浅析工业当中自动化过程控制系统 理工论文（共五篇）

第一篇：浅析工业当中自动化过程控制系统 理工论文

浅析工业当中自动化过程控制系统

精品源自政治科

摘 要:本文简单的阐述了我国现代制造工业当中过程控制系统的整体水平及主要内容,在总结实际生产运用情况的同时也分析了这一领域所面临的严重考验,并提出了自己的观点和看法。

关键词:制造工业自动化控制过程控制系统

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0022-01 自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用,自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展,自动控制技术的应用日益广泛,其重要作用也越来越显着。生产过程自动控制(简称过程控制)是自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用,是自动化技术的重要组成部分。

1、过程控制系统的特点

(1)生产过程的连续性:在过程控制系统中,大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行,在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。

(2)被控过程的复杂性:过程控制涉及范围广,被控对象较复杂。

(3)控制方案的多样性:过程控制系统的控制方案非常丰富。

2、工业中过程控制系统的主要应用

2.1 自动检测系统

利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。

2.2 自动信号和联锁保护系统

自动信号系统:当工艺参数超出要求范围,自动发出声光信号。联锁保护系统:达到危险状态,打开安全阀或切断某些通路,必要时紧急停车。(如图1所示)2.3 自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统:根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统:按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车。

2.4 自动控制系统

利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制,使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时,能自动的回到规定范围。

3、过程控制系统的组成 3.1 检测元件

该单元的主要作用是检测被控元件的物理量。

3.2 控制器

将设定值与测量信号进行比较,求出它们之间的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置。

3.3 执行器

该部分元件作用是接受控制器的控制信号,直接推动被控对象,使被控变量发生变化。

4、过程控制系统中的闭环控制系统

按照自动控制有无针对对象来划分,自动控制可分为“开环控制”和“闭环控制”。区分“开环控制”和“闭环控制”最直接的办法是看是否有最终对象的反馈,当然这个反馈不是人为直观观察的。目前工业自动化控制中采用最为广泛的就是闭环控制系统。

4.1 闭环控制系统的优缺点

闭环控制系统主要是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。其主要优点为,不管任何扰动引起被控变量偏离设定值,都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。其主要缺点为,由于闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生,当系统的惯性滞后和纯滞后较大时,控制作用对扰动的克服不及时,从而使其控制质量大大降低。

4.2 闭环控制系统的主要类型 根据设定值分为定值控制系统,随动控制系统和程序控制系统。

(1)定值控制系统,其特点是设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。

作用为克服扰动的影响,使被控变量保持在工艺要求的数值上。

(2)随动控制系统 ,其特点为设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。作用为以一定的精度跟随设定值的变化而变化。

(3)程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况,其分析研究方法与随动控制系统相同。其特点为设定值是变化的,且按一定时间程序变化的时间函数。作用为以一定的精度跟随设定值的变化而变化。

5、过程控制系统的性能指标及要求

过程控制系统的常见信号有:阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。我们在生产中使用最频繁的就是阶跃信号,其数学表达式为:

当A=1时称为单位阶跃信号。其特点是易产生,对系统输出影响大,便于分析和计算。在阶跃信号作用下,被控变量随时间的变化表现的形式有:发散振荡过程,非振荡衰减过程,等幅振荡过程,衰减振荡过程,非振荡发散过程。

通过以上的陈述不难看,过程制造系统在我国各行各业已经有了十分广泛的应用,并且技术也在日趋成熟。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈,产品的质量和功能也向更高的档次发展,制造产品的工艺过程变得越来越复杂,为满足这些更高的要求,做为工业自动化的重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。

参考文献

[1]陈诗涛编着.工业过程仪表与控制.轻工业出版,2000.[2]李友善主编.自动控制原理.国防工业出版社,2001.[3]吴勤勤等编着.控制仪表及装置.化学工业出版社,2002.[4]向婉成编着.控制仪表与装置.机械工业出版社,1999.[5]邵裕森主编,过程控制工程.机械工业出版社,2000

第二篇：过程控制系统论文

过程控制系统的发展史

“过程控制”是现代工业自动化的一个重要领域.随着各类生产工艺技术的不断改进提高,生产过程的连续化、大型化不断强化，随着对过程内在规律的进一步了解，以及仪表、计算机技术的迅猛发展，生产过程控制技术获得了更大的进展。《过程控制系统》是过程控制自动化及相关专业的一门主要专业课程。过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。前者在生产过程自动化中应用最早，已有六十余年的发展历史，后者是自20世纪70年代发展起来的以计算机为核心的控制系统。从系统结构来看，过程控制已经经历了四个阶段。

1.基地式控制阶段(初级阶段)

20世纪50年代,生产过程自动化主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器,采用比较笨重的基地式仪表(如自力式温度控制器,就地式液位控制器等),实现生产设备就地分散的局部自动控制。在设备与设备之间或同一设备中的不同控制 系统之间，没有或很少有联系，其功能往往局限于单回路控制。过程控制的目的主要是几种热工参数(如温度，压力，流量及液位)的定值控制，以保证产品的质量和产量的稳定。时至今日,这类控制系统仍没有被淘汰，而且还有了新的发展，但所占的比重大为减小。

