微機控制技術(shù)第9章

1、第第9 9章章 分布式計算機控制系統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)9.1 9.1 概概 述述9.2 9.2 分布式控制的技術(shù)發(fā)展分布式控制的技術(shù)發(fā)展 9.3 9.3 分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器 9.4 9.4 分布式計算機控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制分布式計算機控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制 9.5 9.5 分布式計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用分布式計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用 9.1 9.1 概概 述述分布式控制系統(tǒng)概念分布式控制系統(tǒng)概念 各類控制系統(tǒng)的特點與比較各類控制系統(tǒng)的特點與比較分布式計算機控制的發(fā)展分布式計算機控制的發(fā)展 (1)(1)系統(tǒng)要有優(yōu)越的控制性能系統(tǒng)要有優(yōu)越的控制性能(2)(2)良好

2、的性能價格比良好的性能價格比(3)(3)高可靠性高可靠性(4)(4)靈活的構(gòu)成方式和簡易的操作方法靈活的構(gòu)成方式和簡易的操作方法 (5)(5)良好的可維護(hù)性良好的可維護(hù)性對一個規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因素眾多對一個規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因素眾多的工程大系統(tǒng)，用模擬儀表控制系統(tǒng)，計算機直接數(shù)的工程大系統(tǒng)，用模擬儀表控制系統(tǒng)，計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)很難滿足這些要求。字控制系統(tǒng)很難滿足這些要求。 1.現(xiàn)代工業(yè)對自動化控制系統(tǒng)提出更高現(xiàn)代工業(yè)對自動化控制系統(tǒng)提出更高 要求要求一一 分布式控制系統(tǒng)概念分布式控制系統(tǒng)概念 工程大系統(tǒng)要解決的是整體總目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化工程大系統(tǒng)要解決的是整體總目標(biāo)

3、函數(shù)最優(yōu)化問題，也就是要解決生產(chǎn)過程中產(chǎn)量要高、質(zhì)量要問題，也就是要解決生產(chǎn)過程中產(chǎn)量要高、質(zhì)量要好，能耗和成本要低、對環(huán)境污染要小等問題好，能耗和成本要低、對環(huán)境污染要小等問題。 2.工程大系統(tǒng)工程大系統(tǒng)整體總目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化可分成整體總目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化可分成動態(tài)最優(yōu)化和靜態(tài)最優(yōu)化兩個方面。動態(tài)最優(yōu)化和靜態(tài)最優(yōu)化兩個方面。動態(tài)最優(yōu)化解決生產(chǎn)進(jìn)行過程的最優(yōu)化。動態(tài)最優(yōu)化解決生產(chǎn)進(jìn)行過程的最優(yōu)化。 靜態(tài)最優(yōu)化則解決生產(chǎn)的規(guī)劃、組織、決策、管靜態(tài)最優(yōu)化則解決生產(chǎn)的規(guī)劃、組織、決策、管理的最優(yōu)化。理的最優(yōu)化。稱為稱為“離線離線”最優(yōu)化。最優(yōu)化。 稱為稱為“在線在線”最優(yōu)化。最優(yōu)化。3 3 整體總目標(biāo)函數(shù)

4、最優(yōu)化整體總目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化采用了采用了“分解分解”和和“協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)”的設(shè)計原則的設(shè)計原則分解：將高階對象大系統(tǒng)劃分為若干個低階分解：將高階對象大系統(tǒng)劃分為若干個低階小系統(tǒng)，并解除小系統(tǒng)之間的耦合，使它們之小系統(tǒng)，并解除小系統(tǒng)之間的耦合，使它們之間相互獨立，以便使用一般最優(yōu)控制理論，設(shè)間相互獨立，以便使用一般最優(yōu)控制理論，設(shè)計局部控制器，分別控制各個小系統(tǒng)，使之最計局部控制器，分別控制各個小系統(tǒng)，使之最優(yōu)化。優(yōu)化。 系統(tǒng)分解包括兩個方面的內(nèi)容：數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)分解包括兩個方面的內(nèi)容：數(shù)學(xué)模型的分解和目標(biāo)函數(shù)的分解。的分解和目標(biāo)函數(shù)的分解。4. 4. 工程大系統(tǒng)設(shè)計原則工程大系統(tǒng)設(shè)計原則協(xié)調(diào)：在局部最優(yōu)

5、化的基礎(chǔ)上考慮各子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)：在局部最優(yōu)化的基礎(chǔ)上考慮各子系統(tǒng)之間的相互影響和相互耦合作用，設(shè)計協(xié)調(diào)控制器，使的相互影響和相互耦合作用，設(shè)計協(xié)調(diào)控制器，使各局部控制器之間協(xié)調(diào)起來，達(dá)到整個系統(tǒng)的最優(yōu)各局部控制器之間協(xié)調(diào)起來，達(dá)到整個系統(tǒng)的最優(yōu)化?；?工程大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理想方案。工程大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理想方案。 遞階分級控制的方案被認(rèn)為是目前實現(xiàn)大系統(tǒng)遞階分級控制的方案被認(rèn)為是目前實現(xiàn)大系統(tǒng)綜合控制的理想方案綜合控制的理想方案 （大系統(tǒng)綜合控制理想方案（大系統(tǒng)綜合控制理想方案遞階分解控制）遞階分解控制）4. 4. 工程大系統(tǒng)設(shè)計原則（續(xù)）工程大系統(tǒng)設(shè)計原則（續(xù)）分層控制分層控制 分層控制是一種按控制

6、任務(wù)進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案，它把控制分層控制是一種按控制任務(wù)進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案，它把控制任務(wù)分成幾個不同的層次，由各層控制器分別完成，下層任務(wù)任務(wù)分成幾個不同的層次，由各層控制器分別完成，下層任務(wù)的目標(biāo)函數(shù)受上層控制器決策的影響的目標(biāo)函數(shù)受上層控制器決策的影響 。分級控制分級控制 分級控制是一種按對象結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案，它把對象分級控制是一種按對象結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案，它把對象劃分成若干個子系統(tǒng)，由各局部控制器完成現(xiàn)場控制任務(wù)，協(xié)劃分成若干個子系統(tǒng)，由各局部控制器完成現(xiàn)場控制任務(wù)，協(xié)調(diào)控制器通過控制遞階控制器完成局部控制器之間的協(xié)調(diào)。調(diào)控制器通過控制遞階控制器完成局部控制器之間的協(xié)調(diào)。 分段

7、控制分段控制 分段控制則是按控制過程的時序進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案，它把分段控制則是按控制過程的時序進(jìn)行分解的結(jié)構(gòu)方案，它把控制過程分成幾段，在每段時間內(nèi)由不同的控制器完成對現(xiàn)場控制過程分成幾段，在每段時間內(nèi)由不同的控制器完成對現(xiàn)場的控制，協(xié)調(diào)切換器則按銜接條件進(jìn)行各段控制器的切換控制的控制，協(xié)調(diào)切換器則按銜接條件進(jìn)行各段控制器的切換控制 。5. 5.遞階控制的形式遞階控制的形式 分級分布式控制系統(tǒng)是一種典型結(jié)構(gòu)圖。分級分布式控制系統(tǒng)是一種典型結(jié)構(gòu)圖。從結(jié)構(gòu)圖上看；從結(jié)構(gòu)圖上看；它同時具有分級和分層兩種形式，而實用上直接控制器往往在不它同時具有分級和分層兩種形式，而實用上直接控制器往往在不同時刻有不

