基本的控制理论

控制中的计算机

在结束第5部分的时候，我们应该全面地看看计算机在控制系统中的作用。

字典对计算机一词的定义是“一种能存储、检索和处理数据的可编程电子设备”。

该定义包括在过程行业中常见的基本，单环和多环控制器，其中传感器读取条件，与控制器中的设定点通过执行的一些数学例程来确定所需的纠正措施，然后是一个适当信号的输出。

计算机芯片的开发率及其对生命各方面的影响是众所周知的。控制技术的进步速度肯定意味着在读取时的一些评论将是冗余的。

历史

独立的，单回路控制器可以追溯到气动控制器，通过巧妙地使用襟翼和喷嘴，可以接近基本的PID功能。这些复杂和昂贵的控制器经常在大型石化工厂中发现，在这些工厂中，对过程的精确控制以及本质安全(没有可能引发火灾的火花)是必不可少的。

通常，这些过程单独连接到局部圆形图表记录器（图5.6.1）;或者，许多过程连接到控制室中的多笔录像机（图5.6.2）。虽然多笔录像机使得要一起进行多个参数，但仪器中的机制和一张图表上的线路数量有效地限制了其对大约十二个输入。

控制系统中使用的第一台计算机更换了主控制室图表录像机。他们从工厂周围的大量点收集信息（或数据）。它们通常被称为“数据记录器”（图5.6.3），并且没有对工厂操作的输入。

这些早期计算机通常被编程为以连续计算机列表纸上的特定时间间隔打印出报告。通过手动从计算机打印出来提取数据，工厂经理能够将其植物的操作整体审查，比较植物不同部位的性能，寻找性能恶化，这表明需要关闭等。

在20世纪70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，从传感器接收输入，执行数学程序，并向各种相关的控制设备提供输出。他们还维护了事件的记录以供评审(参见图5.6.4)。

重要提示:

• 个人计算机(PC)不能接受来自控制设备的原始仪器信号(4 - 20ma, 0 - 10v)。需要一个输入/输出(I / O)设备在两者之间进行“转换”。每个I / O制造商都有一种独特的方法来实现这一点，这意味着系统并不像预期的那样完全兼容。
• 一开始，I / O设备位于工厂的主控制室中，每个设备都通过自己的单独信号电缆连接到主控制室。这意味着在大型植物上，电缆安装和管理是其体积和相应成本的重要问题。
• 一开始，I / O设备位于工厂的主控制室中，每个设备都通过自己的单独信号电缆连接到主控制室。这意味着在大型植物上，电缆安装和管理是其体积和相应成本的重要问题。
• 在开始时，I / O设备位于工厂的主控制室中，每个设备通过自己的单独信号电缆连接到主控制室

这意味着在大型植物上，电缆安装和管理是其体积和相应成本的重要问题。

• 随着技术的进步，I / O设备移到了工厂，与控制室相连的电缆数量减少了，但仍然很重要。

这些数字控制系统导致开发：

• 集散控制系统
• 监控控制和数据采集(SCADA)系统
• 建筑物管理系统（BMS）

......今天所有这些都在多产性使用（见图5.6.5）。

在1980年代后期发生了一个巨大的飞跃，推出了PC和Windows屏幕环境和计算机操作系统。这为早期数字控制系统提供了标准平台，因为所有乐器公司都需要以共同的格式工作。“Windows”的系统的优势在于，信息与当今的个人计算机用户可以在Word，'Excel'和'PowerPoint'之间自由交换数据的方式相同。此数据交换“语言”被称为动态数据交换（DDE），随后开发成对象链接和嵌入（OLE）。对于过程控制进一步修改，成为过程控制（OPC）的过程控制，其仍然在写作时使用。

PC的使用也意味着观看历史的选项相当容易。工厂经理可以使用强大的绘图程序，分析趋势，添加颜色，调整尺度和使用符号，而不是仅限于打印出版物和手动传输数据，而不是仅限于打印出版物和手动传输数据，而不是使用强大的绘图程序，分析趋势，添加颜色;可以彼此绘制不同的变量，而不同植物的性能相比。

现代自动化系统利用计算机作为过程的“窗口”。操作员使用计算机来监测整个工厂发生了什么，并修改设置点和控制参数，如PID，个别工厂基于控制器，从而让个别控制器运行PID算法和控制逻辑。

因此，独立的控制器仍然存在在现代自动化系统中的位置，因为它们处于最终控制状态，但控制器通常采用PLC（可编程逻辑控制器）或多环机架安装设备的形式。这些在外观上与单循环PID控制器完全不同。不是使用键盘的操作员在控制器处更改设定点和其他控制参数，它们由计算机上的操作员更改，该操作员将所需参数以电子方式将所需参数作为控制器改变为控制器。在中央计算机故障的情况下，独立控制器将继续其当前参数或达到安全状况，从而确保工厂继续安全运行。

