（机械工程专业论文）kcfcf动力区域计算机监控系统开发.pdf

摘要 昆纤公司动力区域的生产以其工艺要求商、能耗高、供应介质多和运行稳定 等特点在丝束生产中占据了重要地位。在2 0 0 4 年底以前，运行人员主要是通过常 规仪表盘( 柜) 来监视和管理动力生产过程，但常规仪表监视系统在使用中存在 出一些问题，主要表现在：系统设备分散，不能集中监视和控制；系统监控模式 落后，运行人员工作效率低：有时不能及时发现运行参数异常，导致设备故障远 行，甚至发生意外事故。 本文对国内( 外) 计算机监控系统的发展现况进行了深入研究分析，结合动 力生产的运行特点，在原有常规仪表的基础一k ，预先对动力生产监控系统进行了 研究和开发，利用二期扩建进行优化和改造，其目的是充分利用原有硬件资源， 用最少的投入获得高效、安全的系统性能。 动力生产实时监控系统的研究与开发，对企业开展优化运行，节能降耗，提 高产品质量，降低生产成本，提升信息管理水平等活动都会起到积极的作用，囝 此具有特殊的现实意义。 文中以昆纤公司动力生产工艺系统为对象，针对系统中存在的问题，主要完 成了以下三个方面的研究工作： 1 国内外计算机监控系统的发展现况和应用。 2 动力生产监控系统的总体方案设计。 3 基于m a t l a b 的动力生产监控系统软件的开发与实现。 文中详细阐述了动力区域的生产工艺原理，监控系统的基本要求，网络结构， 硬件配置、监控软件的主要功能及其实现方法。其中，系统中采用了c 1 io n s e r v e t 和b r o w s e r s e r v e t 相结合的网络通信结构，以w in d o w s 2 0 0 0 为平台，应 用p r o f i b u s 现场总线技术和t c p i p 协议，借助网络设备妥善解决了工控系统与 企业网的互联问题。系统实现了6 个生产系统的监视画面、自动报警功能、人机 对话功能和运行数据查询功能。改进后的动力生产系统，可以解决原有系统存在 的问题，保证动力生产运行的安全性、可靠性和稳定性；可以为运行设备机组进 行合理调度、科学管理提供准确、可靠和完整的数据分析依据，从而实现最佳经 济运行，为企业长期创造效益。另外，由予时间和精力的原因，笔者尚未对系统 的数据采集和数据库管理做深入的研究，系统将有待于进一步完善。 关键词：动力生产监控系统m a t a l b 语言 网络 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fp o w e rm a n a g e m e n ti s p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ew i t hs t r i c t t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ，h i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，m a s ss u p p l i e dm e d i u m sa n d h i g hs t a b i l i t yi np r o c e s s i n go fc i g a r e t t et o w si nk u n m i n gc e l l u l o s ef i b e r sc o l t d ( k c f c ) t h eo p e r a t o r sm a i n l ym o n i t o rp o w e rp r o c e s s i n g b yc o n v e n t i o n a l i n s t r u m e n tb o a r db e f o r e2 0 0 4 b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m si nu s i n gt h i sm e t h o ds u c h a ss e p a r a t i o no fe q u i p m e n t ，l a g g i n go fm o n i t o r i n gm o d e l ，b l i n ds p o t so fa b n o r m a l p a r a m e t e ra n ds oo n h e n c e ，i tc a n n o tr e a l i z et h es y s t e mi n t e g r a t e dc o n t r o la n dh i g h e f f i c i e n c y ，a n de v e nr e s u l t se q u i p m e n tf a i l u r ea n da c c i d e n t s t h i sp a p e ra n a l y s i sd e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fw o r l d w i d ec o m p u t e rm o n i t o r i n g s y s t e mb yc o n s i d e r i n gw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rp