第一篇：淺析工業當中自動化過程控制系統 理工論文

淺析工業當中自動化過程控制系統

精品源自政治科

摘 要:本文簡單的闡述了我國現代制造工業當中過程控制系統的整體水平及主要內容,在總結實際生產運用情況的同時也分析了這一領域所面臨的嚴重考驗,并提出了自己的觀點和看法。

關鍵詞:制造工業自動化控制過程控制系統

中圖分類號:TP2 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2011)03-0022-01 自動控制技術在工業、農業、國防和科學技術現代化中起著十分重要的作用,自動控制水平的高低也是衡量一個國家科學技術先進與否的重要標志之一。隨著國民經濟和國防建設的發展,自動控制技術的應用日益廣泛,其重要作用也越來越顯著。生產過程自動控制(簡稱過程控制)是自動控制技術在石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、紡織等生產過程的具體應用,是自動化技術的重要組成部分。

1、過程控制系統的特點

(1)生產過程的連續性:在過程控制系統中,大多數被控過程都是以長期的或間歇形式運行,在密閉的設備中被控變量不斷的受到各種擾動的影響。

(2)被控過程的復雜性:過程控制涉及范圍廣,被控對象較復雜。

(3)控制方案的多樣性:過程控制系統的控制方案非常豐富。

2、工業中過程控制系統的主要應用

2.1 自動檢測系統

利用各種檢測儀表對工藝參數進行測量、指示或記錄。

2.2 自動信號和聯鎖保護系統

自動信號系統:當工藝參數超出要求范圍,自動發出聲光信號。聯鎖保護系統:達到危險狀態,打開安全閥或切斷某些通路,必要時緊急停車。(如圖1所示)2.3 自動操縱及自動開停車系統 自動操縱系統:根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統:按預先規定好的步驟將生產過程自動的投入運行或自動停車。

2.4 自動控制系統

利用自動控制裝置對生產中某些關鍵性參數進行自動控制,使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態時,能自動的回到規定范圍。

3、過程控制系統的組成 3.1 檢測元件

該單元的主要作用是檢測被控元件的物理量。

3.2 控制器

將設定值與測量信號進行比較,求出它們之間的偏差,然后按照預先選定的控制規律進行計算并將計算結果作為控制信號送給執行裝置。

3.3 執行器

該部分元件作用是接受控制器的控制信號,直接推動被控對象,使被控變量發生變化。

4、過程控制系統中的閉環控制系統

按照自動控制有無針對對象來劃分,自動控制可分為“開環控制”和“閉環控制”。區分“開環控制”和“閉環控制”最直接的辦法是看是否有最終對象的反饋,當然這個反饋不是人為直觀觀察的。目前工業自動化控制中采用最為廣泛的就是閉環控制系統。

4.1 閉環控制系統的優缺點

閉環控制系統主要是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的控制系統。其主要優點為,不管任何擾動引起被控變量偏離設定值,都會產生控制作用去克服被控變量與設定值的偏差。其主要缺點為,由于閉環控制系統的控制作用只有在偏差出現后才產生,當系統的慣性滯后和純滯后較大時,控制作用對擾動的克服不及時,從而使其控制質量大大降低。

4.2 閉環控制系統的主要類型 根據設定值分為定值控制系統,隨動控制系統和程序控制系統。

(1)定值控制系統,其特點是設定值是固定不變的閉環控制系統稱為定值控制系統。

作用為克服擾動的影響,使被控變量保持在工藝要求的數值上。

(2)隨動控制系統 ,其特點為設定值是一個未知的變化量的閉環控制系統稱為隨動控制系統。作用為以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。

(3)程序控制系統可以看成是隨動控制系統的特殊情況,其分析研究方法與隨動控制系統相同。其特點為設定值是變化的,且按一定時間程序變化的時間函數。作用為以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。

5、過程控制系統的性能指標及要求

過程控制系統的常見信號有:階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。我們在生產中使用最頻繁的就是階躍信號,其數學表達式為:

當A=1時稱為單位階躍信號。其特點是易產生,對系統輸出影響大,便于分析和計算。在階躍信號作用下,被控變量隨時間的變化表現的形式有:發散振蕩過程,非振蕩衰減過程,等幅振蕩過程,衰減振蕩過程,非振蕩發散過程。

通過以上的陳述不難看,過程制造系統在我國各行各業已經有了十分廣泛的應用,并且技術也在日趨成熟。隨著人們物質生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈,產品的質量和功能也向更高的檔次發展,制造產品的工藝過程變得越來越復雜,為滿足這些更高的要求,做為工業自動化的重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁重。

參考文獻

[1]陳詩濤編著.工業過程儀表與控制.輕工業出版,2000.[2]李友善主編.自動控制原理.國防工業出版社,2001.[3]吳勤勤等編著.控制儀表及裝置.化學工業出版社,2002.[4]向婉成編著.控制儀表與裝置.機械工業出版社,1999.[5]邵裕森主編,過程控制工程.機械工業出版社,2000

第二篇：過程控制系統論文

過程控制系統的發展史

“過程控制”是現代工業自動化的一個重要領域.隨著各類生產工藝技術的不斷改進提高,生產過程的連續化、大型化不斷強化，隨著對過程內在規律的進一步了解，以及儀表、計算機技術的迅猛發展，生產過程控制技術獲得了更大的進展。《過程控制系統》是過程控制自動化及相關專業的一門主要專業課程。過程控制系統可分為常規儀表過程控制系統與計算機過程控制系統兩大類。前者在生產過程自動化中應用最早，已有六十余年的發展歷史，后者是自20世紀70年代發展起來的以計算機為核心的控制系統。從系統結構來看，過程控制已經經歷了四個階段。

1.基地式控制階段(初級階段)

20世紀50年代,生產過程自動化主要是憑生產實踐經驗，局限于一般的控制元件及機電式控制儀器,采用比較笨重的基地式儀表(如自力式溫度控制器,就地式液位控制器等),實現生產設備就地分散的局部自動控制。在設備與設備之間或同一設備中的不同控制 系統之間，沒有或很少有聯系，其功能往往局限于單回路控制。過程控制的目的主要是幾種熱工參數(如溫度，壓力，流量及液位)的定值控制，以保證產品的質量和產量的穩定。時至今日,這類控制系統仍沒有被淘汰，而且還有了新的發展，但所占的比重大為減小。

2.單元組合儀表自動化階段

20世紀60年代出現了單元組合儀表組成的控制系統,單元組合儀表有電動和氣動兩大類。所謂單元組合,就是把自動控制系統儀表按功能分成若干單元，依據實際控制系統結構的需要進行適當的組合，因此單元組合儀表使用方便，靈活。單元組合儀表之間用標準統一的信號聯系，氣動儀表(QDZ系列)為20~100kPa氣壓信號，電動儀表為0~10mA直流電流信號(DDZ—Ⅱ系列）和4～20mA直流電流信號（DDZ—Ⅲ系列）。由于電流信號便于遠距離傳送，因而實現了集中監控與集中操縱控制系統,對提高設備效率和強化生產過程有所促進，使用那個了工業生產設備日益大型化與連續化發展的需要。隨著儀表工業的迅速發展,對過程控制對象特性的認識，對儀表及控制系統的設計計算方法等都有了較大的進步。但從設計構思來看，過程控制仍處于各控制系統互不關聯或關聯甚少的定值控制范疇,只是控制的品質有了較大的提高。單元組合儀表已延續了幾十年,目前國內還廣泛應用。由單元組合儀表組成的控制系統,其控制策略主要是PID控制和常用的復雜控制系統(如串級、均勻、比值、前饋、分程和選擇性控制等）。

