控制中的计算机应用

了解控制领域中涉及信息技术应用的最新发展。

以广泛审视计算机在控制系统中的参与来结束模块 5 可能是恰当的。

“计算机”一词的词典定义是”一种可编程的电子设备，能够存储、检索和处理数据”。 此定义包括在过程工业中常见的基本的单回路和多回路控制器，在这些控制器中，传感器读取某个条件，通过在控制器中进行的一些数学例程与设定点进行比较，以确定所需的校正动作，然后输出适当的信号。 计算机芯片的发展速度及其对生活各个方面的影响是众所周知的。控制技术的进步速度意味着以下一些评论在阅读时可能已经过时。 历史 独立的单回路控制器可以追溯到气动控制器，它们通过巧妙地使用翻板和喷嘴，可以近似实现基本的 PID 功能。这些复杂且昂贵的控制器通常出现在大型石化工厂中，在这些工厂中，精确的过程控制以及本质安全性（不存在可能引发火灾的火花）至关重要。

通常，这些过程分别连接到本地的圆形图表记录仪（图 5.6.1）；或者，多个过程连接到控制室中的多笔记录仪（图 5.6.2）。虽然多笔记录仪可以同时查看多个参数，但仪器中的机构和一张图表上的线条数量有效地将其使用限制为大约十二个输入。

控制系统中使用的第一批计算机取代了主控制室的图表记录仪。它们从工厂周围更多的点收集信息（或数据）。它们通常被称为”数据记录器”（图 5.6.3），对工厂操作没有输入。

这些早期计算机通常被编程为在连续的计算机打印纸上按特定时间间隔打印报告。通过从计算机打印输出中手动提取数据，工厂经理能够从整体上审查工厂的运行情况，比较工厂不同部分的性能，寻找性能下降（这将表明需要停机）等。

在 1970 年代中期，一些著名的仪器公司开始销售数字控制系统。这些系统使用一个中央计算机单元，接收来自传感器的输入，执行数学例程，并向各种相关的控制设备提供输出。它们还维护事件记录以供审查（见图 5.6.4）。

重要说明：

• 个人计算机（PC）不能直接接收来自控制设备的原始仪表信号（4 - 20 mA，0 - 10 V）。需要输入/输出（I/O）设备在两者之间进行”转换”。每个 I/O 制造商都有实现此目的的独特方式，这意味着系统并不完全如预期那样兼容。
• 最初，I/O 设备位于工厂的主控制室中，每台单独的设备通过各自的信号电缆连接到主控制室。这意味着在大型工厂中，电缆安装和管理是一个重要问题，涉及其物理体积和相应的成本。
• 随着技术的进步，I/O 设备移到了工厂现场，到控制室的电缆量减少了，但仍然很大。 这些数字控制系统促进了以下系统的发展：
• 分布式控制系统（DCS）
• 监督控制和数据采集（SCADA）系统，以及
• 楼宇管理系统（BMS） …所有这些系统今天都在大量使用（见图 5.6.5）。

1980 年代末期，随着 PC 和 Windows 屏幕环境及计算机操作系统的引入，实现了一次巨大的飞跃。这为早期的数字控制系统提供了一个标准平台，因为所有仪器公司都需要在共同的格式下工作。基于”Windows”系统的优势在于信息可以交换，就像今天的个人计算机用户可以在 Word、“Excel”和”PowerPoint”之间自由交换数据一样。这种数据交换”语言”被称为动态数据交换（DDE），随后发展为对象链接和嵌入（OLE）。这进一步针对过程控制进行了修改，成为用于过程控制的 OLE（OPC），在撰写本文时仍在使用。

PC 的使用还意味着查看历史记录的选项变得容易得多。工厂经理不再局限于打印输出和手动传输数据，而是可以使用强大的图表程序、分析趋势、添加颜色、调整刻度和使用符号；不同的变量可以相互绘制，不同工厂的性能可以进行比较。

现代自动化系统将计算机用作工艺的”窗口”。操作员使用计算机来监控整个工厂正在发生的情况，并修改单个工厂控制器的设定点和控制参数（如 PID），从而让各个控制器运行 PID 算法和控制逻辑。

因此，独立控制器在现代自动化系统中仍有一席之地，因为它们处于最终控制中，但控制器通常采用 PLC（可编程逻辑控制器）或多回路机架安装设备的形式。这些在外观上与单回路 PID 控制器完全不同。操作员不再使用键盘在控制器处更改设定点和其他控制参数，而是在计算机处更改，计算机将所需参数电子下载到控制器。在中央计算机发生故障的情况下，独立控制器将以当前参数继续运行或进入安全状态，从而确保工厂继续安全运行。

下一个重大进步是称为”现场总线”的系统。

现场总线使用单一的数字电缆系统连接每个设备（见图 5.6.6）。

每个设备（传感器、控制器和被控装置）被赋予一个唯一的地址，用于请求信息（可能是从传感器）或执行某个操作（可能是关闭控制阀）。

然而，这些系统复杂且可能昂贵。现场总线网络需要一个主控制器来组织现场总线上的通信和控制逻辑。它还需要一种将现场总线连接到计算机网络的接口方式，以便信息可以共享（见图 5.6.8）。一种结合现场总线控制器角色并提供到 PC 网络桥接功能的设备称为”桥接器”或”主控制器”（见图 5.6.7）。