r o c e s s i n g i no r d e rt or e f o r m a n do p t i m i z et h es y s t e mp e r f o r m a n c e si ns e c o n de x t e n s i o np r o j e c t ，t h i sp a p e rs t u d i e s p r e v i o u s l yt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fp o v e e rp r o c e s s i n gb a s e do no r i g i n a li n s t r u m e n t s t h eg o a list og a i ne f f i c i e n ta n ds a f es y s t e mp e r f o r m a n c e sw i t hl e a s ti n p u t sb yt a k i n g a d v a n t a g e so fo r i g i n a lh a r d w a r er e s o u r c e t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h er e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e r p r o c e s s i n gr e v e a l sa c t i v ea c t i o n si nt h ep r e s e n c eo fo p t i m i z a t i o no fp r o c e s s ，s a v i n g e n e r g y ，i n c r e a s e o fp r o d u c t q u a l i t i e s ，a n d d e c r e a s eo f p r o d u c t i o n c o s t sa n d i m p r o v e m e n t o fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl e v e l s o ，i ts h o w sa s p e c i a la c t u a l m e a n i n g t h eo b j e c to fs t u d yi st e c h n o l o g i c a ls y s t e mo fp o w e rp r o c e s s i n g a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e m so ft h es y s t e m ，t h ep a p e ri n c l u d e st h r e ew o r k sa sf o l l o w s ： 1 t h es t u d yo nd e v e l o p m e n t ，s t a t u sa n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rm o n i t o r i n g s y s t e mw i t h i no u rc o u n t r ya n da b r o a d 2 t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no fm o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e rp r o c e s s i n g 3 t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dr e a l i z i n go fm o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e r p r o c e s s i n gb a s e do nm a t l a b t h ep a p e re x p a t i a t et h et e c h n i c a l p r i n c i p l e o fp o w e rp r o c e s s i n g ，t h eb a s i c r e q u i r e m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h en e t w o r ks t r u c t u r e ，t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ， t h ef u n c t i o na n dr e a l i z e dm e t h o do fm o n i t o r i n gs o f t w a r ea n ds oo nt h es y s t e ma d o p t t h en e t w o r kc o m m u n i c a t e dc o n s t r u c t i o nc o