第十三章 计算机控制系统

随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。 本章主要介绍计算机控制系统的组成、结构、特点及计算机控制系统的操作技术。

13.1 计算机控制系统概述 13.1.1 计算机控制系统及其组成 计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：

（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 （2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 （3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。

硬件部分包括:主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台、被控对象。 计算机控制系统的组成： 硬件部分包括:主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台、被控对象。 软件 传感器 变送器 磁盘驱动器 多路 开关 接口 A/D 计算机（主机） 生 产 过 程 接口 反多路 开关 执行 机构 D/A 打印机 开关量 输入 接口 接口 开关量 输 出 CRT 显示终端 时钟 操 作 台 通用外部设备 主机、操作台 接口 输入输出通道 检测变送执行 被控对象 图13-2 计算机控制系统组成框图

13.1.2 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。 13.1.2.1 操作指导控制系统 计 算 机 13.1.2 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。 13.1.2.1 操作指导控制系统 模拟量输入（AI）通道 生 产 过 程 计 算 机 数字量输入（DI）通道 CRT 操作 人员 调节器 打印机 图13-3 操作指导控制系统

13.1.2.2 直接数字控制系统 CRT 输入通道 （AI.DI） 生 产 过 程 计 算 机 打印机 报 警 输出通道 (AO.DO) 13.1.2.2 直接数字控制系统 输入通道 （AI.DI） 输出通道 (AO.DO) 打印机 报 警 操作台 CRT 计 算 机 生 产 过 程 图13-4 直接数字控制系统

13.1.2.3 监督计算机控制系统 监督控制SCC（Supervisory Computer Control）。监督控制系统的两种结构形式。 （a）图 SCC加上模拟控制器的控制系统 （b）图 SCC加上DDC的分级控制系统

(a) (b) 图13-5 监督计算机控制系统 SSC计 算 机 调节 设定值 工艺数据 生 产 过 程 模拟控制器 测量 记录 显示 打印 DDC 计算机 测量 记录 显示 打印 (b) 图13-5 监督计算机控制系统

13.1.2.4 集散型控制系统 也称分散型控制系统（Distributed Control System－DCS）。 系统特点是采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制，其结构如图13-6。

图13-6 集散型控制系统 集中操作监控级 管理 计算机 网 间 联接器 工程师 操作站 操作员 监 控 现 场 控制站 PLC 智 能 网 间 联接器 工程师 操作站 操作员 监 控 现 场 控制站 PLC 智 能 调节器 其它测 控装置 至其它局域网 局域网络（LAN) 通信联络 综合信息管理级 分级过程控制级 图13-6 集散型控制系统

13.1.2.5 现场总线控制系统 现场总统控制系统（Fieldbus Control System—FCS）是新一代分布式控制结构。

13.2 集散控制系统应用实例 以日本横河公司近几年开发出来的新型集散控制系统CS3000系统为例，简介系统功能；详细讲述机组操作中常用的几个操作方法。 该系统中主要包括FCS控制站（Field Control Station：双重冗余型现场控制站）和HIS操作站（Human Interface Station：人机界面操作站）两大部分，并利用VL 网将系统中定义的每个站连接在一起。 系统结构如图13-8所示：

CS 3000 系统配置– 概述 生产系统 人机接口 控制站 现场控制网 Exaqunatum PRM Exaopc Modbus Vnet/IP PROFIBUS-DPV1 基金会现场总线 HART Exaqunatum PRM Exaopc Modbus DeviceNet ControlLogix 生产系统 控制站 人机接口 现场控制网

图13-8 CS3000集散控制系统结构图

13.2.1 系统功能 （1） HIS操作站的功能 HIS操作站（Human Interface Station：人机界面操作站）为操作人员提供了以CRT为基础的人机界面， CS3000系统中常见的窗口／画面如下。

图13-9 CS3000系统 常见窗口

（2）控制站功能 以微处理器为基础，利用程序软件来实现闭环控制和顺序逻辑控制所需的各种运算及控制算法，并且为数据监测和控制提供了高度灵活的输入输出功能。控制站上主要包括CPU主板，供电卡，VL网耦合器以及输入／输出组件。控制站间的通讯是利用VL网来实现的。 控制站的外观及部件如图13-10所示：

图13-10 控制站外观及部件结构图

（3）输入／输出子系统（I／O Subsystem） 一个控制站最多可连接10个节（NEST），此处的节点可理解为I／O模件的底板。每个节点上可插入8个输入／输出模件（以下简称为IOM，即 Input／Output Module）在FCS站上常用的IOM类型有以下几种：

图13-11 常用的IOM类型

（4）控制系统的工作过程 来自过程变送器的过程变量经过安全栅或端子板送入I／O卡件，将现场信号转换为系统的数字信号后，进入控制器，在控制器按预先设计的控制规律进行运算，输出控制变量，并通过执行机构控制生产过程。 控制站可以通过数据高速公路（即HUB）把过程信息送往操作站，操作员通过CRT了解每个控制系统的工作情况，并通过键盘或鼠标改变每个控

