<工業(yè)過(guò)程控制>

鄭州科技學(xué)院王曉冬1:23514723電氣學(xué)院二樓電氣教研室期末成果=期末考試*0.7+平常成果*0.3平常成果：出勤+作業(yè)2第一章：消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的開(kāi)展消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化，狹義的可以定義為控制實(shí)際在消費(fèi)過(guò)程中的運(yùn)用。廣義上講還應(yīng)包括自動(dòng)化工具，如參數(shù)檢測(cè)、控制執(zhí)行及調(diào)理器(計(jì)算機(jī)系統(tǒng))等。更完善地定義還應(yīng)包括保證消費(fèi)平安的越限報(bào)警、聯(lián)鎖維護(hù)以及缺點(diǎn)診斷、容錯(cuò)控制等等。更廣的意義上講還包括操作優(yōu)化、最優(yōu)調(diào)度與消費(fèi)管理等內(nèi)容，也就是常講的管理控制綜合系統(tǒng)。消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化所包含的內(nèi)容非常豐富。3本課程的內(nèi)容本課程只討論消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)課程根底：模擬電路傳感器與檢測(cè)技術(shù)；數(shù)字電路微機(jī)原理與接口技術(shù)；自動(dòng)控制原理；編程言語(yǔ)〔匯編、C〕；4什么是過(guò)程控制？☆工業(yè)消費(fèi)過(guò)程指原資料經(jīng)過(guò)假設(shè)干加工步驟轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品并具有一定生產(chǎn)規(guī)模的過(guò)程。工業(yè)消費(fèi)過(guò)程可分為：▲延續(xù)消費(fèi)過(guò)程和離散消費(fèi)過(guò)程；▲延續(xù)消費(fèi)過(guò)程、離散消費(fèi)過(guò)程和間歇消費(fèi)過(guò)程〔批量消費(fèi)過(guò)程〕。工業(yè)消費(fèi)過(guò)程控制概述5☆工業(yè)消費(fèi)過(guò)程的目的在能夠獲得的原料和能源條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將原資料加工成預(yù)期的合格產(chǎn)品。原資料合格產(chǎn)品理想條件干擾產(chǎn)品？控制過(guò)程控制過(guò)程控制主要是指延續(xù)過(guò)程工業(yè)的過(guò)程控制圖1.1-1工業(yè)消費(fèi)過(guò)程表示圖6一座以煤作燃料的發(fā)電廠，如圖1.1-2所示。在這一工業(yè)消費(fèi)過(guò)程中，原料是煤和水，產(chǎn)品是電能，整個(gè)消費(fèi)過(guò)程由儲(chǔ)倉(cāng)、鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、水冷凝器和循環(huán)水泵、相應(yīng)的管道以及控制系統(tǒng)等組成。煤經(jīng)過(guò)在爐膛中熄滅產(chǎn)生熱能從而加熱水使之變成高壓蒸汽用以推進(jìn)汽輪機(jī)。汽輪機(jī)經(jīng)過(guò)銜接軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。所產(chǎn)生的電能送給電網(wǎng)再供應(yīng)各種各樣的用戶，如有的用于照明，有的用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，有的用作家電產(chǎn)品的電源等。圖1.1-2發(fā)電廠表示圖7對(duì)發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，它的任務(wù)目的是：平安消費(fèi)鍋爐、汽輪機(jī)等必需絕對(duì)平安運(yùn)作；單位電能的煤耗要求煤耗小，能量轉(zhuǎn)換效率高；排出煙氣對(duì)環(huán)境污染煙氣中灰塵及硫化物含量要低。上述目的，只需經(jīng)過(guò)良好的自動(dòng)控制系統(tǒng)才干實(shí)現(xiàn)。

8圖1.1-3工業(yè)消費(fèi)過(guò)程控制與其它學(xué)科的關(guān)系9消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的開(kāi)展歷史工業(yè)革命時(shí)發(fā)明的瓦特節(jié)速器開(kāi)創(chuàng)了自動(dòng)調(diào)理的先例。19世紀(jì)中(1868年)，物理學(xué)家J．C．Maxwell作出關(guān)于蒸汽機(jī)調(diào)速器穩(wěn)定性分析的著名論文，人類歷史上第一篇有關(guān)控制實(shí)際的論文。20世紀(jì)30年代以來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)首先在電子通訊工程中獲得了驚人的成就，對(duì)自動(dòng)控制實(shí)際產(chǎn)生了極大的推進(jìn)作用。40年代以Nyquist的任務(wù)所開(kāi)創(chuàng)的基于反響回路的經(jīng)典控制實(shí)際，以傳送函數(shù)為根底，適用于單輸入單輸出(SISO)線性定常系統(tǒng)的分析與綜合問(wèn)題。