分布式控制系统(DCS)设计与应用实例(第3版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-06-19 03:14:03

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作者:王常力

出版社:电子工业出版社

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分布式控制系统(DCS)设计与应用实例(第3版)

分布式控制系统(DCS)设计与应用实例(第3版)试读:

第3版前言

本书第1版发行于2004年,当时正值我国经济高速发展的时期,在党的十六大明确提出的“以信息化带动工业化,以工业化促进信息化”方针指引下,我国的自动化行业也得到了快速发展。这一指示不仅为工业化和信息化的发展指明了方向,同时也对信息化和工业化的发展提出了新的要求。从2004年到现在,时间已经过去了12年,在此期间,我国的经济持续高速发展,新一代信息通信技术(ICT)飞速发展,加快向工业领域渗透和扩散,而以自动化技术为代表的我国先进制造和高科技产业也有了长足的进步。在此期间,本书在2010年出版了第2版,重点对控制算法及针对不同被控对象的系统需求进行了修改和增补。现在第3版在第2版的基础上,重点对DCS走向开放性、信息化及智能化的过程中出现的功能安全、信息安全问题及相应对策进行了修改和增补。另外,对实际应用案例进行了较全面的更新,以尽量反映出当前最新DCS应用的特点及技术的发展。可以说,这本书是以作者为代表的一部分自动化产业从业人员对这个行业的认识、对其技术走向和发展规律的体会,以及对实践经验的总结,因此不断有新的内容增加进来,每次我们都会给读者提供更新鲜的实例。

同时,我们还要感谢广大读者的厚爱,正是读者不弃,才坚定了我们更新第3版的信心,让我们在平时的技术研发和工程实践中不断积累、总结和提高。这本书的第3版也是向广大读者、专家、同行和领导的一次汇报,希望大家能够继续给予我们的批评与指正,以使我们能够不断提高。

众所周知,自动化产业是随着工业化的产生和发展而逐步形成的。在工业化的早期,自动化设备只是处于工业化大生产设备的附属地位,其作用是为生产设备服务,使其能够稳定、快速、安全地进行生产。随着社会对工业化生产要求的不断提高,以及生产设备的不断进步,自动化设备扮演着越来越重要的角色。现在,生产效率、加工制造的精确度、产品质量、原材料和能源的消耗、生产过程对环境的影响等方面,无一不是与自动化技术的不断进步密切相关的。目前,我们又面临新一轮的产业升级。新的社会需求,要求工业生产、加工制造走向个性化、多样化和定制化,要求生产密切结合需求,即最近党中央提出的“供给侧改革”的长远目标。这就要求自动化设备具备全面的智能化、信息化特性。在这里,自动化设备已经不再附属于生产设备,而是要对生产设备起到引领、控制和管理作用。而自动化系统在逐步走向信息化、智能化的过程中,必然遇到新的问题,如海量信息的管理和有效利用;大数据、云技术与控制技术如何有机结合;目前日益严重的信息安全问题如何解决等。很显然,这是今后很长一段时期内自动化技术的发展方向,这也是一项非常艰巨的任务,可以说任重而道远。

本书自2004年第1版发行至今,历经两次修订。在长达12年岁月的洗礼后,本书不但没有被埋没以致无人问津,反而因其经得起考验的实用性、及时性和开放性,被广大DCS开发及工程设计人员奉为必不可少的技术工具书之一,历久弥新。这本书几个版本的更新也反映了中国的自动化产业从简单模仿,到学习消化,进而自主发展的历程。书中的内容从初期较多地介绍国外自动化系统和技术,到目前越来越多地加入了我们自己对自动化技术的理解和实践,这也如实反映了我国自动化产业的发展历程。

在本书的最后一章,我们仍然如前两个版本一样,给出了多个最新的、能够反映我国自动化系统应用水平的案例,相信这些案例能够为广大读者提供有益的参考。这源于我们的工程技术人员在自动化领域的深耕细作,更源于那些青出于蓝而胜于蓝的后起才俊们对DCS技术的不辍探索和对DCS实践经验的无私分享。

在本书第3版编写过程中,得到了多位同仁的帮助,在此表示由衷的感谢!编者第1章DCS基本原理和发展历程1.1 什么是DCS

DCS是英文Distributed Control System的缩写,直译为“分布式控制系统”。从字面上看,DCS的主要用途是进行控制,而系统的结构则是分布式的,是一种分布结构的控制系统。这种说法虽然没有错,但要对DCS做更深入的了解和理解,还必须搞清楚DCS所进行的是什么样的控制,它是如何进行控制的,其控制特点是什么,其结构特点又是什么,分布的实际及具体含义是什么等各个方面的问题。

在开始介绍DCS之前,很有必要首先介绍一下工业控制过程的分类,正确地理解工业控制过程的分类,有助于真正地理解各种工业控制系统的来龙去脉,并且通过对控制系统发展历史的了解,搞清楚DCS出现的背景、环境、条件及技术渊源等问题,这样才能够更加深刻和准确地理解什么是DCS,并且进一步掌握控制系统的发展趋势,对DCS将向什么方向继续发展有更加明确的认识。1.2 控制系统概述

控制是在我们在日常生活中经常接触到的问题,可以说在现代生活中到处都离不开控制,如骑自行车要控制平衡和方向,空调、电冰箱要控制温度,洗衣机要控制洗涤时间和水量,等等。这些控制有些是由人自己(如骑自行车的人)实现的,有些则是通过某些控制装置实现的,这些都可称为控制系统。我们在这里所研究的,是在工业生产过程中所遇到的控制问题及其解决方案、实现控制所使用的设备和系统,以及在实施控制系统的过程中将会遇到的问题和如何解决这些问题等。目前有关控制的书籍很多,人们在日常的生活和工作中也常常谈到控制,但对于什么是控制,却有各自不同的理解。一般来说,控制包括了两个概念,一个是“如何控制”,如一辆汽车,可以用增减燃油的喷射量的方法去控制速度;另一个是“如何实现控制”,如通过控制油门的大小来增减燃油喷射量。“如何控制”研究的是控制原理和控制方法,而“如何实现控制”则是研究使控制原理、控制方法成为事实的具体设备。DCS就是一种针对工业生产过程实现控制原理和控制方法的具体设备,本书主要讲述DCS的构成、各种不同类型控制的实现过程,以及具体DCS应用工程的设计与实施。

根据工业生产所使用的原材料和产成品的形态,可以将工业生产分为三种典型的过程:连续过程(Continuous Process)、离散过程(Discrete Process)和批量过程(Batch Process)。

