過程控制系統(tǒng)

　　基本信息

　　在石油、化工、冶金、電力、輕工和建材等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動控制稱為生產(chǎn)過程自動化。生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，是20世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志。

　　凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制就稱為過程控制。過程控制系統(tǒng)（processcontrolsystems）可以分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)與計算機過程控制系統(tǒng)兩大類。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模走向大型化、復(fù)雜化、精細(xì)化、批量化，靠儀表控制系統(tǒng)已很難達(dá)到生產(chǎn)和管理要求，計算機過程控制系統(tǒng)是近幾十年發(fā)展起來的以計算機為核心的控制系統(tǒng)。

　　過程控制在石油、化工、電力、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。60年代，隨著各種組合儀表和巡回檢測裝置的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。70年代，出現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結(jié)合的多級計算機控制系統(tǒng)。

　　以表征生產(chǎn)過程的參數(shù)為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。例如，鍋爐中蒸汽的產(chǎn)生、分餾塔中原油的分離等。表征過程的主要參數(shù)有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參數(shù)的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。

　　蒸汽鍋爐的液位控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)的一個例子。當(dāng)產(chǎn)生蒸汽的耗水量與鍋爐進(jìn)水量相等時，液位保持在給定的正常標(biāo)準(zhǔn)值。蒸汽量的增加或減少即引起液位的下降或上升。差壓傳感器將液、汽間的壓差（代表實際液位）與給定壓差（代表給定液位）比較，得到兩者的差值，稱為偏差（代表實際液位與給定液位之差）?？刂破鞲鶕?jù)偏差值按照指定規(guī)律發(fā)出相應(yīng)信號，控制調(diào)節(jié)閥的閥門，使液位恢復(fù)到給定的標(biāo)準(zhǔn)位置，從而實現(xiàn)對液位的自動控制。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。而在批量型的過程操作中則需要采用順序控制系統(tǒng)。例如，化學(xué)反應(yīng)器中催化劑的注入需要等到反應(yīng)物升溫至一定數(shù)值后才能開始，操作必須遵守嚴(yán)格的順序。順序控制常采用可編程序邏輯控制器來實現(xiàn)。

　　在實際生產(chǎn)過程中，往往有多個參數(shù)（被控量）需要控制，又有多個變量可用作控制量。在很多情況下，被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān)系，每個控制量的變化會同時引起幾個被控量變化。這種變量間的交互影響稱為耦合。耦合的存在會使過程控制系統(tǒng)變得復(fù)雜化。簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種方法是采用解耦控制（見解耦控制問題），通過引入某種補償網(wǎng)絡(luò)或補償通道把一個有耦合的多變量過程化成一些無耦合的單變量過程來處理，或者經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理以減小耦合影響。多變量頻域方法是研究和設(shè)計多變量耦合過程控制系統(tǒng)的一種有效工具。

　　過程控制在石油、化工、電力、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。50年代，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參數(shù)保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。60年代，隨著各種組合儀表和巡回檢測裝置的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。它具有5個層次的功能：①調(diào)度；②操作模式確定；③質(zhì)量控制；④反饋控制(自動調(diào)節(jié))和順序控制；⑤故障的防止和彌補。80年代，過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合，具有更多的功能。過程信息系統(tǒng)在操作員與自動化系統(tǒng)之間提供了人機交互功能，各種顯示屏幕能顯示過程設(shè)備的狀態(tài)、報警和過程變量數(shù)值的流程圖，并能在屏幕的一定區(qū)域顯示過去的信息。過程信息系統(tǒng)還能統(tǒng)一處理銷售、設(shè)計、內(nèi)部運輸、存儲、包裝、行情調(diào)查、會計、維修、管理等環(huán)節(jié)的信息，溝通企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)內(nèi)外的信息，并能根據(jù)使用人員的需要有選擇地提供信息報告。例如，顧客的訂貨單可在門市部送到信息系統(tǒng)中而立即傳送到信息系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度部門。

