gòu)成直接控制系統(tǒng)，被控對，被控對象是實施生產(chǎn)過程的主體，直接控制系統(tǒng)作用于被控對象，其象是實施生產(chǎn)過程的主體，直接控制系統(tǒng)作用于被控對象，其控制作用圍繞生產(chǎn)過程發(fā)生?？刂蒲b置是控制系統(tǒng)的核心，所控制作用圍繞生產(chǎn)過程發(fā)生?？刂蒲b置是控制系統(tǒng)的核心，所有控制作用都是由控制裝置實現(xiàn)的，有控制作用都是由控制裝置實現(xiàn)的，一個控制系統(tǒng)能否順利地一個控制系統(tǒng)能否順利地實現(xiàn)其控制目標(biāo)，完成復(fù)雜控制，主要看控制裝置是否穩(wěn)定可實現(xiàn)其控制目標(biāo)，完成復(fù)雜控制，主要看控制裝置是否穩(wěn)定可靠并具有優(yōu)異的性能靠并具有優(yōu)異的性能，如圖，如圖l-8l

22、-8所示所示三、完整的控制系統(tǒng)組成（續(xù)）另另：對控制起主導(dǎo)作用的是人：對控制起主導(dǎo)作用的是人：生產(chǎn)過程是為滿足人的需求建立。生產(chǎn)過程是為滿足人的需求建立。生產(chǎn)程序、步驟及工藝等是人設(shè)計的，生產(chǎn)程序、步驟及工藝等是人設(shè)計的，在生產(chǎn)過程中，要進(jìn)行哪些控制、如何進(jìn)行控制及控制方法是在生產(chǎn)過程中，要進(jìn)行哪些控制、如何進(jìn)行控制及控制方法是什么，設(shè)定值從何而來，都是由人決定的。什么，設(shè)定值從何而來，都是由人決定的。人根據(jù)生產(chǎn)特性推導(dǎo)出對這些生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制的數(shù)學(xué)模型，人根據(jù)生產(chǎn)特性推導(dǎo)出對這些生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制的數(shù)學(xué)模型，然后控制系統(tǒng)才能夠按照這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的然后控制系統(tǒng)才能夠按照這些數(shù)學(xué)模

23、型進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的控制值。控制值。生產(chǎn)過程不可避免地會出現(xiàn)一些異常情況，這些異常情況是無生產(chǎn)過程不可避免地會出現(xiàn)一些異常情況，這些異常情況是無法預(yù)知的，必須在運行過程中實時地做出決策，這些都離不開法預(yù)知的，必須在運行過程中實時地做出決策，這些都離不開人的作用。人的作用。三、完整的控制系統(tǒng) 組 成 為了便于人了解被控對象的運行狀態(tài)并進(jìn)行人工的為了便于人了解被控對象的運行狀態(tài)并進(jìn)行人工的操作與調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)必須提供人機界面。操作與調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)必須提供人機界面。人機界面人機界面包括了：包括了：測量值的顯示、計算參數(shù)的顯示、人工操作設(shè)備測量值的顯示、計算參數(shù)的顯示、人工操作設(shè)備( (如如按鈕、調(diào)

24、節(jié)手柄按鈕、調(diào)節(jié)手柄) )、生產(chǎn)流程畫面等，、生產(chǎn)流程畫面等，對運算處理裝置進(jìn)行設(shè)定和控制算法預(yù)置的設(shè)備等。對運算處理裝置進(jìn)行設(shè)定和控制算法預(yù)置的設(shè)備等。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制一、火電廠生產(chǎn)過程自一、火電廠生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)動調(diào)節(jié) 對于火電廠生產(chǎn)過對于火電廠生產(chǎn)過程，代表性的如自動調(diào)程，代表性的如自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)如鍋爐給水調(diào)節(jié)節(jié)系統(tǒng)如鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。鍋爐給水人工調(diào)系統(tǒng)。鍋爐給水人工調(diào)節(jié)如圖節(jié)如圖1-91-9所示。給水所示。給水經(jīng)過給水調(diào)節(jié)閥經(jīng)過給水調(diào)節(jié)閥5 5，在，在省煤器省煤器3 3加熱后進(jìn)入汽加熱后進(jìn)入汽包。包。 為了使水位保持在要求的數(shù)值

25、上為了使水位保持在要求的數(shù)值上或在一定范圍內(nèi)變化，必須在汽包上或在一定范圍內(nèi)變化，必須在汽包上設(shè)置一個水位計設(shè)置一個水位計6 6，操作人員根據(jù)水，操作人員根據(jù)水位計的指示，不斷地改變調(diào)節(jié)閥位計的指示，不斷地改變調(diào)節(jié)閥5 5的的開度，控制進(jìn)入汽包的水量，從而使開度，控制進(jìn)入汽包的水量，從而使水位維持在某個要求的范圍內(nèi)。水位維持在某個要求的范圍內(nèi)。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制歸納起來，操作人員所進(jìn)歸納起來，操作人員所進(jìn)行的工作包括以下幾項：行的工作包括以下幾項：(1)(1)觀察水位計的指示值。觀察水位計的指示值。(2)(2)將汽包水位的指示值將汽包水

