DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能簡介

1、DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能簡介一、儀表與控制系統(tǒng)概述1、控制過程的性質(zhì)控制過程的性質(zhì)可被分成兩大類，一類是連續(xù)調(diào)節(jié)性質(zhì)的（一般稱之為過程控制，或流程控制），另一類是狀態(tài)控制性質(zhì)的（一般稱之為程序控制，或邏輯控制）。調(diào)節(jié)是控制的一種。調(diào)節(jié)特指通過反饋的方法對連續(xù)變化的對象進(jìn)行連續(xù)的控制，如通過調(diào)節(jié)燃?xì)忾y門的大小以控制燃燒火焰的大小，從而達(dá)到控制加熱器溫度，使其保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)的目的。在這里溫度是一個連續(xù)變化的量，對溫度的調(diào)節(jié)也是連續(xù)進(jìn)行的。調(diào)節(jié)的過程并沒有明顯的起點和終點，而只有對目標(biāo)值的允許偏差以及進(jìn)行測量和控制的周期。剛才所說的允許偏差和測量控制周期是連續(xù)過程調(diào)節(jié)的兩個最基本的要素，除了

2、這兩大要素外，連續(xù)過程調(diào)節(jié)最重要的要素是調(diào)節(jié)算法，如經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)、現(xiàn)代的模糊控制等。所有這些要素都極大地影響著調(diào)節(jié)的效果和質(zhì)量?？刂扑姆秶鼜V，除了上述對連續(xù)變化的對象進(jìn)行調(diào)節(jié)外，還包括了對非連續(xù)對象、非連續(xù)過程的控制等。非連續(xù)控制一般指某種裝置的狀態(tài)或位置，對其進(jìn)行控制實際上就是按照一定的方式改變其狀態(tài)或位置，如某個電力開關(guān)的合閘或分閘。而非連續(xù)過程則由一組非連續(xù)對象按照工序的要求組合在一起，以完成一個比較復(fù)雜的動作或任務(wù)，這樣的過程有很明顯的起點和終點，控制過程和動作過程是完全對應(yīng)的。對非連續(xù)過程的控制是一種順序控制或程序控制，是根據(jù)各個被控對象的動作時問、動作順序和邏輯關(guān)系進(jìn)行

3、的控制。剛才所說的動作時間、動作順序和邏輯關(guān)系是對非連續(xù)過程實行控制的要素。在實際的生產(chǎn)過程中，更多遇到的，是連續(xù)控制（或調(diào)節(jié)）和非連續(xù)控制的混合型控制，即對各種不同工況的過程控制。因為生產(chǎn)的復(fù)雜性，同樣的生產(chǎn)裝置也會有不同的生產(chǎn)工況或生產(chǎn)階段，生產(chǎn)工況的切換是根據(jù)操作人員的指令或根據(jù)某種狀態(tài)進(jìn)行的，而平穩(wěn)工況的控制則是一種連續(xù)控制。在一些生產(chǎn)過程中，除廣泛使用反饋控制方法外，還經(jīng)常使用前饋控制方法。前饋控制根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的運行參數(shù)計算控制量，并依據(jù)控制量對現(xiàn)場實施控制。前饋控制的優(yōu)點是可以使系統(tǒng)快速進(jìn)入所需的運行狀態(tài)，但由于前饋控制不檢驗控制執(zhí)行的效果并進(jìn)一步采取調(diào)整手段，因此控制的精確性較差

4、。在實際控制系統(tǒng)中，常采用前饋控制結(jié)合反饋控制的綜合方法，這樣可以取得很好的控制效果。下表是連續(xù)控制和非連續(xù)控制（或稱為離散控制）的比較：制E相關(guān)要連續(xù)控制離散控制運行方式連續(xù)分步驟控制目標(biāo)預(yù)期的允許偏差范圍預(yù)期的狀態(tài)或位置控制算法PID等數(shù)學(xué)方程邏輯公式時間特性與過程適應(yīng)的控制周期各個步驟的執(zhí)行和間隔時間控制質(zhì)量目標(biāo)參數(shù)的控制精度邏輯關(guān)系的正確性穩(wěn)定性要求干擾工況下盡量小的偏離干擾工況卜無錯誤動作近年來又出現(xiàn)了一種新的控制類型Batchcontrol,即批量（或批次）控制，IEC對它的定義是：“Controlsystemthatcontrolsabatchprocess,thatis,apr

5、ocessthatduetophysicalstructuringoftheprocessequipmentorotherfactors,consistsofasequenceofoneormorestepsorphasesthatmustbeperformedinadefinedorder.處理一個批次過程的控制系統(tǒng)，即：由處理裝置或其它因素的物理結(jié)構(gòu)所決定的過程，其中包括必須按照定義的順序執(zhí)行的單個或多個步驟或階段所組成的序列?！迸慰刂平Y(jié)合了過程控制和程序控制這兩種控制類型，適用于在同一條生產(chǎn)線上通過裝置連接、組合的改變，工藝流程的改變和工藝參數(shù)的調(diào)整，生產(chǎn)不同品種產(chǎn)品的生產(chǎn)控制。其工作

6、過程為：首先通過程序控制確定生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，然后轉(zhuǎn)入過程控制；當(dāng)一個完整的過程完成后，再次轉(zhuǎn)入程序控制，形成下一個批次的生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，如此反復(fù)。實際上，批次控制是一種混合控制，是將過程控制和程序控制結(jié)合在一起的控制系統(tǒng)。2、儀表控制系統(tǒng)的基本概念儀表系統(tǒng)（指由模擬式儀表組成的系統(tǒng)）最主要的控制目標(biāo)是回路控制。所謂回路控制，是指那種對最小單元的閉環(huán)控制。這些控制有1-2個現(xiàn)場輸入（測量值）和1個現(xiàn)場輸出（控制量），在現(xiàn)場輸入和現(xiàn)場輸出之間有計算單元（即控制器），另外還有一個給定值輸入，用于設(shè)定控制目標(biāo)。回路控制的功能框圖如下：回路控制的作用是保證被控對象的一個最基本的運行單元能夠按照預(yù)

7、定的參數(shù)正常運行。3、幾種主要的控制系統(tǒng)對連續(xù)調(diào)節(jié)性質(zhì)的被控對象，如溫度、流量、壓力、液位、電流、電壓、功率等參數(shù)的調(diào)節(jié)，其特點是測量值是一個連續(xù)變化的量，控制值也是一個可連續(xù)調(diào)節(jié)的量，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)量與被控目標(biāo)之間的傳遞函數(shù)決定如何實施控制或調(diào)節(jié)。這種以調(diào)節(jié)為主要手段的控制系統(tǒng)習(xí)慣上稱之為儀表系統(tǒng)。因其是通過種類檢測、調(diào)節(jié)儀表來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能的，儀表系統(tǒng)由最初的基地式儀表，發(fā)展為單元式組合儀表，卻是用模擬技術(shù)實現(xiàn)的。從60年代前后，電子數(shù)字計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域，發(fā)展出了采用數(shù)字技術(shù)的監(jiān)視（Monitoring）系統(tǒng),設(shè)定值控制（SPC-SetPointContro|系統(tǒng)、直接數(shù)字控制（DDC