m b i n ew i t hc i i e n t s e r v e ra n db r o w s e r i i s e r v e rb yt h eg r o u n do fw i n d o w s2 0 0 0p l a t f o r ma n du s e dp r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s l t e c h n o l o g ya n dt c p i pp r o t o c o lt or e s o l v et h ec o n n e c t i o np r o b l e mb e t w e e ni n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e ma n di n t r a n e ti nt h ee n t e r p r is e t h es y s t e mr e a c h e da ts u c hf u n c t i o nf o r s i xs y s t e m sw h i c hc a nm o n i t o ri n t e r f a c e ，a u t o m a t i ca l a r m ，c o m m u n i c a t eb e t w c e n o p e r a t o ra n de q u i p m e n ta n di n q u i r ed a t a t h ei m p r o v e dp o w e rp r o c e s s i n gs y s t e mn o t o n l yr e s o l v et h ei n i t i a lp r o b l e m st oe n s u r et h es a f e t y ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，b u to f f e ra c c u r a c y ，r e l i a b l ea n di n t e g r a t e dd a t a a n a l y s i s f o rr e a s o n a b l c c o n t r o lo rm a n a g ee q u i p m e n t s t h e s ew o r k sm a k et h e s y s t e mr e a c ha tf i r s t r l n k e c o n o m i cs t a t ea n db r i n gt o l o n g t e r me c o n o m i cb e n e f i t sf o r t h ee n t e r p r i s e b t i t b e c a u s eo ft h ep e r s o n a lr e a s o n si nt e r m so ft i m ea n de n e r g y ，t h es t u d yi s 1a c k 1 1 d a s ( d a t aa c q u i s i t i o ns t a t i o n ) a n dd b m s ( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) w e e x p e c tt oi r e p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e si nt h ef u t u r e k e y w o r d ：p o w e rp r o c e s s i n gm o n i t o r i n gs y s t e m m a t l a bl a n g u a g e n e t w o r k i i l 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：。串辱籀乏 日 期：2 0 0 r # 弓月2 8 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名论文作者签名：盟圭 日期：兰堕生查笪垄旦 注：此页放在封面后，目录前。 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 二十世纪是计算机技术、信息网络技术迅猛发展的时代。由于计算机技术、 信息网络技术的不断发展，产生了许多新的边缘学科，出现了许多新领域。传统 学科与边缘学科之间的相互交叉、渗透和融合，使各种新的科研成果如雨后舂笋 般不断涌现出来，在市场竞争的作用下，科研成果迅速转化为生产力，在许多领 域得到推广和应用，从而逐渐改造了传统工业，在世界范围内形成了第三次工、l k 革命浪潮。 计算机软硬件技术与网络技术、多媒体技术、控制理论、运筹学等的完美结 合，出现了c a d c a m c a e ，d c s ，c i m s 和e r p 等系统，在国民经济的各个行 ! 啦中代表着当代先进的思想和发展方向。