2.单元组合仪表自动化阶段

20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制系统,单元组合仪表有电动和气动两大类。所谓单元组合,就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合，因此单元组合仪表使用方便，灵活。单元组合仪表之间用标准统一的信号联系，气动仪表(QDZ系列)为20~100kPa气压信号，电动仪表为0~10mA直流电流信号(DDZ—Ⅱ系列）和4～20mA直流电流信号（DDZ—Ⅲ系列）。由于电流信号便于远距离传送，因而实现了集中监控与集中操纵控制系统,对提高设备效率和强化生产过程有所促进，使用那个了工业生产设备日益大型化与连续化发展的需要。随着仪表工业的迅速发展,对过程控制对象特性的认识，对仪表及控制系统的设计计算方法等都有了较大的进步。但从设计构思来看，过程控制仍处于各控制系统互不关联或关联甚少的定值控制范畴,只是控制的品质有了较大的提高。单元组合仪表已延续了几十年,目前国内还广泛应用。由单元组合仪表组成的控制系统,其控制策略主要是PID控制和常用的复杂控制系统(如串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。

3.计算机控制的初级阶段

20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是直接数字控制(DDC)实现集中控制，代替常规的控制仪表。但由于集中控制的固有缺陷,未能普及与推广就被集散控制系统(DCS)所替代。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示，实时监督等功能集中化，有利于安全平稳的生产。就控制策略而言，DCS仍以简单的PID控制为主,再加上一些复杂的控制算法,并没有充分发挥计算机的功能。

4.综合自动化阶段

20世纪 80年代以后出现了二级优化控制 ,在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。在硬件上采用上位机和DCS(或电动单元组合仪表)相结合，构成二级计算机优化控制。随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放式系统,实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统(CIPS)。同时，以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化,双向和多站通信的现场总线网络控制系统(FCS)。FCS将对控制系统结构带来革命性变革 ,开辟控制系统的新纪元。

当前自动控制系统发展的主要特点是:生产装置实施先进控制成为发展主流;过程优化受到普遍关注;传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统;综合自动化系统(CIPS)是发展方向。

综合自动化系统，就是包括生产计划和调度,操作优化,先进控制和基层控制等内容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统(简称管控一体化系统)。这类自动化系统是靠计算机和及其网络来实现的,因此也称为计算机集成过程系统(CIPS)。这里,“计算机集成”指出了它的组成特征，“过程系统”指明了它的工作对象,正好与计算机集成制造系统(CIMS)相对应,有人也称之为过程工业的CIMS。

可以认为，综合自动化是当代工业自动化的主要潮流。它以整体优化为目标,以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化为主要内容,将各个自动化 “孤岛”综合集成为一个整体的系统。近二十几年来，工业生产规模的迅猛发展，加剧了对人类生存环境的污染，因此,减小工业生产对环境的影响也已纳入了过程控制的目标范围,综上所述,过程控制的主要目标有保障生产过程的安全和平稳,达到预期的产量和质量，尽可能减少原材料和能源消耗,把生产对环境的危害降低到最小程度。由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。

以上为过程控制系统的历史，现状以及未来的发展方向。

电专111班

孟阳

120114303113

第三篇：过程工业自动化概述论文完整版

过程工业自动化概述

——自动化概论论文

过程工业自动化概述

过程工业自动化概述

摘要：

工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作，即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产值过程称为工业自动化。过程控制是工业自动化的重要分支。过程控制最主要的理论基础是自动化控制理论，同时它也与相关过程机理及自动化仪表和计算机技术密切相关。

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.关键字：过程控制、工业自动化、过程工业自动化的发展。

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

过程工业自动化概述

理论为基础，采用频域分析方法进行控制系统的分析、设计和综合。那时实现单回路控制的自动化仪表工具主要是一些基地式的气动或电动仪表，它的测量与传感元件、显示器和控制器都集中在一个仪表壳里，要想改造一些控制方案是很困难的。

3.2 到了20世纪50年代中期，开始发展气动或电动单元组合仪表，就为修改控制方案创造了条件。这个时期经典控制理论已经发展很成熟了，并且有大量的相关书籍出版，如1932年奈奎斯特在研究反馈放大器稳定性中提出的稳定性数据及基于频率相应的方法，1948年伊文思提出了跟轨迹法并有效应用于反馈控制系统的分析和综合等，这些理论为经典理论奠定了基础。1943年维纳等学者在《行为、目的和目的论》一文中首次提出了控制论的基本思想，并在以后的研究中得到了进一步的完善。

