第十二講-自動控制系統(tǒng)概述

1第十二講自動控制系統(tǒng)概述定義控制系統(tǒng)：為完成某種“目標”而采用的一整套的方法和步驟。而這些方法和步驟通常又包含能夠更好實現(xiàn)這些“目標”的最佳策略。在工業(yè)領(lǐng)域，自動控制系統(tǒng)常常是指那些在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置，對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)、目標要求等進行自動的調(diào)節(jié)與控制，使之按照預定的方案達到要求的指標的設備。2使用常規(guī)儀表的控制室3早期的DCS控制系統(tǒng)4現(xiàn)代的DCS控制系統(tǒng)5現(xiàn)代操作室6發(fā)展歷程基地式20世紀50年代，適用于單回路

單元組合式（按功能）DDZ,QDZ20世紀60年代，之間用標準統(tǒng)一信號聯(lián)系

計算機DDC,DCS20世紀70年代

先進控制和優(yōu)化控制CIPS,FCS20世紀80年代以后模擬儀表

數(shù)字儀表

智能儀表7發(fā)展歷程經(jīng)典控制理論：40－50年代形成的SISO系統(tǒng)

基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標：反饋控制系統(tǒng)基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)現(xiàn)代控制理論：60－70年代形成MIMO系統(tǒng)

基于：冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)目標：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程（時域）8發(fā)展歷程智能控制技術(shù)：90年代開始發(fā)展

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡正在發(fā)展的各個領(lǐng)域

自適應控制大系統(tǒng)理論魯棒控制非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)）9發(fā)展歷程生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向10發(fā)展歷程大型加工機床的精密控制11發(fā)展歷程這是由數(shù)控機床群構(gòu)成的生產(chǎn)線——由自動控制保證產(chǎn)品的加工精度。其主軸為恒值控制(恒速)，刀架為隨動系統(tǒng)(精確定位)。12發(fā)展歷程帶有機械手的點焊生產(chǎn)線(大批量鉚焊加工生產(chǎn)線)要能精密定位及時間控制。機器人控制(自動控制)汽車車體焊接噴漆13發(fā)展歷程堆物噴涂機器人14發(fā)展歷程加工中心——往往含有車、銑、鉆等多種功能，有刀具庫，能自動換刀等。各廠生產(chǎn)含有各種不同功能的加工中心。15開環(huán)控制與閉環(huán)控制太陽傳感器太陽移動速度電動機減速器泵++電動機電流泵地下水蓄水池灌溉太陽能收集器機械轉(zhuǎn)距目標：利用太陽能結(jié)果：抽水中間環(huán)節(jié)：實現(xiàn)手段太陽能高效抽水機系統(tǒng)16開環(huán)控制與閉環(huán)控制抽水過程只與太陽能轉(zhuǎn)換來的電流大小有關(guān)，它不能反應水池的蓄水情況。因此，這個控制系統(tǒng)存在著水資源的浪費問題。如何解決這個問題？17開環(huán)控制與閉環(huán)控制太陽傳感器太陽移動速度電動機減速器泵++-水位傳感器水池電動機電流泵地下水蓄水池太陽能收集器水位傳感器灌溉將輸出端的信號返回輸入端18開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)(Open－loopControlSystem)

若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed－loopControlSystem)

若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(FeedbackControlSystem)。19例鍋爐水位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器汽包變送器主蒸汽過熱器省煤器執(zhí)行器給水調(diào)節(jié)閥給水泵給水20例鍋爐水位控制系統(tǒng)閉環(huán)控制要增加檢測、反饋比較，調(diào)節(jié)器等部件,會使系統(tǒng)復雜、成本提高。而且閉環(huán)控制會帶來副作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至造成不穩(wěn)定。這是采用閉環(huán)控制時必須重視并要加以解決的問題。21主要環(huán)節(jié)22分類按輸入量變化的規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)（FixedSet-PointControlSystem）控制系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地保持恒定。隨動系統(tǒng)（Follow-UpControlSystem）輸入量是變化著的(有時是隨機的)，并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應的變化。

