計算機控制系統(tǒng)的應用及發(fā)展

1、第一章計算機過程控制系統(tǒng)的應用與發(fā)展21.1 計算機過程控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧21.2 計算機過程控制系統(tǒng)的分類21.3 計算機過程控制系統(tǒng)國內外應用狀況51.4 計算機過程控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢6第二章國內油田計算機控制系統(tǒng)應用軟件現狀及發(fā)展趨勢72.1 基于PC總線的控制系統(tǒng)應用軟件72.2 基于各種PLC控制系統(tǒng)的應用軟件72.3 中小規(guī)模的DCS控制系統(tǒng)組態(tài)軟件82.4 計算機控制系統(tǒng)應用軟件的發(fā)展趨勢8   第一章計算機過程控制系統(tǒng)的應用與發(fā)展在石油、化工、冶金、電力、輕工和建材等工業(yè)生產中連續(xù)的或按一定程序周期進行的生產過程的自動控制稱為生產過程自動化。生產過程自動化是

2、保持生產穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進文明生產、保證生產安全和提高勞動生產率的重要手段，是20世紀科學與技術進步的特征，是工業(yè)現代化的標志。凡是采用模擬或數字控制方式對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制就稱為過程控制。過程控制系統(tǒng)可以分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)與計算機過程控制系統(tǒng)兩大類。隨著工業(yè)生產規(guī)模走向大型化、復雜化、精細化、批量化，靠儀表控制系統(tǒng)已很難達到生產和管理要求，計算機過程控制系統(tǒng)是近幾十年發(fā)展起來的以計算機為核心的控制系統(tǒng)。1.1計算機過程控制系統(tǒng)的發(fā)展回顧世界上第一臺電子數字計算機于1946年在美國問世。經歷了十多年的研究，1959年世界上第一臺過程控制計

3、算機TRW-300在美國德克薩斯的一個煉油廠正式投入運行。這項開創(chuàng)性工作為計算機控制技術的發(fā)展奠定了基礎，從此，計算機控制技術獲得了迅速的發(fā)展?；仡櫣I(yè)過程的計算機控制歷史，經歷了以下幾個8寸期：(1)起步時期(20世紀50年代)。20世紀50年代中期，有人開始研究將計算機用于工業(yè)過程控制。(2)試驗時期(20世紀60年代)。1962年，英國的帝國化學工業(yè)公司利用計算機完全代替了原來的模擬控制。(3)推廣時期(20世紀70年代。隨著大規(guī)模集成電路(LSI)技術的發(fā)展，1972年生產出了微型計算機(mierocomputer)。其最大優(yōu)點是運算速度快，可靠性高，價格便宜和體積小。(4)成熟時期(

4、20世紀80年代)。隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術的飛速發(fā)展，使得計算機向著超小型化、軟件固定化和控制智能化方向發(fā)展。80年代末，又推出了具有計算機輔助設計(CAD)、專家系統(tǒng)、控N*0管理融為一體的新型集散控制系統(tǒng)。(5)進一步發(fā)展時期(20世紀90年代)。在計算機控制系統(tǒng)進一步完善應用更加普及，價格不斷下降的同時，功能卻更加豐富，性能變得更加可靠。1.2計算機過程控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的應用領域非常廠泛，計算機可以控制單個電機、閥門，也可以控制管理整個工廠企業(yè)；控制方式可以是單回路控制，也可以是復雜的多變量解耦控制、自適應控制、最優(yōu)控制乃至智能控制。因而，它的分類方法也是多樣的

5、，可以按照被控參數、設定值的形式進行分類，也可以按照控制裝置結構類型、被控對象的特點和要求及控制功能的類型進行分類，還可以按照系統(tǒng)功能、控制規(guī)律和控制方式進行分類。常用的是按照系統(tǒng)功能分類。分為以下幾類：（1）基于PC總線的板卡與工控機的計算機控制系統(tǒng)：是一個典型的DDC控制系統(tǒng)（2）基于數字調節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)：數字調節(jié)器是一種數字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數字量I/O通道、電源等部分構成的一個微型計算機系統(tǒng)。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調節(jié)器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級控制、前饋控制等。（3）基于PLC

6、的計算機控制系統(tǒng)：      PLC是微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物,是一種進行數字運算的電子系統(tǒng)，是能直接應用于工業(yè)環(huán)境下的特殊計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅動能力，能夠較好地解決工業(yè)控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。（4）基于嵌入式系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)      嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式

