第一章
過程控制系統(tǒng)的進(jìn)展和系統(tǒng)概念
控制生產(chǎn)過程的方法 隨著時間不斷地變化著。它開始地使用模擬調(diào)節(jié)器的單回路控制?,F(xiàn)在,使用數(shù)字信號的分散控制系統(tǒng)在過程控制領(lǐng)域一直在不斷增長著。進(jìn)而,在工廠中應(yīng)用的各種控制系統(tǒng)綜合成一體的趨勢也在不斷向前發(fā)展(如CIM:Computer Integrated Manufacturing計算機(jī)集成制造系統(tǒng)*)。
第一章講述控制系統(tǒng)的進(jìn)展,當(dāng)然系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容也將說明。
目 錄
1.1 關(guān)鍵詞條 PAGEREF _Toc467383039 \h 1
1.2 調(diào)節(jié)器進(jìn)行的過程控制 PAGEREF _Toc467383040 \h 2
1.3 過程控制功能 PAGEREF _Toc467383041 \h 3
1.4 過程控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc467383042 \h 4
1.5 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史 PAGEREF _Toc467383043 \h 5
1.6 綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc467383044 \h 8
1.7 CENTUM CS的系統(tǒng)概念 PAGEREF _Toc467383045 \h 10
*譯注:CIM在中國稱為CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)機(jī)械制造和裝配工業(yè)中從接受定單到向用戶交貨全過程的計算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。近年來對化工、發(fā)電、煉油等過程工業(yè)也發(fā)展了與CIMS類似的COPS(Computer Integrated Process System)技術(shù)。
1.1 關(guān)鍵詞條
下列各條為本章中將研究的內(nèi)容
(1)調(diào)節(jié)器,指示調(diào)節(jié)器,PID調(diào)節(jié)器 1.2
(2)反饋控制 1.3
(3)順序控制 1.3
(4)直接數(shù)字控制(DDC) 1.4
(5)集中控制系統(tǒng) 1.5
(6)分散控制系統(tǒng) 1.5
(7)集中監(jiān)視和分散控制 1.5
(8)一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng) 1.6
(9)CS系統(tǒng)概念 1.7
1.2 調(diào)節(jié)器進(jìn)行的過程控制
圖1.1為使用模擬調(diào)節(jié)器的溫度控制回路。操作者設(shè)定一個溫度“給定值”,調(diào)節(jié)器自動的調(diào)整操作變量,即輸出(例中為調(diào)整控制蒸汽流量的閥門開度)以減小測得的“過程變量”(溫度)和目標(biāo)值“給定值”之間的偏差。這種調(diào)整操作變量以減小“過程變量”和“給定值”之間偏差的過程稱之為反饋控制。
指示調(diào)節(jié)器(PID)指示測得的 “過程變量”(遠(yuǎn)處貯槽中液體的溫度),使用PID算法(P—比例,I—積分和D—微分)計算操作變量輸出(蒸汽流量),蒸汽流量的變化將減小“過程變量”和“設(shè)定”溫度間的偏差,也控制了貯槽中液體的溫度。
圖1.1 使用模擬調(diào)節(jié)器的過程控制
圖1.1也可用圖1.2來表示。
1.3 過程控制功能
直接控制生產(chǎn)過程的方法大體分為兩大類:回路控制(包括反饋和前饋控制)和順序控制。前者輸入模擬測量信號,后者輸入操作順序和過程的狀態(tài)信號。
l 反饋控制:控制動作直接校正過程變量(如貯槽中液體溫度), 比較目標(biāo)值(設(shè)定值),使兩者一致。
l 前饋控制:借助測量干擾量(如環(huán)境溫度)產(chǎn)生校正動作,在干擾尚未對過程產(chǎn)生影響前直接作用于閥門。
l 順序控制:根據(jù)預(yù)先指定的順序,控制作用為一系列連續(xù)完成的控制步程.
在CENTUM CS中,所有回路控制,包括前饋控制均歸于“反饋控制”類中。同樣,它還包括諸如電動機(jī)控制,電力分配控制。
1.4 過程控制系統(tǒng)
為完成圖1.1所示的溫度控制,需要一個控制系統(tǒng)(即一種完成控制運(yùn)算的設(shè)備)。有多種可選用的控制系統(tǒng),它們一般可分為模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。
模擬控制系統(tǒng):使用運(yùn)算放大器等,控制設(shè)備用模擬信號(如電壓)進(jìn)行控制運(yùn)算,不能進(jìn)行順序控制。
數(shù)字控制系統(tǒng):使用處理器(處理單元),控制設(shè)備用數(shù)字信號完成控制運(yùn)算,它不僅可以完成反饋和前饋控制(總稱直接數(shù)字控制DDC),而且還可用于順序控制。
l DDC(直接數(shù)字控制):由數(shù)字設(shè)備完成調(diào)節(jié)器功能,控制器的輸入和輸出可以是模擬信號。同樣,在監(jiān)視時,上位機(jī)直接驅(qū)動數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出。
1.5 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史
數(shù)字控制系統(tǒng)隨著它的組件變化而取得的進(jìn)步而不斷進(jìn)展,圖1.5展示了這些進(jìn)展。
電子計算機(jī)首次用于過程控制領(lǐng)域是在60年代,隨后一些數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。
引入計算機(jī)的目的有兩個: ?數(shù)據(jù)報表; -初期的設(shè)定點控制(SPS).
