DCS集散控制系统学习教程

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第二章集散控制系统（D C S）
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2.1D C S的形成、发展和特点
2.1.1D C S的概念
集散控制系统（D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m）亦称分布式控制系统（简称D C S），是结合多种先进技术而形成的，对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种控制技术，是随着现代大型工业生产自动化的不断发展和过程控制要求的日益复杂应运而生的一种综合控制系统，是完成过程控制、过程管理的现代化设备。

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国外称集散控制系统是4C技术的产物。

这4C就是指控制技术（C o n t r o l）、计算机技术（C o m p u t e r）、通信技术（C o m m u n i c a t i o n）、和C R T（C a t h o d e R a y T u b e）技术。

D C S 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，是4C技术相互渗透发展而产生的。

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2.1.2D C S的发展情况
过程控制设备的发展历史，大概有以下几个阶段：30年代——机械式仪表现场操作；40年代——大型气动式仪表控制室操作；50年代——气动单元组合仪表控制室操作；60年代——电动单元组合仪表；70年代——集散控制系统。

即经过了就地分散控制――模拟仪表集中控制――计算机集中控制――计算机分散控制（D C S）几个阶段。

集散控制系统从诞生之日起，已经历了三代，目前的第四代正在发展之中。

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●D C S开创期：1975～1980年
●代表产品：H o n e y w e l l，T D C2000
●F O X B O R O，S p e c t r u m
●B a i l y，N-90
●恒河，C E N T U M
这些第一代的集散控制系统以微处理器为基础的过程控制单元，实现多种控制功能算法，并实现分散控制；采用带显示器的操作站，与过程控制单元分离，实现集中监视、集中操作、信息综合管理；采用较先进的冗余通信系统、用同轴电缆作为传输媒质，实现控制单元与操作站的通信，已具有D C S的基本特点（即分散控制，集中管理），是D C S的雏形。

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●D C S成长过渡期：1980～1985年
●代表产品：未变
●第二代的主要特点是在原来产品的基础上进行改进，进一步提高可靠性并扩展和增强
了功能。

●其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级模块化，单元结
构化，使之具有更强适应性和可扩充性；新开发的多功能过程控制站、增强型操作站采用了16位C P U及高分辨率C R T技术；通信系统已采用局域网络（从主从式的星形变为总线网络或环网通信），使系统通信范围扩大，同时数据传输速率也大大提高；控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。

其基本结构由六部分组成，即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网络连接器和系统管理站等。

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●D C S完善期：80年代中后期
●代表产品：H o n e y w e l l，T D C3000
●F O X B O R O，I/A S E R I E S
●B a i l y，I N F I-90
●M o o r e，P A C S
这阶段的特点是向开放式、标准化方向发展：实现了开放式的系统通信，向上能与M A P
和E t h e r n e t接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，构成复合管理系统，并与不同制造商的产品能进行数据通信；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间能实现可靠的实时数据通信。

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●开放系统是第三代集散控制系统主要特征。

根据X/O P E N协会的定义，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。

●开放系统的基本特征如下：
●可移植性（p o r t a b i l i t y）
●互操作性（i n t e r o p e r a b i l i t y）
●可适宜性（s c a l a b i l i t y）
可得到性（a v a i l a b i l i t y）
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●D C S管控一体化时期：90年代初至今
●代表产品：
●H o n e y w e l l，T P S系统（T o t a l P l a n t S y s t e m）
●P K S系统(P r o c e s s k n o w l e d g e S y s t e m)
●F O X B O R O，I/A’S50/51系列控制系统I n v e n s y s
●横河，C E N T U M－C S
●A B B，A D V A N T系统O C S开放控制系统
当今的D C S是生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的“管控一体化”的新一代集散型控制系统。

由于工厂、企业的信息集成和管理已经提到一定的高度，D C S系统的功能已不再只局限于生产过程的控制，在整个工厂、集团公司的管理中，D C S也能发挥相应的作用。

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D C S发展趋势：
向上发展：即向计算机集成制造系统（C I M S：C o m p u t e r I n t e g r a t e d M a n u f a c t u r i n g S y s t e m）、计算机集成过程系统（C I P S：C o m p u t e r I n t e g r a t e d P r o d u c t i o n S y s t e m）等信息化集成化系统发展。