8、-DirectDigitalControl）系統(tǒng),其后，在綜合了監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)定值控制（也叫監(jiān)督控制SupervisoryControl）系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之后，出現(xiàn)了監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA-SupervisoryControlAndDataAcquisition），在綜合了儀表系統(tǒng)的特點和DDC的特點基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年研究開發(fā)推出了分布式控制系統(tǒng)（DCS-DistributedControlSystem）。另外還有結(jié)合了數(shù)字技術(shù)和儀表系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的單回路控制器(SLC-SingleLoopController),在所有這些不同形式的系統(tǒng)中，DCS以其強大的功能，高度可靠，全數(shù)字化的

9、特點和靈活的組態(tài)方式、廣泛的適用性等諸多優(yōu)勢逐步成了連續(xù)調(diào)節(jié)控制領(lǐng)域的主流系統(tǒng)，而且逐步取代了儀表系統(tǒng)成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。對于以狀態(tài)為主要控制目標(biāo)的領(lǐng)域，如供電、供氣、供水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，位置控制，通/斷的控制等。這類控制的特點是被控對象是在若干種有限的狀態(tài)中取其一的設(shè)備，如管道的截斷閥、電力線路上的形狀或斷路器等。對于它們的控制主要基于邏輯條件，如電流型的斷路器當(dāng)線路上的電流超過一定限額時就斷開，這就是一個典型的邏輯條件控制。早期的狀態(tài)控制是機械式的，一般為人工控制或機械連鎖，后來出現(xiàn)了電磁繼電器，由電磁繼電器的觸點和控制線圈組成各種控制邏輯，這是一種電氣方式的控制器。電子技術(shù)的發(fā)

10、展產(chǎn)生了更加靈活，體積小巧、功耗很低的電子線路，用電子線路組成的控制邏輯逐步取代了繼電器邏輯，但最后推動執(zhí)行機構(gòu)的功率輸出元件仍然采用電磁繼電器。除電磁繼電器外，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率的固態(tài)開關(guān)也逐步得到了更多的應(yīng)用。這類器件采用電子方式實現(xiàn)通斷，沒有機械動作，也不會產(chǎn)生觸點的電弧，因此用在對干擾控制要求較高的場合。隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在70年代前后，一種利用計算機邏輯運算功能的控制器，即可編程邏輯控制器(PLC-ProgrammableLogicController-)出現(xiàn)了，它采用計算機的軟件完成邏輯運算，并利用梯形圖表達(dá)各種控制元件邏輯的關(guān)系和算法，由于計算機強大的邏輯運算

11、功能，使得PLC可以完成極其復(fù)雜的邏輯控制，其使用量迅速擴大?，F(xiàn)在PLC幾乎無所不在，凡是需要進(jìn)行狀態(tài)控制的場合幾乎全都采用了PLC作為核心控制單元。如上所述，我們按被控對象的性質(zhì)，將控制系統(tǒng)分為兩大類，一類以連續(xù)調(diào)節(jié)為主，而另一類以狀態(tài)控制為主。但在實際的控制系統(tǒng)中，所面對的控制問題是復(fù)雜的，往往在一個被控對象中包含著兩種，即連續(xù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)控制相結(jié)合的控制需求，例如一臺汽輪機，我們要求其轉(zhuǎn)速保持在每分鐘3000轉(zhuǎn)，因此可以通過調(diào)節(jié)蒸汽閥門的大小來控制轉(zhuǎn)速，但如果遇到緊急情況，需要使汽輪機迅速停下來，這時還要立即打開一個緊急泄放蒸汽的閥門，使其推動原始動力，將轉(zhuǎn)速迅速地降下來，而在這種情況下，

12、以調(diào)整為主要功能的控制器也需要停止工作，不再執(zhí)行保持轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)動作了。這樣的控制器必須具備連續(xù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)控制兩種功能，并使其有機地結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的控制功能。當(dāng)今使用最廣泛的控制系統(tǒng)有兩種，一種是從連續(xù)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的DCS,另一種是在狀態(tài)控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的PLC。但這兩種系統(tǒng)現(xiàn)在已完全不是它們在發(fā)展初期時所形成的那種概念了。不論是DCS還是PLC,現(xiàn)在都具備了連續(xù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)控制兩種功能，只不過它們由于實現(xiàn)方法不同，因此在一些具體的性能指標(biāo)上有些差異，因此適用的場合有所不同而已。而且，這種適用場合的不同大多是由于傳統(tǒng)習(xí)慣連續(xù)下來的，并不是真正意義上的哪類系統(tǒng)適合或不適合哪類控制的判

13、斷。一般來說，由于連續(xù)調(diào)節(jié)這類控制問題比較復(fù)雜，涉及到多種數(shù)學(xué)方法和算法的實現(xiàn)，因此如果被控對象在連續(xù)調(diào)節(jié)方面所占的比重較大，則比較適宜選用DCS,而如果被控對象主要以狀態(tài)控制為主，而PLC在狀態(tài)控制方面所采用的邏輯算法非常精練、耗費資源很少，從系統(tǒng)成本的角度考慮，比較適宜選擇PLC。但在大多數(shù)場合，被控對象的需求是混合的，難以明顯區(qū)分哪種控制占絕大部分的比重，這時選擇哪種系統(tǒng)都是可以的。在具體實施方面，由于連續(xù)調(diào)節(jié)類的控制涉及到對被控對象傳遞函數(shù)，動態(tài)特性的分析，控制算法的實現(xiàn)及現(xiàn)場實際運行的驗證等專業(yè)性很強的工作，因此要建立一套DCS系統(tǒng)一般都由專業(yè)性的控制公司執(zhí)行工程實施和調(diào)試運行，而P

14、LC則由于邏輯控制直觀簡潔，組態(tài)方法容易掌握，因此其工程有相當(dāng)一部分是用戶自己完成，這種工程上的特點也造成了PLC系統(tǒng)中所具有的基本上都是通用的，共性的設(shè)備配置和功能，很少有為了某些個別用戶的特殊需求所添加的專用配置或?qū)Ｓ霉δ埽欢鳧CS則不同，由于被控對象的多樣性和復(fù)雜性，各個廠家的DCS均程度不同地帶有具體應(yīng)用的色彩，例如Honeywell的DCS有很多為石化生產(chǎn)過程所有的配置和功能，Bailey的DCS則有很多適應(yīng)火電廠的配置和功能，Westinghouse的DCS則具備很多適合鋼廠控制的配置和功能等等。雖然近年來隨著DCS越來越普及，各廠家的DCS也逐步向著通用和全功能的方向發(fā)展，但畢竟

