控制系统
控制系统决定离散、连续或混合过程的功能，通常确保过程在适当的参数下安全、以适当的速度和所需的质量运行。控制系统帮助工厂和设施安全高效地生产优质产品。开环控制是指输出(决策)不反馈到控制回路中。闭环控制使用输出来影响或为下一个决策提供反馈。控制系统可以包括用于可编程逻辑控制器(plc)、可编程自动化控制器(pac)、嵌入式系统和边缘计算、专用控制、比例积分导数(PID)和高级过程控制(APC)的硬件和软件，以及分布式控制系统(DCS)、监控和数据采集(SCADA)和其他控制器，如工业pc (ipc)。
控制系统
控制你的控制系统
今天的输入/输出(I/O)不可知控制解决方案帮助工厂摆脱供应商的“锁定”，为现代化项目提供更多选择和更快的投资回报。
学习目标
- 了解流程制造工厂因运行传统控制系统而面临的成本和挑战。
- 了解控制系统现代化的好处，不仅仅是提高操作效率。
- 了解与输入/输出(I/O)无关的系统如何提供经济有效的解决方案，而不需要完全的拆卸和更换。
今天的工艺制造工厂承受着很大的压力。这些工厂通常使用20到40年前的控制技术。在许多情况下，控制系统达到了支持的终点，这可能导致许多问题。
供应链问题使得为老化的控制系统寻找替换部件变得更加困难，从而导致交付周期延长和停机时间延长。支持通常是有限的，而且缺乏对遗留系统有经验的人员意味着等待帮助的时间很长。许多最好的安全和实践自动化技术提供的效率特性要么难以连接，要么无法与传统控制系统连接。
所有这些问题都因企业办公室要求更好的性能、更高的效率和更可持续的运营而变得更加复杂，如果没有合适的自动化技术，这些都很难实现。因此，许多工厂都在寻求现代化的控制系统，许多工厂都在寻找新技术，提供更多的选择，而不会超出预算或造成延长的运营中断(图1)。
图1:现代自动化技术，如艾默生的DeltaV分布式控制系统版本15，带来了比传统系统更广泛的优势，提供了快速的投资回报。礼貌:爱默生
控制系统现代化的原因
现代工厂与短短10年前的普通工厂大不相同。今天的工厂不再拥有一批经验丰富的人员，他们可以直观地诊断和管理操作和维护问题。今天的新员工要有这样的经验和直觉还需要很长时间。
因此，成功的工厂依赖于自动化内置的决策支持技术。现代控制系统旨在直观地集成自动化解决方案，使工厂更安全，更可靠。如今，无处不在的传感组件监控工厂中的每项资产，以确保其处于最佳性能状态。这些组件将收集到的数据发送给控制室的操作员，并提供可操作的建议，以保持流程以最佳状态运行。报警管理软件消除了报警洪水，使工厂人员更安全，同时帮助他们避免环境事故。先进的过程控制(APC)有助于将最佳实践锁定到系统中，因此无论操作人员的经验水平如何，设备和工厂都能以最佳状态运行(图2)。
所有这些技术都有助于工厂以最高效率运行，这有助于创造竞争优势。但它们也都很难——有时甚至不可能——用传统的控制技术来实现。出于这个原因，许多工厂正在寻求现代化的控制系统，以利用现代自动化提供的易于集成的优势，但要做到这一点，他们必须经常回顾传统的现代化方法，寻找更经济、更有效的解决方案。
图2:现代控制系统可以很容易地利用自动化技术，这些技术现在被认为是制造业的最佳实践。礼貌:爱默生
一个更好的方法来现代化控制系统
操作团队知道控制系统现代化是他们在工厂面临的许多问题的答案，但许多团队面临一个难题;具有他们想要和需要的功能的控制系统来自不同的自动化供应商，而不是他们现有的遗留控制系统。更改控制系统通常意味着重新布线和更换I/O，这是一个耗时、昂贵且容易出错的过程，还会延长停机时间。面对紧张的资本支出(CAPEX)预算和对延长生产中断的有限容忍，项目团队经常努力为他们需要的现代化构建业务案例。
由于它需要重新连接数千根电线并更换数十个系统柜，因此替换现有的I/O可能既昂贵又耗时，而且风险很大。每个致力于手动将I/O转换到新控制系统的人都不关注工厂中其他有价值的任务。从事这项任务的人越少，交接所需的时间就越长，从而导致产量损失的增加。
在过去，解决这个问题的唯一方法是从同一控制系统制造商那里进行增量升级，这仍然是耗时的，但不那么重要了。但是这样的策略不太可能交付团队所需的所有最佳实践技术，并且每次他们想要升级时，无论该供应商是否提供所需的技术和支持，都将工厂“锁定”到单个供应商。
