分散控制系统概述.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除第二章分散控制系统概述第一节分散控制系统的基本概念一、计算机控制系统的基本结构及组成典型的常规过程控制系统由被控对象、自动化仪表（测量仪表，变送器和执行器）和控制器组成（图 2-1）。在常规过程控制系统中，被控精品文档对象的被控参数经测量仪表检测，并由变送器转换成相应的标准电信号输入控制器。在控制器中，测量给定值 r+-控制器控制电路执行器测量、变送器被控对象被控参数值与预先设定的给定值比较，两者图 2-1典型的常规过程控制系统结构的偏差送入控制电路，按照预定的控制规律，产生出相应的控制量。控制器产生的控制量输出到现场的执行机构，控制被控对象中的阀门、挡板等设备，以改变被控参数，使之向给定值靠近。在计算机控制系统中，采用过程控制计算机（简称工控机）取代典型常规过程控制系统中的控制器（如图 2-2 所示）。由于计算机内接收、处理、存储和输出的是数字量，而被控对象的参数大多是模拟量和开关量，过程控制计算机的主机和被控对象之间，增加了相应的信号转换装置（如 A/D、D/A 等）。给定值 r+-过程控制计算机主机A/DD/AS/H保持器保持器执行器测量、变送器被控对象被控参数图 2-2 计算机控制系统结构在计算机控制系统中，常规控制器的控制功能由过程控制计算机中的控制软件来完成，具有灵活、稳定、精确、功能强大的特点。二、过程控制计算机的组成过程控制计算机与其他计算机系统一样，由硬件和软件组成。一、过程控制计算机的硬件组成过程控制计算机由主机、外部设备、过程通道、人机接口设备和通信设备组成。1、主机：由CPU和存储器（ROM、RAM、E2PROM或NVRAM等）及I/O接口电路组成。控制系统的控制策略及系统的监控功能在主机内实现。2、外部设备：外部设备是用户与计算机系统之间交换信息的设备，包括输入设备（键盘、鼠标等），输出设备（显示器、打印机等）和外部存储器（硬盘驱动器、软盘驱动器、光11 盘驱动器和磁带机等）。3、过程通道：过程通道是过程控制计算机与生产过程的接口设备，包括：模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）、数字量输出通道（DO）等，它们实现计算机内与外界不同类型的信号间的转换和隔离。4、人机接口设备：是用户与计算机控制系统的接口设备，包括：操作员站、工程师站、历史数据站、计算站等，。5、通信设备：是控制系统的计算机之间、设备之间、计算机与设备之间的通信网络，包括通信网卡、数据传输媒介（双绞线、同轴电缆或光缆）等。二、过程控制计算机的软件1、系统软件：系统软件是系统供应商提供给用户的软件，如操作系统、数据库管理系统、计算机语言处理程序、标准子程序库（控制功能码库）、系统组态工具软件和自诊断程序等，系统软件为用户二次开发提供操作平台和工具。2、应用软件：是用户针对具体的应用项目，利用系统软件提供的平台和工具二次开发的软件，如控制系统的实时数据库、输入程序、控制计算程序、输出程序、显示程序、打印程序、报警程序和记录程序等。三、计算机控制系统的应用分类计算机控制系统的应用分类可以从不同的角度来分，如前面所述：按系统结构可分为集中式计算机控制系统和分散式计算机控制系统；按照控制规律计算机控制系统可分为 PID 控制、程序和顺序控制、有限拍控制、复杂规律控制和智能控制等；按控制方式可分为开环控制系统和闭环控制系统；下面按计算机在系统中的介入程度及功能分类如下。1、数据采集和处理系统（DAS）DAS 系统（图 2-3）是计算机控制系统中最基本的功能，也是应用最早的功能。在该系统中，计算机通过输入通道，采集过程参数，经过处理后在屏幕上显示或通过打印机打印，向运行人员提供显示、报警，打印和操作指导功能，计算机不直接参与对过程的控制，仅为运行人员反映过程的现状，为运行人员提供参考。因此，DAS 系统是生产过程测量、变送手动/自动控制装置输入通道人计算机显示报警制表打印操作指导一个开环控制系统。2、直接数字控制系统（DDC）图 2-3 数据采集与处理系统（DAS）DDC 系统（图 2-4）是面向生产过程的底层应用功能。计算机通过自动化仪表、输入通道、输出通道，采集现场参数，经过处理和按一定控制规律的控制算法运算后，向生产过程输出控制信号，直接参与对过程参显示数的控制，同时具有DAS系统的监视功能。