第7章  计算机集散控制系统与实训

计算机集散控制系统，又称计算机分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）。它是一种综合了计算机技术、控制技术、通信技术、CRT显示技术（即4C技术），实现对生产过程集中监测、操作、管理和分散控制的新型控制系统。其基本思想是集中操作管理，分散控制。由于控制分散，就可以做到“危险分散”，从而使整个系统的可靠性大大提高。

一、集散控制系统的产生

集散控制系统出现以前，生产过程控制主要采用模拟仪表控制系统或计算机集中控制系统。

20世纪40年代多采用模拟仪表控制系统，虽然它具有可靠性高、成本低、操作简便、易于维护等优点，但随着工业生产的发展，其局限性越来越明显。在控制性能方面，难以实现对多变量相关对象的控制，也难以实现复杂的控制；在操作监视方面，随着生产规模的扩大和工艺过程的复杂化，仪表大量增加，模拟仪表屏不断增大，难以集中显示和操作，各子系统间信号联系困难，不便于实现通信联系，从而无法组成分级控制系统；对系统组成和控制方式的变更，需要变换相应的仪表。

50年代末60年代初，生产过程控制开始引入了计算机集中控制系统，克服了模拟仪表控制系统的局限性。这种控制系统具有易于实现复杂的控制，能集中显示操作，控制精度高，便于改变系统结构和控制方式，自下而上的通信能力较强等优点。但由于在计算机集中控制系统中，一台计算机控制着几十个甚至上百个回路，所以一旦计算机发生故障，将影响整个系统的运行，致使系统的安全可靠性降低。集中控制导致了危险性也集中。采用一台计算机工作，另一台计算机备用的双工系统，虽可提高可靠性，但成本太高，难以为用户所接受。

70年代中期，在综合分析了模拟仪表控制与计算机集中控制的优点后，采用了“危险分散”的设计思想，将控制部分分散，而将显示操作部分高度集中，并利用了计算机技术、控制技术、通信技术和CRT显示技术的最新发展成果，研制出了一种新型的、能满足不同系统要求的集散控制系统。

集散控制系统既不同于分散的仪表控制，又不同于集中计算机控制系统，它克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。与模拟仪表控制相比，它具有连接方便、采用软连接的方法连接、容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大、占用空间少等优点；与计算机集中控制系统相比，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。另外，集散控制系统不仅实现了分散控制、分而治之，而且实现了集中管理、整体优化，提高了生产自动化水平和管理水平，成为过程自动化和信息管理自动化相结合的管理与控制一体化的综合集成系统。这种系统组态灵活，通用性强，规模可大可小，既适用于中小型控制系统，也适用于大型控制系统。因此，在各行各业各个领域得到了广泛应用。

二、集散控制系统的体系结构

集散控制系统是采用标准化、模块化和系列化的设计，实现集中监视、操作、管理，分散控制。虽然各制造厂家所生产的集散控制系统各不相同，但因采用了相同的设计思想，因此它们具有相似的体系结构。其体系结构从垂直方向可分为三级，第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级，各级相互独立又相互联系。从水平方向，每一级按功能可分成若干子块（相当于在水平方向分成若干级）。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系。

集散控制系统典型的体系结构如图7-1所示。

1．分散过程控制级

分散过程控制级直接面向生产过程，是集散控制系统的基础。它具有数据采集、数据处理、回路调节控制和顺序控制等功能，能独立完成对生产过程的直接数字控制。其输入信息是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器（温度、压力、液位、电压、电流、功率等）及开关量等信号，其输出是作用于驱动执行机构（调节阀、电磁阀等）。同时，通过通信网络可实现与同级间的其它控制单元、上层操作管理站相连和通信，实现更大规模的控制与管理。它可传送操作管理级所需的数据，也能接收操作管理级发来的各种操作指令，并根据操作指令进行相应的调整或控制。

构成这一级的主要装置有：

1）现场控制站（工业控制机）：是一个可独立运行的计算机检测控制系统。具有数据采集、直接数字控制、顺序控制、信号报警、打印报表、数据通信等功能。

2）可编程序控制器（PLC）：主要用于生产过程的顺序控制或逻辑控制。针对开关量输入、开关量输出，用于执行顺序控制功能。

3）智能调节器：是一种数字化的过程控制仪表。不仅可接受4～20mA电流信号输入，还具有异步通信接口，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。