　　系統(tǒng)發(fā)展

　　隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。

　　在現(xiàn)代工業(yè)控制中，過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。在本世紀(jì)30年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天，在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動控制兩個發(fā)展時期。在自動控制時期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，它們是：分散控制階段，集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展，無論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。

　　過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計算機及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。

　　發(fā)展回顧

　　世界上第一臺電子數(shù)字計算機于1946年在美國問世。經(jīng)歷了十多年的研究，1959年世界上第一臺過程控制計算機TRW)300在美國德克薩斯的一個煉油廠正式投入運行。這項開創(chuàng)性工作為計算機控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從此，計算機控制技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展?；仡櫣I(yè)過程的計算機控制歷史，經(jīng)歷了以下幾個時期：(1)起步時期(20世紀(jì)50年代)。20世紀(jì)50年代中期，有人開始研究將計算機用于工業(yè)過程控制。

　　(2)試驗時期(20世紀(jì)60年代)。1962年，英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司利用計算機完全代替了原來的模擬控制。

　　(3)推廣時期(20世紀(jì)70年代)。隨著大規(guī)模集成電路(LSI)技術(shù)的發(fā)展，1972年生產(chǎn)出了微型計算機(m-icrocomputer)，其最大優(yōu)點是運算速度快，可靠性高，價格便宜和體積小。

　　(4)成熟時期(20世紀(jì)80年代)。隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得計算機向著超小型化、軟件固定化和控制智能化方向發(fā)展。80年代末，又推出了具有計算機輔助設(shè)計(CAD)、專家系統(tǒng)、控制和管理融為一體的新型集散控制系統(tǒng)。

　　(5)進(jìn)一步發(fā)展時期(20世紀(jì)90年代)。在計算機控制系統(tǒng)進(jìn)一步完善，應(yīng)用更加普及，價格不斷下降的同時，功能卻更加豐富，性能變得更加可靠。

　　計算機

　　計算機過程控制系統(tǒng)的分類

　　計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，計算機可以控制單個電機、閥門，也可以控制管理整個工廠企業(yè)；控制方式可以是單回路控制，也可以是復(fù)雜的多變量解耦控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制乃至智能控制。因而，它的分類方法也是多樣的，可以按照被控參數(shù)、設(shè)定值的形式進(jìn)行分類，也可以按照控制裝置結(jié)構(gòu)類型、被控對象的特點和要求及控制功能的類型進(jìn)行分類，還可以按照系統(tǒng)功能、控制規(guī)律和控制方式進(jìn)行分類。常用的是按照系統(tǒng)功能分類，分為以下幾類：(1)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DAS)，對生產(chǎn)過程參數(shù)作巡檢、分析、記錄和報警處理。

　　(2)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)，計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)過程，而只是對過程參數(shù)進(jìn)行收集，加工處理后輸出數(shù)據(jù)，操作人員據(jù)此進(jìn)行必要的操作。

　　(3)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)，計算機從過程輸入通道獲取數(shù)據(jù)，運算處理后，再從輸出通道輸出控制信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。

　　(4)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)，計算機根據(jù)生產(chǎn)過程參數(shù)和對象的數(shù)字模型給出最佳工藝參數(shù)，據(jù)此對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　(5)多級控制系統(tǒng)，企業(yè)經(jīng)營管理和生產(chǎn)過程控制分別由幾級計算機進(jìn)行控制，一般是三級系統(tǒng)，即經(jīng)營管理級(MIS)、監(jiān)督控制級(SCC)和直接數(shù)字控制級(DDC)。

　　(6)集散控制系統(tǒng)(DCS)，以微處理器為核心，實現(xiàn)地理和功能上的分散控制，同時通過高速數(shù)據(jù)通道將分散的信息集中起來，實現(xiàn)復(fù)雜的控制和管理。

　　(7)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，SCADA是以計算機、控制、通訊與CRT技術(shù)為基礎(chǔ)的一種綜合自動化系統(tǒng)，更適用于/點多、面廣、線長0的生產(chǎn)過程。由于控制中心和監(jiān)控點的分散而自然形成了兩層控制結(jié)構(gòu)。