连续过程是指工业生产所使用的原材料及其产成品为不可以计数的流体,如液体、气体等,这样的物料需要使用容器或管道进行输送,而其计量也不可以使用计数,只能采用适当的计量单位,如立方米、千克等。这类工业过程的输入/输出变量为时间连续和幅度连续的量,其生产方式也是连续不断的,生产过程一旦建立,就可以连续地将原材料加工为产成品,其生产过程的输入/输出和排放遵循物质不灭和能量守恒定律。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。石油炼制、化肥生产等过程都是典型的连续过程。电力的生产也是一种连续过程,不同的是电力生产所产生的产品是电能,其输送使用的是导线,而计量单位则是电流、电压、功率(kW——千瓦)和功(kWH——千瓦时)等。以连续过程为主要特征的生产行业被习惯性地称为流程工业。在国际上,过程控制(Process Control)和过程自动化(Process Automation)指的一般都是对连续过程的控制和自动化。

与连续过程相对应,离散过程指的是工业生产所使用的原材料和产成品都是“固态”的、按件计量的,其过程的输入/输出变量为时间离散和幅度离散的量,如物料的数量、位置、状态等。例如,玩具的主要生产过程可以看成是一个离散过程。以离散过程为主要特征的生产行业被习惯性地称为制造业,针对制造业的控制有离散控制(Discrete Control)、逻辑控制(Logical Control)、顺序控制(Sequence Control)、运动控制(Motion Control)等。由于制造过程根据行业的不同有很多种控制方法,因此难以给出简单的几种典型输入/输出变量。面向制造业的自动化系统一般称为工厂自动化(Factory Automation)。

实际上,一个完整的生产过程,一般都是连续过程和离散过程的混合体。比如,在啤酒的生产过程中,发酵过程是一个连续过程,但啤酒最后灌装成瓶及成瓶以后的过程又是离散过程。针对这类过程的控制,被称为混合控制(Hybrid Control)。一些大型的生产装置,如水泥生产装置,其中有一部分是连续过程,而另一部分则是离散过程,对这类生产装置的控制也是混合控制。而在工业生产当中,有相当数量的生产是以“批量”方式进行的,对这种批量生产过程的控制就是一种典型的混合控制。

所谓批量过程,指的是一种周期性重复的生产过程,大部分制药、食品、饮料的生产过程都是批量过程。这种生产方式是将原料按照一定的配比放入反应容器,在一定反应条件下产生出成品,然后将反应容器清空,再进行下一批产品的生产。在这里,反应过程是连续过程,而批次间的处理,如清空反应容器、清洗、配料等又都是离散过程。由于批量过程的特点,利用同样的生产装置,可以在不同的时间段,根据不同的配方和生产工艺生产出不同的产品,因此配方控制(Recipe)在批量过程中起着关键性的作用。批量过程的特点是连续过程和离散过程交替进行,每个批次之间的处理、配方的切换和生产工艺的改变(如果需要)是离散过程,而此后的生产过程又是一个连续过程。1.2.1 控制系统的基本组成

在一个控制系统中,必不可少的组成部分有三个:被控对象(即生产过程)、控制设备或装置、人。在这三个部分中,人是起主导作用的——生产过程是为满足人的需求而建立的,生产的程序、步骤及工艺等是人设计的,在整个生产过程中,要进行哪些控制、如何进行控制及控制的方法是什么,都是由人决定的。在某些情况下,人也直接参与控制(请参见本书有关监督控制的内容)。

被控对象则是实施生产过程的主体。不论何种控制装置,其控制作用都是围绕生产过程发生的。如果离开了生产过程,控制装置就失去了存在的意义,因此,控制装置是从属于生产过程的,但对生产过程又产生着巨大的反作用力,使得完成生产过程的主体,如各类加工机械、发电机、锅炉、化工反应装置、电力或油气输送管道等,能够更加安全、高效、稳定及可靠地运行。在上面讲到的连续过程、离散过程和混合过程,都是在描述被控对象的特点。

控制装置是控制系统的核心,所有控制作用都是由控制装置实现的,一个控制系统能否顺利地实现其控制目标,完成复杂的控制功能,主要看控制装置是否稳定可靠并具有优异的性能。因此人们在控制装置的研究方面给予了巨大投入,而且,随着生产效率的不断提高、生产规模的不断扩大、产品质量要求的不断提高,控制装置的作用越来越显得重要,在某些情况下甚至超过了生产设备,因为在使用同样生产设备的情况下,通过改进控制装置就可实现生产效率和产品质量的提高。由于控制装置的重要性,在很多场合,人们不再以被控对象、控制装置和人这三部分的总和作为控制系统的定义,而是直接将控制装置定义为控制系统,即认为控制系统是由围绕实施控制所必需的测量、计算及执行等各个环节所组成的。这实际上是对直接控制系统的定义,而有人参与的控制则被定义为监督控制系统(详见第1.2.7节的描述)。

直接控制系统定义为以下三个要素的集合。(1)测量方法和测量装置;(2)控制方法(包括算法)和运算处理装置;(3)执行方法和执行装置。

在这三个要素中,方法是软件(这里的软件是指解决方案,而不是指程序代码),虽然软件是无形的,但它是控制系统的主宰,决定了控制系统的功能和性能,各种装置则是硬件,是实现方法的手段。所有有关软件和硬件的结合,构成了控制系统的各个组成部分,以下简要介绍这些组成部分。1.2.2 测量方法和测量装置

作为控制装置的作用目标,被控对象有其自身的运行状态,这些状态是生产过程的表征,控制系统将通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程。一个被控对象能够被测量(即通过可行的方法进行测量,并通过测量数据准确及时地判断出被控对象的状态)的难易程度,称为该被控对象的可测性。

表征生产过程状态的量有很多种,如温度、湿度、压力、流量、液位、密度、重量、体积、电流、电压、功率、速度、位置、亮度、接通/关断的状态、开关的分/合状态、零件所在工序的表示及物体有/无的表示,等等,所有这些量都被称为过程量,但这些过程量的性质有很大的不同。一般来说,过程量可分为模拟量和开关量两大类。1.模拟量

模拟量是表达物理过程或物理设备量值的一种连续变化的量,其数值随时间变化而变化,表现为一个时间的函数。模拟量最大的特点是连续性,即在其随时间变化的曲线上的任意一点均可求导,不存在拐点。这个特点的物理意义是:这类物理量的变化是一个渐变的过程,无论该物理量的变化有多快,都会有一个过渡过程,其取值可有无穷多个。后面将要讲到的模拟量采样率就是根据这个特点确定的。我们在上面所提到的温度、湿度、压力、流量、液位、密度、重量、体积、电流、电压、功率、速度、位置及亮度等量都被归类于模拟量。

