淺談?dòng)?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況.doc

淺談?dòng)?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況摘 要：計(jì)算機(jī)具有運(yùn)行速度快、精度高、存儲(chǔ)量大、編程靈活以及通信能力強(qiáng)的特點(diǎn),在過(guò)程控制中日益占據(jù)主導(dǎo)地位,成為過(guò)程控制領(lǐng)域不可缺少的工具。文章介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程以及控制系統(tǒng)的種類(lèi),并對(duì)DCS集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展階段展開(kāi)探討。關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);DCS;分散控制;冗余;組態(tài);過(guò)程控制站;操作站現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)向著大型化、連續(xù)化方向發(fā)展,生產(chǎn)過(guò)程隨之日趨復(fù)雜,對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出,這些都對(duì)控制提出了更高的要求。生產(chǎn)的安全性和可靠性、生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等都成為衡量自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo),僅用常規(guī)儀表已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代企業(yè)的控制要求。計(jì)算機(jī)具有運(yùn)行速度快、精度高、存儲(chǔ)量大、編程靈活以及通信能力強(qiáng)的特點(diǎn),在過(guò)程控制日益占據(jù)主導(dǎo)地位,成為過(guò)程控制領(lǐng)域不可缺少的工具。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；控制；數(shù)據(jù)；系統(tǒng)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況1965年前試驗(yàn)階段:1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問(wèn)世。1958年美國(guó)Lousina公司電廠投入第一個(gè)計(jì)算機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)。1959年美國(guó)Texaco公司的煉油廠安裝了第一個(gè)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。1960年美國(guó)Monsanto公司的氨廠實(shí)現(xiàn)第一個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控控制系統(tǒng)。1962年美國(guó)Monsanto公司的乙烯廠實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)直接數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) #8197;(DDC)。1965年到1969年進(jìn)入實(shí)用階段。早期的計(jì)算機(jī)采用電子管,不僅運(yùn)算速度慢,價(jià)格昂貴,而且體積大,可靠性差,這一階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)處理和操作指導(dǎo)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)以及集成電路技術(shù)發(fā)展,出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)過(guò)程控制的高性?xún)r(jià)比的小型計(jì)算機(jī)。由于技術(shù)局限當(dāng)時(shí)硬件可靠性不高,且所有的監(jiān)視和控制任務(wù)集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上,因此危險(xiǎn)集中。為了提高可靠性,常常需要另外設(shè)置一套備用的模擬式控制系統(tǒng)或備用計(jì)算機(jī),造成投資過(guò)高,限制了其應(yīng)用發(fā)展。1970年以后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)逐漸走向成熟階段。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,1972年生產(chǎn)出運(yùn)算速度快、可靠性高、價(jià)格便宜且體積小的微型計(jì)算機(jī),從而開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的新時(shí)代,即從傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)革新為分散控制系統(tǒng) #8197;(DCS)。世界上幾個(gè)主要的計(jì)算機(jī)和儀表制造商在20世紀(jì)7080年代幾乎同時(shí)推出DCS系統(tǒng),如Honeywell的TDC-2000,日本橫河的CENTUM系統(tǒng)等。中國(guó)民族DCS于90年代初起步,代表為浙大中控 #8197;(浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化公司)的JX-100,和利時(shí) #8197;(電子部六所,華勝)的HS-2000,新華的XDPS系列等。二、控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程及類(lèi)型1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最早出現(xiàn)在過(guò)程控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用形式,是計(jì)算機(jī)參與控制的第一步。生產(chǎn)過(guò)程中的各種物理量通過(guò)各種傳感器、變換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接收的模擬或開(kāi)關(guān)量,再通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬量輸入通道或開(kāi)關(guān)量輸入通道采集到計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)完成對(duì)這些參數(shù)的運(yùn)算、變換和處理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、打印報(bào)表、參數(shù)報(bào)警等,供現(xiàn)場(chǎng)人員、指揮人員參考。2 計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開(kāi)環(huán)系統(tǒng),計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算,計(jì)算出的最優(yōu)操作條件,并不直接輸出控制生產(chǎn)過(guò)程,而是顯示或打印出來(lái)。操作人員據(jù)此改變各個(gè)控制器的給定值或操作執(zhí)行器,如此達(dá)到操作指導(dǎo)作用,常用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置的初級(jí)階段,試驗(yàn)新方案等。