第7章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

第7章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特征與工作原理將常規(guī)控制系統(tǒng)中的模擬控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。3用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的原因：數(shù)字控制能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制；計(jì)算機(jī)具有分時(shí)控制能力，可實(shí)現(xiàn)多回路控制；數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制規(guī)律；采用計(jì)算機(jī)還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等

其他功能。4

從模擬控制系統(tǒng)發(fā)展到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制器結(jié)構(gòu)、控制器中的信號(hào)形式、系統(tǒng)的過程通道內(nèi)容、控制量的產(chǎn)生方法、控制系統(tǒng)的組成觀念均發(fā)生了重大變化。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面有自己獨(dú)特的內(nèi)容；在功能配置方面呈現(xiàn)出模擬控制系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢(shì)。5結(jié)構(gòu)特征1執(zhí)行控制功能的核心部件是計(jì)算機(jī)，是模數(shù)混合系統(tǒng)；控制規(guī)律利用軟件實(shí)現(xiàn)，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律；可同時(shí)控制多個(gè)回路；存在開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等不同類型的控制系統(tǒng)。6信號(hào)特征2

模擬控制系統(tǒng)中各處的信號(hào)均為連續(xù)模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有離散模擬、離散數(shù)字等多種信號(hào)形式。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)流程

7模擬信號(hào):定義在連續(xù)時(shí)間上的信號(hào)，且其幅值也是連續(xù)變化的。采樣：把連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散時(shí)間數(shù)據(jù)的操作，即以離散時(shí)間點(diǎn)處的一系列值取代原始的連續(xù)時(shí)間信號(hào)。離散模擬信號(hào):定義在離散時(shí)間上的信號(hào)，但其幅值未經(jīng)量化。8模擬-數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器：執(zhí)行采樣-保持，量化和編碼的功能。量化：采用一組數(shù)碼（二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。（雙積分型、逐次比較型等）編碼：將經(jīng)過采樣、量化后的數(shù)據(jù)編制成二進(jìn)制碼。數(shù)字信號(hào)：幅值被量化的離散時(shí)間信號(hào)。可以用二進(jìn)制數(shù)表示。9數(shù)字-模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器（解碼)：在數(shù)字控制器的輸出端，數(shù)字信號(hào)必須通過數(shù)模轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。經(jīng)過保持電路后傳遞到模擬執(zhí)行器。量化模擬信號(hào)：幅值等于數(shù)字量的模擬脈沖信號(hào)。再靠信號(hào)恢復(fù)器，變?yōu)殡S時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。10控制方法特征3

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除了包含連續(xù)信號(hào)外，還包含數(shù)字信號(hào)，因而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設(shè)計(jì)。常用的設(shè)計(jì)方法有兩種：模擬調(diào)節(jié)規(guī)律模擬化設(shè)計(jì)法，離散化設(shè)計(jì)法。

模擬化設(shè)計(jì)方法（間接設(shè)計(jì)法）：根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)模擬調(diào)節(jié)器，然后按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等價(jià)的數(shù)字控制器。離散化設(shè)計(jì)方法（直接設(shè)計(jì)法）：把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)變成純粹的離散系統(tǒng)，用Z變換等工具進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)出控制算法，得到數(shù)字控制器。11功能特征4⑴以軟件代替硬件⑵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)⑶狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示⑷管理功能12計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理5計(jì)算機(jī)控制過程可歸結(jié)為如下四個(gè)步驟：⑴實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)并輸入。⑵實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。⑶實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策、適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。⑷信息管理：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須完成的功能。

上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作,使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上并對(duì)控制量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理13實(shí)時(shí)的含義:指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制。超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。14計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作方式6

在線方式和離線方式：on-line/off-line生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式。生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。在線系統(tǒng)是否一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？實(shí)時(shí)系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？15二、

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖16三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件

按功能分：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件：專門用來使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。各種語言的匯編、解釋和編譯軟件，監(jiān)控管理程序、操作系統(tǒng)、調(diào)整程序以及故障診斷程序應(yīng)用軟件：面向生產(chǎn)過程的程序。A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、過程控制程序（PID運(yùn)算、數(shù)字控制程序）等等。應(yīng)用軟件大都由用戶自己根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用軟件的優(yōu)劣，將給控制系統(tǒng)的功能、精度和效率帶來很大的影響，它的設(shè)計(jì)是非常重要的。（常用的工業(yè)組態(tài)軟件：InTouchHMI軟件、FIX組態(tài)軟件、組態(tài)王等；常用的PLC軟件：西門子的Wincc等

