工業自動控制系統

工業生產過程自動化系統經過長期不斷的發展，特別是在充分利用計算機技術的基礎上取得很大的進步，在生產過程中已發揮其重要作用，成為生產過程安全穩定自動化運行不可缺少的工具。

工業自動化就是工業生產中的各種參數為控制目的，實現各種過程控制，在整個工業生產中，儘量減少人力的操作，而能充分利用動物以外的能源與各種資訊來進行生產工作，即稱為工業自動化生產。

工業自動控制系統通過工業控制計算機對傳感器及局域網所採集的各種信息的歸納、分析、整理，實現信息管理與自動控制的一體化．並通過權限認證確保了信息的安全。 ^[1] 

上位機信息管理系統包含HMI、組態控制、狀態監視、數據分析、數據管理、參數設置、故障報警、報表輸出8個模塊，各模塊關係如圖1所示。

各模塊功能如下：

①HMI。所謂HMI就是人機界面。它所要實現的功能就是讓操作人員通過界面上的各個仿真按鈕或開關圖素進行操作控制，並用各種圖素屬性的變化來直觀反映操作效果和現場狀態；

②數據分析模塊。主要完成從預報系統中提取數據並進行分析，分析由下位機採集並傳輸給上位機的各分支電流值、電壓值和光照度值；

③組態控制模塊。根據系統時間、實時採集客車信息和個參數值按照控制算法及預先設置的參數進行組合判斷。輸出組態控制指令到下位機；

④狀態監視模塊。主要判斷採集的電流、電壓值是否在界限以內，如過界則輸出報警到錯誤報警模塊；遇到網絡故障、PLc供電不良、各支路控制不正常等情況，輸出報警到錯誤報警模塊；

⑤錯誤報警模塊。對於從狀態監視模塊輸入的錯誤報警採用多媒體方式(視頻、語音)進行報警、及時通知組態控制模塊，確保安全，並分析故障點，以供參考；

⑥參數設置模塊包含權限認證，只允許有權限的操作人員對系統工作參數進行調整或修改，並通過口令系統和設置操作權限防止非相關人員隨意變更系統參數，以提高系統安全性；

⑦數據管理模塊。採用開發平台內嵌的報表和數據庫管理系統。可實現實時數據和歷史數據的數據查詢、向報表輸出模塊提出報表的生成和打印請求；

⑧打印輸出模塊。從歷史數據庫中提取用户所需數據，並據用户要求進行均值、最大最小值、求和等運算，並填充至規定格式的報表欄目中。 ^[1] 

隨着生產和科學技術的發展，自動控制系統變得越來越複雜。人們不但希望能對其進行良好控制，而且希望能進行實時監測，及時處理故障。這就提出了自動控制系統的故障檢測與診斷問題，促進了故障檢測診斷的理論研究和應用開發

所謂“故障”是指系統所處的一種非正常工作狀態，此時系統的性能明顯低於正常水平，難以或根本無法完成預期的功能。在此情況下，可以針對該系統的特點，故障的類型和特性，設計一個附加機構，通過對系統輸入輸出量的測量分析和處理，提供故障的有關信息，從而使操作者對系統的運行情況有正確的瞭解，以保證系統安全可靠地運行。這樣的機構就稱為故障檢測與診斷機構。

故障檢測和診斷機構與系統的信號聯繫如圖2所示。

系統故障檢測與診斷的基本內容，主要包括四個方面：

1)故障檢測。儘可能早地檢測出超過預定範圍的影響輸出的過程參數過程狀態或特徵量。

2)故障分離。根據檢測到的故障信息，尋找故障源，確定故障部位及類型。

3)故障評價。根據故障源的部位，分析估計故障對系統性能指標功能的影響，給出故障等級。

4)故障決策。根據故障評價的等級，對系統作出早期報警、緊急報警、修改操作或控制，甚至停機進行維修等相應決定。 ^[2] 

測量儀表(或稱為傳感器)是自動控制系統的重要組成部分，其故障檢測與診斷問題一直是人們研究的重點。在各種檢測與診斷測量儀表故障的方法中，“冗餘原理的方法佔主要地位。

對於高可靠性要求的系統，可採用3只(或更多)同類型儀表並行測量同一變量來提高測量的可靠性。這一原理同樣適用於測量儀表的故障檢測與診斷由於需要多隻儀表，所以稱為硬件冗餘。在一組三倍冗餘的儀表中，如果某一隻儀表的輸出信號與其他兩隻明顯不同，則顯然是該儀表發生了故障。由於隨機擾動的影響，儀表誤報警率是較高的。為克服這一缺點，R.B.Brocn提出了有記憶表決的方法其基本思想是建立以下式為目標函數的狀態估計器

這是一種通過逐漸減小加權因子而將發生故障的儀表從信號上予以切除的方法。由於它考慮了所有K時刻以前各儀表輸出的差異情況，所以故障檢測與診斷的結果很可靠。

生產實際中具有三倍冗餘硬件的儀表系統是不多見的。J.C.Deckert等人以F-8DFBW飛機的儀表系統為背景，研究了兩倍冗餘儀表系統的故障檢測與診斷問題“，以更復雜的算法作代價，使系統的硬件成本得到了降低。當系統存在隨機干擾的時候，kalman濾波器可以用作測量儀表的狀態估計器。 ^[2] 

