安全监控系统：安全生产信息化技术

1.安全监控系统的概念

安全监控系统将检测系统与控制系统结合起来，监测设备提供被监测设备或场所的某一特征数据，由控制设备或人对监测的数据进行分析，根据已设定的标准判断是否需要改变被控制设备的运行状态。需要时对被控制设备发出启动信号，被控制设备启动或改变运行参数。因此，安全监控也称为安全测控。

2.监控系统的类型

在现代工业的监控中，所称的控制一般可分为以下两类：

1）过程控制。在现代化工业过程中，一些重要的工艺参数大都由变送器、工业仪表或计算机来测量和调节，以保证生产过程及产品质量的稳定，这就是过程控制。

2）应急控制。在对危险源的可控制性进行分析后，选出一个或几个能将危险源从事故临界状态调整到相对安全状态的参数进行监控，以避免事故发生或将事故伤害、损失降至最小程度，这种具有安全防范性质的控制技术称为应急控制。将安全监测与应急控制结合为一体的仪器仪表或系统称为安全监控仪表或安全监控系统。

3.安全监控系统的组成

根据具体的应用目的与场合的不同，作为安全监控系统核心的工业控制计算机类型千差万别，系统的组成也各不相同，但各类安全监控系统的基本组成大同小异，如果不包括被监控的对象，则安全监控系统的组成大致可用图3-3表示。

图3-3 安全监控系统的组成

安全监控系统中各主要部分在系统中的作用简述如下：

1）主机：有CPU、ROM、RAM等组成，是基于计算机系统的安全监控系统的核心，它根据采集到的实时信息，按照预先存在内存储器中的程序，自动进行信息处理和运算，及时选择相应的控制策略，并将控制作用立即输出到监控对象。

2）外设：常用的外设按功能可分成输入设备、输出设备和外存储器，其中最常用的输入设备是键盘和鼠标，用来输入程序、数据和操作命令；最常用的输出设备是显示器、打印机等，用于显示、打印监控对象的操作状况、性能状况、各种报表等；最常用的外存储器是磁盘、光盘、闪存等，它们兼有输入和输出两种功能。

3）过程输入/输出接口：包括模拟量和开关量两大类，它们是计算机与监控对象之间信息交换的桥梁，是安全监控系统中必不可少的部分。

4）人机接口设备：包括显示器、键盘、鼠标、专用的操作显示面板或显示台，它们一方面显示监控对象的状况，另一方面供操作人员操作和显示操作结果，操作人员通过人机接口与计算机进行信息交流。

5）通信设备：不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。当多台计算机或设备构成计算机网络时，通信设备显得尤其重要。

6）现场仪表：包括测量仪表、变送器、执行机构等，其中前者的任务是信号的监测、变换、放大和传送，将监控对象中各种物理量转换成计算机能接受的电信号；后者完成计算机输出控制的执行任务。

7）系统总线：系统总线分为内部总线和外部总线两大类，其中内部总线在计算机内部各模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源；外部总线为计算机系统之间或计算机与设备之间提供数字通信。

8）系统软件：它管理计算机内存、外存等硬件设备，为用户使用计算机创造条件，同时为用户编制应用软件提供环境。

9）应用软件：它是系统设计人员对具体安全监控对象编制的测量、控制和管理程序，其优劣将直接影响系统的监控品质和管理水平。它是安全监控系统在特定的环境中完成某种监控功能所必需的软件，一般包括过程输入/输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印、显示程序及各种公共子程序等。应用软件涉及监控对象的生产工艺、控制理论、控制设备等各方面的知识。

