自動控制技術(shù)發(fā)展趨勢

自動控制技術(shù)發(fā)展趨勢主講：黃福彥TEL-mail:huangfuyan2003@目錄自動化技術(shù)的發(fā)展集散型控制系統(tǒng)特點和優(yōu)點DCS發(fā)展趨勢集散型系統(tǒng)的若干可靠性特點及應(yīng)用典型DCS介紹自動化技術(shù)的發(fā)展自動化研究的是什么？自動化研究的是如何通過各種技術(shù)工具和系統(tǒng)（包括計算機）延伸人的信息獲取、處理和決策控制的功能，提高生產(chǎn)能力、生產(chǎn)水平和勞動生產(chǎn)率，并不斷提高人和機器交互作用的水平，把人從繁重的、可程序化的工作中解放出來以從事更具創(chuàng)造性的勞動。自動化技術(shù)主要有兩個方面:用自動化機械代替人工的動力方面的自動化;在生產(chǎn)過程和業(yè)務(wù)處理過程中，進行測量、計算、控制等，這是信息處理方面的自動化。自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能建筑和家庭自動化。過程自動控制是自動化技術(shù)的一個重要分支。自動化研究的是什么？從廣義上講，可把工業(yè)過程控制理解為從原料的投入一直到成品產(chǎn)出的整個生產(chǎn)過程。所謂過程自動化，就是利用控制儀表、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)工具，自動獲取各過程變量值的信息，并對影響過程狀況變量進行自動調(diào)節(jié)和或操作，以達(dá)到提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、減少污染和安全生產(chǎn)等目的。工業(yè)過程自動化是通過自動化儀表、自動化技術(shù)與生產(chǎn)工藝及設(shè)備的有機結(jié)合來實現(xiàn)的。過程控制技術(shù)經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜，從低級到高級，并日臻完善的過程。過程控制所涉及到的領(lǐng)域比較廣泛，對新技術(shù)的發(fā)展極為敏感。對其影響最大的是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化理論與技術(shù)、自動化儀表技術(shù)。自動控制原理（1）原始的控制方法自動控制原理（2）反饋控制傳感器（測量溫度）執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)燃料）控制器設(shè)定值（控制目標(biāo)）自動控制原理（3）一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)——原油蒸餾原油汽油煤油柴油重油蒸餾塔過程控制的過去、現(xiàn)在和將來控制理論、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相融合應(yīng)用于實際工程中,形成了“工業(yè)IT”管控一體化以前：過程控制操作監(jiān)視系統(tǒng)維護現(xiàn)在：信息管理項目管理設(shè)備管理計算機控制技術(shù)

計算機控制系統(tǒng)：DCS，PLC，F(xiàn)CS

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)：關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫多媒體技術(shù)DCSDCSDCS發(fā)酵系統(tǒng)動力系統(tǒng)廢水處理……計算機與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫集成系統(tǒng)集成信息離散信息實時信息自動化技術(shù)

生產(chǎn)過程自動控制設(shè)計、分析、整定傳感器與執(zhí)行器技術(shù)信號測量、自動執(zhí)行機構(gòu)安全生產(chǎn)系統(tǒng)報警、安全保護過程優(yōu)化與模型1960-1985單元控制單回路PID串級控制前饋控制均勻控制批量控制1985-1997裝置級最優(yōu)化控制自校正控制解藕控制模糊控制跟蹤控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制最優(yōu)控制預(yù)測控制自適應(yīng)控制魯棒控制軟測量技術(shù)1997－工廠綜合自動化分散遞階控制靜態(tài)與動態(tài)協(xié)調(diào)控制信息集成及網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)國內(nèi)外比較電動單元儀表集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)國外60~70年代70~80年代90年代70~80年代90年代初90年代中后期國內(nèi)10+年集散型控制系統(tǒng)特點及優(yōu)點集散控制系統(tǒng)（DCS）特點

集散型控制系統(tǒng)，是一種新型的過程控制系統(tǒng).整個裝置繼承了常規(guī)模擬儀表控制系統(tǒng)和計算機集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，并且克服了單微機控制系統(tǒng)危險性高度集中以及常規(guī)儀表控制功能單一，人/機聯(lián)系差的缺點。常規(guī)控制系統(tǒng)的弱點

