系统架构和过程控制系统哲学

一、系统架构（System Architecture）

1. 定义

系统架构是一个系统的结构性设计，描述了系统中各个组成部分（硬件、软件、网络、数据流等）之间是如何协同工作的。

它类似于“房子的蓝图”，决定了系统功能、性能、扩展性、安全性和可维护性。

2. 在过程控制系统中的典型架构

分层结构（层次化架构） —— ISA-95 / Purdue模型

常见的工业控制系统采用五层结构（从底到顶）：

3. 系统架构设计重点

• 模块化设计：不同功能用不同模块，方便维护和升级。
• 冗余设计：如主备PLC/服务器，保障系统可靠性。
• 通信架构：如工业以太网、Profibus、Modbus等协议，确保层与层之间通讯顺畅。
• 网络安全结构：通过划分工业DMZ、防火墙、访问控制等保护系统。

二、过程控制系统哲学（Process Control System Philosophy）

1. 定义

过程控制系统哲学是制定控制策略、控制逻辑、报警管理、操作界面以及系统维护的一套思想框架和规范，是设计和实施控制系统的“指导思想”。

它回答的是：“我们为什么和怎么控制生产过程”。

2. 关键组成部分

① 控制策略（Control Strategy）

• 闭环控制（Closed-Loop）：如PID控制，实现温度、压力等自动调节。
• 开环控制（Open-Loop）：如手动设定阀门开度，不依赖反馈。
• 顺序控制（Sequential Control）：按流程顺序控制（如启动泵→打开阀→加热）。
• 高级控制（APC、模型预测控制MPC）：用于复杂或优化场景。

② 安全与连锁逻辑（Safety & Interlock Philosophy）

• 确保设备在异常情况下自动停机，防止事故。
• 例如：“压力超过设定值 → 自动关闭加热器并发出报警”。

③ 报警管理（Alarm Philosophy）

• 定义哪些情况触发报警，报警级别（信息/警告/紧急），防止报警泛滥。
• 优化报警系统：使用报警优先级管理、死区设置、报警延迟等技术。

④ HMI设计哲学（Human-Machine Interface）

• HMI界面应简洁、直观，符合操作者习惯。
• 高性能HMI：采用颜色编码（红=故障，黄=报警，绿=正常），图形展示流程状态。

⑤ 模块化编程与标准化命名

• 所有控制对象（如泵、阀门）使用标准模板（如PMP101、VALVE202）。
• 遵循如ISA-88、ISA-101等国际标准。

三、系统架构 vs 控制哲学的关系

四、实际案例分析（示意）

比如一个加热釜系统（用于反应化工产品）：

架构设计

• PLC控制阀门、加热器、搅拌器；
• SCADA监控温度、压力；
• 上位机与ERP系统对接，实现配方管理。

控制哲学设计

• 控制逻辑：自动恒温加热，温度超过90℃触发连锁停加热；
• 报警策略：温度>95℃触发高温报警（优先级高）；
• 操作界面：显示温度趋势图，允许手动/自动切换模式；
• 使用模块化程序：每个阀门/泵/加热器采用标准FB（功能块）。

五、总结