控制方案由软件实现，修改灵活、方便，除能实现 PID 控制规律外，还能实现多回路的串级生产过程测量、变送执行机构输入通道输出通道计算机报警制表打印操作指导控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、12图 2-4 直接数字控制系统（DDC）多变量解耦控制及自适应、自学习、最优控制和智能控制等复杂控制规律的控制。DDC 系统一个是闭环控制系统。3、监督计算机控制系统（SCC）SCC 系统（图 2-5）是一个分机的控制系统。上级的监督计算机从生产过程采集反映工况的参数，进行寻优计算，计算出当时工况下的最佳给定值，提供给下级执行 DDC控制的计算机实现对过程的控制。可实现生产过程的最优控制，使控制的目标值达到最佳。SCC 可以提高系统的可靠性，当上位机出现故障时，DDC 计算机可以独立完成控制操作；当 DDC 计算机出现故障时，生产过程测量、变送测量、变送执行机构输出通道DDC监督计算机监督控制计算机可以取而代之，执行控制任务。SCC是闭环控制系统。4、分散控制系统（DCS）图 2-5 监督计算机控制系统（SCC）DCS（图2-6）是将计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术（即所谓“四C”技术）结合起来的新型计算机控制系统。它通过数据高速公路（或计算机网络）将分散在不同地方，执行不同功能的计算机连接起来，按照信息共享，分散控制，集中管理，总体配置，各司其职的原则，构成的高性能，高可靠性的计算机控制系统。DCS 系统安全，可靠，便于维护、扩展。是一个闭环控制系统，它兼有以上几种系统的功能。监督计算机接口操作员站接口操作员站接口工程师站接口历史站接口网关接口接口现场控制站四、分散控制系统的特点数据高速公路接口现场控制站被控对象图 2-6 分散控制系统（DCS）接口数据采集站一般 DCS 系统具有以下特点。1、可靠性高DCS 系统采用分散结构的理念保证系统的可靠性。这种分散的结构，一方面反映在系统功能分散上，如过程控制、过程管理和数据通信等功能由不同的计算机来完成；另一方面是地理位置分散，按受控系统的划分，设备分散安装，分而自治。分散结构使系统的危险性得到充分的分散，一旦局部设备出现故障，不会影响系统其它部分的运行。系统的可靠性还通过对关键设备进行冗余配置来保证。DCS 中对关键的设备如电源、控制器、通信设备等进行冗余配置，一旦主设备出现故障，后备设备能自动平稳地接替它的工作，大大提高了系统的可利用率。13系统中大量采用经过考验的标准化、模块化的软件也是系统可靠性高的因素之一。2、系统易扩展DCS系统一般采用递阶数据通信网络，使通信分层化；站通过接口挂接在网络上，系统构成灵活；采用高度集成化的硬件，设备接口标准化、模块化。这些都为系统的扩展提供了方便。3、监视操作性能好DCS 采用高智能的操作员站，对过程现场集中监视、操作，信息量大，人机交互界面友好，直观。4、软件编程容易采用标准化的功能码控制组态和控制图形界面编程，自动生成执行文件。用户只需掌握通过作图和填表的方式进行组态的方法，很容易完成应用程序的编程，降低了对用户编程能力的要求。而且能够保证应用程序的可靠性和质量。5、系统维护方便在分散的微处理器中，都具有自诊断功能。它在执行应用程序的间隙，不断地执行自诊断程序，扫描硬件的运行状态，一旦发现异常立即进行报警，通过故障、状态指示灯，指出异常部位和异常性质，大大缩短了系统维护的时间。另外，模件采用接插结构、可带电插拔，模件功能强大，模件种类少，这些都给系统的维护带来了极大的方便。五、分散控制系统的发展概况分散控制系统从 1975 年发展至今，在技术上大致经历了四个阶段。1、第一代分散控制系统1975 年美国 Honeywell 公司在世界上首推综合分散控制系统 TDC-2000，随后一些世界知 名 的 仪 表公 司 也 相 继推 出 了 自 己的 分 散 控 制系 统 ， 如 美国 贝 利 （ Bailey） 公 司 的NETWORK-90 、西屋（Westinghouse）公司的WDPF、福克斯波罗公司（ Foxboro ）的SPECTRUM、德国西门子（Siemens）公司的 TELEPERM 和日本横河公司的 CENTUM 等。