3.計算機控制的初級階段

20世紀70年代出現了計算機控制系統，最初是直接數字控制(DDC)實現集中控制，代替常規的控制儀表。但由于集中控制的固有缺陷,未能普及與推廣就被集散控制系統(DCS)所替代。DCS在硬件上將控制回路分散化，數據顯示，實時監督等功能集中化，有利于安全平穩的生產。就控制策略而言，DCS仍以簡單的PID控制為主,再加上一些復雜的控制算法,并沒有充分發揮計算機的功能。

4.綜合自動化階段

20世紀 80年代以后出現了二級優化控制 ,在DCS的基礎上實現先進控制和優化控制。在硬件上采用上位機和DCS(或電動單元組合儀表)相結合，構成二級計算機優化控制。隨著計算機及網絡技術的發展，DCS出現了開放式系統,實現多層次計算機網絡構成的管控一體化系統(CIPS)。同時，以現場總線為標準，實現以微處理器為基礎的現場儀表與控制系統之間進行全數字化,雙向和多站通信的現場總線網絡控制系統(FCS)。FCS將對控制系統結構帶來革命性變革 ,開辟控制系統的新紀元。

當前自動控制系統發展的主要特點是:生產裝置實施先進控制成為發展主流;過程優化受到普遍關注;傳統的DCS正在走向國際統一標準的開放式系統;綜合自動化系統(CIPS)是發展方向。

綜合自動化系統，就是包括生產計劃和調度,操作優化,先進控制和基層控制等內容的遞階控制系統，亦稱管理控制一體化系統(簡稱管控一體化系統)。這類自動化系統是靠計算機和及其網絡來實現的,因此也稱為計算機集成過程系統(CIPS)。這里,“計算機集成”指出了它的組成特征，“過程系統”指明了它的工作對象,正好與計算機集成制造系統(CIMS)相對應,有人也稱之為過程工業的CIMS。

可以認為，綜合自動化是當代工業自動化的主要潮流。它以整體優化為目標,以計算機為主要技術工具，以生產過程的管理和控制的自動化為主要內容,將各個自動化 “孤島”綜合集成為一個整體的系統。近二十幾年來，工業生產規模的迅猛發展，加劇了對人類生存環境的污染，因此,減小工業生產對環境的影響也已納入了過程控制的目標范圍,綜上所述,過程控制的主要目標有保障生產過程的安全和平穩,達到預期的產量和質量，盡可能減少原材料和能源消耗,把生產對環境的危害降低到最小程度。由此可見，生產過程自動化是保持生產穩定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進文明生產、保證生產安全和提高勞動生產率的重要手段，是20世紀科學與技術進步的特征，是工業現代化的標志之一。

以上為過程控制系統的歷史，現狀以及未來的發展方向。

電專111班

孟陽

120114303113

第三篇：過程工業自動化概述論文完整版

過程工業自動化概述

——自動化概論論文

過程工業自動化概述

過程工業自動化概述

摘要：

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，盡量減少人力的操作，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，而使工業能進行自動生產值過程稱為工業自動化。過程控制是工業自動化的重要分支。過程控制最主要的理論基礎是自動化控制理論，同時它也與相關過程機理及自動化儀表和計算機技術密切相關。

Industrial automation is the industrial production of various parameters for the control purposes, to achieve a variety of process control, in the whole industrial production, the operation to minimize the human, and make full use of animals other than energy production with a variety of information to work, that is, known as industrial automation, leaving the production value of industrial process can be automatically referred to as industrial automation.Process control is an important branch of industrial automation.The main theoretical basis of process control automation control theory, and it is also the mechanism and related processes and automation instrumentation and computer technology are closely related.關鍵字：過程控制、工業自動化、過程工業自動化的發展。

Keywords:Process control, Industrial automation, Process automation development.1.前言：

過程工業自動化概述

理論為基礎，采用頻域分析方法進行控制系統的分析、設計和綜合。那時實現單回路控制的自動化儀表工具主要是一些基地式的氣動或電動儀表，它的測量與傳感元件、顯示器和控制器都集中在一個儀表殼里，要想改造一些控制方案是很困難的。

3.2 到了20世紀50年代中期，開始發展氣動或電動單元組合儀表，就為修改控制方案創造了條件。這個時期經典控制理論已經發展很成熟了，并且有大量的相關書籍出版，如1932年奈奎斯特在研究反饋放大器穩定性中提出的穩定性數據及基于頻率相應的方法，1948年伊文思提出了跟軌跡法并有效應用于反饋控制系統的分析和綜合等，這些理論為經典理論奠定了基礎。1943年維納等學者在《行為、目的和目的論》一文中首次提出了控制論的基本思想，并在以后的研究中得到了進一步的完善。

3.3 20世紀60年代前后，隨著宇航事業和計算機技術的發展，控制理論又有了新的發展，前蘇聯數學家龐特里亞金建立的極大值原理、美國應用數學家貝爾曼提出了動態規則，以及美國學者卡爾曼引入的狀態空間法和建立卡爾曼濾波，這些研究推動了現代控制理論的形成，為《控制論》的發展做出了重大貢獻。3.4 1975年~1985年前后，世界上一些有能力的儀表、計算機廠家紛紛投入開發和制造DCS。1985年~1995年DCS已有近百種型號，我國也涌現出實力強大的浙大中控和北京和利時公司。1995年至今，DCS與FCS蓬勃發展的時期。幾乎絕大多數大中型企業的化工、石化、煉油企業都已經進行了DCS技術改造，中小企業也已實用DCS、工業PC機控制系統和數據采集監控系統。而且很多企業還有了先進控制算法的技術應用，已經建立計算機網絡形同實現了廠級信息管理。

4.過程控制系統的組成與特點

4.1 過程控制系統組成

過程控制系統一般以下幾部分組成：

被控過程（或對象）；用于生產過程參數檢測的檢測與變送一器；控制器；執行結構；報警、保護和連鎖等其他部件。

過程工業自動化概述

統。從控制方法的角度看，由單變量過程控制系統，也有多變量過程控制系統。同時控制算法多種多樣，由PID控制，復雜控制，也有包括智能控制的先進控制方法等等。

4.2.2.3 被控過程屬慢多成且多屬參數控制

連續工業過程大慣性和大滯后的特點決定了被控過程為慢過程。被控過程是物流變化的過程，伴隨物流變化的信息表征為被控過程的狀態參數，也是過程控制系統的被控量。

4.2.2.4 定值過程是過程控制的主要形式

在多數生產過程中，被控參數的設定值為一個定值，定值控制的主要任務在于如何減少或消除外界干擾，是被控量劑量保持接近或等于設定值，是生產穩定。過程控制由多種分類方法：

按被控參數分類，可分為溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統、液體或物位控制系統，物性控制系統、成分控制系統；按被控量數分類，可分為單變量過程控制系統，多變量過程控制系統；按設定值分類可分為定值控制系統、隨動（伺服）控制系統；按參數性質分類可分為集中參數控制系統，分布參數控制系統；按控制算法分類，可分為簡單控制系統、復雜控制系統、先進或高級控制系統；按控制器形式分類，可分為常規儀表過程控制系統，計算機過程控制系統。

4.3 過程工業的特點

由于過程控制主要是指連續過程工業的控制過程，故過程工業的特點主要指連續過程工業的特點。

過程工業伴隨著物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞，是一個十分復雜的大系統，存在不確定性、時變性以及非線性等因素。因此，過程控制的難度是顯而易見的，要解決過程控制問題必須采用有針對性的特殊方法和途徑。

過程工業常常處于惡劣的生產環境中，同時常常要求苛刻的生產條件，如高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生產設備與人身的安全性特別重要。由連續生產的特征可知，過程工業更強調實時性和整體性。協調復雜的耦合與制約因素，求得全局優化也是十分重要的。因此有必要采用智能空制

