DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能簡(jiǎn)介

1、DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能簡(jiǎn)介一、儀表與控制系統(tǒng)概述1、控制過程的性質(zhì)控制過程的性質(zhì)可被分成兩大類，一類是連續(xù)調(diào)節(jié)性質(zhì)的（一般稱之為過程控制，或流程控制），另一類是狀態(tài)控制性質(zhì)的（一般稱之為程序控制，或邏輯控制）。調(diào)節(jié)是控制的一種。調(diào)節(jié)特指通過反饋的方法對(duì)連續(xù)變化的對(duì)象進(jìn)行連續(xù)的控制，如通過調(diào)節(jié)燃?xì)忾y門的大小以控制燃燒火焰的大小，從而達(dá)到控制加熱器溫度，使其保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)的目的。在這里溫度是一個(gè)連續(xù)變化的量，對(duì)溫度的調(diào)節(jié)也是連續(xù)進(jìn)行的。調(diào)節(jié)的過程并沒有明顯的起點(diǎn)和終點(diǎn)，而只有對(duì)目標(biāo)值的允許偏差以及進(jìn)行測(cè)量和控制的周期。剛才所說的允許偏差和測(cè)量控制周期是連續(xù)過程調(diào)節(jié)的兩個(gè)最基本的要素，除了

2、這兩大要素外，連續(xù)過程調(diào)節(jié)最重要的要素是調(diào)節(jié)算法，如經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)、現(xiàn)代的模糊控制等。所有這些要素都極大地影響著調(diào)節(jié)的效果和質(zhì)量?？刂扑姆秶鼜V，除了上述對(duì)連續(xù)變化的對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)外，還包括了對(duì)非連續(xù)對(duì)象、非連續(xù)過程的控制等。非連續(xù)控制一般指某種裝置的狀態(tài)或位置，對(duì)其進(jìn)行控制實(shí)際上就是按照一定的方式改變其狀態(tài)或位置，如某個(gè)電力開關(guān)的合閘或分閘。而非連續(xù)過程則由一組非連續(xù)對(duì)象按照工序的要求組合在一起，以完成一個(gè)比較復(fù)雜的動(dòng)作或任務(wù)，這樣的過程有很明顯的起點(diǎn)和終點(diǎn)，控制過程和動(dòng)作過程是完全對(duì)應(yīng)的。對(duì)非連續(xù)過程的控制是一種順序控制或程序控制，是根據(jù)各個(gè)被控對(duì)象的動(dòng)作時(shí)問、動(dòng)作順序和邏輯關(guān)系進(jìn)行

3、的控制。剛才所說的動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作順序和邏輯關(guān)系是對(duì)非連續(xù)過程實(shí)行控制的要素。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，更多遇到的，是連續(xù)控制（或調(diào)節(jié)）和非連續(xù)控制的混合型控制，即對(duì)各種不同工況的過程控制。因?yàn)樯a(chǎn)的復(fù)雜性，同樣的生產(chǎn)裝置也會(huì)有不同的生產(chǎn)工況或生產(chǎn)階段，生產(chǎn)工況的切換是根據(jù)操作人員的指令或根據(jù)某種狀態(tài)進(jìn)行的，而平穩(wěn)工況的控制則是一種連續(xù)控制。在一些生產(chǎn)過程中，除廣泛使用反饋控制方法外，還經(jīng)常使用前饋控制方法。前饋控制根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算控制量，并依據(jù)控制量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施控制。前饋控制的優(yōu)點(diǎn)是可以使系統(tǒng)快速進(jìn)入所需的運(yùn)行狀態(tài)，但由于前饋控制不檢驗(yàn)控制執(zhí)行的效果并進(jìn)一步采取調(diào)整手段，因此控制的精確性較差

4、。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，常采用前饋控制結(jié)合反饋控制的綜合方法，這樣可以取得很好的控制效果。下表是連續(xù)控制和非連續(xù)控制（或稱為離散控制）的比較：制E相關(guān)要連續(xù)控制離散控制運(yùn)行方式連續(xù)分步驟控制目標(biāo)預(yù)期的允許偏差范圍預(yù)期的狀態(tài)或位置控制算法PID等數(shù)學(xué)方程邏輯公式時(shí)間特性與過程適應(yīng)的控制周期各個(gè)步驟的執(zhí)行和間隔時(shí)間控制質(zhì)量目標(biāo)參數(shù)的控制精度邏輯關(guān)系的正確性穩(wěn)定性要求干擾工況下盡量小的偏離干擾工況卜無錯(cuò)誤動(dòng)作近年來又出現(xiàn)了一種新的控制類型Batchcontrol,即批量（或批次）控制，IEC對(duì)它的定義是：“Controlsystemthatcontrolsabatchprocess,thatis,apr

5、ocessthatduetophysicalstructuringoftheprocessequipmentorotherfactors,consistsofasequenceofoneormorestepsorphasesthatmustbeperformedinadefinedorder.處理一個(gè)批次過程的控制系統(tǒng)，即：由處理裝置或其它因素的物理結(jié)構(gòu)所決定的過程，其中包括必須按照定義的順序執(zhí)行的單個(gè)或多個(gè)步驟或階段所組成的序列。”批次控制結(jié)合了過程控制和程序控制這兩種控制類型，適用于在同一條生產(chǎn)線上通過裝置連接、組合的改變，工藝流程的改變和工藝參數(shù)的調(diào)整，生產(chǎn)不同品種產(chǎn)品的生產(chǎn)控制。其工作

6、過程為：首先通過程序控制確定生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，然后轉(zhuǎn)入過程控制；當(dāng)一個(gè)完整的過程完成后，再次轉(zhuǎn)入程序控制，形成下一個(gè)批次的生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，如此反復(fù)。實(shí)際上，批次控制是一種混合控制，是將過程控制和程序控制結(jié)合在一起的控制系統(tǒng)。2、儀表控制系統(tǒng)的基本概念儀表系統(tǒng)（指由模擬式儀表組成的系統(tǒng)）最主要的控制目標(biāo)是回路控制。所謂回路控制，是指那種對(duì)最小單元的閉環(huán)控制。這些控制有1-2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入（測(cè)量值）和1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸出（控制量），在現(xiàn)場(chǎng)輸入和現(xiàn)場(chǎng)輸出之間有計(jì)算單元（即控制器），另外還有一個(gè)給定值輸入，用于設(shè)定控制目標(biāo)?；芈房刂频墓δ芸驁D如下：回路控制的作用是保證被控對(duì)象的一個(gè)最基本的運(yùn)行單元能夠按照預(yù)

7、定的參數(shù)正常運(yùn)行。3、幾種主要的控制系統(tǒng)對(duì)連續(xù)調(diào)節(jié)性質(zhì)的被控對(duì)象，如溫度、流量、壓力、液位、電流、電壓、功率等參數(shù)的調(diào)節(jié)，其特點(diǎn)是測(cè)量值是一個(gè)連續(xù)變化的量，控制值也是一個(gè)可連續(xù)調(diào)節(jié)的量，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)量與被控目標(biāo)之間的傳遞函數(shù)決定如何實(shí)施控制或調(diào)節(jié)。這種以調(diào)節(jié)為主要手段的控制系統(tǒng)習(xí)慣上稱之為儀表系統(tǒng)。因其是通過種類檢測(cè)、調(diào)節(jié)儀表來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能的，儀表系統(tǒng)由最初的基地式儀表，發(fā)展為單元式組合儀表，卻是用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。從60年代前后，電子數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，發(fā)展出了采用數(shù)字技術(shù)的監(jiān)視（Monitoring）系統(tǒng),設(shè)定值控制（SPC-SetPointContro|系統(tǒng)、直接數(shù)字控制（DDC