模拟量还可细分为两种:瞬时量和累积量。瞬时量(或瞬时值)是指该物理量在测量的时刻所具有的值,这个时刻一旦过去,该物理量的值就会改变。温度、压力等物理量都是瞬时量。而累积量则表明该物理量随时间的前进而不断增长的积累,是某瞬时量对时间的积分。如液体的体积,是流量和时间的乘积(在流量恒定条件下);电能(在工程上称为电度)是电功率与时间的乘积(在电功率恒定条件下),等等。在工程上,对瞬时量和累积量有不同的测量设备,并采用不同的测量方法和手段。

测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节,一般通过敏感元件或检测元件来实现测量,如压力传感器、流量传感器、温度传感器(热电偶或热电阻)、电流传感器、电压传感器、功率传感器、在运动控制中的速度及位置传感器,等等。传感器一般使用物理或化学原理来感知各种状态,传感器的输出一般是一个可以被控制系统的核心部件——运算处理装置所处理的信号,由于传感器所测量的状态包括了各种不同的物理、化学量,而运算处理装置则要求这些量是一种标准的、规范的表现形式,如电流、电压及气压等,因此往往通过变送器予以变换,形成符合一定标准的统一信号,一般称为测量值。

在数字式控制系统中,由于要直接用数字来表达各个物理量值,为此需要进行模拟量到数字量的转换,从电流、电压等模拟信号变换成数字的测量值。2.开关量

开关量是一种表示物理过程或设备所处状态的量,也可直接称为状态量。典型的开关量只有两个取值,如电力开关的分与合、截断阀门的通与断、某压力容器中气体压力是处于安全压力以下还是达到或超过安全压力等。这类物理量也可有多个取值,如具有多个绕组抽头的电力变压器当前的分接头位置、一台多工位的机器当前所处的工位等。尽管可以有多个取值,但开关量取值的数量是有限的,这一点与模拟量有着本质的不同。

和模拟量一样,在控制系统中,各种开关量也需要转换成标准信号,一般用电平的高或低表达不同的状态,在数字控制系统中,则采用二进制位的0或1表达开关量的状态。对于多状态的开关量,可采用多个二进制位来表达,如用两个二进制位可表达四种状态,用三个二进制位可表达八种状态,等等。

在工程上,对于开关量的测量是通过继电器接点、行程开关等装置实现的。3.SOE量

SOE是Sequence of Event的缩写,它是一种特殊的开关量,这种开关量仅在现场设备的状态出现变化时产生,其中不仅要表示出现场设备改变后的状态,还要记录该状态出现改变的准确时间,一般要精确到毫秒。SOE的作用是当现场设备因某种原因(一般是出现某种故障时)产生了一系列状态变化,如联锁保护装置的动作,在事后分析故障原因时要找出动作的顺序,以确定引起故障的第一原因是什么,其后联锁动作过程又是怎样的。这对故障分析是一种非常有用的数据。4.脉冲量

脉冲量实际上是一种用特殊方法进行测量的模拟量,一般用来表示某个量的累积值。能够发出脉冲量的测量装置通过对被测物理量进行时间上的累计,在到达一个计量单位时便发出一个脉冲,通过计数器对脉冲的数量进行累加,以得到该物理量的累计值。1.2.3 控制方法和运算处理装置

控制系统是根据不同被控对象的特点实施控制的,对于连续过程,一般使用模拟调节仪表和DCS实施控制;对于离散过程,一般使用继电器和PLC实施控制;而对于批量过程或混合过程,则采用各种控制设备相结合以实施控制。1.对连续过程的控制

对于连续过程的控制一般称为过程控制(Process Control)或流程控制,它是一种连续调节性质的控制。调节是控制的一种,它特指通过反馈的方法对连续变化的对象进行连续的控制,如通过调节燃气阀门的大小以控制燃烧火焰的大小,从而达到控制加热器温度,使其保持在预定温度范围内的目的。在这里温度是一个连续变化的量,对温度的调节也是连续进行的。调节的过程并没有明显的起点和终点,它所关心的是受控对象对目标值的允许偏差及进行测量和控制的周期,这两个参数是连续过程调节的两个最基本的要素。除了这两大要素外,连续过程调节最重要的要素是调节控制算法,如经典的PID调节、现代的模糊控制等。所有这些要素都极大地影响着调节的效果和质量。

根据调节控制算法进行计算,是控制系统最核心的功能,计算功能由控制器、调节器或运算器完成。一般将控制器、调节器或运算器统称为运算处理单元,这样的单元有两种输入,一种输入是测量值,即传感器/变送器给出的表达被控对象运行状态的量;另一种是根据生产过程的要求所设定的控制目标,即设定值。运算处理装置的任务有两个,一是在设定值根据生产过程的要求发生改变时,采用一定的控制算法计算出需要进行何种操作或调节,并对被控对象的可操作、可调节部分实施输出,以使被控对象尽快达到控制目标;另一个是在出现干扰时,被控对象的运行状态偏离了预定的目标(即设定值),这时计算单元要通过测量得到偏离的程度,并采用一定的控制算法计算出操作步骤或调节量,并实施输出,以使被控对象的运行状态尽快回到预定的目标值。运算处理装置的输出量是对被控对象所实施的操作和调节,在这时,操作一般指通过某种方法改变被控对象的运行方式,如开通或关断某个管道的阀门,闭合或分离电路的开关等;而调节则是通过某种方法改变被控对象的运行参数,如通过控制调节阀改变管路中流体的流量,通过调节加热器改变温度等。所有这些输出不论操作还是调节均被称为控制指令。

在一些生产过程中,除广泛使用反馈控制方法外,还经常使用前馈控制方法。前馈控制根据生产设备的运行参数计算控制量,并依据控制量对现场实施控制。在设定值发生改变或通过预估算法预测到被控对象与设定值的偏差时,常使用前馈控制。前馈控制的优点是可以使系统快速进入所需的运行状态,但由于前馈控制不检验控制执行的效果并进一步采取调整手段,因此控制的精确性较差。在实际控制系统中,常采用前馈控制结合反馈控制的综合方法,这样可以取得很好的控制效果。2.对离散过程的控制

