控制系統(tǒng)功能概述

一、過程控制系統(tǒng)的質量指標

采用先進的計算機控制系統(tǒng)，主要用于熱源廠的生產控制、運行操作、監(jiān)視管理?？刂葡到y(tǒng)不僅要有可靠的硬件設備，還應有功能強大、運行可靠、界面友好的系統(tǒng)軟件、編程軟件和控制軟件。

一個控制良好的系統(tǒng)，在經受擾動作用時，一般應平穩(wěn)、快速和準確地趨近或回復到設定值。這里所講的“平穩(wěn)”是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復平衡工作狀態(tài)的能力。它是控制系統(tǒng)能正常工作的基本條件?！翱焖佟笔侵竸討B(tài)過程進行的時間很短，“準確”是指系統(tǒng)最終恢復平衡狀態(tài)后所能保持的精度。

由于被控過程的具體情況不同，各種系統(tǒng)對平穩(wěn)、快速、準確的要求也有所不同。例如隨動控制系統(tǒng)對快速性和準確性要求較高，而定值控制系統(tǒng)一般卻側重于平穩(wěn)性和準確性。同一個系統(tǒng)，平穩(wěn)、快速、準確是相互制約的。提高過程的快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈振蕩，甚至會使系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定；改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，甚至使準確性變差。在比較不同控制方案時，應首先規(guī)定評價控制系統(tǒng)優(yōu)劣程度的性能指標。

二、集散控制系統(tǒng)概述

集散控制系統(tǒng)是以計算機為基礎的集中分散型綜合控制系統(tǒng)的簡稱。由于它在發(fā)展初期是以分散控制為主要特色的，因此，國外一般稱其為分散控制系統(tǒng)（distributed control system,DCS）。在國內習慣稱之為集散控制系統(tǒng)（DCS）。

集散控制系統(tǒng)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種新型控制系統(tǒng)。它是計算機技術、控制技術、通信技術、圖形顯示（cathode ray tube,CRT）技術相結合的產物，是完成過程控制和過程管理的現(xiàn)代化設備。它彌補了常規(guī)過程控制儀表組成的過程控制系統(tǒng)的不足之處。

集散控制系統(tǒng)在冶金、紡織、電力、石油、化工、原子能、水處理等工業(yè)生產過程自動化中得到了廣泛的應用。作為過程控制發(fā)展的新技術，集散控制系統(tǒng)正得到越來越多用戶的贊譽。

三、DCS的體系結構

集散控制系統(tǒng)的體系結構通常為三級。第一級為分散過程控制級；第二級為集中操作監(jiān)控級；第三級為綜合信息管理級。各級之間由通信網絡連接，級內各裝置之間由本級的通信網絡進行通信聯(lián)系。

1.分散過程控制級

此級是直接面向生產過程的，是DCS的基礎。它直接完成生產過程的數據采集、反饋控制、順序控制等功能。其過程輸入信息是面向傳感器的信號，如熱電偶、熱電阻、變送器（溫度、壓力、液位）及開關量等信號，其輸出驅動執(zhí)行機構。構成這一級的主要裝置有：①現(xiàn)場控制站（工業(yè)控制機）；②可編程序控制器（DCS、PLC）；③智能調節(jié)器；④其他測控裝置。

2.集中操作監(jiān)控級

這一級以操作監(jiān)視為主要任務，兼有部分管理功能。該級是面向操作員和控制系統(tǒng)工程師的，因此根據具體情況應配有技術手段齊備、功能強大的計算機系統(tǒng)及各類外部裝置，特別是CRT顯示器和鍵盤，以及需要較大存儲容量的硬盤或軟盤支持；另外還需要功能強大的軟件支持，確保工程師和操作員對系統(tǒng)進行組態(tài)、監(jiān)視和操作，對生產過程實行高級控制策略、故障診斷、質量評估。其具體組成包括：①監(jiān)控計算機；②工程師顯示操作站；③操作員顯示操作站。