10消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的開(kāi)展歷史系統(tǒng)分析方法有時(shí)間域方法、頻率呼應(yīng)法和根軌跡法等，這些方法中尤以頻率呼應(yīng)法最主要。自動(dòng)控制實(shí)際作為一門獨(dú)立的學(xué)科那么是從20世紀(jì)40年代末(1948年)開(kāi)場(chǎng)，由N．Wiener發(fā)表的著名著作“控制論〞為標(biāo)志，迅速開(kāi)展起來(lái)。20世紀(jì)60年代開(kāi)場(chǎng)的現(xiàn)代控制實(shí)際作為更科學(xué)的實(shí)際獲得很大的開(kāi)展。11現(xiàn)代控制實(shí)際以形狀空間為根底的現(xiàn)代控制實(shí)際：Bellman的動(dòng)態(tài)規(guī)劃實(shí)際〔1957年〕Kalman等的最優(yōu)濾波實(shí)際〔1961年〕Pontryagin等的極大值原理〔1962年〕建立在以現(xiàn)代控制實(shí)際為根底的控制器設(shè)計(jì)方法規(guī)范，實(shí)際明晰，可以有效地處置很多復(fù)雜的系統(tǒng)控制問(wèn)題。航空、航天領(lǐng)域、機(jī)械控制領(lǐng)域。12消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的開(kāi)展歷史由于流程工業(yè)消費(fèi)過(guò)程的復(fù)雜性，和人類目前的知識(shí)程度，建模過(guò)程〔包括機(jī)理建模與辨識(shí)〕中必要的假設(shè)與簡(jiǎn)化不可防止。在這樣的根底上建立的工業(yè)過(guò)程被控對(duì)象模型中總包含有被稱為“未建模〞動(dòng)態(tài)部分。由于它的存在，使基于現(xiàn)代控制實(shí)際設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的質(zhì)量大大惡化，甚至無(wú)法穩(wěn)定。除了被控對(duì)象模型的不確定性以外，工業(yè)消費(fèi)過(guò)程中的干擾非常復(fù)雜，它們的統(tǒng)計(jì)特性往往未知，有時(shí)甚至干擾本身就是不確定的。因此，現(xiàn)代控制實(shí)際在消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化中還很難見(jiàn)到勝利運(yùn)用的實(shí)例。致命的缺乏是系統(tǒng)的形狀空間模型不知。13消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的開(kāi)展歷史大多數(shù)工業(yè)過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)工況都不會(huì)偏離額定工況太遠(yuǎn)，許多工業(yè)過(guò)程參數(shù)可以簡(jiǎn)化為用一階或二階帶純滯后的、具有自平衡才干的集中參數(shù)特性來(lái)描畫(huà)。20世紀(jì)40~60年代，經(jīng)典控制實(shí)際為消費(fèi)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的實(shí)際支持。以此為根底的單變量控制系統(tǒng)得到了廣泛的運(yùn)用，并到達(dá)了相當(dāng)完善的程度。在這個(gè)時(shí)期，自動(dòng)化的技術(shù)工具是氣動(dòng)或電動(dòng)模擬儀表〔稱為調(diào)理器〕。14消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的開(kāi)展歷史經(jīng)典控制實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法建立在試探方法根底之上，通常得不到最優(yōu)控制目的。20世紀(jì)60年代，航天航空事業(yè)的開(kāi)展，促進(jìn)了現(xiàn)代控制實(shí)際的開(kāi)展。系統(tǒng)的復(fù)雜性在實(shí)際上表達(dá)為對(duì)象是多輸入多輸出(MIMO)、時(shí)變、非線性。這就對(duì)控制實(shí)際和工程提出了新的要求——能否將在空間技術(shù)中獲得運(yùn)用的現(xiàn)代控制實(shí)際運(yùn)用到工業(yè)過(guò)程控制中去。實(shí)際證明，直到如今進(jìn)展不大。15工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化目的：使消費(fèi)過(guò)程到達(dá)平安、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效(高產(chǎn)出、低耗費(fèi))、綠色環(huán)保。自動(dòng)化的初級(jí)階段主要目的是使消費(fèi)過(guò)程平安(僅限于越限報(bào)警和聯(lián)鎖)與平穩(wěn)地進(jìn)展。在過(guò)程工業(yè)中，絕大部分的控制系統(tǒng)是對(duì)諸如溫度、壓力、流量、物位〔液位、界面〕等工藝變量的定值控制系統(tǒng)。控制對(duì)象往往可用一個(gè)低階模型來(lái)描畫(huà)。并且根據(jù)這樣的模型，就足以滿足平穩(wěn)消費(fèi)要求。這就是為什么經(jīng)典控制方法至今不衰的重要緣由。