8、-DirectDigitalControl）系統(tǒng),其后，在綜合了監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)定值控制（也叫監(jiān)督控制SupervisoryControl）系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之后，出現(xiàn)了監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA-SupervisoryControlAndDataAcquisition），在綜合了儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)和DDC的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年研究開發(fā)推出了分布式控制系統(tǒng)（DCS-DistributedControlSystem）。另外還有結(jié)合了數(shù)字技術(shù)和儀表系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的單回路控制器(SLC-SingleLoopController),在所有這些不同形式的系統(tǒng)中，DCS以其強(qiáng)大的功能，高度可靠，全數(shù)字化的

9、特點(diǎn)和靈活的組態(tài)方式、廣泛的適用性等諸多優(yōu)勢(shì)逐步成了連續(xù)調(diào)節(jié)控制領(lǐng)域的主流系統(tǒng)，而且逐步取代了儀表系統(tǒng)成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。對(duì)于以狀態(tài)為主要控制目標(biāo)的領(lǐng)域，如供電、供氣、供水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，位置控制，通/斷的控制等。這類控制的特點(diǎn)是被控對(duì)象是在若干種有限的狀態(tài)中取其一的設(shè)備，如管道的截?cái)嚅y、電力線路上的形狀或斷路器等。對(duì)于它們的控制主要基于邏輯條件，如電流型的斷路器當(dāng)線路上的電流超過一定限額時(shí)就斷開，這就是一個(gè)典型的邏輯條件控制。早期的狀態(tài)控制是機(jī)械式的，一般為人工控制或機(jī)械連鎖，后來出現(xiàn)了電磁繼電器，由電磁繼電器的觸點(diǎn)和控制線圈組成各種控制邏輯，這是一種電氣方式的控制器。電子技術(shù)的發(fā)

10、展產(chǎn)生了更加靈活，體積小巧、功耗很低的電子線路，用電子線路組成的控制邏輯逐步取代了繼電器邏輯，但最后推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率輸出元件仍然采用電磁繼電器。除電磁繼電器外，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率的固態(tài)開關(guān)也逐步得到了更多的應(yīng)用。這類器件采用電子方式實(shí)現(xiàn)通斷，沒有機(jī)械動(dòng)作，也不會(huì)產(chǎn)生觸點(diǎn)的電弧，因此用在對(duì)干擾控制要求較高的場(chǎng)合。隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在70年代前后，一種利用計(jì)算機(jī)邏輯運(yùn)算功能的控制器，即可編程邏輯控制器(PLC-ProgrammableLogicController-)出現(xiàn)了，它采用計(jì)算機(jī)的軟件完成邏輯運(yùn)算，并利用梯形圖表達(dá)各種控制元件邏輯的關(guān)系和算法，由于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算

11、功能，使得PLC可以完成極其復(fù)雜的邏輯控制，其使用量迅速擴(kuò)大?，F(xiàn)在PLC幾乎無所不在，凡是需要進(jìn)行狀態(tài)控制的場(chǎng)合幾乎全都采用了PLC作為核心控制單元。如上所述，我們按被控對(duì)象的性質(zhì)，將控制系統(tǒng)分為兩大類，一類以連續(xù)調(diào)節(jié)為主，而另一類以狀態(tài)控制為主。但在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，所面對(duì)的控制問題是復(fù)雜的，往往在一個(gè)被控對(duì)象中包含著兩種，即連續(xù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)控制相結(jié)合的控制需求，例如一臺(tái)汽輪機(jī)，我們要求其轉(zhuǎn)速保持在每分鐘3000轉(zhuǎn)，因此可以通過調(diào)節(jié)蒸汽閥門的大小來控制轉(zhuǎn)速，但如果遇到緊急情況，需要使汽輪機(jī)迅速停下來，這時(shí)還要立即打開一個(gè)緊急泄放蒸汽的閥門，使其推動(dòng)原始動(dòng)力，將轉(zhuǎn)速迅速地降下來，而在這種情況下，

12、以調(diào)整為主要功能的控制器也需要停止工作，不再執(zhí)行保持轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)動(dòng)作了。這樣的控制器必須具備連續(xù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)控制兩種功能，并使其有機(jī)地結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的控制功能。當(dāng)今使用最廣泛的控制系統(tǒng)有兩種，一種是從連續(xù)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的DCS,另一種是在狀態(tài)控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的PLC。但這兩種系統(tǒng)現(xiàn)在已完全不是它們?cè)诎l(fā)展初期時(shí)所形成的那種概念了。不論是DCS還是PLC,現(xiàn)在都具備了連續(xù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)控制兩種功能，只不過它們由于實(shí)現(xiàn)方法不同，因此在一些具體的性能指標(biāo)上有些差異，因此適用的場(chǎng)合有所不同而已。而且，這種適用場(chǎng)合的不同大多是由于傳統(tǒng)習(xí)慣連續(xù)下來的，并不是真正意義上的哪類系統(tǒng)適合或不適合哪類控制的判

13、斷。一般來說，由于連續(xù)調(diào)節(jié)這類控制問題比較復(fù)雜，涉及到多種數(shù)學(xué)方法和算法的實(shí)現(xiàn)，因此如果被控對(duì)象在連續(xù)調(diào)節(jié)方面所占的比重較大，則比較適宜選用DCS,而如果被控對(duì)象主要以狀態(tài)控制為主，而PLC在狀態(tài)控制方面所采用的邏輯算法非常精練、耗費(fèi)資源很少，從系統(tǒng)成本的角度考慮，比較適宜選擇PLC。但在大多數(shù)場(chǎng)合，被控對(duì)象的需求是混合的，難以明顯區(qū)分哪種控制占絕大部分的比重，這時(shí)選擇哪種系統(tǒng)都是可以的。在具體實(shí)施方面，由于連續(xù)調(diào)節(jié)類的控制涉及到對(duì)被控對(duì)象傳遞函數(shù)，動(dòng)態(tài)特性的分析，控制算法的實(shí)現(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證等專業(yè)性很強(qiáng)的工作，因此要建立一套DCS系統(tǒng)一般都由專業(yè)性的控制公司執(zhí)行工程實(shí)施和調(diào)試運(yùn)行，而P

14、LC則由于邏輯控制直觀簡(jiǎn)潔，組態(tài)方法容易掌握，因此其工程有相當(dāng)一部分是用戶自己完成，這種工程上的特點(diǎn)也造成了PLC系統(tǒng)中所具有的基本上都是通用的，共性的設(shè)備配置和功能，很少有為了某些個(gè)別用戶的特殊需求所添加的專用配置或?qū)Ｓ霉δ?；而DCS則不同，由于被控對(duì)象的多樣性和復(fù)雜性，各個(gè)廠家的DCS均程度不同地帶有具體應(yīng)用的色彩，例如Honeywell的DCS有很多為石化生產(chǎn)過程所有的配置和功能，Bailey的DCS則有很多適應(yīng)火電廠的配置和功能，Westinghouse的DCS則具備很多適合鋼廠控制的配置和功能等等。雖然近年來隨著DCS越來越普及，各廠家的DCS也逐步向著通用和全功能的方向發(fā)展，但畢竟