8、同形式，由上層遞階控制器控制切換時間。像這種同同時刻有不同形式，由上層遞階控制器控制切換時間。像這種同時具有多種遞階控制形式的控制結(jié)構(gòu)，有時稱為分級分布式控制。時具有多種遞階控制形式的控制結(jié)構(gòu)，有時稱為分級分布式控制。分級分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分級分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 為滿足生產(chǎn)過程綜合自動化的要求，美國為滿足生產(chǎn)過程綜合自動化的要求，美國HoneywellHoneywell公司于公司于19751975年公布的新型控制系統(tǒng)年公布的新型控制系統(tǒng)TDC2000TDC2000，開創(chuàng)了分級分布式控制在過程控制領(lǐng)域，開創(chuàng)了分級分布式控制在過程控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用先例，接著世界各國對分布式控制系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用先例，

9、接著世界各國對分布式控制系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善。下圖是分布式控制系統(tǒng)的組成不斷發(fā)展和完善。下圖是分布式控制系統(tǒng)的組成框圖。框圖。6.分布式計算機控制系統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)(1) 分布式控制系統(tǒng)概念 分布式計算機控制系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)，簡稱DCS（Distributed Control System），它是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求，從綜合自動化的角度出發(fā)，按功能分散、管理集中的原則，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計而成。 分布式計算機控制系統(tǒng)包含了計算機（Computer）、通信（Communication）、終端顯示（CRT）和控制（Control）技術(shù)而發(fā)展起來的新

10、型控制系統(tǒng)(2) 分布式控制系統(tǒng)組成框圖分布式控制系統(tǒng)組成框圖 管理級管理級 管理計算機完成制定生產(chǎn)計劃、產(chǎn)品管理、財務(wù)管理計算機完成制定生產(chǎn)計劃、產(chǎn)品管理、財務(wù)理、人員管理以及工藝流程管理等功能，以實現(xiàn)生產(chǎn)理、人員管理以及工藝流程管理等功能，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的靜態(tài)最優(yōu)過程的靜態(tài)最優(yōu) 。 監(jiān)控級監(jiān)控級 監(jiān)控計算機通過協(xié)調(diào)各基本控制器的工作，達(dá)到過監(jiān)控計算機通過協(xié)調(diào)各基本控制器的工作，達(dá)到過程的動態(tài)最優(yōu)化。程的動態(tài)最優(yōu)化。 基礎(chǔ)級基礎(chǔ)級 基本控制器完成過程的現(xiàn)場控制任務(wù)?；究刂破魍瓿蛇^程的現(xiàn)場控制任務(wù)。 CRTCRT操作站是顯示操作裝置，完成人操作站是顯示操作裝置，完成人控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)過程的接

11、口任務(wù)。過程的接口任務(wù)。 數(shù)據(jù)采集器用來收集現(xiàn)場控制信息和過程變化的信數(shù)據(jù)采集器用來收集現(xiàn)場控制信息和過程變化的信息。息。n(3) DCS的發(fā)展階段 第一階段（1975年1980年） 代表產(chǎn)品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等 主要由過程控制單元PCU、數(shù)據(jù)采集裝置DAU、CRT操作站、監(jiān)控計算機和數(shù)據(jù)高速公路HW五部分組成 第二階段（1980年1985年） 主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的Centum A，B，D等 主要由局部網(wǎng)絡(luò)LAN、多

12、功能控制器MC、增強型操作站EOS、通用操作站US、網(wǎng)間連接器GW、系統(tǒng)管理模塊SMM和主計算機HC七部分組成 第三階段（1985年1990年） DCS向計算機網(wǎng)絡(luò)控制擴展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起來，并且加強斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)和開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動化協(xié)議MAP標(biāo)準(zhǔn)，以及硬件上的諸多新技術(shù)，從而克服了自動化孤島問題 典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等 第四階段（1990年以后） DCS以管控一體化出現(xiàn)，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結(jié)構(gòu)，在

13、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)，并可與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富，一些優(yōu)化和管理良好的界面的軟件被開發(fā)并移植到DCS中 典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，日本橫河公司的Centum-CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的I/AS50/51系統(tǒng)等n(4)DCS的特點 分級遞階控制 硬件積木化 軟件模塊化：工程師站組態(tài)軟件、操作站實時監(jiān)控軟件以及過程控制站軟件 控制系統(tǒng)用組態(tài)方法生成 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 可靠性高：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)、抗干擾技術(shù)和高性能的元件 開放系統(tǒng)：可移植性、互操作性、可適宜性、可得到性1. 1.常規(guī)儀表

14、控制系統(tǒng)常規(guī)儀表控制系統(tǒng) 在控制性能上有局限性。在控制性能上有局限性。 (1)(1)在控制性能上，儀表系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)單參數(shù)的在控制性能上，儀表系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)單參數(shù)的PIDPID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)和簡單的串級、前饋控制，無法實現(xiàn)復(fù)雜的控制形式，如自和簡單的串級、前饋控制，無法實現(xiàn)復(fù)雜的控制形式，如自適應(yīng)控制、最優(yōu)化控制。各個系統(tǒng)不便進(jìn)行通信聯(lián)系，難于適應(yīng)控制、最優(yōu)化控制。各個系統(tǒng)不便進(jìn)行通信聯(lián)系，難于實現(xiàn)分級控制系統(tǒng)。實現(xiàn)分級控制系統(tǒng)。 (2)(2)在人機聯(lián)系上，儀表系統(tǒng)通過安裝在中央控制室儀表屏上在人機聯(lián)系上，儀表系統(tǒng)通過安裝在中央控制室儀表屏上的表盤實現(xiàn)人的表盤實現(xiàn)人計算機計算機生產(chǎn)過程的聯(lián)系。而

15、生產(chǎn)規(guī)模的擴生產(chǎn)過程的聯(lián)系。而生產(chǎn)規(guī)模的擴大，使儀表屏越來越長，難于實現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。大，使儀表屏越來越長，難于實現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。 (3)(3)在系統(tǒng)組成上，中央控制室式的結(jié)構(gòu)給監(jiān)視操作帶來一定在系統(tǒng)組成上，中央控制室式的結(jié)構(gòu)給監(jiān)視操作帶來一定方便，同時也帶來以下一些副作用，即系統(tǒng)的重構(gòu)困難，控方便，同時也帶來以下一些副作用，即系統(tǒng)的重構(gòu)困難，控制風(fēng)險集中等。制風(fēng)險集中等。 二、各類控制系統(tǒng)的特點與比較二、各類控制系統(tǒng)的特點與比較集中式控制系統(tǒng)是指那種將過程數(shù)據(jù)輸入輸出、集中式控制系統(tǒng)是指那種將過程數(shù)據(jù)輸入輸出、 實時數(shù)據(jù)庫的管理、實時數(shù)據(jù)的處理與保存、歷史實時數(shù)據(jù)庫的管理、實時數(shù)

16、據(jù)的處理與保存、歷史數(shù)據(jù)庫的管理、歷史數(shù)據(jù)處理與保存、人機界面的數(shù)據(jù)庫的管理、歷史數(shù)據(jù)處理與保存、人機界面的處理、報警與日志記錄、報表直至系統(tǒng)本身的監(jiān)督處理、報警與日志記錄、報表直至系統(tǒng)本身的監(jiān)督管理等所有功能集中在一臺計算機中的那種系統(tǒng)。管理等所有功能集中在一臺計算機中的那種系統(tǒng)。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、清晰，集中集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、清晰，集中式的數(shù)據(jù)庫很容易管理，并容易保證數(shù)據(jù)的一致性。式的數(shù)據(jù)庫很容易管理，并容易保證數(shù)據(jù)的一致性。 2.計算機集中控制系統(tǒng)計算機集中控制系統(tǒng)a. a.各種功能集中在一臺計算機中，各種功能集中在一臺計算機中， 增大了計算機失效或故障對整增大