随着计算机各类软件的产生和发展，寅 时监控系统软件的研究、开发变得更为容易，实时监控测系统可以根据用户的需 求实现更多、更强大的功能，再加上近几年来多媒体技术( 如音视频、3 d 图形图 象) 和虚拟仿真技术的应用，使得监控系统的人机界面更加丰富多彩，操作人员 和管理人员通过自身的视觉、昕觉以及借助传感器( 触觉) 就可以全方位的感受 信息，从而实现更加准确的操作，更加科学的决策，更加有效的管理。 昆明醋酸纤维有限公司( 下文简称“昆纤”，英文缩写“k c f c ”) 位于风景秀 丽的世博园旁，是目前云南省投资规模最大的一家中美合资企业，生产的丝束产 品全部销往省内烟草行业的各家用户，在卷烟厂经过卷烟机被制成带过滤嘴的卷 烟成品，为市场消费者提供安全、满意的产品选择。昆纤的整个生产却局可以分 成丝束生产和公用工程两大部分。而公用工程又包括热电站区域和动力区域，其 功能是向丝束生产过程供应合格的工艺允质产品和能源保障。动力区域( 下文如 没有特别说明是指一期工程) 分为动力站、循环水站和废水站3 个独立的生产装 置。按照生产不同种类的介质产品划分，动力区域的整个生产过程可以分为6 大 系统，即压缩空气系统、制氮系统、制冷系统、丝束动力循环冷却水系统、热电 循环冷却水系统和废水处理系统。 动力站的生产供应系统由压缩空气系统、制氮系统、制冷系统等3 个生产1 艺系统构成，每个生产工艺系统各自具有不同的生产功能。压缩空气系统是动力 站最重要的生产供应系统之一，主要设备由两台活塞往复式无油润滑空气压缩机 和两台螺秆式压缩机( 其中一台是瑞典a t l a sc o p c o 生产制造；另一台是复盛压 缩机) 组成。压缩空气系统是把自然状态的空气经过压缩、分离、干燥和净化处 理后向各个用户提供质量合格的压缩空气。在生产中压缩空气有三个用途：是 向制氮系统、丝柬生产供应高品质的压缩空气；二是向化学水处理和废水处理提 供生产用气；三是全厂自动化仪器、仪表的动力源。制氮系统的生产功能是制氮 机组把占空气体积约7 9 1 的氮气从压缩空气中分离出来，达到符合生产：【艺要 求的纯度和压力后供应给丝束生产工段的每个使用点，作为生产原辅材料( 如浆 液、丙酮) 在生产或储存、输送过程中与氧隔离的安全保护性气体。系统主要 由两台国外进口的制氮机组和一套低温液氮装置构成，在两台制氮机组中， 一台是变压吸附式制氮机组，另一台是膜分离式制氮机组：两台机组供应氮气的 能力是：2 1 2 0 n m 3 h 。在外电网停电的情况下，氮气的供应改由低温液氮储槽 装置承担生产应急任务，即低温液氮储槽装置连续不断地把低温液氮汽化 成氮气后送入氮气系统，以确保丝束生产区域的安全。制冷系统是冷水机组把 温度较高的软化水转变为7 的低温冷冻水，向丝束大楼内的中央空调系统提供 冷媒。系统采用半封闭式循环，由两台美国顿汉布什( d u n h a n b u s h ) 公司制造的 螺杆式冷水机组( w c f 3 0 a u ) 组成，供冷能力是：2 3 0 0 冷吨( 相当于2 9 1 1 0 5 k c a l h ) ，属于大型中央供冷系统。动力站的辅助设备是冷冻水泵、冷却器、 干燥器、粉尘过滤器、缓冲罐( 包括空气或氮气缓冲罐) 以及储气罐( 包括空气 或氮气储气罐) 。 循环水站包括丝束动力循环冷却水系统和热电循环冷却水系统这两个生产 供应系统。丝束，动力循环冷却水系统是高温软化水在流经冷却塔时与空气发生或 接的热量交换被冷却、降温，由给水泵把冷却水的压力提高后送至各个用水点， 为丝束生产和动力生产中的生产设备和换热设备( 如活塞式空压机、冷水机组冷 凝器、v l a 冷却器、后冷却器等) 提供循环往复使用的冷却水源。系统主要由五 台s 型双吸离心水泵和五台逆流式常温冷却塔组成，供水能力是：2 5 0 0 m 3 h ，最 大降温幅度是5 。热电循环冷却水系统与丝束动力循环冷却水系统相似，即是 给水泵把冷却塔冷却后的循环水压力提高后送至热电站各个用水点，为火力发电 和供热生产中的两台汽轮发电机组的换热设备( 如凝汽器、油冷却器) 提供循环 往复使用的冷却水源。系统设备由四台s 型双吸离心水泵和两台逆流式中温冷却 塔组成，供水能力是：2 0 0 m 3 h ，最大降温幅度是1 0 c 。这两套系统均属于开放 式循环冷却水系统。 2 废水站只有一个生产工艺系统即是废水处理系统。其主要生产功能是将全j 的工业废水和生活废水进行周期性的轮流储存、沉淀、曝气和排放。 动力区域担负的生产任务就是为公司内部用户连续生产和供给质量合格的 压缩空气、氮气、空调用冷冻水、循环冷却水等介质产品，以及废水的达标排放， 各个生产装置的安全、稳定运行是保证丝束生产顺利进行的重要条件之。制浆、 纺丝生产过程对环境的温度、湿度都有着不同程度的要求，空调冷冻水系统的平 稳运行对主业产品一烟用丝束的质量控制会产生直接的影响。若供给的压缩空 气、循环冷却水的工艺控制指标发生严重超标，则将会造成丝束生产工段产生废 丝，甚至停产：压缩空气、氮气能否连续、i f 常地供给直接与制浆、蔫酮西收、 纺丝和热电站等重点生产区域防止火灾爆炸的安全生产有关。由于这些原因，为 了保证动力区域的生产能够正常、持续、稳定地运行，需要监控的模拟量和数字 量多达2 0 9 个。由此可见，动力生产在公司整个生产中虽然处于一个附属的、辅 助的地位，但是对于丝束生产系统和热电生产系统的安全经济运行来说，却有着 特别重要的作用。 动力区域的生产过程既不同于丝束生产也不同予热电生产，自身具有一然较 为明显的特点。