7、操作系統(tǒng)及用戶應用程序等四部分組成，用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。      應用嵌入式系統(tǒng)，要求針對特定應用、特定功能開發(fā)特定系統(tǒng)，即要求系統(tǒng)與所嵌入的應用環(huán)境成為一個統(tǒng)一的整體，具有緊湊、高可靠性、實時性好、低功耗等技術特點，因此就必須研究它的獨特的設計方法和開發(fā)技術，這是嵌入式系統(tǒng)成為一個相對獨立的計算機研究領域的原因。（5）集散控制系統(tǒng)（DCS）  為滿足大型工業(yè)生產要求，以微型計算機為基礎，從綜合自動化的角度，按分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設計原則而設計的一種集散型綜合控制系統(tǒng)，廣泛用于模

8、擬量回路控制較多的行業(yè)，盡量將控制所造成的危險性分散，而將管理和顯示功能集中。 先進的分散型控制系統(tǒng)將以CIMS/CIPS為目標，以新的控制方法、現場總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網絡等新技術，為用戶實現過程控制自動化相結合的管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。（6）現場總線控制系統(tǒng)（FCS）   FCS（Fieldbus Control System）是一種以現場總線為基礎的分布式網絡自動化系統(tǒng)，它既是現場通信網絡系統(tǒng)，也是現場自動化系統(tǒng)。   作為一種現場通信網絡系統(tǒng)，FCS具有開放式數字通信功能，可與各種通信網絡互連；作為一種現

9、場自動化系統(tǒng)，FCS把安裝于生產現場的具有信號輸入、輸出、運算、控制和通信功能的各種現場儀表或現場設備作為現場總線的節(jié)點，并直接在現場總線上構成分散的控制回路。（7）計算機集成制造/過程系統(tǒng)（CIMS/CIPS）CIMS是基于1973年美國Dr.Joseph HarringtonComputer Integrated Manufacturing博士論文中提出的CIM概念而構成的一種現代制造系統(tǒng)。1）企業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，即從市場分析、產品設計、加工制造、經營管理到售后服務的全部生產活動，彼此是緊密連接的，是一個不可分割的整體，應該在企業(yè)整體框架下統(tǒng)一考慮各個環(huán)節(jié)的生產活動；2）整個生產過程的實質

10、是一個數據的采集、傳遞和加工處理的過程，最終形成的產品可以看作是“數據”的物質表現。它是以數據庫為核心，任何終端都需通過企業(yè)內的控制局域網絡和管理局域網絡與數據庫交換數據、信息、知識。數據庫由實時數據庫和關系數據庫組成，實時數據庫用來存儲工業(yè)現場數據、系統(tǒng)運行狀況信息、先進控制和過程優(yōu)化指令等；關系數據庫用于企業(yè)ERP層的支持，并可存放實時數據庫中的永久性數據。管理局域網絡對內與關系數據庫連接，對外與Internet 連接，是企業(yè)管理信息化的物理載體。1.3計算機過程控制系統(tǒng)國內外應用狀況近十幾年，過程控制系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，由于集散控制系統(tǒng)是這一領域的主導發(fā)展方向，各國廠商都在這一市場不斷推陳

11、出新。美國和日本的產品代表兩個主要的發(fā)展方向：美國廠商重點推出開放型集散系統(tǒng)，加速研制現場總線產品，推廣應用智能變送器；日本廠商則著重發(fā)展高功能集散系統(tǒng)，從軟件開發(fā)入手，挖掘軟件工作的潛力，強調控制功能和管理功能的結合。20世紀80年代，比較著名的大型集散控制系統(tǒng)新產品有：美國Honeywell公司的TDC一3000，Foxboro公司的VAS，Bailey公司的INn一9o，日本橫河公司的CENTRUM XL，英國Oxford Automation公司的SYSTEM一86，德國Siemens公司的TELEPERM系統(tǒng)等等。這些都屬于第三代DCS，控制點可達到一萬點以上，系統(tǒng)結構接近標準化，采

12、用局域網技術。它的主要改變是在局域網絡方面，采用了符合國際標準化組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互連的參考模型。因此，在符合開放系統(tǒng)的各制造廠商產品間可以互相連接、互相通訊和進行數據交換，第三方的應用軟件也能在系統(tǒng)中應用，從而使集散控制系統(tǒng)進入了更高的階段。在2o世紀9o年代初，隨著對控制和管理要求的不斷提高，第四代集散控制系統(tǒng)以管控一體化的形式出現。它在硬件上采用了開放的工作站，使用mSc替代CISC，采用了客戶機服務器(ClientServer)的結構。在網絡結構上增加了工廠信息網(Intranet)，并可與國際信息網(IntemeO 聯網。在軟件上則采用UNIX系統(tǒng)和XWindows的圖形用戶