17、了計算機失效或故障對整個系統(tǒng)危害性。集中式的系統(tǒng)將所有的功能、所有的處理集中在個系統(tǒng)危害性。集中式的系統(tǒng)將所有的功能、所有的處理集中在一臺計算機上，大大增加了計算機失效或故障對整個系統(tǒng)造成的一臺計算機上，大大增加了計算機失效或故障對整個系統(tǒng)造成的危害性，所有實時信息、歷史數(shù)據(jù)和處理功能集于一身，一旦出危害性，所有實時信息、歷史數(shù)據(jù)和處理功能集于一身，一旦出現(xiàn)問題，造成的后果都是全局性的?，F(xiàn)問題，造成的后果都是全局性的。 b. b.集中式的系統(tǒng)需要龐大而復(fù)雜的軟件體系，使得系統(tǒng)的軟件可集中式的系統(tǒng)需要龐大而復(fù)雜的軟件體系，使得系統(tǒng)的軟件可靠性下降，實際運行情況表明，集中式系統(tǒng)在現(xiàn)場運行時出現(xiàn)的靠

18、性下降，實際運行情況表明，集中式系統(tǒng)在現(xiàn)場運行時出現(xiàn)的故障有故障有7070以上是由于設(shè)計不良或存在缺陷的軟件造成的。以上是由于設(shè)計不良或存在缺陷的軟件造成的。c. c.系統(tǒng)的可擴性差，限于計算機硬件的配置與能力，一個系統(tǒng)在系統(tǒng)的可擴性差，限于計算機硬件的配置與能力，一個系統(tǒng)在建立時基本上就已經(jīng)確定了其最終能力，如果能預(yù)見到其規(guī)模的建立時基本上就已經(jīng)確定了其最終能力，如果能預(yù)見到其規(guī)模的擴充，只有預(yù)留計算機的處理能力，這將造成很大的投資上的浪擴充，只有預(yù)留計算機的處理能力，這將造成很大的投資上的浪費。費。 集中式控制系統(tǒng)的缺點分布式控制系統(tǒng)是先進(jìn)的控制方案，其主要優(yōu)點是：分布式控制系統(tǒng)是先進(jìn)的控

19、制方案，其主要優(yōu)點是：采用分布式控制結(jié)構(gòu)，各控制器的任務(wù)明確，計算采用分布式控制結(jié)構(gòu)，各控制器的任務(wù)明確，計算量量 平衡，平衡， 因此效率更高；因此效率更高；在物理上的分散結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場總線等通信技術(shù)，在物理上的分散結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場總線等通信技術(shù)，減少了干擾和故障，同時大大節(jié)省了電纜；減少了干擾和故障，同時大大節(jié)省了電纜；實現(xiàn)分散控制、集中操作管理，降低了風(fēng)險；實現(xiàn)分散控制、集中操作管理，降低了風(fēng)險；系統(tǒng)重構(gòu)簡單。系統(tǒng)重構(gòu)簡單。3.分布式控制系統(tǒng) 隨著自動控制理論的發(fā)展，新的自動控制技隨著自動控制理論的發(fā)展，新的自動控制技術(shù)的出現(xiàn)，特別是計算機工業(yè)的發(fā)展，使得包括術(shù)的出現(xiàn)，特別是計算機工業(yè)的發(fā)展

20、，使得包括熱力發(fā)電廠熱工自動控制系統(tǒng)在內(nèi)的過程控制系熱力發(fā)電廠熱工自動控制系統(tǒng)在內(nèi)的過程控制系統(tǒng)跨入了計算機控制時代。統(tǒng)跨入了計算機控制時代。 DCSDCS控制系統(tǒng)則在系統(tǒng)的處理能力和系統(tǒng)安控制系統(tǒng)則在系統(tǒng)的處理能力和系統(tǒng)安全性方面明顯優(yōu)于集中系統(tǒng)，這是由于全性方面明顯優(yōu)于集中系統(tǒng)，這是由于DCSDCS采用采用多臺計算機分擔(dān)了控制的功能和服務(wù)，使處理能多臺計算機分擔(dān)了控制的功能和服務(wù)，使處理能力大大提高，而風(fēng)險性卻分散的緣故。力大大提高，而風(fēng)險性卻分散的緣故。 三.分布式計算機控制的發(fā)展1 1 計算機控制系統(tǒng)硬件發(fā)展計算機控制系統(tǒng)硬件發(fā)展a. a.計算機硬件技術(shù)的發(fā)展計算機硬件技術(shù)的發(fā)展計算機

21、的發(fā)展（這里主要指硬件技術(shù)的發(fā)展）主要表現(xiàn)在兩計算機的發(fā)展（這里主要指硬件技術(shù)的發(fā)展）主要表現(xiàn)在兩個方面：一是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路芯片的技術(shù)不斷提個方面：一是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路芯片的技術(shù)不斷提高，使計算機性能得到大幅度提高；另一個是計算機體系結(jié)高，使計算機性能得到大幅度提高；另一個是計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。兩者的結(jié)合使計算機的產(chǎn)業(yè)發(fā)生了革命性的變化，構(gòu)的發(fā)展。兩者的結(jié)合使計算機的產(chǎn)業(yè)發(fā)生了革命性的變化，這些變化必定會對這些變化必定會對DCSDCS產(chǎn)生巨大影響產(chǎn)生巨大影響 。b.PCb.PC機的發(fā)展為機的發(fā)展為DCSDCS提供各種節(jié)點提供各種節(jié)點采用采用PCPC機作為機作為DCSDCS中

22、的各種節(jié)點，特別是操作員站和工程師中的各種節(jié)點，特別是操作員站和工程師站已是自然的發(fā)展趨勢。站已是自然的發(fā)展趨勢。 PCPC機在機在DCSDCS中的應(yīng)用，極大地提高中的應(yīng)用，極大地提高了了DCSDCS的功能和性能，尤其是的功能和性能，尤其是PCPC機廣泛的軟件資源和網(wǎng)絡(luò)支機廣泛的軟件資源和網(wǎng)絡(luò)支持、圖形處理能力等。持、圖形處理能力等。 . .分布式計算機的發(fā)展分布式計算機的發(fā)展（硬件和軟件、硬件和軟件、 總線、網(wǎng)絡(luò)） 在傳統(tǒng)的在傳統(tǒng)的DCSDCS中，中，I/OI/O控制站是由一個控制站是由一個CPUCPU控制的，各控制的，各種種I/OI/O板通過控制器總線相連，板通過控制器總線相連，I/OI/

23、O控制站的控制站的CPUCPU完成數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)采集、控制回路計算和控制輸出的功能。這種結(jié)構(gòu)在一定采集、控制回路計算和控制輸出的功能。這種結(jié)構(gòu)在一定程度上實現(xiàn)了分散的要求，可以用多個這樣的控制器分擔(dān)程度上實現(xiàn)了分散的要求，可以用多個這樣的控制器分擔(dān)整個系統(tǒng)的采集控制功能，分散了危險性，但它本身仍然整個系統(tǒng)的采集控制功能，分散了危險性，但它本身仍然為集中式的結(jié)構(gòu)，一旦這臺控制器出現(xiàn)故障，其影響面還為集中式的結(jié)構(gòu)，一旦這臺控制器出現(xiàn)故障，其影響面還是很大的。另外系統(tǒng)規(guī)模的擴大仍然有賴于增加控制器的是很大的。另外系統(tǒng)規(guī)模的擴大仍然有賴于增加控制器的數(shù)量，靈活性仍然受到限制。隨著微控制器技術(shù)的發(fā)展和數(shù)量

