1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與所控制的生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，對(duì)不同的控制對(duì)象和不同的控制要求，有不同的控制方案。下面從應(yīng)用特點(diǎn)和控制目的出發(fā)介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)。

1.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System，DAS）如圖1-6所示，系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程或控制對(duì)象的大量參數(shù)可進(jìn)行巡回檢測(cè)、處理、分析、記錄以及參數(shù)的超限報(bào)警。大量參數(shù)的積累和實(shí)時(shí)分析便于實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行各種趨勢(shì)分析。這是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程最早和最簡(jiǎn)單的一類系統(tǒng)。

圖1-6 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

過程參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送器、過程輸入通道，定時(shí)地被送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)來自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，根據(jù)一定的控制規(guī)律或管理方法進(jìn)行計(jì)算，然后通過顯示器或打印機(jī)輸出操作參考信息供操作人員參考。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出不直接作用于生產(chǎn)過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不直接影響生產(chǎn)過程的進(jìn)行。它的輸出只作用于有關(guān)的外部設(shè)備和人機(jī)接口，為操作人員的分析、判斷提供信息的顯示。這是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，僅對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視，不對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制。

1.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）系統(tǒng)如圖1-7所示，計(jì)算機(jī)通過過程輸入通道對(duì)控制對(duì)象的多個(gè)參數(shù)做巡回檢測(cè)，根據(jù)測(cè)得的參數(shù)按照一定的控制算法將其運(yùn)算后獲得控制信號(hào)量，經(jīng)過過程輸出通道將其作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)有很大的相似性，直接數(shù)字控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)取代多臺(tái)模擬調(diào)節(jié)器的功能。由于計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)算和邏輯功能，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜規(guī)律的控制。

DDC系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。它對(duì)被控制變量和其他參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，與給定值比較后求得偏差，然后按事先規(guī)定的控制策略，如比例、積分、微分規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算，最后發(fā)出控制信號(hào)，通過接口直接操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。這種控制方式在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍。

圖1-7 計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)

1.3.3 監(jiān)督控制系統(tǒng)

在DDC系統(tǒng)中是用計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，并存入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，這個(gè)給定值不能根據(jù)生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，故DDC系統(tǒng)無(wú)法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。

計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制（Supervisory Computer Control，SCC）系統(tǒng)如圖1-8所示，是計(jì)算機(jī)和調(diào)節(jié)器的混合系統(tǒng)，是對(duì)DDC系統(tǒng)的改進(jìn)。它通常采用兩級(jí)控制形式。

所謂監(jiān)督控制，指的是根據(jù)原始的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)采集到的生產(chǎn)工況信息，一方面按照對(duì)被控過程的數(shù)字模型和某種最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的描述，計(jì)算出被控過程的最優(yōu)給定值，輸出給下一級(jí)DDC系統(tǒng)或模擬調(diào)節(jié)器；另一方面對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析，做出故障的診斷與預(yù)報(bào)。所以SCC系統(tǒng)并不直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是給出下一級(jí)的最優(yōu)給定值，由它們?nèi)タ刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)。

當(dāng)下一級(jí)采用模擬調(diào)節(jié)器時(shí)，SCC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并按一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析計(jì)算后得出控制對(duì)象各參數(shù)最優(yōu)的給定值，然后送入調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。

圖1-8 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)

當(dāng)下一級(jí)采用DDC系統(tǒng)時(shí)，其計(jì)算機(jī)（稱為下位機(jī)）完成前面所述的直接數(shù)字控制功能，SCC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)（稱為上位機(jī)）則完成高一級(jí)的最優(yōu)化分析與計(jì)算，給出最優(yōu)化的給定值，送給DDC系統(tǒng)用以執(zhí)行過程控制。

1.3.4 集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）又稱為分布式控制系統(tǒng)。其基本思想是集中操作管理，分散控制。