动力生产的工艺流程简单明了，容易理解、掌握；各装罱系统相 对独立性，有的工序存在上下依赖关系；绝大多数设备机组的启动和停机操作简 便、快速，并能迅速带上负荷：在系统开车和停车过程中不会增加过多的物料消 耗和能量消耗：当外部负荷波动较大的时候经过人工及时调整可以恢复系统的稳 定性。 从全厂范围来看，计算机在生产工艺控制和网络化信息管理中已经得到了 定程度的的应用。在丝束生产上用的是美国f o x p r o 公司的集散系统( d c s ) ，热 电站用的是美国m o o r e 公司( 现已经变为德国西门子豹子公司) 的集散系统 ( d c s ) ，企业网已经互联到每个部门工段，若不考虑安全方面的因素，d c s 也 完全可以与企业网联接。但是，在动力区域，整个生产系统还没有一套完整的计 算机生产过程监控系统。在这种情况下，为了保证生产的连续、稳定及安全运行， 在动力区域组建一套完整的计算机实时监控系统，这不仅在技术上是完全可行的， 而且也是公司从事实际生产活动的必然要求，从现代企业的宏观战略规划阻及未 来管理信息系统的发展趋势来说这个系统实施后还将成为本公司现代化管理的 重要组成部分，具有十分重要的意义。 在动力区域实施计算机实时监控系统，将大大提高动力区域生产运行的安全 性和稳定性，从而最大程度地保证丝柬生产的需要，对于提高产品质量，实现 3 q e h s ( 质量环境职业安全卫生) 管理体系的目标将会起到积极的作用。蒯时， 作为公司第二大能耗部门的动力区域实施实时监控系统后，可以科学、台理地调 度运行设备，有效地减少不必要的能源浪费，降低生产成本，从而为实现动力生 产系统的最佳经济运行方案提供理论依据。实时监控系统的实施还将有利于大大 降低操作人员的劳动强度，规范操作，提高工作效率，提高企业的生产自动化管 理水平，给企业带来更大的经济效益。此外，通过实施计算机实时监测系统，也 有利于公司下一步在“二期扩建工程”中对丝束、热电和动力三大生产区域的过 程控制系统进行延伸和拓展，最终完成“管控一体化”，即生产自动化、管理信息 网络化的发展目标创造条件，并使之在来来的几年内实现成为可能。 对于动力区域的生产运行岗位，公司实行的工作制度是轮班工作制，生产运 行班级共有四个，每个班组有3 名运行人员，负责对本区域的整个生产工艺系统 直接进行操作、监视和控制，并定期完成设备的巡回检查和生产运行记录。计算 机监控系统的建立，还可以在离线状态下，作为系统模拟器进行模拟操作训练， 系统可以帮助管理人员对上岗前的操作人员进行技术培训，并提供逼真的、有效 的学习环境。对新上岗的人员在经过培训后是否已经具备了正式上岗工作时所要 求达到的基本工艺知识和操作技能，进行综合的测试和评价。这不仅在生产工段 的现场管理方面，具有良好的实用性，而且可以大大提升企业的人力资源管理水 平。 1 2 国内外监控技术发展现状 1 2 1 园内外监控技术发展概况及趋势 计算机监控系统的实现涉及到许多专门领域，包括计算机技术、自动控制理 论、过程控制技术、自动化仪表等。因此，计算机监控系统的发展与这些相关学 科的发展息息相关，相辅相成。回顾工业过程的计算机控制历史，大致经历了2 0 世纪5 0 年代的起步期，6 0 年代的试验期，7 0 年代以来的推广期，8 0 年代的成熟 期和9 0 年代的进一步发展期。目前，计算机控制系统已是现代化的大规模工业生 产过程中必不可少的组成部分。 众所周知。美国在1 9 4 6 年生产出了世界上第一台电子计算机。5 0 年代中期 便有人开始研究将计算机用于工业过程控制。1 9 5 9 年，世界上第一套工业过程讨 4 算机控制系统在美国德, k 1 1 的一个炼油，正式投运。该系统控制了2 6 个流最、7 2 个温度、3 个压力、3 个成分。控制的主要目的是使反应器的压力最小，确定反应 器进料量的最优分配，并根据催化作用控制热水流量以及确定最优循环。 在工业过程计算机控制方面所进行的这些开创性的工作引起了人们的j 、泛 注意。工业界看到了计算机将成为提高自动化程度的强有力的工具。制造计算机 的厂商看到了一个潜在的市场，而控制界则看到了一个新兴的研究领域。然商， 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、可靠性羞， 计算机平均无故障时间( m t b f ：m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 只有5 0 l0 0 小 时。这些缺点限制了计算机控制系统在工业上的发展与应用。由于价格高，一台 计算机必须承担很多任务方能显示其优越性：又因为可靠性差，计算机主要用r 数据处理和操作指导，真正用于直接闭环控制的还不多见。当时这类系统主要应 用在炼钢、化工、发电等工业部门，目的是寻找最优的操作条件，进行生产的管 理和调度。由于操作条件的寻优是建立在过程静态数学模型基础上的静态寻优问 题，而直接的过程控制需要知道过程的动态数学模型。因此，建立一个比较好的 过程数学模型便成为工业过程计算机控制发展的关键问题之一。这也促进了以后 系统辨识方法的研究和发展。 早期工业过程计算机控制系统很不成熟，工作不稳定，仍然常常需要模拟控 制装鹭对过程进行控制。随着半导体技术的发展，计算机运算速度加快，可靠性 提高。1 9 6 2 年开始采用完全代替模拟控制装置直接控制过程变量的计算机直接数 字控制。