过程控制系统第5章 计算机控制系统
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1.集散控制系统的组成及特点
DCS的特点表现在以下几个方面： 1)结构体系层次化 如图5-7所示，对于集散控制系统来说，层 次化是其最主要的体系特点。 2)硬件体系积木化 DCS采用积木化硬件组装式结构。 3)软件体系组态化 DCS为用户提供了丰富的功能软件，如控 制软件包、操作显示软件包和报表打印软件包等，用户只需按 要求选用，大大降低了用户的开发难度，也减少了用户的开发 工作量。 4)数据通信网络化 通信网络是分散型控制系统的神经中枢， 它将物理上分散配置的多台计算机有机地连接起来，实现了相 互协调、资源共享的集中管理。
(3)集散控制系统
由于集中型计算机控制系统存在可靠性方面的重大缺陷，在当 时的过程控制中并没有得到广泛的应用。 集散控制系统(Distributed Control System，DCS)也称为分布式 计算机控制系统，其基本设计思想就是适应两方面的需要：一 方面使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现 部分有限的控制目标，满足分散“危险”的目的；另一方面， 又依靠计算机网络完成分散控制站之间的数据传输与操作显示， 使所有控制器都在统一管理下协调完成整体控制目标。进入20 世纪70年代，微处理器的诞生为研制新型结构的控制系统创造 了无比优越的条件，产生了以微处理器为核心的集中处理信息、 集中管理、分散控制权、分散危险的集散型计算机控制系统。
计算机控制装置可概括地分为硬件和软件两大部分。 (1)硬件组成 (2)软件组成
5.1.1 计算机控制系统的基本组成
图5-1 典型的单回路计算机控制系统原理框图
5.1.1 计算机控制系统的基本组成
图5-2 典型计算机控制系统的组成框图
(1)硬件组成
计算机控制装置的硬件部分通常可理解为由一般意义上的计算 机系统和特定的过程输入/输出接口组成。 典型的计算机系统还可以细分为主机、外部设备和系统总线等 若干部分。主机系统是整个计算机控制装置的核心，它包括中 央处理器CPU、内存储器(RAM、ROM)等部件。外部设备可按 功能分为3类：输入设备、输出设备和外存储器。系统总线包 括内部总线和外部总线两种，内部总线是计算机系统内部各组 成部分进行信息传送的公共通道；外部总线是计算机控制装置 与其他计算机系统及各种数字式控制设备进行信息交互的公共 通道，如RS232、RS485及各种类型的网络通信接口等。
5.2 集散控制系统(DCS)
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5
概述 DCS的硬件体系 DCS的软件体系 DCS的通信网络 DCS的应用示例
5.2.1 概述
1.集散控制系统的组成及特点 2.集散控制系统的发展历程
1.集散控制系统的组成及特点
1)过程控制单元(Process Control Unit，PCU) 又叫现场控制站。 2)过程接口单元(Process Interface Unit，PIU) 又叫数据采集站。 3)操作站(Operator Station，OS) 它是集散系统的人机接口装置， 完成系统的组态、编程以及监视操作、基本信息管理等功能。 4)数据高速通道(Data Highway，DH) 又叫高速通信总线。 5)管理计算机(Manager Computer，MC) 习惯上称它为上位机。
过程控制系统与装 置
第5章 计算机控制系统
5.1 概述 5.2 集散控制系统(DCS) 5.3 可编程序控制器(PLC) 5.4 现场总线控制系统(FCS)
5.1 概述
5.1.1 5.1.2 5.1.3
计算机控制系统的基本组成 计算机控制系统的发展过程 工业通信技术的发展过程
5.1.1 计算机控制系统的基本组成
(4)现场总线控制系统
图5-4 常规计算机控制结构示意图
5.1.3 工业通信技术的发展过程