对于离散过程的控制以状态控制为主,一般称为程序控制或逻辑控制。这是一种对非连续对象、非连续过程的控制。

对非连续对象进行控制,实际上就是按照一定的方式改变被控对象的状态或位置,如某个电力开关的合闸或分闸。而非连续过程则由一组非连续对象按照工序的要求组合在一起,以完成一个比较复杂的动作或任务,这样的过程有很明显的起点和终点,控制过程和动作过程是完全对应的。对非连续过程的控制是一种顺序控制或程序控制,是根据各个被控对象的动作时间、动作顺序和逻辑关系进行的控制。刚才所说的动作时间、动作顺序和逻辑关系是对非连续过程实行控制的要素。3.连续控制和离散控制的比较

根据被控对象,将控制分为对连续过程的控制和对离散过程的控制两种,对这两种控制的比较见表1-1。表1-1 连续控制和离散控制的比较4.对批量过程或混合过程的控制

在实际的生产过程中,更多遇到的是连续控制(或调节)和非连续控制的混合型控制,即对各种不同工况的过程控制。由于生产的复杂性,同样的生产装置也会有不同的生产工况或生产阶段,生产工况的切换是根据操作人员的指令或某种状态进行的,平稳工况的控制则是一种连续控制。有时前级工序是连续过程,而后级工序则是离散过程。

批次控制结合了过程控制和程序控制这两种控制类型,适用于在同一条生产线上通过装置连接、组合的改变,工艺流程的改变和工艺参数的调整,生产不同品种产品的生产控制。其工作过程为:首先通过程序控制确定生产流程和工艺参数,然后转入过程控制;当一个完整的过程完成后,再次转入程序控制,形成下一个批次的生产流程和工艺参数,如此反复。实际上,批次控制是一种混合控制,是将过程控制和程序控制结合在一起的控制系统。1.2.4 控制的执行方法和执行装置

由计算机输出的控制指令,需要通过各种不同的执行机构来作用于被控对象的可操作部分和可调节部分。这些执行机构称为执行装置或执行单元,如气动阀、电磁阀、控制电动机及继电器等。执行装置将运算处理装置输出的控制指令转换为被控对象可接受的动作,以改变被控对象的运行状态。

运算处理装置的输出也可分为模拟量和开关量两大类,模拟量输出用于对被控对象进行连续调节,如调整阀门的开度(百分比)以控制流量,调整燃烧过程以控制温度等;开关量控制则用于改变被控对象的状态或工况,如在生产线上通过改变产品的走向以区分合格品与不合格品,通过电力开关的分/合以改变电网的接线方式等。

另一类控制方式称为乒乓控制,即采用开关量作为运算处理装置的输出量,通过控制开关量处于不同状态的时间比例,达到控制模拟量的目的。如一个电加热炉,可通过改变接通电源时间和关断电源时间的比例来控制加热温度,接通电源的时间长,温度提高;缩短接通电源的时间,温度降低。乒乓控制所用的输出量是一种被称为脉宽调制输出的控制信号,它表现为一个宽度可调的脉冲串,通过调节脉冲的宽度,使输出处于“1”状态和“0”状态的时间比例发生变化,以达到控制调节的目的。1.2.5 控制系统各要素的关系

以上介绍了与控制系统有关的几个关键要素,图1-1可简明扼要地表达这些要素及控制系统各组成部分之间的关系。图1-1 控制系统各要素之间的关系

对于连续控制系统和离散控制系统来说,图1-1所表示的控制系统的各要素关系并不完全一样,如离散控制系统就没有设定值,而只有预定的步骤或程序。而且两种控制系统所使用的装置也是不同的,连续控制系统的检测装置和执行装置以模拟量为主,而离散控制的检测装置和执行装置则以开关量为主。1.2.6 控制系统的人机界面

在以上的讨论中,只涉及了由具体装置或设备构成的控制系统,而没有涉及生产过程本身及对生产过程的控制起主导作用的主体——人的作用。在上面的讨论中多次讲到设定值,控制系统由设定值来规定控制目标,那么,设定值从何而来?它是如何得到的?又是如何作用于控制系统的?还有,在前面的讨论中讲到运算处理装置根据检测值与设定值之间的偏差,按照一定的控制算法计算出需要操作和调节的量,通过执行装置对被控对象实施控制。那么,运算处理装置所执行的控制算法是从哪儿来的?它是如何得出的?又是如何被运算处理装置执行的?显然,不论是设定值还是控制算法,都离不开人的作用。控制系统自己不会确定设定值,因为它并不知道人希望生产过程按什么样的方式进行,控制系统也不了解生产过程的特性,只有人根据生产设备的特性及其对生产过程的影响,推导出如何对这些生产设备进行控制的数学模型,然后控制系统才能够按照这些数学模型进行计算,得到相应的控制值。

除此之外,还有一个重要的问题,即在此前所讲述的,都假设被控对象的运行是有规律可循的,是可以用数学模型表达的,因此,控制系统所依据的设定值和控制算法都是预先确定好的,并使用不同的方法固定在控制系统中,在实际运行中,控制系统将按照这些预定的算法执行。但是,实际的生产过程有相当多的一部分是没有(至少现在没有)规律可循的,也无法用数学模型表示,另外,生产过程不可避免地会出现一些异常情况,这些异常情况是无法预知的,必须在运行过程中实时地做出决策,这些都离不开人的作用。

有关数学模型的问题已超出本书讨论的范围,因此在这里不做详述。但作为一个整体,人必须是控制系统的一个最重要的组成部分,这是毋庸置疑的,从数学模型的推导、建立并预先设置在运算处理装置中,以便在线运行时实现控制功能,到直接参与控制系统的在线运行,对运算处理装置不能够自动进行处理的控制问题,实施操作与调节或为运算处理装置给出设定值,都需要人的参与。而为了便于人了解被控对象的运行状态并进行人工的操作与调节,控制系统还必须提供人机界面。在任何一个控制系统中,人机界面都是必不可少的重要组成部分。一个完整的控制系统所有的组成部分如图1-2所示。

人机界面包括了测量值的显示,计算参数的显示,人工操作设备(如按钮、调节手柄)等,还有对运算处理装置进行设定和控制算法预置的设备等。图1-2 完整的控制系统所有的组成部分1.2.7 直接控制与监督控制

如果将未考虑人的因素的控制系统称为直接控制系统,那么有人参与其中的控制系统就将包含直接控制和监督控制这两个部分。

直接控制是由控制系统的硬件自行完成的,虽然硬件的动作是由软件,即由人预先设计的方法决定的,但在运行中并不需要人的干预,因此可以将直接控制系统理解为:当控制系统在线运行时,由控制装置自行完成控制功能的系统。