比较著名的如英国的帝国化学工业公司1 9 6 2 年实现的一个d d c 系统， 它包括了2 4 4 个数据采集量，计算机输出直接控制1 2 9 个阀门。 d d c 控制的出现是计算机控制技术发展过程的一个熏要阶段，因为此时的计 算机己成为闭环控制回路的一个组成部分。尽管d d c 系统的成本还比较高， 一 次性投资比较大，但附加一个回路并不需要增加很多费用，编程也比较方便，具 有较大的灵活性。采用d d c 系统还简化了中央控制室，大大方便了操作人员。 这些在应用中呈现出的与模拟控制系统相比所具有的优点，使人们看到了d d c 广阔的推广前景，以及它在控制系统中的重要地位，从而对计算机控制理论的研 究与发展起到了推动作用。 整个6 0 年代，随着集成电路技术的成熟，计算机技术有了很大的发展。主要 体现在计算机的速度加快，体积缩小，工作更可靠，价格更便宜，m t b f 提高到 大约2 0 0 0 小时。到了6 0 年代后期，出现了各种类型的适用于工业过程控制的小 型计算机，它们可用于各种场合，包括较小的原来认为不适合用计算机控制的工 e 程问题。过程控制用的计算机台数从19 7 0 年的5 0 0 0 台左右上升到l9 7 5 年的5 0 0 0 0 台左右，五年时间中增加了十倍。 随着大规模集成电路技术在7 0 年代的发展，1 9 7 2 年生产出了微型计算机 ( m i c r o c o m p u t e r ) ，过程计算机控制技术随之进入了崭新的发展阶段。微型计算 机的突出优点是运算速度快，体积小，可靠性高和价格便宜。这一方面使得很小 的控制任务采用微型计算机进行控制成为可能；另一方碗也使计算机控制系统的 结构形式发生了变化，即从传统的集中控制为主的系统渐渐转变为以微型计算机 为核心，综合了计算机技术、控制技术、通信技术与图形显示技术为基础的集散 控制系统。这类系统不仅具有传统的控制功能和集中化的信息管理与操作显示功 能，而且还有大规模的数据采集、处理功能，以及较强的数据通信能力，是实现 先进过程控制技术与生产管理的有力工具和手段。在7 0 年代中后期，世界上几个 主要的计算机和仪表制造厂几乎同时生产出了计算机集散控制系统，如美国 h o n e y w e l l 公司的t d c 一2 0 0 0 ，日本横河公司的c e n t u m 等。目前，世界上约有 十几个国家共六十多个厂家推出各自开发的集散控制系统，并已在工业生产过程 控制中占据了主导地位。 进入8 0 年代后，一方面超大规模集成电路技术的迅速发展，使计算机技术 曰新月异；另一方面，为适应过程机理、装置结构、生产环境和控制要求均十分 复杂的工业大系统，先进的自动控制算法与自动控制技术也层出不穷。这两方面 的结合，使新的控制思想和新的控制技术在实际中的应用成为可能。它们的发展， 使计算机控制技术进入了高速发展时期。尤其是进入9 0 年代，计算机控制技术的 发展更加明显。人们看到，在计算机控制系统进一步完善、应用更加普及、价格 不断下降的同时，功能却更加丰富，性能亦更加可靠。而随着数据通信技术、计 算机网络技术与计算机软件技术的飞速发展，计算机控制系统的外延与内涵都远 远超过从前。在流程工业中，对集直接过程控制、监督、优化、生产调度、企业 管理、经营决策等功能于一体的计算机集成制造系统( 或称企业综合自动化系统、 计算机管控一体化系统) 的研究，正将计算机集成制造( c i m ) 的理念移植过来 并予以实施。从本质上看，以前的过程计算机控制是自动化孤岛模式，一个：l 段、 一个车间或一个过程采用计算杌控制系统，而现在的目标是建设整个工厂、整个 企业的综合自动化系统。该系统能综合应用自动化技术、信息技术、计算机技术、 生产加工技术和现代管理科学，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的 各种信息的集成，实现常规的过程控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业 管理、经营决策等功能，达到提商企业经济效益、适应能力和竞争能力的目的。 6 在当前，建立这种能适应各种生产环境和市场需求、总体最优、商质量、商效益、 高柔性的工业过程计算机集成制造系统已成为工业自动化领域的共识和一种必然 发展趋势。 可以预料的是，计算机控制技术将会随着计算机技术与自动控制技术的发展 而飞速发展，给我们的生产企业乃至国民经济带来巨大的经济效益“1 。 近年来，由于可编程控制器( p l c ) 、单片机和微型计算机已发展到适用于 满足各种控制功能的需要，从而形成了这样的趋势，即使在小规模的控制系统中 也要使用数字计算机以获得最好的系统控制性能。数字计算机用作工业控制系统 的部分以构成计算机控制系统，经历了个逐步发展的过程。许多学者一一黢将 这一发展过程划分为三个阶段： ( 1 ) 开创期 19 6 5 年以前的工作为开创期。这一时期的标志是实现数据自动测量和处理的 开环计算机控制系统和工业装置中的直接数字控制( d d c ) 系统( 即简单回路的 计算机控制系统) 。 ( 2 ) 实用普及期 1 9 6 5 1 9 6 9 年是数字计算机控制系统的实用和逐步普及的阶段。在这朔i 削， 由于出现可靠性不断提高、价格逐年下降的小型数字计算机，因而它在生产中的 应用得到了很大的发展，其标志是集中型的计算枫控制系统，即用以控制整个生 产过程或装鼍的多回路集中控制的系统。 ( 3 ) 微型计算机的应用阶段 由于微型计算机和单片机所具有的高可靠性、价格相宜和使用方便灵活等特 点，使得讨算机的应用自1 9 7 2 年以来获得大量的推广，以至于不管应用的规模多 么小，计算机控制都变成一种不可或缺豹选择。这一时期的主要标志是利用系统 工程方法实现集管理、控制于一体的集散控制系统；近年来，随着现场智能控制 设备的发展和实现整个企业信息系统的需求驱动下应运而生的现场总线控制系统 正处于突飞猛进的发展之中1 。 随着计算机技术、控制理论、通信技术、计算机网络、测量技术、数据库技 术、软件接口和总线技术等相关技术的发展，计算机控制系统在工业生产过程中 正逐步替代传统的常规仪表盘( 柜) 式监视系统。在应用领域，数字计算机在控 制系统中的应用不仅会越来越广地涉及社会生活的各个领域，而且会推动工业臼 动化发展到一个更高级的全新阶段。与此同时，企业对计算机控制系统软件也将 会提出越来越高的要求。 7 可编程控制器( p l c ) 的发展趋势是：向高速度、强功能、大容量、多模拟 量方向发展：向强化网络通讯能力方向发展；向编程语言多样化方向发展：与其 他： 控机联合，向d c s 渗透；向电气传动控制、仪表过程控制和计算机控制体 化方向发展”1 ：向系列化、通用化发展o “。 工业控制软件的发展趋势是：基于w e b 体系结构，支持多种数据库和多种劂 络功能，支持i e c 6 1 1 3 l 一3 控制语言编程规范，支持a c t i v e x 和o p c 接口，支持 远程控制和远程维护；支持更大容量的信息处理和控制，提供更多的工艺流程图 构件；基于管理信息和控制信息的集成实现管控一体化；基于人工智能和数据挖 掘技术实现整体优化控制，在操作手段上则更加方便”。 计算机控制系统未来发展的趋势是：朝着综合、开放、集成方向发展；人 ： 智能技术、现场总线技术会被广泛采用“h ”0 1 。 1 2 2 计算机监控系统的几种重要形式 计算机应用于工业过程控制有各种各样的结构和形式，实现各自不同鼢功 能。若只按照计算机参与控制的形式，计算机控制系统可分为开环控制与闭环控 制两大类；若根据系统采用的控制规律，可分为顺序( 程序) 控制、常规控制( 如 p i d 控制) 、高级控制( 或称先进控制，如最优控制、自适应控制、预测控制等) 、 智能控制等若干类；若是根据系统的应用及结构特点，则可将计算机控制系统大 致分成计算机巡回检测和操作指导系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集 散控制系统、现场总线控制系统以及生产集成控制系统等儿类。 l 、计算机巡回检测和操作指导系统 生产过程中有太最的过程参数需要测量和监视，用计算机以巡回的方式周期 性地检测这些参数菇完成必要的数据处理任务便是巡回检测系统的任务。这是计 算机应用于工业生产过程最早和最简单的一类系统。若在此基础上，系统能根据 反映生产过程工况的各种数据，由某种给定的性能指标与控制策略，通过对现场 数据的处理、分析与计算，相应地给出操作指导信息，供操作人员参考，便称之 为操作指导系统，其结构见图1 1 所示。 从图中可以看出，这种系统是一种开环系统。过程参数经测量变送器、过程 输入通道，定时地被送入计算机，由计算机对来自现场的数据进行分析和处理后， 根据定的控制规律或管理方法进行计算，然后通过c r t 或打印机输出操作指导 信息。这种系统的优点是可以用于试验新方案、新系统。如在实施计算机闭环控 制之前，先进行这种开环控制的试运行，可以考核计算机工作的正误，还可以用 r 于试验新的数学模型和调试新的控制程序。其缺点是仍需要人，操作，速度受j ；l 限制，不能同时控制多个回路。 图1 1 计算机巡回检测和操作指导系统 2 、计算机直接数字控制系统 在计算机直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，简称d d c ) 中， 计算机通过过程输入通道( 模拟量输入通道a i 或开关量输入通道d i ) 刑多个被 控生产过程进行巡回检测，根据给定值及控制规律计算出控制指令，经过程输出 通道( a o 或d o ) 直接去控制执行机构，将各被控变量保持在给定值上。计算机 直接数字控制系统框图如图1 2 所示。 在这种系统中，计算机不仅完全取代了模拟调节器直接参与闭环控制，撕儿 只要通过改变程序即可实现一些较复杂的控制规律：它还可以与计算机监督控制 系统结合起来构成分级控制系统，实现最优控制：同时也可作为计算机生产集成 控制系统的最底层一一直接过程控制层，与过程监控层、生产调度层、企业管理 层、经营决策层等一起实现工厂( 企业) 综合自动化。计算机直接数字控制是纠 算机控制系统的一种最典型的形式，在工业生产过程中得到了非常广泛的应用。 还有一秘常见的系统是计算机顺序( 程序) 控制，即计算机按照预先确定的 操作顺序和操作方法，根据生产工艺流程的进程( 或在满足某些规定的条件刚) 依次地输出操作信息。比如发电厂的锅炉、汽轮机、发电机的起动阶段和停止阶 段，冶金工业中高炉炼铁、转炉炼钢以及各种轧制过程都是十分复杂的顺序操作 过程。 图1 2 计算机直接数字控制系统框图 3 、计算机监督控制系统 计算机监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，简称s c c ) 通 常采用两级控制形式，其框图如图1 3 所示。 