一、過(guò)程控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于熱源廠的生產(chǎn)控制、運(yùn)行操作、監(jiān)視管理?？刂葡到y(tǒng)不僅要有可靠的硬件設(shè)備，還應(yīng)有功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠、界面友好的系統(tǒng)軟件、編程軟件和控制軟件。

一個(gè)控制良好的系統(tǒng)，在經(jīng)受擾動(dòng)作用時(shí)，一般應(yīng)平穩(wěn)、快速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。這里所講的“平穩(wěn)”是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。它是控制系統(tǒng)能正常工作的基本條件?！翱焖佟笔侵竸?dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間很短，“準(zhǔn)確”是指系統(tǒng)最終恢復(fù)平衡狀態(tài)后所能保持的精度。

由于被控過(guò)程的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確的要求也有所不同。例如隨動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)快速性和準(zhǔn)確性要求較高，而定值控制系統(tǒng)一般卻側(cè)重于平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。同一個(gè)系統(tǒng)，平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確是相互制約的。提高過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定；改善了平穩(wěn)性，控制過(guò)程又可能很遲緩，甚至使準(zhǔn)確性變差。在比較不同控制方案時(shí)，應(yīng)首先規(guī)定評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)優(yōu)劣程度的性能指標(biāo)。

二、集散控制系統(tǒng)概述

集散控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的集中分散型綜合控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。由于它在發(fā)展初期是以分散控制為主要特色的，因此，國(guó)外一般稱其為分散控制系統(tǒng)（distributed control system,DCS）。在國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱之為集散控制系統(tǒng)（DCS）。

集散控制系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型控制系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示（cathode ray tube,CRT）技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是完成過(guò)程控制和過(guò)程管理的現(xiàn)代化設(shè)備。它彌補(bǔ)了常規(guī)過(guò)程控制儀表組成的過(guò)程控制系統(tǒng)的不足之處。

集散控制系統(tǒng)在冶金、紡織、電力、石油、化工、原子能、水處理等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中得到了廣泛的應(yīng)用。作為過(guò)程控制發(fā)展的新技術(shù)，集散控制系統(tǒng)正得到越來(lái)越多用戶的贊譽(yù)。

三、DCS的體系結(jié)構(gòu)

集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)通常為三級(jí)。第一級(jí)為分散過(guò)程控制級(jí)；第二級(jí)為集中操作監(jiān)控級(jí)；第三級(jí)為綜合信息管理級(jí)。各級(jí)之間由通信網(wǎng)絡(luò)連接，級(jí)內(nèi)各裝置之間由本級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信聯(lián)系。

1.分散過(guò)程控制級(jí)

此級(jí)是直接面向生產(chǎn)過(guò)程的，是DCS的基礎(chǔ)。它直接完成生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、反饋控制、順序控制等功能。其過(guò)程輸入信息是面向傳感器的信號(hào)，如熱電偶、熱電阻、變送器（溫度、壓力、液位）及開關(guān)量等信號(hào)，其輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。構(gòu)成這一級(jí)的主要裝置有：①現(xiàn)場(chǎng)控制站（工業(yè)控制機(jī)）；②可編程序控制器（DCS、PLC）；③智能調(diào)節(jié)器；④其他測(cè)控裝置。

2.集中操作監(jiān)控級(jí)

這一級(jí)以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，兼有部分管理功能。該級(jí)是面向操作員和控制系統(tǒng)工程師的，因此根據(jù)具體情況應(yīng)配有技術(shù)手段齊備、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及各類外部裝置，特別是CRT顯示器和鍵盤，以及需要較大存儲(chǔ)容量的硬盤或軟盤支持；另外還需要功能強(qiáng)大的軟件支持，確保工程師和操作員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、監(jiān)視和操作，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行高級(jí)控制策略、故障診斷、質(zhì)量評(píng)估。其具體組成包括：①監(jiān)控計(jì)算機(jī)；②工程師顯示操作站；③操作員顯示操作站。

3.綜合信息管理級(jí)

這一級(jí)由管理計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的綜合信息管理。綜合信息管理主要包括生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)管理。

4.通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

DCS各級(jí)之間的信息傳輸主要依靠通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)支持，根據(jù)各級(jí)的不同要求，通信網(wǎng)絡(luò)又分成低速、中速、高速通信網(wǎng)絡(luò)。低速網(wǎng)絡(luò)面向分散過(guò)程控制級(jí)，中速網(wǎng)絡(luò)面向集中操作監(jiān)控級(jí)，高速網(wǎng)絡(luò)面向高速通信網(wǎng)絡(luò)管理級(jí)。

