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计算机在环境工程设施运行中的应用第七章UTILIZATIONTECHNIQUESOFCOMPUTERINENVIRONMENTALENGINEERING计算机在环境工程设施运行中的应用7.1计算机控制系统的基本组成与特点7.2计算机控制系统中数据的采集与处理7.3计算机控制系统的典型应用方式7.4计算机控制系统在环境工程设施运行中的应用实例计算机在环境工程设施运行中的应用7.1计算机控制系统的基本组成与特点7.1.1计算机控制系统的基本概念以计算机为核心的数字式控制系统作是控制技术的最新成就，它使得环境工程设施运行的自动化程度日益提高。从广义来讲，以微处理器为核心的各种智能化控制装置都可以归结到数字式控制系统中来，包括由工业计算机组成的系统、由单板机或单片机组成的系统、由可编程序控制器组成的系统、由智能化专用调节器组成的系统和由上述各类装置混合组成的系统等。以上各系统虽然在装置的配置及功能上各不相同，但其基本组成部分都是相似的，都是通过数字运算来完成各项功能的。自动控制系统一般由控制对象、测量变送及转换器、控制器和执行装置等组成，计算机属于控制器的一种。随着计算机技术的发展，它已经成为现代化控制系统中不可或缺的重要组成部分。简单来讲，含有计算机并由计算机完成部分或全部控制功能的控制系统就可以称为计算机控制系统；严格来讲，计算机控制系统是建立在计算机控制理论基础上的一种以计算机为手段的控制系统。计算机在环境工程设施运行中的应用7.1.2计算机控制系统的基本组成与特点(1)主机主机是整个计算机控制系统的指挥中心，通过主机可以对系统的各项运行参数进行巡回检测、数据处理、控制运算、报警处理以及逻辑判断，并且能够通过接口向系统的各个部分发出各种命令。(2)接口接口的作用是保证主机和被控对象之间的数据信息交换，通过接口一方面可以向主机输入数据，另一方面可以将主机发布的各项命令向外部传送。接口的形式根据功能及数据传送的方法分为并行接口、串行接口、直接数据传送和实时时钟。计算机在环境工程设施运行中的应用(3)输入输出通道输入输出通道相当于计算机与过程之间的专用接口，是保证计算机与被控制对象之间数据信息相互传递的必要通道。检测仪表将过程控制中需要的各项参数的信号连续不断地输送给计算机，这种连续的输入信号一般为模拟量，而计算机所能接收及输出的是数字量，过程控制中执行装置所能接收的是模拟量，因此必须设置能进行模拟量和数字量之间相互转换的装置。例如：模/数转换器（A/D转换器）、数/模转换器（D/A转换器）以及开关量（脉冲）输入、输出。(4)通用外部设备通用外部设备包括打印机、CRT显示终端、磁盘驱动器以及光盘驱动器、声光报警器等，这些通用外部设备主要是用来显示、执行、存储和传递数据等。计算机在环境工程设施运行中的应用(5)软件软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、监控、管理、控制、计算和自诊断程序等。软件分为操作系统软件、系统软件和应用软件。操作系统是对计算机和外围设备进行管理，系统软件在操作系统和应用软件之间起到界面的作用，应用软件是为解决实际问题而开发的专门软件。(6)检测仪表和执行机构在计算机控制系统中，为了对生产过程实行控制，首先必须对各种参数（如温度、压力、流量、液位等）进行收集。为收集和测量各种参数，在控制系统内必须设置各种传感器、变换器等检测仪表设备，这些设备将被检测参数由非电量转变为电量。在控制系统内还必须设置执行机构，能对被控对象直接起控制作用，执行机构的作用是完成计算机的指令，实施控制调节的装置，如水池水位的控制是通过开启阀门的大小来控制流入水池的流量。常用的执行机构有气动、液动和电动三种形式。计算机在环境工程设施运行中的应用(7)操作台操作台是人与计算机对话的联系纽带。通过操作台，操作人员可以向计算机内输入程序、修改计算机内存的数据、显示被检测的各项参数值、发出各种操作指令、对被控对象实施有效控制。操作台主要由四个部分组成：a.