向下发展：即向现场总线控制系统发展（F C S：F i e l d b u s C o n t r o l S y s t e m），把系统控制能力移到现场，使得控制得到最终的分散，减少了输入输出的接口，减少了机柜的空间和附属设备。

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2.1.3D C S的特点
D C S集散控制是一个以通信网为纽带的集中显示、操作、管理、控制相对分散的多级计算机网络控制系统，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成。

D C S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、运行安全可靠等特点。

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●分级递阶系统
●垂直方向：至少分为两级——操作管理级和过程控制级。

水平方向：相互谐调的分级，把数据向上传送到管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级之间相互进行数据交换。

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●分散控制
●集中：D D C，一旦计算机出现故障，将造成过程操作的全部瘫痪。

分散：不仅是分散控制，还包含其它含义，如人员分散，地域分散，功能分散，设备分散，操作分散等。

目的是使危险分散，提高设备的可利用率。

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●自治和谐调性
●D C S上各工作站独立自主地完成分配给自己的规定任务，具有控制功能分散，
危险分散的特点，提高了系统的可靠性。

各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独立运行的高可靠性子系统。

各自独立的部分通过实时高可靠的工业控制局部网络传送各种信息并协调工作，实现整个系统的信息共享；根据系统的特性对各个工作站进行协调控制，从而完成控制系统的总体功能和优化控制。

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●友好性
●D C S的人机接口和软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人
员，操作方便，显示直观，了解生产状况直观。

D C S软件采用实用而简捷的人机会话系统,C R T高分辨率交互图形显示,复合窗口技术,画面丰富,纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。

平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等操作设备使其更便于操作。

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●适应性、灵活性和可扩充性
●D C S的硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统为积木式结构，具
有灵活的配置，可适应不同用户的需要。

当工厂根据生产需要改变生产工艺和流程时，可改变系统的某些配置和控制方案，通过组态软件，进行一些填写表格式的操作即可实现。

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●在线性与实时性
通过人机接口和I/O接口，D C S对过程对象的数据进行实时采集、处理、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。

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●可靠性
高可靠性、高效率和高可用性是D C S的生命力所在，系统在设计阶段就采用了一系列可靠性设计技术。

如：容错设计、冗余设计（硬件双重化）、在线故障排除设计以及一系列抗干扰措施，使系统的可靠性得到了全面的提高。

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2.1.4国内D C S的发展情况
D C S问世于1975年，生产厂家主要集中在美、日、德等国。

我国从70年代中后期起，首先以大型进口设备成套引入国外的D C S，首批有化纤、乙烯、化肥等项目。

当时，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的D C S基本全部进口。

80年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了研制国产化D C S的技术攻关。

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近十几年来，特别是“九五”以来，我国D C S系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企业，但国外D C S产品在国内市场中占有率还较高，其中主要是H o n e y w e l l和恒河公司的产品。

今后几年，D C S作为自动化仪表行业主要产品的地位不会动摇。

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2.2D C S的体系结构
2.2.1D C S的体系结构概述
D C S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。

其纵向结构分为过程控制级、控制管理级和生产管理级三级递阶结构。

整个系统由3部分构成，即集中管理部分、分散控制监测部分和网络通信部分。

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D C S体系结构示意图：
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D C S系统层次化结构的形成，经历了20世纪60年代的中央计算机集中控制，20世纪70年代的两级自动化控制结构和其后的三层计算机控制系统三个阶段。

右图为三级计算机控制系统图。

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D C S系统的体系结构按功能通常分为四级，第一级为直接控制级，第二级为过程管理级，第三级为产品管理级，第四级为经营管理级。

各级之间通过通信网络相连，各级内部各站或单元由本级的通信网络进行通信联系。

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D C S系统的功能分层图：
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2.2.2D C S体系结构的各层功能
D C S体系结构的各级功能，总体上可用下图表示：
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●直接控制级（过程控制级）
在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（变送器、执行器、记录仪等）相连，对所连接的装置实施检测与控制，同时接收上层来的管理信息，并向上层传递装置的特性数据和采集到的实时数据。

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直接过程控制级是集散控制系统的基础，其主要功能有：
（1）进行过程数据采集：现场检测模拟量、数字量和脉冲量的输入/输出并进行转换处理，控制运算结果的直接输出。

（2）进行直接的数字过程控制：根据控制组态数据库中的控制算法模块，各种控制回路的运算(回路调节、逻辑运算等等)，来实施对实时过程量的控制。

（3）进行设备监测和系统的测试和诊断：把过程变量和状态信息提取后，分析是否可以接受以及是否允许向高层传输，进而确定是否对被控装置实施调节；必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。