24、，靈活性仍然受到限制。隨著微控制器技術(shù)的發(fā)展和成本的進(jìn)一步降低，使得各個成本的進(jìn)一步降低，使得各個I/OI/O板實現(xiàn)智能化并互相通板實現(xiàn)智能化并互相通過現(xiàn)場總線交換信息成為可能。過現(xiàn)場總線交換信息成為可能。DCSDCS的進(jìn)一步分散，使的進(jìn)一步分散，使I/OI/O控制站不再是一個集中式的結(jié)構(gòu)，它本身也成了一和式結(jié)控制站不再是一個集中式的結(jié)構(gòu)，它本身也成了一和式結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 c. c.由于計算機技術(shù)的發(fā)展，使作為局部控制器的由于計算機技術(shù)的發(fā)展，使作為局部控制器的PLCPLC也發(fā)展成為由也發(fā)展成為由PLCPLC組成的組成的DCSDCS的形態(tài)。的形態(tài)。 初期的初期的PLCPLC作為一個作為一個2 2位

25、，一道道工序的局部位，一道道工序的局部控制。由于控制。由于PLCPLC在控制可靠性，控制的實時性和重在控制可靠性，控制的實時性和重新組態(tài)方便等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍擴大。隨著新組態(tài)方便等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍擴大。隨著PLCPLC性性能不斷提高，尤其在通信。數(shù)據(jù)處理與計算性能提能不斷提高，尤其在通信。數(shù)據(jù)處理與計算性能提高，這樣就使高，這樣就使PLCPLC有條件與其它各種計算機系統(tǒng)和有條件與其它各種計算機系統(tǒng)和設(shè)備實現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)。設(shè)備實現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)。 d. d.工作站的形成和圖形圖像處理的發(fā)展工作站的形成和圖形圖像處理的發(fā)展2. 2.分布式計算機的發(fā)展分布式計算機的發(fā)展硬件

26、發(fā)展（續(xù)）硬件發(fā)展（續(xù)） 計算機軟件技術(shù)的發(fā)展相對緩慢，因此軟件的產(chǎn)計算機軟件技術(shù)的發(fā)展相對緩慢，因此軟件的產(chǎn)品更注重積累。由于軟件之龐大，特別注重積累，而品更注重積累。由于軟件之龐大，特別注重積累，而軟件的開發(fā)基本上還是一種依靠大量人力完成的工作，軟件的開發(fā)基本上還是一種依靠大量人力完成的工作，因此軟件的界面標(biāo)準(zhǔn)就變得極其重要。有了界面標(biāo)準(zhǔn)，因此軟件的界面標(biāo)準(zhǔn)就變得極其重要。有了界面標(biāo)準(zhǔn)，且各個軟件制造商都遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，才能使得各家的且各個軟件制造商都遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，才能使得各家的軟件可以放在同一個系統(tǒng)中運行，互相共享軟件資源，軟件可以放在同一個系統(tǒng)中運行，互相共享軟件資源，以實現(xiàn)更多的功能。

27、以實現(xiàn)更多的功能。 2. 2.分布式計算機的軟件發(fā)展分布式計算機的軟件發(fā)展計算機軟件的發(fā)展計算機軟件的發(fā)展n系統(tǒng)軟件的發(fā)展 采用多任務(wù)多用戶的Unix操作系統(tǒng)或其改進(jìn)版本 引入人工智能 采用智能變送器、智能控制器和智能執(zhí)行機構(gòu)等智能儀表 采用智能控制算法 采用管理、調(diào)度等優(yōu)化軟件包 采用GUI圖形處理的各種應(yīng)用軟件 交互式關(guān)系數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用 3 現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展。 互操作性 更低的安裝費用 更低的維護(hù)費用 有助于維護(hù) 改進(jìn)功能 4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。 Client/Server網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信接口 數(shù)字儀表綜合化 數(shù)字儀表可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制功能運算、操作監(jiān)視、報警和控制，一些儀表還包括高級

28、的控制算法 采用數(shù)字儀表可大大節(jié)約現(xiàn)場接線和安裝費用，現(xiàn)場信號用同軸電纜傳送到上一級9.2 9.2 分布式計算機控制系統(tǒng)的組成和體系結(jié)構(gòu)分布式計算機控制系統(tǒng)的組成和體系結(jié)構(gòu)一一.DCS.DCS設(shè)計的基本原則設(shè)計的基本原則1. 1.多臺控制器來完成所有過程量的輸入輸出多臺控制器來完成所有過程量的輸入輸出 針對過程量的輸入輸出處理過于集中的問題，設(shè)想使用針對過程量的輸入輸出處理過于集中的問題，設(shè)想使用多臺控制器（計算機或多臺控制器（計算機或PLCPLC）共同完成所有過程量的輸入輸）共同完成所有過程量的輸入輸出，每臺控制器只處理一部分實時數(shù)據(jù)，而每臺控制器的失出，每臺控制器只處理一部分實時數(shù)據(jù)，而每

29、臺控制器的失效只會影響到自己所處理的那一部分實時數(shù)據(jù)，不至于造成效只會影響到自己所處理的那一部分實時數(shù)據(jù)，不至于造成整個系統(tǒng)失去實時數(shù)據(jù)；整個系統(tǒng)失去實時數(shù)據(jù)；2. 2.針對每臺控制器的處理盡量單一化針對每臺控制器的處理盡量單一化 采用不同的計算機去處理不同的功能，以提高每臺控制采用不同的計算機去處理不同的功能，以提高每臺控制器的運行效率，而且單一化的處理在軟件結(jié)構(gòu)上容易做得簡器的運行效率，而且單一化的處理在軟件結(jié)構(gòu)上容易做得簡單，提高了軟件的可靠性；單，提高了軟件的可靠性；3. 3.方便解決系統(tǒng)的擴充與升級的問題方便解決系統(tǒng)的擴充與升級的問題用計算機網(wǎng)絡(luò)解決系統(tǒng)的擴充與升級的問題，與計算機的

30、內(nèi)部用計算機網(wǎng)絡(luò)解決系統(tǒng)的擴充與升級的問題，與計算機的內(nèi)部總線相比，計算機網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備相對簡單、可擴性強等特點，總線相比，計算機網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備相對簡單、可擴性強等特點，只要選型得當(dāng)，一個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)可以具有極大的伸縮性，從而只要選型得當(dāng)，一個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)可以具有極大的伸縮性，從而使系統(tǒng)的規(guī)?？梢栽诤艽蟪潭壬蠈崿F(xiàn)擴充而并不增加很多費用；使系統(tǒng)的規(guī)模可以在很大程度上實現(xiàn)擴充而并不增加很多費用； 4. 4.多臺控制器同時工作對整個系統(tǒng)可靠性影響問題多臺控制器同時工作對整個系統(tǒng)可靠性影響問題網(wǎng)絡(luò)中的各臺控制器處于平等地位，在運行中互相之間不存在網(wǎng)絡(luò)中的各臺控制器處于平等地位，在運行中互相之間不存在依賴關(guān)系，