1)模拟信号传输 模拟信号传输在很长时间都占有主导地位， 即使在当今的系统中，控制器和现场仪表之间仍然有相当比例 采用模拟信号传输方式。 2)数字信号传输 进入20世纪七八十年代，计算机控制技术得 到了广泛的发展和应用，系统内部采用数字通信方式实现系统 集成和信息交互。 3)现场总线 现场总线是顺应控制系统开放性的要求发展起来 的。
(2)软件组成
通常软件分为系统软件、支持软件和应用软件3种类型。系统 软件包括操作系统、引导程序等，它是支持软件及各种应用软 件的最基础的运行平台。支持软件运行在系统软件的平台上， 用于开发各种应用软件。支持软件一般包括汇编语言、高级语 言、数据库系统、通信网络软件、诊断程序和组态软件等。应 用软件是针对特定的生产过程及其控制要求而编制的控制和管 理程序。
5.1.3 工业通信技术的发展过程
4)工业以太网 正是由于多总线并存以及以太网在商用领域获 得了巨大的成功，以太网技术不断向工业领域延伸，从2000年 起，掀起了通过以太网统一现场总线的研究浪潮，以太网以其 开放、高速、低成本、软硬件丰富等特点得以在工业领域广泛 应用。 5)工业无线通信 在工业以太网获得极大发展的同时，现代数 据通信系统发展的另一个重要方向——无线局域网(Wireless LA N)技术也开始在工业控制网络中逐渐被应用。
5.1.2 计算机控制系统的发展过程
(1)直接数字量控制 (2)集中型计算机控制系统 (3)集散控制系统 (4)现场总线控制系统
(1)直接数字量控制
图5-3 DDC系统原理图
(2)集中型计算机控制系统
从系统功能上看，集中型计算机控制可以理解为对DDC的简单 发展。从表面上看，集中型计算机控制有利于实现先进控制、 联锁控制、优化生产等更复杂的功能。但是，由于早期的计算 机总体性能低，利用一台计算机控制很多个回路容易出现负荷 过载，控制的集中也直接导致危险的集中而使系统变得十分 “脆弱”。因此，这种危险集中的系统结构也很难被工业现场 所接受，集中型计算机控制在当时并没有给工业生产带来明显 的好处，曾一度陷入困境。但是，随着当今计算机软硬件水平 的提高，集中型计算机控制系统以其较高的性能价格比，在许 多小型生产装置上又重新得到较广泛应用。
1.集散控制系统的组成及特点
DCS的特点表现在以下几个方面： 1)结构体系层次化 如图5-7所示，对于集散控制系统来说，层 次化是其最主要的体系特点。 2)硬件体系积木化 DCS采用积木化硬件组装式结构。 3)软件体系组态化 DCS为用户提供了丰富的功能软件，如控 制软件包、操作显示软件包和报表打印软件包等，用户只需按 要求选用，大大降低了用户的开发难度，也减少了用户的开发 工作量。 4)数据通信网络化 通信网络是分散型控制系统的神经中枢， 它将物理上分散配置的多台计算机有机地连接起来，实现了相 互协调、资源共享的集中管理。
(3)集散控制系统
由于集中型计算机控制系统存在可靠性方面的重大缺陷，在当 时的过程控制中并没有得到广泛的应用。 集散控制系统(Distributed Control System，DCS)也称为分布式 计算机控制系统，其基本设计思想就是适应两方面的需要：一 方面使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现 部分有限的控制目标，满足分散“危险”的目的；另一方面， 又依靠计算机网络完成分散控制站之间的数据传输与操作显示， 使所有控制器都在统一管理下协调完成整体控制目标。进入20 世纪70年代，微处理器的诞生为研制新型结构的控制系统创造 了无比优越的条件，产生了以微处理器为核心的集中处理信息、 集中管理、分散控制权、分散危险的集散型计算机控制系统。
计算机控制装置可概括地分为硬件和软件两大部分。 (1)硬件组成 (2)软件组成
5.1.1 计算机控制系统的基本组成
图5-1 典型的单回路计算机控制系统原理框图
5.1.1 计算机控制系统的基本组成
图5-2 典型计算机控制系统的组成框图
(1)硬件组成