4.安全监控系统的分类

由于各自不同的功能需求，安全监控装置具有各种各样的结构和形式，可以按照不同的划分方法进行分类：

1）根据采用监控器的类型可以分为基于单片机的嵌入式监控系统、基于PLC的监控系统、基于工业控制机的监控系统。

2）按照计算机参与控制的方式的不同，可分为开环控制与闭环控制两大类。

3）根据系统采用控制规律的不同，可分为顺序（程序）控制、常规（PID）控制、高级控制（或称先进控制，如最优控制、自适应控制、预测控制等）和智能控制等若干类。

5.安全监控系统的发展历程

根据计算机应用于安全监控的发展历程及其结构特点，可以分成以下几类：

（1）计算机巡回检测和操作指导系统

在安全监控过程中有大量的参数需要测量和监视，用计算机以巡回的方式周期性地检测这些参数，并完成必要的数据处理任务，这是计算机巡回检测系统的任务，也是计算机应用于安全监控中最早和最简单的一类系统。在此基础上，系统能根据反映系统安全性能的各种数据，由某种给定的性能指标与控制策略，通过对现场数据的处理、分析、计算，给出操作指导信息，供现场操作人员参考，称为操作指导系统，系统结构如图3-4所示。从图3-4中可以看出，这种系统的本质是一种开环系统，系统的参数经测量变送器、过程输入通道，定时地被输入到计算机，由计算机对来自现场的数据进行分析和处理，然后根据一定的控制规律或经验公式甚至是安全管理理论进行综合，最后通过显示器或打印机输出操作指导信息，供操作者参考。

图3-4 计算机巡回检测和操作指导系统结构

这种系统的优点是简单且安全可靠，可以用于试验安全监控方案和系统的调试，在实施计算机闭环控制之前用这种系统进行试运行，可以考核计算机工作的可靠性。还可以用于试验新的数学模型和调试新的控制策略。其缺点是仍需要人工操作，操作速度受到限制，不能同时控制多个回路。

（2）计算机直接数字监控系统

计算机直接数字监控系统结构如图3-5所示。由图3-5可见，计算机通过输入通道（包括模拟量输入通道AI和开关量输入通道DI）对系统的安全状态进行巡回检测，根据给定值、测量值及控制规律计算控制指令，经过输出通道（包括模拟量输出通道AO和开关量输出通道DO）直接到控制执行机构，使得各个被控制的参数保持在给定值附近。

图3-5 计算机直接数字监控系统结构(www.xing528.com)

这类系统中的计算机不仅完全取代了模拟调节器直接参与闭环控制，而且只要通过改变程序即可实现一些较复杂的控制规律。还可以与计算机监督控制系统结合起来构成分级控制系统，实现最优控制。同时，也可以作为计算机生产集成控制系统的基础，即直接过程控制层，与过程监控层、生产调度层、企业管理层、经营决策层等一起实现工厂综合自动化。

（3）计算机监督监控系统

计算机监督监控系统通常采用两级控制形式，分处两层的计算机分别称为上位机与下位机，其结构如图3-6所示。所谓监督控制，指的是上位机根据原始的生产工艺数据和现场采集到的工况信息，一方面按照描述被控过程的数学模型和某种最优目标函数，计算被控过程的最优设定值，输出给下一级的DDC系统或模拟调节器；另一方面对生产状况进行分析，做出故障的诊断与预报。所以，上位机并不直接控制执行机构，而只是根据某个最优性能指标计算出下位机的最优给定值。所以，计算机监督控制系统可以看成是前面所述的操作指导系统与DDC系统的综合与发展。

图3-6 计算机监督监控系统结构

计算机监督控制系统的主要优点是：计算时可以考虑许多单级控制考虑不到或不能实现的因素，可以进行过程操作的在线优化，使生产过程在最安全的状态下运行；可以实现先进但较为复杂的控制规律，以满足高安全水平控制的要求；可以进行故障诊断与预报，提高系统的可靠性。

（4）计算机集散监控系统

计算机集散监控系统（DCS），又称为分布式或分散型监控系统，因为生产过程通常十分复杂，设备分布也可能很广。各个工序、各个设备通常并行地工作，如果仍然集中式控制，一来系统会相当复杂，二来设备之间也会相互影响，整个系统的危险性随之增加。而随着微型处理器的性能价格比不断提高，分布式监控DCS逐渐取代集中式的监控，DCS由多个相关联可以共同承担工作的微处理器为核心，一起组成可以运行多项任务的系统，实现在地理和功能上的控制。同时，通过高速数据通道把各分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，实现复杂的控制和优化。

