第十二讲-自动控制系统概述

1第十二讲自动控制系统概述定义控制系统：为完成某种“目标”而采用的一整套的方法和步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。2使用常规仪表的控制室3早期的DCS控制系统4现代的DCS控制系统5现代操作室6发展历程基地式20世纪50年代，适用于单回路

单元组合式（按功能）DDZ,QDZ20世纪60年代，之间用标准统一信号联系

计算机DDC,DCS20世纪70年代

先进控制和优化控制CIPS,FCS20世纪80年代以后模拟仪表

数字仪表

智能仪表7发展历程经典控制理论：40－50年代形成的SISO系统

基于：二战军工技术目标：反馈控制系统基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域)现代控制理论：60－70年代形成MIMO系统

基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）8发展历程智能控制技术：90年代开始发展

专家系统模糊控制神经网络正在发展的各个领域

自适应控制大系统理论鲁棒控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构）9发展历程生产装置实施先进控制成为发展主流过程优化受到普遍关注传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（CIPS）是发展方向10发展历程大型加工机床的精密控制11发展历程这是由数控机床群构成的生产线——由自动控制保证产品的加工精度。其主轴为恒值控制(恒速)，刀架为随动系统(精确定位)。12发展历程带有机械手的点焊生产线(大批量铆焊加工生产线)要能精密定位及时间控制。机器人控制(自动控制)汽车车体焊接喷漆13发展历程堆物喷涂机器人14发展历程加工中心——往往含有车、铣、钻等多种功能，有刀具库，能自动换刀等。各厂生产含有各种不同功能的加工中心。15开环控制与闭环控制太阳传感器太阳移动速度电动机减速器泵++电动机电流泵地下水蓄水池灌溉太阳能收集器机械转距目标：利用太阳能结果：抽水中间环节：实现手段太阳能高效抽水机系统16开环控制与闭环控制抽水过程只与太阳能转换来的电流大小有关，它不能反应水池的蓄水情况。因此，这个控制系统存在着水资源的浪费问题。如何解决这个问题？17开环控制与闭环控制太阳传感器太阳移动速度电动机减速器泵++-水位传感器水池电动机电流泵地下水蓄水池太阳能收集器水位传感器灌溉将输出端的信号返回输入端18开环控制与闭环控制开环控制系统(Open－loopControlSystem)

若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。闭环控制系统(Closed－loopControlSystem)

若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(FeedbackControlSystem)。19例锅炉水位控制系统调节器汽包变送器主蒸汽过热器省煤器执行器给水调节阀给水泵给水20例锅炉水位控制系统闭环控制要增加检测、反馈比较，调节器等部件,会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。21主要环节22分类按输入量变化的规律分类恒值控制系统（FixedSet-PointControlSystem）控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。随动系统（Follow-UpControlSystem）输入量是变化着的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。

过程控制系统（ProcessControlSystem）在化工、轻工、食品等生产过程中对温度、流量、压力、湿度等的控制——过程控制系统。23过程控制系统化工厂发电厂24过程控制系统DCSPLCPACSCADA、RTUPC-based控制器、IPC25DCS分散控制系统(DistributedControlSystem)，采用功能分级、软硬件分布配置、监控管理功能集中于中央站和有相当操作级别的终端，实时性强的控制和调节功能由分站完成，中央站停止工作不影响分站功能和设备运转，对于局部网络通信控制也不应因此而中断。目前生产DCS的厂家：国外：HONEYWELL公司－ExpersionPKS;ABB－IndustrialIT；Simenz－PCS7；日本横河的YEPARKMARKⅡ等等。国内：浙大中控、和利时等。26DCS27DCSDCS由四部份组成（也可以说成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通讯网络。人机接口包括操作站、工程师站和历史站。控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。最近几年开发的人机界面还有动态数据服务器。28DCS现场总线是20世纪80年代末、90年代初国际上形成的,用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Communication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。

29PLC可编程序控制器，专为在工业环境中应用而设计，采用可编程序的存储器存储操作指令，并通过数字式的或模拟式的输入输出控制机械或生产过程（IEC—1985）。1969年美国通用公司生产第一套PLC（ProgrammableLogicController）。国内外许多生产PLC厂家。30PLC31PLC从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。32PLC&DCSPLC由传统继电器控制发展而来，早期以数字量逻辑控制为主；DCS由模拟仪表控制系统发展而来，以模拟量回路控制为主。应用范围

DCS：过程控制，面向工艺变量。

PLC：机械制造和工厂自动化，面向操作人员。由于计算机和网络技术不断发展，DCS和PLC两者功能不断相互渗透。这两类在控制领域各司一方的控制系统，不断吸纳对方优点以充实自己，

