控制系統功能概述

一、過程控制系統的質量指標

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

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

由于被控過程的具體情況不同，各種系統對平穩、快速、準確的要求也有所不同。例如隨動控制系統對快速性和準確性要求較高，而定值控制系統一般卻側重于平穩性和準確性。同一個系統，平穩、快速、準確是相互制約的。提高過程的快速性，可能會引起系統強烈振蕩，甚至會使系統變為不穩定；改善了平穩性，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，應首先規定評價控制系統優劣程度的性能指標。

二、集散控制系統概述

集散控制系統是以計算機為基礎的集中分散型綜合控制系統的簡稱。由于它在發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（distributed control system,DCS）。在國內習慣稱之為集散控制系統（DCS）。

集散控制系統是20世紀70年代中期發展起來的一種新型控制系統。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代化設備。它彌補了常規過程控制儀表組成的過程控制系統的不足之處。

集散控制系統在冶金、紡織、電力、石油、化工、原子能、水處理等工業生產過程自動化中得到了廣泛的應用。作為過程控制發展的新技術，集散控制系統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，其輸出驅動執行機構。構成這一級的主要裝置有：①現場控制站（工業控制機）；②可編程序控制器（DCS、PLC）；③智能調節器；④其他測控裝置。

2.集中操作監控級

這一級以操作監視為主要任務，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進行組態、監視和操作，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、工廠自動化服務系統構成，從而實現整個企業的綜合信息管理。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

DCS各級之間的信息傳輸主要依靠通信網絡系統來支持，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

對一個規模龐大、結構復雜、功能全面的現代化生產過程控制系統，首先按系統結構垂直方向分解成分散過程控制級、集中操作監控級、綜合信息管理級，各級相互獨立又相互聯系；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，使得系統配置靈活，可以方便地構成多級控制系統。如果要擴大或縮小系統的規模，只需按要求在系統中增加或拆除部分單元，而系統不會受到任何影響。這樣的組合方式，有利于企業分批投資，逐步形成一個在功能和結構上由簡單到復雜、從低級到高級的現代化管理系統。

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。這些功能固化在現場控制站、DCS、智能調節器等裝置中。用戶可以通過組態方式自由選用這些功能模塊，以便構成控制系統。

操作顯示軟件包括為用戶提供的豐富的人-機接口聯系功能，能在CRT和鍵盤組成的操作站上進行集中操作和監視?？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高級應用程序，如最優控制、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.控制系統組態

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，進行控制系統的組態。系統的控制組態一般是在工程師站上進行的。填表組態方式極大地提高了系統設計的效率，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，實現了相互協調、資源共享的集中管理。通過高速數據通信線，將現場控制站、局部操作站、監控計算機、中央操作站、管理計算機連接起來，構成多級控制系統。

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，可滿足大型企業的數據通信，實現實時控制和管理的需求。

5.可靠性高

DCS的可靠性高體現在系統結構、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、現場控制站

1.機箱（柜）

現場控制站的機箱（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、穩定的供電系統是現場控制站工作的重要保證?，F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場檢測儀表或執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.現場控制器

現場控制器是現場控制站的核心。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

通信控制單元實現分散過程控制級與集中操作監控級的數據通信。

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行機構。

3.順序控制功能

它通過來自過程狀態輸入/輸出信號相反饋控制功能等狀態信號，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進行報警；對出現的事故進行報警。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

操作員站由工業微型計算機或工作站、工業鍵盤、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，是對系統進行離線配置、組態和在線監控以及維護的人機接口。