過程控制系統(tǒng)（ProcessControlSystem）在化工、輕工、食品等生產(chǎn)過程中對溫度、流量、壓力、濕度等的控制——過程控制系統(tǒng)。23過程控制系統(tǒng)化工廠發(fā)電廠24過程控制系統(tǒng)DCSPLCPACSCADA、RTUPC-based控制器、IPC25DCS分散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)，采用功能分級、軟硬件分布配置、監(jiān)控管理功能集中于中央站和有相當操作級別的終端，實時性強的控制和調(diào)節(jié)功能由分站完成，中央站停止工作不影響分站功能和設備運轉(zhuǎn)，對于局部網(wǎng)絡通信控制也不應因此而中斷。目前生產(chǎn)DCS的廠家：國外：HONEYWELL公司－ExpersionPKS;ABB－IndustrialIT；Simenz－PCS7；日本橫河的YEPARKMARKⅡ等等。國內(nèi)：浙大中控、和利時等。26DCS27DCSDCS由四部份組成（也可以說成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通訊網(wǎng)絡。人機接口包括操作站、工程師站和歷史站?？刂破鱅/O部件和生產(chǎn)過程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網(wǎng)絡把這兩部分聯(lián)成系統(tǒng)。所以操作站是DCS的重要組成部分，工程師站給控制器和操作站組態(tài)，歷史站記錄生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)。最近幾年開發(fā)的人機界面還有動態(tài)數(shù)據(jù)服務器。28DCS現(xiàn)場總線是20世紀80年代末、90年代初國際上形成的,用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術(shù)以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C（Computer計算機、Control控制、Communication通信）技術(shù)的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設備。

29PLC可編程序控制器，專為在工業(yè)環(huán)境中應用而設計，采用可編程序的存儲器存儲操作指令，并通過數(shù)字式的或模擬式的輸入輸出控制機械或生產(chǎn)過程（IEC—1985）。1969年美國通用公司生產(chǎn)第一套PLC（ProgrammableLogicController）。國內(nèi)外許多生產(chǎn)PLC廠家。30PLC31PLC從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。32PLC&DCSPLC由傳統(tǒng)繼電器控制發(fā)展而來，早期以數(shù)字量邏輯控制為主；DCS由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，以模擬量回路控制為主。應用范圍

DCS：過程控制，面向工藝變量。

PLC：機械制造和工廠自動化，面向操作人員。由于計算機和網(wǎng)絡技術(shù)不斷發(fā)展，DCS和PLC兩者功能不斷相互滲透。這兩類在控制領(lǐng)域各司一方的控制系統(tǒng)，不斷吸納對方優(yōu)點以充實自己，

DCS和PLC正在走向統(tǒng)一。33PACPAC這個概念的提出是針對PLC的概念而來，作為一種快速和可靠的解決方案，由自動化研究機構(gòu)(ARC)提出的，它表示可編程自動化控制器，用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng)，而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺。采用現(xiàn)有的商業(yè)計算機技術(shù)，所以具有更優(yōu)異的效能，并具有可伸縮性。透過商業(yè)化大量生產(chǎn)的平臺，所以易于維護和具有較低的發(fā)生故障時間等特性。目前生產(chǎn)PAC的廠家如羅克維爾、研華、貝加萊等。34PAC在此隧道照明設備的項目中，研華工業(yè)級以太網(wǎng)交換機及光纖轉(zhuǎn)換器EKI系列作為照明控制的網(wǎng)絡設備，負責數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定傳輸。研華的APAX-5000系列及ADAM-5000作為控制系統(tǒng)，高穩(wěn)定度、運算能力及擴充能力，安裝后運轉(zhuǎn)測試，皆符合標準并順利完成驗收。整個系統(tǒng)保證了隧道工程整體監(jiān)控的可靠度。

35SCADA、RTUSCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應用領(lǐng)域很廣，它可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。

36SCADA、RTURTU（遠程測控終端），英文全稱RemoteTerminalUnit，中文全稱為遠程終端控制系統(tǒng)，負責對現(xiàn)場信號、工業(yè)設備的監(jiān)測和控制。其中包括：開關(guān)量輸入單元、開關(guān)量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、脈沖量輸入單元、脈沖量輸出單元、數(shù)字量輸入單元。