16工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，目前在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，90％以上還是采用PID控制，及一些簡(jiǎn)單的多回路控制系統(tǒng)(它們往往在根底控制級(jí)DCS上實(shí)現(xiàn))。所以對(duì)于經(jīng)典控制實(shí)際的學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)是必要的，也是學(xué)習(xí)與了解現(xiàn)代控制實(shí)際的分析與設(shè)計(jì)方法的非常重要根底。更是工程實(shí)施的需求。17現(xiàn)代控制實(shí)際與經(jīng)典控制實(shí)際現(xiàn)代控制實(shí)際從實(shí)際上處理了許多難以控制的問(wèn)題。相對(duì)經(jīng)典控制實(shí)際來(lái)說(shuō)是一大提高。但現(xiàn)代控制實(shí)際在運(yùn)用中出現(xiàn)了問(wèn)題：嚴(yán)厲地依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。而過(guò)程工業(yè)消費(fèi)中要得到被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。經(jīng)典控制實(shí)際根據(jù)系統(tǒng)的丈量值進(jìn)展控制：反響控制〔閉環(huán)〕?，F(xiàn)代控制實(shí)際根據(jù)系統(tǒng)形狀控制〔開(kāi)環(huán)〕。雖然現(xiàn)代控制實(shí)際在實(shí)際上講是更系統(tǒng)、更規(guī)范、更強(qiáng)有力，但是其分析與設(shè)計(jì)方法的物理意義卻遠(yuǎn)沒(méi)有經(jīng)典控制實(shí)際明晰。18現(xiàn)代控制實(shí)際系統(tǒng)建模與辨識(shí)。近年來(lái)控制實(shí)際界研討的熱點(diǎn)，如魯棒控制、非線性控制、自順應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制等不斷長(zhǎng)盛不衰。與此同時(shí)一些所謂無(wú)模型控制方法如模糊控制、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等也應(yīng)運(yùn)而生并且蓬勃開(kāi)展。在控制實(shí)際界構(gòu)成一個(gè)多角度、多方位的研討勢(shì)態(tài)。種種景象表達(dá)出了實(shí)際上的熱烈，工程上的欠缺。1991年IFAC控制年會(huì)重新開(kāi)場(chǎng)注重經(jīng)典控制19工業(yè)過(guò)程綜合自動(dòng)化集管理與控制于一體的計(jì)算機(jī)集成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。〔CIMS，CIPS〕從更大的范圍來(lái)研討綜合自動(dòng)化問(wèn)題，這使得控制實(shí)際從系統(tǒng)的總體特征上遇到了前所未有的困難。處理這類問(wèn)題的重要途徑可以是將控制實(shí)際、運(yùn)籌學(xué)與智能控制三者相結(jié)合。而這些問(wèn)題的處理能夠意味著新一代控制實(shí)際或復(fù)雜系統(tǒng)控制實(shí)際的產(chǎn)生。自動(dòng)化是一個(gè)涉及范圍廣、包含內(nèi)容極豐富的領(lǐng)域。每一種控制實(shí)際的提出都有其相應(yīng)的背景。20過(guò)程工業(yè)控制器過(guò)程工業(yè)控制器習(xí)慣上稱調(diào)理器、檢測(cè)儀表稱變送器。規(guī)范儀表信號(hào)〔0.02~0.1MPa氣壓信號(hào)，4~20mA直流電流〕?！?~5V直流電壓〕調(diào)理器電源電壓在24V以下，屬于弱電控制系統(tǒng)。調(diào)理器分電動(dòng)、氣動(dòng)兩種類型。延續(xù)消費(fèi)過(guò)程，發(fā)電、化工、石化工業(yè)，特點(diǎn)：易燃易爆。21自動(dòng)化儀表開(kāi)展最近50年，工業(yè)自動(dòng)化儀表閱歷了從氣動(dòng)儀表到電動(dòng)儀表，從現(xiàn)場(chǎng)控制到中央控制室控制，從在儀表屏上操作到用計(jì)算機(jī)操作站〔CRT〕操作，從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)等階段。并且重新回到現(xiàn)場(chǎng)控制。20世紀(jì)50年代主要是氣動(dòng)儀表和真空電子管儀表，60年代以DDZⅡ電動(dòng)單元組合儀表〔分立元件〕和DQZⅡ氣動(dòng)單元組合儀表為代表，70年代以DDZⅢ型儀表〔集成電路〕為代表電動(dòng)單元儀表，到80年代，由于微處置器的開(kāi)展，開(kāi)場(chǎng)了智能化儀表時(shí)代。目前控制儀表已完全數(shù)字化了。22計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的開(kāi)展世界上第一臺(tái)成熟的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年出現(xiàn)的。