今天的I/O技术为公司提供了选择控制系统的灵活性，而不考虑传统技术。如今的项目团队可以选择与I/O无关的接口，将新的控制系统直接连接到传统的I/O，而无需拆除和更换旧的接线和终端。与I/ o无关的接口可以减少停机时间和现代化的复杂性，同时还可以降低资本支出成本。
更快的控制系统现代化意味着更少的停机时间
传统的现代化项目通常需要大型项目团队和许多人员在现场将旧的I/O转换为新的I/O，然后才能将新的控制系统上线。通常，必须转换的终止数以万计，这可能需要数周或数月的体力劳动，具体取决于转移团队的规模和技能。
使用与I/O无关的接口，项目团队无需在启动新的控制系统之前转换遗留I/O。相反，一个与I/ o无关的接口作为旧组件和新控制系统之间的桥梁。该团队只替换了现有的控制器和操作员接口组件，通过连接到I/ o无关接口的通信电缆连接新控制器。使用此策略，项目团队可以选择其现代化的规模:一个控制器一个控制器，一个控制台一个控制台，或一个设施区域(图3)。
由50个控制节点控制的具有20,000个I/O的工厂的传统现代化可能需要数月或数年时间。这一过程需要数十名技术人员在数小时内追踪、更换和重新接线。
利用与I/ o无关的解决方案可以显著缩短现代化时间。项目团队可以单独更换控制器，保留传统的I/O，以获得现代控制的所有好处，而无需进行全面的拆卸和更换检修。
图3:与I/O无关的解决方案，如艾默生的DeltaV IO。CONNECT，为过程制造商提供了一条途径，可以采用其选择的供应商提供的最新控制技术，而无需更换现有的I/O。礼貌:爱默生
转移成本以缓解预算紧张
没有一个项目团队的预算是无限的，但随着工厂面临着提高产量、效率和可持续性的压力，如今的项目资源往往比过去更加有限。团队从相同的资金中提取其他关键项目，并且在现代化上花费的每一美元都不能用于其他计划。
许多项目团队发现，与I/ o无关的解决方案为他们提供了完成现代化所需的财务灵活性，而不会影响其他关键计划。该团队没有花费大量的资本支出(CapEx)来拆卸和更换旧的I/O，而是将I/O保留在适当的位置，从而从项目预算中消除了成本。
由于与I/O无关的接口使团队能够按照自己的时间表切换I/O，因此他们可以选择在切换之后，在工厂运行期间转换遗留I/O。该策略将I/O更改转移到操作预算中，并且只要完成切换，它就可以成为预算的一部分。
对控制系统进行现代化改造本身就是一种省钱的选择。支持遗留系统的成本通常很高。很少有公司拥有一批拥有数十年控制技术经验的人才，即使这些专家有空，他们往往也很昂贵，而且要等很长时间才能到。如果一个装置或工厂因为等待技术人员的到来而瘫痪，这是一个昂贵的建议。
转向现代控制系统使工厂能够获得更广泛的可用支持人员。无论工厂是雇佣接受过最新控制技术培训的新技术人员，还是依靠值得信赖的自动化供应商的顾问支持，现代系统的支持通常更容易获得，更高效，更经济。
考虑一个拥有数十万个I/O点的企业。整个系统的现代化将是一项艰巨的任务，即使有必要也不太可能开始。在这种情况下，实施与I/O无关的解决方案可以让组织将其所有工厂转移到新的、高效的控制技术上，同时保留成本最高的部件(I/O)来替换。
在接下来的5到10年里，作为运营预算的一部分，企业不仅可以从逐步过渡I/O中获得经济效益，还可以从新控制技术中获得更好的性能和更高的吞吐量，从而更容易满足更高的基准，并产生快速的投资回报。
消除控制系统障碍
在预算紧张、人员短缺以及持续生产需求不断增加的世界中，现代化项目似乎遥不可及。有时，似乎保持遗留系统运行或稍微更新是唯一的解决方案。
事实是与I/ o无关的接口正在改变控制系统现代化的范式。如今的工厂可以从报警管理、先进的过程控制、预测性维护等最佳实践技术中获益，同时保留现有的I/O。这有助于消除与现代化相关的大部分成本、时间和风险。
亚伦工作人员全球现代化总监的职位是爱默生。编辑克里斯·瓦夫拉，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com。
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关键词:控制系统，I/O系统
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控制系统常见问题
有哪些控制系统的例子?
