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1、第第9 9章章 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统9.1 9.1 概概 述述9.2 9.2 分布式控制的技术发展分布式控制的技术发展 9.3 9.3 分布式计算机控制系统的基本控制器分布式计算机控制系统的基本控制器 9.4 9.4 分布式计算机控制系统和先进控制分布式计算机控制系统和先进控制 9.5 9.5 分布式计算机控制系统的应用分布式计算机控制系统的应用 9.1 9.1 概概 述述分布式控制系统概念分布式控制系统概念 各类控制系统的特点与比较各类控制系统的特点与比较分布式计算机控制的发展分布式计算机控制的发展(1)(1)系统要有优越的控制性能系统要有优越的控制性能(2)(2)良好的

2、性能价格比良好的性能价格比(3)(3)高可靠性高可靠性(4)(4)灵活的构成方式和简易的操作方法灵活的构成方式和简易的操作方法 (5)(5)良好的可维护性良好的可维护性对一个规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多对一个规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的工程大系统，用模拟仪表控制系统，计算机直接数的工程大系统，用模拟仪表控制系统，计算机直接数字控制系统很难满足这些要求。字控制系统很难满足这些要求。1.现代工业对自动化控制系统提出更高现代工业对自动化控制系统提出更高 要求要求一一 分布式控制系统概念分布式控制系统概念 工程大系统要解决的是整体总目标函数最优化工程大系统要解决的是整体总目标函数

3、最优化问题，也就是要解决生产过程中产量要高、质量要问题，也就是要解决生产过程中产量要高、质量要好，能耗和成本要低、对环境污染要小等问题好，能耗和成本要低、对环境污染要小等问题。2.工程大系统工程大系统整体总目标函数最优化可分成整体总目标函数最优化可分成动态最优化和静态最优化两个方面。动态最优化和静态最优化两个方面。动态最优化解决生产进行过程的最优化。动态最优化解决生产进行过程的最优化。静态最优化则解决生产的规划、组织、决策、管静态最优化则解决生产的规划、组织、决策、管理的最优化。理的最优化。称为称为“离线离线”最优化。最优化。称为称为“在线在线”最优化。最优化。3 3 整体总目标函数最优化整体

4、总目标函数最优化采用了采用了“分解分解”和和“协调协调”的设计原则的设计原则分解：将高阶对象大系统划分为若干个低阶分解：将高阶对象大系统划分为若干个低阶小系统，并解除小系统之间的耦合，使它们之小系统，并解除小系统之间的耦合，使它们之间相互独立，以便使用一般最优控制理论，设间相互独立，以便使用一般最优控制理论，设计局部控制器，分别控制各个小系统，使之最计局部控制器，分别控制各个小系统，使之最优化。优化。系统分解包括两个方面的内容：数学模型系统分解包括两个方面的内容：数学模型的分解和目标函数的分解。的分解和目标函数的分解。4.4.工程大系统设计原则工程大系统设计原则协调：在局部最优化的基础上考虑各

5、子系统之间协调：在局部最优化的基础上考虑各子系统之间的相互影响和相互耦合作用，设计协调控制器，使的相互影响和相互耦合作用，设计协调控制器，使各局部控制器之间协调起来，达到整个系统的最优各局部控制器之间协调起来，达到整个系统的最优化。化。工程大系统的结构理想方案。工程大系统的结构理想方案。递阶分级控制的方案被认为是目前实现大系统递阶分级控制的方案被认为是目前实现大系统综合控制的理想方案综合控制的理想方案 （大系统综合控制理想方案（大系统综合控制理想方案递阶分解控制）递阶分解控制）4.4.工程大系统设计原则（续）工程大系统设计原则（续）分层控制分层控制 分层控制是一种按控制任务进行分解的结构方案，

6、它把控制分层控制是一种按控制任务进行分解的结构方案，它把控制任务分成几个不同的层次，由各层控制器分别完成，下层任务任务分成几个不同的层次，由各层控制器分别完成，下层任务的目标函数受上层控制器决策的影响的目标函数受上层控制器决策的影响 。分级控制分级控制 分级控制是一种按对象结构进行分解的结构方案，它把对象分级控制是一种按对象结构进行分解的结构方案，它把对象划分成若干个子系统，由各局部控制器完成现场控制任务，协划分成若干个子系统，由各局部控制器完成现场控制任务，协调控制器通过控制递阶控制器完成局部控制器之间的协调。调控制器通过控制递阶控制器完成局部控制器之间的协调。分段控制分段控制 分段控制则是

