经典演绎——工控和行业新趋势经典演绎 点击：4276 | 回复：20
发表于：2003-12-26 00:03:00
楼主
近年来工业控制系统（特别是石化、石油等行业),纷纷采用ITCC/ESD/SIS来控制。总涉及下面一些情况：
冗余和容错有啥区别？
ESD(紧急停车系统）怎样配置才合理？安全等级要求如何？
转速信号怎样才能得到？就是说把现场高速旋转的设备的转速采集到PLC OR DCS 得以显示和控制。是怎样实现的？
软调速和硬调速优缺点如何？具体在工业领域应用状况如何？
软调速和硬调速目前国内外都有那些家能做？
种类如何？譬如说硬调速用的调速器的种类?
它们依据的基本原理是怎样的？
还总提到用冗余容错系统?
究竟是咋一回事？
欢迎有兴趣的朋友前来讨论！
OLDYELLOWCOW
HAVII@163.COM
2003/02/14
发表于：2003-02-28 13:35:00
2楼
蒸汽机——自动化的开端
在近代科学技术史上，尤其是在自动化方面的教科书中，都把瓦特在1787年发明的安装在蒸汽机上的离心式调节器，看作具有重大意义的一种典型的自动化装置。因为他使蒸汽机成为一种实用的有效的动力设备，从而引发了第一次工业革命。
瓦特一七三六年一月十九日出生于英国的格林诺克，由于家境贫穷没机会上学，先是到一家钟表店当学徒，后又到格拉斯哥大学去当仪器修理工，瓦特聪明好学，他常抽空旁听教授们讲课，再加上他整日亲手摆弄那些仪器，学识也就积累的不浅了。
1764年，格拉斯哥大学收到一台要求修理的纽可门蒸汽机，任务交给了瓦特。瓦特将它修好后，看看他工作那么吃力，就象一个老人在喘气，颠颠颤颤地负重行走，觉得实在应该将它改进一下。
他注意到毛病主要是缸体随着蒸汽每次热了又冷，冷了又热，白白浪费了许多热量。能不能让它一直保持不冷而活塞又照常工作呢？于是他自己出钱租了一个地窖，收集了几台报废的蒸汽机，决心要造出一台新式机器来。
从此，瓦特整日摆弄这些机器，两年后，总算弄出个新机样子。可是点火一试，那汽缸到处漏气，瓦特想尽办法，用毡子包，用油布裹，几个月过去了，还是治不了这个毛病。
一天他又趴到汽缸前观察漏气的原因，不小心一股热气冲出，他急忙躲闪，右肩上已是红肿一片，就像被一把热刀削过一样，辣辣地疼起来，弄得他心烦意乱。他真有些灰心了，这时，是他的妻子给了他勇气，妻子用激将法又激起了瓦特继续研究下去的雄心。
他又回到地下实验室，将过去的资料重新翻阅一番，打起精神又干了起来，干累了就守着炉子烧一壶水喝茶。一天，他一边喝茶，一边看着那一动一动的壶盖。他看看炉子上的壶又看看手中的杯子，突然灵感来了：茶水要凉，倒在杯里；蒸汽要冷，何不也把它从汽缸里也“倒”出来呢？
这样想着，瓦特立即设计了一个和汽缸分开的冷凝器，这下热效率提高了三倍，用的煤只有原来的四分之一。这关键的地方一突破，瓦特顿然觉得前程光明。他又到大学里向布莱克教授请教了一些理论问题，教授又介绍他认识了发明镗床的威尔金技师，这位技师立即用镗炮筒的方法制了汽缸和活塞，解决了那个最头疼的漏气问题。
1784年，瓦特的蒸汽机已装上曲轴、飞轮，活塞可以靠从两边进来的蒸汽连续推动，再不用人力去调节活门，世界上第一台真正的蒸汽机诞生了。
就是从此开始，人类进入了一个崭新的发展时代。
发表于：2003-02-28 13:48:00
3楼
模糊控制
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。
1965年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法——模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。
我们都知道在现实生活中的一些概念是有着明确意义的，比如说“一个”，“男人”，“货币”等概念，对于这些明确的概念，在数学中常常用经典集合来表示。但是现实生活中不是每个概念都是很明确的，比如我们说“青年人”这个概念，你能在年龄轴上划两条线，表明在两条线内的就是青年人，而在其外的就截然不是青年人吗？显然这样做是不行的，因为人的生命是一个连续的过程，一个人从少年走向青年是一日一日积累的，同样，一个人从青年步入中年也是一个渐变的过程。我们把这样的一类概念称之为模糊概念。模糊集合理论就是处理这些模糊概念的。
将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如，在炼钢，化工，人文系统，经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现控制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务，于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。
随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。
模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。
发表于：2003-02-28 13:50:00
4楼
鲁棒控制——以静制动
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。
鲁棒控制的早期研究，主要针对单变量系统（SISO）的在微小摄动下的不确定性，具有代表性的是Zames提出的微分灵敏度分析。然而，实际工业过程中故障导致系统中参数的变化，这种变化是有界摄动而不是无穷小摄动。因此产生了以讨论参数在有界摄动下系统性能保持和控制为内容的现代鲁棒控制。
现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。
鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。
一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。常用的设计方法有：INA方法，同时镇定，完整性控制器设计，鲁棒控制，鲁棒PID控制以及鲁棒极点配置，鲁棒观测器等。
鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。
过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且（1）不确定因素变化范围大；（2）稳定裕度小的对象。
但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。
发表于：2003-02-28 13:54:00
5楼
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为：(省略—请见谅）
因此它的传递函数为：(省略—请见谅）
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。
在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