四、DCS的特點(diǎn)

對(duì)一個(gè)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能全面的現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，首先按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)垂直方向分解成分散過(guò)程控制級(jí)、集中操作監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)，各級(jí)相互獨(dú)立又相互聯(lián)系；然后對(duì)每一級(jí)按功能在水平方向分成若干個(gè)子塊，與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比，DCS具有以下特點(diǎn)。

1.硬件積木化

DCS采用積木化硬件組裝式結(jié)構(gòu)。由于硬件采用這種積木化組裝結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)配置靈活，可以方便地構(gòu)成多級(jí)控制系統(tǒng)。如果要擴(kuò)大或縮小系統(tǒng)的規(guī)模，只需按要求在系統(tǒng)中增加或拆除部分單元，而系統(tǒng)不會(huì)受到任何影響。這樣的組合方式，有利于企業(yè)分批投資，逐步形成一個(gè)在功能和結(jié)構(gòu)上由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)。

2.軟件模塊化

DCS為用戶提供了豐富的功能軟件，用戶只需按要求選用即可，大大減少了用戶的開發(fā)工作量。功能軟件主要包括控制軟件包、操作顯示軟件包和報(bào)表打印軟件包等，并提供至少一種過(guò)程控制語(yǔ)言，供用戶開發(fā)高級(jí)的應(yīng)用軟件。

控制軟件包括用戶提供各種過(guò)程控制的功能，主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、控制算法、常用運(yùn)算式和控制輸出等功能模塊。這些功能固化在現(xiàn)場(chǎng)控制站、DCS、智能調(diào)節(jié)器等裝置中。用戶可以通過(guò)組態(tài)方式自由選用這些功能模塊，以便構(gòu)成控制系統(tǒng)。

操作顯示軟件包括為用戶提供的豐富的人-機(jī)接口聯(lián)系功能，能在CRT和鍵盤組成的操作站上進(jìn)行集中操作和監(jiān)視?？梢赃x擇多種CRT顯示畫面，如總貌顯示、分組顯示、回路顯示、趨勢(shì)顯示、流程顯示、報(bào)警顯示和操作指導(dǎo)等畫面，并可以在CRT畫面上進(jìn)行各種操作，所以它可以完全取代常規(guī)模擬儀表盤。

報(bào)表打印軟件包可以向用戶提供每小時(shí)、班、日、月工作報(bào)表，打印瞬時(shí)值、累計(jì)值、平均值、打印時(shí)間報(bào)警等。

過(guò)程控制語(yǔ)言可供用戶開發(fā)高級(jí)應(yīng)用程序，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理等。如Honeywell公司的HC900的Hybrid Control Designer、Siemens公司的STEP7、Intellution公司的iFIX軟件。

3.控制系統(tǒng)組態(tài)

DCS設(shè)計(jì)了使用方便的面向用戶的編程軟件，為用戶提供了數(shù)百種常用的運(yùn)算和控制模塊，控制工程師只需按照系統(tǒng)的控制方案，從中選擇模塊，并以填表的方式來(lái)定義這些軟功能模塊，進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)。系統(tǒng)的控制組態(tài)一般是在工程師站上進(jìn)行的。填表組態(tài)方式極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，解除了用戶使用計(jì)算機(jī)必須編程序的困擾，這也是DCS能夠得到廣泛應(yīng)用的原因之一。

4.通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

通信網(wǎng)絡(luò)是分散型控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。它將物理上分散配置的多臺(tái)計(jì)算機(jī)有機(jī)地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)、資源共享的集中管理。通過(guò)高速數(shù)據(jù)通信線，將現(xiàn)場(chǎng)控制站、局部操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、中央操作站、管理計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，構(gòu)成多級(jí)控制系統(tǒng)。

DCS一般采用同軸電纜、雙絞線或光纖作為通信介質(zhì)，通信距離可按用戶要求從十幾米到十幾公里，通信速率為1～100Mbps。由于通信距離長(zhǎng)和速度快，可滿足大型企業(yè)的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和管理的需求。

5.可靠性高

DCS的可靠性高體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余技術(shù)、自診斷功能、抗干擾措施和高性能的元件等幾方面。