）17四、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的類型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類不是嚴(yán)格的按照其結(jié)構(gòu)或者功能進(jìn)行分類的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類，是根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和在實(shí)際應(yīng)用中的狀態(tài)進(jìn)行分類的。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OperationalInformationSystem—OIS）118直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControlsystem——DDC）2計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式19監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制（SupervisoryComputerControl——SCC）3計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測(cè)值，按照所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出最佳設(shè)定值直接傳給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計(jì)算機(jī)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程。SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)，另一種是SCC+DDC的控制系統(tǒng)。

20人工監(jiān)管（SCC計(jì)算機(jī)）給定值測(cè)量值多路開關(guān)A/D檢測(cè)元件反多路開關(guān)DDCD/A生產(chǎn)過程管理命令報(bào)告……人工監(jiān)管（SCC計(jì)算機(jī)）給定值測(cè)量值多路開關(guān)A/D檢測(cè)元件生產(chǎn)過程管理命令報(bào)告……TT模擬調(diào)節(jié)器SCC+模擬調(diào)節(jié)器SCC+DDC兩級(jí)系統(tǒng)21

1、作用：改變給定值，又稱設(shè)定值控制。

任務(wù)：著重在控制規(guī)律的修正與實(shí)現(xiàn)，如最優(yōu)控制、

自適應(yīng)控制等。2、SCC計(jì)算機(jī)只是采集，優(yōu)化；模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)

直接面向生產(chǎn)過程。SCC計(jì)算機(jī)壞了，模擬儀表或DDC計(jì)算機(jī)可以直接控制；但二者不存在上下級(jí)通信，

只存在傳遞設(shè)定值的關(guān)系。3、閉環(huán)控制：和DDC一樣屬于閉環(huán)控制，生產(chǎn)過程的閉環(huán)

自動(dòng)調(diào)節(jié)是依靠模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)來完成的。22

4、采用SCC系統(tǒng)的原因：由于DDC系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，采樣周期不能太長。而較短的采樣周期又難以完成較為復(fù)雜的運(yùn)算與控制，SCC系統(tǒng)則可以完成較為復(fù)雜的計(jì)算，如優(yōu)化計(jì)算、自適應(yīng)算法等，而將計(jì)算出的最佳設(shè)定值送給DDC系統(tǒng)或模擬調(diào)節(jié)器去執(zhí)行，因此，可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。23

5、集中型控制系統(tǒng)：DDC系統(tǒng)和SCC系統(tǒng)都屬于集中型控制系統(tǒng)，當(dāng)這種系統(tǒng)集中了很多的控制回路時(shí)，就必然會(huì)帶來“危險(xiǎn)高度集中”的問題，從而使系統(tǒng)的可靠性大為降低。這就要求控制由集中型向分散型轉(zhuǎn)移，于是出現(xiàn)了“控制分散、信息集中”的集散型控制系統(tǒng)。24集散控制系統(tǒng)（

DistributedControlSystem——DCS）4定義：集散控制系統(tǒng)（DCS）又稱為分散型控制系統(tǒng)，是

對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控

制的一種分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。工作原理：系統(tǒng)將若干臺(tái)微機(jī)分散應(yīng)用于過程控制，全

部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理機(jī)監(jiān)控，實(shí)

現(xiàn)最優(yōu)化控制，通過CRT裝置、通信總線、鍵

盤、打印機(jī)等進(jìn)行集中操作、顯示和報(bào)警。25生產(chǎn)管理級(jí)過程管理級(jí)過程控制級(jí)（協(xié)調(diào)基本控制器的工作，達(dá)到動(dòng)態(tài)優(yōu)化。）（工廠級(jí)）“集中管理、分散控制”26特征：采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理和綜合協(xié)調(diào)的

設(shè)計(jì)原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級(jí)分布式控

制。結(jié)構(gòu)層次：分級(jí)遞階。每一級(jí)由若干子系統(tǒng)組成，形成金

字塔結(jié)構(gòu)。同一級(jí)的各決策子系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)下