这个时期的分散控制系统处于发展的初级阶段，它具有集中型计算机控制系统的优点，采用了通信技术、CRT 显示技术与计算机技术和控制技术的融合，实现了分散控制，集中管理的技术特色。第一代分散控制系统的基本结构主要由数据公路，过程控制单元，数据采集装置，CRT 操作站和监控计算机五部分组成。过程控制单元只能完成单回路或多回路的连续控制，数据公路实现系统各功能计算机之间的数据通信，技术上存在明显的局限性。2、第二代分散控制系统到上世纪七十年代末，随着局域网络技术的成熟及应用，过程控制对DCS控制功能需求的增加，用户对信息管理的要求的提高导致了第二代分散控制系统的产生。这个阶段的分散控制系统有三个主要特点。其一是局域网的应用。通过局域网来架构整个分散控制系统，系统中的功能装置都是局域网的节点或工作站，通过网桥或网间接口可将同类型或不同类型的网络连接在一起。这个阶段分散控制系统采用的局域网是由各个厂家自行开发的专利性局域网，通信协议相对独立，因此构成的系统是个封闭的系统，其他厂家的计算机产品很难纳入这样的系统。另一个特点是过程控制单元除完成连续控制外，还可完成批量控制、顺序控制和事件顺序记录（SOE）功能。第三个特点是通过系统管理站和主计算14机强化了管理软件，加强了全系统的管理功能。第二代分散控制系统的基本结构由专利性局域网、过程控制单元、中央操作站、系统管理站、主计算机和网间连接器组成。系统的主要局限性表现在封闭性上，给不同 DCS 系统互连带来很大的不便。这个阶段的代表性产品有美国贝利公司的 INFI-90、西屋公司的 WOPF-II、Honeywell公司的TDC-3000、利诺（L&N ）公司的MAX-1000、德国西门子公司的TELEPERM-ME 等。3、第三代分散控制系统上世纪八十年代末，随着DCS系统的普及应用，过程自动化对分散控制系统的要求越来越高，项目越来越多，给 DCS 系统制造商的更新开发带来巨大的压力。与此同时，计算机公司为了拓展自己的市场，利用技术上的优势，开发了大量适应生产过程自动化要求的通用的高性能工作站、过程控制站、输入输出站和通信网络，不断推出功能强大的系统软件和工具软件。出现了通用的开放性的通信网络。因此，尽量采用计算机公司提供的通用、高性能硬件和软件平台，基于开放系统互连参考模型（OSI/RM）的开放型网络和现场总线成为第三代分散控制系统的主要特征。它由 32 位及以上微处理器节点控制站、32 位及以上高档微机操作站、主计算机（现高级管理信息系统）、通用局域网（开放型网络）和现场总线组成。其代表性产品有福克斯波罗公司的I/A Series、贝利公司的INFI-90 OPEN 、西屋公司的WDPF-III、利诺公司的 MAX1000 PLUS、西门子公司的 TELEPERM-XP 等。3、第四代分散控制系统随着信息技术（IT）的工业化，面向二十一世纪的第四代分散控制系统具有以下特点：1）信息化：充分体现了 DCS 的综合信息化功能，系统在开放的实时-关系数据库的基础上集成了多种管理信息模块。如实时信息系统、质量分析系统、设备管理和维护系统、能源管理系统、批次管理系统、生产调度系统、生产成本统计和核算系统等；2）集成化：系统集成了许多能帮助提高整个工厂运行效率和安全性的控制系统。如工厂电站综合自动化系统、可编程逻辑控制器、逻辑和嵌入式控制器、通用通信控制器、远程终端和其他厂家的控制器、智能设备和软件模块等；3）混合控制：不仅拥有高性能的通用控制算法，支持逻辑控制和批量控制，还可以支持各种层次的控制功能；4）分散性：通过多种现场总线支持多种分布式现场控制单元和智能仪表的连接；5）经济性：通过系统功能集成和现场总线的应用，根据不同的应用，用户可以灵活地进行系统配置和功能选择，组成最经济、可靠、先进、实用的系统；6）开放性和专业性：在经济管理层、控制管理层和现场控制层全面支持开放性。这一代的代表性产品如：ABB 贝利公司的 Industrial IT Symphony 等。综上所述，分散控制系统由通信网络、现场控制站和人机接口设备及软件组成。下面分节简要介绍有关的基础知识。第二节分散控制系统的网络体系一、数据通信的基本概念15计算机网络是建立在数据通信的基础上，通过通信线路相互连接起来的计算机，实现系统内资源共享的系统。数据通信是将数据从一个地方送到另一个地方技术。