過程控制系統(tǒng)概述

以保證生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。

在石油、化工、冶金、電力、輕工和建材等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序周期進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動控制稱為生產(chǎn)過程自動化。生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段,是20世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征,是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志。凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制就稱為過程控制。過程控制系統(tǒng)(process control systems)可以分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)與計算機(jī)過程控制系統(tǒng)兩大類。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模走向大型化、復(fù)雜化、精細(xì)化、批量化，靠儀表控制系統(tǒng)已很難達(dá)到生產(chǎn)和管理要求，計算機(jī)過程控制系統(tǒng)是近幾十年發(fā)展起來的以計算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。過程控制在石油、化工、電力、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。60年代，隨著各種組合儀表和巡回檢測裝置的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。70年代，出現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結(jié)合的多級計算機(jī)控制系統(tǒng)。以表征生產(chǎn)過程的參數(shù)為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。例如，鍋爐中蒸汽的產(chǎn)生、分餾塔中原油的分離等。表征過程的主要參數(shù)有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參數(shù)的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。

蒸汽鍋爐的液位控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)的一個例子(圖1)。當(dāng)產(chǎn)生蒸汽的耗水量與鍋爐進(jìn)水量相等時，液位保持在給定的正常標(biāo)準(zhǔn)值。蒸汽量的增加或減少即引起液位的下降或上升。差壓傳感器將液、汽間的壓差(代表實際液位)與給定壓差(代表給定液位)比較，得到兩者的差值，稱為偏差(代表實際液位與給定液位之差)。控制器根據(jù)偏差值按照指定規(guī)律發(fā)出相應(yīng)信號，控制調(diào)節(jié)閥的閥門，使液位恢復(fù)到給定的標(biāo)準(zhǔn)位置，從而實現(xiàn)對液位的自動控制。一般的過程控制系統(tǒng)(圖2)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。而在批量型的過程操作中則需要采用順序控制系統(tǒng)。例如，化學(xué)反應(yīng)器中催化劑的注入需要等到反應(yīng)物升溫至一定數(shù)值后才能開始，操作必須遵守嚴(yán)格的順序。順序控制常采用可編程序邏輯控制器來實現(xiàn)。在實際生產(chǎn)過程中，往往有多個參數(shù)(被控量)需要控制,又有多個變量可用作控制量。在很多情況下,被控量與控制量之間呈現(xiàn)出交互影響的關(guān)系，每個控制量的變化會同時引起幾個被控量變化。這種變量間的交互影響稱為耦合。耦合的存在會使過程控制系統(tǒng)變得復(fù)雜化。簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種方法是采用解耦控制(見解耦控制問題)，通過引入某種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或補(bǔ)償通道把一個有耦合的多變量過程化成一些無耦合的單變量過程來處理，或者經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理以減小耦合影響。多變量頻域方法是研究和設(shè)計多變量耦合過程控制系統(tǒng)的一種有效工具。

過程控制在石油、化工、電力、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。上個世紀(jì)50年代，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參數(shù)保持不變,從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。60年代,隨著各種組合儀表和巡回檢測裝置的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。它具有5個層次的功能：①調(diào)度;②操作模式確定;③質(zhì)量控制;④反饋控制(自動調(diào)節(jié))和順序控制;⑤故障的防止和彌補(bǔ)。80年代，過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合，具有更多的功能。過程信息系統(tǒng)在操作員與自動化系統(tǒng)之間提供了人機(jī)交互功能，各種顯示屏幕能顯示過程設(shè)備的狀態(tài)、報警和過程變量數(shù)值的流程圖，并能在屏幕的一定區(qū)域顯示過去的信息。過程信息系統(tǒng)還能統(tǒng)一處理銷售、設(shè)計、內(nèi)部運(yùn)輸、存儲、包裝、行情調(diào)查、會計、維修、管理等環(huán)節(jié)的信息，溝通企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)內(nèi)外的信息，并能根據(jù)使用人員的需要有選擇地提供信息報告。例如，顧客的訂貨單可在門市部送到信息系統(tǒng)中而立即傳送到信息系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度部門。