過程工業自動化概述

化學反映也越來越激烈，對過程控制的品質也提出了更高的要求，這種控制與經濟效益的矛盾日益尖銳沒，迫切需要一類合適的先進控制策略。近年來，人工智能技術有了長足的進步，并在許多科學領域中取得了廣泛的應用。現在，裝置的過程控制已逐步發展到整個企業的綜合自動化，已經從裝置的局部優化，發展到考慮企業的全局優化、如調度優化、計劃有話、供應鏈優化、制造執行系統、企業資源計劃系統，形成ERP—MES—PCS（過程控制系統）三層結構體系，這就是當今世界自動化技術的發展趨勢。

目前一些大企業、工廠利用MES能夠對條件變化做出迅速相應，減少非增值活動，提高生產運作過程的效率，從而提高工廠及時交貨的能力，改善物料的流通性能，提高效益。

工業生產過程由簡單到復雜，由小規模到大規模，直至今日，現代化、大型化或多品種、精細化的工業，生產出的各種各樣的產品滿足人們的生活需要。對這些工業生產過程的操作要求做到正確化、自動化和高效化。由于工業生產過程中實際問題的不斷提出，促使理論研究不斷的發展，同時理論研究的結果變成相應的自動化工具的產品，用來解決生產實際問題。先進過程控制方法可以有效的解決那些采用常規控制效果差，甚至無法控制的復雜工業過程的控制問題。實踐證明，先進過程控制方法能取得更高的品質和更大的經濟利益具有廣闊的發展前景。參考文獻：

《工業自動化及過程控制》（美）J.斯特納森|譯者：張彬、郭燕慧 《過程自動化工程設計》周哲民、任麗靜

第四篇：自動化導論論文 過程工業自動化概述

天津理工大學

自動化系課程學習報告

題目：過程工業自動化概述

電氣電子工程學院 2017 年 月 日

過程工業自動化概述

摘要：

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，盡量減少人力的操作，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，而使工業能進行自動生產值過程稱為工業自動化。過程控制是工業自動化的重要分支。過程控制最主要的理論基礎是自動化控制理論，同時它也與相關過程機理及自動化儀表和計算機技術密切相關。

Industrial automation is the industrial production of various parameters for the control purposes, to achieve a variety of process control, in the whole industrial production, the operation to minimize the human, and make full use of animals other than energy production with a variety of information to work, that is, known as industrial automation, leaving the production value of industrial process can be automatically referred to as industrial automation.Process control is an important branch of industrial automation.The main theoretical basis of process control automation control theory, and it is also the mechanism and related processes and automation instrumentation and computer technology are closely related.關鍵字：過程控制、工業自動化、過程工業自動化的發展。Keywords:Process control, Industrial automation, Process automation development.1.前言：

過程控制是工業自動化的重要分支。幾十年來，工業過程控制取得了驚人的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對于提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要的作用。過程控制技術作為自動控制理論在工業過程控制領域中的應用分支，與控制理論一樣更新發展著。從某種意義上說，過程控制是從工業生產實際出發而開創的自動控制方法與技術，而對于每個發展階段的出現，都是生產實際問題、控制理論研究和控制系統三者共同作用的結果。過程控制又被稱為工業生產過程自動化，廣泛應用于石油、化工、冶金、機械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等領域。

2.過程工業自動化簡介

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，盡量減少人力的操作，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，而使工業能進行自動生產值過程稱為工業自動化。過程控制是在自動控制理論基礎上發展起來的，既有理論，又有工程實踐。因此，它涵蓋控制理論、工業過程特性、建模方法、控制系統分析和設計、工業控制器現場整定等，內容較為豐富，既研究簡單控制系統，又闡述復雜控制系統以及先進控制算法。并且在生產過程中，運用適合的控制策略采用自動化系統來代替操作人員的部分或全部直接勞動，是生產過程在不同程度上自動地進行。過程控制最主要的理論基礎是自動化控制理論，同時它也與相關過程機理及自動化儀表和計算機技術密切相關。工業過程對控制的要求，可以概括為準確性、穩定性和快速性。另外，定值制系統和隨動控制系統對控制的要求既有共同點，也有不同點。定制控制系統在于恒定，既要求克服干擾，使系統的被控參數能穩、準、快地保持接近或等于設定值。而隨動控制系統的主要目標是跟蹤，即穩、準、快地跟蹤設定值。根據過程控制的特點，主要討論定值檢測的性能指標。

3.過程自動化的發展：

3.1

20世紀40年代開始，在工業過程控制中就采用了反饋控制，用PID控制規律，實施輸入單輸出的反饋控制，負反饋控制是過程控制的核心，它以經典控制理論為基礎，采用頻域分析方法進行控制系統的分析、設計和綜合。那時實現單回路控制的自動化儀表工具主要是一些基地式的氣動或電動儀表，它的測量與傳感元件、顯示器和控制器都集中在一個儀表殼里，要想改造一些控制方案是很困難的。

3.2

到了20世紀50年代中期，開始發展氣動或電動單元組合儀表，就為修改控制方案創造了條件。這個時期經典控制理論已經發展很成熟了，并且有大量的相關書籍出版，如1932年奈奎斯特在研究反饋放大器穩定性中提出的穩定性數據及基于頻率相應的方法，1948年伊文思提出了跟軌跡法并有效應用于反饋控制系統的分析和綜合等，這些理論為經典理論奠定了基礎。1943年維納等學者在《行為、目的和目的論》一文中首次提出了控制論的基本思想，并在以后的研究中得到了進一步的完善。

3.3

20世紀60年代前后，隨著宇航事業和計算機技術的發展，控制理論又有了新的發展，前蘇聯數學家龐特里亞金建立的極大值原理、美國應用數學家貝爾曼提出了動態規則，以及美國學者卡爾曼引入的狀態空間法和建立卡爾曼濾波，這些研究推動了現代控制理論的形成，為《控制論》的發展做出了重大貢獻。

3.4

1975年~1985年前后，世界上一些有能力的儀表、計算機廠家紛紛投入開發和制造DCS。1985年~1995年DCS已有近百種型號，我國也涌現出實力強大的浙大中控和北京和利時公司。1995年至今，DCS與FCS蓬勃發展的時期。幾乎絕大多數大中型企業的化工、石化、煉油企業都已經進行了DCS技術改造，中小企業也已實用DCS、工業PC機控制系統和數據采集監控系統。而且很多企業還有了先進控制算法的技術應用，已經建立計算機網絡形同實現了廠級信息管理。

4.過程控制系統的組成與特點

4.1 過程控制系統組成 過程控制系統一般以下幾部分組成：

被控過程（或對象）；用于生產過程參數檢測的檢測與變送一器；控制器；執行結構；報警、保護和連鎖等其他部件。圖1.1過程控制系統基本結構圖

圖1.1

圖1.1表示了過程控制系統放入基本結構。控制器（或稱調節器）根據系統輸出量檢測值y(t)與設定值r的偏差,按照一定的控制算法輸出控制量u，對被控過程進行控制。執行機構（如調節閥）接受控制器送來的控制信息調節被控量，從而達到預期的控制目標。過程的輸出信號通過過程的檢測與變送儀表，反饋到控制器的輸入端，構成閉環控制系統。

4.2 過程控制系統特點

4.2.2 過程控制系統的特點

4.2.2.1 被控過程的多樣性

過程工業涉及到各種工業部門，其物料加工成的產品是多樣的。同時生產工藝各不相同，如：石油化工過程，冶金工業中的冶煉過程、核工業中的動力核反應過程等等，這些過程的機理不同，甚至執行機構也不同。因此過程控制系統中的被控對象是多樣的，明顯地區別于運動控制系統。