网络的目的是实现系统内资源（包括硬件、软件和信息）的共享。（一）通信系统的构成1、通信系统的构成计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通信。数据通信系统有以下部分组成。（1）报文：需要传送的数据（文本、数字、图像、声音或它们的组合）；（2）发送设备：计算机，工作站，电话机或摄像机；（3）接受设备：计算机，工作站，电话机或电视机；（4）传输介质：双绞线，同轴电缆，光缆，无线电波等；（5）通信协议：通信双方必须遵守的一组规则。2、数据通信的过程（1）数据打包：在发送方，把要传送的数据，加上必要的控制信息，按一定的格式包装起来形成传输的基本单位-报文或数据包；（2）数据转换与编码：对于表示信息的电平进行转换，并-串转换，调制，0、1 编码等；（3）数据传输；（4）数据转换和译码：将接受到的信号进行解调还原成报文；（5）数据解包：删除报文中的附加控制信息，留下数据传送给主机。（二）基本的通信方式1、并行通信：多位二进制数据同时，同方向传送。传送速度快，连线多，成本高；2、串行通信：数据依次逐位在线路上传送。传送速度慢，连线少，成本低。（三）单工、半双工与全双工通信按通信线路上信号传输的方向与时间的关系分类可分为单工、半双工和全双工（图 2-7）。ABABAB a）单工 b）半双工 C）全双工图 2-7单工、半双工与全双工示意图1、单工通信：信息只能在线路上单方向传输。通信的一方只有发送设备，另一方只有接收设备，之间用一对线路连接。2、半双工通信：信息可以双向传送，但不能同时传送。通信双方均由发送和接收设备，但只有一对线路连接。3、全双工通信：信息可以同时在线路上双向传送。通信双方均有发送和接收设备，由两对线路分别连接一方的发送设备和另一方的接收设备。（四）信息的传输编码数字信息在通信线路上有两种传输形式：基带传输和频带传输。1、基带传输：二进制信息以脉冲的形式，按固定的频率直接在信道上传输称为基带传输。在基带传输方式中，二进制信息由以下表示方法（见图 2-8）：161）不归零码：用零电平或负电平表示逻辑“0”，正电平表示逻辑“1”。每位二进制信息传输之后，保持原电平不变。2）归零码：每一位二进制信息传输后，后半周期信号返回零电平。3）曼彻斯特编码：一种归零码。每位二进制信息电平跳变时，正电平变为负电平表示“1”，负电平变为正电平表示“0”。1）2）3）4）0 1 0 0 1 1 1 0 图 2-8 基带传输信息编码时钟单极性不归零码双极性不归零码归零码曼彻斯特编码差动曼彻斯特编码4）差动曼彻斯特编码：根据每位二进制信息的前半周与前一位二进制信息的后半周是否有电平跳变表示“0”或“1”。有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。逻辑“0”和“1”与电平的极性无关。2、宽带传输：用基带脉冲（数字量）信号调制载波（模拟量）信号在信道上传输称为宽带传输。将数字信号变成模拟信号传输称为调制。将模拟信号还原成数字信号称为解调。模拟信号一般用正弦波作为载波信号，它有三个特性：幅值、频率和初始相位。用数字信号的基带脉冲来控制载波的特性，使载波将数字信号传输到对方，因此有三种调制的方法。1）调幅（移幅键控 ASK）：用数字信号控制载波的幅值变化。2）调频（移频键控 FSK）：用数字信号控制载波的频率变化。3）调相（移相键控 PSK）：用数字信号控制载波的初始相位变化。（五）多路复用技术把多路信号在一条线路上进行传输，以实现通信信道的共享的技术称为多路复用技术。常用的多路复用技术有频分多路复用和时分多路复用两种。1、频分多路复用（FDM-Frequency-Division Multiplexing）：是在一个宽带传输媒介中，使用多个独立的互不重叠的频带来建立多重信道。多路复用器要产生在不同频带上使用的特定带宽的载波信号，数据信号被加载到载波信号上，并在传输媒介的另一端，被解复用器还原成数字信号。FDM 一般在宽带传输系统中使用2、时分多路复用（Time-Division Multiplexing）：时分多路复用是将单一信道划分成许多短的时隙，每路信号占用一个指定的时隙（见图2-9）。TDM是一种可在基带传输系统中使用的多路复用技术。也可用在宽带 FDM 系统的某个信道上。