制系统的给定值和控制方式，控制站又通过数据高速公路获得操作站发出的实现过程控制所需的有关指令和信号。 检测点控制站的输入通道和数据高速公路送到CRT操作站进行显示、报警、记录。

13.2.2 操作界面 13.2.2.1 系统信息窗（System Message Window） 系统信息窗的功能 13.2.2 操作界面 13.2.2.1 系统信息窗（System Message Window） 系统信息窗的功能 在系统信息窗中显示最新报警信息，系统时间及各种功能按钮。点击系统信息窗工具条上的按钮可以打开其他窗口。该窗口总是显示在屏幕上层，而不受其他窗口影响，同时保证了过程报警出现时，不会被忽略。系统信息窗的外观如图所示。

图13-12 系统信息窗

13.2.2.2 操作指引窗(Operator Guide Window) 操作指引窗的功能 操作指引窗信息窗内显示用户预先定义的信息（最新信息出现在最顶部）。操作指引窗有助于通知操作人员整个工艺控制过程，提供操作指引或说明。当一个操作信息出现时，通过声音通知操作人员，并且在系统信息窗上的操作指引按钮以及操作员键盘上操作指引调用键上的LED灯都在闪烁。操作指引窗如图所示：

图13-13 操作指引窗

13.2.2.3 过程报警窗 (Process Alarm Window) （1）过程报警窗的功能及外观 过程报警信息按照出现的顺序（最新报警出现在最顶部）显示在过程报警窗的显示区内。当一个过程报警出现时，除了有声音提示操作员外，系统信息窗上的过程报警窗调用按钮以及操作员键盘上的过程报警窗LED同时闪烁，以提示操作员。过程报警窗的说明见下表。

表13-1 过程报警窗的说明

过程报警窗的外观如图所示： 工具条 信息显示区 过滤条件 显示/生成信息个数 图13-14 过程报警窗的外观

（2）过程报警窗的调用方法 可以按下列方法之一调用过程报警窗： a. 单击系统信息窗上的“过程报警窗”按钮； b. 从系统信息窗上的窗口菜单条中选择； c. 浏览窗口； d. 工具箱中的“过程报警窗”按钮； e. 操作员键盘上的“过程报警窗”按钮； f. 从[输入对话框]内输入过程报警窗名。

过程报警窗的自动调用方法： 随着一条过程报警信息的出现，可以定义为自动调用过程报警窗。这项功能可以从系统维护窗的HIS设置窗内定义。 （3）过程报警窗上的工具条图13-18过程报警窗上的工具条 可以利用过程报警窗上的工具过程报警信息进行确认并打印出来。

选择一条闪烁的报警信息，再单击此按钮可以完成确认操作。当所有过程报警信息经过确认后，系统 按钮说明（见图13-15）： 图13-15 过程报警窗上的工具条 a.打印按钮： 利用此按钮打印出过程报警信息 b.确认按钮： 选择一条闪烁的报警信息，再单击此按钮可以完成确认操作。当所有过程报警信息经过确认后，系统

信息窗上的“过程报警窗”按钮会停止闪烁，当所有报警信息被删除时，按钮颜色恢复正常。 报警信息的确认方法可以在系统维护窗的HIS设置窗内进行设置。 c.高优先级报警按钮： 按下此按钮时，只显示高优先级的报警信息。当此按钮被按回时，则显示全部的报警信息。 d.当前值显示按钮： 按下此按钮时，显示出报警的当前值，以及报警状态。

e.停止按钮： 按下此按钮，画面保持5秒钟静止状态，然后才更新。 f.过滤器对话框按钮： 按下此按钮，调出过程报警窗上的工具条过滤器对话框。在对话框内输入报警信息的筛选条件，如，一个控制站内的报警信息，或一个功能块内的报警信息。如图13-16所示：

图13-16 过滤器对话框

（4）过程报警窗上的信息显示区 在过程报警窗的信息显示区内最多能显示200条信息，若超过极限，则最新出现的报警信息会被删除。 13.2.2.4 图形窗口 (Graphic Window) （1） 图形窗口的功能及外观 在图形窗口内以视图方式显示一个装置的操作和监控画面或控制系统画面。用户图形一般包括工艺操作流程图，各类辅助画面及相关表格。

流程图可以按用户要求自由绘制，根据工艺状态的不同，可以定义图形和字符发生外形或颜色变化、闪烁等。在流程图窗口内，可以定义多种显示功能，如：显示过程数据，显示过程数据的计算结果等。操作人员对过程实施监视操作主要依靠用户图形来进行。外观见图13-17。

图13-17 图形窗口的工艺流程图

工艺流程图由下面三部分组成： a.静态图部分： 指用户流程图中固定不变的部分，包括设备、管线、物料线、仪表信号线、设备名称字符、物料进出字符等。静态图与生产变化无关。 b.动态图部分： 指用户流程中，能够接受操作员动作命令，对操作画面进行变换作用的可见触标区或不可见触标区。如：各种模拟量，开关量仪表，泵的状态，塔内、容器内动态液位等。当模拟量仪表指示点超过报警极限时，数值由正常的绿色变为红色；