4.2.2.2 控制方案的多樣性

由過程工業的特點以及被控過程的多樣性決定了過程控制系統的控制方案必然是多樣的。這種多樣性包含系統硬件組成和控制算法以及軟件設計。觀察圖1.1所示過程控制系統的基本結構，如果將控制器、執行機構和檢測與變送儀表統稱為過程檢測控制儀表，則一個簡單的過程控制系統是由被控過程和過程檢測控制儀兩部分組成，也稱之為儀表過程控制系統。隨著現代工業生產的發展，工業過程越來越復雜，對過程控制的要求也越來越高，傳統的模擬式過程檢測控制儀表已經不能滿足控制要求，因而采用計算機作為控制器組成計算機過程控制系統。從控制方法的角度看，由單變量過程控制系統，也有多變量過程控制系統。同時控制算法多種多樣，由PID控制，復雜控制，也有包括智能控制的先進控制方法等等。

4.2.2.3 被控過程屬慢多成且多屬參數控制

連續工業過程大慣性和大滯后的特點決定了被控過程為慢過程。被控過程是物流變化的過程，伴隨物流變化的信息表征為被控過程的狀態參數，也是過程控制系統的被控量。

4.2.2.4 定值過程是過程控制的主要形式

在多數生產過程中，被控參數的設定值為一個定值，定值控制的主要任務在于如何減少或消除外界干擾，是被控量劑量保持接近或等于設定值，是生產穩定。過程控制由多種分類方法：

按被控參數分類，可分為溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統、液體或物位控制系統，物性控制系統、成分控制系統；按被控量數分類，可分為單變量過程控制系統，多變量過程控制系統；按設定值分類可分為定值控制系統、隨動（伺服）控制系統；按參數性質分類可分為集中參數控制系統，分布參數控制系統；按控制算法分類，可分為簡單控制系統、復雜控制系統、先進或高級控制系統；按控制器形式分類，可分為常規儀表過程控制系統，計算機過程控制系統。

過程控制由多種分類方法：

① 按被控參數分類，可分為溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統、液體或物位控制系統，物性控制系統、成分控制系統；

②按被控量數分類，可分為單變量過程控制系統，多變量過程控制系統； ③按設定值分類可分為定值控制系統、隨動（伺服）控制系統；

④按參數性質分類可分為集中參數控制系統，分布參數控制系統；

⑤按控制算法分類，可分為簡單控制系統、復雜控制系統、先進或高級控制系統；

⑥按控制器形式分類，可分為常規儀表過程控制系統，計算機過程控制系統。

4.3 過程工業的特點

由于過程控制主要是指連續過程工業的控制過程，故過程工業的特點主要指連續過程工業的特點。

過程工業伴隨著物理化學反應、生化反應、物質能量的轉換與傳遞，是一個十分復雜的大系統，存在不確定性、時變性以及非線性等因素。因此，過程控制的難度是顯而易見的，要解決過程控制問題必須采用有針對性的特殊方法和途徑。

過程工業常常處于惡劣的生產環境中，同時常常要求苛刻的生產條件，如高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生產設備與人身的安全性特別重要。由連續生產的特征可知，過程工業更強調實時性和整體性。協調復雜的耦合與制約因素，求得全局優化也是十分重要的。因此有必要采用智能空制方法和計算機控制技術。

5.過程工業自動化的發展方向

在現代工業控制中, 過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。在本世紀30 年代就已有應用。過程控制技術發展至今天, 在控制方式上經歷了從人工控制到自動控制兩個發展時期。

從過程控制采用的理論與技術手段來看，可以粗略地把它劃為三個階段：開始到70 年代為第一階段，70 年代至90 年代初為第二階段，90 年代初為第三階段開始。其中70 年代既是古典控制應用發展的鼎盛時期，又是現代控制應用發展的初期，90 年代初既是現代控制應用發展的繁榮時期，又是高級控制發展的初期。第一階段是初級階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎，采用常規氣動、液動和電動儀表，對生產過程中的溫度、流量、壓力和液位進行控制，在諸多控制系統中，以單回路結構、PID 策略為主，同時針對不同的對象與要求，創造了一些專門的控制系統。

在自動控制時期內，過程控制系統又經歷了三個發展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。

分散控制系統也叫集散控制系統，它綜合了計算機技術、控制技術、通信技術和顯示技術，采用多層分級的結構形式,按總體分散、管理集中的原則，完成對工業過程的操作、監視、控制。可以毫不夸張地說，分散控制系統是過程控制發展史上的一個里程碑。

集散控制系統或現場總線控制系統—先進過程控制—實時優化系統（DCS—APC—RTO）都屬于工藝裝置級的控制范疇，它的優化效益是很大的，但與過程工業自動化一級的優化效益相比，后者的效益要大得多。

監控與數據采集系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監控和控制，以實現數據的采集、設備的控制，測量、參數調節、自動化程度的高低，以及各類信號報警等各項功能，也可以實時采集現場數據，對工業現場進行本地或遠程的自動控制，同時還可以對工藝流程進行全面、實時的監控，并為生產、調度和管理提供必要的數據。實時的實現監督與控制生產過程。

隨著市場競爭的激烈，為降低成本，過程工業日益走向大型化，化工生產中化學反映也越來越激烈，對過程控制的品質也提出了更高的要求，這種控制與經濟效益的矛盾日益尖銳沒，迫切需要一類合適的先進控制策略。近年來，人工智能技術有了長足的進步，并在許多科學領域中取得了廣泛的應用。現在，裝置的過程控制已逐步發展到整個企業的綜合自動化，已經從裝置的局部優化，發展到考慮企業的全局優化、如調度優化、計劃有話、供應鏈優化、制造執行系統、企業資源計劃系統，形成ERP—MES—PCS（過程控制系統）三層結構體系，這就是當今世界自動化技術的發展趨勢。

目前一些大企業、工廠利用MES能夠對條件變化做出迅速相應，減少非增值活動，提高生產運作過程的效率，從而提高工廠及時交貨的能力，改善物料的流通性能，提高效益。

工業生產過程由簡單到復雜，由小規模到大規模，直至今日，現代化、大型化或多品種、精細化的工業，生產出的各種各樣的產品滿足人們的生活需要。對這些工業生產過程的操作要求做到正確化、自動化和高效化。由于工業生產過程中實際問題的不斷提出，促使理論研究不斷的發展，同時理論研究的結果變成相應的自動化工具的產品，用來解決生產實際問題。先進過程控制方法可以有效的解決那些采用常規控制效果差，甚至無法控制的復雜工業過程的控制問題。實踐證明，先進過程控制方法能取得更高的品質和更大的經濟利益具有廣闊的發展前景。

參考文獻：

《工業自動化及過程控制》（美）J.斯特納森|譯者：張彬、郭燕慧 《過程自動化工程設計》周哲民、任麗靜

你認為自動化專業的學生應該學習哪些知識？具有什么樣的知識結構？ 畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：

1．具有較扎實的自然科學基礎、較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語言、文字的表達能力；

2．較系統地掌握本專業領域寬廣的技術理論基礎知識，主要包括力學、機械學、電工與電子技術、機械工程材料、機械設計工程學、機械制造技術、自動化基礎、市場經濟及企業管理等基礎知識；

3．具有本專業必需的制圖、計算、實驗、測試、文獻搜索和基本工藝操作等基本技能；

4．具有本專業領域內某個專業方向所必要的專業知識，了解其科學前沿及發展趨勢；

5．具有初步的科學研究、科技開發及組織管理能力；

6．具有較強的自學能力和創新意識。

第五篇：工業控制系統_自動化_中英文翻譯_畢業論文

外文資料翻譯

工業控制系統和協同控制系統

當今的控制系統被廣泛運用于許多領域。從單純的工業控制系統到協同控制系統（CCS），控制系統不停變化，不斷升級，現在則趨向于家庭控制系統，而它則是這兩者的變種。被應用的控制系統的種類取決于技術要求。而且，實踐表明，經濟和社會因素也對此很重要。任何決定都有它的優缺點。工業控制要求可靠性，完整的文獻記載和技術支持。經濟因素使決定趨向于協同工具。能夠親自接觸源碼并可以更快速地解決問題是家庭控制系統的要求。多年的操作經驗表明哪個解決方法是最主要的不重要，重要的是哪個可行。由于異類系統的存在，針對不同協議的支持也是至關重要的。本文介紹工業控制系統，PlC controlled turn key系統，和CCS工具，以及它們之間的操作。引言：

