控制系统中的计算机

5.6.1 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 5.6 控制系统中的计算机 449 5.6.2 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 控制系统中的计算机 在第5章结束前有必要简单看一下计算机在控制系统中的发展。 “计算机”在字典中的定义是：一个可编程的电子设备，可用来存储、读取和处理数据。 这个定义也包括了普通制程工业中的基本的单回路和多回路的控制，由感应器来读取工况，在控制器 中通过一些数学程序同设定点进行比较后决定正确的矫正作用，随后输出一个正确的信号。 计算机芯片的发展速度及其对人类生活各方面的影响众所周知。控制技术的发展速度必然意味着下文 的某些内容是多余的。 历史 能。这些复杂昂贵的控制器经常使用于大型的化工厂以实现精确的制程控制，并且是本质安全的（不会产 生起火的火花）。 图5.6.1 带有图表记录仪的单回路控制器 出水 进水 单回路控制器 图表记录仪 (数据记录仪) 蒸汽 冷凝水 制程1 通常，这些制程会独立地连接到本地的循环图表记录仪（图5.6.1）；或者，一定数量的制程被连接到 控制室的多纸记录仪（图5.6.2）。多纸记录仪使得不同的参数被同时记录下来，设备的原理以及同一张图 上的线路数使得它们的使用仅限于十二路输入。 独立的单回路控制器可以追溯到气动控制，通过创造性地使用挡板和喷嘴实现近似的基本PID控制功 450 5.6.3 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 图5.6.2 带记录仪的单回路控制器 出水 进水 单回路 控制器 图表记录仪 (数据记录仪) 蒸汽 冷凝水 制程1 蒸汽 出水 进水 制程2 单回路 控制器 这些早期的计算机经常被编程用于在连续的列表纸上打印出在某些特定时间间隔内的报告。从计算机 的打印输出中手动提取这些数据，设备管理员可以看到他的工厂的整体运行性能，比较工厂内不同部件的 运行性能，寻找性能是否变差，来确定是否需要停机检修等。 出水 单回路 控制器 中央计算机 (数据记录仪) 蒸汽 冷凝水 制程1 蒸汽 冷凝水 制程2 单回路 控制器 打印报告 图5.6.3 多个回路控制器和中央数据记录计算机 冷凝水 进水 出水 进水 第一台使用于控制系统中的计算机取代了主控制室的图纸记录仪。它们收集设备在工厂中大量的测量 点的信息（或数据）。通常被称为“数据记录器”（图5.6.3），对设备的运行没有输入。 451 5.6.4 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 图5.6.4 一个中央计算机集中处理数据和控制设备 出水 进水 1. 搜集来自各个感应器信息 2. 至控制阀的信号输出 3. 数据记录仪和显示/打印 蒸汽 冷凝水 制程1 蒸汽 出水 冷凝水 制程2 I/O 模块I/O 模块 重要提示: 早在19世纪70年代中期，很多知名仪表公司开始开发数字控制系统市场。这些系统使用一个中央计算 机处理单元，接受来自感应器的输入，进行数学程序计算，给不同的相关控制设备提供输出信号。它们也 会有一个事件记录仪以便回顾（见图5.6.4）。 一台个人计算机不能接受来自控制设备的原始信号（4-20mA,0-10V），需要一台输出/输入（I/O） 设备来进行“翻译”。每个I/O的供货商都有一种独特的方法来实现，因此系统的兼容性没有想像中 的好。 最初，I/O设备在工厂的主控制室，每个单独的设备通过其各自独立的信号线连接到主控制室。这就意 味在一个大型的工厂，线路的安装和管理是一件很重要的事情，包括其物理体积和相应的成本。 随着技术的发展，I/O设备搬出了工厂，连向控制室的线路的数量减少了，但是依然很重要。 数字控制系统带来的发展包括： 分散式控制系统（DCS） 控制监督和数据采集（SCADA）系统，和 楼宇管理系统（BMS） 所有这些在今天都已经被大量使用（见图5.6.5）。 进水 452 5.6.5 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 80年代末，随着个人计算机以及Windows操作系统的出现，控制系统的发展发生了巨大的飞跃。为早 期的数字控制系统提供了一个标准平台，所有的仪表公司采用同样的格式。以Windows为基础的系统的优 越性在于信息的交换方式同今天的个人计算机一样，用户能在Word、Excel和Powerpoint自由转换。这种数 据交换“语言”被称为动态数据交换（DDE），随后发展成对象链接和嵌入（OLE）。用于制程控制进一步 修改后成为制程控制OLE（OPC），直到现在仍然作为一种写入方法而使用。 个人电脑的广泛使用使得对历史记录的回顾相当简单。不用打印并手动转换数据，工厂管理员就可以 使用强有力的图表程序、分析趋势、增加颜色、调整比例和使用标记；划分不同的变量，比较不同设备的 性能。 现代化的自动控制系统利用计算机作为实际工艺的“窗口”。操作者可以利用计算机来监视整个设备 发生了什么，并且可以修改个别设备控制器的设定点和控制参数，如PID，使得个别控制器可以运行PID算 法和控制逻辑。 