（4）实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现故障，就立即实施备用件的切换。

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●过程管理级
●在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。

它综合
监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。

这一层的具体功能有:
●优化过程控制
●自适应回路控制
●优化单元内各装置
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工程师站：负责系统的管理、控制组态、系统的生成与下装；
操作员站：是人机接口，由P C机系统(含C R T、键盘、打印机)负责生产工艺的操作控制、过程状态显示、报警状态显示、实时数据和历史数据的显示、打印等；
上位机：即管理计算机，它实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与分析决策等层次的管理和计算。

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●产品管理级（生产管理级）
●在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，
是产品的总体协同员和控制器，负责厂级的生产调度和优化。

要求根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模，并可对产品重新计划，随时更改产品结构。

对于综合全厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一层实现，并与上层交换传递数据。

具体有：规划产品结构和规模；产品监视；产品报告；工厂生产监视。

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●经营管理级
经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂的总体协调管理，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动等等，以达到组合优化的目的。

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这一级的主要功能包括：
市场经济情报：包括情报收集、市场分析、预测、用户反馈、市场趋势等。

销售管理：包括合同管理、定货交货统计、合同履行、材料库存、外购定货管理等。

生产管理：生产定货安排、零部件计划、外协管理、工期管理等。

成本控制：包括制造成本、管理成本、价格核定等。

质量管理：包括零部件、半成品、成品质量、外协部件质量控制的统计、工艺参数分析等。

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2.2.3D C S示例－－霍尼韦尔T D C-3000系统
美国H o n e y w e l l公司1975年推出第一套集散控制系统T D C-2000以来，相继推出T D C-3000、T D C-3000*和T P S系统。

目前，在世界上应用较广而又具有四层体系结构的首推H o n e y w e l l公司推出的T D C3000系统，它于1983年10月发布，其宗旨就是要解决过程控制领域内的关键问题—过程控制系统与信息管理系统的协调，为实现全厂生产管理提供最佳系统。

而T P S是T o t a l P l a n t S o l u t i o n的缩写，它是全厂一体化系统。

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在集散控制系统的构成图上，高速数据公路为通信系统的部分是该公司的第一代系统（T D C-2000）；以就地控制网（L C N）为通信系统的部分是第二代系统（T D C-3000）；以万能控制网（U C N）为过程控制器的通信网络、以U C N为开放式平台的T D C-3000*系统是第三代系统；而T P S系统是以W i n N T为开放式平台的新一代系统。

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T D C-3000系统分层结构图
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●通信系统
T D C-3000系统的通信网络包括工厂信息网（P I N）、就地控制网（L C N）、万能控制网（U C N）、数据高速公路（D H）和现场总线。

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工厂信息网（P I N）：信息管理的重要组成部分，通过T P S节点（G U S、P H D），P I N 可直接与L C N相连，实现管理信息系统与过程控制系统相连。

局部控制网络（L C N）：是T P S系统的主干网，符合I E E E802.2和I E E E802.4的载波通信网络，曼彻斯特编码，实时时钟速率12.5k H Z。

媒体控制采用令牌存取通信控制方式，符合I E E E802.4（令牌总线访问控制），数据传输速率5M b i t/s，总线型拓扑结构。

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万能控制网络（U C N）：是1988年开发的以M A P为基础的双重化实时控制网络，令牌传送载波带（模拟信号）总线网络，数据传输速率为5M b i t/s，支持32个冗余设备。

数据公路（D a t a H i g h w a y）：是第一代集散型控制系统的通信系统，采用串行、半双工方式工作，优先存取和定时询问方式控制，传输介质为75Ω同轴电缆，传输速率为250 k B i t/s。

D H上设置了一个通信指挥器H T D来管理通信，任何D H之间的通信必须由H T D指挥。

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●分散过程控制装置
●H o n e y w e l l的T D C-3000系统提供三个不同等级的分散控制：
●以过程控制设备（如P M、L M以及D H上各设备）为基础，并对控制元件进行
控制的过程控制级；
●先进控制级，包括比过程控制级更加复杂的控制策略和控制计算，通常称为
工厂级；
最高控制级，提供用于高级计算的技术和手段，例如适用于复杂控制的过程模型，过程最优控制及线性规划等，称为联合级。