五、現(xiàn)場(chǎng)控制站

1.機(jī)箱（柜）

現(xiàn)場(chǎng)控制站的機(jī)箱（柜）內(nèi)部均裝有多層機(jī)架，以供安裝電源及各種部件之用。機(jī)柜常配有密封門、冷卻扇和過(guò)濾器等，有時(shí)還配有溫控開關(guān)。當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度超過(guò)正常范圍時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

2.電源

高效、無(wú)干擾、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)控制站工作的重要保證?，F(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)各功能模塊所需直流電源一般有+5V、+24V等。對(duì)主機(jī)供電的電源一般均要求與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電的電源之間在電氣上互相隔離，以減少相互干擾。

3.現(xiàn)場(chǎng)控制器

現(xiàn)場(chǎng)控制器是現(xiàn)場(chǎng)控制站的核心。它包括（central processunit,CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出通道等，主要進(jìn)行信號(hào)的采集、控制計(jì)算和控制輸出。它大多數(shù)采用32位微處理器，配有浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，以便擴(kuò)展更為復(fù)雜的控制算法，如自整定、模糊控制和預(yù)測(cè)控制等；只讀存儲(chǔ)器（read onlymemory,ROM）用來(lái)固化控制管理的監(jiān)控器程序、自診斷程序和標(biāo)準(zhǔn)算法程序等；隨機(jī)存儲(chǔ)器（random accessmemory,RAM）用來(lái)保存現(xiàn)場(chǎng)信息與運(yùn)算結(jié)果等；輸入/輸出通道由模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸出通道組成。模擬量輸入信號(hào)一般采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或1～5V、0～10V電壓信號(hào)；模擬量輸出信號(hào)采用4～20mA、0～10mA電流信號(hào)或1～5V電壓信號(hào)。

4.通信控制單元

通信控制單元實(shí)現(xiàn)分散過(guò)程控制級(jí)與集中操作監(jiān)控級(jí)的數(shù)據(jù)通信。

5.手動(dòng)/自動(dòng)顯示操作單元

手動(dòng)/自動(dòng)顯示操作單元作為后備安全措施，可以顯示測(cè)量值、給定值、自動(dòng)閥位輸出值、手動(dòng)閥位輸出值，并具有硬手動(dòng)操作功能，可直接調(diào)整輸出閥值。

六、現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能

1.數(shù)據(jù)采集功能

對(duì)過(guò)程參數(shù)，包括各類熱電偶信號(hào)、熱電阻信號(hào)、壓力、液位、流量等信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、變換、處理、顯示、存儲(chǔ)、趨勢(shì)曲線顯示、事故報(bào)警等。

2.反饋控制功能

反饋控制功能包括接受現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量信號(hào)，進(jìn)而求出給定值與測(cè)量值的偏差，并對(duì)偏差進(jìn)行PID控制運(yùn)算，最后求出新的控制量，并將此控制量轉(zhuǎn)換成電流送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.順序控制功能

它通過(guò)來(lái)自過(guò)程狀態(tài)輸入/輸出信號(hào)相反饋控制功能等狀態(tài)信號(hào)，按預(yù)先設(shè)定的順序和條件，對(duì)控制的各階段進(jìn)行逐次控制。

4.信號(hào)報(bào)警功能

對(duì)過(guò)程參數(shù)設(shè)定上限值和下限值，若超過(guò)上限值和下限值則分別進(jìn)行上限和下限報(bào)警；對(duì)非法的開關(guān)量狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警；對(duì)出現(xiàn)的事故進(jìn)行報(bào)警。信號(hào)報(bào)警以聲音、光或通過(guò)CRT屏幕顯示顏色變化表示。

七、操作員站及工程師站

1.操作員站

操作員站由工業(yè)微型計(jì)算機(jī)或工作站、工業(yè)鍵盤、光標(biāo)控制設(shè)備（鼠標(biāo)或軌跡球）、大屏幕CRT、操作控制臺(tái)等硬件設(shè)備和軟件組成，是系統(tǒng)與操作人員之間的接口。操作人員通過(guò)操作站了解生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行情況，包括各種過(guò)程參數(shù)的當(dāng)前值、系統(tǒng)是否有異常情況等。

2.工程師站

工程師站一般由通用微型計(jì)算機(jī)工作站構(gòu)成，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離線配置、組態(tài)和在線監(jiān)控以及維護(hù)的人機(jī)接口。