1.2　分布式控制系統

分布式控制系統采用微處理機分別控制各個回路，而用中、小型工業控制計算機或高性能的微處理機實施上一級的控制。各回路之間和上、下級之間通過高速數據通道交換信息。分布式控制系統具有數據獲取、直接數字控制、人機交互以及監控和管理等功能。分布式控制系統是在計算機監督控制系統、直接數字控制系統和計算機多級控制系統的基礎上發展起來的，是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。在分布式控制系統中，按區域把控制站安裝在測量裝置與控制執行機構附近，將控制功能盡可能分散，管理功能相對集中。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不會由于個別計算機的故障而使整個系統失去控制。當管理級發生故障時，過程控制級（控制回路）仍具有獨立控制能力，個別控制回路發生故障時也不致影響全局。與計算機多級控制系統相比，分布式控制系統在結構上更加靈活、布局更為合理和成本更低。

分布式控制系統是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機（Computer）、通信（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、靈活配置、方便組態。目前，大部分的復雜過程控制系統都采用這種結構類型。

1.2.1　分布式控制系統的結構

對于集中式計算機控制系統，其兩大應用指標是中央計算機的處理和計算機自身的可靠性。若計算機的處理速度快，它在一定時間范圍內就可以管理更多的被控設備。和以往一樣，工廠中已有的儀器儀表裝置都不得不連接到計算機上，這樣在計算機和儀器儀表間存在著很多連接裝置。若是利用中央計算機來進行技術改造，利用現存的連接裝置，整個控制系統的完成就比較省事；若是要重建工廠就不太容易，因為計算機變得越來越便宜，而連接裝置的造價相對變化不大，這樣連接裝置比計算機的花費還大。另外，所有的控制功能都集中到單臺計算機上來完成，一旦計算機出了問題，就意味著所有功能都將失效，對于這種狀況，必須尋求一種更加可靠的計算機自動化控制系統。

20世紀60年代末到70年代初，出現了小型、微型計算機，使得小型、微型計算機的功能更加完善，并且價格便宜。因而可以用這種小型計算機來代替中央計算機的局部工作，以對其周圍的裝置進行過程監控，有人將這些小型機組成為第一級計算機；而中央計算機只處理中心自動化問題和管理方面的問題，從而產生了兩級自動化控制系統的結構（圖1.2），也有人把這種結構稱為分散式計算機系統。這種結構在當時得到了廣泛應用。20世紀70年代末，一開始集散控制系統是以多個計算機自動化系統的形式由制造商推出，而一旦用戶采用了分散式計算機控制系統，就必然會在滿足自己應用的前提下，選擇價格更加合理的不同廠家的計算機產品，而且當分散式控制系統逐漸建成后，就會與現存的過程控制計算機集成起來，一起完成它們的主要功能，這些小型計算機主要是完成實時處理、前端處理功能，而中央計算機只充當后繼處理設備。這樣中央計算機不用直接與現場設備打交道，從而把部分控制功能和危險都分散到前端計算機上，如果中央計算機一旦失效，設備的控制功能依舊得到保證。

圖1.2中所示的多計算機結構比較適合小型工業自動化過程，在這些系統中存在的前端計算機較少，然而當控制規模增大后就得有很多前端計算機才能滿足應用需求，從而使中央計算機的負載增大，難以在單臺中央計算機的條件下及時完成諸如模塊上優化、系統管理等方面的工作。在這種應用條件下，就出現了具有中間層次計算機的控制系統。在整個控制系統中，中間計算機分布在各車間或工段上，處在前端計算機和中央計算機之間并擔當起一些以往要求中央計算機來處理的職能，系統結構就形成了三級計算機之間并擔當起一些以往要求中央計算機來處理的職能，系統結構就形成了三級計算機控制模式（圖1.3）。這種結構模式在工廠自動化方面得到了很廣泛的應用，至今仍經常見到。

1.2.2　分布式控制系統的功能層次

目前，層次化已成為控制系統的體系特點，使其體現集中操作管理、分散控制思想。典型的控制系統的體系結構目前一般分為四層結構：過程控制級，集中監控級，生產管理級，綜合管理級，如圖1.4所示。