常規(guī)控制即70年代工業(yè)控制中采用的模擬電動儀表控制系統(tǒng)或計算機直接數(shù)字控制。生產(chǎn)過程規(guī)模不斷擴大，中控儀表越來越多，操作人員對過程的監(jiān)控和操作的要求也越來越多、高，模擬儀表難以勝任。儀表技術(shù)發(fā)展很快，更新?lián)Q代的周期越來越短，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求儀表控制系統(tǒng)能適應(yīng)它們發(fā)展的需要。常規(guī)控制系統(tǒng)的弱點如何把因計算機的故障造成的危害減少，使危險分散，成為應(yīng)用計算機控制系統(tǒng)首要解決的問題集中和綜合的操作和監(jiān)督要求對全廠、各車間和工段級的控制和操作有相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信聯(lián)系，不僅要求有大量的數(shù)據(jù)傳送，而且要求有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。集散控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點功能齊全

集散系統(tǒng)可以完成從簡單的單回路控制到復(fù)雜的多變量模型優(yōu)化控制； 可以執(zhí)行從常規(guī)的PID運算到SMITH預(yù)估，三階矩陣乘法等各種運算； 可以進行連續(xù)的反饋控制，也可以進行間斷的順序控制，邏輯控制，可以實現(xiàn)監(jiān)控，顯示，打印，報警，歷史數(shù)據(jù)存儲等日常的全部操作要求。集散控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點人/機聯(lián)系好，實現(xiàn)了集中監(jiān)控和管理

操作人員通過CRT和操作鍵盤，可以監(jiān)控全部生產(chǎn)裝置以及整個工廠的生產(chǎn)情況，按預(yù)定的控制策略組成各種不同的控制回路，并調(diào)整回路的任一常數(shù)，而且還可以對機電設(shè)備進行各種控制，從而實現(xiàn)了真正的集中操作和監(jiān)控管理。集散控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點系統(tǒng)擴展靈活

集散系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需要方便地擴大或縮小系統(tǒng)的規(guī)模，或改變系統(tǒng)的控制級別。集散系統(tǒng)采用組態(tài)方法構(gòu)成各種控制回路，很容易對方案進行修改。集散控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點

安全可靠性高

由于采用了多微處理機的分散控制結(jié)構(gòu)，危險性分散，系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備采用雙重或多重冗余，還設(shè)有無中斷自動控制系統(tǒng)和完善的自診斷功能，使系統(tǒng)的平均無故障時間MTBF達(dá)到105天，平均修復(fù)時間MTTR為10-2天，整個系統(tǒng)的利用率達(dá)到99.999%。集散控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點安裝調(diào)試簡單

集散系統(tǒng)的各模件都安裝在標(biāo)準(zhǔn)機架內(nèi)，模件之間采用多芯電纜，標(biāo)準(zhǔn)化接插件連接，與過程的連接采用規(guī)格化端子板，到中控室操作站只需敷設(shè)同軸電纜進行數(shù)據(jù)傳遞，所以布線量大大減少，安裝工作量僅為常規(guī)儀表的1/2-1/3。系統(tǒng)調(diào)試采用專用的調(diào)試軟件，使調(diào)試時間僅為常規(guī)儀表的1/2。集散控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點

具有良好的性能價格比

在性能上集散系統(tǒng)技術(shù)先進，功能齊全，可靠性高.典型國外集散控制系統(tǒng)（DCS）

由于集散系統(tǒng)具有眾多的優(yōu)越性，從1975年美國霍尼韋爾公司發(fā)表“TDC2000”系統(tǒng)后，國外各家公司生產(chǎn)的集散系統(tǒng)有幾十種，下表列出了國外集散系統(tǒng)的概況。典型國外集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)分類三代DCS：1、75-80年，第一代。 8位、cisc技術(shù)、常規(guī)儀表功能。2、80年代中－90年代前期，第二代。 16位、risc技術(shù)、實時操作和程序編譯已比較完整。3、90年代中到21世紀(jì)，第三代。 16/32位、多CPU用于控制運算、冗余切換、通信等。

國內(nèi)集散控制系統(tǒng)