3.3 20世纪60年代前后，随着宇航事业和计算机技术的发展，控制理论又有了新的发展，前苏联数学家庞特里亚金建立的极大值原理、美国应用数学家贝尔曼提出了动态规则，以及美国学者卡尔曼引入的状态空间法和建立卡尔曼滤波，这些研究推动了现代控制理论的形成，为《控制论》的发展做出了重大贡献。3.4 1975年~1985年前后，世界上一些有能力的仪表、计算机厂家纷纷投入开发和制造DCS。1985年~1995年DCS已有近百种型号，我国也涌现出实力强大的浙大中控和北京和利时公司。1995年至今，DCS与FCS蓬勃发展的时期。几乎绝大多数大中型企业的化工、石化、炼油企业都已经进行了DCS技术改造，中小企业也已实用DCS、工业PC机控制系统和数据采集监控系统。而且很多企业还有了先进控制算法的技术应用，已经建立计算机网络形同实现了厂级信息管理。

4.过程控制系统的组成与特点

4.1 过程控制系统组成

过程控制系统一般以下几部分组成：

被控过程（或对象）；用于生产过程参数检测的检测与变送一器；控制器；执行结构；报警、保护和连锁等其他部件。

过程工业自动化概述

统。从控制方法的角度看，由单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。同时控制算法多种多样，由PID控制，复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。

4.2.2.3 被控过程属慢多成且多属参数控制

连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息表征为被控过程的状态参数，也是过程控制系统的被控量。

4.2.2.4 定值过程是过程控制的主要形式

在多数生产过程中，被控参数的设定值为一个定值，定值控制的主要任务在于如何减少或消除外界干扰，是被控量剂量保持接近或等于设定值，是生产稳定。过程控制由多种分类方法：

按被控参数分类，可分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液体或物位控制系统，物性控制系统、成分控制系统；按被控量数分类，可分为单变量过程控制系统，多变量过程控制系统；按设定值分类可分为定值控制系统、随动（伺服）控制系统；按参数性质分类可分为集中参数控制系统，分布参数控制系统；按控制算法分类，可分为简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统；按控制器形式分类，可分为常规仪表过程控制系统，计算机过程控制系统。

4.3 过程工业的特点

由于过程控制主要是指连续过程工业的控制过程，故过程工业的特点主要指连续过程工业的特点。

过程工业伴随着物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递，是一个十分复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素。因此，过程控制的难度是显而易见的，要解决过程控制问题必须采用有针对性的特殊方法和途径。

过程工业常常处于恶劣的生产环境中，同时常常要求苛刻的生产条件，如高温、高压、低温、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生产设备与人身的安全性特别重要。由连续生产的特征可知，过程工业更强调实时性和整体性。协调复杂的耦合与制约因素，求得全局优化也是十分重要的。因此有必要采用智能空制

过程工业自动化概述

化学反映也越来越激烈，对过程控制的品质也提出了更高的要求，这种控制与经济效益的矛盾日益尖锐没，迫切需要一类合适的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的进步，并在许多科学领域中取得了广泛的应用。现在，装置的过程控制已逐步发展到整个企业的综合自动化，已经从装置的局部优化，发展到考虑企业的全局优化、如调度优化、计划有话、供应链优化、制造执行系统、企业资源计划系统，形成ERP—MES—PCS（过程控制系统）三层结构体系，这就是当今世界自动化技术的发展趋势。

目前一些大企业、工厂利用MES能够对条件变化做出迅速相应，减少非增值活动，提高生产运作过程的效率，从而提高工厂及时交货的能力，改善物料的流通性能，提高效益。

工业生产过程由简单到复杂，由小规模到大规模，直至今日，现代化、大型化或多品种、精细化的工业，生产出的各种各样的产品满足人们的生活需要。对这些工业生产过程的操作要求做到正确化、自动化和高效化。由于工业生产过程中实际问题的不断提出，促使理论研究不断的发展，同时理论研究的结果变成相应的自动化工具的产品，用来解决生产实际问题。先进过程控制方法可以有效的解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的品质和更大的经济利益具有广阔的发展前景。参考文献：

《工业自动化及过程控制》（美）J.斯特纳森|译者：张彬、郭燕慧 《过程自动化工程设计》周哲民、任丽静

第四篇：自动化导论论文 过程工业自动化概述

天津理工大学

自动化系课程学习报告

题目：过程工业自动化概述

电气电子工程学院 2017 年 月 日

过程工业自动化概述

摘要：

工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作，即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产值过程称为工业自动化。过程控制是工业自动化的重要分支。过程控制最主要的理论基础是自动化控制理论，同时它也与相关过程机理及自动化仪表和计算机技术密切相关。

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.关键字：过程控制、工业自动化、过程工业自动化的发展。Keywords:Process control, Industrial automation, Process automation development.1.前言：

过程控制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。过程控制技术作为自动控制理论在工业过程控制领域中的应用分支，与控制理论一样更新发展着。从某种意义上说，过程控制是从工业生产实际出发而开创的自动控制方法与技术，而对于每个发展阶段的出现，都是生产实际问题、控制理论研究和控制系统三者共同作用的结果。过程控制又被称为工业生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。

