系统概念

第一章讲述控制系统的进展，当然系统的基础内容也将说明。

目        录
1.1 关键词条 1
1.2 调节器进行的过程控制 2
1.3 过程控制功能 3
1.4 过程控制系统 4
1.5 过程控制系统的发展历史 5
1.6 综合生产控制系统 8
1.7 CENTUM CS的系统概念 10

*译注：CIM在中国称为CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）机械制造和装配工业中从接受定单到向用户交货全过程的计算机集成生产系统。近年来对化工、发电、炼油等过程工业也发展了与CIMS类似的COPS（Computer Integrated Process System）技术。

1.1 关键词条
下列各条为本章中将研究的内容
（1）调节器，指示调节器，PID调节器 1.2
（2）反馈控制 1.3
（3）顺序控制 1.3
（4）直接数字控制（DDC） 1.4
（5）集中控制系统 1.5
（6）分散控制系统 1.5
（7）集中监视和分散控制 1.5
（8）一体化生产控制系统 1.6
（9）CS系统概念 1.7
1.2 调节器进行的过程控制
图1.1为使用模拟调节器的温度控制回路。操作者设定一个温度“给定值”，调节器自动的调整操作变量，即输出（例中为调整控制蒸汽流量的阀门开度）以减小测得的“过程变量”（温度）和目标值“给定值”之间的偏差。这种调整操作变量以减小“过程变量”和“给定值”之间偏差的过程称之为反馈控制。
指示调节器（PID）指示测得的 “过程变量”（远处贮槽中液体的温度），使用PID算法（P—比例，I—积分和D—微分）计算操作变量输出（蒸汽流量），蒸汽流量的变化将减小“过程变量”和“设定”温度间的偏差，也控制了贮槽中液体的温度。

图1.1    使用模拟调节器的过程控制

图1.1也可用图1.2来表示。

1.3 过程控制功能
直接控制生产过程的方法大体分为两大类：回路控制（包括反馈和前馈控制）和顺序控制。前者输入模拟测量信号，后者输入操作顺序和过程的状态信号。
反馈控制：控制动作直接校正过程变量（如贮槽中液体温度）, 比较目标值（设定值），使两者一致。
前馈控制：借助测量干扰量（如环境温度）产生校正动作，在干扰尚未对过程产生影响前直接作用于阀门。
顺序控制：根据预先指定的顺序，控制作用为一系列连续完成的控制步程.

在CENTUM CS中，所有回路控制，包括前馈控制均归于“反馈控制”类中。同样，它还包括诸如电动机控制，电力分配控制。

1.4 过程控制系统
为完成图1.1所示的温度控制，需要一个控制系统（即一种完成控制运算的设备）。有多种可选用的控制系统，它们一般可分为模拟控制系统和数字控制系统。
模拟控制系统：使用运算放大器等，控制设备用模拟信号（如电压）进行控制运算，不能进行顺序控制。
数字控制系统：使用处理器（处理单元），控制设备用数字信号完成控制运算，它不仅可以完成反馈和前馈控制（总称直接数字控制DDC），而且还可用于顺序控制。

DDC（直接数字控制）：由数字设备完成调节器功能，控制器的输入和输出可以是模拟信号。同样，在监视时，上位机直接驱动数字调节器的输出。

1.5 过程控制系统的发展历史
数字控制系统随着它的组件变化而取得的进步而不断进展，图1.5展示了这些进展。

电子计算机首次用于过程控制领域是在60年代，随后一些数字控制技术得到了广泛的发展。
引入计算机的目的有两个: 数据报表; 初期的设定点控制（SPS）.


计算机控制数据报表操作指导              计算机控制设定值控制（SPS）

图1.6 数据报表                      图1.7 设定值控制

计算机引入过程控制初期，调节器功能由计算机代替和DDC控制，在DDC控制中，开始用计算机直接控制生产过程。
早期，控制系统是集中的那里一台中央计算机不仅完成监督和操作，而且还完成全部过程控制。这样做最重要的原因是计算机的成本。
微处理器的出现大大地改变了上述情况。研究的主题变为如可实现多种多样的功能分散风险，分散功能，等等），如何将各种各样专有的和普遍要求结合在一起。
分散控制系统（DCS）根据过程控制的要求，现在已有输入点分散至1个回路8个回路16个回路直至80个回路的适用系统。


集中控制：                                   分散控制：

集中控制 , 集中监测                           分散控制   集中检测

图1.8 集中控制                           图1.9 分散式控制

1.6 综合生产控制系统
当今对分布于全工厂的控制系统一体化的趋势已达到实现计算机集成制造（CIM）水平。下面的4种方法促进了CIM的实现。由于这些方法是相互结合的，故将来的系统需要一体化。
控制室的一体化
减少控制室数量以减少操作各个系统的人机界面的数量。
 现存系统的一体化
现存多个系统通过网络连接成一个新系统，以达到在新系统中的ICS站上集中操       作。
单窗口
作为CIM的一部分，应用CENTUM CS人机接口中的“X-window”功能操作计算机系统。
过程仪表装置和电气控制的一体化
过程控制和电气控制由DCS的一个操作界面操作.

图1.11   一体化控制系举例（2）

1.7 CENTUM CS的系统概念
这一节将引入“综合处理 ”的概念，这是横河电机系统工作引出的一个基本概念。本节将讲述这个概念和CENTUM CS一体化生产控制系统之间的关系及其特点。

（1）综合处理
综合处理（CS）是横河系统业务工作中产生的一个基本概念。横河电机支持用户总结多年来为满足生产需要解决各种问题而积累的技术专利。为实现上述目的，横河电机与用户密切使用相结合，集中精力通过一体化技术如计算机集成制造（CIM）和生产中心组织等方式构筑先进的生产控制系统。
*生产中心组织：
这是一种构想，目的是将生产组织得更合理，方法是提高直接生产各部分和间接生产各部分间的协调性。

CENTUM CS是一个中央系统 , 通过这个系统横河电机实现了它的系统工作“综合处理”的基本思想。

CS也含用户满意（Customer Satisfaction）之义.
通过CENTUM CS，横河电机可提供满足用户要求的各种解决方案。

（2）系统概念
为满足预期90年代中期开始或产业的结构变化，横河电机开发了CENTUM CS系统以实现下列四类系统构想：
构想1不断创新的系统一体化
构想2可持续的系统结构
构想3使用期间费用最小
构想4工程技术可不断革新
实现了上述构想，CENTUM CS给了用户一个十分令人满意的解决方案。

图1.12 系统概念构成