1 引言 在工業(yè)生產(chǎn)中有各種各樣的控制問題，其解決程度直接關(guān)系到經(jīng)濟效益和管理水平。在發(fā)達(dá)國家由于綜合自動化水平高，設(shè)備工藝先進(jìn)，普遍采用了計算機控制與管理，生產(chǎn)與管理效益極高，產(chǎn)品質(zhì)量好，成本低，可靠性高等，生產(chǎn)過程中人為影響因素幾乎沒有。在我國由于經(jīng)濟發(fā)展水平及歷史的原因，盡管近來發(fā)展很快，但綜合自動化程度還是較低，普遍停留在單機自動化水平，操作者與管理層之間的通信甚至還停留在用電話聯(lián)系的水平，管理時效性差，管理層難于全面了解控制現(xiàn)場情況，因此大量的有用信息沉淀、流失，形成一個個“自動化孤島”或“信息孤島”，要發(fā)揮信息在工業(yè)自動化中的指導(dǎo)作用，其解決方案之一就是推廣集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用，本文就有關(guān)問題作些討論。 2 計算機控制系統(tǒng) 生產(chǎn)過程自動化控制主要有開關(guān)控制和調(diào)節(jié)控制，當(dāng)前大多以計算機控制系統(tǒng)，也就是數(shù)字控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，如圖1所示，系統(tǒng)中包含有時間上離散、幅度上量化的數(shù)字信號e（k）和u（k）。計算機控制系統(tǒng)的特點是被控對象大部分為模擬信號，而計算機只能處理數(shù)字信號，因此兩者之間必須執(zhí)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)這兩種信號之間的相互轉(zhuǎn)換。如果忽略幅值上的量化效應(yīng)，數(shù)字信號即為離散信號，因此，計算機控制系統(tǒng)若不考慮量化問題即為采樣控制系統(tǒng)，如果將連續(xù)的控制對象連同保持器一起進(jìn)行離散化，那么采樣控制系統(tǒng)即簡化為離散控制系統(tǒng)。 [align=center] 圖1 計算機控制系統(tǒng)[/align] 計算機控制系統(tǒng)又分為集中式監(jiān)控系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)。前者計算機可能并不直接參與控制，對被控對象不會產(chǎn)生直接的影響，主要任務(wù)是對大量被控參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行巡回采樣，數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和整理、數(shù)據(jù)越限報警以及對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和分析，屬計算機監(jiān)視系統(tǒng)，現(xiàn)場控制是通過人工來完成;如果計算機直接參與控制過程，稱為計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC, Direct Digital Control），是計算機的過程輸入通過控制算法得到控制輸出后，以計算機取代模擬調(diào)節(jié)器，直接通過接口控制執(zhí)行機構(gòu)，從而實施對現(xiàn)場被控過程的控制，使被調(diào)量保持在給定值，主要用于較小的回路控制，DDC系統(tǒng)由被控對象（生產(chǎn)過程）、檢測儀表、執(zhí)行裝置和數(shù)字控制調(diào)節(jié)器組成，優(yōu)點是因為計算機運算能力強，很容易實現(xiàn)串級控制、前饋控制等比較復(fù)雜的控制規(guī)律，其框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 直接數(shù)字控制DDC[/align] 計算機集中監(jiān)控系統(tǒng)由一臺中央計算機來承擔(dān)，使得系統(tǒng)配置、反應(yīng)速度及系統(tǒng)可靠性等方面都受到很大限制，一般只適用于中小規(guī)模的自動化系統(tǒng)。如果設(shè)備量大，地域分布廣，需要進(jìn)行監(jiān)控的數(shù)量多，應(yīng)根據(jù)每種設(shè)備的不同特點，分別采用不同規(guī)律相對獨立地控制，并且這種監(jiān)視（管理）與控制之間應(yīng)該保持密切的聯(lián)系，以達(dá)到最優(yōu)的效果，問題的解決方案就是采用集散式計算機控制系統(tǒng)。 3 集散式控制系統(tǒng)DCS （Distributed Control System） 集散式控制系統(tǒng)亦稱為分布式控制系統(tǒng)。前已述及，計算機控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)劃分，可以分為集中控制和分布式控制，集中控制指由單一的計算機完成控制系統(tǒng)的所有功能和對全部被控對象實施控制的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是系統(tǒng)的整體性和協(xié)調(diào)性好，但對計算機的可靠性和安全性要求甚高;而分布式控制系統(tǒng)DCS則以多臺計算機分別承擔(dān)不同的控制功能和處理范圍，不僅其處理能力大大提高，而且將危及系統(tǒng)安全的因素降低。 