有许多不同类型的控制系统，但一些例子包括:
- 反馈控制系统:这些系统使用来自传感器或过程变量的反馈来调整控制输出，以保持所需的设定点或条件。
- 前馈控制系统:这些系统使用预测或测量的干扰变量来调整控制输出，以防止干扰影响过程变量。
- 比例-积分-导数(PID)控制系统:这些系统使用比例，积分和导数控制动作的组合来实现过程变量的精确控制。
- 逻辑控制系统:这些系统使用布尔逻辑或其他逻辑操作来做出决策和控制过程。例子包括交通灯、工业机器人和自动洗衣机。
- 混合控制系统:这些系统结合了多种类型的控制系统，以达到预期的控制性能。
- 网络控制系统:这些系统使用网络，如以太网或无线，来连接设备和交换控制信息。这些类型的控制系统用于分布式控制系统，如智能建筑、电网和交通系统。
控制系统的主要组成部分是什么?
控制系统通常由几个主要部分组成:
- 传感器:这些是测量过程变量的设备，如温度、位置或速度，并将其转换为可由控制系统处理的电信号。
- 致动器:这些装置产生物理输出，如运动或力，以响应控制信号。它们用于控制过程变量。
- 控制器:这是处理传感器输入并产生控制输出的设备或算法。它将测量的过程变量与期望的设定值进行比较，并计算误差信号。根据该误差信号，控制器产生控制输出给执行器。
- 传输:这是传感器、控制器和执行器之间的通信链路。它可以是电缆、无线链路或其他类型的通信介质。
- 用户界面:这是控制系统的可选部分，允许操作员监视，控制和配置系统。
控制装置有哪两种类型?
控制装置有几种类型，但主要有两种:
- 离散控制装置:这些装置用于控制开/关、开/关或其他二进制状态。它们包括开关、继电器和接触器。
- 模拟控制装置:这些装置用于控制连续变量，如温度、压力或位置。它们包括阀门、马达启动器和可调速驱动器。
其他类型的控制设备，如智能设备，可以是离散的或模拟的，有一个微控制器或微处理器，可以通过网络进行通信。
什么是控制回路?
控制回路是一种反馈机制，用于控制系统或过程的行为。它是控制系统的基本组成部分，由以下组件组成:
- 过程变量:这是被控制的物理量，如温度、压力或位置。
- 设定值:这是过程变量的期望值，它代表控制系统的期望结果。
- 传感器:这是一种测量过程变量并向控制系统提供输入的设备。
- 控制器:这是控制系统中的逻辑器件，处理来自传感器的输入并为执行器生成控制信号。
- 执行器:这是控制系统的组件，根据来自控制器的控制信号执行物理任务。
- 反馈:这是将过程变量的实际值与设定值进行比较，并利用该信息调整控制信号，提高控制系统性能的过程。
控制回路以连续方式运行，不断监测过程变量并根据需要进行调整，以确保过程变量保持在设定值附近。反馈机制对控制系统的成功至关重要，因为它允许实时纠正与预期结果的任何偏差，确保过程保持稳定和可控。
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