当泵由开到停时，它的状态会由绿色变为红色。还有火苗在跳、烟筒在冒烟、电动机在转、流体在管路中流动等动画功能。 动态图形元素表示方法： a. 模拟指示点： 仪表位号 测量值及工程单位 图13-18 模拟指示点图形 报警时，测量值的颜色会随着报警状态改变而发生变化。

根据组态定义，见图13-20，开关仪表框的底色随开关量仪表的状态变化而改变，通常触点信号＝1 b. 系统控制点：见图13-19 仪表位号 测量值及工程单位 图13-19 系统控制点图形 c. 开关量指示点： PS121A 仪表位号 图13-20 开关量指示点图形 根据组态定义，见图13-20，开关仪表框的底色随开关量仪表的状态变化而改变，通常触点信号＝1

时，底色为绿色，如上图所示；触点信号＝0时，底色为红色。颜色变化根据组态定义。 d.液位、界位动态棒图： 见图13-21，棒图内的绿色动态条将随分配的液位测量值的变化而改变。通常棒图顶部表示0％，顶部表示100％。 图13-21 液位、界位动态棒图

13.2.2.5 趋势窗 (Trend Window) （1）趋势窗的功能及外观 见图13-22，反映出一点或多点在某段时间间隔内测量值的变化趋势。在CS3000系统内可定义8个趋势块TR0001-TR0008，趋势块类型为：Continuous and Rotary Type。每个趋势块有16个趋势组，每组可定义8条趋势，即一组趋势可同时显示组内8个点的数据记录。

图13-22 趋势窗外观

趋势窗说明 表13-2 趋势窗说明

（2）趋势窗的调用方法 可以按下列方法之一调用操作组： a.在系统信息窗上的窗口菜单条中选择； b.在分层浏览窗中选择； c.在工具箱中单击[趋势]（Trend）按钮； d.在操作员键盘上按下[趋势]（Trend）按钮； e.在输入对话框内输入趋势窗口名。 （3）趋势窗上的工具条 利用趋势窗上的工具条可以启动或停止数据采集,改变趋势笔的分配情况。见图13-23按钮说明。

3. 趋势笔分配对话窗调用钮：在趋势笔分配对话窗内可以临时改变仪表位号名及其属性。 图13-23 趋势窗上的工具条 1. 硬拷贝按钮： 打印当前显示的趋势画面。 2. 确认按钮： 不能在趋势窗内使用。 3. 趋势笔分配对话窗调用钮：在趋势笔分配对话窗内可以临时改变仪表位号名及其属性。

图13-24 趋势笔分配对话窗

4. 启停显示按钮： 按下此按钮后，画面更新操作暂停；再次按下此钮后，重新开始趋势的采集与画面的更新操作。 5. 时间轴缩小按钮： 通过缩小时间范围的比例，可以看到长期的历史趋势。可选择的比例值有8，4，2，1，1/2或1/4倍。时间范围比例的缩小情况显示在趋势窗口的状态条中。 6. 时间轴放大按钮： 通过放大时间范围，可以在趋势图上看到更细小的详细变化。可选择的比例值有1/4，1/2，1，

2，4，8倍。时间范围比例的放大情况显示在趋势窗口的状态条中。 7. 数据轴缩小按钮： 在标准比例的趋势图中，趋势图中的数据量程按0％-100％的比例显示。缩小时间轴时，以标准数据轴的50％为基准点进行缩小。数据轴上可选择的缩小比例值有10，5，2和1倍。数据轴的比例缩小情况显示在趋势窗口的状态条中。 8. 数据轴放大按钮： 在标准比例的趋势图中，趋势图中的数据量程按

0％-100％的比例显示。放大时间轴时，以标准数据轴的50％为基准点进行放大。当数据轴被放大后，可以利用数据轴旁边的滚动条查看未显示出来的部分。数据轴上可选择的放大比例值有1，2，5和10倍。数据轴的比例放大情况显示在趋势窗口的状态条中。 9. 笔号显示按钮： 当[笔号显示按钮]被按下时，笔号显示在趋势图上。若要隐藏笔号，再次按下[笔号显示按钮]，使其恢复到正常位置处。

10．参考值显示按钮： 当[参考值显示按钮]被按下时，参考模式显示在趋势图上。若要隐藏参考模式，再次按下[参考值显示按钮]，使其恢复到正常位置处。 11．画面初始化按钮： 按下此钮后，画面上的趋势图按照初始状态设置的时间轴和数据轴显示出来。 12. 保存趋势数据按钮： 将当前趋势窗内显示的趋势数据保存到文件。文件名，描述及趋势笔描述等信息在文件保存对话窗以及连续显示的描述输入对话窗内进行说明。