15、被控對象的需求太多樣化，難以實現(xiàn)涵蓋全部功能的系統(tǒng)，而且，應(yīng)用的發(fā)展又在不斷提出新的需求，因此，DCS在用戶開發(fā)界面上下了很大的功夫，以期為用戶提供進(jìn)一步開發(fā)和擴展的空間，而PLC則很少提供這種能力。這恐怕是當(dāng)前DCS和PLC的最大區(qū)別了。在比較DCS和PLC之區(qū)別時，可注意以下幾個方面：(1) 產(chǎn)品形態(tài)：PLC是單獨的設(shè)備或部件的方式提供的，而DCS則以系統(tǒng)方式提供。因此用PLC做系統(tǒng)時用戶必須自己完成各種配套工作。(2) 物理結(jié)構(gòu)：PLC一般不提供機柜，只提供各類模塊和機架，而DCS則提供完整的，裝配好的機框。(3) PLC長于邏輯運算，而對于調(diào)節(jié)回路，則要耗費較大的資源，而且效率不高，而

16、DCS則相反，進(jìn)行調(diào)節(jié)時性能很好，但做邏輯控制時速度不如PLC快。(4) 如果需要站間引用，由于DCS是以系統(tǒng)方式提供給用戶的，因此容易實現(xiàn)，通過相應(yīng)的組態(tài)即可。(5) PLC的開放性較好，一般都可以配合不同廠家的人機界面軟件或組態(tài)軟件。4、小結(jié)目前最常用的控制系統(tǒng)有以下三種：DCS以回路控制為主，實現(xiàn)閉環(huán)控制的系統(tǒng)。PLC以邏輯控制為主，實現(xiàn)順序控制(或步進(jìn)控制，連鎖控制，開環(huán)控制)的系統(tǒng)。SCADA不直接進(jìn)行現(xiàn)場控制，注重人機界面和數(shù)據(jù)處理，主要由人實施控制的系統(tǒng)。三種系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備為：DCS現(xiàn)場控制站PLCPLCSCADARTU當(dāng)前的趨勢是融合，PLC也可實現(xiàn)回路控制功能，作為現(xiàn)場控制站

17、使用，DCS也可完成邏輯控制，而且DCS還在逐步加強人機界面，數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)了SCADA的功能。從現(xiàn)場設(shè)備來看，PLC和現(xiàn)場控制站均具備直接的就地控制功能，同時具有數(shù)據(jù)采集功能；而RTU則只有數(shù)據(jù)采集功能，因此成本較低。但是，因近年來電子設(shè)備元器件的價格不斷下降，而性能卻不斷提升，因此在許多系統(tǒng)中就直接用PLC代替了RTU,很多新推出的RTU也具備了直接的就地控制功能。二、控制系統(tǒng)詳述1、控制系統(tǒng)的要素及組成(1)被控對象：被控對象是實施生產(chǎn)過程的主體。不論何種控制系統(tǒng)，其作用都是圍繞生產(chǎn)過程發(fā)生的。如果離開了生產(chǎn)過程，控制系統(tǒng)就失去了存在的意義，因此，控制系統(tǒng)是從屬于生產(chǎn)過程的，但對生產(chǎn)

18、過程又產(chǎn)生著巨大的反作用力，使得完成生產(chǎn)過程的主體，如各類加工機械，發(fā)電機、鍋爐、化工反應(yīng)裝置、電力或油、汽輸送管道等，能夠更加安全、高效、穩(wěn)定、可靠地運行。作為控制系統(tǒng)的作用目標(biāo)，被控對象有其自身的運行狀態(tài)，這些狀態(tài)是生產(chǎn)過程的表征，控制系統(tǒng)將通過測量被控對象的運行狀態(tài)來了解生產(chǎn)過程；被控對象還具備很多可操作、可調(diào)節(jié)的部分，通過對這些部分的操作和調(diào)節(jié)可改變可控對象的運行狀態(tài)，從而改變生產(chǎn)過程。因此，測量和操作、調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)與被控對象相互作用的最主要界面，而被控對象能否通過某種方法實現(xiàn)測量和操作、調(diào)節(jié)，則稱為被控對象的可測性和可控性。除了上述正常的測量和操作、調(diào)節(jié)以外，被控對象還存在各種非預(yù)

19、期的狀態(tài)變化，被稱為干擾，干擾的存在使得生產(chǎn)過程偏離預(yù)期的軌道，產(chǎn)生不利的影響，因此，控制系統(tǒng)的另一項重要的任務(wù)就是使被控對象保持在預(yù)期的狀態(tài)范圍之內(nèi)，以保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。(2)測量測量是控制系統(tǒng)感知被控對象運行狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，一般通過敏感元件或檢測元件來實現(xiàn)測量，如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器(熱電偶或熱電阻)、電流傳感器、電壓傳感器、功率傳感器、在運動控制中的速度、位置傳感器等等。傳感器一般使用物理或化學(xué)原理來感知各種狀態(tài)，傳感器的輸出一般是一個可以被控制系統(tǒng)的核心部件一一控制器或運算器所處理的信號，由于傳感器所測量的狀態(tài)包括了各種不同的物理、化學(xué)量，而控制器或運算器則要求這些

20、量是一種標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的表現(xiàn)形式，如電流、電壓、氣壓等，因此往往通過變送器予以變換，形成符合一定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號，一般稱之為測量值。而控制系統(tǒng)中完成測量工作的部分被稱為檢測單元。(3)計算計算是控制系統(tǒng)的核心，它由控制器、調(diào)節(jié)器或運算器構(gòu)成，一般將控制器、調(diào)節(jié)器或運算器統(tǒng)稱為計算單元。計算單元有兩個輸入，一個輸入是測量值，即傳感器、變送器給出的表達(dá)被控對象運行狀態(tài)的量，另一個是根據(jù)生產(chǎn)過程的要求所設(shè)定的控制目標(biāo)，即設(shè)定值。計算單元的任務(wù)有兩個，一是在設(shè)定值根據(jù)生產(chǎn)過程的要求發(fā)生改變時，采用一定的控制算法計算出通過何種操作或調(diào)節(jié)對被控對象的可操作、調(diào)節(jié)部分實施輸出，以使被控對象盡快達(dá)到控制目標(biāo)；另一

21、個是在出現(xiàn)干擾時，被控對象的狀態(tài)偏離了預(yù)定的目標(biāo)，即設(shè)定值，這時計算單元要通過測量得到偏離的程度，并采用一定的控制算法計算出操作步驟或調(diào)節(jié)量，并實施輸出，以使被控對象的運行狀態(tài)盡快回到預(yù)定的目標(biāo)值。計算單元的輸出量是對被控對象實施的操作和調(diào)節(jié)，在這時，操作一般指通過某種方法改變被控對象的運行方式，如開通或關(guān)斷某個管道的閥門，閉合或分離電路的開關(guān)等等；而調(diào)節(jié)則是通過某種方法改變被控對象的運行參數(shù)，如通過控制調(diào)節(jié)閥改變管路中流體的流量、通過調(diào)節(jié)加熱器改變溫度等等。所有這些輸出不論操作還是調(diào)節(jié)均被稱為控制指令。(4)控制執(zhí)行由計算機輸出的控制指令需要通過各種不同的執(zhí)行機構(gòu)來作用于被控對象的可操作部分

