淺談計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況.doc

淺談計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況摘 要：計算機具有運行速度快、精度高、存儲量大、編程靈活以及通信能力強的特點,在過程控制中日益占據(jù)主導地位,成為過程控制領域不可缺少的工具。文章介紹了計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程以及控制系統(tǒng)的種類,并對DCS集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展階段展開探討。關鍵詞:計算機控制系統(tǒng);DCS;分散控制;冗余;組態(tài);過程控制站;操作站現(xiàn)代過程工業(yè)向著大型化、連續(xù)化方向發(fā)展,生產(chǎn)過程隨之日趨復雜,對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出,這些都對控制提出了更高的要求。生產(chǎn)的安全性和可靠性、生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益等都成為衡量自動控制水平的重要指標,僅用常規(guī)儀表已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的控制要求。計算機具有運行速度快、精度高、存儲量大、編程靈活以及通信能力強的特點,在過程控制日益占據(jù)主導地位,成為過程控制領域不可缺少的工具。關鍵詞：計算機；控制；數(shù)據(jù)；系統(tǒng)一、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況1965年前試驗階段:1946年第一臺計算機問世。1958年美國Lousina公司電廠投入第一個計算機安全監(jiān)視系統(tǒng)。1959年美國Texaco公司的煉油廠安裝了第一個計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。1960年美國Monsanto公司的氨廠實現(xiàn)第一個計算機監(jiān)控控制系統(tǒng)。1962年美國Monsanto公司的乙烯廠實現(xiàn)了第一個直接數(shù)字計算機控制系統(tǒng) #8197;(DDC)。1965年到1969年進入實用階段。早期的計算機采用電子管,不僅運算速度慢,價格昂貴,而且體積大,可靠性差,這一階段計算機系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)處理和操作指導。隨著半導體技術以及集成電路技術發(fā)展,出現(xiàn)了專門用于工業(yè)過程控制的高性價比的小型計算機。由于技術局限當時硬件可靠性不高,且所有的監(jiān)視和控制任務集中在一臺計算機上,因此危險集中。為了提高可靠性,常常需要另外設置一套備用的模擬式控制系統(tǒng)或備用計算機,造成投資過高,限制了其應用發(fā)展。1970年以后計算機控制系統(tǒng)逐漸走向成熟階段。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展,1972年生產(chǎn)出運算速度快、可靠性高、價格便宜且體積小的微型計算機,從而開創(chuàng)了計算機控制技術的新時代,即從傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)革新為分散控制系統(tǒng) #8197;(DCS)。世界上幾個主要的計算機和儀表制造商在20世紀7080年代幾乎同時推出DCS系統(tǒng),如Honeywell的TDC-2000,日本橫河的CENTUM系統(tǒng)等。中國民族DCS于90年代初起步,代表為浙大中控 #8197;(浙江大學工業(yè)自動化公司)的JX-100,和利時 #8197;(電子部六所,華勝)的HS-2000,新華的XDPS系列等。二、控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及類型1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最早出現(xiàn)在過程控制系統(tǒng)中的計算機應用形式,是計算機參與控制的第一步。生產(chǎn)過程中的各種物理量通過各種傳感器、變換器轉(zhuǎn)換為計算機能夠接收的模擬或開關量,再通過計算機的模擬量輸入通道或開關量輸入通道采集到計算機中,計算機完成對這些參數(shù)的運算、變換和處理,實現(xiàn)實時顯示、打印報表、參數(shù)報警等,供現(xiàn)場人員、指揮人員參考。2 計算機操作指導系統(tǒng)計算機操作指導系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)系統(tǒng),計算機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進行最優(yōu)化計算,計算出的最優(yōu)操作條件,并不直接輸出控制生產(chǎn)過程,而是顯示或打印出來。操作人員據(jù)此改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器,如此達到操作指導作用,常用于計算機控制系統(tǒng)設置的初級階段,試驗新方案等。