26、位的指示值與汽包水位要求的數(shù)值比與汽包水位要求的數(shù)值比較，并算出兩者的差值。較，并算出兩者的差值。(3)(3)當(dāng)偏差值偏離時，則當(dāng)偏差值偏離時，則關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥門，兩當(dāng)關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥門，兩當(dāng)偏差值偏低時，則開大給偏差值偏低時，則開大給水調(diào)節(jié)閥門，閥門開大或水調(diào)節(jié)閥門，閥門開大或關(guān)小的程度與偏差的大小關(guān)小的程度與偏差的大小有關(guān)。有關(guān)。 將上述三步工作不斷重復(fù)下去，將上述三步工作不斷重復(fù)下去，直到水位計指示值回到要求的數(shù)值直到水位計指示值回到要求的數(shù)值上，這種由人來直接進(jìn)行的操作就上，這種由人來直接進(jìn)行的操作就稱為人工調(diào)節(jié)。稱為人工調(diào)節(jié)。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠

27、 過 程 控 制如果用一整套自動控制儀表如果用一整套自動控制儀表( (自動調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)器) )來代替操作人員的作來代替操作人員的作用，使生產(chǎn)過程不需操作人員直接參與而能自動地執(zhí)行調(diào)節(jié)任用，使生產(chǎn)過程不需操作人員直接參與而能自動地執(zhí)行調(diào)節(jié)任務(wù)，則稱為自動調(diào)節(jié)。鍋爐給水自動調(diào)節(jié)示意圖如圖務(wù)，則稱為自動調(diào)節(jié)。鍋爐給水自動調(diào)節(jié)示意圖如圖1-101-10所示。所示。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制 通過上述實例可以概括出自動調(diào)節(jié)中的一些常用術(shù)語。通過上述實例可以概括出自動調(diào)節(jié)中的一些常用術(shù)語。(1)(1)被調(diào)量被調(diào)量(PV)(PV)，也稱為，也稱為被控制量被

28、控制量、過程變量過程變量。表征生產(chǎn)過程是。表征生產(chǎn)過程是否正常運行，并需要加以調(diào)節(jié)的物理量，如圖否正常運行，并需要加以調(diào)節(jié)的物理量，如圖l-9l-9中的水位中的水位h h。(2)(2)給定值給定值(SP)(SP)。被調(diào)量按生產(chǎn)要求必須維持的希望值。在許多。被調(diào)量按生產(chǎn)要求必須維持的希望值。在許多情況下給定值是不變的情況下給定值是不變的( (如正常運行時鍋爐的汽包水位、汽輪機如正常運行時鍋爐的汽包水位、汽輪機轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)速等) )，但在有些情況下給定值是變化的，如汽輪機轉(zhuǎn)動過程，但在有些情況下給定值是變化的，如汽輪機轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)速的給定值就應(yīng)不斷改變。中轉(zhuǎn)速的給定值就應(yīng)不斷改變。(3)(3)控制對象

29、，也稱為被控對象。被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或設(shè)備稱為控制對象，也稱為被控對象。被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或設(shè)備稱為控制對象，如圖控制對象，如圖1-91-9中的汽包。中的汽包。(4)(4)調(diào)節(jié)機構(gòu)。可用來改變進(jìn)入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置稱調(diào)節(jié)機構(gòu)?？捎脕砀淖冞M(jìn)入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置稱為調(diào)節(jié)機構(gòu)。為調(diào)節(jié)機構(gòu)。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制(5)(5)控制量控制量(CV)(CV)，也稱為，也稱為調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量。由調(diào)節(jié)機構(gòu)。由調(diào)節(jié)機構(gòu)( (閥門、擋板等閥門、擋板等) )改改變的流量變的流量( (或能量或能量) )，用以控制被調(diào)量的變化，稱為控制量用以控制被調(diào)量的變化，

30、稱為控制量。如圖。如圖l-9l-9中的給水量中的給水量W W。(6)(6)擾動。擾動。引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動。如果。如果擾動不發(fā)生在控制回路內(nèi)部擾動不發(fā)生在控制回路內(nèi)部( (如外界負(fù)荷如外界負(fù)荷) )，稱為，稱為外擾外擾；如果擾動；如果擾動發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾內(nèi)擾。其中，由于。其中，由于調(diào)節(jié)機構(gòu)開度變化調(diào)節(jié)機構(gòu)開度變化造成的擾動，稱為造成的擾動，稱為基本擾動基本擾動。變更變更控制器的控制器的給定值的擾動給定值的擾動稱為稱為給給定值擾動定值擾動。(7)(7)控制過程，也稱為調(diào)節(jié)過程。原來處于平衡狀態(tài)的控制對