22、和可調(diào)節(jié)部分。這些執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)稱為執(zhí)行單元，如氣動閥、電磁閥、控制電機、繼電器等等。執(zhí)行單元將計算單元輸出的控制指令轉(zhuǎn)換為被控對象可接受的動作，以改變被控對象的運行狀態(tài)。以上我們介紹了與控制系統(tǒng)有關(guān)的幾個關(guān)鍵要素，下圖可簡明扼要地表達(dá)這些要素以及控制系統(tǒng)各組成部分之間的關(guān)系：圖1:控制系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系下面我們舉兩個實際的例子說明具體的控制系統(tǒng)。第一個例子是某生產(chǎn)裝置中酢液罐的液位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過液位傳感器（浮子）測量酢液罐的液位，并將液位值送到控制器，控制器將測量的液位與設(shè)定的液位進(jìn)行比較，如果液位高于設(shè)定的最高值，則關(guān)閉進(jìn)料閥，停止進(jìn)料。當(dāng)液體流出使液位低于設(shè)定的最低值，則開啟進(jìn)料閥

23、補充液體，直到液位回升到上限值。輸出液流圖2:液罐液位控制第二個例子是著名的瓦特式飛錘調(diào)速器。通過圖3我們可以看到它的工作原理。在這里，由發(fā)動機輸出軸經(jīng)齒輪傳動帶動一個裝有飛錘的軸同步轉(zhuǎn)動，這個裝置相當(dāng)于控制系統(tǒng)的測量單元。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，飛錘在離心力的作用下升起，并壓下油缸的連桿，開啟下方的高壓油通路，使油缸活塞上升，帶動調(diào)節(jié)閥關(guān)小，H熹到回MA|tV£w*減小燃油供應(yīng)而使發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，飛錘下落，使油缸連桿在彈簧的作用下上升，關(guān)閉油缸活塞下方的高壓油通路并開啟油缸活塞上方的高壓油通路，使油缸活塞向下運動，帶動調(diào)節(jié)閥開大，增加燃油供應(yīng)以使發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升。這樣，在出現(xiàn)干擾

24、（如發(fā)動機所帶動的負(fù)載發(fā)生變化）時，可保持其轉(zhuǎn)速不變。在這個調(diào)速器中，飛錘起到了控制器的作用，它巧妙地利用了飛錘的重力和離心力之間的關(guān)系實現(xiàn)了設(shè)定值和測量值之間的比較，并將偏差作用于油缸，而油缸則是這個控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，它將升速、降速的指令變成了燃油閥門的動作，完成了對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)定值由帶動飛錘的軸的上下位置來決定，這個軸上移，飛錘必須張開更大的角度才能使油缸活塞的上下油路均關(guān)閉，因此將導(dǎo)致發(fā)動機的轉(zhuǎn)速上升;而這個軸下移，飛錘必須下落才能使油缸活塞的上下油路均關(guān)閉，因此將導(dǎo)致發(fā)動機的轉(zhuǎn)速下降，以此來設(shè)定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速?？刂崎y門圖3:瓦特調(diào)速器在以上的討論中，我們只涉及了由具體機

25、器設(shè)備構(gòu)成的被控對象和控制系統(tǒng)，而沒有涉及生產(chǎn)過程本身以及對生產(chǎn)過程的控制起主要主導(dǎo)作用的主體一一人的作用。一個簡單的問題就可以反映這一點：在上面的討論中多次講到設(shè)定值，控制系統(tǒng)由設(shè)定值來規(guī)定控制目標(biāo)，那么，設(shè)定值從何而來？它是如何得到的？又是如何作用于控制系統(tǒng)的？還有，在前面的討論中講到計算單元根據(jù)檢測值與設(shè)定值之間的偏差，按照一定的控制算法計算出需要操作和調(diào)節(jié)的量，通過執(zhí)行單元對被控對象實施控制。那么，計算單元所執(zhí)行的控制算法是從哪兒來的？它是如何得出的？又是如何被計算單元執(zhí)行的？顯然，不論是設(shè)定值還是控制算法，都離不開人的作用?？刂葡到y(tǒng)自己不會確定設(shè)定值，因為它并不知道人希望生產(chǎn)過程按什

26、么樣的方式進(jìn)行，控制系統(tǒng)也不了解生產(chǎn)過程的特性，只有人根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的特性及其對生產(chǎn)過程的影響，推導(dǎo)出如何對這些生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制的數(shù)學(xué)模型，然后控制系統(tǒng)才能夠按照這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的控制值。除此之外，還有一個重要的問題，即我們在此前所講述的，都假設(shè)被控對象的運行是有規(guī)律可循的，是可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的，因此，控制系統(tǒng)所依據(jù)的設(shè)定值和控制算法都是預(yù)先確定好的，并使用不同的方法固定在控制系統(tǒng)中，在實際運行中，控制系統(tǒng)將按照這些預(yù)定的算法執(zhí)行。但不幸的是，實際的生產(chǎn)過程有相當(dāng)多的一部分是沒有（至少現(xiàn)在沒有）規(guī)律可循的，也無法用數(shù)學(xué)模型表示，另外，生產(chǎn)過程不可避免地會出現(xiàn)一些異常情況，這些異常

27、情況是無法預(yù)知的，必須在運行過程中實時地作出決策，這些都離不開人的作用。有關(guān)數(shù)學(xué)模型的問題已超出本書討論的范圍，因此在這里不作詳述。但作為一個整體，人必須是控制系統(tǒng)的一個最重要的組成部分，這是毋庸置疑的，從數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，建立并預(yù)先設(shè)置在計算單元中，以便在線運行時實現(xiàn)控制功能，到直接參與控制系統(tǒng)的在線運行，對計算單元不能夠自動進(jìn)行處理的控制問題實施操作與調(diào)節(jié)或為計算單元給出設(shè)定值，都需要人的參與。而為了便于人了解被控對象的運行狀態(tài)并進(jìn)行人工的操作與調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)還必須提供人機界面。在任何一個控制系統(tǒng)中，人機界面都是必不可少的重要組成部分。下圖表述了一個完整的控制系統(tǒng)所有的組成部分：圖4:完整的

28、控制系統(tǒng)組成部分人機界面包括了測量值的顯示，計算參數(shù)的顯示，人工操作設(shè)備如按鈕，調(diào)節(jié)手柄等，還有對計算單元進(jìn)行設(shè)定和控制算法預(yù)置的設(shè)備等。2、早期的控制系統(tǒng)：早期的控制系統(tǒng)是由基地式儀表構(gòu)成的。所謂基地式儀表，是指控制系統(tǒng)（即儀表）與被控對象在機械結(jié)構(gòu)上是結(jié)合在一起的，而且儀表各個部分，包括檢測、計算、執(zhí)行、簡單的人機界面等都做成一個整體，就地安裝在被控對象之上。基地式儀表一般只針對單一運行參數(shù)實施控制，其輸入、輸出都圍繞著一個單一的控制目標(biāo)，計算也主要為控制某個重要參數(shù)，控制功能也是單一的。這種控制被稱為單一回路控制，簡稱回路控制。上節(jié)所介紹的瓦特調(diào)速器就是一個典型的基地式儀表，雖然它還不具

