控制系统功能概述

一、过程控制系统的质量指标

采用先进的计算机控制系统，主要用于热源厂的生产控制、运行操作、监视管理。控制系统不仅要有可靠的硬件设备，还应有功能强大、运行可靠、界面友好的系统软件、编程软件和控制软件。

一个控制良好的系统，在经受扰动作用时，一般应平稳、快速和准确地趋近或回复到设定值。这里所讲的“平稳”是指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力。它是控制系统能正常工作的基本条件。“快速”是指动态过程进行的时间很短，“准确”是指系统最终恢复平衡状态后所能保持的精度。

由于被控过程的具体情况不同，各种系统对平稳、快速、准确的要求也有所不同。例如随动控制系统对快速性和准确性要求较高，而定值控制系统一般却侧重于平稳性和准确性。同一个系统，平稳、快速、准确是相互制约的。提高过程的快速性，可能会引起系统强烈振荡，甚至会使系统变为不稳定；改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至使准确性变差。在比较不同控制方案时，应首先规定评价控制系统优劣程度的性能指标。

二、集散控制系统概述

集散控制系统是以计算机为基础的集中分散型综合控制系统的简称。由于它在发展初期是以分散控制为主要特色的，因此，国外一般称其为分散控制系统（distributed control system,DCS）。在国内习惯称之为集散控制系统（DCS）。

集散控制系统是20世纪70年代中期发展起来的一种新型控制系统。它是计算机技术、控制技术、通信技术、图形显示（cathode ray tube,CRT）技术相结合的产物，是完成过程控制和过程管理的现代化设备。它弥补了常规过程控制仪表组成的过程控制系统的不足之处。

集散控制系统在冶金、纺织、电力、石油、化工、原子能、水处理等工业生产过程自动化中得到了广泛的应用。作为过程控制发展的新技术，集散控制系统正得到越来越多用户的赞誉。

三、DCS的体系结构

集散控制系统的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。

1.分散过程控制级

此级是直接面向生产过程的，是DCS的基础。它直接完成生产过程的数据采集、反馈控制、顺序控制等功能。其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器（温度、压力、液位）及开关量等信号，其输出驱动执行机构。构成这一级的主要装置有：①现场控制站（工业控制机）；②可编程序控制器（DCS、PLC）；③智能调节器；④其他测控装置。

2.集中操作监控级

这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。该级是面向操作员和控制系统工程师的，因此根据具体情况应配有技术手段齐备、功能强大的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持；另外还需要功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。其具体组成包括：①监控计算机；②工程师显示操作站；③操作员显示操作站。

3.综合信息管理级

这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。

4.通信网络系统

DCS各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持，根据各级的不同要求，通信网络又分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级，中速网络面向集中操作监控级，高速网络面向高速通信网络管理级。

四、DCS的特点

对一个规模庞大、结构复杂、功能全面的现代化生产过程控制系统，首先按系统结构垂直方向分解成分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，各级相互独立又相互联系；然后对每一级按功能在水平方向分成若干个子块，与一般的计算机控制系统相比，DCS具有以下特点。

1.硬件积木化

DCS采用积木化硬件组装式结构。由于硬件采用这种积木化组装结构，使得系统配置灵活，可以方便地构成多级控制系统。如果要扩大或缩小系统的规模，只需按要求在系统中增加或拆除部分单元，而系统不会受到任何影响。这样的组合方式，有利于企业分批投资，逐步形成一个在功能和结构上由简单到复杂、从低级到高级的现代化管理系统。

2.软件模块化

DCS为用户提供了丰富的功能软件，用户只需按要求选用即可，大大减少了用户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操作显示软件包和报表打印软件包等，并提供至少一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软件。

控制软件包括用户提供各种过程控制的功能，主要包括数据采集和处理、控制算法、常用运算式和控制输出等功能模块。这些功能固化在现场控制站、DCS、智能调节器等装置中。用户可以通过组态方式自由选用这些功能模块，以便构成控制系统。

操作显示软件包括为用户提供的丰富的人-机接口联系功能，能在CRT和键盘组成的操作站上进行集中操作和监视。可以选择多种CRT显示画面，如总貌显示、分组显示、回路显示、趋势显示、流程显示、报警显示和操作指导等画面，并可以在CRT画面上进行各种操作，所以它可以完全取代常规模拟仪表盘。