31、象，控制過程，也稱為調(diào)節(jié)過程。原來處于平衡狀態(tài)的控制對象，一旦受到擾動作用，被調(diào)量就會偏離給定值。要通過自動控制儀一旦受到擾動作用，被調(diào)量就會偏離給定值。要通過自動控制儀表或運行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過表或運行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過程，稱為調(diào)節(jié)過程。程，稱為調(diào)節(jié)過程。(8)(8)自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)。自動控制儀表和控制對象通過信號的傳遞互自動控制儀表和控制對象通過信號的傳遞互相聯(lián)系起來就構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)相聯(lián)系起來就構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制二、火電廠自動化的由來和

32、范圍二、火電廠自動化的由來和范圍 對于火電廠，對于火電廠，是指熱力生產(chǎn)過程與電力發(fā)供電過程控制的是指熱力生產(chǎn)過程與電力發(fā)供電過程控制的總稱，總稱，在一些國家中稱在一些國家中稱“儀表與控制儀表與控制”。 上世紀(jì)上世紀(jì)5050年代，我國電廠依據(jù)蘇聯(lián)的經(jīng)驗，在機務(wù)設(shè)計室內(nèi)年代，我國電廠依據(jù)蘇聯(lián)的經(jīng)驗，在機務(wù)設(shè)計室內(nèi)設(shè)設(shè)“儀表組儀表組”，因機組容量很小，最大容量為，因機組容量很小，最大容量為l2MWl2MW，在機組附，在機組附近裝幾只儀表如壓力表、溫度表等就可運行。后來隨著機組容近裝幾只儀表如壓力表、溫度表等就可運行。后來隨著機組容量的增大，要求檢測和自動控制的參數(shù)或遠(yuǎn)方控制的設(shè)備增多，量的增大，要求

33、檢測和自動控制的參數(shù)或遠(yuǎn)方控制的設(shè)備增多，因此，儀表組更名為因此，儀表組更名為“熱工儀表與控制組熱工儀表與控制組”，稱為熱工自動化，稱為熱工自動化或熱工控制專業(yè)，簡稱熱控，或熱工控制專業(yè)，簡稱熱控，主要負(fù)責(zé)火電廠熱工生產(chǎn)過程如主要負(fù)責(zé)火電廠熱工生產(chǎn)過程如鍋爐、汽輪機及其輔助系統(tǒng)的檢測與控制。鍋爐、汽輪機及其輔助系統(tǒng)的檢測與控制。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制 60 60年代，隨著視組容量的增大和中間再熱機組的出現(xiàn)，年代，隨著視組容量的增大和中間再熱機組的出現(xiàn)，電廠電廠熱力系統(tǒng)普遍改為單元制系統(tǒng)，即一爐對一機的系統(tǒng)，熱力系統(tǒng)普遍改為單元制系統(tǒng)，即一爐

34、對一機的系統(tǒng)，熱力生熱力生產(chǎn)過程中驅(qū)動風(fēng)機、水泵等輔機的電動機已是熱工生產(chǎn)過程控產(chǎn)過程中驅(qū)動風(fēng)機、水泵等輔機的電動機已是熱工生產(chǎn)過程控制中不可或缺的部分。熱力生產(chǎn)過程中廠用制中不可或缺的部分。熱力生產(chǎn)過程中廠用電動機二次線設(shè)計電動機二次線設(shè)計并入了熱控組并入了熱控組。熱工自動化系統(tǒng)設(shè)計成為包括電動機在內(nèi)的具。熱工自動化系統(tǒng)設(shè)計成為包括電動機在內(nèi)的具有整體性的設(shè)計。有整體性的設(shè)計。 7070年代，進(jìn)口機組的自動化系統(tǒng)已將發(fā)電機變壓器組納入單年代，進(jìn)口機組的自動化系統(tǒng)已將發(fā)電機變壓器組納入單元機組整體自動化系統(tǒng)設(shè)計中；元機組整體自動化系統(tǒng)設(shè)計中；2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代，我國在應(yīng)用分年代，我國

35、在應(yīng)用分散控制系統(tǒng)成功后，開始試點將電氣部分的檢測控制納入散控制系統(tǒng)成功后，開始試點將電氣部分的檢測控制納入DCSDCS中，中，通過試點已成為電氣專業(yè)所能接受的技術(shù)。因此，原來僅限于通過試點已成為電氣專業(yè)所能接受的技術(shù)。因此，原來僅限于熱力生產(chǎn)過程的熱工自動化逐步轉(zhuǎn)變到包括發(fā)電機一變壓器組熱力生產(chǎn)過程的熱工自動化逐步轉(zhuǎn)變到包括發(fā)電機一變壓器組在內(nèi)的發(fā)供電過程的檢測與控制，故而在內(nèi)的發(fā)供電過程的檢測與控制，故而改稱改稱“電廠自動化電廠自動化”。它包括火電廠、水電廠、核電廠的自動化。它包括火電廠、水電廠、核電廠的自動化。第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制