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●T D C-3000系统的操作和管理站
●增强型操作站（E O S），它是T D C-2000C R T操作站的改进型；
●本地批量操作站（L B O S），主要用于小系统；
●万能操作站（U S），是T P S系统中主要的人机界面，是综合管理的人机接口；
●新操作站（U S＊），是带有工业标准协处理器的万能操作站，采用R I S C工作
站处理器，操作系统的软件是H P-U X，开放的X-W I N D O W技术，操作员能够同时观察工厂信息、网络数据和过程控制数据。

全局用户操作站（G U S：G l o b a l U s e r S t a t i o n），是采用W i n N T操作系统的T P S节点之一，采用L C N和I n t e l P e n t i u m I I双处理器系统。

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●系统模件
●T D C－3000系统在L C N上挂接多种模件：
●万能操作站（U S）。

●历史模件（H M）可以收集和存储历史数据，存储系统和控制组态数据。

●应用模件（A M）用于连续控制、逻辑控制、报警处理和批量历史收集等等，
其控制策略可用标准算法。

此外，还有优化用工具软件包：回路自整定软件包、预测控制软件包、实时质量控制软件包(S P Q C）、过程模型和优化软件包等。

●可编程序控制器接口（P L C G）。

●计算机接口（C G），提供与其他厂家如D E C、I B M、H P等主计算机之间的连接。

●网络接口模件（N M），提供U C N和L C N之间的连接。

数据公路接口（H G），将数据公路（D H）与L C N相连。

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2.3D C S的硬件结构
2.3.1D C S硬件结构概述
目前，世界上的D C S生产厂家很多，不同的系统采用的计算机硬件差别很大。

对于现场控制站，从可编程序控制器（P L C）到单片机组成的小型控制采集装置；从S T D（总线）计算机和工业P C等小型工控机到各种16位和32位总线型工业控制计算机系统；从智能仪表控制系统到交流变频调速器（V V V F）等，都是可选的现场控制站系统。

所以，只能着重从功能上和类型上来介绍D C S的现场控制站和操作员站的组成。

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硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力是D C S系统的突出优点。

D C S的硬件系统是通过网络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。

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2.3.2D C S的过程控制级
在D C S中，各种现场检测仪表（传感器、变送器等）送来的过程信号均由过程控制级各单元进行实时的数据采集，滤除噪声信号，进行非线性校正及各种补偿运算，折算成相应的工程量，根据组态要求还可进行上下限报警及累积量计算。

所有测量值和报警值经过通信网络传送到操作站数据库，供实时显示、优化计算、报警打印等。

在过程控制单元，根据过程控制组态，还可进行各种闭环反馈控制、批量控制与顺序控制等，并可接收
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。

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在不同的D C S中，过程控制单元的名称各异，例如：过程接口单元（P r o c e s s
I n t e r f a c e U n i t）、基本控制器（B a s i c C o n t r o l l e r）、多功能控制器（M u l t i f u n c t i o n
C o n t r o l l e r）等，但是所采用的结构形式大致相同，都由安装在控制柜内的一些标准化功能模件组装而成。

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构成D C S过程控制单元的包括标准结构的现场控制站，和以微处理器技术为基础发展起来的智能仪表，如智能数字调节器及可编程序控制器（P L C）。

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2.3.3D C S的现场控制站
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强处理，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抵抗恶劣环境的能力。

现场控制站是一个可独立运行的计算机监测与控制系统，由于它是专为过程测控而设计的专用型设备，所以其机柜、电源、输入/输出通道和控制计算机等与一般的计算机系统相比又有所不同。

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●机柜
●现场控制站一般是标准的机柜式结构，机柜内部均装有多层机架，以供安装
电源及各种模件之用。

机柜要可靠接地，接地电阻应小于4Ω。

一般机柜顶部装有风扇，作为散热降温用，如果机柜内温度超过正常范围时，现场控制站机柜会自动发出报警信号。

机柜内还设有各种总线，例如：点源总线、接地总线、数据总线、地砖总线、控制总线等等。

有些总线是由模件安装单元背后的印刷电路板构成的，有些总线是由模件安装单元之间的电缆构成。

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●电源
●D C S具有效率高、稳定性好、无干扰的交流供电系统。