15、被控對(duì)象的需求太多樣化，難以實(shí)現(xiàn)涵蓋全部功能的系統(tǒng)，而且，應(yīng)用的發(fā)展又在不斷提出新的需求，因此，DCS在用戶開發(fā)界面上下了很大的功夫，以期為用戶提供進(jìn)一步開發(fā)和擴(kuò)展的空間，而PLC則很少提供這種能力。這恐怕是當(dāng)前DCS和PLC的最大區(qū)別了。在比較DCS和PLC之區(qū)別時(shí)，可注意以下幾個(gè)方面：(1) 產(chǎn)品形態(tài)：PLC是單獨(dú)的設(shè)備或部件的方式提供的，而DCS則以系統(tǒng)方式提供。因此用PLC做系統(tǒng)時(shí)用戶必須自己完成各種配套工作。(2) 物理結(jié)構(gòu)：PLC一般不提供機(jī)柜，只提供各類模塊和機(jī)架，而DCS則提供完整的，裝配好的機(jī)框。(3) PLC長(zhǎng)于邏輯運(yùn)算，而對(duì)于調(diào)節(jié)回路，則要耗費(fèi)較大的資源，而且效率不高，而

16、DCS則相反，進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)性能很好，但做邏輯控制時(shí)速度不如PLC快。(4) 如果需要站間引用，由于DCS是以系統(tǒng)方式提供給用戶的，因此容易實(shí)現(xiàn)，通過相應(yīng)的組態(tài)即可。(5) PLC的開放性較好，一般都可以配合不同廠家的人機(jī)界面軟件或組態(tài)軟件。4、小結(jié)目前最常用的控制系統(tǒng)有以下三種：DCS以回路控制為主，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的系統(tǒng)。PLC以邏輯控制為主，實(shí)現(xiàn)順序控制(或步進(jìn)控制，連鎖控制，開環(huán)控制)的系統(tǒng)。SCADA不直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，注重人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理，主要由人實(shí)施控制的系統(tǒng)。三種系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為：DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站PLCPLCSCADARTU當(dāng)前的趨勢(shì)是融合，PLC也可實(shí)現(xiàn)回路控制功能，作為現(xiàn)場(chǎng)控制站

17、使用，DCS也可完成邏輯控制，而且DCS還在逐步加強(qiáng)人機(jī)界面，數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了SCADA的功能。從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來看，PLC和現(xiàn)場(chǎng)控制站均具備直接的就地控制功能，同時(shí)具有數(shù)據(jù)采集功能；而RTU則只有數(shù)據(jù)采集功能，因此成本較低。但是，因近年來電子設(shè)備元器件的價(jià)格不斷下降，而性能卻不斷提升，因此在許多系統(tǒng)中就直接用PLC代替了RTU,很多新推出的RTU也具備了直接的就地控制功能。二、控制系統(tǒng)詳述1、控制系統(tǒng)的要素及組成(1)被控對(duì)象：被控對(duì)象是實(shí)施生產(chǎn)過程的主體。不論何種控制系統(tǒng)，其作用都是圍繞生產(chǎn)過程發(fā)生的。如果離開了生產(chǎn)過程，控制系統(tǒng)就失去了存在的意義，因此，控制系統(tǒng)是從屬于生產(chǎn)過程的，但對(duì)生產(chǎn)

18、過程又產(chǎn)生著巨大的反作用力，使得完成生產(chǎn)過程的主體，如各類加工機(jī)械，發(fā)電機(jī)、鍋爐、化工反應(yīng)裝置、電力或油、汽輸送管道等，能夠更加安全、高效、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。作為控制系統(tǒng)的作用目標(biāo)，被控對(duì)象有其自身的運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)是生產(chǎn)過程的表征，控制系統(tǒng)將通過測(cè)量被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)來了解生產(chǎn)過程；被控對(duì)象還具備很多可操作、可調(diào)節(jié)的部分，通過對(duì)這些部分的操作和調(diào)節(jié)可改變可控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，從而改變生產(chǎn)過程。因此，測(cè)量和操作、調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)與被控對(duì)象相互作用的最主要界面，而被控對(duì)象能否通過某種方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量和操作、調(diào)節(jié)，則稱為被控對(duì)象的可測(cè)性和可控性。除了上述正常的測(cè)量和操作、調(diào)節(jié)以外，被控對(duì)象還存在各種非預(yù)

19、期的狀態(tài)變化，被稱為干擾，干擾的存在使得生產(chǎn)過程偏離預(yù)期的軌道，產(chǎn)生不利的影響，因此，控制系統(tǒng)的另一項(xiàng)重要的任務(wù)就是使被控對(duì)象保持在預(yù)期的狀態(tài)范圍之內(nèi)，以保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。(2)測(cè)量測(cè)量是控制系統(tǒng)感知被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，一般通過敏感元件或檢測(cè)元件來實(shí)現(xiàn)測(cè)量，如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器(熱電偶或熱電阻)、電流傳感器、電壓傳感器、功率傳感器、在運(yùn)動(dòng)控制中的速度、位置傳感器等等。傳感器一般使用物理或化學(xué)原理來感知各種狀態(tài)，傳感器的輸出一般是一個(gè)可以被控制系統(tǒng)的核心部件一一控制器或運(yùn)算器所處理的信號(hào)，由于傳感器所測(cè)量的狀態(tài)包括了各種不同的物理、化學(xué)量，而控制器或運(yùn)算器則要求這些

20、量是一種標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的表現(xiàn)形式，如電流、電壓、氣壓等，因此往往通過變送器予以變換，形成符合一定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號(hào)，一般稱之為測(cè)量值。而控制系統(tǒng)中完成測(cè)量工作的部分被稱為檢測(cè)單元。(3)計(jì)算計(jì)算是控制系統(tǒng)的核心，它由控制器、調(diào)節(jié)器或運(yùn)算器構(gòu)成，一般將控制器、調(diào)節(jié)器或運(yùn)算器統(tǒng)稱為計(jì)算單元。計(jì)算單元有兩個(gè)輸入，一個(gè)輸入是測(cè)量值，即傳感器、變送器給出的表達(dá)被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的量，另一個(gè)是根據(jù)生產(chǎn)過程的要求所設(shè)定的控制目標(biāo)，即設(shè)定值。計(jì)算單元的任務(wù)有兩個(gè)，一是在設(shè)定值根據(jù)生產(chǎn)過程的要求發(fā)生改變時(shí)，采用一定的控制算法計(jì)算出通過何種操作或調(diào)節(jié)對(duì)被控對(duì)象的可操作、調(diào)節(jié)部分實(shí)施輸出，以使被控對(duì)象盡快達(dá)到控制目標(biāo)；另一