3.綜合信息管理級

這一級由管理計算機、辦公自動化系統(tǒng)、工廠自動化服務系統(tǒng)構成，從而實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息管理。綜合信息管理主要包括生產管理和經營管理。

4.通信網絡系統(tǒng)

DCS各級之間的信息傳輸主要依靠通信網絡系統(tǒng)來支持，根據各級的不同要求，通信網絡又分成低速、中速、高速通信網絡。低速網絡面向分散過程控制級，中速網絡面向集中操作監(jiān)控級，高速網絡面向高速通信網絡管理級。

四、DCS的特點

對一個規(guī)模龐大、結構復雜、功能全面的現(xiàn)代化生產過程控制系統(tǒng)，首先按系統(tǒng)結構垂直方向分解成分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級，各級相互獨立又相互聯(lián)系；然后對每一級按功能在水平方向分成若干個子塊，與一般的計算機控制系統(tǒng)相比，DCS具有以下特點。

1.硬件積木化

DCS采用積木化硬件組裝式結構。由于硬件采用這種積木化組裝結構，使得系統(tǒng)配置靈活，可以方便地構成多級控制系統(tǒng)。如果要擴大或縮小系統(tǒng)的規(guī)模，只需按要求在系統(tǒng)中增加或拆除部分單元，而系統(tǒng)不會受到任何影響。這樣的組合方式，有利于企業(yè)分批投資，逐步形成一個在功能和結構上由簡單到復雜、從低級到高級的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)。

2.軟件模塊化

DCS為用戶提供了豐富的功能軟件，用戶只需按要求選用即可，大大減少了用戶的開發(fā)工作量。功能軟件主要包括控制軟件包、操作顯示軟件包和報表打印軟件包等，并提供至少一種過程控制語言，供用戶開發(fā)高級的應用軟件。

控制軟件包括用戶提供各種過程控制的功能，主要包括數據采集和處理、控制算法、常用運算式和控制輸出等功能模塊。這些功能固化在現(xiàn)場控制站、DCS、智能調節(jié)器等裝置中。用戶可以通過組態(tài)方式自由選用這些功能模塊，以便構成控制系統(tǒng)。

操作顯示軟件包括為用戶提供的豐富的人-機接口聯(lián)系功能，能在CRT和鍵盤組成的操作站上進行集中操作和監(jiān)視?？梢赃x擇多種CRT顯示畫面，如總貌顯示、分組顯示、回路顯示、趨勢顯示、流程顯示、報警顯示和操作指導等畫面，并可以在CRT畫面上進行各種操作，所以它可以完全取代常規(guī)模擬儀表盤。

報表打印軟件包可以向用戶提供每小時、班、日、月工作報表，打印瞬時值、累計值、平均值、打印時間報警等。

過程控制語言可供用戶開發(fā)高級應用程序，如最優(yōu)控制、自適應控制、生產和經營管理等。如Honeywell公司的HC900的Hybrid Control Designer、Siemens公司的STEP7、Intellution公司的iFIX軟件。

3.控制系統(tǒng)組態(tài)

DCS設計了使用方便的面向用戶的編程軟件，為用戶提供了數百種常用的運算和控制模塊，控制工程師只需按照系統(tǒng)的控制方案，從中選擇模塊，并以填表的方式來定義這些軟功能模塊，進行控制系統(tǒng)的組態(tài)。系統(tǒng)的控制組態(tài)一般是在工程師站上進行的。填表組態(tài)方式極大地提高了系統(tǒng)設計的效率，解除了用戶使用計算機必須編程序的困擾，這也是DCS能夠得到廣泛應用的原因之一。

4.通信網絡的應用

通信網絡是分散型控制系統(tǒng)的神經中樞。它將物理上分散配置的多臺計算機有機地連接起來，實現(xiàn)了相互協(xié)調、資源共享的集中管理。通過高速數據通信線，將現(xiàn)場控制站、局部操作站、監(jiān)控計算機、中央操作站、管理計算機連接起來，構成多級控制系統(tǒng)。