计算机a 1 Ab 2Bc 3 Cd 4 D d c b a 4 3 2 1 D C B A通信线路图 2-9 时分多路复用a 1 Ab 2Bc 3 Cd 4D 计算机17（六）通信同步技术通信双方的发送端和接收端在时间上取得一致称为同步。它是保证信息正确接收的必备条件。并行传输和串行传输都存在同步问题。在并行传输中，双方通过联络控制信号（如接收装置准备好，发送装置数据准备好等）来实现同步。串行传输中，通常有串行异步通信和串行同步通信两种同步方式。1、串行异步通信串行异步通信采用启动同步方式。通信的发送方和接收方分别采用独立的时钟。每次传送一个字节数据（信息帧），在数据前有一个起始位（低电平），后面有 1-2 个停止位（高电平）,表示数据的起、止。若无数据发送，则连续发送停止位。串行异步通信的二进制数位宽一般选为发送时钟周期的 16 倍、32 倍或 64 倍。这样，就允许发送时钟和接收时钟存在一定的误差。串行异步通信的信息帧格式如图 2-10 所示。0起始位第 n 帧0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/10/10/1数据位110奇停偶止位位第 n+1 帧图 2-10串行异步通信的帧格式为了保证同步，异步通信的双方应遵守相同的约定规则：1）帧的格式一致，如具有相同的数据位数（5、6、7 或 8 位），停止位（1、1.5 或 2 位），和相同的检错校验方法（奇校验或偶校验）；2）相同的传输速率。2、串行同步通信串行同步通信采用自同步方式。每次传送 n 个字符的数据块，数据前加 1-2 个同步字符，数据字符之间不加任何控制字符。若无数据传送，则连续发送同步字符。同步通信采用自带时钟信号的曼彻斯特编码，发送的信息将发送时钟通过编码与数据一起发送到接受方。在接受方，经过解码，将发送时钟信号从接受的信息代码中分离出来，作为接受方的接收时钟，用于接收后面的信息，因此能保证发、收双方在时间上严格保持同步。因此，串行同步通信的一个二进制数位的宽度为一个时钟周期，通信速率比串行异步通信快。串行同步通信的信息帧格式如图 2-11 所示。同步字符同步字符第 n 帧数据块第 n+1 帧同步字符图 2-11 串行同步通信的帧格式同步字符是代码为 01111110 的字符，表示信息帧的数据的开始。为了使数据中的代码区别于同步字符，在发送数据时，对凡连续出现 5 个“1”的代码后面自动插入一个“0”，以区别于同步字符。在接收方接收数据时，凡遇到连续 5 个“1”，则自动将其后面的“0”曲调，以还原成原来的数据。这样同步字符在传送的信息中，是唯一的标示符。（七）传输介质18缆。传输介质是连接通信双方的物理信号通路，目前使用的主要有：双绞线，同轴电缆和光1、双绞线：分为无屏蔽双绞线（UTP-Uscreened Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP-ScreenedTwisted Pair）。双绞线在传输距离、带宽和通信速率方面有一定的限制，但价格便宜，安装成本低是它的优点。2、同轴电缆：分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。其性能介于双绞线和光缆之间。3、光缆：频带宽，传输距离远，传输速率可达几百 Mbps，抗电磁干扰，耐潮湿、腐蚀，重量轻。但成本较昂贵。（八）差错控制技术差错控制是保证数据通信正确性的一项技术。它包括检验错误和纠正错误两方面的技术。1、检验错误技术在数据通信中，常用的检错技术有奇偶校验和循环冗余码校验。1）奇偶校验：用于串行异步通信中，每帧数据字节的后面紧跟着一位奇偶校验位。奇偶校验的方法有奇校验和偶校验两种。奇校验是数据和奇偶校验位中含“1”的个数必须为奇数。偶校验则必须为偶数。发、收双方必须遵循同一种校验方法。在接收方，接收的数据若能满足选定的校验规则，则表示数据传输没有错误，否则传输有错误。2）循环冗余码校验：用于串行同步通信中。循环冗余码加在数据字节串的后面。循环冗余码是用某一指定的生成多项式除以移位后的数据字节串后剩下的余数。在接受方，对接受的数据（除同步字符外）用同一个生成多项式除，若能整除，则表示传送没有错误；若不能整除，则表示传送有错误。2、纠正错误技术常用的纠错技术有以下几种：1）重发纠错：当接受方发现接受的数据有错，则通知发送方将原数据重新发送一次。