3 直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC)在DDC中計(jì)算機(jī)輸出直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),早期的DDC主要用于取代常規(guī)PID控制器,由于采用分時(shí)控制方式,一臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制幾十個(gè)甚至上百個(gè)控制回路。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng),DDC也容易實(shí)現(xiàn)模擬控制器難以實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律,近來(lái)由于微機(jī)控制的廣泛應(yīng)用,DDC的概念和內(nèi)容也都發(fā)生了變化,除過(guò)程控制外,還可包括輕工機(jī)械使用的微機(jī)控制、智能儀表、測(cè)控系統(tǒng)、微機(jī)控制裝置等。4 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC)與DDC的不同之處在于SCC不是用輸出信息直接控制被控對(duì)象,而是將輸出信號(hào)作為常規(guī)系統(tǒng)或DDC的設(shè)定值。采用SCC是DDC要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,采樣周期不能長(zhǎng),在較短采樣周期內(nèi)難以完成復(fù)雜的運(yùn)算,因此SCC可按工藝要求和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化等復(fù)雜運(yùn)算,將計(jì)算結(jié)果送給DDC或常規(guī)控制器。5 分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由于現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模大,設(shè)備聯(lián)系緊密,產(chǎn)品品種翻新快,信息量大,因此搞好生產(chǎn)的同時(shí)要求提高生產(chǎn)過(guò)程和管理水平,為此不僅要求計(jì)算機(jī)參與控制,而且需要配備計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)管理,因此這些計(jì)算機(jī)群相互間要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,仿照工業(yè)企業(yè)分級(jí)管理,這些計(jì)算機(jī)可構(gòu)成計(jì)算機(jī)分級(jí)控制系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)一般由管理信息系統(tǒng)(MIS)、SCC以及若干個(gè)DDC三級(jí)系統(tǒng)組成,管理信息系統(tǒng)按企業(yè)管理體制分為車(chē)間管理級(jí)、工廠管理級(jí)和公司管理級(jí)。6 集散型控制系統(tǒng) (DCS)根據(jù)分級(jí)設(shè)計(jì)的基本思想實(shí)現(xiàn)功能分離,位置分散,達(dá)到“分散控制為主,集中管理為輔”,自1975年以來(lái)DCS的硬件和軟件功能不斷完善和強(qiáng)化,但其基本結(jié)構(gòu)可分解為三大部分:過(guò)程控制站:集散控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程的界面。操作站:操作人員與DCS界面。通信系統(tǒng):過(guò)程控制站與操作站之間數(shù)據(jù)傳遞和交換的橋梁。集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng),自20世紀(jì)70年代中期第一套DCS問(wèn)世以來(lái),集散控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,越來(lái)越多的儀表和控制工程師認(rèn)識(shí)到集散控制系統(tǒng)必將成為過(guò)程工業(yè)自動(dòng)控制的主流。集散控制系統(tǒng)主要特性是集中管理和分散控制,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)使集散控制系統(tǒng)不僅用于分散控制,而且向著集成管理的方向發(fā)展,系統(tǒng)開(kāi)放使不同制造廠商的DCS產(chǎn)品可以相互進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,也使第三方軟件可以方便地在現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用。第一階段 (19751980年):分散控制。采用以微處理器為基礎(chǔ)的過(guò)程控制單元實(shí)現(xiàn)分散控制,有各種控制功能要求的算法,通過(guò)組態(tài)完成回路控制;具有自診斷功能,在硬件制造和軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用可靠性技術(shù),在信號(hào)處理時(shí)采用抗干擾措施;采用帶CRT屏幕顯示器的操作站與過(guò)程控制單元分離,實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、集中操作、系統(tǒng)信息綜合管理與現(xiàn)場(chǎng)控制相分離;采用較先進(jìn)的冗余通信系統(tǒng),用同軸電纜作為媒質(zhì)將過(guò)程控制單元的信息送到操作站和上位計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。第二階段 (19801985年):系統(tǒng)信息管理。隨著世界市場(chǎng)需求量變化,單純以連續(xù)過(guò)程控制為主已不適應(yīng),而要求過(guò)程控制單元增加批量控制功能和順序控制功能,從而推出多功能過(guò)程控制單元。隨著產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈,迫使生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化質(zhì)量和質(zhì)量管理,在操作站及過(guò)程控制單元采用16位微處理器,工廠級(jí)數(shù)據(jù)向過(guò)程級(jí)分散,高分辨率CRT、更強(qiáng)畫(huà)面顯示、報(bào)表生成和管理功能等;生產(chǎn)功能要求控制系統(tǒng)規(guī)模多樣化,要求強(qiáng)化系統(tǒng)功能,通過(guò)軟件擴(kuò)展和組織規(guī)模不同的系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,市場(chǎng)需求DCS系統(tǒng)強(qiáng)化全系統(tǒng) (下轉(zhuǎn)第頁(yè))(上接第頁(yè))信息管理,有利于多機(jī)資源共享和分散控制。第三階段:1985年以后。第二代DCS各廠商推出的產(chǎn)品為了競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)自身利益,大多采用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò);第三代DCS采用開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu),符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連的參考模型等,以太網(wǎng)通訊。為了滿(mǎn)足不同用戶(hù)需求,適應(yīng)中、小規(guī)模的連續(xù)、間歇、批量操作的生產(chǎn)裝置及電氣傳動(dòng)的需要,各制造廠開(kāi)發(fā)了中、小規(guī)模的DCS。適應(yīng)惡劣的