计算机控制装置的硬件部分通常可理解为由一般意义上的计算 机系统和特定的过程输入/输出接口组成。 典型的计算机系统还可以细分为主机、外部设备和系统总线等 若干部分。主机系统是整个计算机控制装置的核心，它包括中 央处理器CPU、内存储器(RAM、ROM)等部件。外部设备可按 功能分为3类：输入设备、输出设备和外存储器。系统总线包 括内部总线和外部总线两种，内部总线是计算机系统内部各组 成部分进行信息传送的公共通道；外部总线是计算机控制装置 与其他计算机系统及各种数字式控制设备进行信息交互的公共 通道，如RS232、RS485及各种类型的网络通信接口等。
5.2 集散控制系统(DCS)
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5
概述 DCS的硬件体系 DCS的软件体系 DCS的通信网络 DCS的应用示例
5.2.1 概述
1.集散控制系统的组成及特点 2.集散控制系统的发展历程
1.集散控制系统的组成及特点
1)过程控制单元(Process Control Unit，PCU) 又叫现场控制站。 2)过程接口单元(Process Interface Unit，PIU) 又叫数据采集站。 3)操作站(Operator Station，OS) 它是集散系统的人机接口装置， 完成系统的组态、编程以及监视操作、基本信息管理等功能。 4)数据高速通道(Data Highway，DH) 又叫高速通信总线。 5)管理计算机(Manager Computer，MC) 习惯上称它为上位机。
过程控制系统与装 置
第5章 计算机控制系统
5.1 概述 5.2 集散控制系统(DCS) 5.3 可编程序控制器(PLC) 5.4 现场总线控制系统(FCS)
5.1 概述
5.1.1 5.1.2 5.1.3
计算机控制系统的基本组成 计算机控制系统的发展过程 工业通信技术的发展过程
5.1.1 计算机控制系统的基本组成
(4)现场总线控制系统
图5-4 常规计算机控制结构示意图
5.1.3 工业通信技术的发展过程
1)模拟信号传输 模拟信号传输在很长时间都占有主导地位， 即使在当今的系统中，控制器和现场仪表之间仍然有相当比例 采用模拟信号传输方式。 2)数字信号传输 进入20世纪七八十年代，计算机控制技术得 到了广泛的发展和应用，系统内部采用数字通信方式实现系统 集成和信息交互。 3)现场总线 现场总线是顺应控制系统开放性的要求发展起来 的。
(2)软件组成
通常软件分为系统软件、支持软件和应用软件3种类型。系统 软件包括操作系统、引导程序等，它是支持软件及各种应用软 件的最基础的运行平台。支持软件运行在系统软件的平台上， 用于开发各种应用软件。支持软件一般包括汇编语言、高级语 言、数据库系统、通信网络软件、诊断程序和组态软件等。应 用软件是针对特定的生产过程及其控制要求而编制的控制和管 理程序。
5.1.3 工业通信技术的发展过程
4)工业以太网 正是由于多总线并存以及以太网在商用领域获 得了巨大的成功，以太网技术不断向工业领域延伸，从2000年 起，掀起了通过以太网统一现场总线的研究浪潮，以太网以其 开放、高速、低成本、软硬件丰富等特点得以在工业领域广泛 应用。 5)工业无线通信 在工业以太网获得极大发展的同时，现代数 据通信系统发展的另一个重要方向——无线局域网(Wireless LA N)技术也开始在工业控制网络中逐渐被应用。
5.1.2 计算机控制系统的发展过程
(1)直接数字量控制 (2)集中型计算机控制系统 (3)集散控制系统 (4)现场总线控制系统
(1)直接数字量控制
图5-3 DDC系统原理图
(2)集中型计算机控制系统
从系统功能上看，集中型计算机控制可以理解为对DDC的简单 发展。从表面上看，集中型计算机控制有利于实现先进控制、 联锁控制、优化生产等更复杂的功能。但是，由于早期的计算 机总体性能低，利用一台计算机控制很多个回路容易出现负荷 过载，控制的集中也直接导致危险的集中而使系统变得十分 “脆弱”。因此，这种危险集中的系统结构也很难被工业现场 所接受，集中型计算机控制在当时并没有给工业生产带来明显 的好处，曾一度陷入困境。但是，随着当今计算机软硬件水平 的提高，集中型计算机控制系统以其较高的性能价格比，在许 多小型生产装置上又重新得到较广泛应用。