过程控制系统概述

以保证生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。

在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段,是20世纪科学与技术进步的特征,是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统(process control systems)可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。以表征生产过程的参数为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。例如，锅炉中蒸汽的产生、分馏塔中原油的分离等。表征过程的主要参数有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参数的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。

蒸汽锅炉的液位控制系统是过程控制系统的一个例子(图1)。当产生蒸汽的耗水量与锅炉进水量相等时，液位保持在给定的正常标准值。蒸汽量的增加或减少即引起液位的下降或上升。差压传感器将液、汽间的压差(代表实际液位)与给定压差(代表给定液位)比较，得到两者的差值，称为偏差(代表实际液位与给定液位之差)。控制器根据偏差值按照指定规律发出相应信号，控制调节阀的阀门，使液位恢复到给定的标准位置，从而实现对液位的自动控制。一般的过程控制系统(图2)通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。而在批量型的过程操作中则需要采用顺序控制系统。例如，化学反应器中催化剂的注入需要等到反应物升温至一定数值后才能开始，操作必须遵守严格的顺序。顺序控制常采用可编程序逻辑控制器来实现。在实际生产过程中，往往有多个参数(被控量)需要控制,又有多个变量可用作控制量。在很多情况下,被控量与控制量之间呈现出交互影响的关系，每个控制量的变化会同时引起几个被控量变化。这种变量间的交互影响称为耦合。耦合的存在会使过程控制系统变得复杂化。简化控制系统结构的一种方法是采用解耦控制(见解耦控制问题)，通过引入某种补偿网络或补偿通道把一个有耦合的多变量过程化成一些无耦合的单变量过程来处理，或者经过适当的变换和处理以减小耦合影响。多变量频域方法是研究和设计多变量耦合过程控制系统的一种有效工具。

过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。上个世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参数保持不变,从而保证产量和质量稳定。60年代,随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。它具有5个层次的功能：①调度;②操作模式确定;③质量控制;④反馈控制(自动调节)和顺序控制;⑤故障的防止和弥补。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。过程信息系统在操作员与自动化系统之间提供了人机交互功能，各种显示屏幕能显示过程设备的状态、报警和过程变量数值的流程图，并能在屏幕的一定区域显示过去的信息。过程信息系统还能统一处理销售、设计、内部运输、存储、包装、行情调查、会计、维修、管理等环节的信息，沟通企业内部和企业内外的信息，并能根据使用人员的需要有选择地提供信息报告。例如，顾客的订货单可在门市部送到信息系统中而立即传送到信息系统的生产调度部门。