7、按控制过程的时序进行分解的结构方案，它把分段控制则是按控制过程的时序进行分解的结构方案，它把控制过程分成几段，在每段时间内由不同的控制器完成对现场控制过程分成几段，在每段时间内由不同的控制器完成对现场的控制，协调切换器则按衔接条件进行各段控制器的切换控制的控制，协调切换器则按衔接条件进行各段控制器的切换控制 。5.5.递阶控制的形式递阶控制的形式 分级分布式控制系统是一种典型结构图。分级分布式控制系统是一种典型结构图。从结构图上看；从结构图上看；它同时具有分级和分层两种形式，而实用上直接控制器往往在不它同时具有分级和分层两种形式，而实用上直接控制器往往在不同时刻有不同形式，由上层递阶控制器控制

8、切换时间。像这种同同时刻有不同形式，由上层递阶控制器控制切换时间。像这种同时具有多种递阶控制形式的控制结构，有时称为分级分布式控制。时具有多种递阶控制形式的控制结构，有时称为分级分布式控制。分级分布式控制系统结构图分级分布式控制系统结构图 为满足生产过程综合自动化的要求，美国为满足生产过程综合自动化的要求，美国HoneywellHoneywell公司于公司于19751975年公布的新型控制系统年公布的新型控制系统TDC2000TDC2000，开创了分级分布式控制在过程控制领域，开创了分级分布式控制在过程控制领域内的应用先例，接着世界各国对分布式控制系统内的应用先例，接着世界各国对分布式控制系统

9、不断发展和完善。下图是分布式控制系统的组成不断发展和完善。下图是分布式控制系统的组成框图。框图。6.分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统(1)分布式控制系统概念 分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称DCS（Distributed Control System），它是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按功能分散、管理集中的原则，采用多层分级、合作自治的结构形式设计而成。分布式计算机控制系统包含了计算机（Computer）、通信（Communication）、终端显示（CRT）和控制（Control）技术而发展起来的新型控制系统(2)分布式控制系统组

10、成框图分布式控制系统组成框图 管理级管理级 管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财务管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财务理、人员管理以及工艺流程管理等功能，以实现生产理、人员管理以及工艺流程管理等功能，以实现生产过程的静态最优过程的静态最优 。监控级监控级 监控计算机通过协调各基本控制器的工作，达到过监控计算机通过协调各基本控制器的工作，达到过程的动态最优化。程的动态最优化。基础级基础级 基本控制器完成过程的现场控制任务。基本控制器完成过程的现场控制任务。CRTCRT操作站是显示操作装置，完成人操作站是显示操作装置，完成人控制系统控制系统过程的接口任务。过程的接口任务。数据采集器用来收

11、集现场控制信息和过程变化的信数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。息。n(3)DCS的发展阶段 第一阶段（1975年1980年）代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等 主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成 第二阶段（1980年1985年）主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的Centum A，B，D等 主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站U

12、S、网间连接器GW、系统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成 第三阶段（1985年1990年）DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题 典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等 第四阶段（1990年以后）DCS以管控一体化出现，在硬件上采用了开放的工作站，采用了Client/Server的结构，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，在软件

13、上采用UNIX和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中 典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，日本横河公司的Centum-CS控制系统，Foxboro公司的I/AS50/51系统等n(4)DCS的特点 分级递阶控制 硬件积木化 软件模块化：工程师站组态软件、操作站实时监控软件以及过程控制站软件 控制系统用组态方法生成 通信网络的应用 可靠性高：系统结构、冗余技术、自诊断技术、抗干扰技术和高性能的元件 开放系统：可移植性、互操作性、可适宜性、可得到性1.1.常规仪表控制系统常规仪表控制系统 在控制性能上有局限性。在控制

14、性能上有局限性。(1)(1)在控制性能上，仪表系统一般只能实现单参数的在控制性能上，仪表系统一般只能实现单参数的PIDPID调节调节和简单的串级、前馈控制，无法实现复杂的控制形式，如自和简单的串级、前馈控制，无法实现复杂的控制形式，如自适应控制、最优化控制。各个系统不便进行通信联系，难于适应控制、最优化控制。各个系统不便进行通信联系，难于实现分级控制系统。实现分级控制系统。(2)(2)在人机联系上，仪表系统通过安装在中央控制室仪表屏上在人机联系上，仪表系统通过安装在中央控制室仪表屏上的表盘实现人的表盘实现人计算机计算机生产过程的联系。而生产规模的扩生产过程的联系。而生产规模的扩大，使仪表屏越来