PLC一般主要用于工廠車間流水線的控制，而RTU在國外主要用于室外應用，惡劣環(huán)境中，比如在一些無人值守的站點。37SCADA、RTU38SCADA、RTU39SCADA、RTU40SCADA、RTU深圳燃氣高壓管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)41SCADA、RTU深圳燃氣集團建設一套完整的包括SCADA數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、CIS/TCMS客戶信息故障報告管理系統(tǒng)、PSS/PMS生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、EMS/SMS應急維修（預定維修）支持系統(tǒng)、GLFS燃氣負荷預測系統(tǒng)等六個子系統(tǒng)在內(nèi)的DMS城市輸配管理系統(tǒng)。整個SCADA系統(tǒng)含1座高壓調(diào)度控制中心MCC（留仙洞調(diào)度中心），1個高壓容災備份中心ECC（深燃集團主調(diào)度中心－喜年中心），10套站控系統(tǒng)（3個門站、4個氣化站、1個調(diào)峰站、1個電廠、1個高壓/次高壓調(diào)壓站）和39套RTU站控系統(tǒng)，以及3個已建PLC站控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，共54個工程點。42SCADA、RTURTU的發(fā)展歷程是與“四遙”工程技術(shù)相聯(lián)系?！八倪b”系統(tǒng)工程是多學科、多專業(yè)的高新技術(shù)系統(tǒng)工程，涉及計算機、機械、無線電、自動控制等技術(shù)，還涉及傳感器技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、非電量測量技術(shù)、軟件工程、條碼技術(shù)、無線電通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、信息處理技術(shù)等高新技術(shù)。因此，完全可以斷言，RTU的發(fā)展將必然會隨著“四遙”工程技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。43SCADA、RTU四遙功能由遠動系統(tǒng)終端RTU實現(xiàn)，它包括：遙測：遠程測量采集并傳送運行參數(shù)，包括各種工藝參數(shù)和負荷等。遙信：遠程信號采集并傳送各種保護和調(diào)節(jié)量信息遙控：遠程控制接受并執(zhí)行遙控命令，主要是閥門，對遠程的一些設備進行遠程控制遙調(diào)：遠程調(diào)節(jié)接受并執(zhí)行遙調(diào)命令，對遠程的設備進行遠程調(diào)試，如調(diào)節(jié)壓縮機輸出功率44PC－based控制器、IPCPC-based控制器從外觀到可靠性也都開始可以與PLC相近。PC-based是一種基于PC技術(shù)的控制系統(tǒng)。最早的PC-based控制系統(tǒng)是以工控機為核心，通過擴展帶PCI接口的專用板卡組成。PC-based借助于IT技術(shù)的發(fā)展，在運算、存儲、組網(wǎng)和軟件開放性方面具有優(yōu)勢。在編程方面，由于IEC61131-3編程語言標準的推出和廣泛采用，為PC-based控制器的高速發(fā)展鋪平了道路。這樣，PC-based控制器不僅具有PC的優(yōu)勢，也具有傳統(tǒng)PLC的優(yōu)勢。它可無縫地融合到網(wǎng)絡時代的信息系統(tǒng)中。IPC—工控機控制系統(tǒng)。45PC－based控制器、IPC46HCS實際上控制系統(tǒng)是以上幾種系統(tǒng)組成的混合控制系統(tǒng)（HCS）。目前城市燃氣自動化中應用主要為：PLC、SCADA、RTU等DCS也有小部分應用47自動化-信息化48A勘探開發(fā)與管道項目A1.勘探與生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)A4.地理信息系統(tǒng)A3.管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)A2.油氣水井生產(chǎn)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

B煉油化工與

銷售項目B1.煉油與化工

運行系統(tǒng)B3.客戶關(guān)系管理系統(tǒng)B4.加油站管理系統(tǒng)B2.煉化物料優(yōu)化與排產(chǎn)系統(tǒng)G組織與保障項目G2.信息技術(shù)標準制定G6.信息技術(shù)專家

中心建設G4.幫助熱線建設G1.信息部門職能建設G5.信息技術(shù)支持中心建設G3.信息技術(shù)培訓A5.采油與地面工程

運行管理系統(tǒng)

A6.數(shù)字盆地系統(tǒng)C商務與支持項目C1.電子采購系統(tǒng)C2.電子銷售系統(tǒng)C3.貿(mào)易管理系統(tǒng)C4.礦區(qū)服務系統(tǒng)C5.物流管理系統(tǒng)C6.發(fā)電供電信息

系統(tǒng)E綜合管理項目E3.企業(yè)信息門戶

系統(tǒng)E7.內(nèi)控管理系統(tǒng)E6.檔案管理系統(tǒng)E4.數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)E1.健康安全環(huán)保系統(tǒng)E5.辦公管理系統(tǒng)A7.工程技術(shù)生產(chǎn)

運行管理系統(tǒng)F基礎(chǔ)設施項目F1.廣域網(wǎng)改進F6.電子郵件服務改進F2.局域網(wǎng)改進F9.災難恢復系統(tǒng)

建設F5.企業(yè)信息系統(tǒng)管理F4.數(shù)據(jù)中心建設F3.因特網(wǎng)接入改進F10.軟硬件標準化F7.視頻會議系統(tǒng)

改進F8.信息安全體系建設DERP項目D5.銷售與市場

ERP系統(tǒng)D6.總部ERP系統(tǒng)

D3.天然氣與管道

ERP系統(tǒng)D2.勘探與生產(chǎn)