21、個(gè)是在出現(xiàn)干擾時(shí)，被控對(duì)象的狀態(tài)偏離了預(yù)定的目標(biāo)，即設(shè)定值，這時(shí)計(jì)算單元要通過測(cè)量得到偏離的程度，并采用一定的控制算法計(jì)算出操作步驟或調(diào)節(jié)量，并實(shí)施輸出，以使被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)盡快回到預(yù)定的目標(biāo)值。計(jì)算單元的輸出量是對(duì)被控對(duì)象實(shí)施的操作和調(diào)節(jié)，在這時(shí)，操作一般指通過某種方法改變被控對(duì)象的運(yùn)行方式，如開通或關(guān)斷某個(gè)管道的閥門，閉合或分離電路的開關(guān)等等；而調(diào)節(jié)則是通過某種方法改變被控對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)，如通過控制調(diào)節(jié)閥改變管路中流體的流量、通過調(diào)節(jié)加熱器改變溫度等等。所有這些輸出不論操作還是調(diào)節(jié)均被稱為控制指令。(4)控制執(zhí)行由計(jì)算機(jī)輸出的控制指令需要通過各種不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來作用于被控對(duì)象的可操作部分

22、和可調(diào)節(jié)部分。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)稱為執(zhí)行單元，如氣動(dòng)閥、電磁閥、控制電機(jī)、繼電器等等。執(zhí)行單元將計(jì)算單元輸出的控制指令轉(zhuǎn)換為被控對(duì)象可接受的動(dòng)作，以改變被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。以上我們介紹了與控制系統(tǒng)有關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵要素，下圖可簡(jiǎn)明扼要地表達(dá)這些要素以及控制系統(tǒng)各組成部分之間的關(guān)系：圖1:控制系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系下面我們舉兩個(gè)實(shí)際的例子說明具體的控制系統(tǒng)。第一個(gè)例子是某生產(chǎn)裝置中酢液罐的液位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過液位傳感器（浮子）測(cè)量酢液罐的液位，并將液位值送到控制器，控制器將測(cè)量的液位與設(shè)定的液位進(jìn)行比較，如果液位高于設(shè)定的最高值，則關(guān)閉進(jìn)料閥，停止進(jìn)料。當(dāng)液體流出使液位低于設(shè)定的最低值，則開啟進(jìn)料閥

23、補(bǔ)充液體，直到液位回升到上限值。輸出液流圖2:液罐液位控制第二個(gè)例子是著名的瓦特式飛錘調(diào)速器。通過圖3我們可以看到它的工作原理。在這里，由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)一個(gè)裝有飛錘的軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)裝置相當(dāng)于控制系統(tǒng)的測(cè)量單元。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，飛錘在離心力的作用下升起，并壓下油缸的連桿，開啟下方的高壓油通路，使油缸活塞上升，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，H熹到回MA|tV£w*減小燃油供應(yīng)而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，飛錘下落，使油缸連桿在彈簧的作用下上升，關(guān)閉油缸活塞下方的高壓油通路并開啟油缸活塞上方的高壓油通路，使油缸活塞向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大，增加燃油供應(yīng)以使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。這樣，在出現(xiàn)干擾

24、（如發(fā)動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的負(fù)載發(fā)生變化）時(shí)，可保持其轉(zhuǎn)速不變。在這個(gè)調(diào)速器中，飛錘起到了控制器的作用，它巧妙地利用了飛錘的重力和離心力之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)了設(shè)定值和測(cè)量值之間的比較，并將偏差作用于油缸，而油缸則是這個(gè)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(dòng)作，完成了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)定值由帶動(dòng)飛錘的軸的上下位置來決定，這個(gè)軸上移，飛錘必須張開更大的角度才能使油缸活塞的上下油路均關(guān)閉，因此將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升;而這個(gè)軸下移，飛錘必須下落才能使油缸活塞的上下油路均關(guān)閉，因此將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，以此來設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制閥門圖3:瓦特調(diào)速器在以上的討論中，我們只涉及了由具體機(jī)

25、器設(shè)備構(gòu)成的被控對(duì)象和控制系統(tǒng)，而沒有涉及生產(chǎn)過程本身以及對(duì)生產(chǎn)過程的控制起主要主導(dǎo)作用的主體一一人的作用。一個(gè)簡(jiǎn)單的問題就可以反映這一點(diǎn)：在上面的討論中多次講到設(shè)定值，控制系統(tǒng)由設(shè)定值來規(guī)定控制目標(biāo)，那么，設(shè)定值從何而來？它是如何得到的？又是如何作用于控制系統(tǒng)的？還有，在前面的討論中講到計(jì)算單元根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，按照一定的控制算法計(jì)算出需要操作和調(diào)節(jié)的量，通過執(zhí)行單元對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。那么，計(jì)算單元所執(zhí)行的控制算法是從哪兒來的？它是如何得出的？又是如何被計(jì)算單元執(zhí)行的？顯然，不論是設(shè)定值還是控制算法，都離不開人的作用?？刂葡到y(tǒng)自己不會(huì)確定設(shè)定值，因?yàn)樗⒉恢廊讼Ｍa(chǎn)過程按什

26、么樣的方式進(jìn)行，控制系統(tǒng)也不了解生產(chǎn)過程的特性，只有人根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的特性及其對(duì)生產(chǎn)過程的影響，推導(dǎo)出如何對(duì)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(jì)算，得到相應(yīng)的控制值。除此之外，還有一個(gè)重要的問題，即我們?cè)诖饲八v述的，都假設(shè)被控對(duì)象的運(yùn)行是有規(guī)律可循的，是可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的，因此，控制系統(tǒng)所依據(jù)的設(shè)定值和控制算法都是預(yù)先確定好的，并使用不同的方法固定在控制系統(tǒng)中，在實(shí)際運(yùn)行中，控制系統(tǒng)將按照這些預(yù)定的算法執(zhí)行。但不幸的是，實(shí)際的生產(chǎn)過程有相當(dāng)多的一部分是沒有（至少現(xiàn)在沒有）規(guī)律可循的，也無法用數(shù)學(xué)模型表示，另外，生產(chǎn)過程不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些異常情況，這些異常

27、情況是無法預(yù)知的，必須在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)地作出決策，這些都離不開人的作用。有關(guān)數(shù)學(xué)模型的問題已超出本書討論的范圍，因此在這里不作詳述。但作為一個(gè)整體，人必須是控制系統(tǒng)的一個(gè)最重要的組成部分，這是毋庸置疑的，從數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，建立并預(yù)先設(shè)置在計(jì)算單元中，以便在線運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)控制功能，到直接參與控制系統(tǒng)的在線運(yùn)行，對(duì)計(jì)算單元不能夠自動(dòng)進(jìn)行處理的控制問題實(shí)施操作與調(diào)節(jié)或?yàn)橛?jì)算單元給出設(shè)定值，都需要人的參與。而為了便于人了解被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行人工的操作與調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)還必須提供人機(jī)界面。在任何一個(gè)控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面都是必不可少的重要組成部分。下圖表述了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)所有的組成部分：圖4:完整的

28、控制系統(tǒng)組成部分人機(jī)界面包括了測(cè)量值的顯示，計(jì)算參數(shù)的顯示，人工操作設(shè)備如按鈕，調(diào)節(jié)手柄等，還有對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行設(shè)定和控制算法預(yù)置的設(shè)備等。2、早期的控制系統(tǒng)：早期的控制系統(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)（即儀表）與被控對(duì)象在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是結(jié)合在一起的，而且儀表各個(gè)部分，包括檢測(cè)、計(jì)算、執(zhí)行、簡(jiǎn)單的人機(jī)界面等都做成一個(gè)整體，就地安裝在被控對(duì)象之上?；厥絻x表一般只針對(duì)單一運(yùn)行參數(shù)實(shí)施控制，其輸入、輸出都圍繞著一個(gè)單一的控制目標(biāo)，計(jì)算也主要為控制某個(gè)重要參數(shù)，控制功能也是單一的。這種控制被稱為單一回路控制，簡(jiǎn)稱回路控制。上節(jié)所介紹的瓦特調(diào)速器就是一個(gè)典型的基地式儀表，雖然它還不具