15、越长，难于实现集中监视和集中操作。大，使仪表屏越来越长，难于实现集中监视和集中操作。(3)(3)在系统组成上，中央控制室式的结构给监视操作带来一定在系统组成上，中央控制室式的结构给监视操作带来一定方便，同时也带来以下一些副作用，即系统的重构困难，控方便，同时也带来以下一些副作用，即系统的重构困难，控制风险集中等。制风险集中等。二、各类控制系统的特点与比较二、各类控制系统的特点与比较集中式控制系统是指那种将过程数据输入输出、集中式控制系统是指那种将过程数据输入输出、实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存、人机界面的

16、数据库的管理、历史数据处理与保存、人机界面的处理、报警与日志记录、报表直至系统本身的监督处理、报警与日志记录、报表直至系统本身的监督管理等所有功能集中在一台计算机中的那种系统。管理等所有功能集中在一台计算机中的那种系统。集中式控制系统的优点是结构简单、清晰，集中集中式控制系统的优点是结构简单、清晰，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。2.计算机集中控制系统计算机集中控制系统a.a.各种功能集中在一台计算机中，各种功能集中在一台计算机中，增大了计算机失效或故障对整增大了计算机失效或故障对整个系统危害性。集中式的系统将所有的功能、所有的处

17、理集中在个系统危害性。集中式的系统将所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上，大大增加了计算机失效或故障对整个系统造成的一台计算机上，大大增加了计算机失效或故障对整个系统造成的危害性，所有实时信息、历史数据和处理功能集于一身，一旦出危害性，所有实时信息、历史数据和处理功能集于一身，一旦出现问题，造成的后果都是全局性的。现问题，造成的后果都是全局性的。b.b.集中式的系统需要庞大而复杂的软件体系，使得系统的软件可集中式的系统需要庞大而复杂的软件体系，使得系统的软件可靠性下降，实际运行情况表明，集中式系统在现场运行时出现的靠性下降，实际运行情况表明，集中式系统在现场运行时出现的故障有故障有7070

18、以上是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的。以上是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的。c.c.系统的可扩性差，限于计算机硬件的配置与能力，一个系统在建系统的可扩性差，限于计算机硬件的配置与能力，一个系统在建立时基本上就已经确定了其最终能力，如果能预见到其规模的扩立时基本上就已经确定了其最终能力，如果能预见到其规模的扩充，只有预留计算机的处理能力，这将造成很大的投资上的浪费。充，只有预留计算机的处理能力，这将造成很大的投资上的浪费。集中式控制系统的缺点分布式控制系统是先进的控制方案，其主要优点是：分布式控制系统是先进的控制方案，其主要优点是：采用分布式控制结构，各控制器的任务明确，计算采用分布式控

19、制结构，各控制器的任务明确，计算量量 平衡，平衡，因此效率更高；因此效率更高；在物理上的分散结构，采用现场总线等通信技术，在物理上的分散结构，采用现场总线等通信技术，减少了干扰和故障，同时大大节省了电缆；减少了干扰和故障，同时大大节省了电缆；实现分散控制、集中操作管理，降低了风险；实现分散控制、集中操作管理，降低了风险；系统重构简单。系统重构简单。3.分布式控制系统 随着自动控制理论的发展，新的自动控制技随着自动控制理论的发展，新的自动控制技术的出现，特别是计算机工业的发展，使得包括术的出现，特别是计算机工业的发展，使得包括热力发电厂热工自动控制系统在内的过程控制系热力发电厂热工自动控制系统在

20、内的过程控制系统跨入了计算机控制时代。统跨入了计算机控制时代。DCSDCS控制系统则在系统的处理能力和系统安控制系统则在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系统，这是由于全性方面明显优于集中系统，这是由于DCSDCS采用采用多台计算机分担了控制的功能和服务，使处理能多台计算机分担了控制的功能和服务，使处理能力大大提高，而风险性却分散的缘故。力大大提高，而风险性却分散的缘故。三.分布式计算机控制的发展1 1 计算机控制系统硬件发展计算机控制系统硬件发展a.a.计算机硬件技术的发展计算机硬件技术的发展计算机的发展（这里主要指硬件技术的发展）主要表现在两计算机的发展（这里主要指硬件技术的发展）