保存趋势文件的路径为C:\CS3000\HIS\SAVE\TREND\*.rtf 保存在文件中的趋势数据可以利用[读取趋势数据]按钮将其显示到趋势图中。 注意：最多能存储100个文件（包括其他窗口的保存文件）。当存储数量超限时，旧文件被自动删除（先进先出）。 13．读取趋势数据按钮： 从文件中读出保存过的趋势数据并显示在趋势窗中。单击此按钮后，需要在文件读取对话窗内输入文件名。

读取趋势文件的路径为C:\CS3000\HIS\SAVE\TREND\*.rtf 14. 趋势采集启停按钮： 暂停／继续一批趋势的采集操作。单击此按钮后，会弹出一个对话窗需要用户确认。 15．重新开始采集数据按钮： 启动一批趋势数据的采集操作。单击此按钮后，会弹出一个对话窗需要用户确认。注意：启动采集操作之间的趋势数据会丢失。

16．恢复到当前的趋势状态 当历史趋势图的时间轴或数据轴被放大或缩小后，按下此钮可恢复到初始状态。 （4）趋势窗的显示区 在趋势窗的显示区内，利用不同的曲线颜色来区分趋势笔。如果当前显示的趋势窗出现显示异常时，点击工具条上的按钮，可使画面恢复正常。

13.2.2.6 参数调节窗 (Tuning Window) （1）参数调节窗的功能及外观 在参数调节窗内显示个控制站中一个功能块（常规控制块，顺序控制块）的调节参数。在参数调节窗内可以修改系统的控制参数，查看参数值、仪表面板及调节趋势图等。如图13-25所示：

图13-25 参数调节窗外观

（2）参数调节窗的调用方法 可以按下列方法之一调用参数调节窗。 集散控制系统CS3000在系统信息窗上的窗口菜单条中选择； 在分层浏览窗中选择； 在工具箱中单击[参数调节窗]（Tuning）按钮； 在操作员键盘上按下[参数调节窗]（Tuning）按钮； 在输入对话框内输入参数调节窗口名。

以一个简单控制系统的参数调节窗为例，利用参数调节窗上的工具可增加或删除操作标记，修改调节趋势图的显示范围及功能块的控制方式等。 （3）参数调节窗上的工具条 以一个简单控制系统的参数调节窗为例，利用参数调节窗上的工具可增加或删除操作标记，修改调节趋势图的显示范围及功能块的控制方式等。 图13-26 参数调节窗上的工具条 图13-26按钮说明： 1．硬拷贝按钮： 打印当前显示的参数调节窗口。

2．确认按钮： 对当前参数调节窗口内出现的报警进行确认。 3．数据保持按钮： 参数调节窗口关闭时，趋势数据的采集操作停止，原来显示的趋势数据丢失。按下[数据保持按钮]，即使参数调节窗口关闭，趋势数据的采集操作继续进行，下次调出参数调节窗口时，趋势数据不丢失。 4．启／停显示按钮： 按下此按钮，暂停趋势画面的更新。若要继续，则再次按下此按钮即可。

5．时间轴放大按钮： 放大趋势画面的时间轴后，可以看到更细小的详细曲线变化，放大倍数显示在参数调节窗的状态条中。 6. 时间轴缩小按钮： 缩小趋势画面的时间轴，可看到长期的曲线变化，缩小倍数显示在参数调节窗的状态条中。 7．数据轴放大按钮： 标准的数据轴范围是从0%-100%。放大数据轴后，以标准数据轴的50％为基点进行放大，利

用滚动条查看其余部分。 放大倍数显示在参数调节窗的状态条中。 8．数据轴缩小按钮： 标准的数据轴范围是从0%-100%。缩小数据轴后， 以标准数据轴的50％为基点进行缩小。 缩小倍数显示在参数调节窗的状态条中。 9．PRD按钮：（Primary Direct Control） 主要用于串级控制方案中，将控制方式改为由主系统直接控制副系统的调节阀（副系统仪表只起指示作用，并且输出值跟踪主系统的输出值，用

于实现无扰动切换）。按下此钮后，会弹出一个对话窗用于提醒操作人员确认此操作。 返回原控制方式方法：双击控制方式的数据显示区调出数据输入对话框，输入方式名即可：MAN（手动），AUT（自动），CAS（串级）。 在计时器的参数调节窗内不显示[PRD]按钮。 10. AOF按钮：（Alarm Off） 此按钮被按下时，功能块处于AOF方式，抑制报警（即出现报警时，不再报警。报警功能被关闭）。确认对话窗会弹出来用于操作员确认。

取消AOF功能，再按一次[AOF]按钮。 11．CAL按钮：(Calibration) 此按钮被按下时，功能块处于CAL方式。在CAL方式下，用户可以直接输入测量值的模拟值。确认对话窗会弹出来用于操作员确认。 如果要取消CAL功能，再按一次[CAL]按钮。 在计时器的参数调节窗内不显示[CAL]按钮。 12. 操作标记分配对话窗调用按钮：