2.过程工业自动化简介

工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作，即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产值过程称为工业自动化。过程控制是在自动控制理论基础上发展起来的，既有理论，又有工程实践。因此，它涵盖控制理论、工业过程特性、建模方法、控制系统分析和设计、工业控制器现场整定等，内容较为丰富，既研究简单控制系统，又阐述复杂控制系统以及先进控制算法。并且在生产过程中，运用适合的控制策略采用自动化系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，是生产过程在不同程度上自动地进行。过程控制最主要的理论基础是自动化控制理论，同时它也与相关过程机理及自动化仪表和计算机技术密切相关。工业过程对控制的要求，可以概括为准确性、稳定性和快速性。另外，定值制系统和随动控制系统对控制的要求既有共同点，也有不同点。定制控制系统在于恒定，既要求克服干扰，使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。而随动控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设定值。根据过程控制的特点，主要讨论定值检测的性能指标。

3.过程自动化的发展：

3.1

20世纪40年代开始，在工业过程控制中就采用了反馈控制，用PID控制规律，实施输入单输出的反馈控制，负反馈控制是过程控制的核心，它以经典控制理论为基础，采用频域分析方法进行控制系统的分析、设计和综合。那时实现单回路控制的自动化仪表工具主要是一些基地式的气动或电动仪表，它的测量与传感元件、显示器和控制器都集中在一个仪表壳里，要想改造一些控制方案是很困难的。

3.2

到了20世纪50年代中期，开始发展气动或电动单元组合仪表，就为修改控制方案创造了条件。这个时期经典控制理论已经发展很成熟了，并且有大量的相关书籍出版，如1932年奈奎斯特在研究反馈放大器稳定性中提出的稳定性数据及基于频率相应的方法，1948年伊文思提出了跟轨迹法并有效应用于反馈控制系统的分析和综合等，这些理论为经典理论奠定了基础。1943年维纳等学者在《行为、目的和目的论》一文中首次提出了控制论的基本思想，并在以后的研究中得到了进一步的完善。

3.3

20世纪60年代前后，随着宇航事业和计算机技术的发展，控制理论又有了新的发展，前苏联数学家庞特里亚金建立的极大值原理、美国应用数学家贝尔曼提出了动态规则，以及美国学者卡尔曼引入的状态空间法和建立卡尔曼滤波，这些研究推动了现代控制理论的形成，为《控制论》的发展做出了重大贡献。

3.4

1975年~1985年前后，世界上一些有能力的仪表、计算机厂家纷纷投入开发和制造DCS。1985年~1995年DCS已有近百种型号，我国也涌现出实力强大的浙大中控和北京和利时公司。1995年至今，DCS与FCS蓬勃发展的时期。几乎绝大多数大中型企业的化工、石化、炼油企业都已经进行了DCS技术改造，中小企业也已实用DCS、工业PC机控制系统和数据采集监控系统。而且很多企业还有了先进控制算法的技术应用，已经建立计算机网络形同实现了厂级信息管理。

4.过程控制系统的组成与特点

4.1 过程控制系统组成 过程控制系统一般以下几部分组成：

被控过程（或对象）；用于生产过程参数检测的检测与变送一器；控制器；执行结构；报警、保护和连锁等其他部件。图1.1过程控制系统基本结构图

图1.1

图1.1表示了过程控制系统放入基本结构。控制器（或称调节器）根据系统输出量检测值y(t)与设定值r的偏差,按照一定的控制算法输出控制量u，对被控过程进行控制。执行机构（如调节阀）接受控制器送来的控制信息调节被控量，从而达到预期的控制目标。过程的输出信号通过过程的检测与变送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。

4.2 过程控制系统特点

4.2.2 过程控制系统的特点

4.2.2.1 被控过程的多样性

过程工业涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。同时生产工艺各不相同，如：石油化工过程，冶金工业中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些过程的机理不同，甚至执行机构也不同。因此过程控制系统中的被控对象是多样的，明显地区别于运动控制系统。

4.2.2.2 控制方案的多样性

由过程工业的特点以及被控过程的多样性决定了过程控制系统的控制方案必然是多样的。这种多样性包含系统硬件组成和控制算法以及软件设计。观察图1.1所示过程控制系统的基本结构，如果将控制器、执行机构和检测与变送仪表统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪两部分组成，也称之为仪表过程控制系统。随着现代工业生产的发展，工业过程越来越复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。从控制方法的角度看，由单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。同时控制算法多种多样，由PID控制，复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。

4.2.2.3 被控过程属慢多成且多属参数控制

连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息表征为被控过程的状态参数，也是过程控制系统的被控量。

4.2.2.4 定值过程是过程控制的主要形式

在多数生产过程中，被控参数的设定值为一个定值，定值控制的主要任务在于如何减少或消除外界干扰，是被控量剂量保持接近或等于设定值，是生产稳定。过程控制由多种分类方法：

按被控参数分类，可分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液体或物位控制系统，物性控制系统、成分控制系统；按被控量数分类，可分为单变量过程控制系统，多变量过程控制系统；按设定值分类可分为定值控制系统、随动（伺服）控制系统；按参数性质分类可分为集中参数控制系统，分布参数控制系统；按控制算法分类，可分为简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统；按控制器形式分类，可分为常规仪表过程控制系统，计算机过程控制系统。