級(jí)施加作用，同時(shí)又受上級(jí)的干預(yù)，子系統(tǒng)可

通過上級(jí)互相交換信息。通常由分散過程控制級(jí)（DDC）、過程管理級(jí)

（SCC）和生產(chǎn)管理級(jí)（MIC）等3級(jí)組成。27分散過程控制級(jí)：是DCS的基礎(chǔ)，用于直接控制生產(chǎn)過程。它由各工作站組成，每一工作站分別完成數(shù)據(jù)采集、順序控制或某一被控制量的閉環(huán)控制等。分散過程控制級(jí)收集的數(shù)據(jù)供過程管理級(jí)調(diào)用，各工作站接收過程管理級(jí)發(fā)送的信息，并依此而工作。所以分散過程控制級(jí)基本上屬于DDC系統(tǒng)的形式，但將DDC系統(tǒng)的職能由各工作站分別完成。由于工作任務(wù)由各站來完成，因此局部的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，從而避免了集中控制系統(tǒng)中“危險(xiǎn)集中”的缺點(diǎn)。28過程管理級(jí)：對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)集中操作和統(tǒng)一管理，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視，承擔(dān)最優(yōu)化任務(wù)。過程管理級(jí)基本上屬于SCC系統(tǒng)的形式，能根據(jù)生產(chǎn)管理級(jí)的技術(shù)要求，確定分散過程控制級(jí)最優(yōu)給定量。過程管理級(jí)能全面地反映各工作站的情況，提供充分的信息，因此本級(jí)的操作人員可以據(jù)此直接干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行。29生產(chǎn)管理級(jí)：是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，與辦公室自動(dòng)化連接起來，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的綜合信息管理，主要執(zhí)行生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理功能，提供管理決策信息。并擔(dān)負(fù)起全廠的總體協(xié)調(diào)管理，包括各類經(jīng)營活動(dòng)、人事管理等。具體的，它根據(jù)過程管理級(jí)提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)的要求，編制全面反映整個(gè)系統(tǒng)工作情況的報(bào)表，審核控制方案，選擇數(shù)學(xué)模型，制定最優(yōu)控制策略，并對(duì)下一級(jí)下達(dá)命令。30操作、管理、顯示高度集中，先進(jìn)的人機(jī)聯(lián)系方式；系統(tǒng)功能遞階分層，水平分散，危險(xiǎn)分散，可靠性高；硬件采用單元模塊化積木式組合方式，可分為二級(jí)、三級(jí)、或四級(jí)的組裝積木結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組合靈活方便；軟件標(biāo)準(zhǔn)化模塊化，按需選用，組態(tài)修改靈活，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)雜的控制算法；可靠性高，完善的在線故障診斷、差錯(cuò)容錯(cuò)控制技術(shù)，冗余技術(shù)；先進(jìn)高速的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著特點(diǎn)：31集散控制系統(tǒng)的發(fā)展：1）產(chǎn)生：70年代中期誕生世界上第一套DCS系統(tǒng)TDC-2000，

于1975由美國Honeywell公司生產(chǎn)2）實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)：大系統(tǒng)理論物質(zhì)基礎(chǔ)：4C技術(shù)：

CommunicationComputerControlCRT3）設(shè)計(jì)思想：遞階分層、水平分散32三個(gè)時(shí)期：初創(chuàng)期（1975~1980）成熟期（1980~1985）擴(kuò)展期（1985年以后）初創(chuàng)期：該時(shí)期的DCS系統(tǒng)是一個(gè)具有許多微處理機(jī)的分級(jí)控制系統(tǒng)，它采用分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散的生產(chǎn)過程，通過高速數(shù)據(jù)通道將系統(tǒng)各個(gè)單元聯(lián)系起來。其通信系統(tǒng)是一初、中級(jí)的局部網(wǎng)絡(luò)，全系統(tǒng)由一個(gè)通信指揮器指揮和協(xié)調(diào)。初創(chuàng)期具有代表性的DCS系統(tǒng)有Spectrum(Foxboro公司)、Network(貝利公司)、Centum(日本橫河公司)33成熟期：該時(shí)期的DCS系統(tǒng)從原來單純的工業(yè)控制向生產(chǎn)管理自動(dòng)化發(fā)展。大規(guī)模IC的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使得DCS系統(tǒng)在擴(kuò)大功能、數(shù)據(jù)通信以及工業(yè)自動(dòng)化信息管理等方面有所提高，形成第二代DCS系統(tǒng)。成熟期具有代表性的DCS系統(tǒng)有TDC3000(Honeywell公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(貝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本橫河公司)等34擴(kuò)展期：該時(shí)期的DCS系統(tǒng)增加了第三層——綜合信息管理層（生產(chǎn)管理級(jí)），把過程控制、監(jiān)督控制、管理調(diào)度有機(jī)結(jié)合在一起，采用專家系統(tǒng)、MAP標(biāo)準(zhǔn)（一種ISO開放互連OSI結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的加工自動(dòng)化協(xié)議）以及引入計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS等，擴(kuò)展期DCS的特點(diǎn)是綜合化、開放化和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的智能化。35綜合化

