过程控制小知识（1）

过程控制系统概述（层次1）

层次1主要是过程控制/自动控制系统概况，包括对系统层次和被控对象的综合定义。层次1是进行预算估计、资源需求评估和项目时间计划等操作的基础。该层次包括以下几个关键问题：

1.控制系统需求。

2.过程的启动和停止。

3.扰动和报警处理策略。

4.过程约束。

5.监管和安全需求。

项目中典型的过控控制目标：

1.尽力减少人工干越（minimize manual interactions）。自动控制的基本目标完成去除或尽力减少人工操作。包括容器装载和卸载的自动化、基于计算机的数据采集、被控设备的自动控制、安全功能以及其他的促进质量改进的功能。

2.设备保护（protection of equipment）。设备保护包括关键设备的运行限制条件、启动和停机过程的安全保护，以及其他标准的操作和维护程序。

3.质量控制（quality control）。质量控制包括对原材料的正确处理、生产配合的精确控制、过程变量的准确测量、产品标准的满足，以及对产品质量的持续监视，

4.安全与环境（safety and the environment）。安全与环境包括对危险原料或者有毒原料的处理、高温高压环境下的设备操作、泄露和飞溅的避免、风险最小化及安全程序等。

5.能源消耗和循环利用（energy use and recycling）。能源消耗和循环利用包括减少能源消耗、提高循环或再利用产量、消除或减少浪费，废水和废料的处理与循环利用。

6.资产利用（asset utilization）。资产利用包括增加容量、缩减生产周期、增强产品生产的灵活性、改善过程控制性能、延长设备使用寿命。

7.新技术应用（new technology）。新技术应用包括安全高效的利用新技术改善系统性能和产品质量。

控制系统组件描述过程控制系统及其辅助系统功能，控制系统类型应该有已经确定的特殊系统组件标识，否则，就必须给出系统的通用需求，以及诸如用户设备接口、操作面包、远程输入/输出、野外控制室、控制室集中显示、与其他控制系统通信等方面的特殊需求。

典型控制系统实例。

1.列出控制系统输入接口和对应传感器的清单。

2.列出控制系统输出接口和对应被控对象/执行器的清单。

3.基本系统的控制结构和报警单元。

4.控制系统安全需求。

5.人机界面（HMI）显示和控制界面。

6.生产过程配方控制、协调及流程安排。

7.生产过程信息系统和数据采集。

8.通信及网络接口。

过程控制（层次二）

在过程控制实施阶段（层次二）的假设，以及在效验和启动阶段（层次三）对假设所做的进一步确定、说明和补充都必须写入项目文档中。尚未解决的且需要继续跟进或咨询的问题应明显标识出来。这些问题也必须写入项目文档中。尚未解决的且需要继续跟进或咨询的问题应明显标识出来。这些问题必须在进行校验和启动（层次3）阶段之前，也就是在过程控制实施阶段完全解决。包括：I/O表、数据采集任务、闭环控制、项目流程图、梯形图功能模块说明以及整个项目文档。

1.I/O表

过程控制系统用到的所有输入/输出接口必须和与其对应连接的设备一起添加到I/O表格中，各I/O接口应明确精度或分辨率。过程控制设计人员还必须在I/O表中对连接设备的特殊问题进行确认，例如输出接口失效保护的默认状态、输入接口的校准要求、设备冗余等。I/O表中包含了程序设计需要的大部分细节，分为模拟和数字、输入和输出。

●数字输出(digital outputs)。确定每个数字输出接口在过程控制各个阶段的状态，以及和其他输出接口间的互锁关系。必须明确记录故障后的断开动作。利用输出接口模板进行程序设计。必须充分理解和传达每个数字输出接口的作用和操作情况。

●数字输人(digital inputs)。 确定每个数字输人接口在过程控制各个阶段的状态，以及和其他输人接口间的互锁关系。必须明确记录故障后的断开动作。利用输人接口模板进行程序设计。必须充分理解和沟通每个数字输人接口的作用和动作情况。

●模拟输出(analog ouputs)。所有模拟输出接口都包含在IO表中，其中有程序设计需用到的大部分信息。确定每个模拟输出接口在过程控制各个阶段的状态，以及和其他输出接口间的互锁关系。确认故障后是否直接断开。利用模板输出接口进行程序设计。

●模拟输人(analog inputs)。 所有模拟输人接口都包含在I/O表中，其中有程序设计需用到的大部分信息。确定每个模拟输人接口在过程控制各个阶段的状态，以及和其他输人接口间的互锁关系。确认故障后是否直接断开。利用模拟输人接口模板进行程序设计。

在过程控制系统中经常会用到一些特殊的 I/O接口，例如用于测量流体流速或者步进电机转速的高速脉冲计数接口。必须详细记录所有特殊I/O接口的相关配置和参数。另外，必须明确标识出通过特殊1/0连接的设备，以及与默认标准接口设备间的区别和特殊要求。模拟输入接口的量化必须考虑传感器的校准情况以及输入电压信号超出预定范围的偏差。

数据采集和闭环控制

能对数据采集时采集表征实际物理量的模拟信号并将其转换成相应数字值的过程，如此才能被PLC利用，或者才能由更普遍的计算机进行建模、仿真和数据库存储操作。大多数的模拟输入接口都被看成是数据采集系统的一部分，但这种方式的接口在闭环控制系统中的数量较少。任何一个闭环控制系统至少有两个模拟输入量:被控变量和控制变量。数据采集系统和闭环控制系统的要点主要包含以下几个方面。