過程控制級：主要由現場控制站、I/O單元和現場各類裝置（如變送器、執行器、記錄儀表等）組成，是系統控制功能的主要實施部分。控制系統的現場控制站接受現場送來的測量信號，按照指定的控制算法，對信號進行輸入處理，控制算法運算，輸出處理后向執行器發出控制指令。同時接受上層的管理信息，并向上傳遞過程控制級的現場裝置的特性參數和現場采集到的實時數據。

集中監控級：包括操作員站和工程師站，用于完成系統的操作和組態，綜合監控各過程控制站的所有信息，集中顯示操作，控制回路組態和參數修改，優化過程處理。

生產管理級（產品管理級）：位于這一級的管理計算機根據生產的產品情況，協調各單元級的參數設定。

綜合管理級：位于這一級的管理計算機主要用于企業的生產調度、計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業的經營管理等方面信息的傳輸。

1.2.2.1　過程控制級

過程控制級是控制系統的基礎，其主要任務如下。

（1）進行過程數據采集：即對被控設備中的每個過程量和狀態信息進行快速采集，為進行數字控制、開環控制、設備監測、狀態報告的過程等獲得所需要的輸入信息。

（2）進行直接數字的過程控制：根據控制組態數據庫、控制算法來實施過程量（開關量、模擬量等）的控制。

（3）進行設備監測和系統的測試、診斷：把過程變量和狀態信息取出后，分析是否可以接受以及是否可以允許向高層傳輸。進一步確定是否對被控裝置實施調節，并根據狀態信息判斷計算機系統硬件和控制模塊的性能，在必要時實施報警、故障診斷等措施。

（4）實施安全性、冗余化措施：一旦發現計算機系統硬件或控制模塊有故障，立即實施備用件的切換，保證整個系統的安全運行。

1.2.2.2　集中監控級

集中監控級主要是處理單元內的整體優化，并對其下層產生確切的命令，在這一層可完成的功能主要有以下幾點。

（1）優化過程控制。這可以根據過程的數學模型以及所給定的控制對象來進行，優化控制只有在優化執行條件確保的條件下方能達到，但即使在不同策略條件下仍能完成對控制過程的優化。

（2）自適應回路控制。在過程參數希望值的基礎上，通過數字控制的優化策略，當現場條件發生改變時，經過過程管理級計算機的運算處理就得到新的設定值和調節值，并把調節值傳送到直接過程控制層。

（3）優化單元內各裝置，使它們密切配合。這主要是根據單元內的產品、原材料、庫存以及能源的使用情況，以優化準則來協調相互之間的關系。

（4）通過獲取過程控制層的實時數據以進行單元內的活動監視、故障檢測存檔、歷史數據的存檔、狀態報告和備用。

1.2.2.3　生產管理級

產品規劃和控制級完成一系列的功能，要求有比系統和控制工程更寬的操作和邏輯分析功能，根據用戶的訂貨情況、庫存情況、能源情況來規劃各單元中的產品結構和規模，并且可使產品重新計劃，隨時更改產品結構。這一點是工廠自動化系統高層所需要的，有了產品重新組織和柔性制造的功能，就可以應付由于用戶訂貨變化所造成的不可預測的事件。因此，一些較復雜的工廠在這一控制層就實施了協調策略。此外，縱觀全廠生產和產品監視，以及產品報告也都在這一層實現，并與上層交互傳遞數據。在中小企業的自動化系統中，這一層可能就充當最高一級管理層。

1.2.2.4　綜合管理級

綜合管理級處于自動化系統的最高層，它的管理范圍很廣，包括工程技術方面、經濟方面、商業事務方面、人事活動方面以及其他方面的功能。把這些功能都集中到軟件系統中，通過綜合的產品計劃，在各種變化條件下，結合多種多樣的材料和能量調配，以及達到最優化地解決這些問題。在這一層中，通過與公司的經理部、市場部、計劃部以及人事部等辦公自動化相連接，實現制造系統的最優化。在綜合管理這一層，其典型的功能有：市場分析，用戶信息的收集，訂貨統計分析，銷售與產品計劃，合同事宜，接受訂貨與期限檢測，產品制造協商，價格計算，生產能力與訂貨的平衡，訂貨的分發，生產與交貨期限的監視，生產、訂貨和合同的報告，財務方面的報告等。