在前面已经讲到,虽然可以预先设计好软件,让控制系统自行完成各种控制功能,但过程的复杂性决定了必然存在无法实现直接控制的功能,而需要人工干预。例如,在大型供电网络中,要根据各个区域用电负荷的变化及时调整网络的接线方式,这类控制目前只能由人来完成。这种由人实施控制的方式被称为监督控制。另外,在直接控制系统的运行过程中,由人来改变控制系统的设定值,也是一种监督控制。

在实际应用中,有些控制系统只有直接控制,没有监督控制,特别是一些控制目标确定、控制算法清楚、运行过程中不需要人工干预或无法实施人工控制的系统(或子系统),都会采用直接控制,如汽轮机转速的控制;也有一些控制系统只有监督控制,没有直接控制,如电网调度、交通管理调度等系统,这类系统都是由调度人员发出控制指令的,由系统执行,执行后的效果仍由调度人员通过系统采集的数据进行观察和判断,以决定下一步的控制;而更多的控制系统是既有直接控制,又有监督控制的完整系统,即底层的基础控制采取直接控制,直接控制的设定值或一些特殊的控制功能由人来完成。具体到一个系统中,究竟是使用直接控制,还是使用监督控制,或是直接控制加监督控制,这完全要根据系统的需求进行具体的设计。1.2.8 本书的要点

本书将从连续过程入手,以连续控制系统的发展为主线,对控制系统的原理和构造进行讲述,包括其发展历史、当前广泛使用的系统和设备及今后的发展趋势。其中的重点将放在DCS上,因为当前DCS是结合了各类控制功能的完整的系统,是目前应用最广泛、结构最先进、性能最高、功能最完整的系统。掌握了DCS,基本上就可以较全面地掌握控制系统。而且,当前的控制系统虽然已发展到各种类型的控制综合实现、管理与控制结合成一体、自动化系统与信息系统结合成一体的阶段,但其技术基础在很大程度上还是来源于DCS,因此,DCS的发展历史、原理和构成是掌握更新更先进系统的必备知识。

本书第1章,即本章主要介绍控制系统的发展历史和DCS的产生、发展历程,同时概要介绍了DCS的体系结构;在第2章介绍了DCS的最新进展及其技术发展趋势,着重讲述了最新的第四代DCS的概念;第3章从实际应用的角度讲述对DCS总体功能和性能的要求;第4章详细介绍了DCS的硬件构成;第5章详细介绍了DCS的各部分软件;第6章详细介绍了DCS的网络系统及其技术,包括最新的现场总线技术;第7章着重讲述了DCS的可靠性技术、安全性技术及其实现方法;第8章介绍了DCS的应用设计过程、方法和工程实施;第9章则是若干实际DCS的应用案例。1.3 DCS的发展历史1.3.1 控制系统的发展历史

在讲述DCS之前,有必要首先简要回顾一下整个控制系统的发展历史。图1-3表明了从20世纪30年代开始的几十年间各类控制装置和系统的演变过程。图1-3 各类控制系统的发展过程

图1-3中所列是各类控制系统的发展过程,从中我们可以看到,整个控制系统的发展是沿着三条主线展开的。

第一条主线是对离散系统的控制,即逻辑控制或程序控制,其早期的控制系统由机械电磁原理的继电器组成;后发展为电子控制器,主要是用电子逻辑电路(开关电路)取代体积庞大、笨重且能量消耗大的继电器逻辑电路;到现代,则广泛采用了以数字技术和微处理器芯片为核心的PLC,构成了功能强大、配置灵活,能够根据应用需求进行逻辑编程的新一代控制系统。在习惯上,PLC系统被认为是针对离散过程的直接控制系统。

第二条主线是SCADA系统,其早期是遥测遥控系统。这类系统的主要目标是对地域分散的目标进行监视和远程控制,如供电、供水、供气及供热等网络系统的监视和调度,采油井场的监视和控制,长途输油/输气管线的监视控制等。这类系统有两个主要特点,一是地域宽阔,系统中的测控点往往分布在几十千米甚至几千千米的范围,对这类系统控制的关键是数据集中,将大量分散的数据集中到中央调度室,由调度人员根据全面的情况进行分析和判断,以采取相应的调度与控制;二是系统所有功能的实现均依赖远程通信,系统对被控对象实施控制的时间及时性受到了远程通信的限制,一个完整的控制所需的时间,是现场数据通过远程通信送到调度中心,经过处理、计算或人的判断,发出控制指令,再通过远程通信送到现场,最后得到执行这几个阶段所需时间的总和,这样一个过程大约需要几秒到几十秒。SCADA系统的控制绝大多数是依赖于人的监督控制,而不是直接控制,因此它并不区分被控对象是连续过程还是离散过程。近年来SCADA系统的概念有所扩展,不仅包括了针对远程被控对象的监督控制,也包括了针对局域被控对象的监督控制,或者说,凡是以人工监督控制为主的系统均被归入SCADA系统。

第三条主线是对连续过程的控制系统,从图1-3中可以看出,对于连续过程的控制所使用的产品种类最多,所采用的技术变化最大,这主要是由于连续过程的种类繁多、技术复杂,对这类过程的控制有相当大的难度,特别是控制的时间特性,一般对过程控制系统的控制周期都要求在1秒或2秒之内,在很多情况下要求零点几秒,甚至几十毫秒,对控制量的大小、作用时间等也有极其严格的要求。针对连续过程的控制经历了机械控制器、基地式仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表,一直到分布式控制系统DCS这样一个发展历程,上述这些都被归于针对连续过程的直接控制系统。DCS本身是结合了仪表控制系统和计算机控制系统(设定值控制和直接数字控制)这两方面的技术形成的,但在历史上,对连续过程的控制系统习惯地称为仪表控制系统,因为在很长一段时间里,这类控制系统都是由各种各样的仪表构成的。下面将通过对仪表控制系统和计算机控制系统这两个DCS的技术来源的讲述,介绍DCS的产生过程及其技术特点。1.3.2 仪表控制系统的基本概念

仪表控制系统(指由模拟式仪表组成的控制系统)最主要的功能是进行回路控制。所谓回路控制,是指那种对最小过程单元进行的闭环控制或调节。这些控制有1~2个现场输入(测量值)和1个现场输出(控制量),在现场输入和现场输出之间有计算单元(即控制器),另外还有一个给定值输入,用于设定控制目标。回路控制的功能框图如图1-4所示。图1-4 回路控制的功能框图