29、備儀表的形態(tài)，但其作用、結(jié)構(gòu)形式均可歸于基地式儀表一類。顯然，如果我們要控制的僅限于單一運(yùn)行參數(shù)，控制功能也只是保證被控對(duì)象能夠正常運(yùn)行，例如瓦特調(diào)速器只控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)即可，那么基地式儀表就完全能夠滿足要求，而且基地式儀表簡(jiǎn)單實(shí)用、直接與被控對(duì)象相互作用，因此在一些簡(jiǎn)單生產(chǎn)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用?；厥絻x表最大的問題是它必須分散安裝在生產(chǎn)設(shè)備需要實(shí)施控制的地方，如果設(shè)備比較大，就會(huì)給觀察操作這些儀表造成很大的困難，有時(shí)甚至是不可能的。另外，基地式儀表的控制功能有限，難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，因此在一些大型的復(fù)雜的控制系統(tǒng)中已很少采用基地式儀表，而采用單元式組合

30、儀表。單元式組合儀表出現(xiàn)在60年代后期，這類儀表將測(cè)量、控制計(jì)算、執(zhí)行以及顯示、設(shè)定、記錄等功能分別由不同的單元實(shí)現(xiàn)，互相之間采用某種標(biāo)準(zhǔn)的物理信號(hào)實(shí)現(xiàn)連接。并可根據(jù)控制功能的需求進(jìn)行靈活的組合。這樣，單元式組合儀表的功能大大加強(qiáng)了，而且其功能的實(shí)現(xiàn)不再受安裝位置的限制，我們可以把檢測(cè)單元和執(zhí)行單元安裝在現(xiàn)場(chǎng)，而將控制、顯示、記錄設(shè)定等單元集中起來放在中心控制室內(nèi)，這樣，生產(chǎn)設(shè)備的操作人員足不出戶就可以迅速掌握整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃或現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的實(shí)際情況采取調(diào)整措施，如改變?cè)O(shè)定甚至直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施操作和調(diào)節(jié)等。目前單元式組合儀表有兩大類，一類是氣動(dòng)單元組合儀表，這類儀表以經(jīng)過干

31、燥凈化的壓縮空氣作為動(dòng)力并以氣壓傳遞現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其規(guī)范為20-100Kpa。我國(guó)的氣動(dòng)單元組合儀表為QDE系列。氣動(dòng)單元組合儀表主要有七種單元，分別是變送單元（B）、調(diào)節(jié)單元（T）、顯示單元（X）、計(jì)算單元（J）、給定值單元（G）、輔助單元（F）和轉(zhuǎn)換單元（Z）。這些單元經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪B接及組合，就可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜、規(guī)模較大的控制系統(tǒng)。氣動(dòng)單元組合儀表是本質(zhì)防爆的，可以用于易燃易爆的場(chǎng)合，而且由壓縮氣體提供的動(dòng)力可以直接驅(qū)動(dòng)如氣動(dòng)閥門等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，非常方便和可靠，并具有很強(qiáng)的抗干擾性。但由于氣動(dòng)儀表需要潔凈干燥的氣源，氣體的傳輸路徑要鋪設(shè)氣路管道，為了防腐蝕和防泄露，需要采用成本很高的銅制管線或不銹鋼管

32、線，而且需要加工精度非常高的連接件，這樣，氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本就相當(dāng)高了。另一類單元式組合儀表是電動(dòng)單元組合儀表。這類儀表由直流電源提供運(yùn)行動(dòng)力并以直流電信號(hào)（電源或電壓）傳遞現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的值，其信號(hào)規(guī)范有兩種，一種為0-10mA,我國(guó)遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)單元組合儀表為DDZII系列；另一種信號(hào)規(guī)范是4-20mA,我國(guó)遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)單元組合儀表為DDZ-III系列。電動(dòng)單元組合儀表主要有八種單元：變送（B）、調(diào)節(jié)（T）、顯示（X）、計(jì)算（J）、給定值（G）、輔助（F）、轉(zhuǎn)換（Z）和執(zhí)行（K）。電動(dòng)單元組合儀表比氣動(dòng)單元組合儀表更加輕便靈活，功能也更加齊全，因此一經(jīng)推出就迅速得

33、到了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)單元組合儀表的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電磁閥、各種控制電機(jī)和繼電器等用電磁原理設(shè)計(jì)的設(shè)備或裝置。應(yīng)該說，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，基地式儀表只能實(shí)現(xiàn)分立的、單個(gè)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)，而單元式組合儀表可以通過不同單元的組合，不僅能完成單個(gè)回路的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)審級(jí)控制、復(fù)合控制等復(fù)雜的、涉及幾個(gè)回路互動(dòng)的控制功能，而且，由于單元式組合儀表有能力將顯示、操作、記錄、設(shè)定等單元集中安裝在控制室，使得操作員可以隨時(shí)掌握生產(chǎn)過程的全貌并據(jù)此實(shí)施操作控制，因此這樣的形態(tài)就構(gòu)成了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。在集中的控制室中，是控制系統(tǒng)的人機(jī)

34、界面部分。所有供人觀測(cè)，操作的各個(gè)儀表單元被安裝在儀表面板（Console）上，或安裝在畫有生產(chǎn)工藝流程的模擬盤（Mapboard或Mimic）上。此時(shí)的控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)安裝的部分，如檢測(cè)/變送單元和執(zhí)行單元（一般稱之為一次儀表）以及集中控制室安裝的其它各類單元（一般稱之為二次儀表）。不論是氣動(dòng)單元組合儀表還是電動(dòng)單元組合儀表，其調(diào)節(jié)、計(jì)算單元都是采用模擬原理實(shí)現(xiàn)的，以電動(dòng)單元儀表為例，其控制算法，如比例、積分、微分等調(diào)節(jié)規(guī)律，均利用電容、電感、電阻等元件的電氣規(guī)律的模擬實(shí)現(xiàn)，而氣動(dòng)單元組合儀表則利用射流原理來模擬各種控制規(guī)律。這些方法均有較大的局限性，一是計(jì)算精度不高，其精度受元件參數(shù)的精度

35、或加工精度的影響較大，而且隨著時(shí)間的推移、環(huán)境的變化和機(jī)件的磨損，各種參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，造成控制精度的下降。以模擬方式實(shí)現(xiàn)的計(jì)算，其動(dòng)態(tài)范圍也受到較大的限制，如果在控制回路中需要一個(gè)較大的滯后環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)起來是非常困難的，因此單元式組合儀表的控制回路絕大多數(shù)是經(jīng)典PID控制。模擬方式控制的這些問題，促使人們尋求更好的控制器或調(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)的數(shù)字化控制逐步占據(jù)了控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是二十世紀(jì)四十年代誕生的,但直到1958年才開始進(jìn)入控制領(lǐng)域。1958年9月在美國(guó)路易斯安那州的一座發(fā)電廠內(nèi)安裝了第一臺(tái)用于現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)視的計(jì)算機(jī)