36、火電廠除單元機組外，還包括輸煤、除灰、除渣、補給水處火電廠除單元機組外，還包括輸煤、除灰、除渣、補給水處理、循環(huán)水供水系統(tǒng)等輔助車間和公用系統(tǒng)的自動化，大致分理、循環(huán)水供水系統(tǒng)等輔助車間和公用系統(tǒng)的自動化，大致分為四個基本內(nèi)容。為四個基本內(nèi)容。1 1自動檢測自動檢測 自動檢測是對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換、自動檢測是對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理和顯示，并記錄下來。處理和顯示，并記錄下來。火電廠需要連續(xù)進(jìn)行檢測的信號有溫度、壓力、流量、液位、火電廠需要連續(xù)進(jìn)行檢測的信號有溫度、壓力、流量、液位、頻率等。檢測所采用的裝置有測量儀表、記錄儀表、工業(yè)電視頻率等。檢測所采用

37、的裝置有測量儀表、記錄儀表、工業(yè)電視等。等。2 2自動調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié) 自動調(diào)節(jié)一般是自動調(diào)節(jié)一般是指正常運行時操作的自動化指正常運行時操作的自動化，即在，即在一定范一定范圍內(nèi)自動地適應(yīng)外界負(fù)荷變化或其他條件變化，使生產(chǎn)過程正圍內(nèi)自動地適應(yīng)外界負(fù)荷變化或其他條件變化，使生產(chǎn)過程正常進(jìn)行。常進(jìn)行?；痣姀S的自動調(diào)節(jié)主要有鍋爐水位調(diào)節(jié)、汽溫調(diào)節(jié)、燃燒調(diào)節(jié)、火電廠的自動調(diào)節(jié)主要有鍋爐水位調(diào)節(jié)、汽溫調(diào)節(jié)、燃燒調(diào)節(jié)、輔助設(shè)備調(diào)節(jié)等。輔助設(shè)備調(diào)節(jié)等。 第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制3 3遠(yuǎn)方控制及程序控制遠(yuǎn)方控制及程序控制 遠(yuǎn)方控制是通過開關(guān)或按鈕，對生產(chǎn)過程中重要

38、的調(diào)節(jié)機構(gòu)遠(yuǎn)方控制是通過開關(guān)或按鈕，對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)機構(gòu)和截止機構(gòu)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。和截止機構(gòu)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。程序控制程序控制主要是指機組主要是指機組( (或局部系統(tǒng)、設(shè)備或局部系統(tǒng)、設(shè)備) )在啟動、停止、在啟動、停止、增減負(fù)荷、事故處理時的一系列操作的自動化。增減負(fù)荷、事故處理時的一系列操作的自動化。局部程序控制局部程序控制對象主要有鍋爐點火、吹灰、定期排污、輸煤對象主要有鍋爐點火、吹灰、定期排污、輸煤等。等。4 4自動保護自動保護 自動保護是自動保護是指利用自動化裝置，對機組指利用自動化裝置，對機組( (或系統(tǒng)、設(shè)備或系統(tǒng)、設(shè)備) )狀態(tài)、狀態(tài)、參數(shù)和自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生異常

39、時，送出報警信號參數(shù)和自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生異常時，送出報警信號或切除某些系統(tǒng)和設(shè)備，避免發(fā)生事故，保證人身和設(shè)備的安或切除某些系統(tǒng)和設(shè)備，避免發(fā)生事故，保證人身和設(shè)備的安全。全。電廠的自動保護對象主要有鍋爐、汽輪發(fā)電機本體、輔助設(shè)電廠的自動保護對象主要有鍋爐、汽輪發(fā)電機本體、輔助設(shè)備、局部工藝過程等。備、局部工藝過程等。將程序控制技術(shù)、邏輯功能和保護同自動調(diào)節(jié)結(jié)合起來，將程序控制技術(shù)、邏輯功能和保護同自動調(diào)節(jié)結(jié)合起來，可實現(xiàn)全程控制可實現(xiàn)全程控制，即機組啟動、停止及正常運行的全過程。，即機組啟動、停止及正常運行的全過程。自動化系統(tǒng)四個方面的基本內(nèi)容，是相對獨立而又相互配自動化系統(tǒng)四個方