回路控制的作用是保证被控对象的一个最基本的运行单元能够按照预定的参数正常运行。如图1-4所示,控制器的输入有两个:设定值和测量值。控制器的输出是对被控过程的控制量。被控过程的输出作为控制系统的被控变量,即控制目标,检测元件得到过程的输出值,并作为控制器的测量值送给控制器,用以产生控制量。这样以控制器的输出作为被控过程的输入,而被控过程的输出作为控制器的输入,形成了一个闭环。在这个闭环系统中,控制器将根据控制算法处理测量值和设定值的偏差,并控制过程减小此偏差,这就是回路控制的基本功能。

下面举两个实际的例子说明具体的回路控制系统。第一个例子是某生产装置中储液罐的液位控制系统,如图1-5所示,该系统通过液位传感器(浮子)测量储液罐的液位,并将液位值送到控制器,控制器将测量的液位与设定的液位进行比较,如果液位高于设定的最高值,则关闭进料阀,停止进料。当液体的流出使液位低于设定的最低值,则开启进料阀补充液体,直到液位回升到上限值。图1-5 储液罐液位控制

上述液位控制的实例是一个典型的仪表控制系统,该控制器所控制的是两个液位:最高液位和最低液位,只有当实际液位高于最高液位和低于最低液位时,控制器才发出控制指令。当然这个控制指令可以非常简单,只要命令管道阀门开通或关断就可以了,至于在开通阀门时以多大的流量补充液体,用多长时间将液体补足,则可以不用关心。这个控制更简单的实例是抽水马桶的水箱控制,这是一个机械控制装置,它只负责在水箱放空时立即补水,直到水箱充满,我们可以通过调节与浮子相连接的杠杆以改变水箱被充满时的水位。

第二个例子是著名的瓦特式飞锤调速器。通过图1-6可以看到它的工作原理。在这里,由发动机输出轴经齿轮传动,带动一个装有飞锤的轴同步转动,这个装置相当于控制系统的测量单元。当转速升高时,飞锤在离心力的作用下升起,同时压下油缸的连杆,以开启下方的高压油通路,使油缸活塞上升,带动调节阀关小,减小燃油供应而使发动机转速下降;当转速降低时,飞锤下落,使油缸连杆在弹簧的作用下上升,关闭油缸活塞下方的高压油通路并开启油缸活塞上方的高压油通路,使油缸活塞向下运动,带动调节阀开大,增加燃油供应以使发动机转速上升。这样,在出现干扰(如发动机所带动的负载发生变化)时,可保持其转速不变。在这个调速器中,飞锤起到了控制器的作用,它巧妙地利用了飞锤的重力和离心力之间的关系实现了设定值和测量值之间的比较,并将偏差作用于油缸,而油缸则是这个控制系统的执行器,它将升速、降速的指令变成了燃油阀门的动作,完成了对发动机转速的控制。控制系统的设定值由带动飞锤的轴的上下位置来决定,这个轴上移,飞锤必须张开更大的角度才能使油缸活塞的上下油路均关闭,因此将导致发动机的转速上升;而这个轴下移,飞锤必须下落才能使油缸活塞的上下油路均关闭,因此将导致发动机的转速下降,以此来设定发动机的转速。图1-6 瓦特式飞锤调速器

回路控制的复杂性在于控制算法,为了实现快速准确的控制,必须对被控对象的动态特性进行透彻的分析,并且对控制输出施加到被控对象后所引起的数值变化和时间响应性归纳出正确的数学模型。而在实际系统中,各种干扰因素的存在都会引起控制结果的不确定性,因此长期以来,人们在控制算法方面投入的研究是非常巨大的。同时,在控制系统的实际实施过程中,还要进行非常细致的调整和调试,以得到合适的控制参数,从而实现预期的控制结果。1.3.3 早期的仪表控制系统——基地式仪表

早期的仪表控制系统是由基地式仪表构成的。所谓基地式仪表,是指控制系统(即仪表)与被控对象在机械结构上是结合在一起的,而且仪表各个部分,包括检测、计算、执行及简单的人机界面等都做成一个整体,就地安装在被控对象之上。基地式仪表一般只针对单一运行参数实施控制,其输入/输出都围绕着一个单一的控制目标,计算也主要为控制某个重要参数,控制功能也是单一的。这种控制被称为单一回路控制,简称单回路控制。上节所介绍的瓦特调速器就是一个典型的基地式仪表,虽然它还不具备仪表的形态,但其作用、结构形式均可归于基地式仪表一类。

显然,如果我们要控制的仅限于单一运行参数,控制功能也只是保证被控对象能够正常运行。例如,瓦特调速器只控制发动机的转速,保证发动机运转在额定转速范围内即可,那么基地式仪表就完全能够满足要求,而且基地式仪表简单实用,直接与被控对象相互作用,因此在一些简单生产设备中得到了广泛的应用。基地式仪表最大的问题是它必须分散安装在生产设备需要实施控制的地方,如果设备比较大,就会给观察、操作这些仪表造成很大的困难,有时甚至是不可能的。另外,基地式仪表的控制功能有限,难以实现较复杂的控制算法,因此在一些大型的复杂的控制系统中已很少采用基地式仪表,而采用单元式组合仪表。

严格讲,基地式仪表还不能算做控制系统,因为这些仪表所控制的只是分散的、单个的参数,各个控制点间也没有任何联系和相互作用,因此只可称为控制装置。1.3.4 近代仪表控制系统——单元式组合仪表

单元式组合仪表出现在20世纪60年代后期,这类仪表将测量、控制计算、执行及显示、设定、记录等功能分别由不同的单元实现,互相之间采用某种标准的物理信号实现连接。并可根据控制功能的需求进行灵活的组合。这样,仪表的功能大大加强了,同时能够适应各种不同的应用需求,而且其功能的实现不再受安装位置的限制,我们可以把检测单元和执行单元安装在现场,而将控制、显示及记录设定等单元集中起来放在中心控制室内。这样,生产设备的操作人员足不出户就可以迅速掌握整个生产设备的运行状态,并根据生产计划或现场出现的实际情况采取调整措施,如改变设定值,甚至直接对现场设备实施操作和调节等。