作用开关：如电源开关、数据与地址选择开关、手动/自动操作选择开关等。通过这些开关，操作人员可以对主机进行开启、关闭、设置、修改数据和进行控制等。b.功能键：设置功能键的目的是通过各种功能键可以向主机申请各种服务，如常用的服务键、启动键、打印键、显示键等。c.CRT显示：随着计算机控制技术的发展，CRT显示的应用越来越普遍。它不仅可以显示数据表格，而且可以显示被控制系统的工艺流程图、设备开关状态图、故障报警、索引等。数据键：用来输入或修改参数数据。计算机在环境工程设施运行中的应用计算机控制系统的基本组成与控制原理如图7.1所示。接口接口接口接口开入开出D/AA/D多路开关反回路开关变送器传感器传感器执行器执行器软件CRTLED纸带机打印机计算机（主机）实时时钟操作台磁盘生产过程通用外部设备主机及操作台接口外部通道检测和变送控制对象图7.1计算机控制系统的基本组成与控制原理图计算机在环境工程设施运行中的应用7.2计算机控制系统中数据的采集与处理a.数据采集：为保证工艺过程的正常工作，必须配置适当的控制仪表对各项运行参数进行监测。在线检测仪表将过程控制中需要的各项参数的信号连续不断地输送给计算机，这种连续的输入信号称为模拟量，分为电流信号和电压信号两种模式，通常采用4-20mA、0-10mA、0-10V、0-5V等多种规格。而计算机所能识别是离散的量，称为数字量，因此必须将在线检测仪表输入的模拟量转化为计算机能识别的数字量。将模拟量转化为数字量的装置称为模/数转换器（A/D转换器），通过该装置将连续不断输入的模拟量调制为离散的量并以二进制的方式通过接口传送给计算机。b.运算控制：在计算机内部用软件对所传送的数据进行处理和计算，软件是预先编程存贮于计算机中。c.信号输出：计算机输出的控制信号是数字量，要为执行装置所接收就必须通过数/模转换器（D/A转换器）将数字量转换为模拟量。数/模转换器和前面所提到的模/数转换器工作原理是一致的，都是来实行模拟量和数字量之间的转换，只是转换的方向不同而已。计算机在环境工程设施运行中的应用7.3计算机控制系统的典型应用方式7.3.1操作指示控制系统操作指示控制系统又称为数据处理系统（DPS，DataProcessingSystem），在该系统中计算机对生产过程中的各种参数进行巡回检测，并对测量结果作必要的处理，然后通过光信号或显示、打印数据，供操作人员参考；也可以转储或输送给上一级计算机使用。操作指示控制系统特点是计算机的输出不是直接用来控制生产对象，而是对系统中各种参数进行收集和处理，输出数据，操作人员根据输出数据进行必要操作。计算机仅作为辅助的检测测量工具和数据采集装置。操作指示控制系统原理如图7.2所示。计算机在环境工程设施运行中的应用图7.2操作指示控制系统原理图计算机在环境工程设施运行中的应用操作指示控制系统方式简单，安全可靠。该系统中计算机代替了大量常规显示和记录仪表，可以对整个被控制对象进行集中监视，并对大量数据进行综合加工处理，得到更为精确的结果，对指导生产过程有利。其特点是计算机不直接参与过程控制，而是由操作人员根据测量结果改变设定值或进行必要的操作，它特别适用于控制规律尚未摸清的系统，常被用于计算机控制系统的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序。计算机在环境工程设施运行中的应用7.3.2直接数字控制系统直接数字控制系统简称DDC（DirectDigitalControl）系统，该系统用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按已确定的控制规律（例如PID规律或直接数字控制方法）进行控制计算，然后输出到执行机构，对被控制对象进行控制，使控制参数值稳定在设定值上。与操作指示控制系统（DPS系统）相比，直接数字控制系统中计算机参与了直接控制，系统经计算机构成了闭环，而操作指示控制系统（DPS系统）中通过人工或别的装置来控制，计算机与对象之间未形成闭环。另一方面，设定值是预先设定好后存入计算机的，在控制过程中不变化。直接数字控制系统原理图如7.3所示。