过程控制由多种分类方法：

① 按被控参数分类，可分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液体或物位控制系统，物性控制系统、成分控制系统；

②按被控量数分类，可分为单变量过程控制系统，多变量过程控制系统； ③按设定值分类可分为定值控制系统、随动（伺服）控制系统；

④按参数性质分类可分为集中参数控制系统，分布参数控制系统；

⑤按控制算法分类，可分为简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统；

⑥按控制器形式分类，可分为常规仪表过程控制系统，计算机过程控制系统。

4.3 过程工业的特点

由于过程控制主要是指连续过程工业的控制过程，故过程工业的特点主要指连续过程工业的特点。

过程工业伴随着物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递，是一个十分复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素。因此，过程控制的难度是显而易见的，要解决过程控制问题必须采用有针对性的特殊方法和途径。

过程工业常常处于恶劣的生产环境中，同时常常要求苛刻的生产条件，如高温、高压、低温、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生产设备与人身的安全性特别重要。由连续生产的特征可知，过程工业更强调实时性和整体性。协调复杂的耦合与制约因素，求得全局优化也是十分重要的。因此有必要采用智能空制方法和计算机控制技术。

5.过程工业自动化的发展方向

在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。

集散控制系统或现场总线控制系统—先进过程控制—实时优化系统（DCS—APC—RTO）都属于工艺装置级的控制范畴，它的优化效益是很大的，但与过程工业自动化一级的优化效益相比，后者的效益要大得多。

监控与数据采集系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监控和控制，以实现数据的采集、设备的控制，测量、参数调节、自动化程度的高低，以及各类信号报警等各项功能，也可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制，同时还可以对工艺流程进行全面、实时的监控，并为生产、调度和管理提供必要的数据。实时的实现监督与控制生产过程。

随着市场竞争的激烈，为降低成本，过程工业日益走向大型化，化工生产中化学反映也越来越激烈，对过程控制的品质也提出了更高的要求，这种控制与经济效益的矛盾日益尖锐没，迫切需要一类合适的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的进步，并在许多科学领域中取得了广泛的应用。现在，装置的过程控制已逐步发展到整个企业的综合自动化，已经从装置的局部优化，发展到考虑企业的全局优化、如调度优化、计划有话、供应链优化、制造执行系统、企业资源计划系统，形成ERP—MES—PCS（过程控制系统）三层结构体系，这就是当今世界自动化技术的发展趋势。

目前一些大企业、工厂利用MES能够对条件变化做出迅速相应，减少非增值活动，提高生产运作过程的效率，从而提高工厂及时交货的能力，改善物料的流通性能，提高效益。

工业生产过程由简单到复杂，由小规模到大规模，直至今日，现代化、大型化或多品种、精细化的工业，生产出的各种各样的产品满足人们的生活需要。对这些工业生产过程的操作要求做到正确化、自动化和高效化。由于工业生产过程中实际问题的不断提出，促使理论研究不断的发展，同时理论研究的结果变成相应的自动化工具的产品，用来解决生产实际问题。先进过程控制方法可以有效的解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的品质和更大的经济利益具有广阔的发展前景。

参考文献：

《工业自动化及过程控制》（美）J.斯特纳森|译者：张彬、郭燕慧 《过程自动化工程设计》周哲民、任丽静

你认为自动化专业的学生应该学习哪些知识？具有什么样的知识结构？ 毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

1．具有较扎实的自然科学基础、较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力；

2．较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括力学、机械学、电工与电子技术、机械工程材料、机械设计工程学、机械制造技术、自动化基础、市场经济及企业管理等基础知识；

3．具有本专业必需的制图、计算、实验、测试、文献搜索和基本工艺操作等基本技能；

4．具有本专业领域内某个专业方向所必要的专业知识，了解其科学前沿及发展趋势；

5．具有初步的科学研究、科技开发及组织管理能力；

6．具有较强的自学能力和创新意识。

第五篇：工业控制系统_自动化_中英文翻译_毕业论文

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工业控制系统和协同控制系统

当今的控制系统被广泛运用于许多领域。从单纯的工业控制系统到协同控制系统（CCS），控制系统不停变化，不断升级，现在则趋向于家庭控制系统，而它则是这两者的变种。被应用的控制系统的种类取决于技术要求。而且，实践表明，经济和社会因素也对此很重要。任何决定都有它的优缺点。工业控制要求可靠性，完整的文献记载和技术支持。经济因素使决定趋向于协同工具。能够亲自接触源码并可以更快速地解决问题是家庭控制系统的要求。多年的操作经验表明哪个解决方法是最主要的不重要，重要的是哪个可行。由于异类系统的存在，针对不同协议的支持也是至关重要的。本文介绍工业控制系统，PlC controlled turn key系统，和CCS工具，以及它们之间的操作。引言：