DCS和PLC正在走向统一。33PACPAC这个概念的提出是针对PLC的概念而来，作为一种快速和可靠的解决方案，由自动化研究机构(ARC)提出的，它表示可编程自动化控制器，用于描述结合了PLC和PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统，而PC控制厂商则用来描述他们的工业化控制平台。采用现有的商业计算机技术，所以具有更优异的效能，并具有可伸缩性。透过商业化大量生产的平台，所以易于维护和具有较低的发生故障时间等特性。目前生产PAC的厂家如罗克维尔、研华、贝加莱等。34PAC在此隧道照明设备的项目中，研华工业级以太网交换机及光纤转换器EKI系列作为照明控制的网络设备，负责数据快速、稳定传输。研华的APAX-5000系列及ADAM-5000作为控制系统，高稳定度、运算能力及扩充能力，安装后运转测试，皆符合标准并顺利完成验收。整个系统保证了隧道工程整体监控的可靠度。

35SCADA、RTUSCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

36SCADA、RTURTU（远程测控终端），英文全称RemoteTerminalUnit，中文全称为远程终端控制系统，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。其中包括：开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元、数字量输入单元。

PLC一般主要用于工厂车间流水线的控制，而RTU在国外主要用于室外应用，恶劣环境中，比如在一些无人值守的站点。37SCADA、RTU38SCADA、RTU39SCADA、RTU40SCADA、RTU深圳燃气高压管网SCADA系统41SCADA、RTU深圳燃气集团建设一套完整的包括SCADA数据采集和监控系统、GIS地理信息系统、CIS/TCMS客户信息故障报告管理系统、PSS/PMS生产调度管理系统、EMS/SMS应急维修（预定维修）支持系统、GLFS燃气负荷预测系统等六个子系统在内的DMS城市输配管理系统。整个SCADA系统含1座高压调度控制中心MCC（留仙洞调度中心），1个高压容灾备份中心ECC（深燃集团主调度中心－喜年中心），10套站控系统（3个门站、4个气化站、1个调峰站、1个电厂、1个高压/次高压调压站）和39套RTU站控系统，以及3个已建PLC站控系统的联网，共54个工程点。42SCADA、RTURTU的发展历程是与“四遥”工程技术相联系。“四遥”系统工程是多学科、多专业的高新技术系统工程，涉及计算机、机械、无线电、自动控制等技术，还涉及传感器技术、仪器仪表技术、非电量测量技术、软件工程、条码技术、无线电通讯技术、数据通讯技术、网络技术、信息处理技术等高新技术。因此，完全可以断言，RTU的发展将必然会随着“四遥”工程技术的发展而发展。43SCADA、RTU四遥功能由远动系统终端RTU实现，它包括：遥测：远程测量采集并传送运行参数，包括各种工艺参数和负荷等。遥信：远程信号采集并传送各种保护和调节量信息遥控：远程控制接受并执行遥控命令，主要是阀门，对远程的一些设备进行远程控制遥调：远程调节接受并执行遥调命令，对远程的设备进行远程调试，如调节压缩机输出功率44PC－based控制器、IPCPC-based控制器从外观到可靠性也都开始可以与PLC相近。PC-based是一种基于PC技术的控制系统。最早的PC-based控制系统是以工控机为核心，通过扩展带PCI接口的专用板卡组成。PC-based借助于IT技术的发展，在运算、存储、组网和软件开放性方面具有优势。在编程方面，由于IEC61131-3编程语言标准的推出和广泛采用，为PC-based控制器的高速发展铺平了道路。这样，PC-based控制器不仅具有PC的优势，也具有传统PLC的优势。它可无缝地融合到网络时代的信息系统中。IPC—工控机控制系统。45PC－based控制器、IPC46HCS实际上控制系统是以上几种系统组成的混合控制系统（HCS）。目前城市燃气自动化中应用主要为：PLC、SCADA、RTU等DCS也有小部分应用47自动化-信息化48A勘探开发与管道项目A1.勘探与生产技术数据管理系统A4.地理信息系统A3.管道生产管理系统A2.油气水井生产