此按钮用于调出操作标记分配对话窗，并设置或删除当前功能块上的操作标记。 13．窗口调用按钮： 此按钮用于调出监视过程控制状态的窗口。根据功能块的类型不同，所调用出来的窗口类型也不同。依组态内容而定。 14．显示原值按钮： 显示数据进行处理之前的原始数值。

（4）参数调节窗的显示区 参数调节窗主要分三部分：参数显示区，趋势图显示区，仪表面板区。 参数显示区： 显示功能块参数的当前值，参数值可由用户设定，参数的类型随功能块类型的不同而不同。参数显示区内，数据项后面带“＝”表示此参数可以由用户设定，在数据项上单击鼠标左键，在输入对话框内输入新值。或者选择数据项后，在操作员键盘上按[Display]（显示）键，调出输入

对话框后输入新值。可输入的数字最长为10位，英文字符为16位，工程单位为6位。数据项后面带“：”表示此参数不能由用户改变，只是显示值。 趋势图显示区： 调节窗内显示的功能块以时间方式采集过程数据，并以趋势图的形式显示出来。采样周期为1秒，可显示2880个数据。过程数据的类型不同，所对应的显示颜色也不同： a．过程变量，即测量值（PV），计算后的输出值（CPV），反馈输入数据（FV）：青色；

b．设定值，即给定值（SV），开关量设定值（SW）：白色； c．控制器输出值（MV）：洋红色。 参数调节窗打开时，调节参数的趋势开始采集；调节窗关闭时，采集停止，原有的趋势数据会丢失。为了保证调节窗关闭后，数据采集继续进行，趋势图仍然存在，则需要采用工具条上的数据保留功能。但系统中最多能保留16笔趋势，

超过16笔时，自动释放最早保留的功能块（或称趋势笔）。 仪表面板区： 在仪表面板内，可以设置、改变参数值及控制方式。

13.2.2.7 系统报警窗 (System Alarm Window) （1）系统报警窗的功能及外观 在系统报警窗内显示有关系统工作状态的信息，如系统硬件故障，通讯故障等，以时间顺序排序，最新出现的报警出现在显示区的最顶层。可以利用操作员键盘对系统报警信息进行确认。如图13-27所示：

图13-27 系统报警窗的功能及外观

13.2.2.8 历史信息报告窗 (Historical Message Report Window) 在历史信息窗内显示控制站中生成过程报警和系统报警的历史汇总记录，以及操作员的操作记录。可以按信息类型、站名、位号名等条件查找或显示历史信息，便于工程师进行系统维护。历史信息窗由菜单栏，工具条和报告显示区三部分组成，如图13-34所示：

图13-28 历史信息报告窗

13.2.3 常用控制系统的实施 13.2.3.1 模拟指示点 （1）拟指示点的功能 13.2.3 常用控制系统的实施 13.2.3.1 模拟指示点 （1）拟指示点的功能 模拟指示点一般用于显示4-20mA或1-5V信号的测量值。如液位，压力，流量，温度信号等。 （2）模拟指示点的仪表面板（图13-29） （3）模拟指示点的参数调节窗（以LI-101为例）

图13-29 模拟指示点仪表面板

图13-30参数调节窗由三部分组成，参数区，图形区及仪表面板区。下面主要介绍参数区内的显示内容。 图13-30 模拟指示点参数调节窗

MODE：系统内部仪表扫描状态。有两种显示状态： a．O/S：功能块处于非工作状态。 b．AUT：功能块处于扫描状态。 ALRM：常见的报警状态有以下7种： a．NR：正常 b．HH：高高报警 c．HI：高报警 d．LO：低低报警 e．LL：低报警 f．IOP：输入通道开路

g．CNF：组态功能块连接故障报警 内部仪表报警状态： 正常情况下不显示任何信息。只有进行系统功能块内部调试以及抑制报警功能时才出现提示: a．CAL：表示当前仪表的测量值是由键盘输入的仿真值，不是来自现场的实际测量值。 b．AOF：表示当前仪表的各项报警处于屏蔽状态，达到报警极限值时不再报警。仪表面板上的位号标记变为兰色。

其它参数说明见下表。 表13-3 参数说明

13.2.3.2 PID简单控制系统 CS‑3000集散控制系统有三种常用的控制功能块。 ① 连续控制功能块 包括用于过程监视和控制的PID控制器，自适应功能、输入指示、手操器和选择器等。 ② 顺序控制块 顺序控制块用于完成对系统设备这一级别的一般性顺序控制。如：安全联锁和过程监视顺控。用顺控表和逻辑图来完成顺序控制。开关仪表、计

时器、计数器、代码输入/输出和其它作为顺控辅助块的各种模块。 ③ 运算块 运算块是连续控制功能和顺序控制功能的补充，可以对模拟信号及接点逻辑信号进行运算。例，气体测量中的温度、压力补偿运算。 用这些功能块可以组成各种控制系统。下面介绍机组控制中常用的几种控制系统。

