过程控制系统

　　基本信息

　　在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。

　　凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统（processcontrolsystems）可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。

　　过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。

　　以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。

　　蒸汽锅炉的液位控制系统是过程控制系统的一个例子。当产生蒸汽的耗水量与锅炉进水量相等时，液位保持在给定的正常标准值。蒸汽量的增加或减少即引起液位的下降或上升。差压传感器将液、汽间的压差（代表实际液位）与给定压差（代表给定液位）比较，得到两者的差值，称为偏差（代表实际液位与给定液位之差）。控制器根据偏差值按照指定规律发出相应信号，控制调节阀的阀门，使液位恢复到给定的标准位置，从而实现对液位的自动控制。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。而在批量型的过程操作中则需要采用顺序控制系统。例如，化学反应器中催化剂的注入需要等到反应物升温至一定数值后才能开始，操作必须遵守严格的顺序。顺序控制常采用可编程序逻辑控制器来实现。

　　在实际生产过程中，往往有多个参数（被控量）需要控制，又有多个变量可用作控制量。在很多情况下，被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化会同时引起几个被控量变化。这种变量间的交互影响称为耦合。耦合的存在会使过程控制系统变得复杂化。简化控制系统结构的一种方法是采用解耦控制（见解耦控制问题），通过引入某种补偿网络或补偿通道把一个有耦合的多变量过程化成一些无耦合的单变量过程来处理，或者经过适当的变换和处理以减小耦合影响。多变量频域方法是研究和设计多变量耦合过程控制系统的一种有效工具。

　　过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参数保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。它具有5个层次的功能：①调度；②操作模式确定；③质量控制；④反馈控制(自动调节)和顺序控制；⑤故障的防止和弥补。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。过程信息系统在操作员与自动化系统之间提供了人机交互功能，各种显示屏幕能显示过程设备的状态、报警和过程变量数值的流程图，并能在屏幕的一定区域显示过去的信息。过程信息系统还能统一处理销售、设计、内部运输、存储、包装、行情调查、会计、维修、管理等环节的信息，沟通企业内部和企业内外的信息，并能根据使用人员的需要有选择地提供信息报告。例如，顾客的订货单可在门市部送到信息系统中而立即传送到信息系统的生产调度部门。

　　系统发展

　　随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。

　　在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天，在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段，它们是：分散控制阶段，集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。

　　过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

　　发展回顾

　　世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW)300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个时期：(1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。

　　(2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。

　　(3)推广时期(20世纪70年代)。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(m-icrocomputer)，其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。

　　(4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控制和管理融为一体的新型集散控制系统。

　　(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善，应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。

　　计算机

　　计算机过程控制系统的分类

　　计算机控制系统的应用领域非常广泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类，分为以下几类：(1)数据处理系统(DAS)，对生产过程参数作巡检、分析、记录和报警处理。

　　(2)操作指导控制系统(OGC)，计算机的输出不直接用来控制生产过程，而只是对过程参数进行收集，加工处理后输出数据，操作人员据此进行必要的操作。

　　(3)直接数字控制系统(DDC)，计算机从过程输入通道获取数据，运算处理后，再从输出通道输出控制信号，驱动执行机构。

　　(4)监督控制系统(SCC)，计算机根据生产过程参数和对象的数字模型给出最佳工艺参数，据此对系统进行控制。

　　(5)多级控制系统，企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，一般是三级系统，即经营管理级(MIS)、监督控制级(SCC)和直接数字控制级(DDC)。

　　(6)集散控制系统(DCS)，以微处理器为核心，实现地理和功能上的分散控制，同时通过高速数据通道将分散的信息集中起来，实现复杂的控制和管理。

　　(7)监控与数据采集系统(SCADA)，SCADA是以计算机、控制、通讯与CRT技术为基础的一种综合自动化系统，更适用于/点多、面广、线长0的生产过程。由于控制中心和监控点的分散而自然形成了两层控制结构。

　　(8)现场总线控制系统(FCS)，是新一代分布式控制系统，与DCS的三层结构不同，其结构模式为/工作站)现场总线智能仪表0两层结构，降低了总成本，提高了可靠性，系统更加开放，功能更加强大。在统一的国际标准下，可实现真正的开放式互连系统结构。

　　(9)计算机集成过程控制系统(CIPS)，利用DCS作基础，开发高级控制策略，实现各层次的优化，利用管理信息系统MIS进行辅助管理和决策，将企业中有关过程控制、计划调度、经营管理、市场销售等信息进行集成，经科学加工后，为各级领导、管理及生产部门提供决策依据，实现控制、管理的一体化。

　　计算机过程控制系统国内外应用状况

　　近十几年，过程控制系统发展非常迅速，由于集散控制系统是这一领域的主导发展方向，各国厂商都在这一市场不断推陈出新。美国和日本的产品代表两个主要的发展方向：美国厂商重点推出开放型集散系统，加速研制现场总线产品，推广应用智能变送器；日本厂商则着重发展高功能集散系统，从软件开发入手，挖掘软件工作的潜力，强调控制功能和管理功能的结合。