包括縱向和橫向兩方面?？v向方面加強(qiáng)管理功能，包括從原料進(jìn)廠到生產(chǎn)設(shè)計(jì)、計(jì)劃進(jìn)度、質(zhì)量檢查、成品包裝、出廠以及供銷等一系列的管理制度。橫向方面則形成過程自動(dòng)化與順序控制、電機(jī)控制相結(jié)合的計(jì)算機(jī)、儀表、電器綜合控制系統(tǒng)。開放化

是DCS按照國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)組成“開放”的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，便于不同公司生產(chǎn)的DCS產(chǎn)品之間方便地進(jìn)行通信?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)的智能化是指現(xiàn)場(chǎng)傳感器或變送器智能化，現(xiàn)場(chǎng)儀表可以由現(xiàn)場(chǎng)通信器或系統(tǒng)的工作站進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問、組態(tài)、調(diào)零、調(diào)量程及自動(dòng)標(biāo)定。傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)直接在現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信網(wǎng)絡(luò)上傳遞。36擴(kuò)展期具有代表性的DCS系統(tǒng)有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/ASeries(Foxboro)。這一時(shí)期DCS的基本組成與第二代相比變化不大，但它的LAN采用MAP協(xié)議或與MAP兼容的協(xié)議，各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作站軟、硬件功能均有所加強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能儀表也有發(fā)展。MAP[MobileApplicationPart]是NO.7信令系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫之間交換與電路無關(guān)的數(shù)據(jù)和指令,從而支持移動(dòng)用戶漫游、頻道切換和用戶鑒權(quán)等網(wǎng)絡(luò)功能。37現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（

FieldbusControlSystem——FCS）51）、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展概況

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中通訊體系最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FF）的定義：“現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)”。現(xiàn)場(chǎng)總線是綜合自動(dòng)化發(fā)展的需要：隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，世界最重大的變化是全球市場(chǎng)的形成，從而導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)空前加劇，產(chǎn)品技術(shù)含量高、更新?lián)Q代快。處于全球市場(chǎng)中的工業(yè)生產(chǎn)必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)，按市場(chǎng)需求調(diào)整產(chǎn)品的上市時(shí)間T(Timetomarket)，改善質(zhì)量Q(Quality)，降低成本C(Cost)，完善售后服務(wù)S(Service)。追求完善的T、Q、C、S是一個(gè)永無止境的過程，它能不斷的促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步與管理改革。因此形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)，它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)來組織生產(chǎn)。把市場(chǎng)、生產(chǎn)技術(shù)、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的綜合自動(dòng)化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策等。38計(jì)算機(jī)為CIMS的實(shí)施提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。但處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，要與外界交換信息，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化智能設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。39最初的CIMS術(shù)語包含了兩個(gè)基本概念：①企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)是連接在一起的一個(gè)整體，需要統(tǒng)一考慮。②整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞和加工的過程，最后形成的產(chǎn)品可看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。40

主要用于機(jī)電制造行業(yè)，在20世紀(jì)80年代，用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)集成的、包括決策計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品生產(chǎn)控制以及經(jīng)營銷售、物流輸送、銷售服務(wù)管理在內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)形成規(guī)模。將CIMS的思想用于過程控制中就形成了CIPS

(ComputerIntegratedProcessSystems)。

綜合自動(dòng)化是中國對(duì)這類系統(tǒng)的一種通用叫法，綜合意味著管理與控制一體化，也就是說這類系統(tǒng)能綜合地考慮問題，追求的是整體的優(yōu)化。4142