29、備儀表的形態(tài)，但其作用、結(jié)構(gòu)形式均可歸于基地式儀表一類。顯然，如果我們要控制的僅限于單一運行參數(shù)，控制功能也只是保證被控對象能夠正常運行，例如瓦特調(diào)速器只控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)即可，那么基地式儀表就完全能夠滿足要求，而且基地式儀表簡單實用、直接與被控對象相互作用，因此在一些簡單生產(chǎn)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用?；厥絻x表最大的問題是它必須分散安裝在生產(chǎn)設(shè)備需要實施控制的地方，如果設(shè)備比較大，就會給觀察操作這些儀表造成很大的困難，有時甚至是不可能的。另外，基地式儀表的控制功能有限，難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，因此在一些大型的復(fù)雜的控制系統(tǒng)中已很少采用基地式儀表，而采用單元式組合

30、儀表。單元式組合儀表出現(xiàn)在60年代后期，這類儀表將測量、控制計算、執(zhí)行以及顯示、設(shè)定、記錄等功能分別由不同的單元實現(xiàn)，互相之間采用某種標(biāo)準(zhǔn)的物理信號實現(xiàn)連接。并可根據(jù)控制功能的需求進(jìn)行靈活的組合。這樣，單元式組合儀表的功能大大加強了，而且其功能的實現(xiàn)不再受安裝位置的限制，我們可以把檢測單元和執(zhí)行單元安裝在現(xiàn)場，而將控制、顯示、記錄設(shè)定等單元集中起來放在中心控制室內(nèi)，這樣，生產(chǎn)設(shè)備的操作人員足不出戶就可以迅速掌握整個生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)，并根據(jù)生產(chǎn)計劃或現(xiàn)場出現(xiàn)的實際情況采取調(diào)整措施，如改變設(shè)定甚至直接對現(xiàn)場設(shè)備實施操作和調(diào)節(jié)等。目前單元式組合儀表有兩大類，一類是氣動單元組合儀表，這類儀表以經(jīng)過干

31、燥凈化的壓縮空氣作為動力并以氣壓傳遞現(xiàn)場信號，其規(guī)范為20-100Kpa。我國的氣動單元組合儀表為QDE系列。氣動單元組合儀表主要有七種單元，分別是變送單元（B）、調(diào)節(jié)單元（T）、顯示單元（X）、計算單元（J）、給定值單元（G）、輔助單元（F）和轉(zhuǎn)換單元（Z）。這些單元經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪B接及組合，就可以實現(xiàn)較復(fù)雜、規(guī)模較大的控制系統(tǒng)。氣動單元組合儀表是本質(zhì)防爆的，可以用于易燃易爆的場合，而且由壓縮氣體提供的動力可以直接驅(qū)動如氣動閥門等現(xiàn)場設(shè)備，非常方便和可靠，并具有很強的抗干擾性。但由于氣動儀表需要潔凈干燥的氣源，氣體的傳輸路徑要鋪設(shè)氣路管道，為了防腐蝕和防泄露，需要采用成本很高的銅制管線或不銹鋼管

32、線，而且需要加工精度非常高的連接件，這樣，氣動儀表控制系統(tǒng)的建設(shè)成本、運行維護(hù)成本就相當(dāng)高了。另一類單元式組合儀表是電動單元組合儀表。這類儀表由直流電源提供運行動力并以直流電信號（電源或電壓）傳遞現(xiàn)場信號的值，其信號規(guī)范有兩種，一種為0-10mA,我國遵循這個標(biāo)準(zhǔn)的電動單元組合儀表為DDZII系列；另一種信號規(guī)范是4-20mA,我國遵循這個標(biāo)準(zhǔn)的電動單元組合儀表為DDZ-III系列。電動單元組合儀表主要有八種單元：變送（B）、調(diào)節(jié)（T）、顯示（X）、計算（J）、給定值（G）、輔助（F）、轉(zhuǎn)換（Z）和執(zhí)行（K）。電動單元組合儀表比氣動單元組合儀表更加輕便靈活，功能也更加齊全，因此一經(jīng)推出就迅速得

33、到了廣泛的應(yīng)用。電動單元組合儀表的控制執(zhí)行機構(gòu)為電磁閥、各種控制電機和繼電器等用電磁原理設(shè)計的設(shè)備或裝置。應(yīng)該說，真正的控制系統(tǒng)是從單元式組合儀表出現(xiàn)后才逐步形成的，基地式儀表只能實現(xiàn)分立的、單個回路的、各種控制回路之間無任何聯(lián)系的控制，因此談不上形成系統(tǒng)，而單元式組合儀表可以通過不同單元的組合，不僅能完成單個回路的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)審級控制、復(fù)合控制等復(fù)雜的、涉及幾個回路互動的控制功能，而且，由于單元式組合儀表有能力將顯示、操作、記錄、設(shè)定等單元集中安裝在控制室，使得操作員可以隨時掌握生產(chǎn)過程的全貌并據(jù)此實施操作控制，因此這樣的形態(tài)就構(gòu)成了一個完整的控制系統(tǒng)。在集中的控制室中，是控制系統(tǒng)的人機

34、界面部分。所有供人觀測，操作的各個儀表單元被安裝在儀表面板（Console）上，或安裝在畫有生產(chǎn)工藝流程的模擬盤（Mapboard或Mimic）上。此時的控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場安裝的部分，如檢測/變送單元和執(zhí)行單元（一般稱之為一次儀表）以及集中控制室安裝的其它各類單元（一般稱之為二次儀表）。不論是氣動單元組合儀表還是電動單元組合儀表，其調(diào)節(jié)、計算單元都是采用模擬原理實現(xiàn)的，以電動單元儀表為例，其控制算法，如比例、積分、微分等調(diào)節(jié)規(guī)律，均利用電容、電感、電阻等元件的電氣規(guī)律的模擬實現(xiàn)，而氣動單元組合儀表則利用射流原理來模擬各種控制規(guī)律。這些方法均有較大的局限性，一是計算精度不高，其精度受元件參數(shù)的精度

35、或加工精度的影響較大，而且隨著時間的推移、環(huán)境的變化和機件的磨損，各種參數(shù)會發(fā)生變化，造成控制精度的下降。以模擬方式實現(xiàn)的計算，其動態(tài)范圍也受到較大的限制，如果在控制回路中需要一個較大的滯后環(huán)節(jié)，實現(xiàn)起來是非常困難的，因此單元式組合儀表的控制回路絕大多數(shù)是經(jīng)典PID控制。模擬方式控制的這些問題，促使人們尋求更好的控制器或調(diào)節(jié)器。隨著微處理器的出現(xiàn)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化控制逐步占據(jù)了控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。3、計算機控制系統(tǒng)電子數(shù)字計算機是二十世紀(jì)四十年代誕生的,但直到1958年才開始進(jìn)入控制領(lǐng)域。1958年9月在美國路易斯安那州的一座發(fā)電廠內(nèi)安裝了第一臺用于現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)視的計算機