80年代早期，隨著為HERA(Hadron-Elektron-Ring-Anlage)加速器安裝低溫控制系統，德國電子同步加速器研究所普遍開始研究過程控制。這項新技術是必需的，因為但是現有的硬件沒有能力來處理標準過程控制信號，如4至20毫安的電流輸入和輸出信號。而且軟件無法在0.1秒的穩定重復率下運行PID控制回路。此外，在實現對復雜的低溫冷藏系統的開閉過程中，頻率項目顯得尤為重要。

有必要增加接口解決總線問題并增加運算能力，以便于低溫控制。因為已安裝的D / 3系統[1] 只提供了與多總線板串行連接，以實現DMA與VME的連接并用其模擬多總線板的功能。溫度轉換器的計算功能來自一個摩托羅拉MVME 167 CPU和總線適配器，以及一個MVME 162 CPU。其操作系統是VxWorks，而應用程序是EPICS。

由于對它的應用相當成功，其還被運用于正在尋找一個通用的解決方案以監督他們的分布式PLC的公共事業管理。

德國電子同步加速器研究所對過程管理系統的篩選

集散控制系統（D/ 3）：

市場調查表明：來自GSE的D / 3系統被HERA低溫冷藏工廠選中。因為集散控制系統（D/ 3）的特性，所以這決定很不錯。在展示端和I / O端擴展此系統的可能將有助于解決日益增加的

HERA試驗控制的要求。制約系統的大小的因素不是I / O的總數，通信網絡的暢通與否。而通信網絡的暢通與否取決于不存檔的數據總量，不取決于報警系統中配置的數據。

擁有DCS特點（Cube）的SCADA系統：

相對于Y2K問題促使我們尋找一個升級版或者代替版來代替現有的系統而言，以上提到的D / 3系統有一些硬編碼的限制。由于急需給Orsi公司提供他們的產品，Cube開始起作用了[2]。該項目包括安裝功能的完全更換。這包括D / 3，以及德國電子同步加速器研究所的集成總線SEDAC和VME的溫度轉換器。該項目很有前景。但是因為HERA試驗原定時間是有限制的，所以技術問題和組織問題也迫使計劃提前。在供應商網站上的最后驗收測試又出現了戲劇性的性能問題。有兩個因素引起了這些問題。第一個跟低估在1赫茲運行的6級溫度轉換

器的CPU負荷有關。第二個由現有D / 3系統復雜的功能造成的額外負荷引起的。每個數字和模擬輸入和輸出通道在D / 3系統里的自身報警限值也被低估了。所有的附加功能都必須添加進去。最后，所有網絡負載的報警限值，尤其是SCADA系統，也促使網絡生成了限制。

最后，與Orsi公司的合同被取消了。升級的D / 3系統是唯一可能的解決辦法。在2003年3月，此系統最后被付諸實踐。

現在，相比“純粹”SCADA系統的異質環境，Cube有同質配置環境的優勢。SCADA（PVSS-Ⅱ）：

在HERA加速器上的H1實驗中，實驗人員為升級他們的低速控制系統，決定使用PVSS-Ⅱ。現有的系統是由H1合作組的幾名成員開發的，而現在卻難以維持了。在CERN由聯合控制項目[4]進行的廣泛調查促使他們做出使用PVSS作為代替品的決定。PVSS是一個“純粹”的監控和數據采集系統（SCADA系統）。其核心元素叫做事件管理器。它收集的數據主要是由I/ O設備提供。它還提供附加的管理服務，如：控制經理，數據庫管理，用戶界面，API經理以及在建的HTTP服務器。該PVSS腳本庫允許執行復雜的序列以及復雜的圖形。相比其他SCADA系統PVSS帶有一個基本特點：它提供了API給設備的數據。

SCADA系統的一個主要缺點是其中的兩個數據庫，一個為PLC’s服務，另一個為SCADA系統服務，這兩個數據庫必須維持。集成環境將努力克服這個限制。EPICS：

在德國電子同步加速器研究所，EPICS從問題解決系統演化成了全集成控制系統。從成為低溫控制系統的數據收集器和數量控制器，EPICS成為了德國電子同步加速器研究所公用事業集團使用的核心系統。此外，通過 Industry Pack（IP）模塊的手段，它還能運用于通過VME板卡的任何數據。EPICS通過其完整的功能，運用于沒有由D / 3系統控制的低溫冷藏系統。所有大約50個輸入輸出控制器運作大約25000業務處理記錄。作為一個SCADA系統的EPICS：

該公共事業組（水，電，壓縮空氣，加熱和調溫）使用各種散布在整個德國電子同步加速器研究所網站上的PLC。IOC向客戶提供接口并采集數據。此外，如通道歸檔和圖形顯示（dm2k）會被使用。默認名決議和目錄服務器（域名服務器）用于連接 在TCP客戶端和服務器應用程序。所有這些都是基本的SCADA功能。所有的配置文件（圖形工具，報警處理程序和歸檔）提供了一種靈活的配置方案。德國電子同步加速器研究所公用事業集團已制定了一套工具來創建IOC數據庫和配置文件。這樣，控制組提供的服務保持EPICS工具，而用戶可以精力集中在被控制的設備上了。作為一個DCS系統的EPICS：

作為SCADA系統的基本組成部分，EPICS還提供完整的輸入輸出控制器（IOC）。IOC提供所有功能DCS系統要求，如：實施每個記錄的標準的屬性；執行每個記錄時的報警檢查過程；控制記錄，如PID。靈活的命名方案，默認的顯示和每個記錄的報警屬性緩和了運作工具和IOC之間的連接。靈活的數據采集模式，支持調查模式以及發布訂閱模式。后者大大降低了信息擁堵的情況。PLC’s：

PLC’s同樣提供豐富的功能，因為以前它是獨一無二的控制系統。此外，定期執行一個確定功能的基本特征也讓他們通過以太網通信，包括內置的HTTP

服務器和不同集合的通訊方案。除了通信處理器，顯示器能和PLC’s連接。智能I / O：

I / O設備上的新發展允許在更小的群體中集群I / O并把這些集群I / O渠道鏈接到控制系統。PLC’s對于分布式I / O已不再重要。PLC’s和智能I / O子系統的差別正在消失。

功能

持續不斷的問題，如為什么控制系統的加速器和其他高度專業化的設備聯合協同發展。但是，在極少數情況下，只通過商業的立場時難以回答的。在這里，我們試圖總結不同控制方法的基本功能。

前端控制器：

對控制系統的核心要素之一，是前端控制器。PLC’s可用于實施控制功能的設備。它的缺點就是復雜，難以達到控制屬性。例如確定通信協議和最后在顯示、報警和歸檔方案，一個控件的所有屬性像P，I和D參數，還有報警限制及其他附加的屬性必須得到解決。另外，這些嵌入式屬性修改是很難尋覓，因為其中涉及兩個或兩個以上軌道系統這可能是一個有力的論據是，為什么控制回路主要實施在IOC層面，而不是PLC’s層面。

I / O和控制回路

復雜的控制算法和控制回路和域名DCS控制系統一樣。對顯示和控件的屬性的支持是必不可少的。

頻率/國家計劃

在控制系統中，頻率程序可以運行任何處理器。運行時環境取決于相關代碼。控制系統程序直接履行運行前端處理器的監控。為復雜的啟動和關閉處理程序設立的頻率程序也可以運行工作站。國家機器的基本功能在IEC 61131中得到了落實。編碼發電機可以產生C代碼。