?計算機(jī)控制數(shù)據(jù)報表操作指導(dǎo) -計算機(jī)控制設(shè)定值控制(SPS)
圖1.6 數(shù)據(jù)報表 圖1.7 設(shè)定值控制
計算機(jī)引入過程控制初期,調(diào)節(jié)器功能由計算機(jī)代替和DDC控制,在DDC控制中,開始用計算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程。
早期,控制系統(tǒng)是集中的那里一臺中央計算機(jī)不僅完成監(jiān)督和操作,而且還完成全部過程控制。這樣做最重要的原因是計算機(jī)的成本。
微處理器的出現(xiàn)大大地改變了上述情況。研究的主題變?yōu)槿缈蓪崿F(xiàn)多種多樣的功能分散風(fēng)險,分散功能,等等),如何將各種各樣專有的和普遍要求結(jié)合在一起。
分散控制系統(tǒng)(DCS)根據(jù)過程控制的要求,現(xiàn)在已有輸入點分散至1個回路8個回路16個回路直至80個回路的適用系統(tǒng)。
®集中控制: ˉ分散控制:
集中控制 , 集中監(jiān)測 分散控制 集中檢測
圖1.8 集中控制 圖1.9 分散式控制
1.6 綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)
當(dāng)今對分布于全工廠的控制系統(tǒng)一體化的趨勢已達(dá)到實現(xiàn)計算機(jī)集成制造(CIM)水平。下面的4種方法促進(jìn)了CIM的實現(xiàn)。由于這些方法是相互結(jié)合的,故將來的系統(tǒng)需要一體化。
l 控制室的一體化
減少控制室數(shù)量以減少操作各個系統(tǒng)的人機(jī)界面的數(shù)量。
l 現(xiàn)存系統(tǒng)的一體化
現(xiàn)存多個系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接成一個新系統(tǒng),以達(dá)到在新系統(tǒng)中的ICS站上集中操 作。
l 單窗口
作為CIM的一部分,應(yīng)用CENTUM CS人機(jī)接口中的“X-window”功能操作計算機(jī)系統(tǒng)。
l 過程儀表裝置和電氣控制的一體化
過程控制和電氣控制由DCS的一個操作界面操作.
圖1.11 一體化控制系舉例(2)
1.7 CENTUM CS的系統(tǒng)概念
這一節(jié)將引入“綜合處理 ”的概念,這是橫河電機(jī)系統(tǒng)工作引出的一個基本概念。本節(jié)將講述這個概念和CENTUM CS一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的關(guān)系及其特點。
(1) 綜合處理
綜合處理(CS)是橫河系統(tǒng)業(yè)務(wù)工作中產(chǎn)生的一個基本概念。橫河電機(jī)支持用戶總結(jié)多年來為滿足生產(chǎn)需要解決各種問題而積累的技術(shù)專利。為實現(xiàn)上述目的,橫河電機(jī)與用戶密切使用相結(jié)合,集中精力通過一體化技術(shù)如計算機(jī)集成制造(CIM)和生產(chǎn)中心組織等方式構(gòu)筑先進(jìn)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。
*生產(chǎn)中心組織:
這是一種構(gòu)想,目的是將生產(chǎn)組織得更合理,方法是提高直接生產(chǎn)各部分和間接生產(chǎn)各部分間的協(xié)調(diào)性。
CS也含用戶滿意(Customer Satisfaction)之義.
通過CENTUM CS,橫河電機(jī)可提供滿足用戶要求的各種解決方案。
(2) 系統(tǒng)概念
為滿足預(yù)期90年代中期開始或產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)變化,橫河電機(jī)開發(fā)了CENTUM CS系統(tǒng)以實現(xiàn)下列四類系統(tǒng)構(gòu)想:
構(gòu)想1不斷創(chuàng)新的系統(tǒng)一體化
構(gòu)想2可持續(xù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
構(gòu)想3使用期間費(fèi)用最小
構(gòu)想4工程技術(shù)可不斷革新
實現(xiàn)了上述構(gòu)想,CENTUM CS給了用戶一個十分令人滿意的解決方案。
圖1.12 系統(tǒng)概念構(gòu)成