36、，當(dāng)時的這個系統(tǒng)并不能稱為控制系統(tǒng)。因為它只是將一些現(xiàn)場檢測儀表的數(shù)據(jù)采集到一起，然后在計算機的顯示屏上進(jìn)行顯示，以供操作人員在中央控制室內(nèi)觀察電廠的運行參數(shù)，因此這樣的系統(tǒng)被稱為監(jiān)視系統(tǒng)（MonitoringSystem）。很明顯，該計算機系統(tǒng)只是代替了檢測控制儀表的顯示部分，并實現(xiàn)了多臺檢測控制儀表的集中監(jiān)視功能。到1959年3月，在美國德克薩斯州Texaco的一個煉油廠投運了另一套計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以顯示現(xiàn)場儀表的檢測數(shù)據(jù)，而且可以設(shè)定或改變現(xiàn)場控制儀表的給定值，然而真正實施控制（即根據(jù)給定值及實際檢測值的偏差計算出控制量，并實際輸出以使實際值回到給定值的工作）仍然由控制儀表完成。

37、這套系統(tǒng)應(yīng)該是世界上最早的設(shè)定值控制（SPC）或稱為監(jiān)督控制系統(tǒng)。而1960年4月在肯塔基州的一個化工廠投運的另一個計算機系統(tǒng)，除了完成現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的監(jiān)視和設(shè)定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量,這就是第一個直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)。計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域，所帶來的是從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的革命性的變化。過去，不論是基地式儀表還是單元組合式儀表，采用的都是模擬技術(shù)，具表達(dá)測量值和控制值的方法是采用某種物理量來進(jìn)行模擬，如用電流的大小表示液位的高低等等。在對被控對象進(jìn)行控制時，也是采用同樣的物理量來表達(dá)給定值和控制量，并采用物理的原理，如流體力學(xué)原理、電學(xué)原理、電子學(xué)原理等模擬出微分

38、、積分等算法。顯然，這樣的技術(shù)無法實現(xiàn)復(fù)雜的控制，而且極不靈活，任何算法的改變都要對計算單元進(jìn)行改裝。而數(shù)字技術(shù)則完全不同，它首先將現(xiàn)場測量值通過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器（稱為ADC或A/D）轉(zhuǎn)換成為一個二進(jìn)制的、便于計算機處理的數(shù)字，這個數(shù)字由不同電平分別表示0和1,并以0、1的不同組合表達(dá)出不同的數(shù)值。這個過程被稱為數(shù)字化。數(shù)字化的工作一旦完成，以后的工作便完全在計算機內(nèi)部的運算器中通過軟件來實現(xiàn)，如各種控制算法的實現(xiàn)等等。由于計算機強大的計算功能，可以完成任何公式的計算，因此計算機控制系統(tǒng)的功能比模擬儀表系統(tǒng)要強大得多。而且，由于所有算法都是通過軟件完成的，因此算法的改變非常容易，體現(xiàn)了數(shù)

39、字技術(shù)極大的靈活性。在經(jīng)過計算得到了控制結(jié)果后，由于這個結(jié)果仍然是一個二進(jìn)制數(shù)值，因此還要通過數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器（稱為DAC或D/A）將控制值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，然后通過執(zhí)行器實施控制動作。前面所講到的三種不同類型的計算機控制系統(tǒng)（Monitoring>SPC、DDC）,其主要的區(qū)別在于數(shù)字化的程度不同。計算機監(jiān)視系統(tǒng)，即Monitoring,是在檢測和顯示環(huán)節(jié)上實現(xiàn)了數(shù)字化，但在實際進(jìn)行控制的部分，包括控制計算和給定值的設(shè)定上，仍然采用模擬儀表實現(xiàn)；設(shè)定值控制或監(jiān)督控制，即SPC。則由計算機采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)檢測、給定值的數(shù)字化，但在實現(xiàn)控制的計算和輸出環(huán)節(jié)上，仍然依靠模擬儀表；只

40、有到了DDC,即直接數(shù)字控制階段，才將檢測、計算、控制輸出，包括給定值的設(shè)置等全部環(huán)節(jié)實現(xiàn)了數(shù)字化。在DDC控制系統(tǒng)出現(xiàn)以后，在八十年代前后，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，以數(shù)字技術(shù)為主的控制系統(tǒng)中又出現(xiàn)了一類新的產(chǎn)品，就是單回路調(diào)節(jié)器SLCWSingleLoopController。這種產(chǎn)品以微處理器為核心，主要完成控制計算的功能。其最主要的用途是代替單元式組合儀表的計算、顯示，給定值等單元，而檢測、執(zhí)行等功能仍然由常規(guī)島的單元完成，以這種方式組成的系統(tǒng)是一種模擬和數(shù)字混合模式的系統(tǒng)。由于微處理器采用數(shù)字方式進(jìn)行控制計算，因此計算的能力大大加強，可以實現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜或難度很高的控制計

41、算。在這方面，SLC正好彌補了單元式組合儀表中計算能力較弱的缺點，而且數(shù)字化的處理相對于模擬方式的處理來說，還有一個相當(dāng)大的優(yōu)勢，就是具有數(shù)字通信功能，因此可以被用來方便地實現(xiàn)如審級控制、復(fù)合控制等較復(fù)雜的控制功能，因此在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，SLC發(fā)展很快，后來又在單回路調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上發(fā)展了多回路調(diào)節(jié)器，盡管SLC在內(nèi)部采用了數(shù)字技術(shù)，以微處理器為核心構(gòu)成系統(tǒng)，但在形式上還是沿用了單元式組合儀表的構(gòu)造，仍然是以一個單元的方式安裝在儀表面板Console上，所不同的是SLC的顯示多采用數(shù)字式的顯示，即用數(shù)碼管直接顯示出測量值或控制值、設(shè)定值等。也有些SLC為與原有單元式組合儀表在外觀和使用習(xí)慣上

42、完全一致，采用了模擬單元式組合儀表的顯示、操作方式的設(shè)計，如指針顯示等。對于審級控制，復(fù)合控制等較復(fù)雜的控制功能，常規(guī)的組合式單元儀表的作法是采用硬接線將所需信號引到儀表的計算單元，并參與控制計算。而對于SLC來講，既可以通過硬接線引入所需信號，又可以通過微處理器之間的通信獲取所需信號，后一種方式在控制系統(tǒng)中被稱為“引用”。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字技術(shù)在控制功能方面有了極大的提高，它可以完成各種復(fù)雜的計算和智能化的處理,另外，在人機界面上也比模擬儀表有了革命性的改變。在儀表控制系統(tǒng)中，所有的顯示單元、操作單元、給定值設(shè)定單元都安裝在儀表盤上，而且是每一個檢測控制點都有自己相應(yīng)的顯示、操作、設(shè)定單元

