1.3 集散控制系统的基本概念和基本组成
1.3.1 集散控制系统的基本概念
集散型计算机控制系统又名分布式计算机控制系统，简称集散控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。集散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛的应用。
集散型计算机控制系统的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致（见图1-4）。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，各级既相互独立又相互联系，每一级又可按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制、实时监视、生产过程管理等；横向分散则意味着在相同级上的设备有类似的功能。按照这种思想来设计集散型控制系统的硬件和软件，就是要贯彻既集中又分散的原则。
图1-4 多层树状结构
集散型控制系统概括起来由集中操作管理部分、分散过程控制部分和通信部分组成。集中操作管理部分又可分为工程师站、操作员站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作员站则用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散过程控制部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，它用于控制和监测。通信部分连接集散型控制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其他信息的传递。集散型控制系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。使用组态软件这一工具，就可生成用户所要求的实用系统。集散型计算机控制系统具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。它能够适应工业生产过程中的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益。
集散控制系统是由分散过程控制装置、操作管理装置、通信系统三大部分组成的。
（1）分散过程控制装置
分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程中的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置传送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他运算。
（2）操作管理装置
操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。集散控制系统的组成如图1-5所示。
图1-5 集散控制系统的组成
（3）通信系统
分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换，这就是通信系统。
（4）集散控制系统的结构特征
集散控制系统是由一些微处理器、计算机组成的子系统合成的大系统。它的结构具有递阶控制结构、分散控制结构和冗余化结构的特征。
递阶控制结构由相互关联的子系统组成，它们各自的特性以及它们之间的关联决定了集散控制系统的特性。由于各子系统之间需要互相交换信息，因此需要一个协调者负责此工作。它对各子系统的控制按一定的优先和从属关系来实现。它们形成金字塔式的结构，同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预。子系统可通过上级互相交换信息。因此，称集散控制系统具有递阶控制结构。递阶控制结构具有经典控制结构所不具备的优点，主要包括如下内容。
①系统的结构灵活，容易改变，系统容量可以扩大或缩小；
②控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和自组织等功能；
③降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间；
④可设置备用子系统，降低成本，提高可靠性；
⑤各级的智能化将进一步提高系统的性能。
分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出的。与递阶控制结构的根本区别是分散控制系统是一个自治的闭环结构。它的结构可以是垂直型、水平型或复合型。垂直型，又称阶层型，是以上下关系为基础的结构，下位向左右方向扩大，形成金字塔形。系统的通信发生在上下位间，其主导权由上位掌握，对下位设备的动作有监视和进行调整的权限；水平型是对等的分散子系统以自我管理为基础的系统结构，在通信系统中，这些子系统具有平等的地位；复合型把水平型和垂直型结合起来，各子系统各自管理的同时，形成上下阶层关系，各子系统有较强的独立性，上位系统的故障不影响下位子系统间的数据交换和各自的功能，正常工作时，上位监视和支持下位的工作。集散控制系统大多采用复合型分散控制结构。
冗余化结构提高了系统的可靠性。集散控制系统在重要设备、对全系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。把所有设备都采用冗余结构是不必要也是不经济的，应对冗余增加的投资和系统故障停工造成的损失进行权衡比较，考虑合适的冗余结构方式。
（5）集散控制系统的典型结构
集散控制系统的典型结构采用“模件化控制站+宽带局域网+信息综合管理系统”的形式。通过宽带网络，可在很广的地域内应用。通过现场总线，系统可与现场智能仪表通信和操作，是一类开放的、系统互联的和具有互操作性的系统，是第三代集散控制系统的典型结构，如图1-6所示。
图1-6 集散控制系统的典型结构
1.3.2 现场控制站
集散型计算机控制系统的一个突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。硬件系统是通过通信网络系统将不同数目的现场控制站、操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。
在不同的集散控制系统中，现场控制站可分成功能齐全的现场控制站、仅具有数据采集功能的监测站、仅具有顺序控制功能的顺序控制站等。模块化的结构还允许在上述各种过程站中根据不同的可靠性指标采用冗余结构。对于现场控制站，从可编程逻辑控制器（PLC），到单片机组成的小型控制采集装置，再由诸如STD和工业PC等小型工控机到各种16位和32位总线型工业控制计算机等，都是可选的现场控制站设备。
现场控制站与操作站通过通信网络相连接，而输入、输出信号线可能有数百条之多。为减少信号电缆长度以减少长距离传输的干扰、提高可靠性，并降低系统造价，现场控制站一般均放置在靠近过程装置的地方。为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了加固处理，使其具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、抗振动及耐高低温等恶劣环境的能力。
（1）现场控制站的功能
在集散控制系统中，各种现场检测仪表（如各种传感器、变送器等）传送的过程信号均由现场控制站进行实时的数据采集、滤波、非线性校正及各种补偿运算、上下限报警、累积量计算等。所有测量值和报警值经通信网络传送到操作员站数据库，供实时显示、优化计算、报警打印等。在现场控制站还可完成各种闭环反馈控制、批量控制与顺序控制等功能，通过接收操作站发来的各种手动操作命令进行手动控制，从而提供了对生产过程的直接调节控制功能。现场控制站的组成如图1-7所示。
图1-7 现场控制站的组成
（2）用于现场控制站的智能调节器与PLC
当前，现场控制站越来越多地采用了各种智能数字调节器与可编程序控制器，新型的数字调节器与PLC不仅容量更大，速度更快，而且都增置了较强的联网通信能力。可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线网，将作为主节点的现场控制站与作为从节点的数十个数字调节器、PLC或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台PLC通过网关直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站（见图1-8），使得控制功能进一步分散，并使控制速度与功能及系统的可靠性得到进一步提高。