21、主要表现在两个方面：一是大规模、超大规模集成电路芯片的技术不断提个方面：一是大规模、超大规模集成电路芯片的技术不断提高，使计算机性能得到大幅度提高；另一个是计算机体系结高，使计算机性能得到大幅度提高；另一个是计算机体系结构的发展。两者的结合使计算机的产业发生了革命性的变化，构的发展。两者的结合使计算机的产业发生了革命性的变化，这些变化必定会对这些变化必定会对DCSDCS产生巨大影响产生巨大影响 。b.PCb.PC机的发展为机的发展为DCSDCS提供各种节点提供各种节点采用采用PCPC机作为机作为DCSDCS中的各种节点，特别是操作员站和工程师中的各种节点，特别是操作员站和工程师站已是自然的发展

22、趋势。站已是自然的发展趋势。PCPC机在机在DCSDCS中的应用，极大地提高中的应用，极大地提高了了DCSDCS的功能和性能，尤其是的功能和性能，尤其是PCPC机广泛的软件资源和网络支机广泛的软件资源和网络支持、图形处理能力等。持、图形处理能力等。.分布式计算机的发展分布式计算机的发展（硬件和软件、硬件和软件、总线、网络）在传统的在传统的DCSDCS中，中，I/OI/O控制站是由一个控制站是由一个CPUCPU控制的，各控制的，各种种I/OI/O板通过控制器总线相连，板通过控制器总线相连，I/OI/O控制站的控制站的CPUCPU完成数据完成数据采集、控制回路计算和控制输出的功能。这种结构在一定采

23、集、控制回路计算和控制输出的功能。这种结构在一定程度上实现了分散的要求，可以用多个这样的控制器分担程度上实现了分散的要求，可以用多个这样的控制器分担整个系统的采集控制功能，分散了危险性，但它本身仍然整个系统的采集控制功能，分散了危险性，但它本身仍然为集中式的结构，一旦这台控制器出现故障，其影响面还为集中式的结构，一旦这台控制器出现故障，其影响面还是很大的。另外系统规模的扩大仍然有赖于增加控制器的是很大的。另外系统规模的扩大仍然有赖于增加控制器的数量，灵活性仍然受到限制。随着微控制器技术的发展和数量，灵活性仍然受到限制。随着微控制器技术的发展和成本的进一步降低，使得各个成本的进一步降低，使得各个

24、I/OI/O板实现智能化并互相通过板实现智能化并互相通过现场总线交换信息成为可能。现场总线交换信息成为可能。DCSDCS的进一步分散，使的进一步分散，使I/OI/O控控制站不再是一个集中式的结构，它本身也成了一和式结构。制站不再是一个集中式的结构，它本身也成了一和式结构。c.c.由于计算机技术的发展，使作为局部控制器的由于计算机技术的发展，使作为局部控制器的PLCPLC也发展成为由也发展成为由PLCPLC组成的组成的DCSDCS的形态。的形态。初期的初期的PLCPLC作为一个作为一个2 2位，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，控制的实时性和重在控

25、制可靠性，控制的实时性和重新组态方便等优点，其应用范围扩大。随着新组态方便等优点，其应用范围扩大。随着PLCPLC性性能不断提高，尤其在通信。数据处理与计算性能提能不断提高，尤其在通信。数据处理与计算性能提高，这样就使高，这样就使PLCPLC有条件与其它各种计算机系统和有条件与其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统。设备实现集成，以组成大型的控制系统。d.d.工作站的形成和图形图像处理的发展工作站的形成和图形图像处理的发展2.2.分布式计算机的发展分布式计算机的发展硬件发展（续）硬件发展（续）计算机软件技术的发展相对缓慢，因此软件的产计算机软件技术的发展相对缓慢，因此软件的产品