在工艺侧，桥接器可以：

• 从多个传感器请求和接收数据。
• 在复杂的数学例程中使用这些信息，以确定并向阀门等控制装置传输所需的校正动作。
• 可以请求设备启动诊断程序并报告。 在计算机网络侧，它可以提供：
• 设备的历史数据，例如最近诊断程序的日期和结果。
• 当过程或设备超过设定参数时发出报警。
• 关于工厂性能的详细历史和当前数据。

重要说明：

• 桥接器的复杂程度各异，但可以控制 50 多个过程；相当于 50 个单回路 PID 控制器。
• 如果需要控制更多的过程，则可以使用多个桥接器。
• 桥接器可以位于工厂周围的方便位置。
• 桥接器通常不显示信息，也没有任何按钮可以按下。它只是一个电子网关；所有与它的交互都通过 PC 进行。 虽然现场总线在理论上是一种通用技术，但不同制造商使用的产品和协议之间存在差异。 现场总线中常见的名称包括：

重要说明： 现场总线协议和产品彼此之间不直接兼容。有方法可以集成不同的现场总线，但这可能很昂贵。这意味着用户通常会独家采用一种系统。

• 现场总线系统可以集成旧式的基于信号的仪表（4 - 20 mA，0 - 10 V 等）。然而，信号必须通过 I/O 单元连接到现场总线，在此过程中，现场总线的许多（但不是全部）优势都丧失了。
• 这意味着一旦工厂采用了特定的现场总线系统，用户通常不会考虑替代协议。 随着控制技术的进步，PC 也在发展。计算机能够通过网络（LAN——局域网）相互通信：组织内的财务、仓储、生产、营销和销售部门可以轻松共享数据，并具有不同的权限级别来执行各种任务。不可避免地，过程控制计算机已连接到网络，允许授权人员从办公室的 PC 查看和修改工厂的操作。

随着制造业的全球化，广域网（WAN）已经发展起来。因此，位于伦敦的工程师可以，例如，查询其公司在纽约的工厂的计算机。

这种控制和通信技术的影响是巨大的。现在存在以下方面的知识、专业技术和设备：

• 客户的仓储计算机响应”最低库存”命令或生产计划，可以通过互联网下订单。

• 订单由供应商的计算机接收，该计算机：

• 查询仓库中产品的库存并发货，或

• 修改生产计划以纳入订单，甚至修改工艺指令以生产特定产品。

• 计算机安排产品发货并给客户开具发票。

• 不需要人工干预。 现场总线技术的优势 安装：

• 减少系统硬件——控制过程所需的控制器和布线更少。
• 降低安装成本——不仅需要安装的设备更少，安装也更简单和更快，因此安装电线、电缆桥架、导管、集线柜、接线盒和端子排的材料和人工成本大幅减少。
• 所需空间更少——因为控制室中的设备和布线更少，更多的空间可用于其他用途。同样，工厂中将有更多空间用于生产设备。
• 工程图纸——计算机自动产生过程逻辑图纸，因此它们始终准确且是最新的。 运行：
• 安全性——故障状态动作嵌入在软件中，定义了具体的动作。在主计算机发生故障的情况下，控制回退到具有独立电源的”本地”桥接器，这些桥接器被编程为默认到与工艺相关的”安全模式”。
• 增加的过程信息——与分布式控制系统（DCS）相比，操作员和管理层可获得的信息量增加了数倍，见图 5.6.9。单个设备（如传感器和阀门）可以轻松查询、查看和分析。可以查看和分析整个过程或过程的各个部分，以识别限制、改进空间等。

• 预防性维护 - 主计算机可以执行详细的诊断程序，检测传感器故障、输出故障、存储器故障、配置错误、通信错误、阀门位置和阀门行程时间使用情况、粘滞-滑动动作等。因此，维护和校准基于设备的实际状态而非时间周期，维护仅限于必要的部分。 几个设备可以同时执行维护和校准程序。这意味着更少或更短的停机时间，提高了工厂的可用性。 避免了不必要维护所浪费的时间、材料和人工，这意味着维护成本被最小化。
• 系统可靠性 - 预防性维护意味着设备维护良好。
• 质量控制 - 集中控制和能够查看部分或全部过程的能力，改善了质量控制。
• 库存持有 - 工厂的改进响应和灵活性意味着通常可以减少产品库存。
• 备件 - 由于组件的兼容性和互换性，用户不受限于一个组件供应商，因此价格具有竞争力。这还意味着备件库存可以最小化，再次节省成本。
• 通信 - 控制系统或其任何组件几乎可以从任何地方访问，无论是通过计算机网络还是互联网。 现场总线系统的发展 灵活性：
• 系统可以轻松更新以适应修订后的工艺要求。
• 系统可以轻松扩展以容纳工厂扩建或新工艺。
• 与其他系统的兼容性意味着可以以具有竞争力的价格采购设备。