硬件支持

對現場總線和起源于I / O的Ethernet的支持是為SCADA系統服務的一個基本功能。所有SCADA系統在市場商業運作中是可行的。配置特定驅動器和數據轉換器的集成硬件在商業環境中是一個難點。開放API或腳本支持有時有助于整合用戶的硬件。如果不向控制系統提供這些工具，就很難整合客戶硬件。新的工業標準，如OPC，和OPC設施聯系，還和控制系統之間互相聯系。這種功能的基本條件是強調操作系統。在這種情況下，OPC更趨向于微軟的DCOM標準。基于控制系統的UNIX很難互相連接。只有支持多平臺的控制系統可以在異構環境中發揮主要作用。

由于為客戶或專業硬件的支持有限，所以新的控制系統有理由得到發展。顯示和操作

除了前后系統，操作接口在控制系統的兼容過程中有重要的作用。因為個人呢工具由不同的團隊開發，所以協作實現的工具包可能變動。

1圖形

天氣顯示是任何控制系統的廣告招牌。商業天氣顯示也有著豐富的功能

和許多特色。開始使用所有這些特征，所有這些功能的使用人會發現，所有個別屬性的圖形對象要分別指定。一個輸入通道不只由物業的價值決定的，而且更由包括像展出范圍和報警值決定的。一再分辨所有性能可能是個非常乏味的工作。有些系統產生圖形原型對象。這些原型圖形或模板很復雜，但需要一個專家來生產。

DCS或自定義天氣顯示程序使用常見的I / O點屬性集。這個預定義的命名方案填寫標準的屬性值，因此只需要進入記錄，或設備名稱進入配置工具。報警系統

警報可以很好的區分不同的控制系統架構。實現I / O對象的這些系統在前后端電腦提供警報檢查。只能讀懂I / O點的系統在I / O處理過程中添加了警報檢查。I / O對象途徑在前后端系統的本土項目語言安插了警報檢測。，I / O點導向系統通常要在他們的腳文本語言中實現這種功能。這是通常效率較低且容易出錯，因為所有屬性必須被單獨配置，這導致了一系列特性。不僅為每個I / O點的錯誤狀態結束是個人的I / O點，但報警限值和每個報警的輕重，應當限制定義為I / O點，如果它希望能夠改變運行值。

這種影響在SCADA和DCS系統之間也形成了影響。SCADA系統本就讀不懂報警系統。DCS系統的優勢在于管理人員既可以登記警報狀態，從而提前得到信息，控制蔓延到在控制系統周圍的變化。后一種情況是唯一可能的系統。趨勢和歸檔

趨勢已成為控制系統架構中的一個重要的業務。趨勢是必要的跟蹤誤差條件。實現的數據存儲有能力儲存完整控制目標，大部分的趨勢工具標量數據存檔。附加特性如條件趨向或相關情節在個人實施起了影響。

4編程接口

關于開放編程接口，PLC’s和DCS系統有相同策略。他們運行可靠，因為他們沒有辦法整合 可定制的合作去干涉內部處理。因此，客戶定制精品，這個極其昂貴的。

由于SCADA系統必須能夠 與多種I / O子系統連接已經在API上建立了I / O子系統以整合 自定義功能。

協作系統尤其需要一定的開放性以實現各種發展組織的要求。所有級別的編程接口，例如前后端I / O，前后端處理過程和網絡等，是強制性的。

5冗余

如果冗余是指管理所有國家，I / O所有值無縫道岔當前正在運行，它是一個域，只有少數集散系統。自定義或CCS實施不提供這種功能。也許是因為巨大努力和事實，它是只需要在罕見的事例。此外，處理器冗余，或多余的網絡，或I / O子系統是為一定的商業集散控制系統指定的。

先進的安全要求是由多余的PLC子系統覆蓋。這些安裝在（核）電廠。個人保護系統（PPS）的要求有時候會由冗余的PLC’s來滿足。在過程控制中，冗余的PLC’s只在少數情況下使用。

6命名空間

在供應鏈系統中，SCADA系統的單位名稱空間形容成警報部分。有些SCADA系統（如PVSS – II）提供在少數情況下的控制對象或結構化數據。這些對象由一系列特性（包括I / O點）和一套方法（宏或函數）組成。這些途徑的其一是UniNified工業控制系統（UNICOS）在歐洲核子研究中心[5]。

DCS系統和大多數習慣性/協作系統是有記錄的，或是設備為主。不同之處是，通常一個記錄被連接到一個單一I / O點，提供這樣的執行記錄，如個人工程單元，顯示和警報限值。設備為本的方法允許連接幾個I / O點。而（EPICS的）記錄只服務于一組特定的內置功能。

命名等級不特定于實施類型。它們可用于一些系統。分層命名方案是肯定可取的。

實施策略

表現完各種可能的控制方法后，該是查看控制系統的完成情況了。

從I / O級開始，他們必須決定是否需要商業解決。特殊的I / O不總是需要定制解決方案。信號可以被轉換成標準的信號，但是這并不適用于所有的信號。信號水平可能需要定制的發展，這必須納入整體控制架構。信號不能被連接到標準I / O接口，也許有可能發展的I / O控制器的

允許實施現場總線接口，這能夠整合商業控制系統。整合水平是不可能定制前端控制器，如VME，開始發揮作用了。

Turn Key 系統：

在工業中，有個明顯的趨勢就是產生了Turn Key 系統。它允許對整個系統進行模塊化設計。個別元件分包給幾個公司進行本地測試。一旦交付施工現場，驗收測試就已經過去了，第二個階段，整合融入全球控制系統的子系統開始。雖然控制回路的詳細規格等，是現在子系統合同的一部分。客戶必須明確多少信息子系統可以被使用。

大多數Turn Key系統與PLC一起交付使用。瑞士光源（SLS）的建立過程已顯示，這也是基于I/ O系統運行的VME運行 CCS的，這樣才可以成功啟用[6]。

基于系統的PLC：

基于系統的PLC是Turn Key系統成果。下一個明顯的方法看起來可能是除了商業PLC，就是商業SCADA系統。優勢就是明顯和PLC一樣：沒有穩定的軟編程器，僅有配置，支持和良好的文件系統。在德國電子同步加速器研究所，我們成功地建立了控制組和公共事業組之間的關系。盡管是EPICS編碼，但其最大的優勢就是能調整雙方的特殊要求。

工業解決方案：

一旦工業開始支持協作控制系統，CCS的解決方案和商業之間的差異將漸漸變小。在KEK，公司簽訂合同為KEK-B升級提供程序員。這些程序員進行了書面驅動程序和應用程序代碼的EPICS培訓。因此，KEK-B控制系統是工業用和民用升級軟件的混合體。這是CCS實施中工業參與的另一個例子。

成本：

自從個人電腦出現后，“一臺個人電腦的總成本是多少？”這樣的問題一直使人忙碌。所有的答案不盡相同的極端。現在的問題什么是一個控制系統的TCO可能作出類似的結果。如果你進入商業領域，你要支付的初始證照費用，而通常這是由供應商或分包商支付的，你付錢進行的軟件支持，可能或可能不會包括你更新證照的費用。

如果你去尋求合作方式，你可能與公司簽合同或完成一切。而“時間與金錢說”在工業中同樣成立。你親自完成可能更自由靈活，但是有點難度。你 可以依靠合作，以提供新的功能和版本，或者你可以為自己作出貢獻。主要的區別就是要為控制系統計入長期成本。

德國電子同步加速器研究所粗略估計，控制應用程序，如支持商業模式的D / 3，和支持協作模式的EPICS幾乎是相同的。在該軟件支持和升級證照的費用，相當于1.5倍的FTE’s。FTE’s是關于人力資源的內容，對于支持新的硬件和升級EPICS是必要的。