2）自动纠错：在发送数据时，采用具有纠错能力的编码，在接收方，若发现数据有错，可根据纠错代码在接收方自动纠正错误。但这种纠错能力有限，只能纠正有限位的数据错误，否则，纠错码太复杂。3）混合纠错：在错误少时，采用自动纠错；错误多时，采用重发纠错。二、网络技术（一）网络的拓扑结构在分散控制系统中，常用的通信网络结构有星形，树形、环形和总线形。1、星形结构在星形结构的通信网络图 2-12（a）中，工作站分为主站和从站。主站可同时与几个从站直接进行通信。主站拥有对网络的控制权，从站间的通信，要先向主站提出申请（或接受主站的轮询），获准后，先把信息发送给主站，再由主站分送到相应的目的从站。主站与从站是通过专用的通信线路一对一直接通信，故通信效率高，接口简单。但通信线路不能共享，系统费用高，且网络通信的控制权集中在主站，一旦主站发生故障，整个通信网络将瘫痪下来。星形结构只适用于每次通信量较大的小系统。如美国福克斯19波罗早期的 SPECTRUM 系统中的 FOX-300 通信网络。从站从站从站从站从站从站从站主站从站从站从站从站FOX-300 从站2、树形结构（a）原理图（b）FOX-300 通信网络图 2-12 星形网络结构树形结构通信网络是一种分级通信结构图 2-13（a）。它把现场工作站分为若干组，每个组中的站间通信由它们上一级的中间站协调，中间站之间的通信则由通信控制站进行协调。这种通信网络能有效地实现系统间的通信，但系统费用高，仅适用于大系统。如福克斯波罗的 SPECTRUM 系统中的链群通信网络。通信控制站链控制站现场站中间站现场站现场站中间站现场站站链通信口站站链通信口站（a）原理图3、环形结构（b）SPECTRUM 链群通信网络图 2-13 树形结构网络环形结构通信网络是将网络中的各个站首尾串接连成一个环形图 2-14（a）。没有专门的通信控制站，通信控制功能分散到各个站中完成。这种网络结构简单，容易扩展，设备费用低。但在通信环路中，通信线路和各个站的故障都可能是破坏网络通信的因素。为此，需考虑采用提高可靠性的措施，如采用冗余的通信线路；站站通信环路站站操作员站控制单元计算机接口控制单元工程师站控制单元在站设备上加装通信旁路通道，在发生故障时，信息可通（a）原理图（b）Symphony 系统的控制网络图 2-14环形结构网络过旁路通道传送到下一站，同时故障站自动脱离通信环路，而不影响系统的通信。如美国 ABB公司的 Symphony 系统的控制网络 Cnet。4、总线结构总线形结构通信网络是一种信息传输的公用通道（图2-15）。系统中的站都通过各自的通信接口直接挂在总线上，所有的站共享一条传输链路。任何时刻只能有一个站发送信息，20由其他站接收，否则通信数据会发生冲突。系统容易扩展，结构简单，设备费用低。当总线上的某个站发生故障时，不影响其它站的通信。通信网络的可靠性主要取决于总线的可靠性。一般系统中的总线都采用冗余结站站站站站站站构来提高网络的可靠性。总线结构适用于工业应用，5、混合结构一 般 分 散 控 制系 统在不同的通信级采用不同图 2-15总线结构通信网络超环的通信网络结构。如日本日 立 的HIACS-5000 ，ABB公 司 的Symphony（图2-16），上层通信采用环形结构，下层采用总站站站环形网站总线局部控制器站站站超环中央超环控制通道主模件子模件厂区环路接口扩展总线线结构。充分发挥各种结构的特点，以提高系统的（a）HIACS-5000过程控制单元（b）Symphony通信效率和性能。 （二）通信控制方式图 2-16 混合结构通信网络实例系统中多个站通过同一个数据通道进行通信，必然产生竞争。要使数据在通道上有序地通信，必须对通信过程进行某种形式的管理控制，让要求使用通道进行通信的站依次获得通道使用权。不同的系统，采用了不同的分配通道使用权的方式，即采用了不同的通信控制方式。有的需要用专门的通信控制器来实行通信的管理控制，称为集中控制方式；有的系统不需要专门的通信控制器，而把通信的管理控制功能分散到各个站的通信接口中完成，称为分布控制方式。1、集中通信控制方式在带通信控制器的系统中，站设备被分为优先设备和询问设备。优先设备，如上位计算机和显示操作站，能主动向通道控制器提出通道申请，获准后可以优先使用数据通道进行通信。而询问设备没有通道申请能力，依靠通信控制器周期性地依次询问这些设备是否有通信要求。