40、面的基本內(nèi)容，是相對獨立而又相互配合的。自動調(diào)節(jié)是主要的，合的。自動調(diào)節(jié)是主要的，第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第 三 節(jié) 火 電 廠 過 程 控 制第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史 如圖l-11所示，整個控制系統(tǒng)的發(fā)展是沿著三條主線展開的。 一、各類控制系統(tǒng)的發(fā)展過程一離散控制三連續(xù)過程控制二第一條主線是對離散系統(tǒng)的控制，即程序控制、順序控制或邏第一條主線是對離散系統(tǒng)的控制，即程序控制、順序控制或邏輯控制。輯控制。第二條主線是計算機數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督控制系統(tǒng)第二條主線是計算機數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督控制系統(tǒng)SCADASCADA，早期是遙，早期是遙測遙控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的主要目標(biāo)是對地域分

41、散的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測遙控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的主要目標(biāo)是對地域分散的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，如供電、供水、供氣及供熱等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)視視和遠(yuǎn)程控制，如供電、供水、供氣及供熱等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)視和調(diào)度。和調(diào)度。第三條主線是對連續(xù)過程的控制系統(tǒng)。對這類過程控制有相當(dāng)?shù)谌龡l主線是對連續(xù)過程的控制系統(tǒng)。對這類過程控制有相當(dāng)大的難度，特別是控制的時間特性，一般對過程控制系統(tǒng)的控大的難度，特別是控制的時間特性，一般對過程控制系統(tǒng)的控制周期都要求在制周期都要求在1s1s或或2s2s或零點幾秒等，對控制量的大小、作用或零點幾秒等，對控制量的大小、作用時間等也有極其嚴(yán)格的要求。此種控制經(jīng)歷了機械控制器、基時間等也有極其嚴(yán)格的要

42、求。此種控制經(jīng)歷了機械控制器、基地式儀表、氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表，一直到地式儀表、氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表，一直到DCSDCS這樣一個發(fā)展歷程。這樣一個發(fā)展歷程。第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史二、連續(xù)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展二、連續(xù)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展 1 1早期的儀表控制系統(tǒng)早期的儀表控制系統(tǒng)基地式儀表基地式儀表 早期的儀表控制系統(tǒng)是由基地式儀表構(gòu)成的。所謂早期的儀表控制系統(tǒng)是由基地式儀表構(gòu)成的。所謂基地式儀表，是指控制系統(tǒng)基地式儀表，是指控制系統(tǒng)( (即儀表即儀表) )與被控對象在機與被控對象在機械結(jié)構(gòu)上是結(jié)合在一起的

43、，而且儀表各個部分，包括械結(jié)構(gòu)上是結(jié)合在一起的，而且儀表各個部分，包括檢測、計算、執(zhí)行及簡單的人機界面等都做成一個整檢測、計算、執(zhí)行及簡單的人機界面等都做成一個整體，就地安裝在被控對象之上。體，就地安裝在被控對象之上。例如：瓦特式飛錘調(diào)速器例如：瓦特式飛錘調(diào)速器 第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史該調(diào)速器由發(fā)動機輸該調(diào)速器由發(fā)動機輸出軸經(jīng)齒輪傳動，帶出軸經(jīng)齒輪傳動，帶動一個裝有飛錘的軸動一個裝有飛錘的軸同步轉(zhuǎn)動，這個裝置同步轉(zhuǎn)動，這個裝置相當(dāng)于控制系統(tǒng)的測相當(dāng)于控制系統(tǒng)的測量單元。量單元。飛錘起到了控制器的作用，它利用了飛錘的重力和離心力之間飛錘起到了控制器的作用，它利用了飛錘的重力

44、和離心力之間的關(guān)系實現(xiàn)了設(shè)定值和測量值之間的比較，并將偏差作用于油缸，的關(guān)系實現(xiàn)了設(shè)定值和測量值之間的比較，并將偏差作用于油缸，而油缸則是這個控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，它將升速、降速的指令變成而油缸則是這個控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，它將升速、降速的指令變成了燃油閥門的動作，完成了對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制。了燃油閥門的動作，完成了對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)定值由帶動飛錘的軸的上下位置來決定?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)定值由帶動飛錘的軸的上下位置來決定。第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2 2近代儀表控制系統(tǒng)近代儀表控制系統(tǒng)單元式組合儀表單元式組合儀表單元式組合儀表主要有兩大類。單元式組合儀表主要有兩大類。一類是氣動

45、單元組合儀表一類是氣動單元組合儀表另一類單元式組合儀表是電動單元組合儀表另一類單元式組合儀表是電動單元組合儀表 真正的控制系統(tǒng)是從單元式組合儀表出現(xiàn)后才逐步真正的控制系統(tǒng)是從單元式組合儀表出現(xiàn)后才逐步形成的。形成的。第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史儀表控制系統(tǒng)特點儀表控制系統(tǒng)特點: :基地式儀表只能實現(xiàn)分立的、單個回路的、各種控基地式儀表只能實現(xiàn)分立的、單個回路的、各種控制回路之間無任何聯(lián)系的控制，因此談不上形成系統(tǒng)；制回路之間無任何聯(lián)系的控制，因此談不上形成系統(tǒng)；單元式組合儀表通過不同單元的組合單元式組合儀表通過不同單元的組合，不僅，不僅能完成能完成單個回路的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)串級