基本內(nèi)容包括：以串行通訊方式取代傳統(tǒng)的4－20mA模擬信號(hào)，一條現(xiàn)場(chǎng)總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接，支持底層現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與高層系統(tǒng)利用公用傳輸介質(zhì)交換信息；其核心是它的通訊協(xié)議，協(xié)議必須根據(jù)ISO的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)的OSI參考模型來制定，它是一種開放的七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線只使用其中的一、二和七層協(xié)議（即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，這三層也是最重要和必須考慮的）。即Fieldbus采用了三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，流量控制和差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行，報(bào)文的可靠傳輸在數(shù)據(jù)鏈路層或應(yīng)用層執(zhí)行。43

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)始于20世紀(jì)80年代中期，于90年代初期形成了幾種較有影響的的標(biāo)準(zhǔn)，它們是PROFIBUS（processfieldbus過程現(xiàn)場(chǎng)總線，德國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)），F(xiàn)IP（法國標(biāo)準(zhǔn)），ISP（可交互系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)），ISASP50（美國儀表協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）。另外還有一些公司廠家推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，形成了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，比較著名的有CAN（controllerareanetwork,控制器局域網(wǎng)絡(luò)）、HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）和LONWorks（localoperatingnetwork局部操作網(wǎng)絡(luò)）。1994年和1995年ISP與WORLDFIP的北美和歐洲分會(huì)宣布合并，成立了FF（FieldbusFoundation）現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織，旨在支持和幫助ICE/ISA-SP標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)工作，推動(dòng)和加速建立一個(gè)統(tǒng)一、開放、國際性的國際標(biāo)準(zhǔn)。442）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特征結(jié)構(gòu)模式為：（二層結(jié)構(gòu)）工作站—現(xiàn)場(chǎng)智能儀表：變送器智能部件

智能電磁流量計(jì)……

45現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)模型

46

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式:傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。47484950FCS與傳統(tǒng)DCS相比：FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較

51DCSFCS大系統(tǒng)，投資一步到位，靈活性較差信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，投資起點(diǎn)低，可以邊用、邊擴(kuò)、邊投運(yùn)封閉開放必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)傳輸全數(shù)字化DCS的每秒2~5次縮短了控制周期，F(xiàn)CS的每秒10~20次配備大量隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O柜減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，同時(shí)也節(jié)省了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)費(fèi)用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專用化FCS組態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化52

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在技術(shù)上具有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)的開放性開放是指總線標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。用戶可按自己的需要，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。因此，借助現(xiàn)場(chǎng)總線可以構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。53互可操作性與互換性互可操作性是指相互連接儀表間、設(shè)備間及系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。互換性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的儀表、設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性它將傳感器測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、線性化處理、工程量變換與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。54系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。55現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費(fèi)用節(jié)省維護(hù)開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性56五、過程控制技術(shù)的發(fā)展概況及趨勢(shì)過程控制的發(fā)展過程11）過程工業(yè)：石化、電力、冶金、造紙、化工、醫(yī)藥、食品等

它們的特點(diǎn)是連續(xù)性

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國產(chǎn)品銷售額排名的前十名中，約

有80％～90％屬于連續(xù)工業(yè)，按利潤排名的前20名中

，連續(xù)工業(yè)約占70％

連續(xù)工業(yè)逐步向大型化、自動(dòng)化以及集成化方向發(fā)展572）從控制工程的觀點(diǎn)來看，過程工業(yè)有如下一些特點(diǎn)：

連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨有物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過程等，因此過程機(jī)理十分復(fù)雜。被控對(duì)象往往是高維、耦合、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定性與非線性等，控制起來非常困難連續(xù)工業(yè)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn)的安全性是至關(guān)重要的。因此對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性提出了非常苛刻的要求583）過程控制的發(fā)展回顧：大約經(jīng)歷了以下三個(gè)發(fā)展階段

第一階段（70年代以前）：控制理論主要是經(jīng)典控制理論

所能用的控制工具主要是常規(guī)儀表，如氣動(dòng)或者電動(dòng)儀表

在控制系統(tǒng)方面，絕大多數(shù)是單變量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，對(duì)于比較重要的工藝變量則設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)