但仍不可否认PID也有其固有的缺点：
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
有问题：请用E_mail: havii@163.com 联系。
发表于：2003-02-28 13:58:00
6楼
集散控制系统(DCS)简介
DCS，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。
首先，DCS的骨架——系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。
其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。
系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。
DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。
作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。
发表于：2003-03-04 13:07:00
9楼
新型可编程序控制器 PCC
自60年代末美国第一台可编程控制器PLC问世以来，可编程控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近年来计算机技术和微电子技术的迅猛发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的“顺序控制器”的雏形阶段。奥地利B&R工业自动化公司推出的可编程计算机控制器PCC就是代表了这一发展趋势的，新一代的可编程控制器产品。
与常规PLC相比较，PCC最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计，常规的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序，来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道地状态采集与刷新，这样处理，直接导致了真正意义上的“控制速度”依赖于应用程序的大小，这一结果，无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定，由此，它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求，当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。
基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，这样给项目应用软件的开发带来了了很大的便利，因为这样可以方便地按控制项目中各部分不同的功能要求，如数据采集，报警，PID调节运算，通信控制等，分别编制出控制程序模块(任务)，这些模块既相互独立运行，而数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试完成之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下，并行运行，共同实现项目的控制要求，这一特点，可图示如下：（图略）
基于上述功能强大的特殊的操作系统，PCC在应用程序的设计上，有着常规PLC无法比拟的灵活性。
由于PCC是基于多任务环境下设计程序，采用大型应用软件的模块化设计思想，各个任务模块的功 能描述更趋清晰简洁，用户在开发自己的任务时，由于对其功能的提取具有通用性，因而作为一个独立的功能模块，用户可十分方便地将其封装起来，以便于日后在其他应用项目重新使用。
PCC的编程硬件摆脱了常规低档PLC所采用的手持编程器的限制，采用普通PC机配以一套功能强 劲的开发软件作为在线开发工具，这种方式，不仅节省了用户的硬件投资，更重要的是，它发挥了PC机作为在线编程开发工具的强大的软硬件优势，它为用户提供了源程序级的单步，断点，单周期及PCC在线错误自诊断等多种形式的调试手段，使应用程序的开发十分灵活便捷。另外，通过PC机上编程软件包所提供的为数众多的函数，用户可在很短的时间内，编制出高效而复杂的控制程序来。
PCC在编制不同的单个任务模块时，具有灵活选用不同编程语言的特点，这就意味着不仅在常规 PLC上一直为人们所熟悉的梯形图，指令表语言可在PCC上继续沿用，而且用户还可采用更为高效直观的高级语言(PL2000)。它是一套完全面向控制的文本语言，熟悉BASIC的技术人员会对它的语法有种似曾相识的感觉，它对于控制要求的描述非常简便，直观。除此之外，PCC的应用软件开发还具有集成“C”语言程序的能力。
尤为与众不同的是，所有这些编程语言，PCC都采用“符合变量”来标识外部I/O通道及内部寄存器单元(例如 Pump 代表某开关量输出通道，Em_Stop代表某开关量输入通道)。这样，软件开发人员毋需熟知 PCC内部的硬件资源的分布，而只须集中精力于项目本身的要求，即可迅速编制出自己的控制程序来。
在硬件结构方面，PCC的特点是很显著的。在其核心的运算模块内部，PCC为其CPU配备了数倍于常规 PLC的大容量存储单元(100K-16M)，这无疑为强大的系统和应用软件提供了监视的硬件基础。而在硬件 外部，它有着全模块式的插装结构，在工业现场，不仅可以方便地带电插拔，而且在接线端子，模块供电及工作状态显示等诸多方面均有着精巧的设计。它们无不令现场施工及技术维护的人员，感受到其设计者们的匠心。
PCC在硬件上的特点，还体现在它为工业现场的各种信号设计了许多专用的接口模块，如温度，高频脉冲，增量脉冲编码器，称重信号及超声波信号接口模块等。它们将各种形式的现场信号十分方便的联入以PCC为核心的数字控制系统中，用户可按需要对应用系统的硬件I/O通道以单路，十余路或数十路为单位模块，进行数十点至数百点上千点的扩展与联网。
PCC在远程通信方面的灵活性，是区别于常规PLC的一大显著标志，作为未来构成分布式现场I/O控制的主要角色之一，PCC为此提供了十分灵活多样的解决方案。
发表于：2003-05-11 19:00:00
11楼
YOKOGAWA----μ XL、CS1000
Honeywell----MicroTDC3000、TDC3000、Plantscape
ABB----Feelance2000、INFI-90
GE Fanuc----90-30、90-70、VersaMax
SIEMENS---S7-300、S7-400、PCS7
Rockwell----PLC5、ControlLogix
Fisher Rosemount----Delta V
Schneider----Quantum、Premium
TRICONEX----TS3000 TMR
MOORE,FOXBORO,ICS AND SO ON.
PLC 的厂家太多了但不是都能做ESD.
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