31、以保證任一計算機的失效只影響自身。依賴關(guān)系，以保證任一計算機的失效只影響自身。分布式控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是計算機的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分布式控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是計算機的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，DCSDCS的體系結(jié)的體系結(jié)構(gòu)其使之就是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。構(gòu)其使之就是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 一一.DCS.DCS設(shè)計的基本原則（續(xù)）設(shè)計的基本原則（續(xù)） 1 DCS 1 DCS 的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 DCSDCS的基本構(gòu)成可以簡單地將其歸納為的基本構(gòu)成可以簡單地將其歸納為“三點一線三點一線”式的式的結(jié)構(gòu)。一線是指計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線。三點是指在網(wǎng)絡(luò)上結(jié)構(gòu)。一線是指計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線。三點是指在網(wǎng)絡(luò)上3 3種種不同類型的節(jié)點：面向被控過程的現(xiàn)場不同

32、類型的節(jié)點：面向被控過程的現(xiàn)場I/OI/O控制站、面向操作控制站、面向操作員的操作站和面向員的操作站和面向DCSDCS監(jiān)督管理人員的工程師站。監(jiān)督管理人員的工程師站。 1.DCS1.DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 用于用于DCSDCS的計算機網(wǎng)絡(luò)在很多方面的要求不同于通用的計的計算機網(wǎng)絡(luò)在很多方面的要求不同于通用的計算機網(wǎng)絡(luò)。首先，它是一個實時網(wǎng)絡(luò)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)需要根算機網(wǎng)絡(luò)。首先，它是一個實時網(wǎng)絡(luò)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)現(xiàn)場通信實時性的要求，在確定的時限內(nèi)完成信息的傳送。據(jù)現(xiàn)場通信實時性的要求，在確定的時限內(nèi)完成信息的傳送。 二二.DCS.DCS的組成的組成拓?fù)渲妇W(wǎng)絡(luò)中站或節(jié)點相連接的方法。拓

33、撲指網(wǎng)絡(luò)中站或節(jié)點相連接的方法。 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有五種，即星型、樹型、總線型、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有五種，即星型、樹型、總線型、環(huán)型、分散型。目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是環(huán)形和環(huán)型、分散型。目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是環(huán)形和總線形網(wǎng)。在這兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點可以總線形網(wǎng)。在這兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點可以說是平等的，任意兩個節(jié)點之間的通信可以直接通說是平等的，任意兩個節(jié)點之間的通信可以直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，而不需其它節(jié)點的介入。過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，而不需其它節(jié)點的介入。為了實現(xiàn)傳輸介質(zhì)共享，對于多個節(jié)點傳送信息的為了實現(xiàn)傳輸介質(zhì)共享，對于多個節(jié)點傳送信息的請求必須采用分時的方法，以避免信息在網(wǎng)絡(luò)上的請求必須采用分

34、時的方法，以避免信息在網(wǎng)絡(luò)上的碰撞。碰撞。2 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。a. a.令牌方法劃分各個節(jié)點的時間片，使每一瞬間只有一個節(jié)點令牌方法劃分各個節(jié)點的時間片，使每一瞬間只有一個節(jié)點使用物理傳輸介質(zhì)，即所謂使用物理傳輸介質(zhì)，即所謂Token RingToken Ring（對于環(huán)形網(wǎng)）或（對于環(huán)形網(wǎng)）或Token PassingToken Passing（對于總線形網(wǎng)）方式。令牌實際是一個標(biāo)識信（對于總線形網(wǎng)）方式。令牌實際是一個標(biāo)識信號，它規(guī)定了要使用物理傳輸介質(zhì)的節(jié)點標(biāo)識，只有符合標(biāo)識號，它規(guī)定了要使用物理傳輸介質(zhì)的節(jié)點標(biāo)識，只有符合標(biāo)識的節(jié)點（節(jié)點的標(biāo)識號在系統(tǒng)中是唯一的）才能使

35、用網(wǎng)絡(luò)。這的節(jié)點（節(jié)點的標(biāo)識號在系統(tǒng)中是唯一的）才能使用網(wǎng)絡(luò)。這樣就避免了某個節(jié)點傳送信息時被其它節(jié)點干擾，當(dāng)傳送信息樣就避免了某個節(jié)點傳送信息時被其它節(jié)點干擾，當(dāng)傳送信息的節(jié)點完成傳送之后，即刻釋放網(wǎng)絡(luò)，并產(chǎn)生一個令牌，將網(wǎng)的節(jié)點完成傳送之后，即刻釋放網(wǎng)絡(luò)，并產(chǎn)生一個令牌，將網(wǎng)絡(luò)讓給其它節(jié)點。絡(luò)讓給其它節(jié)點。b. b.另一種解決碰撞的技術(shù)是載波偵聽與碰撞檢測技術(shù)，即另一種解決碰撞的技術(shù)是載波偵聽與碰撞檢測技術(shù)，即CSMACSMACDCD方式。這種方式不規(guī)定時間片，需要使用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)方式。這種方式不規(guī)定時間片，需要使用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。首先需要對網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)行偵聽，檢測網(wǎng)絡(luò)是否忙，如果忙，點。首先需要對網(wǎng)

36、絡(luò)線進(jìn)行偵聽，檢測網(wǎng)絡(luò)是否忙，如果忙，則等待，直到網(wǎng)絡(luò)空閑。則等待，直到網(wǎng)絡(luò)空閑。 解決網(wǎng)絡(luò)技術(shù)碰撞的辦法有兩種解決網(wǎng)絡(luò)技術(shù)碰撞的辦法有兩種現(xiàn)場現(xiàn)場I/OI/O控制站是完成對過程現(xiàn)場控制站是完成對過程現(xiàn)場I/OI/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（制（DDCDDC）的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，主要功能有）的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，主要功能有3 3個：個：將各種現(xiàn)場發(fā)生的過程量（流量、壓力、液位、溫度、電流、將各種現(xiàn)場發(fā)生的過程量（流量、壓力、液位、溫度、電流、電壓、功率以及各種狀態(tài)等）進(jìn)行數(shù)字化，并將這些數(shù)字化后電壓、功率以及各種狀態(tài)等）進(jìn)行數(shù)字化，并將這些數(shù)字化后的量存在存儲器中，形成一個與現(xiàn)場過程量一致的、

37、能一一對的量存在存儲器中，形成一個與現(xiàn)場過程量一致的、能一一對應(yīng)的、并按實際運行情況實時地改變和更新的現(xiàn)場過程量的實應(yīng)的、并按實際運行情況實時地改變和更新的現(xiàn)場過程量的實時數(shù)據(jù)；時數(shù)據(jù)；將本站采集到的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到操作員站、工程師站將本站采集到的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到操作員站、工程師站及其它現(xiàn)場及其它現(xiàn)場I IO O控制站，以便實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)督和控制，控制站，以便實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)督和控制，同時現(xiàn)場同時現(xiàn)場I IO O控制站還可接收由操作員站、工程師站下發(fā)的信控制站還可接收由操作員站、工程師站下發(fā)的信息，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的人工控制或?qū)Ρ菊镜膮?shù)設(shè)定；息，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的人工控制或?qū)Ρ菊镜?/p>

38、參數(shù)設(shè)定；現(xiàn)場現(xiàn)場I/OI/O控制站控制站在本站實現(xiàn)局部自動控制、回路的計算及閉環(huán)控制、在本站實現(xiàn)局部自動控制、回路的計算及閉環(huán)控制、順序控制等。順序控制等。 對于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場對于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場I/OI/O控制站應(yīng)該是一個獨控制站應(yīng)該是一個獨立運行單位，它具備了直接數(shù)字控制立運行單位，它具備了直接數(shù)字控制ODCODC所需的一切條所需的一切條件，因此現(xiàn)場件，因此現(xiàn)場I/OI/O控制站應(yīng)具備不依賴控制站應(yīng)具備不依賴DCSDCS其它部分獨立其它部分獨立運行的能力，這樣在運行的能力，這樣在DCSDCS其它部分失效的情況下，仍能其它部分失效的情況下，仍能對現(xiàn)場執(zhí)行最基本的控制。對現(xiàn)場執(zhí)行最