我國使用集散系統(tǒng)在七十年代末八十年代初，85年進入推廣應(yīng)用階段。目前國內(nèi)已出現(xiàn)浙大中控、和利時、浙大中自、上海新華等國內(nèi)知名品牌。集散系統(tǒng)的應(yīng)用，把我國過程控制推向一個新的水平，取得較為顯著的經(jīng)濟效益，其發(fā)展前景是十分廣闊的。DCS使先進控制成為可能使用DCS不能僅僅簡單取代常規(guī)儀表的功能。DCS使用應(yīng)盡可能達(dá)到最優(yōu)的性能價格比DCS是實現(xiàn)優(yōu)化、先進控制的基礎(chǔ)，是綜合自動化，TIA的基礎(chǔ)。先進控制技術(shù)的發(fā)展常規(guī)（經(jīng)典）控制技術(shù):主要是PID控制技術(shù)目前的控制系統(tǒng)中仍約有90％采用的是常規(guī)PID控制技術(shù)（包括一些改進型PID控制技術(shù)）

PID控制具有如下主要優(yōu)點：1.不需要對象的模型。2.分析、設(shè)計和實現(xiàn)簡單，易于被現(xiàn)場工程師所接受。3.具有較強的魯棒性。常規(guī)PID控制的缺點

1.PID控制器參數(shù)的整定較困難,需要豐富的經(jīng)驗才能達(dá)到較好的控制效果，到目前為止還沒有一系統(tǒng)化的參數(shù)整定方法。2.幾乎沒有利用對象的有用信息,如:主要的Ｉ／Ｏ信息，一些可測的相關(guān)參數(shù)等3.只適用于單輸入／單輸出系統(tǒng)，最多亦就加入前饋或串級系統(tǒng)無法處理多輸入／多輸出復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的控制問題,尤其是控制要求中包含有約束限制。4.魯棒性能有限,工作點漂移時無法保證性能，跟蹤與抗干擾矛盾。先進控制與常規(guī)單回路控制不同具有比常規(guī)PID更好控制效果的控制策略大時滯、強耦合、不確定性、 非線性、復(fù)雜約束、等等基于模型和（或）知識的控制足夠計算能力的支持先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容1）過程變量的采集與處理2）多變量動態(tài)過程模型辨識技術(shù)3）軟測量技術(shù),工藝計算模型4）先進控制策略（預(yù)測控制）5）故障檢測、預(yù)報、診斷和處理6）工程化軟件及項目開發(fā)服務(wù)流程工業(yè)——先進控制功能結(jié)構(gòu)決策層管理層調(diào)度層經(jīng)營決策系統(tǒng)監(jiān)控層控制層關(guān)系數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)過程監(jiān)控系統(tǒng)DCS系統(tǒng)生產(chǎn)過程產(chǎn)品策略生產(chǎn)計劃調(diào)度指令優(yōu)化設(shè)定控制信息原油蒸餾組份控制常規(guī)蒸餾多產(chǎn)煤油多產(chǎn)汽油汽油煤油柴油重油汽油煤油柴油重油汽油煤油柴油重油先進控制的效果平均值指標(biāo)平均一般控制先進控制效益先進控制的效益成本曲線質(zhì)量合格限制效益常規(guī)控制先進控制綜合自動化的關(guān)鍵技術(shù)多變量預(yù)測控制預(yù)測函數(shù)控制（PFC）模糊控制軟測量其它復(fù)雜控制專用控制軟件先進過程控制軟件（APC）自動化孤島1+1=2?