前进的下一个重大步骤是一个称为“现场总线”的系统。

现场总线使用单个数字电缆系统，连接每个项目（见图5.6.6）。

每个项目（传感器，控制器和受控设备）被赋予唯一地址，该地址用于请求信息（可能来自传感器）或采取一些动作（可能关闭控制阀）。

然而，这些系统是复杂的，可能是昂贵的。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方法，以便能够共享信息(见图5.6.8)。将现场总线控制器的角色结合起来并提供到PC网络的桥接的设备称为“桥接器”或“主控制器”(见图5.6.7)。

在过程中，桥梁可以：

• 从多个传感器请求和接收数据。
• 在复杂的数学例程中使用此信息来确定和传输所需的纠正措施，以控制诸如阀门的设备。
• 可要求设备启动诊断程序，并报告。

在计算机网络方面，它可以提供:

• 设备的历史数据，例如近期诊断程序的日期和结果。
• 过程或设备超过设置参数时的警报。
• 关于工厂性能的详细历史和当前数据。

重要提示:

• 桥梁在复杂性中变化，但可以控制50多个进程;相当于50个单循环PID控制器。
• 如果要控制更多处理，则可以使用多于一个桥。
• 桥梁可以位于植物周围的方便点。
• 该桥通常不会显示信息，也不会按下任何按钮。这只是一种电子网关;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存在差异。

重要提示:

现场总线协议和产品之间不能直接兼容。有方法集成不同的现场总线，但这可能是昂贵的。这意味着用户通常只采用一个系统。

• 现场总线系统可以集成较旧的基于信号的仪器（4 - 20 mA，0 - 10 V等）。然而，信号必须通过I / O单元对现场总线进行界面，并且在做这么多（但不是全部）现场总线的好处丢失。
• 这意味着，一旦特定的现场总线系统在工厂上被采用，用户甚至考虑替代协议都是不寻常的。

随着控制技术的进步，PC也是如此。计算机能够通过网络互相通信（LAN - 局域网）：组织内的金融，商店，生产，营销和销售部门可以轻松分享数据，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，允许授权人员查看和修改工厂从办公室的PC的操作。

由于制造已成为全球性的，广域网（WAN）已开发出来。因此，位于伦敦的工程师，例如，可以在纽约公司的植物中询问植物计算机。

这种控制和通信技术的影响是巨大的。现在存在的知识，专业知识和设备在哪里：

• 客户的电脑在接到“最低库存”命令或生产计划后，可以通过互联网下订单。
• 该订单由供应商的计算机收到：

-询问持有产品的商店并将其发送出去，或

-修改生产计划以包括订单，甚至可能修改生产特定产品的工艺说明。

•计算机安排发货并发票给客户。

•不需要人力干预。

现场总线技术的好处

安装:

• 减少系统硬件——控制过程所需的控制器和布线更少。
• 安装成本降低 - 不仅有安装的设备，安装更简单，更快，因此这意味着安装电线，电缆托盘，导管，编组柜，接线盒和终端的材料和劳动力成本的显着降低块。
• 更少的空间需要-因为控制室的设备和线路更少，更多的空间可用作其他用途。同样，该厂的生产设备将有更大的空间。
• 工程图纸——计算机自动生成工艺逻辑图，所以它们总是准确和最新的

操作:

• 安全-故障状态操作被嵌入到软件中，并定义了特定的操作。在主计算机发生故障的情况下，控制回落到“本地”桥，这些桥有独立的电源供应，并被编程默认为与过程相关的“安全模式”。
• 增加的过程信息——与集散控制系统(DCS)相比，操作人员和管理人员可获得的信息量增加了许多倍，参见图5.6.9。单个设备(如传感器和阀门)很容易被询问、查看和分析。可以观察和分析整个过程或过程的个别部分，以确定限制条件、改进能力等等。

• 主动维护-主机可执行详细的诊断程序，检测传感器故障、输出故障、记忆故障、配置错误、通信错误、阀门位置和阀门使用行程时间、粘滑动作等。因此，维护和校准是根据设备的实际情况，而不是一个时间段，从而减少了维护的必要性。
  
  有几种设备可以同时执行维护和校准程序。这意味着关闭较少或更短，从而增加了植物可用性。
  
  避免了在不必要的维护上浪费的时间，材料和劳动力，这意味着维护成本最小化。
  
  
• 系统可靠性- 主动维护意味着设备保持良好。
• 质量控制- 集中控制和查看过程中的过程的能力改善了质量控制。
• 股票持有-工厂反应和灵活性的提高意味着产品库存经常可以减少。
• 备- 由于组件的兼容性和互换性，用户未与一个组件供应商绑定，因此价格具有竞争力。这也意味着备件库存可以最大限度地减少，再次节省成本。
• 通讯-控制系统或其任何部件几乎可从任何地方通过计算机网络或互联网络访问。

现场总线系统的开发

灵活性:

• 系统可以很容易地更新以进行修订的过程要求运行。
• 该系统可以很容易地扩展，以承担工厂扩建或新工艺。
• 与其他系统的兼容性意味着设备可以以有竞争力的价格采购。