26、更注重积累。由于软件之庞大，特别注重积累，而品更注重积累。由于软件之庞大，特别注重积累，而软件的开发基本上还是一种依靠大量人力完成的工作，软件的开发基本上还是一种依靠大量人力完成的工作，因此软件的界面标准就变得极其重要。有了界面标准，因此软件的界面标准就变得极其重要。有了界面标准，且各个软件制造商都遵循这些标准，才能使得各家的且各个软件制造商都遵循这些标准，才能使得各家的软件可以放在同一个系统中运行，互相共享软件资源，软件可以放在同一个系统中运行，互相共享软件资源，以实现更多的功能。以实现更多的功能。2.2.分布式计算机的软件发展分布式计算机的软件发展计算机软件的发展计算机软件的发展n系统软件

27、的发展 采用多任务多用户的Unix操作系统或其改进版本 引入人工智能 采用智能变送器、智能控制器和智能执行机构等智能仪表 采用智能控制算法 采用管理、调度等优化软件包 采用GUI图形处理的各种应用软件 交互式关系数据库的应用 3 现场总线技术发展。互操作性 更低的安装费用 更低的维护费用 有助于维护 改进功能 4 网络技术的发展。Client/Server网络结构 标准网络通信接口 数字仪表综合化 数字仪表可实现数据采集、控制功能运算、操作监视、报警和控制，一些仪表还包括高级的控制算法 采用数字仪表可大大节约现场接线和安装费用，现场信号用同轴电缆传送到上一级9.2 9.2 分布式计算机控制系统

28、的组成和体系结构分布式计算机控制系统的组成和体系结构一一.DCS.DCS设计的基本原则设计的基本原则1.1.多台控制器来完成所有过程量的输入输出多台控制器来完成所有过程量的输入输出 针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，设想使用针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，设想使用多台控制器（计算机或多台控制器（计算机或PLCPLC）共同完成所有过程量的输入输）共同完成所有过程量的输入输出，每台控制器只处理一部分实时数据，而每台控制器的失出，每台控制器只处理一部分实时数据，而每台控制器的失效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成整个系

29、统失去实时数据；整个系统失去实时数据；2.2.针对每台控制器的处理尽量单一化针对每台控制器的处理尽量单一化 采用不同的计算机去处理不同的功能，以提高每台控制采用不同的计算机去处理不同的功能，以提高每台控制器的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上容易做得简器的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上容易做得简单，提高了软件的可靠性；单，提高了软件的可靠性；3.3.方便解决系统的扩充与升级的问题方便解决系统的扩充与升级的问题用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题，与计算机的内部用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题，与计算机的内部总线相比，计算机网络具有设备相对简单、可扩性强等特点，总线相比，计算

30、机网络具有设备相对简单、可扩性强等特点，只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而使系统的规模可以在很大程度上实现扩充而并不增加很多费用；使系统的规模可以在很大程度上实现扩充而并不增加很多费用；4.4.多台控制器同时工作对整个系统可靠性影响问题多台控制器同时工作对整个系统可靠性影响问题网络中的各台控制器处于平等地位，在运行中互相之间不存在网络中的各台控制器处于平等地位，在运行中互相之间不存在依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。分布式控制系统的关键是计算机的网络技术，分布式控制系

31、统的关键是计算机的网络技术，DCSDCS的体系结的体系结构其使之就是一个网络结构。构其使之就是一个网络结构。一一.DCS.DCS设计的基本原则（续）设计的基本原则（续）1 DCS 1 DCS 的网络构成的网络构成 DCSDCS的基本构成可以简单地将其归纳为的基本构成可以简单地将其归纳为“三点一线三点一线”式的式的结构。一线是指计算机网络和现场总线。三点是指在网络上结构。一线是指计算机网络和现场总线。三点是指在网络上3 3种种不同类型的节点：面向被控过程的现场不同类型的节点：面向被控过程的现场I/OI/O控制站、面向操作员控制站、面向操作员的操作站和面向的操作站和面向DCSDCS监督管理人员的工

32、程师站。监督管理人员的工程师站。1.DCS1.DCS的网络结构的网络结构 用于用于DCSDCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络。首先，它是一个实时网络，也就是说，网络需要根算机网络。首先，它是一个实时网络，也就是说，网络需要根据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。二二.DCS.DCS的组成的组成拓扑指网络中站或节点相连接的方法。拓扑指网络中站或节点相连接的方法。网络的拓扑结构有五种，即星型、树型、总线型、网络的拓扑结构有五种，即星型、树型、总线型、环型、分散型。目前

