1.3 計算機控制系統的典型結構

工業控制計算機系統與所控制的生產過程的復雜程度密切相關，不同的控制對象和不同的控制要求，有不同的控制方案。下面從應用特點、控制目的出發介紹幾種典型的結構。

1.3.1 數據采集系統

數據采集系統（Data Acquisition System, DAS）如圖1-8所示，系統對生產過程或控制對象的大量參數做巡回檢測、處理、分析、記錄以及參數的超限報警。通過對大量參數的積累和實時分析，可以實現對生產過程進行各種趨勢分析。這是計算機應用于工業生產過程最早和最簡單的一類系統。

被控生產過程的參數經測量變送器、過程輸入通道，送入計算機，由計算機對來自現場的數據進行分析和處理后，根據一定的控制規律或管理方法進行計算，然后通過顯示器或打印機輸出操作指導信息供操作人員參考。所以數據采集系統又稱為操作指導控制系統。

數據采集系統的輸出不直接作用于生產過程的執行機構，不直接影響生產過程的進行。它的輸出只作用于有關的外部設備和人機接口，為操作人員的分析、判斷提供信息的顯示。

這是一種開環控制系統，僅對生產過程進行監視，不對生產過程進行自動控制。

1.3.2 直接數字控制系統

直接數字控制（Direct Digital Control, DDC）系統如圖1-9所示，計算機通過過程輸入通道對控制對象的多個參數做巡回檢測，根據測得的參數按照一定的控制算法運算后獲得控制信號量，經過過程輸出通道作用到執行機構，從而實現對被控參數的自動調節，使被控參數穩定在設定值上。

直接數字控制系統與模擬調節系統有很大的相似性，直接數字控制系統以計算機取代多臺模擬調節器的功能。由于計算機具有很強的計算和邏輯功能，因此可以實現對各種復雜規律的控制。

DDC系統是閉環控制系統。它對被控制變量和其他參數進行巡回檢測，與給定值比較后求得偏差，然后按事先規定的控制策略，如比例、積分、微分規律進行控制運算，最后發出控制信號，通過接口直接操縱執行機構對被控制對象進行控制。這種控制方式在工業生產中應用最普遍。

1.3.3 監督控制系統

在DDC系統中是用計算機代替模擬調節器進行控制，對生產過程產生直接影響的被控參數給定值是預先設定的，并存入計算機的內存中，這個給定值不能根據生產工藝信息的變化及時修改，故DDC系統無法使生產過程處于最優工況。

計算機監督控制（Supervisory Computer Control, SCC）系統如圖1-10所示，它是計算機和調節器的混合系統，是對DDC系統的改進。它通常采用兩級控制形式。

所謂監督控制，指的是根據原始的生產工藝數據和現場采集到的生產工況信息，一方面按照描述被控過程的數字模型和某種最優目標函數，計算出被控過程的最優給定值，輸出給下一級DDC系統或模擬調節器；另一方面對生產狀況進行分析，做出故障的診斷與預報。所以SCC系統并不直接控制執行機構，而是給出下一級的最優給定值，由它們去控制執行機構。

當下一級采用模擬調節器時，SCC中的計算機對各物理量進行巡回檢測，并按一定的數學模型對生產過程進行分析計算后得出控制對象各參數最優的給定值，然后送調節器，使工況保持在最優狀態。當SCC計算機出現故障時，可由模擬調節器獨立完成操作。

當下一級采用DDC系統時，其計算機（稱為下位機）完成前面所述的直接數字控制功能，SCC中的計算機（稱為上位機）則完成高一級的最優化分析與計算，給出最優化的給定值，送給DDC級執行過程控制。

1.3.4 集散控制系統

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

集散控制系統本質上是一種基于計算機網絡的分層式的計算機監控系統，它的體系結構特點是層次化，把不同層次的多種監測、控制和管理功能有機地、層次分明地組織起來，使系統的性能大為提高。

集散控制系統適用于大型、復雜的控制過程，在我國許多大型石油化工企業就是依賴各種形式的集散控制系統保證它們的生產高質量地連續不斷進行。

一般把集散控制系統分成3個層次，如圖1-11所示，每一層有一臺或多臺計算機，同一層次的計算機以及不同層次的計算機都通過網絡進行通信，相互協調，構成一個嚴密的整體。

在計算機控制應用于工業過程控制的初期，因為計算機價格高，所以采用的是集中控制方式，以充分利用計算機。但這種控制方式由于任務過分集中，一旦計算機出現故障，就要影響整個系統。

DCS由若干臺微機分別承擔任務，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，因此系統的可靠性大大提高；并且DCS是積木式結構，構成靈活，易于擴展；采用液晶顯示技術和智能操作臺，操作、監視方便；采用數據通信技術，處理信息量大；與計算機集中控制方式相比，電纜和敷纜成本較低，便于施工。

1.3.5 現場總線控制系統

計算機技術、通信技術和計算機網絡技術的發展，推動著工業自動化系統體系結構的變革，模擬和數字混合的集散控制系統逐漸發展為全數字系統，由此產生了工業控制系統用的現場總線。

現場總線控制系統（Fieldbus Control System, FCS）是繼DCS之后興起的新一代工業控制系統。它將當今網絡通信與管理的概念引入工業控制領域，是一個開放式的互聯式網絡，既可以與同層網絡互聯，也可以與不同層的網絡互聯；在現場設備中，以微處理器為核心的現場智能設備可方便地進行設備互聯、互操作，其結構如圖1-12所示。

從控制的角度看，FCS有兩個顯著特點：

一是信號傳輸實現了全數字化。FCS把通信線一直延伸到生產現場中的生產設備，構成用于現場設備和現場儀表互連的現場通信網絡。全數字化避免了傳統系統中模擬信號傳輸過程中難以避免的信號衰減、精度下降和容易受到干擾等缺點，提高了信號傳輸的精度和可靠性。

二是實現了控制的徹底分散。把控制功能分散到現場設備和儀表中，使現場設備和儀表成了具有綜合功能的智能設備和智能儀表，它們經過統一組態，可以構成各種所需的控制系統，從而實現徹底的分散控制。