80年代早期，随着为HERA(Hadron-Elektron-Ring-Anlage)加速器安装低温控制系统，德国电子同步加速器研究所普遍开始研究过程控制。这项新技术是必需的，因为但是现有的硬件没有能力来处理标准过程控制信号，如4至20毫安的电流输入和输出信号。而且软件无法在0.1秒的稳定重复率下运行PID控制回路。此外，在实现对复杂的低温冷藏系统的开闭过程中，频率项目显得尤为重要。

有必要增加接口解决总线问题并增加运算能力，以便于低温控制。因为已安装的D / 3系统[1] 只提供了与多总线板串行连接，以实现DMA与VME的连接并用其模拟多总线板的功能。温度转换器的计算功能来自一个摩托罗拉MVME 167 CPU和总线适配器，以及一个MVME 162 CPU。其操作系统是VxWorks，而应用程序是EPICS。

由于对它的应用相当成功，其还被运用于正在寻找一个通用的解决方案以监督他们的分布式PLC的公共事业管理。

德国电子同步加速器研究所对过程管理系统的筛选

集散控制系统（D/ 3）：

市场调查表明：来自GSE的D / 3系统被HERA低温冷藏工厂选中。因为集散控制系统（D/ 3）的特性，所以这决定很不错。在展示端和I / O端扩展此系统的可能将有助于解决日益增加的

HERA试验控制的要求。制约系统的大小的因素不是I / O的总数，通信网络的畅通与否。而通信网络的畅通与否取决于不存档的数据总量，不取决于报警系统中配置的数据。

拥有DCS特点（Cube）的SCADA系统：

相对于Y2K问题促使我们寻找一个升级版或者代替版来代替现有的系统而言，以上提到的D / 3系统有一些硬编码的限制。由于急需给Orsi公司提供他们的产品，Cube开始起作用了[2]。该项目包括安装功能的完全更换。这包括D / 3，以及德国电子同步加速器研究所的集成总线SEDAC和VME的温度转换器。该项目很有前景。但是因为HERA试验原定时间是有限制的，所以技术问题和组织问题也迫使计划提前。在供应商网站上的最后验收测试又出现了戏剧性的性能问题。有两个因素引起了这些问题。第一个跟低估在1赫兹运行的6级温度转换

器的CPU负荷有关。第二个由现有D / 3系统复杂的功能造成的额外负荷引起的。每个数字和模拟输入和输出通道在D / 3系统里的自身报警限值也被低估了。所有的附加功能都必须添加进去。最后，所有网络负载的报警限值，尤其是SCADA系统，也促使网络生成了限制。

最后，与Orsi公司的合同被取消了。升级的D / 3系统是唯一可能的解决办法。在2003年3月，此系统最后被付诸实践。

现在，相比“纯粹”SCADA系统的异质环境，Cube有同质配置环境的优势。SCADA（PVSS-Ⅱ）：

在HERA加速器上的H1实验中，实验人员为升级他们的低速控制系统，决定使用PVSS-Ⅱ。现有的系统是由H1合作组的几名成员开发的，而现在却难以维持了。在CERN由联合控制项目[4]进行的广泛调查促使他们做出使用PVSS作为代替品的决定。PVSS是一个“纯粹”的监控和数据采集系统（SCADA系统）。其核心元素叫做事件管理器。它收集的数据主要是由I/ O设备提供。它还提供附加的管理服务，如：控制经理，数据库管理，用户界面，API经理以及在建的HTTP服务器。该PVSS脚本库允许执行复杂的序列以及复杂的图形。相比其他SCADA系统PVSS带有一个基本特点：它提供了API给设备的数据。

SCADA系统的一个主要缺点是其中的两个数据库，一个为PLC’s服务，另一个为SCADA系统服务，这两个数据库必须维持。集成环境将努力克服这个限制。EPICS：

在德国电子同步加速器研究所，EPICS从问题解决系统演化成了全集成控制系统。从成为低温控制系统的数据收集器和数量控制器，EPICS成为了德国电子同步加速器研究所公用事业集团使用的核心系统。此外，通过 Industry Pack（IP）模块的手段，它还能运用于通过VME板卡的任何数据。EPICS通过其完整的功能，运用于没有由D / 3系统控制的低温冷藏系统。所有大约50个输入输出控制器运作大约25000业务处理记录。作为一个SCADA系统的EPICS：

该公共事业组（水，电，压缩空气，加热和调温）使用各种散布在整个德国电子同步加速器研究所网站上的PLC。IOC向客户提供接口并采集数据。此外，如通道归档和图形显示（dm2k）会被使用。默认名决议和目录服务器（域名服务器）用于连接 在TCP客户端和服务器应用程序。所有这些都是基本的SCADA功能。所有的配置文件（图形工具，报警处理程序和归档）提供了一种灵活的配置方案。德国电子同步加速器研究所公用事业集团已制定了一套工具来创建IOC数据库和配置文件。这样，控制组提供的服务保持EPICS工具，而用户可以精力集中在被控制的设备上了。作为一个DCS系统的EPICS：