43、。如果系統(tǒng)比較龐大，檢測控制點很多，則需要面積很大的儀表盤，這給觀察現(xiàn)場和進(jìn)行操作帶來了很大的困難。為了減小儀表盤的面積，很多儀表控制系統(tǒng)采取了密集安裝方式，按照生產(chǎn)設(shè)備的工藝將儀表進(jìn)行分區(qū)安排，這樣雖然可以減小儀表盤的面積，使人的操作可以在較小的、手眼可達(dá)的范圍內(nèi)進(jìn)行，但非常不直觀，人必須記住每個儀表盤上的單元在實際生產(chǎn)設(shè)備上是對哪一部分進(jìn)行顯示和操作的，稍有疏忽，就會產(chǎn)生失誤。另一種方法就是采用模擬盤，將生產(chǎn)設(shè)備按實際的工藝過程描繪到一個面板上，在相應(yīng)的測量、控制位置上安裝儀表的顯示操作等單元，這種方式雖然直觀，但大大增加了儀表盤的面積，使操作人員必須在大面積的模擬盤面前不斷走動、巡視，以

44、控制生產(chǎn)過程的運行。在工程上，無論是密集安裝的儀表盤還是按工藝過程表示的模擬盤，其信號線的連接都是非常繁雜的。在現(xiàn)場，我們經(jīng)?？梢钥吹絻x表盤或模擬盤背后密如蛛網(wǎng)的信號線，這些線都要通過電纜溝、電纜井、電纜橋架等縛設(shè)到現(xiàn)場，這對于檢查和維護(hù)來說都是巨大的工作量，特別是在需要增加儀表或改變測量控制點的位置、功能時，其困難更是巨大。而計算機控制系統(tǒng)的人機界面就簡潔得多。在計算機控制系統(tǒng)中，一般采用CRT和鍵盤、鼠標(biāo)或軌跡球來實現(xiàn)顯示操作功能，我們可以在CRT上很容易地顯示出生產(chǎn)設(shè)備的分布，生產(chǎn)工藝流程并通過鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行操作或設(shè)定值控制。這些都是通過軟件實現(xiàn)的，并不需要進(jìn)行一一對應(yīng)的硬連線，而且，由

45、于CRT的表現(xiàn)力豐富，利用光標(biāo)進(jìn)行的控制操作直觀方便，加上軟件對操作命令的各種合法性檢查，使誤操作的概率降到很低。采用數(shù)字技術(shù)的計算機測量、控制系統(tǒng)雖有上述模擬式儀表無法比擬的優(yōu)越性，但也存在自身的弱點。首先，在容錯性方面，模擬技術(shù)比數(shù)字技術(shù)有著天然的優(yōu)勢，以現(xiàn)場測量值的表達(dá)為例，模擬技術(shù)采用氣壓、電流或電壓等物理量表達(dá)，這是一種基于能量消耗的表達(dá)方式，也就是說，測量值越高，表達(dá)測量值所消耗的能量也越大，因此干擾對它的影響也越小。而在數(shù)字方式中，測量值的表達(dá)采用二進(jìn)制數(shù)值，對于這些0或1的碼元來說，其在一個字節(jié)中所處的位置越高，表達(dá)的數(shù)值就越大，但高位碼元和低位碼元受干擾的可能性是一樣的，因此

46、抗干擾問題是數(shù)字系統(tǒng)中要解決的首要問題。第二，計算機控制系統(tǒng)中，所有功能都是通過軟件實現(xiàn)的，而軟件的執(zhí)行是串行的和單向的，也就是說，由計算機所處理的各種功能都需要在預(yù)先確定好的程序控制下一步一步地執(zhí)行，而且這種執(zhí)行是只能前進(jìn)不能后退的（計算機的指令計數(shù)器只能加i而不能減1）,這帶來了兩個問題，一是一旦在計算機受到干擾，其指令計數(shù)器的值發(fā)生了跳變，程序就會“飛”掉，而且不可能返回來，這時計算機的輸出完全是一些亂碼，這和模擬儀表以模擬電路或其它元件組成的運算單元不同。模擬運算單元在受到干擾使某個運算參數(shù)發(fā)生變化時，其運算單元的輸出只是一個具有較大誤差的值，而不會毫無邊際，同時，在干擾消失后還可以自

47、己恢復(fù)到正常值。二是由于計算機的程序是用行的，因此必然有時間上的延遲，計算機在控制多個回路時，必須一個回路一個回路地順序執(zhí)行計算，而不能像模擬儀表那樣所有的計算單元都在同時執(zhí)行各自運算。因此，要獲得同樣的控制實時性，數(shù)字化的計算必須比模擬計算快許多倍。通過對數(shù)字技術(shù)本身的特點及其與模擬技術(shù)相對比的弱點，我們知道，在采用了數(shù)字技術(shù)之后，最重要的是要解決好數(shù)字控制系統(tǒng)的可靠性和實時性這兩個大問題。這兩個問題解決好了，計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能夠充分發(fā)揮，反之，則計算機系統(tǒng)反而會不如儀表系統(tǒng)，因儀表系統(tǒng)可能最多是“不好用”，而計算機系統(tǒng)則可能會“不可用”。盡管數(shù)字技術(shù)有著上述先天性的弱點，但控制系統(tǒng)還

48、是在不可逆轉(zhuǎn)地向著數(shù)字化的方向發(fā)展。這是由于微電子技術(shù)已越來越成熟，數(shù)字電路也越來越可靠，微處理器的運算速度按照摩爾定律每18個月翻一番，如今一枚最普通的八位微處理器也可輕易地完成每秒幾百萬次的運算。更重要的是，用數(shù)字技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng)可以完成模擬系統(tǒng)所無法完成的復(fù)雜控制，如在經(jīng)典PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入人工智能控制，對大滯后環(huán)節(jié)的處理等。這些算法如果采用模擬技術(shù)實現(xiàn)，一是其結(jié)構(gòu)必然非常龐大，元件數(shù)量巨大到無法承受的地步，而且，這樣一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件繁多的系統(tǒng)必然導(dǎo)致可靠性急劇下降，因此是不可實現(xiàn)的，即使實現(xiàn)了也不可用。而在數(shù)字化的系統(tǒng)中，任何復(fù)雜的算法都可用軟件予以實現(xiàn)，算法的復(fù)雜并不改變系統(tǒng)

49、結(jié)構(gòu)，也不增加元件數(shù)量（最多增加一塊存貯器），因此，在這種情況下數(shù)字化控制系統(tǒng)的可靠性要高于模擬系統(tǒng)。另外，數(shù)字技術(shù)的最大優(yōu)勢是可以形成網(wǎng)絡(luò)，因為每個數(shù)字單元都可以有智能處理功能，對外具有地址和識別碼，因此可以在一條共用的總線(PartyLine)上實現(xiàn)多個單元的信息傳輸。而且，數(shù)字信息的傳輸與模擬信息的傳輸不同，數(shù)字信息可以利用編碼技術(shù)，查錯糾錯技術(shù)剔除受到干擾而出錯的信息，因此數(shù)字信息的傳輸是無失真的，不會產(chǎn)生附加的誤差；而模擬信號的傳輸則會產(chǎn)生附加誤差，而且每次傳輸都會在已有的誤差上迭加新的誤差，對比系統(tǒng)是很難識別和濾除的。而且模擬信號的傳輸不可能共線(PartyLine),只能每個信號