46、控制、復(fù)合控制等單個回路的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)串級控制、復(fù)合控制等復(fù)雜復(fù)雜的、涉及的、涉及幾個回路互動的控制功能幾個回路互動的控制功能。而且，由于。而且，由于單元式組合儀表單元式組合儀表有可將有可將顯示、操作、記錄及設(shè)定等單顯示、操作、記錄及設(shè)定等單元集中安裝在控制室內(nèi)元集中安裝在控制室內(nèi)，使得操作員可以，使得操作員可以隨時掌握生隨時掌握生產(chǎn)過程的全貌并據(jù)此實施操作控制產(chǎn)過程的全貌并據(jù)此實施操作控制，因此，就構(gòu)成了，因此，就構(gòu)成了一個完整的控制系統(tǒng)。一個完整的控制系統(tǒng)。第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史 近代儀表控制系統(tǒng)由近代儀表控制系統(tǒng)由三大部分組成三大部分組成，即生產(chǎn)現(xiàn)場的，即生產(chǎn)現(xiàn)

47、場的檢測執(zhí)檢測執(zhí)行裝置行裝置、集中控制室中的、集中控制室中的人機界面人機界面和和連接這兩部分的信號電纜連接這兩部分的信號電纜。集中控制室中，集中控制室中，顯示、操作單元和控制單元顯示、操作單元和控制單元( (一般稱為二次儀一般稱為二次儀表表) )都被安裝在操作盤臺上。都被安裝在操作盤臺上。檢測變送單元和執(zhí)行檢測變送單元和執(zhí)行單元單元( (一般稱為一次儀一般稱為一次儀表表) )則安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場。則安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場。一次儀表和二次儀表之一次儀表和二次儀表之間通過信號電纜實現(xiàn)信間通過信號電纜實現(xiàn)信號的傳輸號的傳輸。如圖。如圖l-19l-19所所示。示。第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史第四控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史(4)

48、(4)模擬儀表控制系統(tǒng)的模擬儀表控制系統(tǒng)的局限性局限性。不論是。不論是氣動還是電動單元組合氣動還是電動單元組合儀表，其調(diào)節(jié)、計算單元都是采用模擬原理實現(xiàn)儀表，其調(diào)節(jié)、計算單元都是采用模擬原理實現(xiàn)的。以電動單元的。以電動單元組合儀表為例，其組合儀表為例，其控制算法，如控制算法，如PIDPID等調(diào)節(jié)規(guī)律，均利用電容、等調(diào)節(jié)規(guī)律，均利用電容、電感、電阻等元件的電氣規(guī)律模擬實現(xiàn)電感、電阻等元件的電氣規(guī)律模擬實現(xiàn)；有較大的局限性。；有較大的局限性。1)1)計算精度不高計算精度不高，其精度受元件參數(shù)精度或，其精度受元件參數(shù)精度或加工精度影響較大加工精度影響較大。2 2) )隨著時間的推移隨著時間的推移、環(huán)

49、境的變化和機件的、環(huán)境的變化和機件的磨損磨損，各種，各種參數(shù)會發(fā)生參數(shù)會發(fā)生變化，造成控制精度下降變化，造成控制精度下降。3)3)以模擬方式實現(xiàn)的計算，其動態(tài)范圍也受到較大的限制。單元以模擬方式實現(xiàn)的計算，其動態(tài)范圍也受到較大的限制。單元式組合儀表的控制回路式組合儀表的控制回路絕大多數(shù)是經(jīng)典絕大多數(shù)是經(jīng)典PIDPID控制，很少有更高級控制，很少有更高級的控制算法。的控制算法。 這些問題使人們尋求正好的控制器或調(diào)節(jié)器。隨著微處理器這些問題使人們尋求正好的控制器或調(diào)節(jié)器。隨著微處理器的出現(xiàn)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機控制逐步的出現(xiàn)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機控制逐步占據(jù)

50、控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。占據(jù)控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。一、計算機控制系統(tǒng)的基本組成一、計算機控制系統(tǒng)的基本組成 計算機控制系統(tǒng)，是計算機控制系統(tǒng)，是由數(shù)字計算機全部或部分取代常規(guī)的控制由數(shù)字計算機全部或部分取代常規(guī)的控制設(shè)備和監(jiān)視儀表，對動態(tài)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制的自動化系統(tǒng)設(shè)備和監(jiān)視儀表，對動態(tài)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制的自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)中的計算機一般稱為過程控制計算機，是系統(tǒng)的核心設(shè)備。系統(tǒng)中的計算機一般稱為過程控制計算機，是系統(tǒng)的核心設(shè)備。過程控制計算機的硬件主要包括過程控制計算機的硬件主要包括主機、外部設(shè)備、過程通道、主機、外部設(shè)備、過程通道、人機接口設(shè)備和通信設(shè)備人機接口設(shè)備和通信設(shè)備等。如圖等。如圖l-