作为SCADA系统的基本组成部分，EPICS还提供完整的输入输出控制器（IOC）。IOC提供所有功能DCS系统要求，如：实施每个记录的标准的属性；执行每个记录时的报警检查过程；控制记录，如PID。灵活的命名方案，默认的显示和每个记录的报警属性缓和了运作工具和IOC之间的连接。灵活的数据采集模式，支持调查模式以及发布订阅模式。后者大大降低了信息拥堵的情况。PLC’s：

PLC’s同样提供丰富的功能，因为以前它是独一无二的控制系统。此外，定期执行一个确定功能的基本特征也让他们通过以太网通信，包括内置的HTTP

服务器和不同集合的通讯方案。除了通信处理器，显示器能和PLC’s连接。智能I / O：

I / O设备上的新发展允许在更小的群体中集群I / O并把这些集群I / O渠道链接到控制系统。PLC’s对于分布式I / O已不再重要。PLC’s和智能I / O子系统的差别正在消失。

功能

持续不断的问题，如为什么控制系统的加速器和其他高度专业化的设备联合协同发展。但是，在极少数情况下，只通过商业的立场时难以回答的。在这里，我们试图总结不同控制方法的基本功能。

前端控制器：

对控制系统的核心要素之一，是前端控制器。PLC’s可用于实施控制功能的设备。它的缺点就是复杂，难以达到控制属性。例如确定通信协议和最后在显示、报警和归档方案，一个控件的所有属性像P，I和D参数，还有报警限制及其他附加的属性必须得到解决。另外，这些嵌入式属性修改是很难寻觅，因为其中涉及两个或两个以上轨道系统这可能是一个有力的论据是，为什么控制回路主要实施在IOC层面，而不是PLC’s层面。

I / O和控制回路

复杂的控制算法和控制回路和域名DCS控制系统一样。对显示和控件的属性的支持是必不可少的。

频率/国家计划

在控制系统中，频率程序可以运行任何处理器。运行时环境取决于相关代码。控制系统程序直接履行运行前端处理器的监控。为复杂的启动和关闭处理程序设立的频率程序也可以运行工作站。国家机器的基本功能在IEC 61131中得到了落实。编码发电机可以产生C代码。

硬件支持

对现场总线和起源于I / O的Ethernet的支持是为SCADA系统服务的一个基本功能。所有SCADA系统在市场商业运作中是可行的。配置特定驱动器和数据转换器的集成硬件在商业环境中是一个难点。开放API或脚本支持有时有助于整合用户的硬件。如果不向控制系统提供这些工具，就很难整合客户硬件。新的工业标准，如OPC，和OPC设施联系，还和控制系统之间互相联系。这种功能的基本条件是强调操作系统。在这种情况下，OPC更趋向于微软的DCOM标准。基于控制系统的UNIX很难互相连接。只有支持多平台的控制系统可以在异构环境中发挥主要作用。

由于为客户或专业硬件的支持有限，所以新的控制系统有理由得到发展。显示和操作

除了前后系统，操作接口在控制系统的兼容过程中有重要的作用。因为个人呢工具由不同的团队开发，所以协作实现的工具包可能变动。

1图形

天气显示是任何控制系统的广告招牌。商业天气显示也有着丰富的功能

和许多特色。开始使用所有这些特征，所有这些功能的使用人会发现，所有个别属性的图形对象要分别指定。一个输入通道不只由物业的价值决定的，而且更由包括像展出范围和报警值决定的。一再分辨所有性能可能是个非常乏味的工作。有些系统产生图形原型对象。这些原型图形或模板很复杂，但需要一个专家来生产。

DCS或自定义天气显示程序使用常见的I / O点属性集。这个预定义的命名方案填写标准的属性值，因此只需要进入记录，或设备名称进入配置工具。报警系统

警报可以很好的区分不同的控制系统架构。实现I / O对象的这些系统在前后端电脑提供警报检查。只能读懂I / O点的系统在I / O处理过程中添加了警报检查。I / O对象途径在前后端系统的本土项目语言安插了警报检测。，I / O点导向系统通常要在他们的脚文本语言中实现这种功能。这是通常效率较低且容易出错，因为所有属性必须被单独配置，这导致了一系列特性。不仅为每个I / O点的错误状态结束是个人的I / O点，但报警限值和每个报警的轻重，应当限制定义为I / O点，如果它希望能够改变运行值。

这种影响在SCADA和DCS系统之间也形成了影响。SCADA系统本就读不懂报警系统。DCS系统的优势在于管理人员既可以登记警报状态，从而提前得到信息，控制蔓延到在控制系统周围的变化。后一种情况是唯一可能的系统。趋势和归档

趋势已成为控制系统架构中的一个重要的业务。趋势是必要的跟踪误差条件。实现的数据存储有能力储存完整控制目标，大部分的趋势工具标量数据存档。附加特性如条件趋向或相关情节在个人实施起了影响。