統計模式識別框圖如圖3所示。該方法首先對測量信號(模式)進行預處理，同時選擇已知類別的樣本模式的特徵，根據所選擇的特徵，對預處理後的測量信號進行特徵抽取，得到更簡捷、維教較低、又能攜帶大部分測量信息的特徵向量，最後採用分類器，通過對特徵向量的分析，識別出模式的類別。

統計模式識別技術不需要數學模型就可對故障進行早期檢測於是，在統計數據少、預測變量多地場合該技術難以勝任。 ^[2] 

系統的一般結構如圖4所示。這種方法需要三個先驗的知識源：正常過程的模型，被觀察過程的模型和異常過程的模型。為檢測故障，可採用三種方式，即：狀態估計、參數估計和特徵值計算，分別求出被觀察過程的不可測的狀態x、參數θ和特徵值η的估計值，並通過它們與正常過程模型的相應量的偏差，同由異常過程的模型生成的故障特徵(即由故障所導致的狀態、參數和特徵值的變化方向和大小)進行匹配，如果匹配成功，説明發生了故障；進行故障診斷，確定故障的位置、類型、大小和原因。這種方法已用於電機—離心泵水管系統的故障診斷，在蒸餾塔、熱交換器和反應器等裝置中也得到應用。

這種方法的最大弊端是它的應用效果過份依賴數學模型的精度。 ^[2] 

從工業自動化儀表的發展趨勢看，智能化是其核心部分，所謂智能化表現在其具有多種新功能。例如過去當流量儀表需要進行温度，壓力的補償時需要分別測量流量，温度和壓力的三台變送器，並且需要運算器來計算，而現在一台智能化的流量變送器就可以包攬這一任務；又如一台智能化執行器，由於具有多種的自診斷功能，過去控制的算法，只能由調節器或DCS來完成，如今一台智能化的變送器或者執行器，只要值入PID模塊，就可以與有關的現場儀表在一起，在現場實現自主調節，從而實現控制的徹底分散，從而減輕了DCS主機的負擔，使調節理加及時，並提高整個系統的可靠性。 ^[3] 

由於工業生產對成品質量的要求日益提高，國家的政策和法令對節能減排也有具體的要求和規定，因此提高測量儀表與控制系統的精度就被提上了議事日程。例如變送器的精度，普遍從百分之零點七五提高到百分之零點零四。用於貿易交換計算量的科氏質量流量計。精度已達到百分之零點零五，部分氣體煙聲波流量計的準確度已達到百分之零點五，同時新一代的DCS也以此作為一個重要指標。 ^[3] 

現場總線本來是一種非常有前途的技術，理應得到迅速的發展和推廣，但由於國際標準的過多，影響了推廣，例如第一代總線型的現場總線的國際標準已達到10多種，加上第二代的實時工業以太網，其國際標準可能會有20多種，而第三代的總線通信方案又在興起，而且各大跨國公司和有關組織都在制定各自的標準，便如目前知道的就有HART無線、ISA的SPl00，IEC，還有西門子等一些大公司都在制定各自的夫線標準，標準過多，對用户來講，實在不是一個好兆頭，用户希望能夠通過努力，制訂出單一的國際的標準，工業生產要求高產，穩定，優質、低耗、安全、環保。如果現場儀表能夠實現通信無線化，電纜和維護和工人量都會大大減少，因此研發低功能可靠的無線通信是當前的一個重要課題。 ^[3] 

隨着生產規模的日益擴大。一旦發生事故，不但在經濟上會造成巨大的損失，而且人員傷亡和對環境的影響均非同小可，因此生產的安全問題日益受重視。目前，一些化工或石化企業的安全系統，這樣企業的控制系統就由兩大部分組成，即DCS與專門的PLC。由於新型DCS的功能不斷擴大，已經有了安全儀表系統(SIS)，因此也可以用一套具有SIS功能的DCS來統一管理，這樣業主當然歡迎，但保險公司需要第三方認證，而認證就要有量化的概念，因此LEC制定了全名為安全整性等級。根據目前的製造水平，變送器的安全等級儀為SIL2，若要滿足SIL3的要求，可採取冗餘措施，至於DCS，目前一些大的的DCS製造商都已通過了TUV認證，達到了SIL3。按照目前的社會的生產水平。只要符合SIL3的標準就可以滿足化工及重石化行業的安全要求了。 ^[3] 

目前建新的一些大型石化裝置如乙烯項目都採用MIV承包模式，所謂MIV就是主要儀表承包商，這種做法利於大型工程的建設，保證項目順利按時投產。如百萬噸級的乙烯項目，其下產品很多。一般有十幾個裝置，需要同時投產，否則誤工一天，就會有上億元的損失，為了便於和理，工程公司和企業都願意這樣做，但這種模式也不是一成不變的，例如海南的CSPC乙烯項目採用的是MAC模式，福建的乙烯項目採用的是MICC，，對於承包的儀表廠商來講這是一種增值的服務。作為MIV的公司也需要一定的資源質量，即除能提供一定水平的DCS外。還要有較廣泛的，質量過硬的現場儀表，而且還要熟悉工藝或有這個方面的經驗。 ^[3] 

隨着科技的進步，科學儀器的結構。日益簡化，體積縮小，重量減輕，操作也更方便，價格也逐步降低，而且能在工業條件下操作，因此在過去只能在實驗室內進行離線操作的科學儀器，現在可以在生產現場進行在線運行了。例如質譜儀居武鋼的高爐上試用，用來分析爐頂煤氣的成分。從應用的角度來看，這種儀器也可看成工業自動化儀表中的一員了。今後這種趨勢還會加速發展。 ^[3]