33、应用最广的网络结构是环形和环型、分散型。目前应用最广的网络结构是环形和总线形网。在这两种结构的网络中，各个节点可以总线形网。在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需其它节点的介入。过网络进行，而不需其它节点的介入。为了实现传输介质共享，对于多个节点传送信息的为了实现传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时的方法，以避免信息在网络上的请求必须采用分时的方法，以避免信息在网络上的碰撞。碰撞。2 网络的拓扑结构。网络的拓扑结构。a.a.令牌方法划分各个节点的时间片，使每一瞬间只有一个节点令

34、牌方法划分各个节点的时间片，使每一瞬间只有一个节点使用物理传输介质，即所谓使用物理传输介质，即所谓Token RingToken Ring（对于环形网）或（对于环形网）或Token PassingToken Passing（对于总线形网）方式。令牌实际是一个标识信（对于总线形网）方式。令牌实际是一个标识信号，它规定了要使用物理传输介质的节点标识，只有符合标识号，它规定了要使用物理传输介质的节点标识，只有符合标识的节点（节点的标识号在系统中是唯一的）才能使用网络。这的节点（节点的标识号在系统中是唯一的）才能使用网络。这样就避免了某个节点传送信息时被其它节点干扰，当传送信息样就避免了某个节点传送信

35、息时被其它节点干扰，当传送信息的节点完成传送之后，即刻释放网络，并产生一个令牌，将网的节点完成传送之后，即刻释放网络，并产生一个令牌，将网络让给其它节点。络让给其它节点。b.b.另一种解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即另一种解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即CSMACSMACDCD方式。这种方式不规定时间片，需要使用网络的节方式。这种方式不规定时间片，需要使用网络的节点。首先需要对网络线进行侦听，检测网络是否忙，如果忙，点。首先需要对网络线进行侦听，检测网络是否忙，如果忙，则等待，直到网络空闲。则等待，直到网络空闲。解决网络技术碰撞的办法有两种解决网络技术碰撞的办法有两种现现场

36、场I/OI/O控控制制站站是是完完成成对对过过程程现现场场I/OI/O处处理理并并实实现现直直接接数数字字控控制（制（DDCDDC）的网络节点，主要功能有）的网络节点，主要功能有3 3个：个：将将各各种种现现场场发发生生的的过过程程量量（流流量量、压压力力、液液位位、温温度度、电电流流、电电压压、功功率率以以及及各各种种状状态态等等）进进行行数数字字化化，并并将将这这些些数数字字化化后后的的量量存存在在存存储储器器中中，形形成成一一个个与与现现场场过过程程量量一一致致的的、能能一一一一对对应应的的、并并按按实实际际运运行行情情况况实实时时地地改改变变和和更更新新的的现现场场过过程程量量的的实实

37、时数据；时数据；将将本本站站采采集集到到的的实实时时数数据据通通过过网网络络送送到到操操作作员员站站、工工程程师师站站及及其其它它现现场场I IO O控控制制站站，以以便便实实现现全全系系统统范范围围内内的的监监督督和和控控制制，同同时时现现场场I IO O控控制制站站还还可可接接收收由由操操作作员员站站、工工程程师师站站下下发发的的信信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；现场现场I/OI/O控制站控制站在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。顺序控制等。对于分布式控制系统，

38、现场对于分布式控制系统，现场I/OI/O控制站应该是一个独控制站应该是一个独立运行单位，它具备了直接数字控制立运行单位，它具备了直接数字控制ODCODC所需的一切条所需的一切条件，因此现场件，因此现场I/OI/O控制站应具备不依赖控制站应具备不依赖DCSDCS其它部分独立其它部分独立运行的能力，这样在运行的能力，这样在DCSDCS其它部分失效的情况下，仍能对其它部分失效的情况下，仍能对现场执行最基本的控制。现场执行最基本的控制。现场现场I/OI/O控制站功能（续）控制站功能（续）操作员站主要功能就是为系统的运行操作员提供人机界操作员站主要功能就是为系统的运行操作员提供人机界面，使操作员可以通过

39、操作员站及时了解现场运行状态和各面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态和各种运行参数的当前值。种运行参数的当前值。人机界面上显示的内容包括如下人机界面上显示的内容包括如下 （1 1）生产过程的模拟流程图）生产过程的模拟流程图 （2 2）报警窗口）报警窗口 （3 3）关键数据的常驻显示）关键数据的常驻显示 （4 4）实时趋势显示）实时趋势显示 （5 5）检测及控制仪表的模拟显示）检测及控制仪表的模拟显示 （6 6）灵活方便的画面调用）灵活方便的画面调用 （7 7）音响报警装置）音响报警装置 操作员站操作员站工程师站提供的功能有工程师站提供的功能有（1 1）硬件配置组态功能）硬件配置组态