　　(8)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，是新一代分布式控制系統(tǒng)，與DCS的三層結(jié)構(gòu)不同，其結(jié)構(gòu)模式為/工作站)現(xiàn)場總線智能儀表0兩層結(jié)構(gòu)，降低了總成本，提高了可靠性，系統(tǒng)更加開放，功能更加強大。在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下，可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　(9)計算機集成過程控制系統(tǒng)(CIPS)，利用DCS作基礎(chǔ)，開發(fā)高級控制策略，實現(xiàn)各層次的優(yōu)化，利用管理信息系統(tǒng)MIS進(jìn)行輔助管理和決策，將企業(yè)中有關(guān)過程控制、計劃調(diào)度、經(jīng)營管理、市場銷售等信息進(jìn)行集成，經(jīng)科學(xué)加工后，為各級領(lǐng)導(dǎo)、管理及生產(chǎn)部門提供決策依據(jù)，實現(xiàn)控制、管理的一體化。

　　計算機過程控制系統(tǒng)國內(nèi)外應(yīng)用狀況

　　近十幾年，過程控制系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，由于集散控制系統(tǒng)是這一領(lǐng)域的主導(dǎo)發(fā)展方向，各國廠商都在這一市場不斷推陳出新。美國和日本的產(chǎn)品代表兩個主要的發(fā)展方向：美國廠商重點推出開放型集散系統(tǒng)，加速研制現(xiàn)場總線產(chǎn)品，推廣應(yīng)用智能變送器；日本廠商則著重發(fā)展高功能集散系統(tǒng)，從軟件開發(fā)入手，挖掘軟件工作的潛力，強調(diào)控制功能和管理功能的結(jié)合。

　　20世紀(jì)80年代，比較著名的大型集散控制系統(tǒng)新產(chǎn)品有：美國Honeywell公司的TDC-3000，F(xiàn)oxboro公司的I/AS，Bailey公司的INFI-90，日本橫河公司的CENTRUMXL，英國OxfordAutomation公司的SYSTEM-86，德國Siemens公司的TELEPERM系統(tǒng)等等。這些都屬于第三代DCS，控制點可達(dá)到一萬點以上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接近標(biāo)準(zhǔn)化，采用局域網(wǎng)技術(shù)。它的主要改變是在局域網(wǎng)絡(luò)方面，采用了符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互連的參考模型。因此，在符合開放系統(tǒng)的各制造廠商產(chǎn)品間可以互相連接、互相通訊和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，第三方的應(yīng)用軟件也能在系統(tǒng)中應(yīng)用，從而使集散控制系統(tǒng)進(jìn)入了更高的階段。

　　在20世紀(jì)90年代初，隨著對控制和管理要求的不斷提高，第四代集散控制系統(tǒng)以管控一體化的形式出現(xiàn)。它在硬件上采用了開放的工作站，使用RISC替代CISC，采用了客戶機/服務(wù)器(Client/Server)的結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)(Intranet)，并可與國際信息網(wǎng)(Internet)聯(lián)網(wǎng)。在軟件上則采用UNIX系統(tǒng)和X-Windows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富。同時，在制造業(yè)，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)得到了應(yīng)用，使人們看到了應(yīng)用信息管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，在世界上引起了廣泛重視，各大儀表制造廠商紛紛在自己的DCS系統(tǒng)中融入現(xiàn)場總線技術(shù)，推出現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及相應(yīng)的現(xiàn)場總線儀表裝置。第四代集散控制系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，橫河公司CENTER-CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司I/AS50/51系列控制系統(tǒng)，ABB公司Advant系列OCS開放控制系統(tǒng)等。這一代集散控制系統(tǒng)主要是為解決DCS系統(tǒng)的集中管理而研制，它們在信息的管理、通訊等方面提供了綜合的解決方案。