39、基本的控制。現(xiàn)場現(xiàn)場I/OI/O控制站功能（續(xù)）控制站功能（續(xù)） 操作員站主要功能就是為系統(tǒng)的運行操作員提供人機界操作員站主要功能就是為系統(tǒng)的運行操作員提供人機界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)和各面，使操作員可以通過操作員站及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)和各種運行參數(shù)的當(dāng)前值。種運行參數(shù)的當(dāng)前值。 人機界面上顯示的內(nèi)容包括如下人機界面上顯示的內(nèi)容包括如下 （1 1）生產(chǎn)過程的模擬流程圖）生產(chǎn)過程的模擬流程圖 （2 2）報警窗口）報警窗口 （3 3）關(guān)鍵數(shù)據(jù)的常駐顯示）關(guān)鍵數(shù)據(jù)的常駐顯示 （4 4）實時趨勢顯示）實時趨勢顯示 （5 5）檢測及控制儀表的模擬顯示）檢測及控制儀表的模擬顯示

40、（6 6）靈活方便的畫面調(diào)用）靈活方便的畫面調(diào)用 （7 7）音響報警裝置）音響報警裝置 操作員站操作員站工程師站提供的功能有工程師站提供的功能有（1 1）硬件配置組態(tài)功能）硬件配置組態(tài)功能 （2 2）數(shù)據(jù)庫組態(tài)功能）數(shù)據(jù)庫組態(tài)功能 （3 3）控制回路組態(tài)功能）控制回路組態(tài)功能 （4 4）邏輯控制及批控制組態(tài)）邏輯控制及批控制組態(tài) （5 5）控制算法語言的組態(tài)）控制算法語言的組態(tài) （6 6）操作員站顯示畫面的生）操作員站顯示畫面的生 （7 7）報表生成組態(tài)）報表生成組態(tài) （8 8）組態(tài)數(shù)據(jù)的編譯和下裝）組態(tài)數(shù)據(jù)的編譯和下裝 （9 9）操作安全保護(hù)組態(tài)）操作安全保護(hù)組態(tài) 工程師站工程師站 圖圖9-

41、49-4表示集散系統(tǒng)基表示集散系統(tǒng)基本控制器的構(gòu)成，它是功本控制器的構(gòu)成，它是功能模塊組件組裝式的，各能模塊組件組裝式的，各模塊以插件形式插在機箱模塊以插件形式插在機箱中，以便于維修和擴展。中，以便于維修和擴展。 基本控制器采用總線基本控制器采用總線結(jié)構(gòu)，所有插件都直接掛結(jié)構(gòu)，所有插件都直接掛在總線上。其中在總線上。其中CPUCPU單元單元和存儲器部分是核心部件。和存儲器部分是核心部件。 圖圖9-4 9-4 基本控制器結(jié)構(gòu)基本控制器結(jié)構(gòu)9.3 9.3 分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器一一. .基本控制器構(gòu)成基本控制器構(gòu)成CPUCPU單元單元 CPUCPU單元按預(yù)

42、定的周期和程序，對信號進(jìn)行運算、處理，單元按預(yù)定的周期和程序，對信號進(jìn)行運算、處理，并對基本控制器內(nèi)部各單元執(zhí)行操作控制和故障診斷。并對基本控制器內(nèi)部各單元執(zhí)行操作控制和故障診斷。 存儲器存儲器 存儲器可分成程序存儲器和工作存儲器兩部分。程序存儲存儲器可分成程序存儲器和工作存儲器兩部分。程序存儲器一般由器一般由ROMROM組成，用于存放基本控制器的管理、監(jiān)控程序和組成，用于存放基本控制器的管理、監(jiān)控程序和標(biāo)準(zhǔn)算法程序。工作存儲器中存放一個分散的過程數(shù)據(jù)庫，用標(biāo)準(zhǔn)算法程序。工作存儲器中存放一個分散的過程數(shù)據(jù)庫，用來保存現(xiàn)場信號信息。來保存現(xiàn)場信號信息。 工作存儲器通常由工作存儲器通常由RAMRA

43、M和和EPROMEPROM組成（組成（EPROMEPROM中通常存中通常存放類似控制組態(tài)字之類的對控制關(guān)系重大且相對穩(wěn)定的參數(shù)）。放類似控制組態(tài)字之類的對控制關(guān)系重大且相對穩(wěn)定的參數(shù)）。存儲器通常是可以擴展的，用戶可以根據(jù)特殊需要編寫專門的存儲器通常是可以擴展的，用戶可以根據(jù)特殊需要編寫專門的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序。 一一. .基本控制器構(gòu)成（續(xù)）基本控制器構(gòu)成（續(xù)）操作員接口操作員接口 完成基本控制器和數(shù)據(jù)輸入板完成基本控制器和數(shù)據(jù)輸入板DEPDEP、模擬顯示單元（選、模擬顯示單元（選用）之間的信息交流。用）之間的信息交流。通信接口單元通信接口單元 完成基本控制器和數(shù)據(jù)高速通道之間的信息發(fā)送和接

44、收，完成基本控制器和數(shù)據(jù)高速通道之間的信息發(fā)送和接收，并進(jìn)行檢錯、串并進(jìn)行檢錯、串/ /并互換、并互換、DMADMA控制等?？刂频?。輸入通道輸入通道 將模擬信號經(jīng)模擬濾波、采樣、放大、將模擬信號經(jīng)模擬濾波、采樣、放大、A AD D轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入數(shù)字信號送入CPUCPU。該信號經(jīng)數(shù)字濾波、標(biāo)度變換以后存入。該信號經(jīng)數(shù)字濾波、標(biāo)度變換以后存入數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)。一一. .基本控制器構(gòu)成（續(xù)）基本控制器構(gòu)成（續(xù)）輸出通道輸出通道 將將CPUCPU輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行D DA A轉(zhuǎn)換，經(jīng)保持電路以后控轉(zhuǎn)換，經(jīng)保持電路以后控制執(zhí)行機構(gòu)。制執(zhí)行機構(gòu)。終端板終端板 與過程變送器和執(zhí)行器直接

45、相連接，起到基本控制器與過程變送器和執(zhí)行器直接相連接，起到基本控制器與過程的接口作用，板上配有電平轉(zhuǎn)換電路，可將輸入信與過程的接口作用，板上配有電平轉(zhuǎn)換電路，可將輸入信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。一一. .基本控制器構(gòu)成（續(xù)）基本控制器構(gòu)成（續(xù)）1. 1.以模擬控制為主，帶有簡單的程序控制功能；以模擬控制為主，帶有簡單的程序控制功能；2. 2. 以順序控制、程序控制為主，兼有模擬控制功能。以順序控制、程序控制為主，兼有模擬控制功能。 二二. .基本控制器有兩種形式基本控制器有兩種形式三三. .基本控制器的功能基本控制器的功能基本控制器具有控制和接口的雙重功能。基本控制器具有控制和接口的