图1 3 计算机监督控制系统s c c 示意框图 所谓监督控制，指的是根据原始的生产工艺数据和现场采集到的生产工况信 息，一方面按照描述被控过程的数字模型和某种最优目标函数，计算出被控过程 的最优给定值，输出给下一级d d c 系统或模拟调节器( 已越来越少) ；另方面 对生产状况进行分析，作出故障的诊断与预报。所以s c c 系统并不赢接控制执行 机构，而是给出下一级的最优给定值，由它们去控制执行机构。当下一级采用d d c 1 0 系统时，其计算机( 称为下位机) 完成前面所述的直接数字控制功能。s c c 计算 机( 称为上位机) 则着重于满足某个最优性能指标( 包括控制规律和在线优化条 件等) 的修正与实现，它可以看成是操作指导与d d c 系统的综合与发展。 s c c 控制系统的主要优点是：它在计算时可以考虑许多常规调节器不能考虑 的因素，如环境温度和湿度对生产过程的影响；可以进行过程操作的在线优化， 始终如一地使生产过程在最优状态下运行；可以实现先进复杂的控制规律，满足 产品的高质量控制要求；可以进行故障的诊断与预报，可靠性好。值得注意的是， 生产过程的数学模型往往是监督控制系统能否实现以及运行好坏的关键之一。 j 前，这种控制方式已越来越多地被应用于较为复杂的工业过程及设备的控制中。 由于计算机d d c 系统中的计算机直接与生产过程相连并承担摔制任务， 台计算机往往要控制几个或几十个回路，而工业现场环境恶劣，干扰多，所以 方面要求d d c 计算机可靠性要高，实时性要好，抗干扰能力要强能独立工作； 另一方面必须采取抗干扰措施来提高整个系统的可靠性，使之能适应各种工业环 境，并合理设计应用软件。所以一般选用微型机和工控机作为d d c 级的计算机。 而s c c 级承担先进控制、过程优化与部分管理的任务，信息存储量大，计算任务 繁重，要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件。故一般要选用高档微型机或 小型机作为s c c 级计算机。 4 、计算机集散控制系统 计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) ，又称分粕或 分散控制系统，近二十年来发展十分迅速。它以微处理机为核心，实现地理巴和 功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集c 扣 的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。d c s 的设计原则是分散控制、集中操 作、分级管理、分而自治和综合协调。 世界上许多国家包括中国都已大批量生产各种型号的集散控制系统。虽然它 们型号各异，但其结构和功能都大同小异，都是由以微处理机为核心的基本数字 控制器、高速数据通道、c r t 操作站和监督计算机等组成。集散控制系统有许多 优点，比较突出的点是提高了系统的可靠性和灵活性。在计算机控制应用于 ： 业过程控制初期，由于计算机价格高，对工业过程采用的是集中控制方式，以充 分利用计算机。但这种控制方式由于任务过分集中，一旦计算机出现故障，就娶 影响全局。d c s 由若干台微机分别承担任务，从而代替了集中控制的方式，将危 险性分散。并且d c s 是积木式结构，构成灵活，易于扩展；系统的可靠性高；采 用c r t 显示技术和智能操作台，操作、监视方便；采用数据通信技术，处理信息 1 l 量大；与计算机集中控制方式相比，电缆和敷缆成本较低，便于施j 。其原理框 图如图1 4 所示。 图1 4 计算机集散控制系统原理框图 5 、现场总线控制系统 8 0 年代发展起来的d c s 尽管给工业过程控制带来了许多好处，但由于它们 采用了“操作站一控制站一现场仪表”的结构模式，系统成本较高，而且各厂家 生产的d c s 各有标准，不能互联。现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m 一f c s ) 是近几年方出现的新一代分布式控制系统结构。它采用了不同于 d c s 的“工作站一现场总线智能仪表”的结构模式，降低了系统总成本，提高了 可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，因此它是一 种正在发展的很有前途的控制系统。其原理框图如图1 5 所示。 6 、工业过程计算机集成制造系统( 流程c i m s ) 随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化工业要求计算机系统不 仅要完成直接面向过程的控制和优化任务，而且要在获取生产全部过程尽可能多 的信息基础上，进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。由于自动 化技术、计算机技术、数据通信技术等的迅速发展，满足这些要求已不是梦想， 能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系统( c i m s 一c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u