图1-8 PLC与集散控制系统的连接
智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，由微处理器、RAM、ROM、模拟量与数字量I/O通道、独立的电源等基本组成部分所构成的一个微型的计算机系统，有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，其控制方式除PID之外还可组成串级控制、信号选择控制及前馈控制和按预定曲线进行程序控制等。智能调节器一般带有异步通信接口（RS-232或RS-422等），可与上位机连成主从式通信网，接收上位机下装的控制参数，并上报各种过程参数。
1.3.3 操作员站
（1）中心计算机站的功能
集散型控制系统的中心计算机站提供了集中监视、对现场直接操作、系统生成以及诊断等功能。它是几个部分的统称，其主要部分是操作员站和工程师站。
操作员站由大屏幕监视器、控制计算机以及操作员键盘组成。一个集散型控制系统中可以配置多个操作员站，一般这些操作员站是相互冗余的。此外，中心计算机站还有一个网关，并通过它与一个功能更强的计算机系统相连，以便实现高级的控制和管理功能。有些系统还配备一个工程师站，用来生成目标系统的参数等。当然，为了节省投资，工程师站可以用一个操作员站来代替。中心计算机站应该完成以下基本功能。
①过程显示和控制；
②现场数据的收集和恢复显示；
③级间通信；
④系统诊断；
⑤系统配置和参数生成；
⑥仿真调试等。
（2）操作员站的功能
集散型控制系统的操作员站应该显示以下几个方面的内容：①模拟流程和总貌显示；②过程状态；③特殊数据记录；④趋势显示；⑤统计结果显示；⑥历史数据的显示；⑦生产状态显示等。
（3）操作员站的组成
操作员站由处理机系统、显示设备、操作键盘、打印设备、存储设备和固定这些设备的操作台组成。
1.3.4 集散型控制系统的特点
集散型控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便等特点的多级计算机网络系统结构。
（1）分级递阶控制
集散控制系统是分级递阶控制系统。它在垂直方向或水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为二级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级间相互也进行数据的交换，这样的系统是分级的递阶系统。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围也越广。分级递阶是它的基本特征，分级递阶系统的优点是各个分级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间既有分工又有联系，在各自的工作中完成各自的任务，同时它们相互协调，相互制约，使整个系统在优化的操作条件下运行。与计算机直接数字控制系统相比，在计算机直接数字控制系统中，各个组成部分具有相同等级，数据由同一个CPU进行处理，虽然可以进行优先级别的分配，但是系统的调整是较不方便的。正因为没有分级，一旦组成系统的某些部件发生故障将造成整个系统的瘫痪，系统的可靠性降低。
（2）分散控制
分散控制是集散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。在计算机控制系统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监督和过程的控制。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、记录、运算、转换等功能集中在一起，也产生了一系列的问题。首先是一旦计算机发生故障多将造成过程操作的全线瘫痪，为此，危险分散的想法就提了出来，冗余的概念也产生了。但是，要采用一个同样的计算机控制系统作为原系统的后备，无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功能的分析表明，在过程控制级进行分散，把过程控制与操作管理进行分散是可能的，也是可行的。
（3）自治性
系统中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合理分配给自己的规定任务，如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制等。系统各工作站都采用最新技术的微计算机，存储容量容易扩充，配套软件功能齐全，是一个能够独立运行的高可靠性子系统，控制功能齐全，控制算法丰富，连续控制、顺序控制和批量控制集中于一体，还可实现串级、前馈、解耦和自适应等先进控制，提高了系统的可控性。
（4）协调性
各工作站间通过通信网络传送各种信息并协调工作，各个分散的自治系统在统一集中操作管理和协调下，各自分散工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。采用实时性的、安全可靠的工业控制局部网络，使整个系统达成信息共享。采用标准通信网络协议，将集散型控制系统与信息管理系统连接起来，扩展成为综合自动化系统。
（5）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设计的，其使用界面就要与之相适应：实用而简捷的人机对话系统，彩色高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，画面日趋丰富；综观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表、操作指导等画面，菜单功能更具实时性。组态软件中的系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态是集散控制系统的关键部分，用户的方案及显示方式由它来解释并生成集散控制系统内部可识别的目标数据。
（6）适应性、灵活性和可扩充性
硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同的用户的需要。可根据生产要求改变系统的大小配置，在改变生产工艺、生产流程时也只需要改变某些配置和控制方案即可。以上的变化都不需要修改或重新开发软件，只是使用组态软件，填写一些表格即可实现。
（7）开放系统
开放系统是以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统，这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性。作为第三代集散控制系统的标志，开放系统已渐为人知。可移植性保证第三方的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上运行，保护用户的已有资源，减少应用开发、维护和人员培训的费用。可移植性包括程序可移植性、数据可移植性和人员可移植性。开放系统的互操作性指不同的计算机系统与通信网能互相连接起来，通过互联，能正确有效地进行数据的互通，并在数据互通的基础上协同工作，共享资源，完成相应的功能。集散控制系统在现场总线标准化后，将使符合标准的各种智能检测、变送和执行机构的产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造厂的产品。
（8）可靠性
高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在，制造厂商在确定系统结构的同时进行可靠性设计，采用可靠性保证技术。系统结构采用容错设计，使得在任一单元失效的情况下，仍然能够保持系统的完整性。即使全局性通信或管理站失效，局部站仍能维持工作。为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计。在结构、组装工艺方面，严格挑选元器件，降额使用，加强质量控制，尽可能地减少故障出现的概率。