单个控制器虽然在现代的自动控制系统中存在作为终端控制，但是这些控制器通常形成PLC（可编程逻 辑控制器）或多回路的机架设备。这些控制器同单回路PID控制器完全不同。它不是通过键盘来改变设定值和 其它控制参数，而是通过操作者在计算机上进行操作，然后将所需要的参数下载到控制器。当中央计算机发 生故障时，这些独立的控制器仍然可以在当前的参数下工作或者进入安全状态，保证设备继续安全运行。 另一个重要的发展是“现场总线”系统的出现。 图5.6.5 分散式控制系统 出水 进水 蒸汽 冷凝水 制程1 蒸汽 出水 冷凝水 制程2 1. 设备性能监视 2. 控制器的设定改变 3. 数据记录仪和显示/打印 制程控制器 制程控制器 进水 453 5.6.6 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 图5.6.7 桥 图5.6.6 带有现场总线的中央计算机，通过总线来接受信息并传递校正信号 出水 1. 搜集来自各个感应器信息 2. 至控制阀的信号输出 3. 数据记录仪和显示/打印 蒸汽 冷凝水 制程1 蒸汽 出水 进水 冷凝水 制程2 1. 单个设备都有其唯一的地址 2. 从单个感应器获取信息 3. 传送各个阀门的指令 现场总线电缆 现场总线使用单根数字电缆系统，连接各台设备（见图5.6.6）。 每个设备（感应器、控制器和控制设备）都有一个唯一的地址，用来接受信息（也许来自感应器）或 者发出某些动作（也许是关闭一个控制阀）。 尽管如此，这些系统相当复杂而且很昂贵。一套现场总线的网络需要一台主控制器来管理总线的 进水 通讯和管理总线的逻辑。同时也需要总线和计算机网络之间某种方式的连接，使得信息能共享（见图5.6.8）。 综合总线控制器的功能并能PC网络提供桥梁作用的设备称为“桥”或“主控制器”（见图5.6.7）。 454 5.6.7 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 图5.6.8 制程控制计算机同其它计算机通过网络进行通讯 出水 进水 蒸汽 冷凝水 制程1 蒸汽 出水 进水 冷凝水 制程2 现场总线电缆桥以太网 用户 互联网 在制程侧桥可以是： 发送和接收来自很多感应器的数据 在数学程序中使用这些信息来确定和传送所需要的校正信号至控制设备如阀门。 可以请求设备进行诊断程序并发送报告。 在计算机网络侧它可以提供： 设备的历史数据，如近期诊断程序的数据和结果 当制程或设备超出设定参数时的报警 设备性能的历史数据和当前数据 安全连锁装置 重要提醒： 桥可以布置在工厂中方便的地方。 桥通常不显示信息，也没有按键。它仅仅是一个电子通道，所有的交互作用都是通过个人计算机实现 的。 尽管现场总线在理论上是非常普遍的技术，不同供货商之间的产品和协议还是有差别的。 现场总线经常碰到的名字有： HART CAN PROFIBUS Interbus 重要提醒: 现场总线的协议和产品并不是互相直接兼容的。有很多方法能实现不同现场总线之间的集成，但通常 都很昂贵。这就意味着用户只能采用一种系统。 元介入总线系统，这样会失去很多（但不是全部）现场总线系统的优越性。 这也就意味着一旦工厂采用了某种特定的总线系统，用户基本上就不能再考虑使用另一种 协议 了。 桥的复杂性不尽相同，但可以控制50多个制程；相当于50个单回路PID控制器。 如果需要控制更多的制程，需要使用多个桥。 现场总线系统可以集成来自仪表的旧信号（4-20mA，0-10V etc.）。但是，信号必须通过I/O单 455 5.6.8 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 地局域网）：同一组织内的财务、存储、生产、市场和销售部门可以很自由共享数据，各自拥有不同的权 限实现不同的任务。不可避免的是，制程控制计算机必须连接到网络上，授予权限的操作者能在办公室的 计算机上实现浏览和修改设备的运行。 控制和通讯技术发展的影响是相当巨大的。这些知识、专业技术和设备存在于： 一个客户商店的计算机，可以对“最小库存”的要求或生产计划反应，通过因特网下订单。 订单被供货商的计算机收到： - 查询所需产品的存货量，发货或 - 加入该订单修改生产计划，甚至有可能修改程序指令以生产特定的产品。 计算机安排向客户发货并开发票。 无须人为干涉。 总线技术的好处 安装: 减少系统的硬件设备 - 制程的控制需更少的控制器和接线 减少安装费用 - 安装设备减少了，安装更加简单快捷，意味着在接线、线槽、管道、信号柜、接线 盒和接线板等方面材料费和人工费的极大减少。 节约空间 - 控制室内的设备和线路的减少使其他设备可以使用更大的空间。也就是说工厂内有更多 的空间放置生产设备。 工程制图 - 计算机自动生成制程的逻辑图纸，更加准确、容易更新。 操作 安全性 - 在软件内包含了故障状态的特定动作指令。当主计算机发生故障时，控制回到“本地”桥， 有单独的电源供给，同时已经编程在此状态下给相关制程输出默认的“安全模式”指令。 增加了制程的信息 - 跟分散式控制系统相比，利用现场总线后操作者和管理层能得到的信息增加了 好几倍，见图5.6.9。单个设备（如感应器和阀门）的信息很容易到、浏览和分析。