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(dòng)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(duì)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(dòng)控制稱為生產(chǎn)過程自動(dòng)化。生產(chǎn)過程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動(dòng)條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動(dòng)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(duì)生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)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(jì)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(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)是近幾十年發(fā)展起來的以計(jì)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(dòng)化相結(jié)合的多級(jí)計(jì)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(dòng)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(duì)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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)際液位與給定液位之差)?？刂破鞲鶕?jù)偏差值按照指定規(guī)律發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，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(shí)現(xiàn)對(duì)液位的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往有多個(gè)參數(shù)(被控量)需要控制,又有多個(gè)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(gè)控制量的變化會(huì)同時(shí)引起幾個(gè)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(huì)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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(bào)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(jì)、內(nèi)部運(yùn)輸、存儲(chǔ)、包裝、行情調(diào)查、會(huì)計(jì)、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(bào)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。