46、雙重功能。 1. 1.控制功能控制功能（1 1）PIDPID控制控制（2 2）遠(yuǎn)方本地設(shè)定值功能）遠(yuǎn)方本地設(shè)定值功能（3 3）數(shù)字邏輯功能）數(shù)字邏輯功能（4 4）程序控制功能（以時間或邏輯為基礎(chǔ)）程序控制功能（以時間或邏輯為基礎(chǔ)）（5 5）遠(yuǎn)方調(diào)整參數(shù)功能）遠(yuǎn)方調(diào)整參數(shù)功能（6 6）遠(yuǎn)方本地手動功能）遠(yuǎn)方本地手動功能（7 7）報警功能（多種）報警功能（多種）（8 8）數(shù)字濾波功能和算術(shù)運算功能）數(shù)字濾波功能和算術(shù)運算功能 （多種）（多種）并能根據(jù)以上功能用組態(tài)方式組合成相當(dāng)復(fù)雜的控制算式。并能根據(jù)以上功能用組態(tài)方式組合成相當(dāng)復(fù)雜的控制算式。1. 1.控制功能（續(xù)）控制功能（續(xù)） 在采集數(shù)據(jù)后進(jìn)

47、行預(yù)處理并向上級計算機傳在采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行預(yù)處理并向上級計算機傳送，其工作存儲器可作為上級計算機的分散數(shù)據(jù)送，其工作存儲器可作為上級計算機的分散數(shù)據(jù)存儲器，以供上級計算機直接查用。存儲器，以供上級計算機直接查用。2. 2.接口功能接口功能 基本控制器的工作方式 自動控制：由操作員在數(shù)據(jù)輸入板DEP上設(shè)定本地設(shè)定值 串級控制：其給定值是其它某一個回路的輸出值，由組態(tài)字指定 上級計算機控制：由監(jiān)控計算機代替基本控制器進(jìn)行控制，它經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道輸出基本控制器的給定值或輸出幅值 手動：操作員在DEP或CRT上直接調(diào)整回路的輸出 回路手動：在選用的模擬顯示器上通過增/減鍵調(diào)整輸出，基本控制器處于保持狀態(tài)四

48、四. .基本控制器的工作方式基本控制器的工作方式五五. .基本控制器的工作原理基本控制器的工作原理1. 1.基本控制器的工作原理基本控制器的工作原理 基本控制器的基本控制器的CPUCPU在系統(tǒng)管理程序的在系統(tǒng)管理程序的指揮下，在一個采樣周期內(nèi)完成一次工作指揮下，在一個采樣周期內(nèi)完成一次工作循環(huán)，其流程圖如圖循環(huán)，其流程圖如圖9-59-5（a a）所示。用戶可）所示。用戶可以通過以通過DEPDEP或或CRTCRT操作站選擇標(biāo)準(zhǔn)算法，操作站選擇標(biāo)準(zhǔn)算法，構(gòu)成不同的控制回路。構(gòu)成不同的控制回路。 控制流程圖 典型控制回路管理程序管理程序 包括監(jiān)控程序、診斷程序、運行管理程序等；包括監(jiān)控程序、診斷程序

49、、運行管理程序等；輸入輸出處理程序輸入輸出處理程序 包括數(shù)字濾波程序、線性化程序、標(biāo)度包括數(shù)字濾波程序、線性化程序、標(biāo)度變換程序、防積分飽和程序、偏差報警程序、變化率報警程序、變換程序、防積分飽和程序、偏差報警程序、變化率報警程序、絕對值報警程序等；絕對值報警程序等；運算處理程序運算處理程序 包括乘法程序、除法程序、累加程序、開方程包括乘法程序、除法程序、累加程序、開方程序、高值選擇、低值選擇、動態(tài)補償（超前滯后）等；控制序、高值選擇、低值選擇、動態(tài)補償（超前滯后）等；控制處理程序處理程序 包括過程變量跟蹤和預(yù)置、自動加偏置、自動加比率、包括過程變量跟蹤和預(yù)置、自動加偏置、自動加比率、開關(guān)控制

50、、自動手動后備處理、設(shè)定值自動提量等；開關(guān)控制、自動手動后備處理、設(shè)定值自動提量等；控制算法程序控制算法程序 包括包括P P、PIPI、PDPD、PIDPID、間隙控制、跟蹤控制等。、間隙控制、跟蹤控制等。 2. 2.基本控制器標(biāo)準(zhǔn)算法的組成部分基本控制器標(biāo)準(zhǔn)算法的組成部分 控制軟件包的結(jié)構(gòu)采用了冗余手段和自診斷措施采用了冗余手段和自診斷措施1. 1.冗余手段冗余手段 若干臺基本控制器有一個備用控制器，再加上一個備用切換若干臺基本控制器有一個備用控制器，再加上一個備用切換指揮器就構(gòu)成所謂的無中斷控制系統(tǒng)。備用切換指揮器連續(xù)不斷指揮器就構(gòu)成所謂的無中斷控制系統(tǒng)。備用切換指揮器連續(xù)不斷地監(jiān)視各主控

51、制器的運行工況，一旦主控制器發(fā)生故障，它在識地監(jiān)視各主控制器的運行工況，一旦主控制器發(fā)生故障，它在識別故障之后向操作者報警的同時，便將故障的主控制器內(nèi)的存儲別故障之后向操作者報警的同時，便將故障的主控制器內(nèi)的存儲器信息經(jīng)專用電纜快速復(fù)制到備用控制器內(nèi)，將故障主控制器的器信息經(jīng)專用電纜快速復(fù)制到備用控制器內(nèi)，將故障主控制器的輸入輸出信號切換至備用控制器，并禁止故障主控制器高速數(shù)輸入輸出信號切換至備用控制器，并禁止故障主控制器高速數(shù)據(jù)通道接口工作。這樣，就用備用控制器取代了主控制器，保證據(jù)通道接口工作。這樣，就用備用控制器取代了主控制器，保證了不間斷執(zhí)行過程控制任務(wù)。同時，它還可在主控制器解除故障

52、了不間斷執(zhí)行過程控制任務(wù)。同時，它還可在主控制器解除故障后再作逆切換。由于切換過程的數(shù)據(jù)傳送是經(jīng)過專用電纜實現(xiàn)的，后再作逆切換。由于切換過程的數(shù)據(jù)傳送是經(jīng)過專用電纜實現(xiàn)的，故整個切換過程不影響系統(tǒng)其它部分的工作。故整個切換過程不影響系統(tǒng)其它部分的工作。六六. .基本控制器的可靠性基本控制器的可靠性六六. .基本控制器的可靠性（續(xù)）基本控制器的可靠性（續(xù)）2. 2.自診斷措施自診斷措施 自診斷首先是對自診斷首先是對CPUCPU單元的指令進(jìn)行檢查，單元的指令進(jìn)行檢查，然后是然后是RAMRAM讀寫檢查、讀寫檢查、ROMROM和數(shù)的校驗檢查、和數(shù)的校驗檢查、A AD D和和D DA A精度檢查，最后是

53、輸出插板的檢查。精度檢查，最后是輸出插板的檢查。 七七. .基本控制器的特征基本控制器的特征帶有固化的軟件；帶有固化的軟件；算法可以組態(tài)，形成相對高級的控制算法；算法可以組態(tài)，形成相對高級的控制算法；可以與上級計算機配合，完成高級控制功能；可以與上級計算機配合，完成高級控制功能；功能可變，改變控制方案不必更換硬件；功能可變，改變控制方案不必更換硬件；可以在就地操作員單元上顯示和調(diào)整各種參數(shù)；可以在就地操作員單元上顯示和調(diào)整各種參數(shù)； 具有自診斷功能。具有自診斷功能。 9.4 9.4 分布式計算機控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制分布式計算機控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制 在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低成