4）其它测控装置：各控制器的核心部件是微处理器，可以是单回路的，也可以是多回路的。

2．集中操作监控级

这一级的主要功能是系统生成、组态、诊断、报警，现场数据收集处理，生产过程量显示、各种工艺流程图显示、趋势曲线显示，改变过程参数，进行过程操作控制等。为完成这些功能，在硬件上该级主要由操作台、监控计算机、键盘、图形显示设备、打印机等组成。

这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。它是面向操作员和系统工程师的，这一级配备有技术手段齐备、功能强的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，还需要较大存储容量的存储设备及功能强的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实现高级控制策略、故障诊断、质量评估等。

这一级主要设备包括：

1）监控计算机：即上位机，综合监视全系统的各工作站，具有多输入多输出控制功能，用以实现系统的最优控制或优化管理。

2）工程师操作站：主要用于系统组态、维护和软件开发。

3）操作员操作站：主要用于对生产过程进行监视和操作。

3．综合信息管理级

这一级在集散控制系统中是最高层次级，是实现整个企业（或工厂）的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。在这一级可完成市场预测、经济信息分析、原材料库存情况、生产进度、工艺流程及工艺参数、生产统计、报表，进行长期性的趋势分析等，做出生产和经营决策，确保整个企业的最佳化的经济效益。综合信息管理系统实际上是一个管理信息系统MIS（Management Information System）。

企业MIS是一个以数据为中心的计算机信息系统。企业中的信息有两大类：管理活动信息（包括日常管理、制定计划、战略性总体规划等信息）和职能部门活动的信息（包括生产制造、市场经营、财务、人事等信息）。企业MIS可粗略地分为市场经营管理、生产管理、财务管理和人事管理四个子系统。子系统从功能上说应尽可能地独立，子系统之间通过信息而相互联系。

这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。

4．通信网络系统

通信网络系统将集散控制系统的各部分连接在一起，完成各种数据、指令及其它信息的传递。由于各级之间的信息传输主要是依靠通信网络系统来支持，所以通信系统是集散控制系统的支柱。为保证信息高速可靠地传送，必须选择适当的通信网络结构、通信控制方式和通信介质。

根据各级的不同要求，通信网络也可分成低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分散过程控制级；中速网络面向集中操作监控级；高速网络面向综合信息管理级。

三、集散控制系统的特点

集散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性，其特点可概括如下。

1．自治性

系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独立运行的高可靠性子系统。分散过程控制级各控制装置是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号处理、计算机数据输出等功能。集中操作监控级完成数据的显示、操作监视和操作信号的发送等功能。综合信息管理级完成信息的管理和优化。通信网络系统则完成各站的连接和数据通信。所以各部分都是各自独立的自治系统。其控制功能分散，危险分散的特点，提高了系统的可靠性。

2．协调性

各工作站间能够通过通信网络传送各种信息并协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。实时安全可靠的工业控制局部网络使整个系统信号畅通，信息共享。采用标准通信网络协议，可与上层的信息管理系统连接起来进行信息的交互。

3．在线性和实时性

生产过程控制级由于采用基于高性能微处理器的控制调节器，可通过过程通道、I/O接口和通信网络，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修，提高了系统的可用性。

4．适应性、灵活性和可扩充性

集散控制系统的硬件和软件采用开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统为积木式结构，使得系统配置灵活，可以根据用户的不同需要，方便地构成多级控制系统。当工厂根据生产要求需要改变生产工艺或生产流程时，只需改变系统配置和控制方案，如增加或拆除部分单元，而系统不会受到任何影响。

集散控制系统一般为用户提供了丰富的功能软件，用户只需按要求选用即可，大大减少了用户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操作显示软件包和报表打印软件包等，并提供至少一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软件。

5．系统组态灵活方便

集散控制系统向用户提供了系统组态软件，该软件是采用面向问题的语言，提供了数十种常用的运算和控制模块，控制工程师只需按照系统的控制方案，从中任意选择模块，并以填表的方式来定义这些功能模块，进行控制系统的组态。系统组态一般是在操作站上进行的。填表组态方式极大地提高了系统设计的效率，解除了用户使用计算机必须编程的困扰。