36、，當(dāng)時(shí)的這個(gè)系統(tǒng)并不能稱為控制系統(tǒng)。因?yàn)樗皇菍⒁恍┈F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的數(shù)據(jù)采集到一起，然后在計(jì)算機(jī)的顯示屏上進(jìn)行顯示，以供操作人員在中央控制室內(nèi)觀察電廠的運(yùn)行參數(shù)，因此這樣的系統(tǒng)被稱為監(jiān)視系統(tǒng)（MonitoringSystem）。很明顯，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只是代替了檢測(cè)控制儀表的顯示部分，并實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)檢測(cè)控制儀表的集中監(jiān)視功能。到1959年3月，在美國(guó)德克薩斯州Texaco的一個(gè)煉油廠投運(yùn)了另一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以顯示現(xiàn)場(chǎng)儀表的檢測(cè)數(shù)據(jù)，而且可以設(shè)定或改變現(xiàn)場(chǎng)控制儀表的給定值，然而真正實(shí)施控制（即根據(jù)給定值及實(shí)際檢測(cè)值的偏差計(jì)算出控制量，并實(shí)際輸出以使實(shí)際值回到給定值的工作）仍然由控制儀表完成。

37、這套系統(tǒng)應(yīng)該是世界上最早的設(shè)定值控制（SPC）或稱為監(jiān)督控制系統(tǒng)。而1960年4月在肯塔基州的一個(gè)化工廠投運(yùn)的另一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，除了完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)視和設(shè)定值的功能外，還可以實(shí)際完成控制計(jì)算并實(shí)際輸出控制量,這就是第一個(gè)直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，所帶來的是從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的革命性的變化。過去，不論是基地式儀表還是單元組合式儀表，采用的都是模擬技術(shù)，具表達(dá)測(cè)量值和控制值的方法是采用某種物理量來進(jìn)行模擬，如用電流的大小表示液位的高低等等。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，也是采用同樣的物理量來表達(dá)給定值和控制量，并采用物理的原理，如流體力學(xué)原理、電學(xué)原理、電子學(xué)原理等模擬出微分

38、、積分等算法。顯然，這樣的技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，而且極不靈活，任何算法的改變都要對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行改裝。而數(shù)字技術(shù)則完全不同，它首先將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值通過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器（稱為ADC或A/D）轉(zhuǎn)換成為一個(gè)二進(jìn)制的、便于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字由不同電平分別表示0和1,并以0、1的不同組合表達(dá)出不同的數(shù)值。這個(gè)過程被稱為數(shù)字化。數(shù)字化的工作一旦完成，以后的工作便完全在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算器中通過軟件來實(shí)現(xiàn)，如各種控制算法的實(shí)現(xiàn)等等。由于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以完成任何公式的計(jì)算，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能比模擬儀表系統(tǒng)要強(qiáng)大得多。而且，由于所有算法都是通過軟件完成的，因此算法的改變非常容易，體現(xiàn)了數(shù)

39、字技術(shù)極大的靈活性。在經(jīng)過計(jì)算得到了控制結(jié)果后，由于這個(gè)結(jié)果仍然是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值，因此還要通過數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器（稱為DAC或D/A）將控制值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)，然后通過執(zhí)行器實(shí)施控制動(dòng)作。前面所講到的三種不同類型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Monitoring>SPC、DDC）,其主要的區(qū)別在于數(shù)字化的程度不同。計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，即Monitoring,是在檢測(cè)和顯示環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但在實(shí)際進(jìn)行控制的部分，包括控制計(jì)算和給定值的設(shè)定上，仍然采用模擬儀表實(shí)現(xiàn)；設(shè)定值控制或監(jiān)督控制，即SPC。則由計(jì)算機(jī)采用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、給定值的數(shù)字化，但在實(shí)現(xiàn)控制的計(jì)算和輸出環(huán)節(jié)上，仍然依靠模擬儀表；只

40、有到了DDC,即直接數(shù)字控制階段，才將檢測(cè)、計(jì)算、控制輸出，包括給定值的設(shè)置等全部環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。在DDC控制系統(tǒng)出現(xiàn)以后，在八十年代前后，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，以數(shù)字技術(shù)為主的控制系統(tǒng)中又出現(xiàn)了一類新的產(chǎn)品，就是單回路調(diào)節(jié)器SLCWSingleLoopController。這種產(chǎn)品以微處理器為核心，主要完成控制計(jì)算的功能。其最主要的用途是代替單元式組合儀表的計(jì)算、顯示，給定值等單元，而檢測(cè)、執(zhí)行等功能仍然由常規(guī)島的單元完成，以這種方式組成的系統(tǒng)是一種模擬和數(shù)字混合模式的系統(tǒng)。由于微處理器采用數(shù)字方式進(jìn)行控制計(jì)算，因此計(jì)算的能力大大加強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜或難度很高的控制計(jì)

41、算。在這方面，SLC正好彌補(bǔ)了單元式組合儀表中計(jì)算能力較弱的缺點(diǎn)，而且數(shù)字化的處理相對(duì)于模擬方式的處理來說，還有一個(gè)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，就是具有數(shù)字通信功能，因此可以被用來方便地實(shí)現(xiàn)如審級(jí)控制、復(fù)合控制等較復(fù)雜的控制功能，因此在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，SLC發(fā)展很快，后來又在單回路調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上發(fā)展了多回路調(diào)節(jié)器，盡管SLC在內(nèi)部采用了數(shù)字技術(shù)，以微處理器為核心構(gòu)成系統(tǒng)，但在形式上還是沿用了單元式組合儀表的構(gòu)造，仍然是以一個(gè)單元的方式安裝在儀表面板Console上，所不同的是SLC的顯示多采用數(shù)字式的顯示，即用數(shù)碼管直接顯示出測(cè)量值或控制值、設(shè)定值等。也有些SLC為與原有單元式組合儀表在外觀和使用習(xí)慣上

42、完全一致，采用了模擬單元式組合儀表的顯示、操作方式的設(shè)計(jì)，如指針顯示等。對(duì)于審級(jí)控制，復(fù)合控制等較復(fù)雜的控制功能，常規(guī)的組合式單元儀表的作法是采用硬接線將所需信號(hào)引到儀表的計(jì)算單元，并參與控制計(jì)算。而對(duì)于SLC來講，既可以通過硬接線引入所需信號(hào)，又可以通過微處理器之間的通信獲取所需信號(hào)，后一種方式在控制系統(tǒng)中被稱為“引用”。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字技術(shù)在控制功能方面有了極大的提高，它可以完成各種復(fù)雜的計(jì)算和智能化的處理,另外，在人機(jī)界面上也比模擬儀表有了革命性的改變。在儀表控制系統(tǒng)中，所有的顯示單元、操作單元、給定值設(shè)定單元都安裝在儀表盤上，而且是每一個(gè)檢測(cè)控制點(diǎn)都有自己相應(yīng)的顯示、操作、設(shè)定單元

