计算机过程控制系统的应用与发展

计算机过程控制系统的应用与发展

李杰训!徐晶（大庆油田工程设计技术开发有限公司）岳绍信!石少敏（吉林油田设计院）

!!在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是"#世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。

凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。

$%计算机过程控制系统的发展回顾

世界上第一台电子数字计算机于$&’(年在美国问世。经历了十多年的研究，$&)&年世界上第一台过程控制计算机*+,—-##在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个时期：

（$）起步时期（"#世纪)#年代）。"#世纪)#年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。

（"）试验时期（"#世纪(#年代）。$&("年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。

（-）推广时期（"#世纪.#年代）。随着大规模集成电路（/01）技术的发展，$&."年生产出了微型计算机（234 56757289:;6），其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。

（’）成熟时期（"#世纪<#年代）。随着超大规模集成电路（=/01）技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。<#年代末，又推出了具有计算机辅助设计（>?@）、专家系统、控制和管理融为一体的新型集散控制系统。

（)）进一步发展时期（"#世纪&#年代）。在计算机控制系统进一步完善，应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。

"%计算机过程控制系统的分类

计算机控制系统的应用领域非常广泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方

法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类，分为以下几类：

（$）数据处理系统（@?0），对生产过程参数作巡检、分析、记录和报警处理。

（"）操作指导控制系统（AB>），计算机的输出不直接用来控制生产过程，而只是对过程参数进行收集，加工处理后输出数据，操作人员据此进行必要的操作。

（-）直接数字控制系统（@@>），计算机从过程输入通道获取数据，运算处理后，再从输出通道输出控制信号，驱动执行机构。

（’）监督控制系统（0>>），计算机根据生产过程参数和对象的数字模型给出最佳工艺参数，据此对系统进行控制。

（)）多级控制系统，企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，一般是三级系统，即经营管理级（C10）、监督控制级（0>>）和直接数字控制级（@@>）。

（(）集散控制系统（@>0），以微处理器为核心，实现地理和功能上的分散控制，同时通过高速数据通道将分散的信息集中起来，实现复杂的控制和管理。

（.）监控与数据采集系统（0>?@?），0>?@?是以计算机、控制、通讯与>+*技术为基础的一种综合自动化系统，更适用于“点多、面广、线长”的生产过程。由于控制中心和监控点的分散而自然形成了两层控制结构。

（<）现场总线控制系统（D>0），是新一代分布式控制系统，与@>0的三层结构不同，其结构模式为“工作站—现场总线智能仪表”两层结构，降低了总成本，提高了可靠性，系统更加开放，功能更加强大。在统一的国际标准下，可实现真正的开放式互连系统结构。

（&）计算机集成过程控制系统（>1E0），利用@>0作基础，开发高级控制策略，实现各层次的优化，利用管理信息系统C10进行辅助管理和决策，将企业中有关过程控制、计划调度、经营管理、市场销售等信息进行集成，经科学加工后，为各级领导、管理及生产部门提供决策依据，实现控制、管理的一体化。

-%计算机过程控制系统国内外应用状况

近十几年，过程控制系统发展非常迅速，由于集散控制系统是这一领域的主导发展方向，各国厂商都在这一市

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万方数据

场不断推陈出新。美国和日本的产品代表两个主要的发展方向：美国厂商重点推出开放型集散系统，加速研制现场总线产品，推广应用智能变送器；日本厂商则着重发展高功能集散系统，从软件开发入手，挖掘软件工作的潜力，强调控制功能和管理功能的结合。

!"世纪#"年代，比较著名的大型集散控制系统新产品有：美国$%&’()’**公司的+,-./"""，0%12%3%公司的4567，89:*’(公司的4;04.<"，日本横河公司的-=;+>?@ .AB，英国C1D%3E6FG%H9G:%&公司的7I7+=@.#J，德国7:’H’&K公司的+=B=L=>@系统等等。这些都属于第三代,-7，控制点可达到一万点以上，系统结构接近标准化，采用局域网技术。它的主要改变是在局域网络方面，采用了符合国际标准化组织47C的C74开放系统互连的参考模型。因此，在符合开放系统的各制造厂商产品间可以互相连接、互相通讯和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进入了更高的阶段。