13、界面，系統(tǒng)的軟件更豐富。同時，在制造業(yè)，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)得到了應用，使人們看到了應用信息管理系統(tǒng)的經濟效益。隨著現場總線技術的出現，在世界上引起了廣泛重視，各大儀表制造廠商紛紛在自己的DCS系統(tǒng)中融7、現場總線技術，推出現場總線控制系統(tǒng)及相應的現場總線儀表裝置。第四代集散控制系統(tǒng)的典型產品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，橫河公司CENTE R CS控制系統(tǒng)，Foxboro公司lAS 5051系列控制系統(tǒng)，ABB公司Advant系列OCS開放控制系統(tǒng)等。這代集散控制系統(tǒng)主要是為解決DCS系統(tǒng)的集中管理而研制，它們在信息的管理、通訊等方面提供了綜合的解決方案。1.4 計算機

14、過程控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢計算機控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢和強大的功能，已在過程控制領域得到廣泛的應用。同時，隨著計算機軟硬件技術和通訊技術的飛速發(fā)展，新的控制理論和新的控制方法也層出不窮。展望未來，它的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。(1)大力推廣應用成熟的先進技術。普及應用具有智能VO模塊的、功能強、可靠性高的可編程控制器(PLC)，廣泛使用智能化調節(jié)器，采用以位總線(Bitbus)、現場總線(Fieldbus)技術等先進網絡通訊技術為基礎的新型DCS和FCS控制系統(tǒng)。(2)大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)。智能控制是一種無需人的干預就能夠自主地驅動智能機器實現其目標的過程，也是用機器模擬人類智能的又一重要領域

15、。智能控制系統(tǒng)的類型主要包括：分級梯階智能控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、學習控制系統(tǒng)、人工神經網絡控制系統(tǒng)和基于規(guī)則的仿人工智能控制系統(tǒng)等。(3)控制與管理結合，向低成本自動化(1ow CostAutomation，LCA)方向發(fā)展。LCA是一種以現代技術實現常規(guī)自動化系統(tǒng)中的主要的、關鍵的功能，而投資較低的自動化系統(tǒng)。在DCS和FCS的基礎上，采用先進的控制策略，將生產過程控制任務和企業(yè)管理任務共同兼顧，構成計算機集成控制系統(tǒng)(ciPs)，可實現低成本綜合自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展?？傊?，由于計算機過程控制在控制、管理功能、經濟效益等方面的顯著優(yōu)點，使之在石油、化工、冶金、航天、電力、紡織

16、、印刷、醫(yī)藥、食品等眾多工業(yè)領域中得到廣泛的應用。計算機控制系統(tǒng)將會隨著計算機軟硬件技術、控制技術和通訊技術的進一步發(fā)展而得到更大的發(fā)展，并深入到生產的各部門。第二章 國內油田計算機控制系統(tǒng)應用軟件現狀及發(fā)展趨勢最近lO年來，隨著計算機技術和大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，特別是WINDOWS平臺的出現、成熟和壯大在該平臺上涌現出許多優(yōu)秀的應用軟件。根據油田工藝過程和生產特點，國內油田控制系統(tǒng)的操作平臺大部分采用DOS或WINDOWS。近幾年來，隨著WINDOWS的大規(guī)模普及和性能的不斷完善已被大部分軟件開發(fā)商認同。原先基于DOS的開發(fā)商逐漸在向WINDOWS轉移。油田控制系統(tǒng)的硬件主要分為三大

17、類：第一類是基于工業(yè)PC總線的控制系統(tǒng)；第二類是基于各種可編程邏輯控制器，簡稱PLC；第三類是中小型的DCS控制系統(tǒng)。下面基于以上三類主要硬件控制系統(tǒng)，簡單介紹相應應用軟件的現狀及發(fā)展趨勢2.1 基于PC總線的控制系統(tǒng)應用軟件PC 總線是較早成功運用在油田的控制系統(tǒng)，相應的應用軟件的種類很多，主要分為兩類：通用的開發(fā)軟件和專用的工控組態(tài)軟件。通用的開發(fā)軟件工具包括：匯編語言、C、BASIC等用于DOS平臺，匯編語言主要用于硬件ItO的輸入、輸出和有特殊要求的編程；BORLANDc+ +、MC+、VB、DELPHI等，用于WIND0WS平臺。在DOS平臺上應用軟件通常是把用戶的源代碼和硬件供貨商