將數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的部件的思想萌生于1950年前后。在當(dāng)時(shí)的結(jié)論是“將已有的通用數(shù)字計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)沒(méi)有什么潛力〞。最重要的任務(wù)開(kāi)場(chǎng)于1956年3月，當(dāng)時(shí)湯姆森·拉莫·伍爾里奇(ThomsonRamoWoolrige—TRW)航空公司與得克薩柯(Texaco)公司結(jié)合提出了一個(gè)可行性研討報(bào)告。決議針對(duì)得克薩斯州(Texas)的波特·阿瑟(PortArthur)煉油廠的一臺(tái)聚合安裝進(jìn)展研討。23計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的開(kāi)展設(shè)計(jì)出采用RW-300計(jì)算機(jī)的聚合安裝計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)于1959年3月12日在線運(yùn)轉(zhuǎn)。“控制〞26個(gè)流量、72個(gè)溫度、3個(gè)壓力和3個(gè)成分。系統(tǒng)的根本功能是使反響器的壓力最小、確定對(duì)5個(gè)反響器供料的最正確分配、根據(jù)對(duì)催化劑活性丈量的結(jié)果來(lái)控制熱水的流入量、以及確定最正確循環(huán)。這里的“控制〞意義是計(jì)算機(jī)檢測(cè)上述變量，并根據(jù)工藝計(jì)算、打印出控制命令，由操作人員手動(dòng)調(diào)理設(shè)定點(diǎn)，模擬儀表才是真正的控制器。這種控制稱為計(jì)算機(jī)監(jiān)控〔監(jiān)視控制〕。24計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的開(kāi)展TRW公司的這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性任務(wù)，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)工業(yè)控制蓬勃開(kāi)展的局面。到如今大致分6個(gè)開(kāi)展階段：開(kāi)創(chuàng)期——約1955年直接數(shù)字控制期——約1962年小型計(jì)算機(jī)控制期——約1972年微型計(jì)算機(jī)控制期——約1972年數(shù)字技術(shù)普遍運(yùn)用期——約1980年集散型控制期——約1990年25計(jì)算機(jī)控制的開(kāi)創(chuàng)時(shí)期早期計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用真空管。在1958年前后，計(jì)算機(jī)加法時(shí)間的典型值是l毫秒，乘法時(shí)間是20毫秒，一臺(tái)中央處置器的平均無(wú)缺點(diǎn)時(shí)間(MTBF)為50~l00小時(shí)。計(jì)算機(jī)控制的主要義務(wù)是尋覓最正確運(yùn)轉(zhuǎn)條件，完成調(diào)度和消費(fèi)方案，報(bào)告產(chǎn)量和原資料的耗費(fèi)等。在這里可以把尋覓最好運(yùn)轉(zhuǎn)條件的問(wèn)題看作是一個(gè)靜態(tài)最優(yōu)化問(wèn)題。26計(jì)算機(jī)控制的開(kāi)創(chuàng)時(shí)期計(jì)算機(jī)控制由于缺乏過(guò)程知識(shí)而遭到妨礙。在這個(gè)時(shí)期，可行性研討的很大一部分努力都是花在建模上。由于缺乏有效的建模方法學(xué)，建模相當(dāng)費(fèi)時(shí)。過(guò)程控制向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了許多特殊的要求，作為過(guò)程控制系統(tǒng)，需求對(duì)過(guò)程中的不測(cè)變化做出迅速呼應(yīng)，從而產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)概念。作為控制用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，要直接面向工業(yè)過(guò)程的各種參數(shù)，就必需求各種各樣的傳感器。過(guò)程參數(shù)為非電量信號(hào)，要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量信號(hào)。電量信號(hào)的規(guī)范化和數(shù)字化。數(shù)字控制實(shí)際和適宜于數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法〔程序〕等。一系列的實(shí)際和實(shí)際研討課題。27計(jì)算機(jī)控制的開(kāi)創(chuàng)時(shí)期TRW公司和得克薩柯公司的任務(wù)，在工業(yè)界、計(jì)算機(jī)制造商和各種研討組織中間喚起了對(duì)過(guò)程工業(yè)控制的極大的興趣。工業(yè)界看到的是一種提高自動(dòng)化程度的潛在手段，計(jì)算機(jī)工業(yè)界看到了新的市場(chǎng)，大學(xué)那么看到了新的研討領(lǐng)域。28計(jì)算機(jī)控制的開(kāi)創(chuàng)時(shí)期到1961年3月為止，全世界安裝了37套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。