常规量检测与控制工程专业综合实验设计(2)

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综观这一时期，可以归纳为如下三个主要特点。

a. 简单控制向先进控制发展

早期的控制受经典控制理论和常规仪表的限制，难以处理工业过程中存在的复杂性、耦合性、非线性等，只能按某种原则将复杂系统分解成若干相对独立的单变量系统。这种简单控制是一种分散自治控制。随着企业提出的高效益、高柔性的要求，上述控制方式已不能适应，先进控制便应运而生，先进过程控制（ advanced process control ）是指一类在动态环境中，基于数学模型，借助充分的计算能力，为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。这种新的控制策略实施后，系统运行在最佳工况，达到所谓的 “卡边控制”。据资料报道，一个乙烯装置投资163万美元实施先进控制，完成后预期可获得效益600万美元/年。目前，国内许多大企业均纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。

b. 封闭的分布式计算机控制系统转向具有国际统一标准的开放式系统 1975年Honeywell公司推出第一台分布式计算机控制系统（DCS），实现了分散、监控视集中的功能，提高了系统的可靠性和灵活性，为连续工业自动化建立了丰功伟绩。但是DCS的一个致命弱点就是封闭性。随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，Fisher-Rosemount,Honeywell等欧美十余家公司经过激烈的竞争，最后终于连手，将共同推出一种国际标准的现场总线（fieldbus）控制系统，它被公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统，它的出现标志着控制工具的又一次重大变。它的主要特点为：开放性、只能化现场仪表、数字信号传输、彻底分散性。

c. 单一控制系统向综合自动化系统发展 本质上讲，工业企业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。进入90年代，国内外企业界在国际市场剧烈竞争的刺激下，已把注意力转移到节能降耗、少投入多产出的高效生产模式上。企业开始把提高综合自动化水平作为快速挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前自动化发展的趋势。

有一种炼油厂的综合自动化模式。在整个系统中，信息是由底层不断经过加工处理向上层传递，而各种指令也由最高层逐级分解，以指令形式向下层传递。每个层次的运行周期不等，从底层向上，以秒、分、时、日、旬，乃至月、季来计算。这种递阶系统，把全厂各层控制功能与企业管理相结合，实现从原料进厂到产品出厂的全部控制与分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而实现充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统（ humanware ）的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。这就是CIM思想在连续工业中的体现。

据报道，国外目前约有100个炼油厂和化工厂企业在建立一体化信息系统，在欧洲有13家炼油厂、北美至少有15家炼油厂、远东和澳洲有14家炼油厂正在实施CIM计划。她们的基本思想都是集控制、优化、生产调度、计划排产和优化决策于一体，以达到节能降耗、提高产量和质量、增加产品市场竞争能力的最终目标。有关

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统计资料也已经表明了综合自动化的重要作用。我国在连续工业方面，自1990年开始，已进行了一些综合自动化试点。近年来，连续工业CIM已列入国家科委863CIMS典型应用工程和国家计委“八五”、“九五”攻关任务。可以预料，综合自动化的实施和发展将给国民经济建设带来巨大的经济效益和社会效益，是一个十分诱人的发展方向。实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有着十分重要的意义。

当前，一项在今后几年内可能大大改变过程控制系统面貌的新技术－现场总线正处于迅速发展中。这是用于现场仪表与控制室之间的全数字化、双向、多站的通迅系统。通迅总线地直延伸到现场仪表，使得许多现场仪表可以在同一总线上进行双向多信息数字通信。现场总线用全数字化、双向、多站的通迅方式来替代目前使用的4－20ma单变量单向模拟传输方工式。随着这一技术的不断完善，一种更高层次的自控技术－工业现场网络也将逐步应用于工厂或工艺流程的过程控制系统。

就目前该课程的教学来看，大部分内容还处在80 年代以前的水平，严重地落后于当代过程控制技术发展的现状，另外我国的工业过程控制仍处在经典过程控制和程序化、数字化的数字处理技术并存的局面，过程控制装置及仪表工业还处于较落后状态，且与世界先进水平的差距越来越大。为能访问到所有现场设备的信息，而不一定要到集中的控制室才能获得。工业现场网络包括三个组成部分，即符合现场总线标准的智能现场设备、规格可变的控制的管理技术水平台以及集成的模块化软件。可以用工业现场网络结构装备整个工厂，也可从一台设备或几个回路开始，然后再方便地扩充规模。容易想象，未来的控制系统，是用控制器用户操作站、PL和软件将所有现场设备的功能更方便地集成在一起的控制系统。

实现生产过程自动化对于发展国民经济、提高技术水平有十分重要的意义。

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3 总体方案设计

3.1 实验装置介绍

控制技术基本实验装置为液位自控实验装置，它可以进行压力、温度、流量、液位等多种控制系统内容的实验。今后的控制系统实验都将在实验装置进行。

实验将工艺装置部分的测量信号直接送到计算机的信号调理板，仪表的电源、D/A、计算机电源、水泵的按钮开关、信号灯等设备，组装成一个电控箱，该电控箱安装在工艺装置部分中部。

图3-1 实验装置工艺流程图

图3-1中有三只水槽。其中槽1、槽2为被控对象。它们的液位高度L1及L2分别通过两台差压变送器测出，槽3为储槽，是为了构成水的循环而设置的。储槽3中的水通过水泵1或2抽出，经孔板和控制阀后送入槽1或2（视手动阀1.2.3.4的开闭而定），两路水管中的水流量大小分别通过各自的变压器（与孔板配合）回到储槽3中，这样对水来说始终处于循环状态。

本实验装置除比值实验外，一般情况下，所在的管道为主物料管道，F2管线则专供作为加干扰用。

3.2 单回路反馈控制电路基本原理

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