集散系統(tǒng)本質(zhì)上是一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層式的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是層次化，把不同層次的多種監(jiān)測(cè)、控制和管理功能有機(jī)地、層次分明地組織起來，使系統(tǒng)的性能大為提高。

分布式控制系統(tǒng)適用于大型、復(fù)雜的控制過程，在我國(guó)許多大型石油化工企業(yè)就是依賴各種形式的集散控制系統(tǒng)保證它們的生產(chǎn)高質(zhì)量地、連續(xù)不斷進(jìn)行。

一般把分布式控制系統(tǒng)分成3個(gè)層次，如圖1-9所示。每一層有一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，同一層次的計(jì)算機(jī)以及不同層次的計(jì)算機(jī)都通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)密的整體。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)過程控制的初期，由于計(jì)算機(jī)價(jià)格高，所以采用的是集中控制方式，以充分利用計(jì)算機(jī)。但這種控制方式由于任務(wù)過分集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就要影響整個(gè)系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)由若干臺(tái)微機(jī)分別承擔(dān)任務(wù)，從而代替了集中控制的方式，由于分散了控制，也就分散了危險(xiǎn)，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高；并且DCS系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成靈活，易于擴(kuò)展；采用顯示器顯示技術(shù)和智能操作臺(tái)，使操作、監(jiān)視方便；采用數(shù)據(jù)通信技術(shù)，信息處理量增大；與計(jì)算機(jī)集中控制方式相比，電纜和敷纜成本較低，便于施工。

圖1-9 計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)

1.3.5 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變革，模擬和數(shù)字混合的集散控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展為全數(shù)字系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了工業(yè)控制系統(tǒng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）是20世紀(jì)80年代中期繼DCS系統(tǒng)之后興起的新一代工業(yè)控制系統(tǒng)。它將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的概念引入工業(yè)控制領(lǐng)域，被稱為“21世紀(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系”。它是一個(gè)開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可以與不同層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，以微處理器為核心的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可方便地進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)、互操作，其結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。

圖1-10 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

從控制的角度看，F(xiàn)CS有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

一是信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。傳統(tǒng)的420mA模擬信號(hào)制被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制所代替。FCS把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。它全數(shù)字化的信號(hào)傳輸極大地提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)中模擬信號(hào)傳輸過程中難以避免的信號(hào)衰減、精度下降和干擾信號(hào)易于進(jìn)入等問題。

二是實(shí)現(xiàn)了控制的徹底分散。把控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表中，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表成為具有綜合功能的智能設(shè)備和智能儀表，它們經(jīng)過統(tǒng)一組態(tài)，可以構(gòu)成各種所需的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。

1.3.6 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的日益復(fù)雜與大型化，現(xiàn)代化工業(yè)要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不僅要完成直接面向過程的控制和優(yōu)化任務(wù)，而且要在盡可能多的獲取生產(chǎn)信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)過程的綜合管理和指揮調(diào)度。

由于自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信等技術(shù)的發(fā)展，已完全可以滿足上述要求，能實(shí)現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacture System，CIMS），當(dāng)CIMS用于工業(yè)流程時(shí)，簡(jiǎn)稱為流程CIMS或CIPS（Computer Integrated Processing System）。

流程CIMS按其功能可以自下而上地分成若干層，如過程直接控制層、過程優(yōu)化監(jiān)控層、生產(chǎn)調(diào)度層、企業(yè)管理層和經(jīng)營(yíng)決策層等，其結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。

圖1-11 工業(yè)流程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

從圖1-11中可以看到，這類系統(tǒng)除了常見的過程監(jiān)視、過程控制功能之外，還具有生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)決策等非傳統(tǒng)控制的諸多功能。

因此，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)所要解決的不再是局部最優(yōu)問題，而是一個(gè)工廠、一個(gè)企業(yè)甚至一個(gè)區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的全局多目標(biāo)最優(yōu)，即企業(yè)綜合自動(dòng)化問題。

最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高及對(duì)環(huán)境污染最小等指標(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多方面的綜合性要求，是工業(yè)過程自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)新方向。