3 直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC)在DDC中計算機輸出直接控制執(zhí)行機構(gòu),早期的DDC主要用于取代常規(guī)PID控制器,由于采用分時控制方式,一臺計算機可控制幾十個甚至上百個控制回路。由于計算機運算能力強,DDC也容易實現(xiàn)模擬控制器難以實現(xiàn)的控制規(guī)律,近來由于微機控制的廣泛應用,DDC的概念和內(nèi)容也都發(fā)生了變化,除過程控制外,還可包括輕工機械使用的微機控制、智能儀表、測控系統(tǒng)、微機控制裝置等。4 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC)與DDC的不同之處在于SCC不是用輸出信息直接控制被控對象,而是將輸出信號作為常規(guī)系統(tǒng)或DDC的設定值。采用SCC是DDC要進行實時控制,采樣周期不能長,在較短采樣周期內(nèi)難以完成復雜的運算,因此SCC可按工藝要求和數(shù)學模型進行生產(chǎn)過程優(yōu)化等復雜運算,將計算結(jié)果送給DDC或常規(guī)控制器。5 分級計算機控制系統(tǒng)由于現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模大,設備聯(lián)系緊密,產(chǎn)品品種翻新快,信息量大,因此搞好生產(chǎn)的同時要求提高生產(chǎn)過程和管理水平,為此不僅要求計算機參與控制,而且需要配備計算機進行生產(chǎn)管理,因此這些計算機群相互間要進行數(shù)據(jù)通信,仿照工業(yè)企業(yè)分級管理,這些計算機可構(gòu)成計算機分級控制系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)一般由管理信息系統(tǒng)(MIS)、SCC以及若干個DDC三級系統(tǒng)組成,管理信息系統(tǒng)按企業(yè)管理體制分為車間管理級、工廠管理級和公司管理級。6 集散型控制系統(tǒng) (DCS)根據(jù)分級設計的基本思想實現(xiàn)功能分離,位置分散,達到“分散控制為主,集中管理為輔”,自1975年以來DCS的硬件和軟件功能不斷完善和強化,但其基本結(jié)構(gòu)可分解為三大部分:過程控制站:集散控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過程的界面。操作站:操作人員與DCS界面。通信系統(tǒng):過程控制站與操作站之間數(shù)據(jù)傳遞和交換的橋梁。集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)是以微處理器為基礎的集中分散型控制系統(tǒng),自20世紀70年代中期第一套DCS問世以來,集散控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)控制領域得到廣泛應用,越來越多的儀表和控制工程師認識到集散控制系統(tǒng)必將成為過程工業(yè)自動控制的主流。集散控制系統(tǒng)主要特性是集中管理和分散控制,隨著計算機技術發(fā)展,網(wǎng)絡技術已經(jīng)使集散控制系統(tǒng)不僅用于分散控制,而且向著集成管理的方向發(fā)展,系統(tǒng)開放使不同制造廠商的DCS產(chǎn)品可以相互進行數(shù)據(jù)交換,也使第三方軟件可以方便地在現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)中應用。第一階段 (19751980年):分散控制。采用以微處理器為基礎的過程控制單元實現(xiàn)分散控制,有各種控制功能要求的算法,通過組態(tài)完成回路控制;具有自診斷功能,在硬件制造和軟件設計中應用可靠性技術,在信號處理時采用抗干擾措施;采用帶CRT屏幕顯示器的操作站與過程控制單元分離,實現(xiàn)集中監(jiān)視、集中操作、系統(tǒng)信息綜合管理與現(xiàn)場控制相分離;采用較先進的冗余通信系統(tǒng),用同軸電纜作為媒質(zhì)將過程控制單元的信息送到操作站和上位計算機,實現(xiàn)分散控制和集中管理。第二階段 (19801985年):系統(tǒng)信息管理。隨著世界市場需求量變化,單純以連續(xù)過程控制為主已不適應,而要求過程控制單元增加批量控制功能和順序控制功能,從而推出多功能過程控制單元。隨著產(chǎn)品競爭愈加激烈,迫使生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本,實現(xiàn)優(yōu)化質(zhì)量和質(zhì)量管理,在操作站及過程控制單元采用16位微處理器,工廠級數(shù)據(jù)向過程級分散,高分辨率CRT、更強畫面顯示、報表生成和管理功能等;生產(chǎn)功能要求控制系統(tǒng)規(guī)模多樣化,要求強化系統(tǒng)功能,通過軟件擴展和組織規(guī)模不同的系統(tǒng)。隨著計算機局域網(wǎng)絡技術的發(fā)展,市場需求DCS系統(tǒng)強化全系統(tǒng) (下轉(zhuǎn)第頁)(上接第頁)信息管理,有利于多機資源共享和分散控制。第三階段:1985年以后。第二代DCS各廠商推出的產(chǎn)品為了競爭保護自身利益,大多采用專用網(wǎng)絡;第三代DCS采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu),符合國際標準ISO的OSI開放系統(tǒng)互連的參考模型等,以太網(wǎng)通訊。為了滿足不同用戶需求,適應中、小規(guī)模的連續(xù)、間歇、批量操作的生產(chǎn)裝置及電氣傳動的需要,各制造廠開發(fā)了中、小規(guī)模的DCS。適應惡劣的