ERP系統(tǒng)D1.ERP業(yè)務分析與實施計劃D4.煉油與化工

ERP系統(tǒng)D10.油田服務

ERP系統(tǒng)D11.煉化服務

ERP系統(tǒng)D7.工程技術(shù)服務

ERP系統(tǒng)D8.物資裝備

ERP系統(tǒng)D9.海外業(yè)務

ERP系統(tǒng)E2.應急管理系統(tǒng)CNPC信息化建設取得了長足進展，信息技術(shù)基礎(chǔ)設施日趨完善，管理信息系統(tǒng)建設取得了階段性成果，專業(yè)應用系統(tǒng)建設有了實質(zhì)性進展。按照新總體規(guī)劃統(tǒng)計，10個項目已完成，24個項目正在實施，17個項目已完成可行性研究工作。推廣項目維護或完成項目試點項目準備或可研項目邊建邊上線項目48自動化-信息化49根據(jù)業(yè)務需求進行架構(gòu)設計管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫

-企業(yè)信息門戶

-關(guān)鍵業(yè)績指標

-檔案管理企業(yè)資源計劃財務管理

–人力資源–設備資產(chǎn)管理–項目管理–預算管理–采購管理公用支持系統(tǒng)勘探與生產(chǎn)天然氣與管道煉油與化工銷售煉油與化工

運作支持系統(tǒng)銷售與市場

運作支持系統(tǒng)勘探與生產(chǎn)

運作支持系統(tǒng)天然氣與管道

運作支持系統(tǒng)勘探與生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)煉化物料優(yōu)化與排產(chǎn)系統(tǒng)煉油與化工

運行系統(tǒng)客戶關(guān)系管理系統(tǒng)管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)物流

管理系統(tǒng)貿(mào)易管理系統(tǒng)加油站管理系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)采油與地面工程運行管理系統(tǒng)數(shù)字盆地系統(tǒng)49自動化-信息化CNPC總體信息架構(gòu)從作業(yè)單元采集到集團公司總部主要分為四個層次，數(shù)據(jù)經(jīng)過匯總和篩選，逐級向上傳遞，支持各級生產(chǎn)與經(jīng)營管理。50自動化-信息化51項目說明：本項目包主要功能模塊包括：數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的流程規(guī)范、標準及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)地學應用：地震解釋、測井解釋、地質(zhì)解釋、油藏建模、數(shù)值模擬、經(jīng)濟評價等鉆井應用：鉆井設計、鉆完井管理等與油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、工程技術(shù)生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)等其它系統(tǒng)的集成系統(tǒng)部署方式：采用兩級部署的方式，勘探與生產(chǎn)分公司總部部署一套完整系統(tǒng)，數(shù)據(jù)包括股份公司所屬各油田公司的主要技術(shù)數(shù)據(jù)；各地區(qū)油田公司分別部署一套系統(tǒng)，數(shù)據(jù)包括地區(qū)內(nèi)的勘探開發(fā)技術(shù)數(shù)據(jù)本系統(tǒng)的用戶范圍包括：勘探與開發(fā)分公司總部和各油田地區(qū)公司的勘探、開發(fā)、油藏處室以及勘探開發(fā)研究院所項目目標：建成勘探與生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)管理平臺，集成各專業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為勘探開發(fā)研究提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并整合專業(yè)軟件，建設項目研究綜合應用環(huán)境，進而實現(xiàn)勘探與生產(chǎn)信息標準化，數(shù)據(jù)管理流程規(guī)范化，提高解釋油藏特征和動態(tài)預測精度，改進勘探開發(fā)項目的管理和流程。項目優(yōu)先次序／實施方法：項目優(yōu)先級高，2005年大慶試點已上線，截止2006年完成了一期7個油田的推廣，正在進行二期5個油田的推廣工作項目需要從其它系統(tǒng)采集各類技術(shù)數(shù)據(jù)，油氣水井生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工程技術(shù)生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)和各地區(qū)公司專業(yè)數(shù)據(jù)庫是主要數(shù)據(jù)來源，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口規(guī)范、數(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)管理流程在實施過程中應預先明確，以便于系統(tǒng)集成項目的實施需要依據(jù)業(yè)務實現(xiàn)勘探與生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的合理化和標準化，分析目前各業(yè)務單元采用的勘探開發(fā)工作流，確認需要改進的方面；同時選擇大慶油田做試點，在標準系統(tǒng)基礎(chǔ)上設計優(yōu)化的工作流；需要注意的是新的工作流也許需要依據(jù)優(yōu)先順序?qū)ΜF(xiàn)有的組織結(jié)構(gòu)作相應調(diào)整，以及在各油田推廣改進后的工作流項目參與方：信息管理部股份公司勘探與生產(chǎn)分公司總部股份公司所屬各油田地區(qū)公司推薦的信息技術(shù)項目：勘探與生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)51自動化-信息化52自動化-信息化53國際著名油氣田工程技術(shù)服務公司斯倫貝謝建有自己的全球?qū)＞W(wǎng)：SINET?，F(xiàn)在SINET連接著超過55個國家和地區(qū)的19000個用戶，并通過衛(wèi)星通訊到達各油氣田開發(fā)現(xiàn)場。SINET除了為本公司使