若有通信要求，控制器则把数据通道分配给该站设备，该站则可通过数据通道把信息发送给目地站。2、分布通信控制方式 在不带通信控制器的系统中根据系统中各个站所处的逻辑顺序依次传递通道使用权。获得使用权的站，即可使用通道进行通信。根据数据的传送方式不同，可分为存储转发式和广播式。1）存储转发式：存储转发式用于环形结构通信网络。发送信息的站（始发站）按一定的方向（如顺时针）将信息发送到物理位置的下一站，下一个站接受信息后，把它存储到自己的缓冲器内，对信息经过整形放大后再转发送到下一站。如此重复下去，环路上的每一个21站都接受信息，并把它再转发出去，直到信息再返回到始发站。在信息传送的过程中，信息的目的站收到信息后留给自己使用，同时在转发该信息之前，在信息中加入确认码表示信息已收到。始发站发现返回的信息中有确认码，则将该信息从发送缓冲区中删去，准备发送新的信息。若未发现确认码，则将存在发送缓冲器中的该信息重发一次。重发一定次数，若信息仍未被接受（无确认码），则表示目的站已不在环路网络中了。存储转发方式实质上是一种串行传送方式，数据通道被站分割成若干段，信息在每个站都可以得到储存。因此，对始发站来说，信息传送的速度是很慢的，但在通信网络中，允许所有的站同时接受和发送不同的信息，总的说来，通信效率还是很高的。这种系统称为全主站通信系统。2）广播式：广播方式指系统中的各个站都连接在一个数据通道的不同分支点上，数据通道为各个站共享。在某一时刻只有一个站拥有数据通道的使用权，可以向数据通道发送信息。挂在通道上的其他站都可以从通道上收听（接收）该站发送的信息。广播方式主要用于环形和总线结构的通信网络。广播方式对通道使用权的控制方式可分为自由竞争、令牌传送和令牌环三种。（1）自由竞争：自由竞争适用于总线结构的通信网络，它采用“带冲突检测的载波侦听多路传送（CSMA/CD）”技术。总线上所有的站都“侦听”总线上是否有某个站在发送信息，如果没有，则每个站都可以向总线发送自己的信息，在发送的同时，站继续“侦听”总线。若同时有多个站发送信息，就产生了通信冲突。站若“侦听”到总线上存在冲突，则所有的站都停止发送信息，等待一个随机时间后，再“侦听”，并重复上述过程。若没有通信冲突发生，则可以把自己的信息发送完。自由竞争在通信负荷低时，通信效率较高，时延小。但在负荷高时，通信冲突迅速增多，故通信效率下降。（2）令牌传送：令牌传送（TOKEN PASSING）也适用于总线结构通信网络。它是在总线上以逻辑环路的顺序逐站传送总线使用权的过程。令牌（TOKEN）是一种特殊的信息帧，整个总线逻辑环路上只有一个令牌。只有获得处于“空闲”状态的令牌的站，才能在总线上广播信息，并且独占数据通道。为了防止一个站独占令牌，任何站都只能在一个有限的时间片内持有令牌，时间到了就必须把令牌传给逻辑环路中的下一个站。令牌传送避免了总线上的通信冲突，通信效率高。但由于令牌传输要占用一部分网络的开销，在负荷低时，通信效率不高。随着负荷的增高，通信效率将大大提高。（3）令牌环：令牌环（TOKEN RING）适用于环形结构通信网络。它是按站在物理环路上的顺序在各站之间传递令牌，并按优先权的方式对传送的信息进行处理。这种方式对负荷的高低反响不大，具有较高的实时响应能力。但结构较复杂，可靠性较差。（三）例外报告技术例外报告是在过程控制中一些涉及测量、操作、报警、管理的信息经过一定的技术处理形成某一信息的专门报告，这个报告只反映某一时间间隔内发生显著变化的信息，而对变化不显著的信息则不报告。例外报告可有效地减少网络内传输的信息量。其技术主要涉及三个基本要素：1）例外报告死区。用来判定信息是否发生了显著变化幅值范围。2）最小例外报告时间 Tmin。不允许产生例外报告的时间间隔。从上次报告后，在 Tmin时间内即使信息变化显著，也不产生例外报告。以平抑干扰和连续报警。3）最大例外报告时间 Tmax。必须产生例外报告的时间间隔。在这段时间内，即使信息22没有显著变化，也要产生例外报告。例外报告的详细介绍见第三章。第三节分散控制系统的现场控制站现场控制站由一系列控制器模件、I/O模件、通信接口模件、电源模件和安装单元及机柜组成。控制模件执行控制算法计算和相应控制处理功能；I/O模件用于扩展控制器模件的过程通道输入/输出功能，实现现场信号的采集，转换，预处理或控制输出功能；通信接口模件用于，控制器模件与控制网络之间的通信接口；电源模件为系统模件提供工作电源和现场电源。