結論

根據控制項目不同的規模和要求，整合的商業解決方案和基于協作應用程序的解決方案在百分之零到一百都有可能。這適用于長遠的技術支持。在安全問題上的特殊需要或人力資源的缺乏可能會擴大商機。接口專業硬件，掌控在手的談判或商業解決方案的初始成本有可能促使大規模的合作。只要如EPICS的協作途徑，保持最新并運行如商業方案一樣穩定和強勁，它們就能在互補共生的控制世界中占有一席之地。

INDUSTRIAL AND COLLABORATIVE CONTROL SYSTEMS

-A COMPLEMENTARY SYMBIOSIS –

Looking at today?s control system one can find a wide variety of implementations.From pure industrial to collaborative control system(CCS)tool kits to home grown systems and any variation in-between.Decisions on the type of implementation should be driven by technical arguments Reality shows that financial and sociological reasons form the complete picture.Any decision has it?s advantages and it?s drawbacks.Reliability, good documentation and support are arguments for industrial controls.Financial arguments drive decisions towards collaborative tools.Keeping the hands on the source code and being able to solve problems on your own and faster than industry are the argument for home grown solutions or open source solutions.The experience of many years of operations shows that which solution is the primary one does not matter, there are always areas where at least part of the other implementations exist.As a result heterogeneous systems have to be maintained.The support for different protocols is essential.This paper describes our experience with industrial control systems, PLC controlled turn key systems, the CCS tool kit EPICS and the operability between all of them.-

INTRODUCTION

th Process controls in general started at DESY in the early 80with the installation of the cryogenic control system for the accelerator HERA(Hadron-Elektron-Ring-Anlage).A new technology was necessary because the existing hardware was not capable to handle standard process controls signals like 4 to 20mA input and output signals and the software was not designed to run PID control loops at a stable repetition rate of 0.1 seconds.In addition sequence programs were necessary to implement startup and shutdown procedures for the complex cryogenic processes like cold boxes and compete compressor streets.Soon it was necessary to add interfaces to field buses and to add computing power to cryogenic controls.Since the installed D/3 system[1] only provided an documented serial connection on a multibus board, the decision was made to implement a DMA connection to VME and to emulate the multibus board?s functionality.The necessary computing power for temperature conversions came from a Motorola MVME 167 CPU and the field bus adapter to the in house SEDAC field bus was running on an additional MVME 162.The operating system was VxWorks and the application was the EPICS toolkit.Since this implementation was successful it was also implemented for the utility controls which were looking for a generic solution to supervise their distributed PLC?s.A SELECTION OF PROCESS CONTROL SYSTEMS AT DESY

DCS(D/3)

As a result of a market survey the D/3 system from GSE was selected for the HERA cryogenic plant.The decision was fortunate because of the DCS character of the D/3.The possibility to expand the system on the display-and on the I/O side helped to solve the increasing control demands for HERA.The limiting factor for the size of the system is not the total number of I/O but the traffic on the communication network.This traffic is determined by the total amount of archived data not by the data configured in the alarm system.The technical background of this limitation is the fact that archived data are polled from the display servers whereas the alarms are pushed to configured destinations like alarm-files,(printer)queues or displays.SCADA Systems with DCS Features(Cube)

The fact that the D/3 system mentioned above had some hard coded limitations with respect to the Y2K problem was forcing us to look for an upgrade or a replacement of the existing system.As a result of a call for tender the company Orsi with their product Cube came into play [2].The project included a complete replacement of the installed functionality.This included the D/3 as well as the integration of the DESY field bus SEDAC and the temperature conversion in VME.The project started promising.But soon technical and organizational problems were pushing the schedule to it?s limits which were determined by the HERA shutdown scheduled at that time.The final acceptance test at the vendors site showed dramatic performance problems.Two factors could be identified as the cause of these problems.The first one was related to the under estimated CPU th load of the 6grade polynomial temperature conversion running at 1 Hz.The second one was the additional CPU load caused by the complex functionality of the existing D/3 system.Here it was underestimated that each digital and analog input and output channel had it?s own alarm limits in the D/3 system.In a SCADA like system as Cube the base functionality of a channel is to read the value and make it available to the system.Any additional functionality must be added.Last not least the load on the network for polling all the alarm limits – typically for a SCADA system – was also driving the network to it?s limits.Finally the contract with Orsi was cancelled and an upgrade of the D/3 system was the only possible solution.It was finally carried out in march 2003.In any case it should be mentioned that the Cube approach had the advantage of a homogeneous configuration environment(for the Cube front end controllers)– compared with heterogeneous environments for ?pure? SCADA systems.SCADA(PVSS-II)The H1 experiment at the HERA accelerator decided to use PVSS-II for an upgrade of their slow control systems[3].The existing systems were developed by several members of the H1 collaboration and were difficult to maintain.The

decision to use PVSS as a replacement was driven by the results of an extensive survey carried out at CERN by the Joint Controls Project [4].PVSS is a ?pure? Supervisory And Data Acquisition System(SCADA).It provides a set of drivers for several field buses and generic socket libraries to implement communication over TCP/IP.The core element is the so called event manager.It collects the data(mostly by polling)from the I/O devices and provides an event service to the attached management services like: control manager, database manager, user interface, API manager and the built in HTTP server.The PVSS scripting library allows to implement complex sequences as well as complex graphics.Compared with other SCADA systems PVSS comes with one basic feature: it provides a true object oriented API to the device?s data.One major disadvantage of SCADA systems is the fact that two databases, the one for the PLC and the one for the SCADA system must be maintained.Integrated environments try to overcome this restriction.EPICS

EPICS has emerged at DESY from a problem solver to a fully integrated control system.Starting from the data collector and number cruncher for the cryogenic control system, EPICS made it?s way to become the core application for the DESY utility group.In addition it is used wherever data is available through VME boards or by means of Industry Pack(IP)modules.For those cryogenic systems which are not controlled by the D/3 system EPICS is used with it?s complete functionality.In total about 50 Input Output Controller(IOC)are operational processing about 25 thousand records.1 EPICS as a SCADA System

The utility group(water, electrical power, compressed air, heating and air conditioning)is using a variety of PLC?s spread out over the whole DESY site.EPICS is used to collect the data from these PLC?s over Profibus(FMS and DP)and over Ethernet(Siemens H1 and TCP).The IOC?s provide the interfaces to the buses and collect the data.The built in alarm checking of the EPICS records is used to store and forward alarm states to the alarm handler(alh)of the EPICS toolkit.In addition tools like the channel archiver and the graphic display(dm2k)are used.The default name resolution(by UDP broadcast)and the directory server(name server)are used to connect client and server applications over TCP.All of these are basically SCADA functions.The textual representation of all configuration files(for the IOC, the graphic tool, the alarm handler and the archiver)provides a flexible configuration scheme.At DESY the utility group has developed a set of tools to create IOC databases and alarm configuration files from Oracle.This way the controls group provides the service to maintain the EPICS tools and the IOC?s while the users can concentrate on the equipment being controlled.EPICS as a DCS System

Besides the basic components of a SCADA system EPICS also provides a full flavoured Input Output Controller(IOC).The IOC provides all of the function a DCS system requires, such as: a standard set of properties implemented in each record, built in alarm checking processed during the execution of each record;control records like PID etc.;configuration tools for the processing engine.The flexible naming scheme and the default display and alarm properties for each record ease the connection between the operator tools and the IOC?s.The flexible data acquisition supports the poll mode as well as the publish subscribe mode.The latter reduces the traffic drastically.PLC?s

PLC?s provide nowadays the same rich functionality as it was known from stand alone control systems in the past.Besides the basic features like the periodic execution of a defined set of functions they also allow extensive communication over Ethernet including embedded http servers and different sets of communication programs.Besides the communication processors, display processors can be linked to PLC?s to provide local displays which can be comprised as touch panels for operator intervention and value settings.These kind of PLC?s are attractive for turn key systems which are commissioned at the vendors site and later integrated into the customers control system.Intelligent I/O