控制要求——安全、平穩(wěn)59第二階段(70～80年代)：基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)過程控制(AdvancedProcessControl)應(yīng)運(yùn)而生出現(xiàn)先進(jìn)過程控制的基礎(chǔ)有二，一是市場(chǎng)上先進(jìn)的控制工具如集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(FCS)的出現(xiàn)與完善，二是現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展與提高，出現(xiàn)了一些新型控制策略，成為目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的熱門研究課題，如60模糊控制——其實(shí)我很清楚最優(yōu)控制---沒有更好只有最好自適應(yīng)控制——以變制變魯棒控制——以靜制動(dòng)預(yù)測(cè)控制——未卜先知故障診斷——神醫(yī)妙手人工智能——智慧之巔專家系統(tǒng)——身邊的專家推理控制——經(jīng)驗(yàn)的作用控制要求——優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)，低耗61第三階段(90年代以后)：控制理論：多學(xué)科交叉控制工具：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制要求：市場(chǎng)預(yù)測(cè)，柔性生產(chǎn)，綜合管理62盡管先進(jìn)過程控制能對(duì)重要的工藝變量提高控制質(zhì)量并產(chǎn)生較明顯的經(jīng)濟(jì)效益，但是它們?nèi)匀恢皇窍嗷ス铝⒌目刂葡到y(tǒng)。將控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理等集于一體的控制模式并將信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合發(fā)展高級(jí)自動(dòng)化有更重要的意義，因此也就出現(xiàn)了所謂綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。這種全新的綜合自動(dòng)化的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)(ComputerIntegratedProcessSystem，簡(jiǎn)稱CIPS)，可以認(rèn)為是過程控制發(fā)展中的第三階段。63過程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2過程建模1目前采用的建模方法有兩類。一類是機(jī)理建模，也就是根據(jù)過程本身的內(nèi)在機(jī)理，利用能量平衡、物質(zhì)平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等規(guī)律來建立系統(tǒng)的模型；另一類是系統(tǒng)辨識(shí)方法，也就是根據(jù)被控過程的輸入、輸出數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，屬于這類方法的有最小二乘法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊模型等。過程工業(yè)中對(duì)象種類繁多，由于其物化反應(yīng)、生化反應(yīng)等非常復(fù)雜的變化，要想從機(jī)理來建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。特別是對(duì)于一些高維的復(fù)雜對(duì)象，若采用嚴(yán)格的機(jī)理推導(dǎo)往往會(huì)得到由幾百個(gè)乃至幾千個(gè)微分方程組成的數(shù)學(xué)模型，它們的求解將會(huì)十分困難。就目前過程控制水平而言，工業(yè)過程模型化仍然是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的瓶頸。在這一方面，今后仍有大量的工作要完成。64控制策略與方法2在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)方面，控制策略(算法)是核心。目前在學(xué)術(shù)界所研究、開發(fā)出來的控制策略(算法)多到令人目不暇接，但其中許多算法仍只停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的仍為數(shù)不多。比較公認(rèn)(特別是能得到工程界認(rèn)可)的先進(jìn)控制策略(算法)：1)改進(jìn)或復(fù)合PlD控制算法2)預(yù)測(cè)控制（三要素：模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正）許多國外著名的控制工程公司，如Setpoint公司、Treiber公司、Prdfimafies公司、PredictiveControl公司、霍尼韋爾公司、橫河公司等，都開發(fā)了各自的商業(yè)化預(yù)測(cè)控制軟件包，并被廣泛地應(yīng)用于大型工業(yè)過程控制。我國在“九五”計(jì)劃期間，組成了以浙江大學(xué)為首的高校攻關(guān)組。旨在自行開發(fā)我國的工業(yè)過程控制商業(yè)化軟件包，其中就包括有多變量預(yù)測(cè)控制軟件包。653)自適應(yīng)控制在過程工業(yè)中，很多的過程是時(shí)變的，如反應(yīng)器中催化劑活性的變化；換熱器中結(jié)垢的產(chǎn)生與發(fā)展等均會(huì)使過程的特性發(fā)生變化。如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化。這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時(shí)變的過程。瑞典的Astrom教授與英國的Clarke教授在這方面做了許多開拓性的研究工作。國內(nèi)外許多學(xué)者在他們的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn)、提高、完善及應(yīng)用工作。4)智能控制傳統(tǒng)的控制方法在很大的程度上依賴于過程的數(shù)學(xué)模型，但是，至今獲取過程的