在 DCS 系统的信号流图（图 2-17）中，信号要不断变换类型。生产过程的过程变量一般为模拟量，其信号的特征是时间和幅值都是连续变化的量。而R (nT)y*(t) A/Dy (nT) e (nT) D(t) u (nT) D / AU (T)G(s) y(t) y*(t) 模拟信号离散模拟量y (nT) ttU (T)数字信号t量化模拟量模拟量y(t) t图 2-17 计算机控制系统的信号流图计算机中的量是数字量，其信号特征是时间和幅值都是离散、不连续的。要将模拟量变成数字量，要对模拟量的时间和幅值进行离散处理。为此，在计算机控制系统中分两步进行，首先通过采样/保持器对模拟量的时间进行离散，使之变为离散模拟量。它在时间上是离散的，但幅值上仍保持连续的特性。第二步通过模/数转换器（A/D）将离散模拟量的幅值进行量化，使其幅值离散，变成数字量在计算机中进行处理、存储和传送。在计算机中经过控制算法计算出来的控制量再通过数/模转换器（D/A）和保持器变成时间上连续，幅值仍是离散的电流或电压输出，这种量称为量化模拟量。量化模拟量作用在执行机构上，控制被控参数变化，通过被控对象，变成模拟量（被控参数）。一、控制器模件控制器模件是一台执行控制功能的计算机，它由CPU，ROM，RAM，NVRAM或E2PROM及I/O接口组成。在ROM中存有实时操作系统，和功能码库。RAM用作控制器的工作存储器。NVRAM或E2PROM存放控制方案的组态数据库。I/O接口用于控制器面板上的LED指示灯和按钮的接口，以及控制器与I/O模件之间的总线接口。控制器的控制功能由称为功能码的软件模块来实现。下面以PID控制功能码为例介绍功能码的工作原理。（一）数字 PID 控制算法1、理想微分 PID 控制23图 2-18 中，控制器 PID 的控制规律用微分方程表示为：u=Kp（e+1/Tiedt+Tdde/dt）给定值 r+ - 偏差 ePID控制量 u被控对象被控量 y其中：Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。图 2-18 PID 控制回路上式中的积分和微分运算不能直接在计算机中进行，必须转换成离散形式的差分方程表示。即用差分式近似表示微分式： e dt = e（j）Tde / dt = e（n）-e（n-1）/T T 为采样周期。（1）位置式算式将上式代入微分方程，即得相应的差分方程：u（n）= Kp e（n）+ T/Ti e（j）+ Td/T e（n）-e（n-1） 差分方程是微分方程的近似表达。当采样周期 T 足够小时，差分方程可以保证足够的精度。该式的输出 u（n）与执行机构的位置对应，故称为数字 PID 的位置式。其控制作用的积分项是在算式中完成的。由于要累加偏差 e（j）,要占用较多的存储单元，不便于编程。（2）增量式算式设有相邻两个控制周期 nT 和（n-1）T 的位置式控制量输出：u（n-1）= Kp e（n-1）+ T/Ti e（j）+ Td/T e（n-1）-e（n-2）u（n）= Kp e（n）+ T/Ti e（j）+ Td/T e（n）-e（n-1） 则有相邻两个控制周期的增量输出u（n）= u（n）- u（n-1）= Kp e（n）- e（n-1）+ T/Ti e（n）+ Td/T e（n）-2e（n-1）+e（n-2）= Kp e（n）- e（n-1）+ Ki e（n）+Kd e（n）-2e（n-1）+e（n-2）其中：Kp =1/，比例增益 Ki =KpT/Ti积分系数 Kd =Kp Td/T 微分系数该算式的输出u（n）对应于执行机构在 t = nT 时刻的位置增量，固称为数字 PID 的增量式。其积分作用外移到执行机构中实现，增量式必须配具有自保持（积分）功能的执行机构（如步进电机）。其编程简单，历史数据可递推使用，占内存少，运算速度快。因此数字PID 算法的增量式得到实际的应用。2、实际微分 PID 控制理想微分 PID 控制实际效果不理想，主要因为其微分控制作用只维持在一个采样周期中完成，工业执行机构动作速度慢，不能在 T 时间内完成较大的微分控制。因此，实际应用中采用实际微分 PID 控制算法。实际微分 PID 控制是在理想微分 PID 控制的基础上加上一个惯性环节，使控制