43、。如果系統(tǒng)比較龐大，檢測(cè)控制點(diǎn)很多，則需要面積很大的儀表盤，這給觀察現(xiàn)場(chǎng)和進(jìn)行操作帶來了很大的困難。為了減小儀表盤的面積，很多儀表控制系統(tǒng)采取了密集安裝方式，按照生產(chǎn)設(shè)備的工藝將儀表進(jìn)行分區(qū)安排，這樣雖然可以減小儀表盤的面積，使人的操作可以在較小的、手眼可達(dá)的范圍內(nèi)進(jìn)行，但非常不直觀，人必須記住每個(gè)儀表盤上的單元在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備上是對(duì)哪一部分進(jìn)行顯示和操作的，稍有疏忽，就會(huì)產(chǎn)生失誤。另一種方法就是采用模擬盤，將生產(chǎn)設(shè)備按實(shí)際的工藝過程描繪到一個(gè)面板上，在相應(yīng)的測(cè)量、控制位置上安裝儀表的顯示操作等單元，這種方式雖然直觀，但大大增加了儀表盤的面積，使操作人員必須在大面積的模擬盤面前不斷走動(dòng)、巡視，以

44、控制生產(chǎn)過程的運(yùn)行。在工程上，無論是密集安裝的儀表盤還是按工藝過程表示的模擬盤，其信號(hào)線的連接都是非常繁雜的。在現(xiàn)場(chǎng)，我們經(jīng)常可以看到儀表盤或模擬盤背后密如蛛網(wǎng)的信號(hào)線，這些線都要通過電纜溝、電纜井、電纜橋架等縛設(shè)到現(xiàn)場(chǎng)，這對(duì)于檢查和維護(hù)來說都是巨大的工作量，特別是在需要增加儀表或改變測(cè)量控制點(diǎn)的位置、功能時(shí)，其困難更是巨大。而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面就簡(jiǎn)潔得多。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用CRT和鍵盤、鼠標(biāo)或軌跡球來實(shí)現(xiàn)顯示操作功能，我們可以在CRT上很容易地顯示出生產(chǎn)設(shè)備的分布，生產(chǎn)工藝流程并通過鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行操作或設(shè)定值控制。這些都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，并不需要進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)的硬連線，而且，由

45、于CRT的表現(xiàn)力豐富，利用光標(biāo)進(jìn)行的控制操作直觀方便，加上軟件對(duì)操作命令的各種合法性檢查，使誤操作的概率降到很低。采用數(shù)字技術(shù)的計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制系統(tǒng)雖有上述模擬式儀表無法比擬的優(yōu)越性，但也存在自身的弱點(diǎn)。首先，在容錯(cuò)性方面，模擬技術(shù)比數(shù)字技術(shù)有著天然的優(yōu)勢(shì)，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值的表達(dá)為例，模擬技術(shù)采用氣壓、電流或電壓等物理量表達(dá)，這是一種基于能量消耗的表達(dá)方式，也就是說，測(cè)量值越高，表達(dá)測(cè)量值所消耗的能量也越大，因此干擾對(duì)它的影響也越小。而在數(shù)字方式中，測(cè)量值的表達(dá)采用二進(jìn)制數(shù)值，對(duì)于這些0或1的碼元來說，其在一個(gè)字節(jié)中所處的位置越高，表達(dá)的數(shù)值就越大，但高位碼元和低位碼元受干擾的可能性是一樣的，因此

46、抗干擾問題是數(shù)字系統(tǒng)中要解決的首要問題。第二，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，所有功能都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，而軟件的執(zhí)行是串行的和單向的，也就是說，由計(jì)算機(jī)所處理的各種功能都需要在預(yù)先確定好的程序控制下一步一步地執(zhí)行，而且這種執(zhí)行是只能前進(jìn)不能后退的（計(jì)算機(jī)的指令計(jì)數(shù)器只能加i而不能減1）,這帶來了兩個(gè)問題，一是一旦在計(jì)算機(jī)受到干擾，其指令計(jì)數(shù)器的值發(fā)生了跳變，程序就會(huì)“飛”掉，而且不可能返回來，這時(shí)計(jì)算機(jī)的輸出完全是一些亂碼，這和模擬儀表以模擬電路或其它元件組成的運(yùn)算單元不同。模擬運(yùn)算單元在受到干擾使某個(gè)運(yùn)算參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其運(yùn)算單元的輸出只是一個(gè)具有較大誤差的值，而不會(huì)毫無邊際，同時(shí)，在干擾消失后還可以自

47、己恢復(fù)到正常值。二是由于計(jì)算機(jī)的程序是用行的，因此必然有時(shí)間上的延遲，計(jì)算機(jī)在控制多個(gè)回路時(shí)，必須一個(gè)回路一個(gè)回路地順序執(zhí)行計(jì)算，而不能像模擬儀表那樣所有的計(jì)算單元都在同時(shí)執(zhí)行各自運(yùn)算。因此，要獲得同樣的控制實(shí)時(shí)性，數(shù)字化的計(jì)算必須比模擬計(jì)算快許多倍。通過對(duì)數(shù)字技術(shù)本身的特點(diǎn)及其與模擬技術(shù)相對(duì)比的弱點(diǎn)，我們知道，在采用了數(shù)字技術(shù)之后，最重要的是要解決好數(shù)字控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性這兩個(gè)大問題。這兩個(gè)問題解決好了，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能夠充分發(fā)揮，反之，則計(jì)算機(jī)系統(tǒng)反而會(huì)不如儀表系統(tǒng)，因儀表系統(tǒng)可能最多是“不好用”，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則可能會(huì)“不可用”。盡管數(shù)字技術(shù)有著上述先天性的弱點(diǎn)，但控制系統(tǒng)還

48、是在不可逆轉(zhuǎn)地向著數(shù)字化的方向發(fā)展。這是由于微電子技術(shù)已越來越成熟，數(shù)字電路也越來越可靠，微處理器的運(yùn)算速度按照摩爾定律每18個(gè)月翻一番，如今一枚最普通的八位微處理器也可輕易地完成每秒幾百萬次的運(yùn)算。更重要的是，用數(shù)字技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng)可以完成模擬系統(tǒng)所無法完成的復(fù)雜控制，如在經(jīng)典PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入人工智能控制，對(duì)大滯后環(huán)節(jié)的處理等。這些算法如果采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，一是其結(jié)構(gòu)必然非常龐大，元件數(shù)量巨大到無法承受的地步，而且，這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件繁多的系統(tǒng)必然導(dǎo)致可靠性急劇下降，因此是不可實(shí)現(xiàn)的，即使實(shí)現(xiàn)了也不可用。而在數(shù)字化的系統(tǒng)中，任何復(fù)雜的算法都可用軟件予以實(shí)現(xiàn)，算法的復(fù)雜并不改變系統(tǒng)

49、結(jié)構(gòu)，也不增加元件數(shù)量（最多增加一塊存貯器），因此，在這種情況下數(shù)字化控制系統(tǒng)的可靠性要高于模擬系統(tǒng)。另外，數(shù)字技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是可以形成網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)字單元都可以有智能處理功能，對(duì)外具有地址和識(shí)別碼，因此可以在一條共用的總線(PartyLine)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元的信息傳輸。而且，數(shù)字信息的傳輸與模擬信息的傳輸不同，數(shù)字信息可以利用編碼技術(shù)，查錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)剔除受到干擾而出錯(cuò)的信息，因此數(shù)字信息的傳輸是無失真的，不會(huì)產(chǎn)生附加的誤差；而模擬信號(hào)的傳輸則會(huì)產(chǎn)生附加誤差，而且每次傳輸都會(huì)在已有的誤差上迭加新的誤差，對(duì)比系統(tǒng)是很難識(shí)別和濾除的。而且模擬信號(hào)的傳輸不可能共線(PartyLine),只能每個(gè)信號(hào)