可以整个制程或其 中的某一部分进行观察、分析以确定约束条件以及性能的改进等等。 图5.6.9 使用DCS和总线系统得到的控制和管理信息量比较 分散式控制系统 足够的控制信息， 但是管理信息够充分 现场总线控制系统 同DCS相比，控制信息略有增加， 但管理信息大量增加 管理信息 控制信息 由于生产的全球化，出现了广域网（WAN）。从此，一个工程师可以在伦敦访问他们公司位于纽约工 厂的设备控制计算机。 随着控制技术的发展，个人计算机技术也不断发展。计算机之间可以通过网络进行通讯（LAN-本 456 5.6.9 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 总线系统的发展 灵活性: 系统升级简单，可以在修正后的制程要求下运行。 系统扩建简单，满足工厂的扩建或增加新的制程。 同其它系统兼容，可以以有竞争力的价格获得其他设备。 457 维护的前瞻性 - 主计算机可以制定详细的诊断程序，来进行故障诊断包括感应器的故障、输出故 障、存储器故障、设置偏差、通讯故障、阀位和阀门的行程时间、粘滑运动等等。这样，可以针对设 备的实际情况进行维护和校订，而不是按照周期性的时间来进行，因此将维护量减小到最小。 多台设备可以同时进行维护和校订程序。这样意味差可以缩短停机时，提高设备的使用率。 避免在不必要的维护上浪费时间、材料和人力，使维护成本降到最小。 系统可靠性 - 前瞻性的维护使设备处于良好的维护下。 质量控制 - 集中控制，可以看到制程的全部或部分，提高质量控制。 库存控制 - 提高工厂的反应和灵活性，减少产品存货。 备件 - 由于组建的兼容性和可替换性，用户不需要依赖一个供货商，因此价格也更有竞争力。同 时也意味着可以减少备件的存货，节约成本。 通讯 - 可以在任何地方连到控制系统或其中的任何一个组件上，不管是通过计算机网络还是因特 网。 5.6.10 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 458 5.6.11 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 5.6.12 控制系统中的计算机 章节5.6第5章 基础控制理论 蒸汽和冷凝水系统手册 Answers 1: b, 2: a, 3: d, 4: c, 5: c, 6: b Questions 1. Which of the following is NOT a Fieldbus protocol? a| HART b| Commbus c| CAN d| Interbus 2. Which of the following applies to a modern Fieldbus system? a| Eliminates the need for a separate controller for each process, and communicates directly with sensors b| Can control up to fifteen processes simultaneously c| Incorporates devices at each process for local display of parameters, but not for programming d| Has excellent flexibility and allows any computer operator connected to the system to read and change process parameters and saves commissioning time 3. Which of the following is required to integrate older signal based instruments such as those with an output of 4 - 20 mA to a Fieldbus system? a| Interbus protocol b| A bridge for each signal to convert it to a digital signal c| PROFIBUS protocol which is based on an analogue system d| Signal Input/Output units 4. Which of the following is UNTRUE of a Fieldbus system? a| It will save time on plant commissioning b| It is a system designed for communication to and from a plant c| It will reduce the energy requirements of a plant d| Reliability of the process control valve is improved 5. Which one of the following is an operational benefit