New developments in I/O devices allow to ?cluster? I/O in even smaller groups and connect theses clustered I/O channels directly to the control system.PLC?s are not any more necessary for distributed I/O.Simple communication processors for any kind of field buses or for Ethernet allow an easy integration into the existing controls infrastructure.Little local engines can run IEC 61131 programs.The differences between PLC?s and intelligent I/O subsystems fade away.FUNCTIONALITY

The ever lasting question why control systems for accelerators and other highly specialized equipment are often home grown or at least developed in a collaboration but only in rare cases commercial shall not be answered here.We try to summarize here basic functionalities of different controls approaches.Front-end Controller

One of the core elements of a control system is the front-end controller.PLC?s can be used to implement most of the functions to control the equipment.The disadvantage is the complicated access to the controls properties.For instance all of the properties of a control loop like the P, I and D parameter, but also the alarm limits and other additional properties must be addressed individually in order to identify them in the communication protocol and last not least in the display-, alarm-and archive programs.In addition any kind of modifications of these

embedded properties is difficult to track because two or more systems are involved.This might be one strong argument why control loops are mainly implemented on the IOC level rather than PLC?s.1 I/O and Control Loops

Complex control algorithms and control loops are the domain of DCS alike control systems.The support for sets of predefined display and controls properties is essential.If not already available(like in DCS systems)such sets of generic properties are typically specified throughout a complete control system(see namespaces).2 Sequence/ State programs

Sequence programs can run on any processor in a control system.The runtime environment depends on the relevance of the code for the control system.Programs fulfilling watchdog functions have to run on the front-end processor directly.Sequence programs for complicated startup and shutdown procedures could be run on a workstation as well.The basic functionality of a state machine can be even implemented in IEC 61131.Code generators can produce ?C? code which can be compiled for the runtime environment.3 Supported Hardware

The support for field buses and Ethernet based I/O is a basic functionality for SCADA type systems it is commercially available from any SCADA system on the market.The integration of specific hardware with specific drivers and data conversion is the hard part in a commercial environment.Open API?s or scripting support sometimes help to integrate custom hardware.If these tools are not provided for the control system it is difficult – if not impossiblewhich are extremely expensive – or forget about it and use the system as a black box.Since SCADA systems by definition must be able to communicate with a variety of I/O subsystems they already have some built in API?s which allow to integrate custom functionality.Specially collaborative systems need a certain openness to fulfill all the requirements from various development groups.Programming interfaces on all levels like font-end I/O, front-end processing, networking etc.are mandatory.A clear advantage for this type of system.Redundancy

If redundancy means the seamless switch which takes over all the states and all the values of the I/O and all states of all programs currently running, it is a domain of only a few DCS systems.Custom or CCS implementation do not provide this kind of functionality.Maybe because of the immense effort and the fact that it is only required in rare cases.Besides processor redundancy, redundant networks or I/O subsystems are available for certain commercial DCS systems.Again – a domain which is not covered by SCADA or CCS implementations.Advanced safety requirements may be covered by redundant PLC subsystems.These are for instance installed in(nuclear)power plants.Requirements for Personal Protection Systems(PPS)can sometimes only be fulfilled by redundant PLC?s.In process controls redundant PLC?s are only used in rare cases.6 Namespace

The flat namespace of SCADA systems has already been described in the alarm section.Some SCADA systems(like PVSS-II)provide the notion of control objects or structured data which is a rare case.In all other cases so called field objects must be specified.These are objects which consist of a list of properties(implemented as I/O points)and a set of methods(implemented asmacros or function calls).One of these approaches is the UniNified Industrial COntrol System(UNICOS)at CERN [5].DCS systems and most of the custom/ collaborative systems are record – or device oriented.The difference being that typically one record is connected to a

single I/O point and provides this way all sub features of a record implementation like individual engineering units, display-and alarm limits.The device oriented approach allows to connect several I/O points.The major difference being the fact that an object oriented device implementation provides methods and states for a device while(EPICS)records only serve a certain set of built in functions.Naming hierarchies are not specific to a type of implementation.They are available for some systems of any kind.For sure hierarchical naming schemes are desirable.IMPLEMENTATION STRATEGIES

After having shown all the possible controls approaches it is time to have a look at the implementation of control systems.Starting from the I/O level one has to decide whether commercial solution are required, feasible or wanted.Special I/O does not always require custom solution for the font-end controller.Signals can be converted into standard signals but this does not apply for all kinds of signals.Resolution, repetition rates and signal levels might require custom developments which must be integrated into the overall control architecture.Even if the signals can not be connected to standard I/O interfaces it might be possible to develop I/O controllers which implement a field bus interface which allow the integration with commercial control systems.Once this level of integration is not possible custom front-end controllers like VME crates come into play.Besides the decision whether special I/O requires dedicated custom solutions one has to decide who will do which part of the work? Does for instance the necessity of VME crates prohibit the delivery of a ?turn key? system built by industry? Or does a PLC based front-end system require a commercial SCADA system for high level controls? Turn Key Systems

It is a clear trend in industry to deliver turn key systems.It allows a modular design of the whole system.Individual components can be subcontracted to several companies and tested locally.Once delivered to the construction site the primary acceptance tests have already been passed and the second phase, to integrate the subsystem into the global control system begins.While the detailed specification of control loops etc.is now part of the subsystems contract, the customer has to specify clearly how much information of the subsystem must be made available, what the data structures will look like and which connection(field bus/ Ethernet)will be used.Most turn key systems are delivered with PLC?s.The construction of the Swiss Light Source(SLS)has shown that also a VME based I/O system running a CCS – in this case EPICS – can be successfully commissioned [6].PLC Based Systems

PLC based systems are a consequence of the turn key ansatz.The next obvious approach might be to look besides commercial PLC?s also for commercial SCADA systems.The advantage is clearly the same like for the PLC: stable software, no programming – only configuration, support and good documentation.At DESY we have successfully established a relation between the controls group which provides a CCS service based on EPICS and the utility group which uses the EPICS configuration tools to set up their control environment.The big advantage though being that the EPICS code can be adjusted to the special requirements from both sides.Industrial Solutions

The difference between CCS solutions and commercial solutions is fading away as soon as industry starts to deliver and support collaborative control systems.At KEK a company was contracted to supply programmers for the KEK-B upgrade.These programmers were trained in writing drivers and application code for EPICS.As a result the KEK-B control system is a mixture of software developed partly by industry and partly in house.This is another example for an industrial involvement for a CCS implementation.COST

The question: “Was is the total cost of ownership(TCO)of a PC?” has kept people busy since PC?s exist.The answers vary to all extremes.The question what is the TCO of a control system might give similar results.If you go commercial you have to pay for the initial licenses the implementation which is typically carried out by the supplier or by a subcontractor, and you pay for the on going software support which might or might not include the update license fee.If you go for a collaborative approach, you might contract a company or implement everything on your own.A question of ?time and money? as industry says.You will have more freedom and flexibility for your implementations but also a steeper learning curve.You can rely on the collaboration to provide new features and versions or you can contribute yourself.A major difference calculating the long term costs for a control system.At DESY one can roughly estimate that the(controls application)-support for a commercial approach – here D/3is nearly the same.The software support and upgrade license fee is equivalent to one and a half FTE?s – which is about the manpower necessary to support new hardware and to upgrade EPICS.CONCLUSIONS

Depending on the size and the requirements for a controls project the combination of commercial solutions and solutions based on a collaborative approach is possible in any rate between 0 and 100 percent.This applies for all levels from implementation to

long term support.Special requirements on safety issues or a lack of manpower might turn the scale commercial.The necessity to interface special hardware, special timing requirements, the ?having the code in my hands? argument or the initial costs for commercial solutions will turn the scale collaborative.As long as collaborative approaches like EPICS stay up to date and run as stable and robust as commercial solutions, both will keep their position in the controls world in a complementary symbiosis.