报表打印软件包可以向用户提供每小时、班、日、月工作报表，打印瞬时值、累计值、平均值、打印时间报警等。

过程控制语言可供用户开发高级应用程序，如最优控制、自适应控制、生产和经营管理等。如Honeywell公司的HC900的Hybrid Control Designer、Siemens公司的STEP7、Intellution公司的iFIX软件。

3.控制系统组态

DCS设计了使用方便的面向用户的编程软件，为用户提供了数百种常用的运算和控制模块，控制工程师只需按照系统的控制方案，从中选择模块，并以填表的方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的组态。系统的控制组态一般是在工程师站上进行的。填表组态方式极大地提高了系统设计的效率，解除了用户使用计算机必须编程序的困扰，这也是DCS能够得到广泛应用的原因之一。

4.通信网络的应用

通信网络是分散型控制系统的神经中枢。它将物理上分散配置的多台计算机有机地连接起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。通过高速数据通信线，将现场控制站、局部操作站、监控计算机、中央操作站、管理计算机连接起来，构成多级控制系统。

DCS一般采用同轴电缆、双绞线或光纤作为通信介质，通信距离可按用户要求从十几米到十几公里，通信速率为1～100Mbps。由于通信距离长和速度快，可满足大型企业的数据通信，实现实时控制和管理的需求。

5.可靠性高

DCS的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的元件等几方面。

五、现场控制站

1.机箱（柜）

现场控制站的机箱（柜）内部均装有多层机架，以供安装电源及各种部件之用。机柜常配有密封门、冷却扇和过滤器等，有时还配有温控开关。当机柜内温度超过正常范围时，产生报警信号。

2.电源

高效、无干扰、稳定的供电系统是现场控制站工作的重要保证。现场控制站内各功能模块所需直流电源一般有+5V、+24V等。对主机供电的电源一般均要求与现场检测仪表或执行机构供电的电源之间在电气上互相隔离，以减少相互干扰。

3.现场控制器

现场控制器是现场控制站的核心。它包括（central processunit,CPU）、存储器、输入/输出通道等，主要进行信号的采集、控制计算和控制输出。它大多数采用32位微处理器，配有浮点运算协处理器，以便扩展更为复杂的控制算法，如自整定、模糊控制和预测控制等；只读存储器（read onlymemory,ROM）用来固化控制管理的监控器程序、自诊断程序和标准算法程序等；随机存储器（random accessmemory,RAM）用来保存现场信息与运算结果等；输入/输出通道由模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道组成。模拟量输入信号一般采用4～20mA标准信号或1～5V、0～10V电压信号；模拟量输出信号采用4～20mA、0～10mA电流信号或1～5V电压信号。

4.通信控制单元

通信控制单元实现分散过程控制级与集中操作监控级的数据通信。

5.手动/自动显示操作单元

手动/自动显示操作单元作为后备安全措施，可以显示测量值、给定值、自动阀位输出值、手动阀位输出值，并具有硬手动操作功能，可直接调整输出阀值。

六、现场控制站的功能

1.数据采集功能

对过程参数，包括各类热电偶信号、热电阻信号、压力、液位、流量等信号，进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线显示、事故报警等。

2.反馈控制功能

反馈控制功能包括接受现场的测量信号，进而求出给定值与测量值的偏差，并对偏差进行PID控制运算，最后求出新的控制量，并将此控制量转换成电流送至执行机构。

3.顺序控制功能

它通过来自过程状态输入/输出信号相反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和条件，对控制的各阶段进行逐次控制。

4.信号报警功能

对过程参数设定上限值和下限值，若超过上限值和下限值则分别进行上限和下限报警；对非法的开关量状态进行报警；对出现的事故进行报警。信号报警以声音、光或通过CRT屏幕显示颜色变化表示。

七、操作员站及工程师站

1.操作员站

操作员站由工业微型计算机或工作站、工业键盘、光标控制设备（鼠标或轨迹球）、大屏幕CRT、操作控制台等硬件设备和软件组成，是系统与操作人员之间的接口。操作人员通过操作站了解生产过程的运行情况，包括各种过程参数的当前值、系统是否有异常情况等。

2.工程师站

工程师站一般由通用微型计算机工作站构成，是对系统进行离线配置、组态和在线监控以及维护的人机接口。