　　20世纪80年代，比较著名的大型集散控制系统新产品有：美国Honeywell公司的TDC-3000，Foxboro公司的I/AS，Bailey公司的INFI-90，日本横河公司的CENTRUMXL，英国OxfordAutomation公司的SYSTEM-86，德国Siemens公司的TELEPERM系统等等。这些都属于第三代DCS，控制点可达到一万点以上，系统结构接近标准化，采用局域网技术。它的主要改变是在局域网络方面，采用了符合国际标准化组织ISO的OSI开放系统互连的参考模型。因此，在符合开放系统的各制造厂商产品间可以互相连接、互相通讯和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进入了更高的阶段。

　　在20世纪90年代初，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以管控一体化的形式出现。它在硬件上采用了开放的工作站，使用RISC替代CISC，采用了客户机/服务器(Client/Server)的结构。在网络结构上增加了工厂信息网(Intranet)，并可与国际信息网(Internet)联网。在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富。同时，在制造业，计算机集成制造系统(CIMS)得到了应用，使人们看到了应用信息管理系统的经济效益。随着现场总线技术的出现，在世界上引起了广泛重视，各大仪表制造厂商纷纷在自己的DCS系统中融入现场总线技术，推出现场总线控制系统及相应的现场总线仪表装置。第四代集散控制系统的典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，横河公司CENTER-CS控制系统，Foxboro公司I/AS50/51系列控制系统，ABB公司Advant系列OCS开放控制系统等。这一代集散控制系统主要是为解决DCS系统的集中管理而研制，它们在信息的管理、通讯等方面提供了综合的解决方案。

　　我国的工业控制计算机技术起步于20世纪50年代末期，经历了巡回检测装置、小型工业控制机、可编程控制器等几个阶段以后，70年代中期研制了小型工业控制计算机网络系统。70年代末，有少数几家化工企业从国外引进了集散控制系统。20世纪80年代中期，集散控制系统进入冶金、电力等行业。1985年，济钢第一套控制系统-MODICON584系列PLC在济钢炼铁厂4#高炉上料系统应用获得成功。1991年，济钢炼钢3#板坯连铸机二冷配水改造工程和中板厂加热炉改造工程中，选用了美国德州仪器(TI)公司生产的TI-545系列PLC系统。

　　90年代初期，我国将集散控制系统与工业控制局部网络列入国家攻关计划，并取得了一些可喜的成果。我国石化行业/八五0期间新建和技改的石化生产装置大多数采用DCS系统，现已有300多套。同时，开展了计算机集成制造系统试点，近几年部分石化企业已开始实施CIMS。

　　CIMS在石油行业虽已开始应用，但尚属探索阶段。由于建立大型的控制与管理相接合的管理信息系统所需投资较大，一般企业无法承受，而且我国当前的生产过程与国际先进水平还有一定的差距，这对过程控制系统的发展产生了一定的影响。

　　我国自动化仪表行业通过引进技术和与外商合作，还合资组装生产了DCS，逐步实现了国产化。如上海的福克斯波罗、西安横河、北京贝利、四川仪表总厂等都有相应的DCS产品。我国独立自主开发的DJK-7500(重庆自动化研究所)、HS-2000(北京和利时自动化公司)、FB-2000(浙江威盛自动化公司)、友力-2000(航空航天部)、DCS-100(清华大学)和L-2000(上海调节器厂)集散控制系统，适合我国国情，有自己的特色，已投入生产和使用。

　　发展趋势

　　计算机控制系统以其特有的优势和强大的功能，已在过程控制领域得到广泛的应用。同时，随着计算机软硬件技术和通讯技术的飞速发展，新的控制理论和新的控制方法也层出不穷。展望未来，它的发展趋势有以下几个方面。

　　(1)大力推广应用成熟的先进技术。普及应用具有智能I/O模块的、功能强、可靠性高的可编程控制器(PLC)，广泛使用智能化调节器，采用以位总线(Bitbus)、现场总线(Fieldbus)技术等先进网络通讯技术为基础的新型DCS和FCS控制系统。

　　(2)大力研究和发展智能控制系统。智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。智能控制系统的类型主要包括：分级梯阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、人工神经网络控制系统和基于规则的仿人工智能控制系统等。

　　(3)控制与管理结合，向低成本自动化(LowCostAutomation，LCA)方向发展。LCA是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能，而投资较低的自动化系统。在DCS和FCS的基础上，采用先进的控制策略，将生产过程控制任务和企业管理任务共同兼顾，构成计算机集成控制系统(CIPS)，可实现低成本综合自动化系统的方向发展。

　　总之，由于计算机过程控制在控制、管理功能、经济效益等方面的显著优点，使之在石油、化工、冶金、航天、电力、纺织、印刷、医药、食品等众多工业领域中得到广泛的应用。计算机控制系统将会随着计算机软硬件技术、控制技术和通讯技术的进一步发展而得到更大的发展，并深入到生产的各部门。