在!"世纪<"年代初，随着对控制和管理要求的不断提高，第四代集散控制系统以管控一体化的形式出现。它在硬件上采用了开放的工作站，使用>47-替代-47-，采用了客户机5服务器（-*:’&G57’3M’3）的结构。在网络结构上增加了工厂信息网（4&G39&’G），并可与国际信息网（4&N G’3&’G）联网。在软件上则采用?;4A系统和A.O:&E%)K 的图形用户界面，系统的软件更丰富。同时，在制造业，计算机集成制造系统（-4@7）得到了应用，使人们看到了应用信息管理系统的经济效益。随着现场总线技术的出现，在世界上引起了广泛重视，各大仪表制造厂商纷纷在自己的,-7系统中融入现场总线技术，推出现场总线控制系统及相应的现场总线仪表装置。第四代集散控制系统的典型产品有$%&’()’**公司的+L7控制系统，横河公司-=;+=> .-7控制系统，0%12%3%公司4567P"5PQ系列控制系统，688公司6EM9&G系列C-7开放控制系统等。这一代集散控制系统主要是为解决,-7系统的集中管理而研制，它们在信息的管理、通讯等方面提供了综合的解决方案。

我国的工业控制计算机技术起步于!"世纪P"年代末期，经历了巡回检测装置、小型工业控制机、可编程控制器等几个阶段以后，R"年代中期研制了小型工业控制计算机网络系统。R"年代末，有少数几家化工企业从国外引进了集散控制系统。!"世纪#"年代中期，集散控制系统进入冶金、电力等行业。Q<#P年，济钢第一套控制系统. @C,4-C;P#S系列LB-在济钢炼铁厂S T高炉上料系统应用获得成功。Q<

<"年代初期，我国将集散控制系统与工业控制局部网络列入国家攻关计划，并取得了一些可喜的成果。我国石化行业“八五”期间新建和技改的石化生产装置大多数采用,-7系统，现已有/""多套。同时，开展了计算机集成制造系统试点，近几年部分石化企业已开始实施-4@7。

-4@7在石油行业虽已开始应用，但尚属探索阶段。由于建立大型的控制与管理相接合的管理信息系统所需投资较大，一般企业无法承受，而且我国当前的生产过程与国际先进水平还有一定的差距，这对过程控制系统的发展产生了一定的影响。

我国自动化仪表行业通过引进技术和与外商合作，还合资组装生产了,-7，逐步实现了国产化。我国自动化仪表行业通过引进技术和与外商合作，还合资组装生产了,-7，逐步实现了国产化。如上海的福克斯波罗、西安横河、北京贝利、四川仪表总厂等都有相应的,-7产品。我国独立自主开发的,UV.RP""（重庆自动化研究所）、$7. !"""（北京和利时自动化公司）、08.!"""（浙江威盛自动化公司）、友力.!"""（航空航天部）、,-7.Q""（清华大学）和!.!"""（上海调节器厂）集散控制系统，适合我国国情，有自己的特色，已投入生产和使用。

SW计算机过程控制系统的发展趋势

计算机控制系统以其特有的优势和强大的功能，已在过程控制领域得到广泛的应用。同时，随着计算机软硬件技术和通讯技术的飞速发展，新的控制理论和新的控制方法也层出不穷。展望未来，它的发展趋势有以下几个方面。

（Q）大力推广应用成熟的先进技术。普及应用具有智能45C模块的、功能强、可靠性高的可编程控制器（LB-），广泛使用智能化调节器，采用以位总线（8:G2FK）、现场总线（0:’*E2FK）技术等先进网络通讯技术为基础的新型,-7和0-7控制系统。

（!）大力研究和发展智能控制系统。智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。智能控制系统的类型主要包括：分级梯阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、人工神经网络控制系统和基于规则的仿人工智能控制系统等。

（/）控制与管理结合，向低成本自动化（B%)-%KG 6FG%H9G:%&，B-6）方向发展。B-6是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能，而投资较低的自动化系统。在,-7和0-7的基础上，采用先进的控制策略，将生产过程控制任务和企业管理任务共同兼顾，构成计算机集成控制系统（-4L7），可实现低成本综合自动化系统的方向发展。

总之，由于计算机过程控制在控制、管理功能、经济效益等方面的显著优点，使之在石油、化工、冶金、航天、电力、纺织、印刷、医药、食品等众多工业领域中得到广泛的应用。计算机控制系统将会随着计算机软硬件技术、控制技术和通讯技术的进一步发展而得到更大的发展，并深入到生产的各部门。

（栏目主持X杨X军）

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