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(dòng)控制稱為生產(chǎn)過程自動(dòng)化。生產(chǎn)過程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動(dòng)條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)是近幾十年發(fā)展起來的以計(jì)算機(jī)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(dòng)化相結(jié)合的多級(jí)計(jì)算機(jī)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(dòng)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(gè)例子。當(dāng)產(chǎn)生蒸汽的耗水量與鍋爐進(jìn)水量相等時(shí)，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(shí)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(shí)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(hào)，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(shí)現(xiàn)對液位的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

　　在實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往有多個(gè)參數(shù)（被控量）需要控制，又有多個(gè)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(gè)控制量的變化會(huì)同時(shí)引起幾個(gè)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(huì)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或補(bǔ)償通道把一個(gè)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(jì)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(gè)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(dòng)調(diào)節(jié))和順序控制；⑤故障的防止和彌補(bǔ)。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(dòng)化系統(tǒng)之間提供了人機(jī)交互功能，各種顯示屏幕能顯示過程設(shè)備的狀態(tài)、報(bào)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(jì)、內(nèi)部運(yùn)輸、存儲(chǔ)、包裝、行情調(diào)查、會(huì)計(jì)、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(bào)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(dòng)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(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)控制時(shí)期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個(gè)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(jí)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)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(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)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(tái)過程控制計(jì)算機(jī)TRW)300在美國德克薩斯的一個(gè)煉油廠正式投入運(yùn)行。這項(xiàng)開創(chuàng)性工作為計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從此，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展?；仡櫣I(yè)過程的計(jì)算機(jī)控制歷史，經(jīng)歷了以下幾個(gè)時(shí)期：(1)起步時(shí)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(jì)算機(jī)用于工業(yè)過程控制。

　　(2)試驗(yàn)時(shí)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(jì)算機(jī)完全代替了原來的模擬控制。

　　(3)推廣時(shí)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(jì)算機(jī)(m-icrocomputer)，其最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，可靠性高，價(jià)格便宜和體積小。

　　(4)成熟時(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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(shí)期(20世紀(jì)90年代)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)一步完善，應(yīng)用更加普及，價(jià)格不斷下降的同時(shí)，功能卻更加豐富，性能變得更加可靠。

　　計(jì)算機(jī)

　　計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的分類

　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，計(jì)算機(jī)可以控制單個(gè)電機(jī)、閥門，也可以控制管理整個(gè)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(diǎn)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(bào)警處理。

　　(2)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)從過程輸入通道獲取數(shù)據(jù)，運(yùn)算處理后，再從輸出通道輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　(4)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)，計(jì)算機(jī)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(jí)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(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，一般是三級(jí)系統(tǒng)，即經(jīng)營管理級(jí)(MIS)、監(jiān)督控制級(jí)(SCC)和直接數(shù)字控制級(jí)(DDC)。

　　(6)集散控制系統(tǒng)(DCS)，以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)地理和功能上的分散控制，同時(shí)通過高速數(shù)據(jù)通道將分散的信息集中起來，實(shí)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(jì)算機(jī)、控制、通訊與CRT技術(shù)為基礎(chǔ)的一種綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，更適用于/點(diǎn)多、面廣、線長0的生產(chǎn)過程。由于控制中心和監(jiān)控點(diǎn)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(qiáng)大。在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下，可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　(9)計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)(CIPS)，利用DCS作基礎(chǔ)，開發(fā)高級(jí)控制策略，實(shí)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(jì)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(jí)領(lǐng)導(dǎo)、管理及生產(chǎn)部門提供決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制、管理的一體化。

　　計(jì)算機(jī)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(gè)主要的發(fā)展方向：美國廠商重點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)可達(dá)到一萬點(diǎn)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(jī)/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(shí)，在制造業(yè)，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)、可編程控制器等幾個(gè)階段以后，70年代中期研制了小型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(jī)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(jì)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(shí)，開展了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)試點(diǎn)，近幾年部分石化企業(yè)已開始實(shí)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(dòng)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(shí)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(dú)立自主開發(fā)的DJK-7500(重慶自動(dòng)化研究所)、HS-2000(北京和利時(shí)自動(dòng)化公司)、FB-2000(浙江威盛自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢和強(qiáng)大的功能，已在過程控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)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(gè)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(qiáng)、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(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程，也是用機(jī)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(jí)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(dòng)化(LowCostAutomation，LCA)方向發(fā)展。LCA是一種以現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)中的主要的、關(guān)鍵的功能，而投資較低的自動(dòng)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(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)(CIPS)，可實(shí)現(xiàn)低成本綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的方向發(fā)展。

　　總之，由于計(jì)算機(jī)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(diǎn)，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將會(huì)隨著計(jì)算機(jī)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。