浅谈计算机控制系统

摘要:计算机具有运行速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及通信能力强的特点,在过程控制中日益占据主导地位,成为过程控制领域不可缺少的工具。文章介绍了计算机控制系统的发展过程以及控制系统的种类,并对DCS集散型控制系统的基本结构和发展阶段展开探讨。

关键词:计算机控制系统;DCS;分散控制;冗余;组态;过程控制站;操作站

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0193-03

现代过程工业向着大型化、连续化方向发展,生产过程随之日趋复杂,对生态环境的影响也日益突出,这些都对控制提出了更高的要求。生产的安全性和可靠性、生产企业的经济效益等都成为衡量自动控制水平的重要指标,仅用常规仪表已经不能满足现代企业的控制要求。计算机具有运行速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及通信能力强的特点,在过程控制日益占据主导地位,成为过程控制领域不可缺少的工具。

一、计算机控制系统发展概况

1965年前试验阶段:

1946年第一台计算机问世。

1958年美国Lousina公司电厂投入第一个计算机安全监视系统。

1959年美国Texaco公司的炼油厂安装了第一个计算机闭环控制系统。

1960年美国Monsanto公司的氨厂实现第一个计算机监控控制系统。

1962年美国Monsanto公司的乙烯厂实现了第一个直接数字计算机控制系统 (DDC)。

1965年到1969年进入实用阶段。

早期的计算机采用电子管,不仅运算速度慢,价格昂贵,而且体积大,可靠性差,这一阶段计算机系统主要用于数据处理和操作指导。随着半导体技术以及集成电路技术发展,出现了专门用于工业过程控制的高性价比的小型计算机。由于技术局限当时硬件可靠性不高,且所有的监视和控制任务集中在一台计算机上,因此危险集中。为了提高可靠性,常常需要另外设置一套备用的模拟式控制系统或备用计算机,造成投资过高,限制了其应用发展。

1970年以后计算机控制系统逐渐走向成熟阶段。随着大规模集成电路技术的发展,1972年生产出运算速度快、可靠性高、价格便宜且体积小的微型计算机,从而开创了计算机控制技术的新时代,即从传统的集中控制系统革新为分散控制系统 (DCS)。世界上几个主要的计算机和仪表制造商在20世纪70～80年代几乎同时推出DCS系统,如Honeywell的TDC-2000,日本横河的CENTUM系统等。中国民族DCS于90年代初起步,代表为浙大中控 (浙江大学工业自动化公司)的JX-100,和利时 (电子部六所,华胜)的HS-2000,新华的XDPS系列等。

二、控制系统的发展过程及类型

(一)数据采集系统

最早出现在过程控制系统中的计算机应用形式,是计算机参与控制的第一步。生产过程中的各种物理量通过各种传感器、变换器转换为计算机能够接收的模拟或开关量,再通过计算机的模拟量输入通道或开关量输入通道采集到计算机中,计算机完成对这些参数的运算、变换和处理,实现实时显示、打印报表、参数报警等,供现场人员、指挥人员参考。

(二)计算机操作指导系统

计算机操作指导系统是基于数据采集系统的一种开环系统,计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算,计算出的最优操作条件,并不直接输出控制生产过程,而是显示或打印出来。操作人员据此改变各个控制器的给定值或操作执行器,如此达到操作指导作用,常用于计算机控制系统设置的初级阶段,试验新方案等。

(三)直接数字控制系统 (DDC)

在DDC中计算机输出直接控制执行机构,早期的DDC主要用于取代常规PID控制器,由于采用分时控制方式,一台计算机可控制几十个甚至上百个控制回路。由于计算机运算能力强,DDC也容易实现模拟控制器难以实现的控制规律,近来由于微机控制的广泛应用,DDC的概念和内容也都发生了变化,除过程控制外,还可包括轻工机械使用的微机控制、智能仪表、测控系统、微机控制装置等。

(四)计算机监督控制系统 (SCC)

计算机监督控制系统 (SCC)与DDC的不同之处在于SCC不是用输出信息直接控制被控对象,而是将输出信号作为常规系统或DDC的设定值。采用SCC是DDC要进行实时控制,采样周期不能长,在较短采样周期内难以完成复杂的运算,因此SCC可按工艺要求和数学模型进行生产过程优化等复杂运算,将计算结果送给DDC或常规控制器。