40、功能 （2 2）数据库组态功能）数据库组态功能 （3 3）控制回路组态功能）控制回路组态功能 （4 4）逻辑控制及批控制组态）逻辑控制及批控制组态 （5 5）控制算法语言的组态）控制算法语言的组态 （6 6）操作员站显示画面的生）操作员站显示画面的生 （7 7）报表生成组态）报表生成组态 （8 8）组态数据的编译和下装）组态数据的编译和下装 （9 9）操作安全保护组态）操作安全保护组态 工程师站工程师站 图图9-49-4表示集散系统基表示集散系统基本控制器的构成，它是功本控制器的构成，它是功能模块组件组装式的，各能模块组件组装式的，各模块以插件形式插在机箱模块以插件形式插在机箱中，以便于维修和

41、扩展。中，以便于维修和扩展。基本控制器采用总线基本控制器采用总线结构，所有插件都直接挂结构，所有插件都直接挂在总线上。其中在总线上。其中CPUCPU单元单元和存储器部分是核心部件。和存储器部分是核心部件。图图9-4 9-4 基本控制器结构基本控制器结构9.3 9.3 分布式计算机控制系统的基本控制器分布式计算机控制系统的基本控制器一一.基本控制器构成基本控制器构成CPUCPU单元单元 CPUCPU单元按预定的周期和程序，对信号进行运算、处理，并单元按预定的周期和程序，对信号进行运算、处理，并对基本控制器内部各单元执行操作控制和故障诊断。对基本控制器内部各单元执行操作控制和故障诊断。存储器存储器

42、 存储器可分成程序存储器和工作存储器两部分。程序存储存储器可分成程序存储器和工作存储器两部分。程序存储器一般由器一般由ROMROM组成，用于存放基本控制器的管理、监控程序和组成，用于存放基本控制器的管理、监控程序和标准算法程序。工作存储器中存放一个分散的过程数据库，用标准算法程序。工作存储器中存放一个分散的过程数据库，用来保存现场信号信息。来保存现场信号信息。工作存储器通常由工作存储器通常由RAMRAM和和EPROMEPROM组成（组成（EPROMEPROM中通常存中通常存放类似控制组态字之类的对控制关系重大且相对稳定的参数）。放类似控制组态字之类的对控制关系重大且相对稳定的参数）。存储器通常

43、是可以扩展的，用户可以根据特殊需要编写专门的存储器通常是可以扩展的，用户可以根据特殊需要编写专门的应用程序。应用程序。一一.基本控制器构成（续）基本控制器构成（续）操作员接口操作员接口 完成基本控制器和数据输入板完成基本控制器和数据输入板DEPDEP、模拟显示单元（选、模拟显示单元（选用）之间的信息交流。用）之间的信息交流。通信接口单元通信接口单元 完成基本控制器和数据高速通道之间的信息发送和接收，完成基本控制器和数据高速通道之间的信息发送和接收，并进行检错、串并进行检错、串/并互换、并互换、DMADMA控制等。控制等。输入通道输入通道 将模拟信号经模拟滤波、采样、放大、将模拟信号经模拟滤波、

44、采样、放大、A AD D转换后的转换后的数字信号送入数字信号送入CPUCPU。该信号经数字滤波、标度变换以后存入。该信号经数字滤波、标度变换以后存入数据区。数据区。一一.基本控制器构成（续）基本控制器构成（续）输出通道输出通道 将将CPUCPU输出的数据进行输出的数据进行D DA A转换，经保持电路以后控转换，经保持电路以后控制执行机构。制执行机构。终端板终端板 与过程变送器和执行器直接相连接，起到基本控制器与过程变送器和执行器直接相连接，起到基本控制器与过程的接口作用，板上配有电平转换电路，可将输入信与过程的接口作用，板上配有电平转换电路，可将输入信号转换成标准信号。号转换成标准信号。一一.