每一个现场控制站采用
交流双电源供电。

在石油、化工等对控制连续性要求特别高的场合，要求设置不间断供电电源（U P S，后备式和在线式），U P S的供电时间由负载用电量与蓄电池容量所确定。

用户应在选型时根据装置在停电后必须保持正常控制的时间，确定电池的容量。

柜内直流稳压电源一般有＋5V、±15V（或±12V）、＋24V等。

有的采用冗余的双电源供电方式。

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●工控机
●现场控制站是一个智能化的可独立运行的数据采集与控制系统，作为其核心
的控制计算机必须由C P U、存储器、总线、I/O通道等基本部分组成。

控制计算机（处理器模件）是完成过程控制的核心模件，它完成用户所设计的各种控制策略（由功能块组态而建立的各种控制策略）。

控制策略以组态文件的形式存储于非易失性存储器（N V R A M）中。

鉴于处理器模件的重要性，大多数集散控制系统中的处理器模件都是可冗余设置的。

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处理器模件原理方框图
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（1）微处理器
微处理器C P U，负责模件的操作和控制。

目前一般为32位的微处理器。

微处理器可以同步访问32位字长的存储器，或异步访问各种字长的端口。

大多为M o t o r o l a公司生产的68000系列C P U和I n t e l公司生产的80×86C P U系列产品，时钟频率已达100M H z以上，很多系统还配有浮点运算协处理器，因此数据处理能力大大提高，工作周期可缩短到0．2～0.1s，并且可执行更为复杂先进的控制算法，如自整定、预测控制、模糊控制等。

由于微处理器负责模件的操作，因此它与模件中所有其它部分交换信息。

微处理器的操作系统和功能块库，驻留于只读存储器中。

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（2）时钟和实时时钟
时钟为微处理器和相关外部设备提供时钟信号，而实时时钟（R T C）为系统提供实时时间。

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（3）存储器
存储器包含只读存储器（R O M）、随机存储器（S R A M）和非易失存储器（N V R A M）。

R O M中保存微处理器的操作系统；S R A M作为数据暂存和系统组态的副本；N V R A M保存系统组态（用功能块设计的控制策略）、批处理文件以及U D F和高级语言程序。

由于控制计算机在正常工作中运行的是一套固定的程序，为了工作的安全可靠，大多采用了程序固化的办法，不仅将系统启动、自检及基本的I/O驱动程序写入R O M中，而且将各种控制、检测功能模块，所有固定参数和系统通信、系统管理模块全部固化，因此在控制计算机的存储器中，R O M占有较大的比例。

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（4）D M A控制器
直接数据存储（D M A）控制器使各种通信链路能够直接与R A M交换数据，而不需微处理器的干预。

采用D M A处理方式大大减轻了微处理器的负担，并且显著提高了微处理器的工作速度，因为它不需要频繁的处理数据交换的任务了。

I/O扩展总线、双冗余的链路模拟量控制站或开关量控制站，串行链路、控制网络等通信链路，均支持D M A。

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（5）控制网络
控制网络是一个高速通信网络，处理器模件利用这个网络来与过程控制站的其它模件交换信息。

控制网络一般是可冗余的，有两个独立的通道，处理器模件可同时通过两个通道来发送和接收信息，并检查两个通道的一致性，这样就可及时发现故障，使通信故障造成的影响减至最低。

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（6）冗余链路
处理器模件是可冗余的。

冗余链路为主处理器模件和备用处理器模件提供两条并行线路，当主模件执行控制任务时，备用模件通过冗余链路，获得主模件的块输出信息，不管主模件因何原因发生故障，备用模件都可以在不中断被控过程的情况下自动接替控制任务。

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（7）输入/输出总线
处理器模件与输入/输出模件之间的数据传输是通过输入/输出总线进行的。

输入/输出总线可能是并行总线也可能是串行总线。

每个挂在输入/输出总线上的模件均有自己独立的地址，处理器模件可以通过输入/输出总线对输入/输出模件进行各种操作（对模件进行读写）。

模件上的开关用来设定模件的地址和工作方式，这些信息均通过数据缓冲区与微处理器交换信息。

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（8）串行口
处理器模件可以设置串行口，以便通过标准的串行口（R S232或R S485）与其它设备进行通信。

串口支持高级语言（C/B A S I C）。

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I/O通道
（1）模拟量输入模件
模拟量输入模件接收由现场送来的模拟量信号，对信号的量程、零点进行校正和调整，并将其转换为数字量，转换为工程单位，然后经I/O总线传送给处理器模件。

其原理图如下：。