计算机在环境工程设施运行中的应用图7.3直接数字控制系统原理图计算机在环境工程设施运行中的应用直接数字控制系统中用一台计算机代替多个模拟调节器，利用计算机运行速度快，具有分时功能，整个系统非常经济。此外，该系统灵活性大，可靠性高，用它可以实施各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、自动选择控制以及大滞后控制等。7.3.3计算机监督控制系统计算机监督控制系统简称SCC（SupervisoryComputerControl）系统，在该系统中不断检测被控制对象的参数，计算机根据给定的工艺数据、管理命令和控制规律，（如生产过程的数学模型），计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最佳工作状态。SCC系统与DDC系统相比更接近于被控制过程的实际情况，它不仅可以进行设定值控制，还可以进行顺序控制、最优控制与自适应控制，是操作指示系统和直接数字控制系统的综合与发展。计算机在环境工程设施运行中的应用SCC系统的结构形式有二种，一种是SCC+模拟调节器控制系统，另一种是SCC+DCC控制系统。a.SCC+模拟调节器控制系统在此系统中SCC监督计算机的作用是收集检测信号及管理命令，然后按照一定的数学模型进行计算，输出给定值到模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与检测值相比较后，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。此系统可以根据生产工况的变化不断改变给定值，最终实现最优控制。在一般的模拟系统中给定值是不能被改变的，因此该系统特别适用于老企业的控制系统改造，既能使用原有模拟调节器，又可以实现最优给定值的控制。SCC+模拟调节器控制系统原理如图7.4所示。计算机在环境工程设施运行中的应用图7.4SCC+模拟调节器控制系统原理图计算机在环境工程设施运行中的应用b.SCC+DDC控制系统SCC+DDC控制系统为二级计算机控制系统，一级为监督级SCC，其作用与SCC+模拟调节器控制系统中SCC一样，用来计算最佳给定值。直接数字控制系统（DDC）用来将给定值与测量值比较。其偏差由DDC进行数字控制计算，然后经D/A转换器及多路开关分别控制各个执行机构进行调节。与SCC+模拟调节器控制系统相比，该系统控制规律可以改变，运用更为灵活，并且一台DDC可以控制多个回路，使系统更为简单。SCC+DDC控制系统原理如图7.5所示。总的来讲，SCC系统比DDC系统有更大的优越性，可以更接近于生产的实际情况。此外，当系统中模拟调节器或DDC控制器出现故障时，可用SCC系统代替调节器进行调节，大为提高了系统的可靠性。计算机在环境工程设施运行中的应用图7.5SCC+DDC控制系统原理图计算机在环境工程设施运行中的应用分布式控制系统（DistributedControlSystem）又称为综合-分散控制系统，简称为集散系统，是20世纪70年代发展起来的大系统理论，也有人将它称之为第三代控制理论。在整个生产过程中，由于控制过程复杂，设备分布范围广，其中各工序、设备同时并行地工作，而且基本上是相互独立的，故系统比较复杂。随着微型机价格的不断下降，人们逐渐将原来使用的中小型计算机的集中控制用分布控制系统来代替，将一个状态变量数目很多的大系统分解为若干个子系统，避免数据传输误差和系统的复杂化。在该系统中只有必要的信息才被传送到上一级计算机或中央控制室，而绝大部分的时间是各个计算机并行就地工作。7.3.4分布式控制系统计算机在环境工程设施运行中的应用分布式控制系统是以微型计算机为主的连接结构，主要考虑信息的存取方法、传输延迟时间、信息吞吐量、网络扩展的灵活性、可靠性与投资等因素。分布式控制系统由分散过程控制级（DDC）、计算机监督控制级（SCC）和生产管理级组成（MIC）组成。a.分散过程控制级：是整个分布式控制系统的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的