45、基本控制器构成（续）基本控制器构成（续）1.1.以模拟控制为主，带有简单的程序控制功能；以模拟控制为主，带有简单的程序控制功能；2.2.以顺序控制、程序控制为主，兼有模拟控制功能。以顺序控制、程序控制为主，兼有模拟控制功能。二二.基本控制器有两种形式基本控制器有两种形式三三.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双重功能。基本控制器具有控制和接口的双重功能。1.1.控制功能控制功能（1 1）PIDPID控制控制（2 2）远方本地设定值功能）远方本地设定值功能（3 3）数字逻辑功能）数字逻辑功能（4 4）程序控制功能（以时间或逻辑为基础）程序控制功能（以时间或逻辑为基础）（5

46、 5）远方调整参数功能）远方调整参数功能（6 6）远方本地手动功能）远方本地手动功能（7 7）报警功能（多种）报警功能（多种）（8 8）数字滤波功能和算术运算功能）数字滤波功能和算术运算功能 （多种）（多种）并能根据以上功能用组态方式组合成相当复杂的控制算式。并能根据以上功能用组态方式组合成相当复杂的控制算式。1.1.控制功能（续）控制功能（续）在采集数据后进行预处理并向上级计算机传在采集数据后进行预处理并向上级计算机传送，其工作存储器可作为上级计算机的分散数据送，其工作存储器可作为上级计算机的分散数据存储器，以供上级计算机直接查用。存储器，以供上级计算机直接查用。2.2.接口功能接口功能 基

47、本控制器的工作方式 自动控制：由操作员在数据输入板DEP上设定本地设定值 串级控制：其给定值是其它某一个回路的输出值，由组态字指定 上级计算机控制：由监控计算机代替基本控制器进行控制，它经高速数据通道输出基本控制器的给定值或输出幅值 手动：操作员在DEP或CRT上直接调整回路的输出 回路手动：在选用的模拟显示器上通过增/减键调整输出，基本控制器处于保持状态四四.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在系统管理程序的在系统管理程序的指挥下，在一个采样周期内完成一次

48、工作指挥下，在一个采样周期内完成一次工作循环，其流程图如图循环，其流程图如图9-59-5（a a）所示。用户可）所示。用户可以通过以通过DEPDEP或或CRTCRT操作站选择标准算法，操作站选择标准算法，构成不同的控制回路。构成不同的控制回路。控制流程图 典型控制回路管理程序管理程序 包括监控程序、诊断程序、运行管理程序等；包括监控程序、诊断程序、运行管理程序等；输入输出处理程序输入输出处理程序 包括数字滤波程序、线性化程序、标度包括数字滤波程序、线性化程序、标度变换程序、防积分饱和程序、偏差报警程序、变化率报警程序、变换程序、防积分饱和程序、偏差报警程序、变化率报警程序、绝对值报警程序等；绝

49、对值报警程序等；运算处理程序运算处理程序 包括乘法程序、除法程序、累加程序、开方程包括乘法程序、除法程序、累加程序、开方程序、高值选择、低值选择、动态补偿（超前滞后）等；序、高值选择、低值选择、动态补偿（超前滞后）等；控制控制处理程序处理程序 包括过程变量跟踪和预置、自动加偏置、自动加比率、包括过程变量跟踪和预置、自动加偏置、自动加比率、开关控制、自动手动后备处理、设定值自动提量等；开关控制、自动手动后备处理、设定值自动提量等；控制算法程序控制算法程序 包括包括P P、PIPI、PDPD、PIDPID、间隙控制、跟踪控制等。、间隙控制、跟踪控制等。2.2.基本控制器标准算法的组成部分基本控制器

50、标准算法的组成部分 控制软件包的结构采用了冗余手段和自诊断措施采用了冗余手段和自诊断措施1.1.冗余手段冗余手段 若干台基本控制器有一个备用控制器，再加上一个备用切换若干台基本控制器有一个备用控制器，再加上一个备用切换指挥器就构成所谓的无中断控制系统。备用切换指挥器连续不断指挥器就构成所谓的无中断控制系统。备用切换指挥器连续不断地监视各主控制器的运行工况，一旦主控制器发生故障，它在识地监视各主控制器的运行工况，一旦主控制器发生故障，它在识别故障之后向操作者报警的同时，便将故障的主控制器内的存储别故障之后向操作者报警的同时，便将故障的主控制器内的存储器信息经专用电缆快速复制到备用控制器内，将故障