一年之后，系統(tǒng)臺(tái)數(shù)增長(zhǎng)到159套。運(yùn)用領(lǐng)域涉及到鋼鐵、化工和電力工業(yè)的控制。不同的工業(yè)領(lǐng)域，以不同的速度推進(jìn)了這種技術(shù)的開(kāi)展?？尚行匝杏懾灤┝苏麄€(gè)20世紀(jì)60年代和70年代。計(jì)算機(jī)控制的開(kāi)創(chuàng)時(shí)期是計(jì)算機(jī)監(jiān)視控制階段。29直接數(shù)字控制時(shí)期1962年，英國(guó)的帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司〔ICI〕制造出了一套全新的控制安裝，過(guò)程控制中的全部模擬儀表由一臺(tái)名為費(fèi)倫蒂·阿格斯〔FerrantiArgus〕的計(jì)算機(jī)來(lái)替代。一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接丈量224個(gè)變量和控制129個(gè)閥門。開(kāi)創(chuàng)了過(guò)程控制的新紀(jì)元，即模擬技術(shù)直接被數(shù)字技術(shù)所替代，而系統(tǒng)的功能堅(jiān)持不變。直接數(shù)字控制〔DDC〕這個(gè)名字就是為了強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)直接控制消費(fèi)過(guò)程這一特征。1962年，一臺(tái)典型的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)，完成兩數(shù)相加所花的時(shí)間為100微秒，相乘所花的時(shí)間為1毫秒。平均無(wú)缺點(diǎn)時(shí)間大約為1000小時(shí)。30直接數(shù)字控制時(shí)期控制系統(tǒng)的價(jià)錢問(wèn)題是DDC技術(shù)得以開(kāi)展的主要理由。模擬系統(tǒng)的價(jià)錢隨著控制回路數(shù)目的添加成線性增長(zhǎng)，而一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最初投資雖然很大，但添加一個(gè)回路的費(fèi)用卻很小。因此，對(duì)于大型安裝來(lái)說(shuō)，數(shù)字系統(tǒng)是廉價(jià)的。數(shù)字控制系統(tǒng)的另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是操作方式的變卦，一塊操作員通訊板可替代一大片墻壁的模擬儀表。用在ICI系統(tǒng)的通訊板非常簡(jiǎn)單，僅僅包含一臺(tái)數(shù)字顯示器和少數(shù)按鈕。31直接數(shù)字控制時(shí)期靈敏性是DDC系統(tǒng)的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。模擬系統(tǒng)要經(jīng)過(guò)重新接線來(lái)改動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)造；而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)那么只需經(jīng)過(guò)重編程序，改動(dòng)控制邏輯，即可改動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)造。計(jì)算機(jī)控制還有更多的優(yōu)點(diǎn)，比如，它容易實(shí)現(xiàn)幾個(gè)回路之間的相互作用；可以使控制環(huán)節(jié)的參數(shù)成為運(yùn)轉(zhuǎn)條件的函數(shù)。采用公用的DDC言語(yǔ)可以簡(jiǎn)化編程任務(wù)。在運(yùn)用者看來(lái)，DDC系統(tǒng)仿佛是用常規(guī)調(diào)理器連成的。32小型計(jì)算機(jī)時(shí)期20世紀(jì)60年代，由于集成電路技術(shù)的發(fā)明與開(kāi)展，計(jì)算機(jī)變得體積更小，速度更快，可靠性更高，并且越來(lái)越廉價(jià)。小型計(jì)算機(jī)一詞指的是新出現(xiàn)的這類計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期，典型的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)為16位，內(nèi)存儲(chǔ)器為8~124K字，磁盤作為輔助存儲(chǔ)器，加法時(shí)間為2微秒，乘法時(shí)間為7微秒，中央處置單元的平均無(wú)缺點(diǎn)時(shí)間為20000小時(shí)。DDC期間，經(jīng)過(guò)工程實(shí)際獲得了越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制的知識(shí)。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)的臺(tái)數(shù)從1970年的5000臺(tái)左右增長(zhǎng)到1975年的50000臺(tái)左右。33微型計(jì)算機(jī)時(shí)期和計(jì)算機(jī)控制的普遍運(yùn)用微型機(jī)與小型機(jī)時(shí)代幾乎是同時(shí)開(kāi)場(chǎng)的。