（1）简单控制系统的组成 自现场或其它点采集来的数据(PV值)进入常规控制PID功能块，经PID算法进行控制运算后，将输出值（MV值）输出到调节阀，形成闭环控制系统，见图13-31。

（2）简单控制系统的主要操作 ①常规控制点的控制方式（MODE），即自动（AUT）或手动（MAN）控制； ②自动方式下改变其给定值（SV），仪表面板棒图右侧三角形钮为红色表示可以改变给定值，而棒图左侧三角形钮为黄色，表示不可以改变阀位输出值； ③手动方式下改变其阀位输出值（MV），仪表面板棒图左侧三角形钮为红色表示可以改变阀位输出值，而棒图右侧三角形钮为黄色，表示不可以改变系统给定值；

④对工艺负责人来讲，可进行PID参数整定，以达到平衡控制。 ⑤报警处理，当测量值出现报警时，其棒图颜色由正常绿色变为红色，同时位号名闪烁。 无扰动切换是指控制器的控制方式进行手动、自动和串级切换时，其输出工作点不发生除控制规律引起的以外的阶跃变化，即为无扰动切换。在单系统控制中，在手动方式下，SV跟踪PV值（偏差始终为零），因此从手动切到自动方式时，实

现无扰动切换；从自动方式切回手动方式时，输出保持不变，切换也是无扰动的。 （3）简单控制系统的仪表面板 见图13-32操作说明,各参数说明详见参数调节窗中的说明。 图13-32 简单控制系统的仪表面板

当仪表的测量值超过报警值时，面板上的绿色动态棒图变为红色，如图13-33所示： 图13-33报警仪表

（4）改变简单控制系统的给定值和输出值方法 改变简单控制系统的给定值，见图13-34。 图13-34 改变简单控制系统的给定值操作示意图

见图13-35，前提条件是单回路的控制方式为MAN（手动）。 改变简单控制系统的输出值 见图13-35，前提条件是单回路的控制方式为MAN（手动）。 图13-35 改变简单控制系统输出值操作示意图

（5）简单控制系统的参数调节窗（LIC-102） 见图13-36说明如下。 图13-36 简单控制系统的参数调节窗

MODE：功能块的控制方式：MAN/AUT/CAS[手动/自动/串级] ALRM：当前系统常见的报警情况 NR：正常 HH：高高报警 HI：高报警 LO：低低报警 LL：低报警 IOP：输入通道开路 OOP：输出通道开路

CNF：组态功能块连接故障报警 内部仪表扫描状态：正常情况下不显示任何信息。只有此功能块处于非扫描状态下时，显示O/S (Out of service)。 内部仪表报警状态：正常情况下不显示任何信息。只有进行系统功能块内部调试以及抑制报警功能时才出现提示信息： CAL：表示当前仪表的测量值是由键盘输入的仿真值，不是来自现场的实际测量值。

AOF：表示当前仪表的各项报警处于屏蔽状态，达到报警极限值时不再报警。仪表面板上的位号标记变为兰色。 显示区内的参数说明见下表。 简单控制系统参数调节窗显示区内的参数说明

表13-4简单控制系统参数调节窗参数说明

比例、积分、微分参数在自动调节中的作用 比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时、有力，但有余差。它用比例度δ来表示其作用的强弱，δ愈小，调节作用愈强，比例作用太强时，会引起振荡。 积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。它用积分时间T来表示其作用的强弱，T愈小，积

分作用愈强，但积分作用太强时，也会引起振荡。 微分调节依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。它用微分时间Td来表示其作用的强弱，Td大，作用强，但Td太大，也会引起振荡。

采用临界比例度进行参数整定的方法 临界比例度法考虑的实质是通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程，得到临界比例度和等幅振荡周期。其具体整定步骤如下： ① 调节系统稳定后，将积分时间放到最大，微分时间放到零，然后逐步将控制器比例度减小，观察在给定值提升或干扰量改变时的过渡过程情况。如调节过程是衰减性振荡，则应把比例度继续放小；如调节过程是发散的，振荡加剧，则应把比例度放大，直到持续四、五次等幅振荡为止。

记下此时的临界比例度δk，并从记录曲线上求得等幅振荡的周期Tk。 ② 根据下表所示经验公式求出控制器各参数。 注意：此处公式中的积分时间和微分时间是以分为单位，而CS3000系统中的积分时间和微分时间是以秒为单位。

③ 在控制器上，取稍大于求得的比例度值，再依次调整所需的积分时间和微分时间，最后把比例度值放到求得的值上。如果记录曲线不很理想时再适当调整控制器的各参数。

13.2.3.3 CAS串级控制系统 （1）串级控制系统的功能 串级控制属典型的复杂控制，由主系统和副系统组成。串级控制正式投用后，主系统控制器的输出（如LIC－101.MV）作为副系统控制器的给定(FIC－101.SV)。如图13-37所示：