　　我國的工業(yè)控制計算機技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代末期，經(jīng)歷了巡回檢測裝置、小型工業(yè)控制機、可編程控制器等幾個階段以后，70年代中期研制了小型工業(yè)控制計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。70年代末，有少數(shù)幾家化工企業(yè)從國外引進(jìn)了集散控制系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代中期，集散控制系統(tǒng)進(jìn)入冶金、電力等行業(yè)。1985年，濟(jì)鋼第一套控制系統(tǒng)-MODICON584系列PLC在濟(jì)鋼煉鐵廠4#高爐上料系統(tǒng)應(yīng)用獲得成功。1991年，濟(jì)鋼煉鋼3#板坯連鑄機二冷配水改造工程和中板廠加熱爐改造工程中，選用了美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的TI-545系列PLC系統(tǒng)。

　　90年代初期，我國將集散控制系統(tǒng)與工業(yè)控制局部網(wǎng)絡(luò)列入國家攻關(guān)計劃，并取得了一些可喜的成果。我國石化行業(yè)/八五0期間新建和技改的石化生產(chǎn)裝置大多數(shù)采用DCS系統(tǒng)，現(xiàn)已有300多套。同時，開展了計算機集成制造系統(tǒng)試點，近幾年部分石化企業(yè)已開始實施CIMS。

　　CIMS在石油行業(yè)雖已開始應(yīng)用，但尚屬探索階段。由于建立大型的控制與管理相接合的管理信息系統(tǒng)所需投資較大，一般企業(yè)無法承受，而且我國當(dāng)前的生產(chǎn)過程與國際先進(jìn)水平還有一定的差距，這對過程控制系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了一定的影響。

　　我國自動化儀表行業(yè)通過引進(jìn)技術(shù)和與外商合作，還合資組裝生產(chǎn)了DCS，逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化。如上海的?？怂共_、西安橫河、北京貝利、四川儀表總廠等都有相應(yīng)的DCS產(chǎn)品。我國獨立自主開發(fā)的DJK-7500(重慶自動化研究所)、HS-2000(北京和利時自動化公司)、FB-2000(浙江威盛自動化公司)、友力-2000(航空航天部)、DCS-100(清華大學(xué))和L-2000(上海調(diào)節(jié)器廠)集散控制系統(tǒng)，適合我國國情，有自己的特色，已投入生產(chǎn)和使用。

　　發(fā)展趨勢

　　計算機控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢和強大的功能，已在過程控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。同時，隨著計算機軟硬件技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，新的控制理論和新的控制方法也層出不窮。展望未來，它的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。

　　(1)大力推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)。普及應(yīng)用具有智能I/O模塊的、功能強、可靠性高的可編程控制器(PLC)，廣泛使用智能化調(diào)節(jié)器，采用以位總線(Bitbus)、現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的新型DCS和FCS控制系統(tǒng)。

　　(2)大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)。智能控制是一種無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的過程，也是用機器模擬人類智能的又一重要領(lǐng)域。智能控制系統(tǒng)的類型主要包括：分級梯階智能控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和基于規(guī)則的仿人工智能控制系統(tǒng)等。

　　(3)控制與管理結(jié)合，向低成本自動化(LowCostAutomation，LCA)方向發(fā)展。LCA是一種以現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)常規(guī)自動化系統(tǒng)中的主要的、關(guān)鍵的功能，而投資較低的自動化系統(tǒng)。在DCS和FCS的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的控制策略，將生產(chǎn)過程控制任務(wù)和企業(yè)管理任務(wù)共同兼顧，構(gòu)成計算機集成控制系統(tǒng)(CIPS)，可實現(xiàn)低成本綜合自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展。

　　總之，由于計算機過程控制在控制、管理功能、經(jīng)濟(jì)效益等方面的顯著優(yōu)點，使之在石油、化工、冶金、航天、電力、紡織、印刷、醫(yī)藥、食品等眾多工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。計算機控制系統(tǒng)將會隨著計算機軟硬件技術(shù)、控制技術(shù)和通訊技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展而得到更大的發(fā)展，并深入到生產(chǎn)的各部門。