90年代，微處置器的價(jià)錢降到僅為幾美圓。出現(xiàn)了稱為微控制器的特殊用途計(jì)算機(jī)。在微控制器中，一塊規(guī)范的處置器芯片上增添了存放器、存儲(chǔ)器〔包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〕、中斷邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通訊口，以及A/D和D/A變換器等其它的功能部件和通用接口等。使微控制器只需少量的外部電路就可以成為一完好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。并且可靠性大幅度提高。34集散型控制微處置器對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)造產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，極大的提高了控制系統(tǒng)的可靠性。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常包括實(shí)現(xiàn)控制功能的過(guò)程站，具有操作監(jiān)視作用的操作站和各種輔助的站點(diǎn)。控制系統(tǒng)中一切的相互作用都經(jīng)過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種將不同的功能分散在不同的站點(diǎn)的控制系統(tǒng)稱為集散控制系統(tǒng)。第一臺(tái)集散控制系統(tǒng)是1975年由Honeywell公司推出的TDC2000系統(tǒng)。操作員運(yùn)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)〔操作站〕就能完成對(duì)整個(gè)消費(fèi)過(guò)程的監(jiān)視和控制。35全廠監(jiān)視和控制工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)展是將工廠中的一切計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。這樣的相互作用就使得一切部門各得其所。最高主管能隨時(shí)了解運(yùn)轉(zhuǎn)的全貌；消費(fèi)主管可以在現(xiàn)有信息的根底上規(guī)劃和調(diào)度消費(fèi)及時(shí)了解產(chǎn)品消費(fèi)、庫(kù)存、銷售信息，消費(fèi)本錢賬目和質(zhì)量記錄等。集成的根底是數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。3637我國(guó)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開(kāi)展我國(guó)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在早期與世界先進(jìn)程度比并不落后。在20世紀(jì)60年代初，我國(guó)大學(xué)就開(kāi)場(chǎng)了在不同行業(yè)中的計(jì)算機(jī)運(yùn)用研討，及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)研討。南京工學(xué)院〔如今的東南大學(xué)〕在化工、電力行業(yè)開(kāi)場(chǎng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和工程運(yùn)用的研討。并且在70年代初已有在石油化工、電廠、造船等行業(yè)勝利運(yùn)用的實(shí)例。38現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)粗略的分為三層，其中，下面兩層是消費(fèi)過(guò)程的控制和監(jiān)視。上面一層實(shí)現(xiàn)消費(fèi)管理功能。對(duì)信息的要求也不同。消費(fèi)過(guò)程的控制和監(jiān)視過(guò)程，面對(duì)的是過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)效性高〔比如周期性的檢測(cè)數(shù)據(jù)。每次的傳送數(shù)據(jù)量普通不大。屬于時(shí)效性強(qiáng)的小批量數(shù)據(jù)。39現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)消費(fèi)管理面對(duì)的是消費(fèi)方案、市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)、財(cái)務(wù)、庫(kù)存等信息，以及消費(fèi)過(guò)程分析等?！财渲邢M(fèi)過(guò)程分析數(shù)據(jù)來(lái)源雖然同樣來(lái)自自動(dòng)化系統(tǒng)〕，普通是來(lái)自過(guò)程自動(dòng)化層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。〔并且，消費(fèi)分析普通是離線分析，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要求不強(qiáng)。作為消費(fèi)過(guò)程的診斷分析，要求的數(shù)據(jù)不但要求多，還往往要有一定的時(shí)間跨度〕。