50、使用一對線。信號傳輸線的數(shù)量在系統(tǒng)中似乎不是一個能夠引起重視的問題，但如果信號數(shù)量很多、傳輸距離很長時，這個問題就相當(dāng)突出，它將使成本急劇上升，設(shè)計、施工的難度大幅提高，線纜的維護(hù)難度加大，而且很容易引入干擾甚至雷電等高壓的用入，造成系統(tǒng)的損壞。4、分布式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展從以上的敘述可以看到，從1958年開始就陸續(xù)出現(xiàn)了由計算機組成的控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)實現(xiàn)的功能不同，實現(xiàn)數(shù)字化的程度也不同。監(jiān)視系統(tǒng)僅在人機界面中對現(xiàn)場狀態(tài)的觀察方式實現(xiàn)了數(shù)字化，SPC系統(tǒng)則在對模擬儀表的設(shè)定值方面實現(xiàn)了數(shù)字化，而DDC在人機界面，控制計算等方面均實現(xiàn)了數(shù)字化，但還保留了現(xiàn)場模擬方式的變送單元和執(zhí)行單元，系

51、統(tǒng)與它們的連接也是通過模擬信號線來實現(xiàn)的。DDC將所有控制回路的計算都集中在主CPU中，這引起了可靠性問題和實時性問題，上節(jié)對此已有論述。隨著系統(tǒng)功能要求的不斷增加，性能要求的不斷提高和系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，這兩個問題更加突出，經(jīng)過多年的探索，在1975年DCS出現(xiàn)后才較好地解決了這兩個問題，如果說，DDC是計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)，那么DCS則是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)。在DCS出現(xiàn)的早期，人們還將其看作是儀表系統(tǒng)，這在ISAS5.31983年對DCS的定義中可以看出：“Thatclassofinstrumentation(input/outputdevices,co

52、ntroldevicesandoperatorinterfacedevices)whichinadditiontoexecutingthestatedcontrolfunctionsalsopermitstransmissionofcontrol,measurement,andoperatinginformationtoandfromasingleorapluralityofuserspecifiablelocations,connectedbyacommunicationlink.某一類儀器儀表(輸入/輸出設(shè)備、控制設(shè)備和操作員接口設(shè)備），它不僅可以完成指定的控制功能，還允許將控制、測量和運

53、行信息在具有通信鏈路的、可由用戶指定的一個或多個地點之間相互傳遞。”按照這個定義，我們可以將DCS理解為具有數(shù)字通信能力的儀表控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式看，DCS確實與儀表控制系統(tǒng)相類似，它在現(xiàn)場端仍然采用模擬儀表的變送單元和執(zhí)行單元，在主控制室端是計算單元和顯示、記錄、給定值等單元，但從實質(zhì)上，DCS和儀表控制系統(tǒng)有著本質(zhì)的不同。首先，DCS是基于數(shù)字技術(shù)的，除了現(xiàn)場的變送和執(zhí)行單元外，其余的處理均采用數(shù)字方式。而且，DCS的計算單元并不是針對每一個控制回路設(shè)置一個計算單元，而是將若干個控制回路集中在一起，由一個現(xiàn)場控制站來完成這些控制回路的計算功能。這樣的結(jié)構(gòu)形式不只是為了成本上的考慮一一

54、與模擬儀表的計算單元相比，DCS的現(xiàn)場控制站是比較昂貴的，而是由于DCS的現(xiàn)場控制站有足夠的能力完成多個回路的控制計算。從功能上講，由一個現(xiàn)場控制站執(zhí)行多個控制回路的計算和控制功能更便于這些控制回路之間的協(xié)調(diào)，這在模擬儀表系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的。具體一個現(xiàn)場控制站應(yīng)該執(zhí)行多少個回路的控制，則與被控對象有關(guān)，系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)控制方法的要求具體安排在系統(tǒng)中使用多少個現(xiàn)場控制站，每個現(xiàn)場控制站中各安排哪些控制回路。在這方面，DCS有著極大的靈活性。如果說，從儀表控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點在于其具有傳統(tǒng)模擬儀表所沒有的通信功能。那么從計算機控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點則在于它將整個系統(tǒng)的功

55、能分成為若干臺不同的計算機去完成，各個計算機之間通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互相之間的協(xié)調(diào)和系統(tǒng)的集成。在DDC系統(tǒng)中，計算機的功能可分為檢測、計算、控制、人機界面等幾大塊，而在DCS中，檢測、計算和控制這三項功能由稱為現(xiàn)場控制站的計算機完成，而人機界面則由稱為操作員站的計算機完成。這是兩類功能完全不同的計算機。而在一個系統(tǒng)中，往往有多臺現(xiàn)場控制站和多臺操作員站，每臺現(xiàn)場控制站或操作員站對部分被控對象實施控制或監(jiān)視，這種劃分是功能相同而范圍不同的計算機，因此，DCS中多臺計算機的劃分有功能上的，也有控制、監(jiān)視范圍上的。這兩種劃分就形成了DCS的“分布”一詞的含義。ISA除了在S5.31983中對DCS作了定義

56、外，還作出了許多不同角度的解釋：“Asystemwhich,whilebeingfunctionallyintegrated,consistsofsubsystemswhichmaybephysicallyseparateandremotelylocatedfromoneanotherS5.1.物理上分立并分布在不同位置上的多個子系統(tǒng)，在功能上集成為一個系統(tǒng)一一解釋了DCS的結(jié)構(gòu)特點。"Comprisedofoperatorconsoles,acommunicationsystem,andremoteorlocalprocessorunitsperformingcontrol,log

57、ic,calculationsandmeasurementfunctions.被'壓縮的操作面板、通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)方或本地的執(zhí)行控制，邏輯、計算及測量等功能的局域處理單元。一一指出了DCS的三大組成部分“Twomeaningsofdistributedshallapply:a)Processorsandconsolesdistributedphysicallyindifferentareasoftheplantorbuilding,b)Dataprocessingdistributedsuchasseveralprocessorsrunninginparallel,(concurrent)

58、eachwithadifferentfunction.分布的二個含義：a)處理器和控制面板物理地分布在工廠或建筑物的不同區(qū)域；b)在據(jù)處理分散，多個處理器并行執(zhí)行不同的功能一一解釋了分布的二種含義：物理上的分布和功能上的分布?！癆systemofdividingplantorprocesscontrolintoseveralareasofresponsibility,eachmanagedbyitsowncontroller(processor),withthewholeinterconnectedtoformasingleentityusuallybycommunicationbusesofvariouskinds.將工廠或過程控制分解成若干區(qū)域，每個區(qū)域由各自的控制器(處理器)進(jìn)行管理控制，它們之間通過不同類型的總線連成一個整體一一側(cè)重描述了DCS各個部分之間的連接關(guān)系，是通過不同類型的總線實現(xiàn)連接的?？偨Y(jié)以上各方面的描述，我們可