“自動化孤島”連在一起“自動化孤島”集成在一起DCS發(fā)展趨勢DCS的發(fā)展分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem———DCS）是應(yīng)用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)測、管理和分散控制的綜合性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自1975年美國HONEYWELL公司推出第一套分布式控制系統(tǒng)（TDC-2000）以來,DCS已經(jīng)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用?？v觀其近三十年的發(fā)展歷程,計算機（Computer）技術(shù)、控制（Control）技術(shù)、通信（Communication）技術(shù)以及顯示技術(shù)（CRT）的不斷進步與DCS的更新?lián)Q代息息相關(guān)。例如,局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（LAN）的應(yīng)用標(biāo)志著第二代DCS的產(chǎn)生;開放系統(tǒng)（OS）則產(chǎn)生了第三代DCS。可以說,DCS是4C技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物;同時,DCS的發(fā)展也推動了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,如可編程序控制器（PLC）技術(shù)、現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)、智能控制（IntelligentControl）技術(shù)與過程控制軟件等。這些高新技術(shù)將為DCS邁向大型化的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供有力的支持和保障。DCS特點DCS是分級遞階的控制系統(tǒng),集中管理和分散控制是它的主要特點。采用分級遞階的體系結(jié)構(gòu),主要是從系統(tǒng)工程的角度出發(fā),通過功能分層、危險分散來提高系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用的靈活性。最簡單的DCS至少在垂直方向上分為兩級,即操作管理級和過程控制級。在水平方向上各個過程控制級之間是相互協(xié)調(diào)的分級,在完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳和接受操作管理級指令的同時,各水平級間也可進行數(shù)據(jù)交換。這種分工協(xié)作的關(guān)系能夠使整個系統(tǒng)在優(yōu)化的操作條件下運行。DCS中的分散是在相互協(xié)調(diào)基礎(chǔ)下的自治。分散的含義不僅是分散控制,還包含有人員分散、地域分散、功能分散、危險分散、設(shè)備分散以及操作分散等含義。分散的最終目的是為了有效提高設(shè)備的可利用率?；谏鲜鎏攸c,在局域通信網(wǎng)絡(luò)（LAN）的支持下,一套完整的DCS一般由監(jiān)控管理級、過程控制級和現(xiàn)場級組成。DCS結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述分散控制系統(tǒng)DCS指的是控制與危險分散、地域安裝分散，管理和顯示集中。20世紀(jì)70年代中期以完成模擬量控制的DCS推向市場，代替原來以實現(xiàn)PID功能為主的模擬儀表控制。首先提出DCS這種思想的是原制造儀表的廠商，當(dāng)時主要應(yīng)用于化工行業(yè)，后又有計算機行業(yè)從事DCS的開發(fā)。分散問題的提出70年代微機技術(shù)還不成熟，計算機技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)。操作站、控制器、I/O卡和網(wǎng)絡(luò)接口卡等都是DCS生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，也就是所有部件都是專用的。70年代初，有人用如DEC公司PDP11/24這樣的小型機代替原集中安裝的模擬儀表控制。安裝在中央控制室的PDP11/24，用電纜把現(xiàn)場儀表的信號傳到中央控制室。小型機既作為控制器、同時把連接小型機的CRT又作為顯示設(shè)備（即人機界面）。一臺小型機需接收幾千臺變送器或別的傳感器來的信號，完成幾百個回路的運算。很顯然其危險有點集中。一旦小型機壞了，控制和顯示都沒有了。當(dāng)時數(shù)字控制沒有達(dá)到預(yù)期的目的。分散系統(tǒng)的組成后有人提出把控制和顯示分開。一類計算機完成控制任務(wù)，另一類計算機完成顯示任務(wù)。另外，一個工廠的工藝過程可以分為幾個相對獨立的部分，作為被控對象可能需要顯示和控制的點很多，控制部分也可分為幾個部分。其中有一些還需要閉環(huán)控制或邏輯運算，再把在計算機控制系統(tǒng)中獨立工序上需顯示和控制的輸入、輸出點分配到數(shù)臺計算機中去，建立過程控制站，在網(wǎng)絡(luò)上稱為一個節(jié)點。把原來由一臺小型機完成的運算任務(wù)由幾臺或幾十臺計算機（控制器和人機界面）去完成，其中一臺機器壞了不影響全局。所謂“群狼代替老虎”的戰(zhàn)術(shù)，達(dá)到危險分散；并在地域上，控制器按工藝過程分開安裝，以減少連接電纜，并達(dá)到地理分散的目的。