因此在消費(fèi)管理層，每次傳送的數(shù)據(jù)量很大。不定時(shí)。管理自動(dòng)化系統(tǒng)還能夠進(jìn)一步經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成更大的管理網(wǎng)絡(luò)，直到與因特網(wǎng)相連。40現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)的控制方式，其通訊的不確定性使人們不斷以為它不適于在控制網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用〔在網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)多或通訊量添加時(shí)，通訊過(guò)程中發(fā)生沖突的概率將明顯增大，數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性無(wú)法保證〕?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)的通訊協(xié)議都由各控制系統(tǒng)消費(fèi)公司本人設(shè)計(jì)，并且各不一樣。給控制系統(tǒng)的運(yùn)用帶來(lái)不方便。41工業(yè)以太網(wǎng)不同的控制系統(tǒng)有不同的組成、構(gòu)造，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。屬于不同的企業(yè)集團(tuán)控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)集成，綜合自動(dòng)化。一致信息規(guī)范。以太網(wǎng)隨著因特網(wǎng)的開(kāi)展已成為最廣泛的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，工業(yè)以太網(wǎng)能夠是一致網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的一種道路。42集散控制系統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)集中安裝在控制室，計(jì)算機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)集中安裝在控制室，計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)集中安裝在控制室，一個(gè)CPU對(duì)一切回路進(jìn)展檢測(cè)控制?？刂萍?，風(fēng)險(xiǎn)集中。集散控制系統(tǒng)集中安裝在控制室，控制功能分散在各部件。分散風(fēng)險(xiǎn)。上述控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)采用電纜銜接，接線多，復(fù)雜。43現(xiàn)場(chǎng)儀表控制系統(tǒng)將控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。與中央控制室之間的銜接僅是數(shù)據(jù)線，極大減少了銜接電纜數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線是系統(tǒng)的關(guān)鍵。分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線不僅是通訊線，更是控制系統(tǒng)的組成部分。安裝分散，風(fēng)險(xiǎn)分散?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)新一代控制系統(tǒng)。44現(xiàn)場(chǎng)總線定義國(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC65擔(dān)任丈量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊國(guó)際規(guī)范化任務(wù)的SC65C/WG6于1984年就開(kāi)場(chǎng)著手規(guī)范的制定，并努力于推出世界上單一的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158規(guī)范定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)安裝與控制室內(nèi)的自動(dòng)安裝之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)根本內(nèi)容包括：以串行通訊方式取代傳統(tǒng)的4~20mA的模擬信號(hào)；一條現(xiàn)場(chǎng)總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)銜接、支持底層的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)利用公用傳播介質(zhì)交換信息。45現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的中心是它的通訊協(xié)議。它是工業(yè)控制領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)的最底層的低本錢網(wǎng)絡(luò)〕。