数据管理系统

B炼油化工与

销售项目B1.炼油与化工

运行系统B3.客户关系管理系统B4.加油站管理系统B2.炼化物料优化与排产系统G组织与保障项目G2.信息技术标准制定G6.信息技术专家

中心建设G4.帮助热线建设G1.信息部门职能建设G5.信息技术支持中心建设G3.信息技术培训A5.采油与地面工程

运行管理系统

A6.数字盆地系统C商务与支持项目C1.电子采购系统C2.电子销售系统C3.贸易管理系统C4.矿区服务系统C5.物流管理系统C6.发电供电信息

系统E综合管理项目E3.企业信息门户

系统E7.内控管理系统E6.档案管理系统E4.数据仓库系统E1.健康安全环保系统E5.办公管理系统A7.工程技术生产

运行管理系统F基础设施项目F1.广域网改进F6.电子邮件服务改进F2.局域网改进F9.灾难恢复系统

建设F5.企业信息系统管理F4.数据中心建设F3.因特网接入改进F10.软硬件标准化F7.视频会议系统

改进F8.信息安全体系建设DERP项目D5.销售与市场

ERP系统D6.总部ERP系统

D3.天然气与管道

ERP系统D2.勘探与生产

ERP系统D1.ERP业务分析与实施计划D4.炼油与化工

ERP系统D10.油田服务

ERP系统D11.炼化服务

ERP系统D7.工程技术服务

ERP系统D8.物资装备

ERP系统D9.海外业务

ERP系统E2.应急管理系统CNPC信息化建设取得了长足进展，信息技术基础设施日趋完善，管理信息系统建设取得了阶段性成果，专业应用系统建设有了实质性进展。按照新总体规划统计，10个项目已完成，24个项目正在实施，17个项目已完成可行性研究工作。推广项目维护或完成项目试点项目准备或可研项目边建边上线项目48自动化-信息化49根据业务需求进行架构设计管理信息系统数据仓库

-企业信息门户

-关键业绩指标

-档案管理企业资源计划财务管理

–人力资源–设备资产管理–项目管理–预算管理–采购管理公用支持系统勘探与生产天然气与管道炼油与化工销售炼油与化工

运作支持系统销售与市场

运作支持系统勘探与生产

运作支持系统天然气与管道

运作支持系统勘探与生产技术数据管理系统油气水井生产数据管理系统炼化物料优化与排产系统炼油与化工

运行系统客户关系管理系统管道生产管理系统物流

管理系统贸易管理系统加油站管理系统地理信息系统采油与地面工程运行管理系统数字盆地系统49自动化-信息化CNPC总体信息架构从作业单元采集到集团公司总部主要分为四个层次，数据经过汇总和筛选，逐级向上传递，支持各级生产与经营管理。50自动化-信息化51项目说明：本项目包主要功能模块包括：数据采集：数据采集的流程规范、标准及数据采集系统地学应用：地震解释、测井解释、地质解释、油藏建模、数值模拟、经济评价等钻井应用：钻井设计、钻完井管理等与油气水井生产数据管理系统、工程技术生产运行管理系统等其它系统的集成系统部署方式：采用两级部署的方式，勘探与生产分公司总部部署一套完整系统，数据包括股份公司所属各油田公司的主要技术数据；各地区油田公司分别部署一套系统，数据包括地区内的勘探开发技术数据本系统的用户范围包括：勘探与开发分公司总部和各油田地区公司的勘探、开发、油藏处室以及勘探开发研究院所项目目标：建成勘探与生产技术数据管理平台，集成各专业技术数据资产，为勘探开发研究提供高质量的基础数据，并整合专业软件，建设项目研究综合应用环境，进而实现勘探与生产信息标准化，数据管理流程规范化，提高解释油藏特征和动态预测精度，改进勘探开发项目的管理和流程。项目优先次序／实施方法：项目优先级高，2005年大庆试点已上线，截止2006年完成了一期7个油田的推广，正在进行二期5个油田的推广工作项目需要从其它系统采集各类技术数据，油气水井生产管理系统、工程技术生产运行管理系统和各地区公司专业数据库是主要数据来源，系统之间的数据接口规范、数据流向、数据管理流程在实施过程中应预先明确，以便于系统集成项目的实施需要依据业务实现勘探与生产技术数据管理系统的合理化和标准化，分析目前各业务单元采用的勘探开发工作流，确认需要改进的方面；同时选择大庆油田做试点，在标准系统基础上设计优化的工作流；需要注意的是新的工作流也许需要依据优先顺序对现有的组织结构作相应调整，以及在各油田推广改进后的工作流项目参与方：信息管理部股份公司勘探与生产分公司总部股份公司所属各油田地区公司推荐的信息技术项目：勘探与生产技术数据管理系统51自动化-信息化52自动化-信息化53国际著名油气田工程技术服务公司斯伦贝谢建有自己的全球专网：SINET。现在SINET连接着超过55个国家和地区的19000个用户，并通过卫星通讯到达各油气田开发现场。SINET除了为本公司使