集散控制系统所提供的组态软件一般包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态，用户的方案及显示方式由它来解释生成其内部可理解的目标数据。使用组态软件可以生成相应的实用系统，易于用户设计新的控制系统，便于灵活更改与扩充。

6．友好性

集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员。其实用而简捷的人机对话系统，CRT彩色高分辨率交互图形显示、复合窗口技术，使画面日趋丰富，菜单功能更具实时性。而平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球操作器等更便于操作，语音输入／输出使操作员与系统对话更加方便。

7．可靠性

由于集散控制系统采用很多独特的设计，使其具有可靠性高的优点。在结构上采用容错设计，使得在任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。在硬件上，采用了冗余设计，无论操作站、控制站，还是通信链路都采用双重化配置，同时在系统内外采取了各种抗干扰措施，满足“电磁兼容性”要求。

在软件上采用分段与模块设计，积木式结构，以及程序卷回(即指令复执)等容错设计。系统具有快速自诊断功能，实现故障部件的自动隔离、自动恢复与热机插拔技术；系统内发生异常，可将故障信息汇总到操作站，通过CRT显示，或者声光报警或打印机输出，及时通知操作员；监测站、控制站各插件上都有状态信号灯，指示故障插件。所有以上这些措施极大地提高了系统的可靠性和安全性。

四、中小型DCS的基本结构

目前的DCS系统的总体性能基本上可以满足各大中型企业生产过程的控制需求。许多成熟技术和标准部件的直接使用，也促使DCS系统逐步向标准化、组件化和PC化方向发展。尽管如此，专业厂家生产的DCS系统仍有部分专用的软、硬件技术和通信技术，使得系统的价位超过了中小型企业的经济承受能力，极大地制约了我国中小型企业迈向生产自动化的进程。中小型企业的这种社会需求，促使许多厂家利用现有的工业PC、工业标准通信控制网络和通用控制级设备，构成中小型DCS系统。美国的AD公司将这类DCS系统命名为μDCS，如AD公司的μDCS6000系统。目前正在进入市场的现场总线控制系统（FCS）尽管解决了某些专业DCS系统的不足之处，但我国在一个相当长时间内，仍将处于DCS和FCS并存的时期，因此，讨论中小型DCS的实现方法仍然具有现实意义。

中小型DCS的拓扑结构一般采用专业DCS中用得比较广泛的总线拓扑结构，监控级设备（也可以称为上位机或操作站）一般使用工业PC，控制级设备使用产品化的调节仪表、可编程序控制器（PLC）和远程I/O模块等。上位机和控制级设备的网络通信则使用RS-485总线和面向字符型的通信协议。中小型DCS的基本结构如图7-2所示。

根据控制级所采用的不同控制设备，可以将中小型DCS系统分为工业PC+仪表、工业PC+PLC、工业PC+远程I/O三种基本形式。由工业PC+仪表这种方式构成的中小型DCS系统侧重于过程控制，该系统在脱开工业PC后仍是一个独立的仪表控制系统，具有仪表的基本调节功能和显示功能。由工业PC+PLC构成的中小型DCS系统侧重于逻辑控制和顺序控制，由于PLC可靠性极高，因此由此构成的中小型DCS系统具有高可靠性。但是由于一般的PLC都不自带显示功能，因此由IPC+PLC构成的中小型DCS在脱开工业PC后，只能借助于PLC的显示单元才能实现过程信息的监视。由工业PC+远程I/O构成的中小型DCS系统适用于过程控制和逻辑控制。如果远程I/O为子系统，则整个系统在脱开工业PC后仍然可以独立运行，如OPTO公司的OPT022系统、研华公司的ADAM5000系统。如果远程I/O为输入/输出模块，则整个系统在脱开工业PC后将无法自主运行，如研华（中国）公司的ADAM4000系列。图7-3为模拟量输入模块ADAM4017和数字量I/O模块ADAM4050。

习题与思考题

7-1  常规仪表控制系统、计算机集中控制系统与集散控制系统相比较有哪些缺点？

7-2  集散控制系统的发展经历了哪几个阶段？

7-3  集散控制系统中的软件技术有哪些？

7-4  集散控制系统的发展趋势是什么？

7-5  查阅文献，了解基于网络的计算机控制技术的发展动态。