目前单元式组合仪表有两大类,一类是气动单元组合仪表,这类仪表以经过干燥净化的压缩空气作为动力并以气压传递现场信号,其规范为20~100 kPa。我国的气动单元组合仪表为QDE系列。气动单元组合仪表主要有七种单元,分别是变送单元(B)、调节单元(T)、显示单元(X)、计算单元(J)、给定值单元(G)、辅助单元(F)和转换单元(Z)。这些单元经过适当的连接及组合,就可以实现较复杂、规模较大的控制。气动单元组合仪表是本质防爆的,可以用于易燃易爆的场合,而且由压缩气体提供的动力可以直接驱动如气动阀门等现场设备,非常方便和可靠,并具有很强的抗干扰性。但由于气动单元仪表需要洁净干燥的气源,气体的传输路径要敷设气路管道,为了防腐蚀和防泄漏,需要采用成本很高的铜制管线或不锈钢管线,而且需要加工精度非常高的连接件,这样,气动单元仪表控制系统的建设成本、运行维护成本就相当高了。

另一类单元式组合仪表是电动单元组合仪表。这类仪表由直流电源提供运行动力并以直流电信号(电流或电压)传递现场信号的值。其信号规范有两种,一种为0~10 mA,我国遵循这个标准的电动单元组合仪表为DDZ-II系列;另一种信号规范是4~20 mA,我国遵循这个标准的电动单元组合仪表为DDZ-III系列。电动单元组合仪表主要有八种单元:变送(B)、调节(T)、显示(X)、计算(J)、给定值(G)、辅助(F)、转换(Z)和执行(K)。电动单元组合仪表比气动单元组合仪表更加轻便灵活,功能也更加齐全,因此一经推出就迅速得到了广泛的应用。电动单元组合仪表的控制执行机构为电磁阀、各种控制电动机和继电器等用电磁原理设计的设备或装置。

应该说,真正的控制系统是从单元式组合仪表出现后才逐步形成的,基地式仪表只能实现分立的、单个回路的、各种控制回路之间无任何联系的控制,因此谈不上形成系统,而单元式组合仪表可以通过不同单元的组合,不仅能完成单个回路的控制,还能够实现串级控制、复合控制等复杂的、涉及几个回路互动的控制功能,而且,由于单元式组合仪表有能力将显示、操作、记录及设定等单元集中安装在控制室内,使得操作员可以随时掌握生产过程的全貌并据此实施操作控制,因此,这样的形态就构成了一个完整的控制系统。

作为现代控制系统的主要特点,在于系统是由现场的回路控制部分,集中控制室中的人机界面和连接这两部分的信号电缆三大部分所组成的。在集中的控制室中,是控制系统的人机界面部分。所有供人观测、操作的各个仪表显示、操作单元(一般称为二次仪表)都被安装在仪表面板(Console)上,或安装在画有生产工艺流程的模拟盘(Map-board或Mimic)上。而控制系统的现场安装部分,则是检测/变送单元、控制和执行单元(一般称为一次仪表)。一次仪表和二次仪表之间通过信号电缆实现信号的传输。

从上面所说的基地式仪表发展到单元式组合仪表,从控制装置发展到控制系统,引起这个根本变化或引起质变的因素,是信号传输的出现,也就是说,信号的传输技术造成了功能上的分工与配合,使控制装置演变成了控制系统。正是由于信号传输有着如此重要的作用,因此其标准的发展和演变就成为仪表控制系统划时代的标志。如气动单元组合仪表的标志是20~100 kPa的信号传输标准;Ⅱ型电动单元组合仪表的标志是0~10 mA的信号传输标准;而Ⅲ型电动单元组合仪表的标志则是4~20 mA的信号传输标准。而近年来受到控制工程界广泛关注的现场总线标准,则是控制系统由模拟技术演进到数字技术后的新一代信号传输标准。

不论是气动单元组合仪表还是电动单元组合仪表,其调节、计算单元都是采用模拟原理实现的。以电动单元组合仪表为例,其控制算法,如比例、积分、微分等调节规律,均利用电容、电感、电阻等元件的电气规律模拟实现;而气动单元组合仪表则利用射流原理来模拟各种控制规律。这些方法均有较大的局限性,一是计算精度不高,其精度受元件参数的精度或加工精度的影响较大,而且随着时间的推移、环境的变化和机件的磨损,各种参数会发生变化,造成控制精度的下降。以模拟方式实现的计算,其动态范围也受到较大的限制,如果在控制回路中需要一个较大的滞后环节,实现起来是非常困难的,因此单元式组合仪表的控制回路绝大多数是经典PID控制,很少有更高级的控制算法。模拟控制方式的这些问题,促使人们寻求更好的控制器或调节器。随着微处理器的出现和数字技术的发展,以数字技术为基础的数字化控制逐步占据了控制系统的主导地位。1.3.5 数字式单回路调节器SLC

在20世纪80年代前后,随着大规模集成电路和微处理器的发展,在仪表控制系统中出现了一类新的产品,这就是以数字技术为主的单回路调节器SLC,即Single Loop Controller。这种产品以微处理器为核心,主要完成控制计算的功能,其最主要的用途是代替单元式组合仪表的计算、显示及给定值等单元,而检测、执行等功能仍然由常规的单元完成,以这种方式组成的系统是一种模拟式和数字式混合模式的系统。由于微处理器采用数字方式进行控制计算,因此计算的能力大大加强,可以实现相当复杂或难度很高的控制计算。在这方面,SLC正好弥补了单元式组合仪表中计算能力较弱的缺点,而且数字化的处理相对于模拟方式的处理来说,还有一个相当大的优势,就是具有数字通信功能,因此可以被用来方便地实现如串级控制、复合控制等较复杂的控制功能,因此在相当长的一段时间内,SLC发展很快,后来又在单回路调节器的基础上发展了多回路调节器。尽管SLC在内部采用了数字技术,以微处理器为核心构成系统,但在形式上还是沿用了单元式组合仪表的构造,仍然是以一个单元的方式安装在仪表面板Console上,所不同的是SLC的显示多采用数字式的显示,即用数码管直接显示出测量值或控制值、设定值等。也有些SLC为了与原有单元式组合仪表在外观和使用习惯上保持完全一致,采用了模拟单元式组合仪表的显示、操作方式的设计,如指针显示等。

对于串级控制、复合控制等较复杂的控制功能,常规的组合式单元仪表的做法是采用硬接线将所需信号引到仪表的计算单元,并参与控制计算。而对于SLC来讲,既可以通过硬接线引入所需信号,又可以通过微处理器之间的通信获取所需信号,后一种方式在控制系统中被称为“引用”。在一个复杂的、规模较大的控制系统中,引用是经常出现的。1.3.6 计算机控制系统