(五)分级计算机控制系统

由于现代生产规模大,设备联系紧密,产品品种翻新快,信息量大,因此搞好生产的同时要求提高生产过程和管理水平,为此不仅要求计算机参与控制,而且需要配备计算机进行生产管理,因此这些计算机群相互间要进行数据通信,仿照工业企业分级管理,这些计算机可构成计算机分级控制系统。这样的系统一般由管理信息系统(MIS)、SCC以及若干个DDC三级系统组成,管理信息系统按企业管理体制分为车间管理级、工厂管理级和公司管理级。

(六)集散型控制系统DCS

根据分级设计的基本思想实现功能分离,位置分散,达到“分散控制为主,集中管理为辅”,自1975年以来DCS的硬件和软件功能不断完善和强化,但其基本结构可分解为三大部分:

过程控制站:集散控制系统和生产过程的界面。

操作站:操作人员与DCS界面。

通信系统:过程控制站与操作站之间数据传递和交换的桥梁。

集散控制系统 (Distributed Control System)是以微处理器为基础的集中分散型控制系统,自20世纪70年代中期第一套DCS问世以来,集散控制系统已经在工业控制领域得到广泛应用,越来越多的仪表和控制工程师认识到集散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流。

集散控制系统主要特性是集中管理和分散控制,随着计算机技术发展,网络技术已经使集散控制系统不仅用于分散控制,而且向着集成管理的方向发展,系统开放使不同制造厂商的DCS产品可以相互进行数据交换,也使第三方软件可以方便地在现有的集散控制系统中应用。

第一阶段 (1975～1980年):分散控制。采用以微处理器为基础的过程控制单元实现分散控制,有各种控制功能要求的算法,通过组态完成回路控制;具有自诊断功能,在硬件制造和软件设计中应用可靠性技术,在信号处理时采用抗干扰措施;采用带CRT屏幕显示器的操作站与过程控制单元分离,实现集中监视、集中操作、系统信息综合管理与现场控制相分离;采用较先进的冗余通信系统,用同轴电缆作为媒质将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机,实现分散控制和集中管理。

第二阶段 (1980～1985年):系统信息管理。随着世界市场需求量变化,单纯以连续过程控制为主已不适应,而要求过程控制单元增加批量控制功能和顺序控制功能,从而推出多功能过程控制单元。随着产品竞争愈加激烈,迫使生产厂家提高产品质量,降低成本,实现优化质量和质量管理,在操作站及过程控制单元采用16位微处理器,工厂级数据向过程级分散,高分辨率CRT、更强画面显示、报表生成和管理功能等;生产功能要求控制系统规模多样化,要求强化系统功能,通过软件扩展和组织规模不同的系统。随着计算机局域网络技术的发展,市场需求DCS系统强化全系统 (下转第页)(上接第页)信息管理,有利于多机资源共享和分散控制。

第三阶段:1985年以后。第二代DCS各厂商推出的产品为了竞争保护自身利益,大多采用专用网络;第三代DCS采用开放系统结构,符合国际标准ISO的OSI开放系统互连的参考模型等,以太网通讯。为了满足不同用户需求,适应中、小规模的连续、间歇、批量操作的生产装置及电气传动的需要,各制造厂开发了中、小规模的DCS。适应恶劣的工业现场环境。操作系统采用实时多用户多任务操作系统,符合通用标准,组态软件提供多种运算模块以组成回路,组态采用方便的菜单或填表方式,操作站配备作图、数据库管理、报表生成、数字变换等。

三、结语

我公司现在应用DCS控制系统十几套,主要应用了浙大中控SUPCONJX系列和北京和利时HOLLiAS-MACSV系列。二者是新一代全数字化DCS,是当今国内同类产品之佼佼者,控制系统具有较好的开发性,具备强大的处理功能,提供了方便的组态系统能力,系统的冗余、自诊断能力强,技术支持能力强大。界面友好,降低了工人的劳动强度,提高了控制、操作水平,产生了良好的经济效益,为公司的发展做出了重要贡献。

参考文献

[1]浙大中控股份有限公司.SUPCON JX-300XP 硬件手册[S].

[2]北京和利时股份有限公司.HOLLiAS-MACSV硬件手册.

作者简介:田永贤 (1973-),男,山东淄博人,山东宏信化工股份有限公司工程师,研究方向:仪表自动化和计算机过程控制及应用。