50、使用一對(duì)線。信號(hào)傳輸線的數(shù)量在系統(tǒng)中似乎不是一個(gè)能夠引起重視的問題，但如果信號(hào)數(shù)量很多、傳輸距離很長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)問題就相當(dāng)突出，它將使成本急劇上升，設(shè)計(jì)、施工的難度大幅提高，線纜的維護(hù)難度加大，而且很容易引入干擾甚至雷電等高壓的用入，造成系統(tǒng)的損壞。4、分布式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展從以上的敘述可以看到，從1958年開始就陸續(xù)出現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能不同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的程度也不同。監(jiān)視系統(tǒng)僅在人機(jī)界面中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的觀察方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，SPC系統(tǒng)則在對(duì)模擬儀表的設(shè)定值方面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而DDC在人機(jī)界面，控制計(jì)算等方面均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但還保留了現(xiàn)場(chǎng)模擬方式的變送單元和執(zhí)行單元，系

51、統(tǒng)與它們的連接也是通過模擬信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)的。DDC將所有控制回路的計(jì)算都集中在主CPU中，這引起了可靠性問題和實(shí)時(shí)性問題，上節(jié)對(duì)此已有論述。隨著系統(tǒng)功能要求的不斷增加，性能要求的不斷提高和系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這兩個(gè)問題更加突出，經(jīng)過多年的探索，在1975年DCS出現(xiàn)后才較好地解決了這兩個(gè)問題，如果說，DDC是計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)，那么DCS則是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)。在DCS出現(xiàn)的早期，人們還將其看作是儀表系統(tǒng)，這在ISAS5.31983年對(duì)DCS的定義中可以看出：“Thatclassofinstrumentation(input/outputdevices,co

52、ntroldevicesandoperatorinterfacedevices)whichinadditiontoexecutingthestatedcontrolfunctionsalsopermitstransmissionofcontrol,measurement,andoperatinginformationtoandfromasingleorapluralityofuserspecifiablelocations,connectedbyacommunicationlink.某一類儀器儀表(輸入/輸出設(shè)備、控制設(shè)備和操作員接口設(shè)備），它不僅可以完成指定的控制功能，還允許將控制、測(cè)量和運(yùn)

53、行信息在具有通信鏈路的、可由用戶指定的一個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)之間相互傳遞?！卑凑者@個(gè)定義，我們可以將DCS理解為具有數(shù)字通信能力的儀表控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式看，DCS確實(shí)與儀表控制系統(tǒng)相類似，它在現(xiàn)場(chǎng)端仍然采用模擬儀表的變送單元和執(zhí)行單元，在主控制室端是計(jì)算單元和顯示、記錄、給定值等單元，但從實(shí)質(zhì)上，DCS和儀表控制系統(tǒng)有著本質(zhì)的不同。首先，DCS是基于數(shù)字技術(shù)的，除了現(xiàn)場(chǎng)的變送和執(zhí)行單元外，其余的處理均采用數(shù)字方式。而且，DCS的計(jì)算單元并不是針對(duì)每一個(gè)控制回路設(shè)置一個(gè)計(jì)算單元，而是將若干個(gè)控制回路集中在一起，由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站來完成這些控制回路的計(jì)算功能。這樣的結(jié)構(gòu)形式不只是為了成本上的考慮一一

54、與模擬儀表的計(jì)算單元相比，DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站是比較昂貴的，而是由于DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站有足夠的能力完成多個(gè)回路的控制計(jì)算。從功能上講，由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站執(zhí)行多個(gè)控制回路的計(jì)算和控制功能更便于這些控制回路之間的協(xié)調(diào)，這在模擬儀表系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)的。具體一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站應(yīng)該執(zhí)行多少個(gè)回路的控制，則與被控對(duì)象有關(guān)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)控制方法的要求具體安排在系統(tǒng)中使用多少個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站中各安排哪些控制回路。在這方面，DCS有著極大的靈活性。如果說，從儀表控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點(diǎn)在于其具有傳統(tǒng)模擬儀表所沒有的通信功能。那么從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點(diǎn)則在于它將整個(gè)系統(tǒng)的功

55、能分成為若干臺(tái)不同的計(jì)算機(jī)去完成，各個(gè)計(jì)算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互相之間的協(xié)調(diào)和系統(tǒng)的集成。在DDC系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的功能可分為檢測(cè)、計(jì)算、控制、人機(jī)界面等幾大塊，而在DCS中，檢測(cè)、計(jì)算和控制這三項(xiàng)功能由稱為現(xiàn)場(chǎng)控制站的計(jì)算機(jī)完成，而人機(jī)界面則由稱為操作員站的計(jì)算機(jī)完成。這是兩類功能完全不同的計(jì)算機(jī)。而在一個(gè)系統(tǒng)中，往往有多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站和多臺(tái)操作員站，每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站或操作員站對(duì)部分被控對(duì)象實(shí)施控制或監(jiān)視，這種劃分是功能相同而范圍不同的計(jì)算機(jī)，因此，DCS中多臺(tái)計(jì)算機(jī)的劃分有功能上的，也有控制、監(jiān)視范圍上的。這兩種劃分就形成了DCS的“分布”一詞的含義。ISA除了在S5.31983中對(duì)DCS作了定義

56、外，還作出了許多不同角度的解釋：“Asystemwhich,whilebeingfunctionallyintegrated,consistsofsubsystemswhichmaybephysicallyseparateandremotelylocatedfromoneanotherS5.1.物理上分立并分布在不同位置上的多個(gè)子系統(tǒng)，在功能上集成為一個(gè)系統(tǒng)一一解釋了DCS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。"Comprisedofoperatorconsoles,acommunicationsystem,andremoteorlocalprocessorunitsperformingcontrol,log

57、ic,calculationsandmeasurementfunctions.被'壓縮的操作面板、通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)方或本地的執(zhí)行控制，邏輯、計(jì)算及測(cè)量等功能的局域處理單元。一一指出了DCS的三大組成部分“Twomeaningsofdistributedshallapply:a)Processorsandconsolesdistributedphysicallyindifferentareasoftheplantorbuilding,b)Dataprocessingdistributedsuchasseveralprocessorsrunninginparallel,(concurrent)

58、eachwithadifferentfunction.分布的二個(gè)含義：a)處理器和控制面板物理地分布在工廠或建筑物的不同區(qū)域；b)在據(jù)處理分散，多個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的功能一一解釋了分布的二種含義：物理上的分布和功能上的分布?！癆systemofdividingplantorprocesscontrolintoseveralareasofresponsibility,eachmanagedbyitsowncontroller(processor),withthewholeinterconnectedtoformasingleentityusuallybycommunicationbusesofvariouskinds.將工廠或過程控制分解成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由各自的控制器(處理器)進(jìn)行管理控制，它們之間通過不同類型的總線連成一個(gè)整體一一側(cè)重描述了DCS各個(gè)部分之間的連接關(guān)系，是通過不同類型的總線實(shí)現(xiàn)連接的?？偨Y(jié)以上各方面的描述，我們可