4编程接口

关于开放编程接口，PLC’s和DCS系统有相同策略。他们运行可靠，因为他们没有办法整合 可定制的合作去干涉内部处理。因此，客户定制精品，这个极其昂贵的。

由于SCADA系统必须能够 与多种I / O子系统连接已经在API上建立了I / O子系统以整合 自定义功能。

协作系统尤其需要一定的开放性以实现各种发展组织的要求。所有级别的编程接口，例如前后端I / O，前后端处理过程和网络等，是强制性的。

5冗余

如果冗余是指管理所有国家，I / O所有值无缝道岔当前正在运行，它是一个域，只有少数集散系统。自定义或CCS实施不提供这种功能。也许是因为巨大努力和事实，它是只需要在罕见的事例。此外，处理器冗余，或多余的网络，或I / O子系统是为一定的商业集散控制系统指定的。

先进的安全要求是由多余的PLC子系统覆盖。这些安装在（核）电厂。个人保护系统（PPS）的要求有时候会由冗余的PLC’s来满足。在过程控制中，冗余的PLC’s只在少数情况下使用。

6命名空间

在供应链系统中，SCADA系统的单位名称空间形容成警报部分。有些SCADA系统（如PVSS – II）提供在少数情况下的控制对象或结构化数据。这些对象由一系列特性（包括I / O点）和一套方法（宏或函数）组成。这些途径的其一是UniNified工业控制系统（UNICOS）在欧洲核子研究中心[5]。

DCS系统和大多数习惯性/协作系统是有记录的，或是设备为主。不同之处是，通常一个记录被连接到一个单一I / O点，提供这样的执行记录，如个人工程单元，显示和警报限值。设备为本的方法允许连接几个I / O点。而（EPICS的）记录只服务于一组特定的内置功能。

命名等级不特定于实施类型。它们可用于一些系统。分层命名方案是肯定可取的。

实施策略

表现完各种可能的控制方法后，该是查看控制系统的完成情况了。

从I / O级开始，他们必须决定是否需要商业解决。特殊的I / O不总是需要定制解决方案。信号可以被转换成标准的信号，但是这并不适用于所有的信号。信号水平可能需要定制的发展，这必须纳入整体控制架构。信号不能被连接到标准I / O接口，也许有可能发展的I / O控制器的

允许实施现场总线接口，这能够整合商业控制系统。整合水平是不可能定制前端控制器，如VME，开始发挥作用了。

Turn Key 系统：

在工业中，有个明显的趋势就是产生了Turn Key 系统。它允许对整个系统进行模块化设计。个别元件分包给几个公司进行本地测试。一旦交付施工现场，验收测试就已经过去了，第二个阶段，整合融入全球控制系统的子系统开始。虽然控制回路的详细规格等，是现在子系统合同的一部分。客户必须明确多少信息子系统可以被使用。

大多数Turn Key系统与PLC一起交付使用。瑞士光源（SLS）的建立过程已显示，这也是基于I/ O系统运行的VME运行 CCS的，这样才可以成功启用[6]。

基于系统的PLC：

基于系统的PLC是Turn Key系统成果。下一个明显的方法看起来可能是除了商业PLC，就是商业SCADA系统。优势就是明显和PLC一样：没有稳定的软编程器，仅有配置，支持和良好的文件系统。在德国电子同步加速器研究所，我们成功地建立了控制组和公共事业组之间的关系。尽管是EPICS编码，但其最大的优势就是能调整双方的特殊要求。

工业解决方案：

一旦工业开始支持协作控制系统，CCS的解决方案和商业之间的差异将渐渐变小。在KEK，公司签订合同为KEK-B升级提供程序员。这些程序员进行了书面驱动程序和应用程序代码的EPICS培训。因此，KEK-B控制系统是工业用和民用升级软件的混合体。这是CCS实施中工业参与的另一个例子。

成本：

自从个人电脑出现后，“一台个人电脑的总成本是多少？”这样的问题一直使人忙碌。所有的答案不尽相同的极端。现在的问题什么是一个控制系统的TCO可能作出类似的结果。如果你进入商业领域，你要支付的初始证照费用，而通常这是由供应商或分包商支付的，你付钱进行的软件支持，可能或可能不会包括你更新证照的费用。

如果你去寻求合作方式，你可能与公司签合同或完成一切。而“时间与金钱说”在工业中同样成立。你亲自完成可能更自由灵活，但是有点难度。你 可以依靠合作，以提供新的功能和版本，或者你可以为自己作出贡献。主要的区别就是要为控制系统计入长期成本。

德国电子同步加速器研究所粗略估计，控制应用程序，如支持商业模式的D / 3，和支持协作模式的EPICS几乎是相同的。在该软件支持和升级证照的费用，相当于1.5倍的FTE’s。FTE’s是关于人力资源的内容，对于支持新的硬件和升级EPICS是必要的。

结论

根据控制项目不同的规模和要求，整合的商业解决方案和基于协作应用程序的解决方案在百分之零到一百都有可能。这适用于长远的技术支持。在安全问题上的特殊需要或人力资源的缺乏可能会扩大商机。接口专业硬件，掌控在手的谈判或商业解决方案的初始成本有可能促使大规模的合作。只要如EPICS的协作途径，保持最新并运行如商业方案一样稳定和强劲，它们就能在互补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.