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控制系统

控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

例如,假设有一个汽车的驱动系统,汽车的速度是其加速器位置的函数。通过控制加速器踏板的压力可以保持所希望的速度(或可以达到所希望的速度变化)。这个汽车驱动系统(加速器、汽化器和发动机车辆)便组成一个控制系统。

控制系统有几种分类方法

1、按控制原理的不同,自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统

在开环控制系统中,系统输出只受输入的控制,控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中,基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统;由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

闭环控制系统

闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的,利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制,可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。

2、按给定信号分类,自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

恒值控制系统

给定值不变,要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

随动控制系统

给定值按未知时间函数变化,要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。程序控制系统

给定值按一定时间函数变化。如程控机床。

检测输出量(被控制量)的实际值;将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较得出偏差;

用偏差值产生控制调节作用去消除偏差,使得输出量维持期望的输出。

为了实现自动控制的基本任务,必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求,通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如,用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。在确保稳定性的前提下,要求系 统的动态性能和稳态性能好,即:

动态过程平稳(稳定性);

响应动作要快(快速性);

跟踪值要准确(准确性)。

控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面,对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量,包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等,都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统,以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。

自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面,除了各种形式的控制系统外,应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。

在办公室自动化、图书管理 、交通管理乃至日常家务方面,自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展,自动控制系统的应用领域还在不断扩大,几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了,早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。以PLC和DCS为代表,从70年****始应用以来,在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年****始,陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等,将简要介绍各种常见的控制系统,并分析控制系统的演进过程和发展方向。

70年代中期,由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多,而且条件苛刻,要求显示操作集中等,使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下,业内厂商经过市场调查,确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主,辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制,它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。

1975年前后,在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上,开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统(DCS)。由于当时计算机并不普及,所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时,开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外,开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件,以保证可靠性、安全性。

在以后的近30年间,DCS先与成套设备配套,而后逐步扩大到工艺装置改造上,与此同时,也分成大型DCS和中小型DCS两类产品,使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破,但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变,共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品,80年代中期至90年代前期为第二代产品,90年代中期至21世纪初为第三代产品。

DCS系统中,控制站作为一个完整的计算机,它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备,以及过程输入/输出(PI/O),包括信号变换与信号调理,A/D、D/A转换。控制站是整个DCS的基础,它的可靠性和安全性最为重要,死机和控制失灵的现象是绝对不允许的,而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠,才能满足用户要求。

关于DCS控制站的系统软件,包括实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等,只是完善程度不同而已。第二代DCS控制站开始有面向过程语言和高级语言;第三代DCS控制站的系统软件可以完成离线组态及在线修改控制策略。为了完成控制策略,对于顺序控制和批量控制组态编程,各种DCS控制站采用不同的方法。

DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等,其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Utility)功能,还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等。

实际的DCS操作站是典型的计算机,它与控制站不同,有着丰富的外围设备和人机界面。在人机界面方面,逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标,组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口等,使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机(PC)及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的。DDE或OPC接口技术,以太网接口与管理网络相连。DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件,为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。有的DCS的采用通用监控图形软件,或以此类软件为核心,进行二次开发。

因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质(信道)、通信协议、IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广,是否能够成为今后DCS的通讯标准,还有待观察。

DCS所存在的问题,主要集中在3个方面:
  1、即系统开放性问题;
  2、与现场传感器、变送器、执行器的接线问题;
  3、价格较贵问题[1]。
  这些问题在第三代DCS中已开始得到解决。在21世纪,新一代的DCS应满足用户这方面的需求。
  在DCS应用行业分布上,如对DCS产品进行改造,是可以保持其在这些行业中的地位的。

PLC的诞生和发展

1968年,通用汽车公司的油压部门确立了第一个可编程控制器的标准,他们的目的是消除既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术,并要求能够在工业环境中生存,也能够方便地编程,并且可以重复使用。到1969年,第一个PLC诞生。当时称为可编程控制器,英文是Programmable Controller,缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继电器的,因此,采用了梯形图语言作为编程方式,形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求,并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间,PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如附表所示。

一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些输入/输出模块,这些模块被插在一块背板上。如果配置增加,可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通讯模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装,占用空间小,能源消耗小,带有诊断指示器可以帮助故障诊断,而且可以被重复使用到其它的项目中去。尽管有PLC的功能,如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高,但PLC一直保持了其最初设计的原则,那就是简单至上的原则。

PLC的技术从诞生之日起,就不停地发展。这些发展不仅改进了PLC的设计,也改变了控制系统的设计理念。过去,PLC适用于离散过程控制,如开关、顺序动作执行等场所,但随着PLC的功能越来越强大,PLC也开始进入过程自动化领域。

PLC种类 外观 典型I/O点数范围 典型应用

微型PLC 固定I/O点,砖块式 <32点 替代继电器,分布式I/O

小型PLC 砖块式,模块式 33-128点 工业机器开关控制和商业用途

中型PLC 模块式,小机架 129-512点 复杂机器控制和一些分布式系统

大型PLC 大机架 >513点分布式系统,监控系统

PC插卡式PLC ISA或PCI总线卡式 >129点机器控制,监控系统

PC兼容控制器 模块式,大或小机架 >129点机器控制,监控系统

以下列出了PLC的硬件进展:

采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间;小型的、低成本的PLC,可以代替四到十个继电器;

高密度的I/O系统,以低成本提供了节省空间的接口;

基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力,典型的接口如PID,网络,CAN总线,现场总线,ASCII通信,定位,主机通讯模块和语言模块(如BASIC,PASCALC)等;

包括输入输出模块和端子的结构设计改进,使端子更加集成;

特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上,如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等;

外部设备改进了操作员界面技术,系统文档功能成为了PLC的标准功能。

以上这些硬件的改进,导致了PLC的产品系列的丰富和发展,使PLC从最小的只有10个I/O点的微型PLC,到可以达到8000点的大型PLC,应有尽有。这些产品系列,用普通的I/O系统和编程外部设备,可以组成局域网,并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说,是一个非常节约成本的控制系统概念。

与硬件的发展相似,PLC的软件也取得了巨大的进展,大大强化了PLC的功能:

PLC引入了面向对象的编程工具,并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言;

小型PLC也提供了强大的编程指令,并且因此延伸了应用领域;

高级语言,如BASIC,C在某些控制器模块中已经可以实现,在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性;

梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令,可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能;

诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断;

浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算;

数据处理指令得到简化和改进, 可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。

尽管PLC比原来复杂了很多,但是,他们依然保持了令人吃惊的简单性,对操作员来说,今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作,甚至更为简单。

PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展,还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络,被集成到计算机集成制造(CIM)系统中,把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来,在工厂的未来发展中,将占据重要的地位。 新的PLC的技术进展包括,更好的操作员界面,图形用户界面(GUI),人机界面,也包括与设备、硬件和软件的接口,并支持人工智能比如逻辑I/O系统等。软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接,新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性,基于知识的学习型的指令也将逐步被引入,以增加系统的能力。可以肯定的是,未来的工厂自动化中,PLC将肯定占据重要的地位,控制策略将被智能地分布开来,而不是集中,超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。

控制系统

1、现场总线的特点

现场总线的突出特点在于它把集中与分散相结合的DCS集散控制结构,变成新型的全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线的特点主要表现以下几个方面:

(1) 以数字信号完全取代传统的模拟信号

以数字信号完全取代传统DCS的4~20mA模拟信号,且双向传输信号。一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少。同时,通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构,操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定,节省了硬件数量与投资。

(2)现场总线实现了结构上的彻底分散

现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站2个层次,将传统DCS的I/O控制站并入现场智能设备,取消了I/O模件,现场仪表都是内装微处理器的,输出的结果直接送到邻近的调节阀上,完全不需要经过控制室主控系统,实现了结构上的彻底分散。

(3) 总线网络系统是开放的

将系统集成的权力交给用户,用户可以按自己的需要和考虑,把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表。

2、当前的现场总线标准

现场总线技术是从80年代后期诞生的网络通信技术,经历十几年左右的发展,国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品,较流行的有:

(1)基金会现场总线(Foundation Fieldbus)

在现场总线标准的研究制订过程中,出现过多种企业集团或组织,通过不断的竞争,到1994年在国际上基本上形成了两大阵营,ISP协议为首,联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年合并,成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF),致力于开发国际上统一的现场总线协议。FF的协议符合IEC1158-2标准,也称为SP50标准。

(2) Profibus现场总线

它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。现场总线信息规范(FMS)型则只隐去了OSI标准的第三至第六层,采用了应用层。

(3) LonWork(Local Operating Network局部操作网)现场总线

于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7层协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m,传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。

(4)控制局域网(Control Area Network,CAN)控制网络

用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议,即物理层、数据链路层和应用层。

此外还值得一提的是,可寻址远程传感器数据公路(Highway Addressable Remote Transducer,HART)协议,最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。其数字通信由于采用调制/解调方式,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品,因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力,得到了较快的发展。

3、现场总线的未来

现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃,有关现场总线的报道层出不穷,其中令人关注的焦点集中在能否出现全世界统一的现场总线标准。

不同的现场总线有不同的功能,各有其适用的场合,靠一种现场总线打天下的想法看来不太现实。当然,从另一方面来讲,相当一部分现场总线是大同小异的,技术上非常接近,在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。但商业利益上的激烈竞争是这个问题的主要原因,对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商,因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线;因此,在未来较长的一段时间内,现场总线标准之争会越演越烈。

控制系统

1、开放性控制系统的概念

长期以来,制造与生产企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构,其构成系统的硬件是按照各自的标准度身定制的。无论是DCS,PLC还是FCS,虽然它们具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点,但相对日新月异的生产要求,也越来越暴露出其固有的缺点。在许多情况下,当用户要想进行功能上的扩展或变化时,都必须求助于系统的提供商,如想把特殊要求融入到控制系统中去时,都是比较困难的。这无形中不仅提高了制造企业的成本,也成为控制系统升级换代的“瓶颈”。

由于市场竞争越来越剧烈,从而要求制造商具有较强的市场适应能力,这一趋势促成了一个新概念的产生,即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统,这就是开放式控制系统。这一系统为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。