DCS一般采用同軸電纜、雙絞線或光纖作為通信介質，通信距離可按用戶要求從十幾米到十幾公里，通信速率為1～100Mbps。由于通信距離長和速度快，可滿足大型企業(yè)的數據通信，實現(xiàn)實時控制和管理的需求。

5.可靠性高

DCS的可靠性高體現(xiàn)在系統(tǒng)結構、冗余技術、自診斷功能、抗干擾措施和高性能的元件等幾方面。

五、現(xiàn)場控制站

1.機箱（柜）

現(xiàn)場控制站的機箱（柜）內部均裝有多層機架，以供安裝電源及各種部件之用。機柜常配有密封門、冷卻扇和過濾器等，有時還配有溫控開關。當機柜內溫度超過正常范圍時，產生報警信號。

2.電源

高效、無干擾、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是現(xiàn)場控制站工作的重要保證?，F(xiàn)場控制站內各功能模塊所需直流電源一般有+5V、+24V等。對主機供電的電源一般均要求與現(xiàn)場檢測儀表或執(zhí)行機構供電的電源之間在電氣上互相隔離，以減少相互干擾。

3.現(xiàn)場控制器

現(xiàn)場控制器是現(xiàn)場控制站的核心。它包括（central processunit,CPU）、存儲器、輸入/輸出通道等，主要進行信號的采集、控制計算和控制輸出。它大多數采用32位微處理器，配有浮點運算協(xié)處理器，以便擴展更為復雜的控制算法，如自整定、模糊控制和預測控制等；只讀存儲器（read onlymemory,ROM）用來固化控制管理的監(jiān)控器程序、自診斷程序和標準算法程序等；隨機存儲器（random accessmemory,RAM）用來保存現(xiàn)場信息與運算結果等；輸入/輸出通道由模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道、開關量輸出通道組成。模擬量輸入信號一般采用4～20mA標準信號或1～5V、0～10V電壓信號；模擬量輸出信號采用4～20mA、0～10mA電流信號或1～5V電壓信號。

4.通信控制單元

通信控制單元實現(xiàn)分散過程控制級與集中操作監(jiān)控級的數據通信。

5.手動/自動顯示操作單元

手動/自動顯示操作單元作為后備安全措施，可以顯示測量值、給定值、自動閥位輸出值、手動閥位輸出值，并具有硬手動操作功能，可直接調整輸出閥值。

六、現(xiàn)場控制站的功能

1.數據采集功能

對過程參數，包括各類熱電偶信號、熱電阻信號、壓力、液位、流量等信號，進行數據采集、變換、處理、顯示、存儲、趨勢曲線顯示、事故報警等。

2.反饋控制功能

反饋控制功能包括接受現(xiàn)場的測量信號，進而求出給定值與測量值的偏差，并對偏差進行PID控制運算，最后求出新的控制量，并將此控制量轉換成電流送至執(zhí)行機構。

3.順序控制功能

它通過來自過程狀態(tài)輸入/輸出信號相反饋控制功能等狀態(tài)信號，按預先設定的順序和條件，對控制的各階段進行逐次控制。

4.信號報警功能

對過程參數設定上限值和下限值，若超過上限值和下限值則分別進行上限和下限報警；對非法的開關量狀態(tài)進行報警；對出現(xiàn)的事故進行報警。信號報警以聲音、光或通過CRT屏幕顯示顏色變化表示。

七、操作員站及工程師站

1.操作員站

操作員站由工業(yè)微型計算機或工作站、工業(yè)鍵盤、光標控制設備（鼠標或軌跡球）、大屏幕CRT、操作控制臺等硬件設備和軟件組成，是系統(tǒng)與操作人員之間的接口。操作人員通過操作站了解生產過程的運行情況，包括各種過程參數的當前值、系統(tǒng)是否有異常情況等。

2.工程師站

工程師站一般由通用微型計算機工作站構成，是對系統(tǒng)進行離線配置、組態(tài)和在線監(jiān)控以及維護的人機接口。