51、20l-20所示所示第 五 節(jié)第 五 節(jié) 計 算 機 控 制 系 統(tǒng)計 算 機 控 制 系 統(tǒng)1 1主機主機 主機是計算機控制系統(tǒng)的核心，由主機是計算機控制系統(tǒng)的核心，由中央處理器中央處理器(CPU)(CPU)、內(nèi)存、內(nèi)存儲器儲器(RAM(RAM、ROM)ROM)和其他支持電路等組成和其他支持電路等組成。 2 2外部設(shè)備外部設(shè)備 外部設(shè)備也稱外圍設(shè)備，是指除主機之外的其他必備的支外部設(shè)備也稱外圍設(shè)備，是指除主機之外的其他必備的支撐設(shè)備，按功能可分成三類，即撐設(shè)備，按功能可分成三類，即輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲器。器。 常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)等，用來輸入程序、數(shù)據(jù)和

52、操常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)等，用來輸入程序、數(shù)據(jù)和操作命令。作命令。 常用的輸出設(shè)備有打印機、繪圖儀、常用的輸出設(shè)備有打印機、繪圖儀、CRTCRT顯示器等，用來提供顯示器等，用來提供系統(tǒng)中的各種信息。系統(tǒng)中的各種信息。 常用的外存儲器有硬盤、光盤等，用來存儲程序軟件、歷史常用的外存儲器有硬盤、光盤等，用來存儲程序軟件、歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)第 五 節(jié)第 五 節(jié) 計 算 機 控 制 系 統(tǒng)計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 3 3過程通道過程通道 過程通道又稱過程輸入輸出過程通道又稱過程輸入輸出(PIO)(PIO)通道，它是計算機和生通道，它是計算機和生產(chǎn)過程之間信息傳遞和變換的橋梁和紐帶。過程通道有輸入通道產(chǎn)

53、過程之間信息傳遞和變換的橋梁和紐帶。過程通道有輸入通道(A(AD)D)和輸出通道和輸出通道(D(DA)A)兩類。兩類。輸入通道用來將檢測裝置送來的輸入通道用來將檢測裝置送來的過程量轉(zhuǎn)換成計算機所能接受和識別的代碼；輸出通道用來將計過程量轉(zhuǎn)換成計算機所能接受和識別的代碼；輸出通道用來將計算機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行裝置能接收的信號算機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行裝置能接收的信號。 4 4人機接口設(shè)備人機接口設(shè)備 人機接口設(shè)備用來建立人與計算機之間的聯(lián)系，人機接口設(shè)備用來建立人與計算機之間的聯(lián)系，運行維護人員運行維護人員通過人機接口設(shè)備了解和干預(yù)生產(chǎn)過程，維護人員通過人機接口通過人機接口設(shè)

54、備了解和干預(yù)生產(chǎn)過程，維護人員通過人機接口來管理和維護系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)、控制策略及參數(shù)進(jìn)行修改。在來管理和維護系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)、控制策略及參數(shù)進(jìn)行修改。在單臺計算機構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，輸入輸出設(shè)備充當(dāng)人機接口設(shè)備，單臺計算機構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，輸入輸出設(shè)備充當(dāng)人機接口設(shè)備，多臺計算機構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，人機接口設(shè)備可以由獨立的計算多臺計算機構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，人機接口設(shè)備可以由獨立的計算機來完成。機來完成。第 五 節(jié)第 五 節(jié) 計 算 機 控 制 系 統(tǒng)計 算 機 控 制 系 統(tǒng)第 五 節(jié)第 五 節(jié) 計 算 機 控 制 系 統(tǒng)計 算 機 控 制 系 統(tǒng)5 5通信設(shè)備通信設(shè)備 復(fù)雜生產(chǎn)過程的控制與管理復(fù)

55、雜生產(chǎn)過程的控制與管理，僅由單臺計算機是難以勝任的，僅由單臺計算機是難以勝任的，往往往往需要多臺計算機的協(xié)同工作需要多臺計算機的協(xié)同工作。每個計算機完成不同的功能，。每個計算機完成不同的功能，在地理上也可能是分散的，在地理上也可能是分散的，它們之間的信息交換要通過通信設(shè)它們之間的信息交換要通過通信設(shè)備或計算機網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。備或計算機網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。 二、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展二、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展 1 1數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) 2 2監(jiān)督控制系統(tǒng)（監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCCSCC）監(jiān)督計算機根據(jù)反映生產(chǎn)過程工況的實時數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，計監(jiān)督計算機根據(jù)反映生產(chǎn)過程工況的實時數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，計算出