這就是另一層分散的意思，把顯示、操作、打印等管理功能集中在一起，用網(wǎng)絡(luò)把上述完成控制和顯示的兩部分連成一個系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)是專用的。從以上敘述，分散系統(tǒng)分成3部分：過程控制器、人機界面和通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)進入工業(yè)控制系統(tǒng)以通信網(wǎng)絡(luò)作為紐帶，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為總線式、環(huán)型式和星型式從橫向來看，連在網(wǎng)絡(luò)上的過程控制站和人機界面通稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。節(jié)點是參加網(wǎng)絡(luò)通信的最小單位。操作站中的軟件、硬件都是專用的。連在網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點有操作站、現(xiàn)場控制單元和計算機接口單元。除星型結(jié)構(gòu)外，環(huán)型和總線式結(jié)構(gòu)邏輯相同。早期DCS的操作站和網(wǎng)絡(luò)的接口都是廠家自己開發(fā)的，操作站與網(wǎng)絡(luò)連接時，有一個專用接口，后來因為操作站主機也采用個人微機或小型機，所以操作站和計算機的接口相同。對于中小型系統(tǒng)，系統(tǒng)都是由用戶或工程公司集成，采用星型結(jié)構(gòu)比較多。一臺人機界面與多臺控制器相連，控制器之間沒有直接聯(lián)系。人機界面起著信息交換的作用。如需增加人機界面，增加輔站。如人機界面有故障，則影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信，輔站也不能工作。大中型系統(tǒng)由分散型系統(tǒng)制造廠商提供，采用總線或環(huán)型結(jié)構(gòu)。從現(xiàn)場應(yīng)用情況看，除傳統(tǒng)DCS和PLC外，還有現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如基金會總線系統(tǒng)FF，其特點是變送器、控制閥都數(shù)字化，如PID一些算法存在變送器、控制閥中，數(shù)據(jù)調(diào)用通過網(wǎng)絡(luò)進行。把傳統(tǒng)控制器去掉，人機界面直接連在網(wǎng)絡(luò)上。另外一種系統(tǒng)仍保留控制器，通過現(xiàn)場總線把I/O信號送到控制器，現(xiàn)場總線只是解決現(xiàn)場信號的遠(yuǎn)程傳輸問題。系統(tǒng)集成未來10~15年的發(fā)展方向和主要潮流雖然新系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)DCS和PLC不會嘎然停止，還會延續(xù)很長時間，現(xiàn)場總線也會和DCS、PLC聯(lián)合使用，在相當(dāng)長時間內(nèi)，現(xiàn)場總線和DCS、PLC不是相互替代，而是相互融合和集成，今后現(xiàn)場總線更多將以技術(shù)面目而非系統(tǒng)面目出現(xiàn)在實際應(yīng)用中。如Modbus協(xié)議，已成為DCS、PLC和現(xiàn)場儀表連接的紐帶，以太網(wǎng)全面進入工業(yè)控制領(lǐng)域，不僅管理層運用以太網(wǎng)，底層也可采用以太網(wǎng)，促使DCS技術(shù)本身得到很大發(fā)展。小型系統(tǒng)也可采用回路控制器和計算機數(shù)字直接控制，前者是把現(xiàn)場信號直接連到回路控制器端子上，后者是把現(xiàn)場信號通過I/O卡連到計算機，算法在計算機內(nèi)，計算完后再送到現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。計算機既作控制，又要完成人機界面的任務(wù)。DCS發(fā)展方向傳統(tǒng)分散系統(tǒng)的缺點傳統(tǒng)分散系統(tǒng)控制器和人機界面的軟硬件都是專用的，不開放，各家DCS開發(fā)商都創(chuàng)造了一種計算機“方言”，比如INFI90、TDC3000、CS1000、CS3000、Teleperm等方言，彼此無法互操作，也不能與第三方通信。如PI公司的優(yōu)化控制軟件，iFIX，InTouch等監(jiān)控軟件與這些DCS通信都必須開發(fā)專用驅(qū)動軟件。這些驅(qū)動軟件的開發(fā)都是很昂貴的，建立工廠MIS系統(tǒng)投入很大，需開發(fā)連接軟件。DCS的替代操作站解決傳統(tǒng)DCS封閉的缺陷，最有效的辦法就是采用替代操作站或系統(tǒng)移植（Migrate）。Emerson公司在這方面做了很大努力，替代操作站是采用FIX和InTouch監(jiān)控軟件，他們開發(fā)了許多DCS的驅(qū)動軟件及OPC服務(wù)器。但目前OPC服務(wù)器開發(fā)最成功的是美國ICON公司的GENESIS，GENESIS支持VBA，現(xiàn)在美國市場銷售勢頭很旺。替代操作站在許多系統(tǒng)上的改造和移植都很成功。軟DCS和軟PLC目前應(yīng)用較多的是軟DCS和軟PLC，采用嵌入式PC，實時操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)編程軟件如ISA