图13-37 串级控制系统结构原理图

（2）串级控制系统的主要操作 串级控制系统投用前，一般先将PID参数经验值先行摆好。主环作用不要太强，付环作用要比主环作用稍强，以便得到较好的随动控制效果。 串级系统投用时，可先投副系统。手动调节FIC-101的输出，使其测量值等于工艺的给定值后，将FIC－101运行方式设置成自动（AUT）模式。这时主系统的输出值自动跟踪副系统的给定值。当副系统运行平稳后，要切换到串级（CAS）方式，则此时可以从主系统手动调节输出值来控

制副系统给定值。当主系统手动控制（通过副系统随动控制过程对象）平衡后，将主系统切到自动（AUT）方式，则串级控制投入运行。 串级系统中的主要操作有： 1. 主、副系统的运行方式（MODE） 2. 主、副系统的给定（SV）和输出（MV）值 3. 车间工艺负责人整定主、副系统的PID参数 在串级系统控制中，当副系统置于非串级方式时（AUT或MAN），主系统MV值将跟踪副系统的SV值，以实现副系统从非串级方式切到串级（CAS）

方式的无扰动切换过程。由CAS->AUT->MAN的切换过程也是无扰动进行。 （3）串级控制系统的仪表面板 图13-38 串级控制系统的仪表面板

见图13-38 ，一个系统在控制方式处显示串级符号，则通常表示它是一个副系统，它的给定值可以由上一级系统的输出控制。副系统未处于串级方式时，主系统仪表面板上显示IMAN表示无法正常输出。主、副系统的仪表面板操作与简单控制系统面板操作相同。

（4）串级控制系统的参数调节窗 串级控制系统的参数调节窗与简单控制系统的参数调节窗相同，需要说明的是，在串级方案的副系统调节窗中，有一个PRD[主系统直接]控制方式按钮，它可以越过副系统，直接由主系统的输出信号控制副系统中的调节阀，副系统作为一个指示仪表，它的输出信号跟随主系统输出值的变化而变化。即主系统相当于一个简单控制系统，直接控制副系统的调节阀。副系统处于PRD方式的操作方法，见图13-39和图13-40 。

图13-39串级控制系统的参数调节窗 图13-40串级控制系统的参数调节窗

此时若要改变副回路FIC-101的输出值MV=20，见图13-41。 图13-42 警告窗

若将副回路的控制方式改为串级，则双击副回路仪表面板的PRD处，在弹出的窗口中选择其它的控制方式。 译文：在当前方式下不能改变到20。 若将副回路的控制方式改为串级，则双击副回路仪表面板的PRD处，在弹出的窗口中选择其它的控制方式。 图13-43 将副回路的控制方式改为串级

串级参数调节窗口内信息说明： MODE：功能块的控制方式：MAN/AUT/CAS[手动/自动/串级] ALRM：当前系统常见的报警情况。 NR：正常 HH：高高报警 HI：高报警 LO：低低报警 LL：低报警 IOP：输入通道开路 OOP：输出通道开路

CNF：组态功能块连接故障报警 内部仪表扫描状态：正常情况下不显示任何信息。只有此功能块处于非扫描状态下时，显示O/S (Out of service)。 内部仪表报警状态：正常情况下不显示任何信息。只有进行系统功能块内部调试以及抑制报警功能时才出现提示信息： CAL：表示当前仪表的测量值是由键盘输入的仿真值，不是来自现场的实际测量值。 AOF：表示当前仪表的各项报警处于屏蔽状态，达

到报警极限值时不再报警。仪表面板上的位号标记变为兰色。 显示区内的参数说明 ： 串级参数调节窗口显示区内的参数说明

表13-5串级参数调节窗口显示区内的参数说明

表13-5串级参数调节窗口显示区内的参数说明

表13-5串级参数调节窗口显示区内的参数说明

13.2.3.4 高中低自动选择性控制 （1）高中低自动选择性控制的功能 高中低选择性控制AS-H/M/L功能块可以从2个或3个输入信号中自动选择一个最高值，中值或最低值信号作为输出信号，信号的选择可以是手动也可以自动进行，通过控制开关SW来实现，见表13-13选择性开关各位置功能。 （2）高中低自动选择控制的仪表面板 仪表面板与单系统PID面板相似，分为五部分：仪表位号名及描述部分，功能块运行状态显示区，参数区，棒图区以及数据输入区。

实例：选择PI-101和PI-102测量值中最高值作为PIC-103测量值进行单回路控制。如图13-44所示：

方法1：见图13-45，点击仪表面板参数区内的SW 改变选择开关的位置有以下几种方法： 方法1：见图13-45，点击仪表面板参数区内的SW 图13-45 仪表面板参数区 方法2：点击仪表面板底部[数据输入对话窗调用钮] 方法3：在参数调节窗内改变SW参数。