56、各控制回路的最佳設(shè)定值，并對模擬控制器或數(shù)字控制器算出各控制回路的最佳設(shè)定值，并對模擬控制器或數(shù)字控制器的設(shè)定值直接進(jìn)行修改。監(jiān)督計算機不直接控制生產(chǎn)過程，而的設(shè)定值直接進(jìn)行修改。監(jiān)督計算機不直接控制生產(chǎn)過程，而是完成最優(yōu)工況及其設(shè)定值的計算，它對生產(chǎn)過程的控制作用是完成最優(yōu)工況及其設(shè)定值的計算，它對生產(chǎn)過程的控制作用是通過改變模擬或數(shù)字控制器的設(shè)定值來體現(xiàn)的。是通過改變模擬或數(shù)字控制器的設(shè)定值來體現(xiàn)的。監(jiān)督控制系統(tǒng)是監(jiān)督控制系統(tǒng)是一個兩級控制系一個兩級控制系統(tǒng)，上級是以計統(tǒng)，上級是以計算機為主體的監(jiān)算機為主體的監(jiān)督控制級，下級督控制級，下級是以模擬控制器是以模擬控制器或微處理器為主或微處理器

57、為主體的直接控制級。體的直接控制級。監(jiān)督控制級發(fā)生故障時，直接控制級仍可獨立完成控制操作，監(jiān)督控制級發(fā)生故障時，直接控制級仍可獨立完成控制操作，只不過此時的設(shè)定值不能按優(yōu)化的要求自動修改而已。只不過此時的設(shè)定值不能按優(yōu)化的要求自動修改而已。這樣也這樣也使系統(tǒng)的可靠性和安全性得到保證。使系統(tǒng)的可靠性和安全性得到保證。 2 2 監(jiān) 督 控 制 系 統(tǒng) （ 續(xù) ） 監(jiān) 督 控 制 系 統(tǒng) （ 續(xù) ） 直接數(shù)字控制系統(tǒng)是由計算機或以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控直接數(shù)字控制系統(tǒng)是由計算機或以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制器取代常規(guī)模擬控制器，直接對生產(chǎn)過程進(jìn)行閉環(huán)控制的系制器取代常規(guī)模擬控制器，直接對生產(chǎn)過程進(jìn)行閉

58、環(huán)控制的系統(tǒng)，如圖統(tǒng)，如圖1-201-20所示。在所示。在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，計算機通過過程直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，計算機通過過程輸入通道對被控對象的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，并將所測參數(shù)輸入通道對被控對象的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，并將所測參數(shù)按一定的控制規(guī)律進(jìn)行運算處理，其結(jié)果經(jīng)系統(tǒng)的過程輸出通按一定的控制規(guī)律進(jìn)行運算處理，其結(jié)果經(jīng)系統(tǒng)的過程輸出通道作用于被控對象，道作用于被控對象，使被控參數(shù)達(dá)到生產(chǎn)要求的性能指標(biāo)。使被控參數(shù)達(dá)到生產(chǎn)要求的性能指標(biāo)。3 3直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)(DDC)(DDC)3 3直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)(DDC)(DDC)續(xù)續(xù) DDCDDC系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用過程中

59、有兩種主要形式：系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用過程中有兩種主要形式：集中控制系統(tǒng)和回集中控制系統(tǒng)和回路調(diào)節(jié)器。路調(diào)節(jié)器。 1 1集中控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng) 在集中控制系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮計算機的利用率，計算機通在集中控制系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮計算機的利用率，計算機通常用來代替多臺模擬控制器，控制幾個或幾十個控制回路，利用常用來代替多臺模擬控制器，控制幾個或幾十個控制回路，利用計算機強大的計算處理能力將所有回路的控制計算工作集中完成，計算機強大的計算處理能力將所有回路的控制計算工作集中完成，各控制回路可共享資源。如圖各控制回路可共享資源。如圖1-231-23所示。所示。將所有控制回路的計算處理集中在一起的方法比較有

60、利于復(fù)雜將所有控制回路的計算處理集中在一起的方法比較有利于復(fù)雜控制功能的實現(xiàn)?？刂乒δ艿膶崿F(xiàn)。同時帶來了安全性和計算能力的問題。所有回路都集中在計算同時帶來了安全性和計算能力的問題。所有回路都集中在計算機中進(jìn)行計算處理，計算機將成為整個系統(tǒng)可靠性的機中進(jìn)行計算處理，計算機將成為整個系統(tǒng)可靠性的“瓶頸瓶頸”，一旦計算機出現(xiàn)故障，控制回路都會失去控制，這很危險。一旦計算機出現(xiàn)故障，控制回路都會失去控制，這很危險。 受計算機處理能力的限制，在控制回路太多或要求控制周期很受計算機處理能力的限制，在控制回路太多或要求控制周期很短時，系統(tǒng)將滿足不了要求。短時，系統(tǒng)將滿足不了要求。系統(tǒng)要求計算機不僅具有良好