傳統(tǒng)意義上的DCS系統(tǒng)的最基本構(gòu)構(gòu)圖式如圖3所示。 圖中:C1，C2，……，Cn為控制，f1，f2，……fn為反饋信息。對DCS系統(tǒng)而言，各控制單元之間沒有直接信息聯(lián)系， [align=center] 圖3 DCS的基本構(gòu)成構(gòu)圖[/align] 各控制單元有自己的性能指標(biāo)，控制策略和算法，且其性能指標(biāo)和控制算法等由決策單元按一定優(yōu)化準(zhǔn)則調(diào)節(jié)給出。如果圖3中去掉決策單元，就成了分散控制系統(tǒng)（Decentralized Control System），它并不具備DCS的上述特性。 在工程中，DCS系統(tǒng)除完成控制功能，還要實現(xiàn)監(jiān)視、管理等其它功能，其系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 DCS系統(tǒng)組成框圖[/align] 由圖4可見，DCS系統(tǒng)實際上是一種分級遞階結(jié)構(gòu)。各控制器完成過程現(xiàn)場的控制任務(wù)，根據(jù)控制對象特性，可以分別情況，采用順序控制，程序控制，模擬量控制等等，其控制策略與控制算法要隨被控對象與要求而定。數(shù)據(jù)采集器用于收集控制信息和被控過程的各種狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)采集任務(wù)不但可由控制器完成，也可由一般儀表和邏輯箱完成?？刂破骱蛿?shù)據(jù)采集器在控制現(xiàn)場對信號進(jìn)行預(yù)處理后經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道送到上級計算機和CRT操作站，CRT操作站是顯示操作裝置，監(jiān)控級（計算機）通過協(xié)調(diào)各控制器的工作，實現(xiàn)控制過程的動態(tài)最優(yōu)化。管理級（計算機）具有管理功能，又兼具對監(jiān)控級實現(xiàn)監(jiān)控功能，它具有豐富的信息資源，能夠?qū)Ρ豢貙ο筮M(jìn)行監(jiān)控，制定計劃，進(jìn)行成本核算，對設(shè)備和人員進(jìn)行管理等，以實現(xiàn)被控過程的靜態(tài)最優(yōu)化和綜合自動化。 分布式控制系統(tǒng)有以下主要特點: （1） 采用分級遞階式控制 以微處理器為核心的基本控制器，不但能代替模擬儀表完成常規(guī)的模擬控制，并且能實現(xiàn)復(fù)雜算法控制和程序控制。在基本控制器內(nèi)可采用固化的應(yīng)用軟件，在控制現(xiàn)場對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，減少了信息的傳輸，大大減少了上級計算機的數(shù)據(jù)處理量，降低了對上級計算機的要求，使系統(tǒng)程序應(yīng)用較為簡單。 （2） 采用物理上的分散結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了分散控制 在現(xiàn)場就地安裝控制器，不僅節(jié)省了輸入輸出電纜的長度，同時減少了傳輸信號的干擾。在功能上各控制器各自為政，各自獨立完成各自的功能，使系統(tǒng)故障分散，從而使系統(tǒng)可靠性大為提高。 （3） 具有計算機的通訊系統(tǒng)，可實現(xiàn)綜合控制 高速數(shù)據(jù)通道的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了各控制器、監(jiān)控計算機和管理計算機的綜合控制，通過高速數(shù)據(jù)通道，能把各自為政的控制器與監(jiān)控計算機聯(lián)系起來，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。利用監(jiān)控計算機的運算能力，能完成高級復(fù)雜的控制算法，以實現(xiàn)整體的最優(yōu)化。利用管理計算機豐富的軟硬件資源和信息資源，實現(xiàn)計劃、管理、決策的最優(yōu)化，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制的最優(yōu)化。 （4） 可設(shè)置多功能的CRT操作站以實現(xiàn)集中監(jiān)控與操作 CRT是人-機接口，要CRT操作站可以存取和顯示多種畫面，用以全面監(jiān)控全部控制過程變量以及其它參數(shù)，并可直接遠(yuǎn)程操作各控制器，從而實現(xiàn)了集中監(jiān)視和集中操作。 DCS的基本骨架是計算機網(wǎng)絡(luò)，然后是連接在網(wǎng)絡(luò)上的三類節(jié)點—面向被控過程現(xiàn)場的現(xiàn)場I/O控制站、面向操作人員的操作站和面向DCS監(jiān)督管理人員的工程師站，見圖5所示。 [align=center] 圖5 DCS結(jié)構(gòu)[/align] 由于DCS的網(wǎng)絡(luò)需要滿足被控過程的實時性要求和分散性原則，因此DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是環(huán)形和總線型，在這兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點是平等的，任意二個節(jié)點之間的通信可以直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，而不需要其他節(jié)點的介入，但另一方面，它需要共用傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)傳輸介質(zhì)共享，一種主要解決方法是以令牌來限定每個節(jié)點用網(wǎng)絡(luò)的時間，另一種方法則是CSMA/CD方式，即載波偵聽與碰撞檢測技術(shù)，但它主要用于更高層的管理。 現(xiàn)場控制站是完成對過程現(xiàn)場I/O處理的直接數(shù)字控制器（DDC），它對現(xiàn)場發(fā)生的過程量作數(shù)字采集和存貯，并通過網(wǎng)絡(luò)向上傳送，同時本身也完成局部的閉環(huán)控制與順序控制。操作員站主要功能是為系統(tǒng)的運行操作人員提供人機界面，使操作員了解現(xiàn)場運行狀態(tài)、各種運行參數(shù)的當(dāng)前值、是否出現(xiàn)有異常情況等的報警顯示，并可作歷史趨勢、系統(tǒng)狀態(tài)等多種顯示，通過操作員鍵盤執(zhí)行，同時操作員也可對過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，操作員站的主要設(shè)備是彩色CRT顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)器或軌跡球。工程師站用于對DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)。 DCS系統(tǒng)采用大系統(tǒng)分級遞階控制的思想，將產(chǎn)生過程作水平分解而將功能作垂直分解，生產(chǎn)過程的控制采用全分散的結(jié)構(gòu)，而生產(chǎn)過程的信息則全部集中并存儲于數(shù)據(jù)庫中，利用通信網(wǎng)絡(luò)向上傳遞，這種控制分散、信息集中的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的危險分散，提高了可靠性，因此被稱之為集散控制系統(tǒng)。 技術(shù)的發(fā)展促使DCS系統(tǒng)向集成化、開放化、智能化方向發(fā)展。實現(xiàn)開放式的通信系統(tǒng)，與管理信息緊密結(jié)合，向上能與MAP/TOP或Ethernet接口，向下支持現(xiàn)場總線，使得過程控制中的智能設(shè)備和儀表能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠的實時全數(shù)字通信，將成為新一代的DCS。 4 DCS的工程實現(xiàn) 由DCS的結(jié)構(gòu)可知其工程實現(xiàn)是不困難的，國外早有現(xiàn)成產(chǎn)品，國內(nèi)一些大型企業(yè)如電廠等幾乎都是進(jìn)口的成套系統(tǒng)，可靠性高，但投資大。一般可以自己設(shè)計，現(xiàn)場控制級可以采用工控機保證高可靠性，管理決策級采用高檔PC機，應(yīng)用軟件可根據(jù)工程需要自己編程。特別是一些復(fù)雜控制對象，其控制算法是沒有現(xiàn)成控制模塊可以調(diào)用的，應(yīng)在正確策略選取的基礎(chǔ)上，自己設(shè)計控制算法。從作者已完成的多個工程項目看，采用DCS系統(tǒng)克服“孤島”現(xiàn)象后，每個“自動化孤島”在決策級統(tǒng)一指揮下協(xié)調(diào)地工作，系統(tǒng)的管理（監(jiān)視）功能大大增強，現(xiàn)場控制級處于優(yōu)化狀態(tài)，生產(chǎn)效率高，故障少，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，操作管理人員也相應(yīng)減少了，經(jīng)濟效益顯著提高。如某鋼鐵企業(yè)有12個自動化水泵站，由于地域分散，泵站間距離有的相距1km以上，各泵站各自為政，形如“孤島”，計劃調(diào)度十分不便，本來水資源供應(yīng)十分充足，但由于是分散控制，造成有的現(xiàn)場嚴(yán)重缺水。經(jīng)改造后采用DCS控制方案，很好地解決了水資源的集中調(diào)度與管理問題，不僅充分滿足了該企業(yè)的工作及生活用水，而且還解決了周邊地區(qū)居民用水問題，經(jīng)濟效益和社會效益大大提高，管理水平也上了一個新臺階，受到用戶歡迎。 5 結(jié)束語 從圖3可見，各控制單元之間沒有直接通信聯(lián)系，它們之間是通過決策單元交換信息取得聯(lián)系的，事實上DCS 只是做到了半分布，測控層并沒有實現(xiàn)徹底分布，控制依賴于控制站，DCS是半數(shù)字化系統(tǒng)。如采用現(xiàn)場總線，則可構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），它是一種全數(shù)字、半雙工串行雙向通訊系統(tǒng)，作為一種局域網(wǎng)，用于連接現(xiàn)場智能儀表，其信號傳輸采用全數(shù)字化，即智能式分布控制系統(tǒng)。智能式分布控制系統(tǒng)在國外已有現(xiàn)成產(chǎn)品，如Lonworks等，但因價格太貴，要普遍大規(guī)模推廣應(yīng)用還有不少困難。因此，推廣應(yīng)用DCS系統(tǒng)，克服“孤島”現(xiàn)象，是有現(xiàn)實工程價值和經(jīng)濟意義的。