●构成一个简单数据采集功能的传感器必须包含在功能描述文档和详细过程控制实施文档中，细节中应包括所使用的方法，例如，在冗余传感器配置情况下的数据校验也就或者基于补充传感器的数据融合技术等。

●与数据采集功能相关的HMI必须具体到相关的通信协议和图形界面。梯形图程序和项目HMI间的关联关系对于系统维护和将来的系统升级非常重要。

●一次数据采集的上位机程序通常用各种通用程序设计语言开发，例如Visual Basic、Java、C++、LabVIEW等。这些信息也应记录到整个过程控制系统的文档中。闭环控制系统首先应明确被控变量、控制变量、数字量格式、物理量单位、控制类型以及控制方法等。ON/OFF控制和比例积分微分(PID) 控制是最常见的过程控制方法，但近年来，模糊控制方法是一种新的发展趋势。

控制系统文档初稿

准备控制系统文档初稿的主要目的是在系统最终的校验和启动之前与所有的参与者沟通过程控制系统实施的所有细节。记录文档是对系统的关键设计部分进行复查以及对将来系统进行升级改造的基础。记录文档的潜在受益者十分广泛，包括合作伙伴、客户、系统负责人一方跟文档所涉项目有关的任何人。要时刻铭记对所有安全或危害问题进行书面确认和澄清的潜在责任。

以下几点是创建过程控制系统文档初稿的基本要点。

●对整个过程的范围和目标除述。

●输入和输出接口表。

●硬件配置。

●通信协议及配置。

●梯形图功能模块。

●过程逻辑框图。

●安全和危害问题。

●过程控制管理流程。

●例外管理流程。

●梯形图和HMI程序。

上述年一个要点都应该是文档中的一个独立部分，Microsoft Offce Word或其他文字处理软件都可以被用于文档的创建。推荐使用可以由标题自动生成内容目录的文字处理软件。文档的编号方式同样重要，例如将过程范围和目标陈述编号为1,则与此相关的项目可依次编号为11、1.2. 1.3等，输人和输出接口表接着编号为2。文档编号有两个好处:一是利于读者进行内容在找: 二是易于对文者中修改内容的追踪。对于文档的修改应记录修改日期、修改人、版本号等信息。系统设计和实施过程中，这些组织方式将成为团队合作高效化关键因素。

过程控制系统校验和启动（层次三）

目的：关注系统的故障排除和调试。

方向：强制赋值效验、观察表效验、交叉引用、程序状态和系统诊断效验。

系统校验和故障排除

系统校验和故障排除是过程控制和白动化系统投运前的关键环节。该环节工作的开展必须以优化的规则和详细的流程文档为依据。必须精心设计这此规则和流程以避免潜在向题的发生，例如人身伤害，设备损坏以及预定过程或最终产品质量的下降等。在系统最终校验之前的实施阶段，往往应用仿真技术来保证结果的正确性。仿真工具为设计者提供了检验系统在各种工况下运行性能的手段。仿真工具还可以在具体实施前对设计进行有效的验证。仿真工具通常是做在PLC软件开发环境中的，可以实现对I/O硬件接口、HMI、控制逻辑以及通信组件的仿真验证。仿真验证的第一步是对程序逻辑的验证，第二步是对涉及硬件的程序功能的验证，第三步才是对实际硬件、按口和通信设备的验证。

静态校验

静态校验的目的是验证1/0)核口连核的正确性，包括从PLC到设备间的连接是否畅通。校验过程必须包含的内容如下。

●根供适当的原地保护和电作平收措施。

●据供与S71200PLC相对独立的保护措施，从而避免可能的人身伤害或设备损坏。

● 确保S7 1200 PLC系统的低压电路通信接口，模拟电路、1/O电路以及24 V直流电

源地安全。所有设备必须有符合安全要求的电源供电。

●提供诸如培断器、断路器之类的过电流保护措施，以防故障电流造成设备损坏。。感性负载必须装配电压抑制装置，以限制感应作用造成的电压升高。

●梳理需要装配安全互锁逻辑的设备。

●确保设备故障后处于安全状态，防止可能出现的误启动或设备损坏。

●提供详细的故障和报警信息，以便程序中安全逻辑的设计实施。

●提供完善的系统状态信息，以便在HMI中设计实施与操作员相关的安全措施。

针对所有设备的静态校验必须在程序逻辑调试之前进行。这是一项费时费力的工作，并且需要设备工程师和PLC操作员合作完成。但PLC的软件工具极大地减小了这项任务的工作量。校验I/O接口的典型步骤如下。

●对每一个离散输入接口进行ON/OFF操作，然后观察输入模块上对应LED的指示情况。

●检查程序中输入接口对应触点的状态，输入接口ON/OFF时，确认对应触点相应地变化。

●输出接口应在系统处于手动模式下测试。例如使用开关(START/STOP) 控制电机时，START开关对应启动常开触点，STOP开关对应停止常团触点，通过开关、程序触点状态以及电机的动作情况三者来验证其正确性。

●PLC输出接口测试应采用强制输出功能。当备选输出位强制为ON时，输出设备也应由OFF变为ON.使用强制输出功能前应确保安全预防措施地采用。

●校验所有模拟输入接口，并对传感器的输入范围和直流偏置做适当调整。模报输入信号校准需要多人配合且费时，但是这是保证数据采集准确性和过程控制精确性的必须步骤。

自动化控制拓扑图