2、国际控制系统制造商的开放路线

据国际权威机构美国自动化市场研究公司ARC(Automation Research Corp.)调查预计,在亚洲,基于PC的控制系统、以太网的I/O模件等开放式系统的销售额预计近两年的增幅达到145%,所以,可见在控制系统市场中,开放系统的增长率远远高于传统的控制系统。

几乎所有的制造商都已认识到了开放系统必将是自动化系统的未来。在任何一家控制系统制造商的新产品样本中,都可以看到“开放性”的字样。但是,他们的开放性通常都是在原有的系统上层加上一些接口实现局部的互连和通信,并非真正意义上的开放。不要说控制器的底层,就是在操作站这一层,他们在实现与外界通信方面存在着重重困难。这种状况的产生并不是由于他们无法开发出全开放的系统,而是出于其产品战略考虑不愿也不能这样做。尽管开放式控制系统的市场增长率较高,但由于绝对值还不大,制造商不愿放弃已经现成的数十倍的市场。

但这些公司对于开放式系统市场并非采取坐视不理、惟我独尊的态度。各个公司均在考虑用现有的产品组合出形式上的“开放式”系统。如西门子的PCS7和 WinAC,实际上就是用工控机下挂S7的PLC而组成的概念性的系统,典型地表示了其一方面不想在开放式系统领域落后于他人,同时又不想失去老用户的复杂情结。类似的还有Rockwell-AB的ControlLogic,Fisher-rosemount的Delta-V等等,都是将原有的专用系统加上“开放”的标签。他们的目的都是相同的,那就是既不错过开放式系统这班航船,又可以将原有的系统尽量多地销售出去。全力致力于真正开放式系统开发的反而是一些新兴的相对较小的公司如美国的Opto22,SoftPLC,Controlsoft以及英国的Transmitton等等。这些公司没有过去的包袱,所开发的产品的市场目标也不存在抢自己饭碗的问题,所以他们可以没有后顾之忧地宣传。由于他们的产品是充分考虑了开放性的,今后将成为开放性控制系统的新的生力军。

3、国际开放式系统研究存在的问题

首先,开放式控制系统的概念不清晰,没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构并不一致,相互之间缺乏兼容性和互换性,因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。

其次,没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系统。软件开发思想与技术落后,始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术,而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。

此外,产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家,没有提供相应的开发工具和环境,用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。

PC-BASED控制系统

历史上,VME总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型[6]。1981年,Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线,1996年的新标准VME64(ANSI/VITA1-1994)将总线数据宽度提升到64位,最大数据传输速度为80Mbps。由Force Computers制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320Mbps。VME总线工控机是实时控制平台,大多数运行的是实时操作系统,并由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线最新产品已经采用了500MHz的Pentium Ⅲ处理器。

由于用户希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具,导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。除了VME总线工控机外,产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机,其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、 PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。

随着Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架构演变成事实上的标准(Wintel),ISA/PCI总线加固型工业PC(IPC)开始向工业领域渗透。然而,虽然加固型工控机对基于大母板的桌面机进行了工业化改造,但其背板技术仍然存在许多缺点:不良的热设计、不良的连接方式、不标准的模板尺寸和有限的PCI插槽数(最大4个)等。因此。

1995年6月PCI SIG正式公布了PCI局部总线规范2.1版,同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准。为了将PCI SIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统,1995年11月PCI工业计算机制造者联合会(PICMG)颁布了CompactPCI规范1.0版。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题,而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低,所以,CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言,由于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素,CompactPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用,反而在电信市场获得广泛应用。

电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路,不同的设备有着不同的控制回路,主要分高压电气设备与低压电气设备的控制方式。

控制方法

根据设备不同的要求,电气控制方法很多,包括以下几个方面的控制:

1、由继电器接触器控制

2、触点控制

3、无触点逻辑控制

4、可编程控制

5、控制器控制

电气控制系统设计方案

控制要求:电气控制系统设计出要充分能满足现场对控制设备的需求,主要设计需考虑到实现简便、可靠、经济、适用等特点,以保证控制方式与控制需要相适应,与通用化程度相适应,以及充分满足工艺要求,具有良好的通用性和灵活性。

单片机+PC联合作用的控制系统。单片机的成本更低?但更轻便?更能灵活的嵌入硬件切割机内。但单片机的最大缺点是处理能力不够强大,所以很多很复杂的控制程序必须要单片机结合PC来共同完成,也就是说对于那些负责的运算或者很复杂的切割式样,单独依靠单片机还有一定的设计难度。

以PC作为处理平台的控制系统。这种控制系统是最容易设计也是最容易实现的,灵活性高,原因是基于PC为处理平台的控制器可以有着丰富和大家都很熟悉的软硬件资源,所以这样的控制平台设计性很强大,运作性能也很强大?如果能充分的利用PC软硬件资源,设计灵活和复杂的控制程序显得轻而易举。但缺点是这种控制系统不能脱离PC独立运行,所以相对来说成本会显得比其他方式更贵点

基于电磁传感器路径识别的智能车控制系统


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