13.2.3.5 SPLIT分程控制 （1） SPLIT分程控制的功能 分程控制就是一个控制器的输出信号送往两个或两个以上的调节阀，每个调节阀在控制器输出信号的某段范围内工作。从调节系统来看，分程控制系统属于单系统的定值调节系统，其调节过程与简单调节系统一样。 分程控制的应用场合有： a.生产中需用多种物料作调节介质的过程；

b.用来保证在不同负荷下的正常调节； c.保证系统在正常或事故状态下的安全运行。 分程的实施方法： a.传统方法：采用单控制器，单输出通道，利用现场调节阀的阀门定位器进行现场分程。 b.采用单控制器，多输出通道，通过输出点的算法处理实行调节阀分程控制。本系统采用本方 （2）SPLIT分程控制的主要操作 a.改变控制方式（MODE），即自动（AUT），手动（MAN）或串级（CAS）控制；

b.自动方式下改变其给定值（SV），仪表面板棒图右侧三角形钮为红色表示可以改变给定值； c.在参数调节窗内设定分程开关的位置，见表13-16。 表13-6 参数调节窗内设定分程开关的位置

（3） SPLIT分程控制仪表面板 分程控制的仪表面板见图13-52与简单控制系统PID面板相似，分为五部分：仪表位号名及描述部分，功能块运行状态显示区，参数区，棒图区以及数据输入区。 以一个液位的分程控制为例，LIC-110的输出分别用于控制两个调节阀，当LIC-110.MV的值从0-50%变化时，VLV-1阀由全关至全开，VLV-2保持全关；当LIC-110.MV的值从50-100%变化时，VLV-1阀保持全开，VLV-2由全关至全开。所需完成的分程控制如图13-51所示。

当LIC-110控制器的输出值为75%时，VLV-1全开，VLV-2指示为50%，如图13-46所示。 图13-46 控制阀分程动作 当LIC-110控制器的输出值为75%时，VLV-1全开，VLV-2指示为50%，如图13-46所示。

注意：在分程控制中，SPLIT功能块必须处于CAS方法下，且在参数调节窗内的SW=4时才能按组态要求实现分程控制。 图13-47

13.3 现场总线控制系统 现场总线控制系统是计算机技术和网络技术发展的产物，是建立在智能化测量与执行装置的基础上，发展起来并逐步取代DCS 控制系统的一种新型自动化控制装置。 13.3.1 现场总线系统的产生和特征 13.3.1.1 现场总线系统的产生 现场总线控制系统（FieldbuS Control System ）简称FCS。目前的DCS也称为传统的DCS，

因DCS 的检测、变送和执行等现场仪表仍采用模拟信号（4～20mA DC ）连接，无法满足上位机系统对现场仪表的信息要求，限制了控制过程视野，阻碍了上位机系统功能的发挥，因而产生了上位机与现场仪表进行数字通信的要求。从20世纪80年代起，出现了智能化的现场仪表，如智能变送器等。这些智能化的现场仪表的功能远远超过模拟现场仪表，可对量程和零点进行远方设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿等，深受用户欢迎。

智能化现场仪表的出现，也要求与上位机系统实现数字通信。正是在上述因素的驱动下，要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路，这条通信链路就是现场总线，FCS 也就应运而生了。实际上，现场总线就是连接现场变送器、传感器及执行机构等智能化现场仪表的通信网络。

图13-48 传统计算机控制系统结构示意图 图13-49 现场总线控制系统结构示意图

13.3.1.2 现场总线系统的特征 传统的计算机控制系统广泛采用了模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构等现场设备，现场仪表与位于控制室的控制器之间均采用一对一的物理连接，一只现场仪表需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方式一方面要使用大量的信号线缆，另一方面模拟信号的传输和抗干扰能力低，如图13-50所示。

图13-50 IEC61158采用的8种类型

现场总线是一种计算机网络，这个网络上的每个节点都是智能化仪表。在现场总线的标准中，一般只包括ISO 参考模型中的物理层、数据链路层和应用层，如同Mini MAP 一样。有的现场总线还具有网络层的功能。 现场总线控制系统FCS是在DCS系统的基础上发展而成的，它继承了DCS的分布式特点，但在各功能子系统之间，尤其是在现场设备和仪表之间的连接上，采用了开放式的现场网络，从而使系统现场设备的连接形式发生了根本的改变，具有自己所特有的性能和特征。

全网络化、全分散式、可互操作、开放式和全开放是现场总线控制系统FCS相对于DCS 的基本特征。具体包括以下特征。 ① 现场总线是一个全数字化的现场通信网络。 ② 现场总线网络是开放式互连网络。 ③ 现场总线采用数字信号传输取代模拟信号传输。现场总线允许在一条通信线缆上挂多个现场设备，不需要A/D、D/A 等I/O 组件，如图13-54所示。与传统的一对一的连接方式相比，现场总线

可以节省大量的线缆、桥架和连接件。与DCS 相比，现场总线减少了专用的I/O装置及控制站，降低了成本，提高了可靠性。 ④ 增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。

13.3.2 现场总线国际标准化 现场总线自20世纪90年代开始发展以来，一直是世界各国关注和发展的热点。世界各国都是在开发研究的过程中，同步制定了各自国家标准（或协会标准），同时都力求将自己的协议标准转化成各区域的标准化组织的标准。