自1993年經(jīng)過(guò)了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線物理層規(guī)范之后，由于種種經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與技術(shù)緣由，使現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范的制定不斷處于混亂形狀。2000年初宣布8種現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范為IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際規(guī)范子集：46現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范IEC61158[技術(shù)規(guī)范〔即FF-H1〕]ControlNET〔美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司RockwellAutomation,1995〕、Profibus(德國(guó)西門子公司支持，1989；1996年它博得了43％的德國(guó)市場(chǎng)，在歐洲市場(chǎng)也占首位)、P-Net(丹麥PROCES-DATA，1984年)、FoundationFieldbusFF-HSE(美國(guó)FisherRosemount公司支持)、NetcomerSwiftNet〔SHIPSTAR協(xié)會(huì)應(yīng)波音公司的要求開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線〕、WorldFIP〔法國(guó)Alstom支持〕、Interbus-S(德國(guó)的PhoenixContact公司，1984)，47其它控制總線規(guī)范Lonworks(美國(guó)ECHELON)CC-Link(三菱電機(jī)，1996〕CAN〔德國(guó)Bosch,1994)DeviceNet(開(kāi)放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供貨商協(xié)會(huì))AS-I(11家公司結(jié)合資助和規(guī)劃的，并得到德國(guó)科技部的支持)一切控制總線產(chǎn)品相互之間不兼容。48工業(yè)以太網(wǎng)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范爭(zhēng)論不斷的時(shí)候，以太網(wǎng)規(guī)范隨Internet的開(kāi)展，獲得了長(zhǎng)足的開(kāi)展，從10M→100M→1000M。許多公司開(kāi)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)研討，并獲得了很大的進(jìn)展。工業(yè)以太網(wǎng)能夠是可以一致未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范。工業(yè)以太網(wǎng)是一種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。49分布式工業(yè)控制系統(tǒng)自從采用數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)后，工業(yè)控制系統(tǒng)的開(kāi)展，有兩個(gè)分布式的過(guò)程。DCS的出現(xiàn)，使控制系統(tǒng)從單個(gè)處置器的集中控制方式，轉(zhuǎn)向多處置器的分散控制方式。早期的DCS控制系統(tǒng)，還是集中在中央控制室。智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，使得控制系統(tǒng)從集中在總控制室，轉(zhuǎn)向真正分布到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)50嵌入式系統(tǒng)隨著IC〔集成電路〕技術(shù)和IT〔信息〕技術(shù)的開(kāi)展，控制系統(tǒng)又將面臨新的變化，這就是嵌入式系統(tǒng)。我們這里所說(shuō)的嵌入式系統(tǒng)有兩層含義，一是控制系統(tǒng)嵌入到控制對(duì)象中〔即被控對(duì)象與控制系統(tǒng)結(jié)合成新的智能化設(shè)備〕，二是系統(tǒng)軟件嵌入到IC〔SOC〕芯片中去。51智能化設(shè)備控制系統(tǒng)嵌入到控制對(duì)象：嵌入式控制系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)與被控對(duì)象成為一體，成為新的系統(tǒng)：機(jī)電一體化系統(tǒng)。典型的機(jī)器人。嵌入式系統(tǒng)具有完善的網(wǎng)絡(luò)通訊接口、人機(jī)接口和完善的檢測(cè)控制功能，它是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，又是設(shè)備的一個(gè)組成部分，是在設(shè)備的制造過(guò)程中，量身定做的控制系統(tǒng)，不再需求進(jìn)展二次開(kāi)發(fā)。52芯上系統(tǒng)

〔SOC：SystemOnchip〕控制軟件嵌