54、在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低成本，從控制角度來看，單靠原來的常規(guī)方式進(jìn)行生產(chǎn)是不夠的。本，從控制角度來看，單靠原來的常規(guī)方式進(jìn)行生產(chǎn)是不夠的。必須利用先進(jìn)的控制和管理技術(shù)，以最大限度地提高生產(chǎn)產(chǎn)量，必須利用先進(jìn)的控制和管理技術(shù)，以最大限度地提高生產(chǎn)產(chǎn)量，降低能耗，縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，使控制裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)。降低能耗，縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，使控制裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)。為了實現(xiàn)整個企業(yè)的控制生產(chǎn)達(dá)到優(yōu)化為了實現(xiàn)整個企業(yè)的控制生產(chǎn)達(dá)到優(yōu)化 。這是一種對企業(yè)生。這是一種對企業(yè)生產(chǎn)過程與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)采用了任務(wù)分層產(chǎn)過程與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)采用了任務(wù)分層

55、體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是采用遞階控制，該系統(tǒng)是在分布式控體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是采用遞階控制，該系統(tǒng)是在分布式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更高一級控制系統(tǒng)，下面根據(jù)連續(xù)生制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更高一級控制系統(tǒng)，下面根據(jù)連續(xù)生產(chǎn)大型企業(yè)而設(shè)計的一種分布式計算機控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和產(chǎn)大型企業(yè)而設(shè)計的一種分布式計算機控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和功能框圖。每一層作為上一層的基礎(chǔ)，接收上一層的控制指令，功能框圖。每一層作為上一層的基礎(chǔ)，接收上一層的控制指令，同時又將控制結(jié)果和各控制參數(shù)送上一層，各層完成的功能如同時又將控制結(jié)果和各控制參數(shù)送上一層，各層完成的功能如圖圖9-79-7所示。所示。 一一. .分布式控制系統(tǒng)的

56、功能層次結(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)的功能層次結(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)的功能層次結(jié)構(gòu)框圖分布式控制系統(tǒng)的功能層次結(jié)構(gòu)框圖一一. .分布式控制系統(tǒng)的功能層次結(jié)構(gòu)。分布式控制系統(tǒng)的功能層次結(jié)構(gòu)。1. 1.直接控制層直接控制層 這是整個控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的最低層，這一層直接這是整個控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的最低層，這一層直接與被控過程相連，完成以下功能。與被控過程相連，完成以下功能。（1 1）過程數(shù)據(jù)采集）過程數(shù)據(jù)采集直接采集現(xiàn)場的各種物理量測量值和狀態(tài)開關(guān)值，對它們直接采集現(xiàn)場的各種物理量測量值和狀態(tài)開關(guān)值，對它們進(jìn)行必要的濾波、轉(zhuǎn)換等處理。進(jìn)行必要的濾波、轉(zhuǎn)換等處理。（2 2）裝置狀態(tài)和設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與診斷）裝置狀

57、態(tài)和設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與診斷對采集的各種信號進(jìn)行處理，檢查其是否是合格有效的數(shù)對采集的各種信號進(jìn)行處理，檢查其是否是合格有效的數(shù)據(jù)、判斷控制計算機的各模板是否運行正常，設(shè)備儀表及據(jù)、判斷控制計算機的各模板是否運行正常，設(shè)備儀表及其連線是否正常，根據(jù)結(jié)果產(chǎn)生報警信號等。其連線是否正常，根據(jù)結(jié)果產(chǎn)生報警信號等。（3 3）閉環(huán)和開環(huán)控制）閉環(huán)和開環(huán)控制接收上一級下達(dá)的控制指令（給定），實現(xiàn)接收上一級下達(dá)的控制指令（給定），實現(xiàn)DDCDDC控制和順控制和順序邏輯控制。序邏輯控制。 2. 2.監(jiān)督控制層監(jiān)督控制層 這一層主要是計算出裝置優(yōu)化的工作條件，以控制指這一層主要是計算出裝置優(yōu)化的工作條件，以控制指

58、令給定的形式給到其下一級（直接控制層）去執(zhí)行，其主令給定的形式給到其下一級（直接控制層）去執(zhí)行，其主要工作如下：要工作如下： (1 (1）優(yōu)化控制）優(yōu)化控制 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和其它形式的模型，結(jié)合裝置的約束條應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和其它形式的模型，結(jié)合裝置的約束條件和控制目標(biāo)函數(shù)，計算出最優(yōu)的操作條件，送下級執(zhí)行。件和控制目標(biāo)函數(shù)，計算出最優(yōu)的操作條件，送下級執(zhí)行。（2 2）自適應(yīng)控制）自適應(yīng)控制 根據(jù)采集到的各種物理量，對系統(tǒng)的模型參數(shù)進(jìn)行在線估計，根據(jù)采集到的各種物理量，對系統(tǒng)的模型參數(shù)進(jìn)行在線估計，然后根據(jù)自適應(yīng)算法或自調(diào)節(jié)算法得出控制給定，送下一級。然后根據(jù)自適應(yīng)算法或自調(diào)節(jié)算法得出控制給定，送下一

59、級。（3 3）協(xié)調(diào)控制）協(xié)調(diào)控制 對于復(fù)雜的被控對象，根據(jù)各部分的關(guān)系和運行狀態(tài)，還有根對于復(fù)雜的被控對象，根據(jù)各部分的關(guān)系和運行狀態(tài)，還有根據(jù)裝置的生產(chǎn)要求，原材料、庫存和能耗等數(shù)據(jù)，以及一些優(yōu)化數(shù)據(jù)裝置的生產(chǎn)要求，原材料、庫存和能耗等數(shù)據(jù)，以及一些優(yōu)化數(shù)據(jù)，產(chǎn)生控制指令，送下一級執(zhí)行。據(jù)，產(chǎn)生控制指令，送下一級執(zhí)行。（4 4）裝置運行監(jiān)視）裝置運行監(jiān)視 監(jiān)視整個裝置運行參數(shù)、狀態(tài)，制定生產(chǎn)記錄報表，報警顯示，監(jiān)視整個裝置運行參數(shù)、狀態(tài)，制定生產(chǎn)記錄報表，報警顯示，故障顯示分析、記錄，等等。故障顯示分析、記錄，等等。 3. 3.計劃調(diào)度計劃調(diào)度 這一層主要完成一系列的調(diào)度控制功能，這些調(diào)度控

60、制主這一層主要完成一系列的調(diào)度控制功能，這些調(diào)度控制主要是基于運籌學(xué)和資源管理的科學(xué)，而不是基于控制工程方法。要是基于運籌學(xué)和資源管理的科學(xué)，而不是基于控制工程方法。這一層功能包括了根據(jù)用戶定貨單、庫存量、能耗約束條件和這一層功能包括了根據(jù)用戶定貨單、庫存量、能耗約束條件和能耗指標(biāo)等進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的功能。較先進(jìn)的計劃調(diào)度層除了完能耗指標(biāo)等進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的功能。較先進(jìn)的計劃調(diào)度層除了完成上述基本功能外，還可以進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度柔性生產(chǎn)調(diào)度功能，成上述基本功能外，還可以進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度柔性生產(chǎn)調(diào)度功能，以適應(yīng)靈活的用戶市場需求。此外，這一層還完成工廠級的數(shù)以適應(yīng)靈活的用戶市場需求。此外，這一層還完成工廠級的數(shù)據(jù)