电子数字计算机是20世纪40年代诞生的,但直到1958年才开始进入控制领域。1958年9月在美国路易斯安那州的一座发电厂内安装了第一台用于现场状态监视的计算机,当时的这个系统并不能称为控制系统,因为它只是将一些现场检测仪表的数据采集到一起,然后在计算机的显示屏上进行显示,以供操作人员在中央控制室内观察发电厂的运行参数,因此这样的系统被称为监视系统(Monitoring System)。很明显,该计算机系统只是代替了检测控制仪表的显示部分,并实现了多台检测控制仪表的集中监视功能。到1959年3月,在美国得克萨斯州Texaco的一个炼油厂投运了另一套计算机系统,该系统不仅可以显示现场仪表的检测数据,而且可以设定或改变现场控制仪表的给定值,然而真正实施控制(即根据给定值及实际检测值的偏差计算出控制量,并实际输出以使实际值回到给定值的工作)仍然由控制仪表完成。这套系统应该是世界上最早的设定值控制(Set Point Control,SPC)或称为监督控制系统。而1960年4月在肯塔基州的一个化工厂投运的另一套计算机系统,除了完成现场检测数据的监视和设定值的功能外,还可以实际完成控制计算并实际输出控制量,这就是第一个直接数字控制(Direct Digital Control,DDC)系统。

在控制功能的实现方面,DDC与单元式组合仪表所构成的控制系统截然不同。仪表系统的控制回路完全是分立的,每个控制回路均有自己的一套设备,包括测量、控制计算及控制量的输出等。而DDC则利用计算机强大的计算处理能力将所有回路的控制计算工作集中完成,这是DDC与仪表系统最大的不同。由于DDC的这种集中处理方式,相应的过程量输入/输出也都集中连接到计算机上,而无法明确区分哪些量是属于哪个控制回路的。

DDC这种将所有控制回路的计算处理集中在一起的方法比较有利于复杂控制功能的实现,如复合控制及多个回路协调控制等,但也同时带来了安全性和计算能力的问题。由于所有回路都集中在计算机中进行计算处理,因此计算机成为整个系统可靠性的“瓶颈”,一旦计算机出现故障,所有的控制回路都会失去控制,整个系统将失控,这是非常危险的。另外,受到计算机处理能力的限制,在控制回路太多或要求控制周期很短时,系统将满足不了要求。因此,如何保证可靠性和如何提高性能,始终是DDC面临的重大问题。1.3.7 控制系统从模拟技术向数字技术的演进

计算机进入控制领域,所带来的是从模拟技术到数字技术的革命性的变化。过去,不论是基地式仪表还是单元组合式仪表,采用的都是模拟技术,其表达测量值和控制值的方法是采用某种物理量来进行模拟,如用电流的大小表示液位的高低,等等。在对被控对象进行控制时,也是采用同样的物理量来表达给定值和控制量,并采用物理的原理,如流体力学原理、电学原理、电子学原理等模拟出微分、积分等算法。显然,这样的技术无法实现复杂的控制,而且极不灵活,任何算法的改变都要对计算单元进行改装。而数字技术则完全不同,它首先将现场测量值通过模拟量到数字量的转换器(称为ADC或A/D)转换成为一个二进制的、便于计算机处理的数字,这个数字由不同电平分别表示0和1,并以0、1的不同组合表达出不同的数值。这个过程被称为数字化。数字化的工作一旦完成,以后的工作便完全在计算机内部的运算器中通过软件来实现,如各种控制算法的实现,等等。由于计算机强大的计算功能,可以完成任何公式的计算,因此计算机控制系统的功能比模拟仪表系统要强大得多。而且,由于所有算法都是通过软件完成的,因此算法的改变非常容易,体现了数字技术极大的灵活性。在经过计算得到了控制结果后,由于这个结果仍然是一个二进制数值,因此还要通过数字量到模拟量的转换器(称为DAC或D/A)将控制值转换成相应的控制信号,然后通过执行器实施控制动作。

前面所讲到的三种不同类型的计算机控制系统(Monitoring、SPC、DDC),其主要的区别在于数字化的程度不同。计算机监视系统,即Monitoring,是在检测和显示环节上实现了数字化,但在实际进行控制的部分,包括控制计算和给定值的设定上,仍然采用模拟仪表实现;设定值控制或监督控制,即SPC,则由计算机采用数字技术实现检测、给定值的数字化,但在实现控制的计算和输出环节上,仍然依靠模拟仪表;只有到了DDC,即直接数字控制阶段,才将检测、计算、控制输出,包括给定值的设置等全部环节实现了数字化。

与模拟技术相比,数字技术在控制功能方面有了极大的提高,它可以完成各种复杂的计算和智能化的处理,另外,在人机界面上也比模拟仪表有了革命性的改变。在仪表控制系统中,所有的显示单元、操作单元及给定值设定单元都安装在仪表盘上,而且是每一个检测控制点都有自己相应的显示、操作及设定单元。如果系统比较庞大,检测控制点很多,则需要面积很大的仪表盘,这给观察现场和进行操作带来了很大的困难。为了减小仪表盘的面积,很多仪表控制系统采取了密集安装方式,按照生产设备的工艺将仪表进行分区安排,这样虽然可以减小仪表盘的面积,使人的操作在较小的、手眼可达的范围内进行,但非常不直观,人必须记住每个仪表盘上的单元在实际生产设备上是对哪一部分进行显示和操作的,稍有疏忽,就会产生失误。另一种方法就是采用模拟盘,将生产设备按实际的工艺过程描绘到一个面板上,在相应的测量、控制位置上安装仪表的显示操作等单元,这种方式虽然直观,但大大增加了仪表盘的面积,使操作人员必须在大面积的模拟盘面前不断走动、巡视,以控制生产过程的运行。在工程上,无论是密集安装的仪表盘还是按工艺过程表示的模拟盘,其信号线的连接都是非常繁杂的。在现场,我们经常可以看到仪表盘或模拟盘背后密如蛛网的信号线,这些线都要通过电缆沟、电缆井、电缆桥架等敷设到现场,这对于检查和维护来说都需巨大的工作量,特别是在需要增加仪表或改变测量控制点的位置、功能时,其困难更是巨大。而计算机控制系统的人机界面就简洁得多。在计算机控制系统中,一般采用CRT和键盘、鼠标或轨迹球来实现显示操作功能,我们可以在CRT上很容易地显示出生产设备的分布,生产工艺流程并通过键盘、鼠标进行操作或设定值控制。这些都是通过软件实现的,并不需要进行一一对应的硬接线,而且,由于CRT的表现力丰富,利用光标进行的控制操作直观方便,加上软件对操作命令的各种合法性检查,使误操作的概率降到很低。

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