18、提供的IO驅動代碼(一般是源代碼方式或OBJ文件方式)，通過鏈接編譯形成執(zhí)行文件：該方式的缺點是軟件開發(fā)者花費大量的時間和精力設計人機接口，但人機接口仍不夠友好，同時程序的維護性和移植性均不好。在WINDIWS平臺上，硬件供貨商提高了IlO板的各種驅動程序如源代碼、0BJ文件、l6位或32位的DLL、以及提供VB和DELPHI直接使用OCX控件等這樣，開發(fā)者直接利用WINDOWS提供的良好人機界面和易于使用的驅動程序，如DLL和OCX控件。該方式的優(yōu)點是開發(fā)效率高，特別是適合應用在有特殊控制算法和要求且控制點較少的場合；缺點是當要求管理較大規(guī)模的數據量時，編程、維護和移植效率降低。2.2 基于

19、各種PLC控制系統(tǒng)的應用軟件PLC因其卓越的性能價格比在油田控制系統(tǒng)得到大規(guī)模的應用，如MODICON、SIEMENS、OMRON、GE FANUC、AB等。使用PLC構成控制系統(tǒng)，一般涉及兩套應用軟件，即上位機軟件和下位機軟件。下位機軟件一般與PLC硬件對應，不同的PLC有不同的下位機軟件。通常使用一種叫梯形圖的控制軟件。例如，對于OMRON PLC，使用下位機軟件為LSS (LADDER SuRPPORT S0兀wARE)；對于GE GANUC PLC，使用的軟件為LMgO (LOGICMASTER 90)；對于MODICON，使用的軟件為M0DS0FT或CONCEPT；對于SIEMENS

20、 PLC，使用的軟件為STEP'等等。這些軟件功能大同小異，一般均具有開關量的邏輯控制功能，如LD、OUT、AND、OR、DIFII、DIFD、COUNTE R和TIMER等等，其數學運算能力因CPU的能力不同雨不同。對于較復雜的順序控制，可使用一種順序功能圖的開發(fā)組態(tài)軟件SFC (Sequential Function Chart)或功能塊圖FBD(Function Block Diagram)。例如，GE GANUC和SIEMENS公司都提供了順序功能圖SFC的可選軟件包，MODICON公司的CONCEPT軟件則全部提供了SFC和FBD的功能。2.3 中小規(guī)模的DCS控制系統(tǒng)組態(tài)軟

21、件DCS系統(tǒng)主要用于油田規(guī)模較大、控制要求及可靠性較高的聯合站、深度污水處理站和西部自動化要求較高的油田。使用的DCS系統(tǒng)多為HONFYWELL公司生產的各種型號的DCS系統(tǒng)和英國歐陸DCS系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的組態(tài)軟件具有強大的組態(tài)功能，如SFC、CCC、FBD和梯形圖軟件。最重要是，均有一個上下位機統(tǒng)一的數據表，因此可根據不同的控制要求，采用最合適的組態(tài)編程方式，而變量可在不同的蛆態(tài)編程環(huán)境中直接引用，使用起來非常方便。但是，由于PLC技術的不斷發(fā)展，特別是當各種軟件技術如IEC1131、OPC技術的成熟，使得PLC控制系統(tǒng)的性能不斷逼近DCS系統(tǒng)，而性能價格比要優(yōu)越得多。2.4 計算機控制系統(tǒng)

22、應用軟件的發(fā)展趨勢根據目前油田計算機控制系統(tǒng)應用軟件的現狀。計算控制系統(tǒng)應用軟件發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：由DOS平臺向WINDOWS平臺轉移；向標準化方向發(fā)展；各種軟件技術相互借鑒，相互發(fā)展；向智能化開放性發(fā)展；控制和管理系統(tǒng)集成；網絡技術和多媒體集成。DOS平臺的單任務使其可靠性很高，今后在油田某些控制規(guī)模較小的系統(tǒng)仍會使用。由于WINDOWS良好的人機界面，標準化技術，如DLL、DDE、OCX和OLE等，強占式多任務技術和不斷加強的可靠性。在油田得到越來越多的運用。從最近幾年來看，計算機控制系統(tǒng)應用軟件使用的平臺幾乎全部是WINDOWS 95tNT。DLLL、DDE是早期WINDOWS提供的標準化技術，如果提供一套DLL驅動程序，任何人均可使用它，且可獲得較為一致的性能；DDE則是一種程序間實時交換數據的標準協(xié)議，幾乎所有的組態(tài)軟件提供DDE組件WINDOWS的圖形化界面也是一種標準化技術；OPC技術是近幾年發(fā)展起來的標準化技術。根據該技術，每一種硬件只需要一種OPC驅動程序，這必將降低軟件的成本，而工程技術人員也只須掌握使用該驅動程