计算机集散监控系统的结构如图3-7所示，该系统有许多优点，最突出的一点是提高了系统的可靠性和灵活性，因为DCS的设计原则是分散监控、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

图3-7 计算机集散监控系统结构

（5）现场总线监控系统

20世纪70年代发展起来的DCS系统，尽管给监控带来了许多好处，但由于采用了“操作站—控制站—现场仪表”的结构模式，因此系统成本较高，而且各个厂家生产的DCS各有标准，不能互连、互换。现场总线监控系统（FCS）是20世纪90年代兴起的新一代分布式监控系统，它采用了“工作站—现场总线智能仪表”的结构模式，降低了系统成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，因此是一种很有前途的控制系统。

现场总线监控系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备。现场设备具有通信能力、现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而监控系统功能能够不依赖监控室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散监控。

现场总线监控系统中分散在设备前端的智能设备直接执行多种传感器、控制、报警和计算功能，因而减少了变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂连线。由于与总线连接的接口都采用国际标准化的接口，因此各厂家的产品规格统一，具有互换性，所以称为标准通用接口。图3-8所示的是基于GPIB通用接口的现场总线监控系统结构图。

图3-8 现场总线监控系统结构

构成现场总线监控系统的基本设备如下。

1）变送器：既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制、运算功能。常见的变送器有温度变送器、压力变送器、流量变送器、液位变送器等。

2）执行机构：其基本功能是信号驱动和执行，内含调节阀输出特性补偿、阀门自动校验和自诊断、PID控制和运算等功能，通常包括电动和气动两大类。

3）服务器和网桥。

4）辅助设备：各种转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。

5）监控设备：工程师站供现场总线组态，操作员站供工艺操作与监视，计算机站用于优化控制和建模。

6.安全监控系统的优点

计算机，特别是微处理器在安全监控系统中广泛应用，给安全监控带来了重大的影响。与传统的监控系统相比，计算机监控系统除了具有常规、连续监控系统的功能外，还具有以下一些独特的优点：

1）易实现复杂的控制规律。由于计算机的运算速度快、计算精度高、具有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，因此，容易实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及各种智能控制等，从而可以达到模拟系统难以实现的要求，极大地提高系统性能。

2）计算机监控系统的性价比高。尽管一台计算机系统最初投资较大，但增加一个监控回路的费用却很少。对于模拟系统来讲，模拟硬件的成本几乎和控制规律的复杂程度、控制回路的多少成正比。而计算机监控系统中的一台计算机却可以实现复杂的控制规律，并可同时控制多个监控回路，因此其性价比较高。

3）适应性强灵活性高。由于计算机监控系统的控制算法是有软件程序实现的，通过修改软件或执行不同软件即可使系统具有不同的性能，因此，它的适应性较强、灵活性高。如果要改变系统监控规律，那么不必像模拟式系统那样改变控制器的硬件结构或参数，一般只需修改软件即可。此外，计算机是一种可编程的智能元件，易于修改系统功能和特性，构成了一种柔性系统。另外，一套硬件设计可以适用于很多不同软件的变型，用于不同对象的安全监控，简化了系统设计，节省了系统设计时间。

4）系统测量灵敏度高。由于数字计算机参与监控允许系统使用各种数字部件，如使用数字式传感器，系统对微弱信号的检测更加敏感，因此可以提高系统测量的灵敏度，同时系统可以利用数字通信来传输信息。

5）系统可靠性和容错能力高。模拟式系统实现自动监控和故障诊断较为困难，但计算机监控系统则较为方便，因此，提高了系统的可靠性和容错能力。

与模拟式监控系统相比，计算机监控系统也有一些缺点与不足：

1）抗干扰能力较低，特别是系统中插入的数字部件，信号复杂，给设计实现带来一定的困难。

2）信号采集、处理等过程的实时性没有模拟系统好，有时会存在一定的时差。

但全面比较起来，随着自动化控制系统功能和性能要求的不断提高，计算机监控性能的优越性表现得越来越突出，因此，现代监控系统不管是简单的、还是复杂的几乎都采用计算机系统。