计算机控制系统的体系结构与发展方向

1 引言

计算机控制系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。

2 计算机控制系统的体系结构

从大的方面讲，计算机控制系统的体系结构主要分为四大类：直接数字控制系统DDC体系结构；集散控制系统DCS体系结构；现场总线控制系统FCS体系结构；可编程控制器系统PCS或PLC体系结构。这四种体系结构有其各自不同的发展背景和特点，自然也有着不同的适用范围。

2.1 直接数字控制系统DDC

DDC是Direct Digital Control，即直接数字控制的缩写，它是计算机进入控制和自动化领域以来最早应用的体系结构。DDC完全以单个的计算机为核心，利用计算机的硬件和软件平台构筑控制系统。DDC系统利用计算机的输入输出通道和过程I／O设备将计算机和现场连接起来，将被控过程的数据送入计算机；利用计算机的处理和存储空间建立集中的实时数据库；利用计算机的计算和处理能力进行控制计算和各种处理，如人机界面显示、报警、统计、报表等。在DDC系统中，所有的部分，从计算机的CPU到存储器、外部设备、过程I／O等都是通过计算机总线实现连接的，因此系统的规模受到了很大的，而且对外的通信功能也很弱，目前只有在规模比较小且对外通信联系比较少的应用中使用DDC体系结构。

DDC系统的软件是比较复杂的，因为所有的功能都集中在一台计算机中完成，因此需要一个相当庞大复杂的软件系统，这个系统要实现各种功能，而且要很好地协调各个功能之间的关系，包括对计算机资源(CPU时间、计算机总线时间、内存和外存空间等)的使用和运行中的相互影响等，其实现难度是相当高的。因此目前DDC体系结构只用在规模较小、功能比较单一的控制场合，特别是一些嵌入式控制领域。一般来说，嵌入式控制的现场I／0数量很少，相应的功能也比较单一，因此不需要庞大而复杂的数据库，特别是人机界面HMI非常简单甚至没有。在这种应用场合，正好发挥了DDC构造简单，成本低廉的优势。

2.2集散控制系统DCS

集散控制系统(DCS) (distributed control system)又称计算机分布式控制系统——分散控制系统，它是生产过程监视，控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物。 集散控制系统指的是一种多机系统，它是由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。集散控制系统最基本的特征就是实现了系统的分散控制和集中管理。　

    DCS的目标，是对生产设备或装置的运行状态进行直接的自动控制，以优化这些设备或装置的生产效率，达到保证生产设备或装置运行的安全以及人身安全、增加产量、提高质量、降低能源消耗、减少环境污染的目的。由于是计算机直接对生产过程进行控制，因此要针对被控过程建立数学模型，以便计算机根据模型进行计算并实施控制。

DCS体系结构是由直接数字控制(即DDC)系统发展而来的，其主要特点是面向现场的自动控制，减少人工干预，如闭环控制(Close Loop Contro1)系统。通常分为3级：分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级。各级之间有通信网络连接，级内各站或单元之间由本级的通信网络进行通信联系。其典型的DCS体系结构如下图所示。

目前DDC控制系统常采用的网络结构有两种，即Bus总线结构和环流网络结构。其中Bus总线结构是所有DDC控制器均通过一条Bus总线与集中控制电脑相连，它的最大优点就是系统简单、通信速度较快，对一些中、小型工程较为适用；但在大型工程时就会导致布线复杂。为此目前有些公司又推出了支路Bus总线结构网络，它是通过一个通讯处理设备(NCU)后产生支路Bus总线，这样各支路又可带数个现场DDC控制器，对一个 大区域而言，只需几个NCU与系统Bus总线相联即可。这样可大大简化该系统。对于环流网络结构，它是利用两根总线形成一个环路，每一个环路可带数个DDC控制器，多个环路之间通过环路接口相联，因此这种系统最大优点就是扩充能力较强。

2.3现场总线控制系统FCS

现场总线（field bus）是用于最终控制设备与上层自动化控制设备之间的双向串行通信链络，目前主要的现场总线标准有HART、BACnet、LonWorks、PROFIBUS、InterBus、FF、CAN。现场总线技术以其高速、可靠、布线简单，费用低廉等优点得到越来越广泛的应用，特别是在制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇、铁路交通等方面。

    现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

     FCS有以下特点:

（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号，这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备中。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4～20mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来性的变化。

（2）FCS系统的基础是数字智能现场装置。控制功能下放到现场仪表中，控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协制和管理自动化等功能。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础；FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。现场装置必须遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，具备数字通信功能，能实现双向数字通。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。 　　

（3）FCS系统的本质是信息处理现场化。对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传送到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。

2.4可编程控制器系统PLC

可编程序控制器系统(PLC)是一种以逻辑控制为主、连续控制为辅的控制系统。它用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑顺序、定时、计数和运算等功能 近年来PLC几乎都采用微处理器作为主控制器，且采用大规模集成电路作为存储器及 I/O 接口，因而其可靠性、功能、价格、体积等都比较成熟和完美。由于智能的 I/O模块的成功开发，使 PLC除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算及网络等功能，从而大大地扩大了PLC的应用范围。

PLC的特点：

（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的。 　　

（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、连续PID控制、数据控制——PLC具有数据处理能力、通信和联网等多功能。 　　

（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。 　　

（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。 　　

（5）PLC网络既可作为DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。 　　

（6）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。

PLC系统与DCS系统的结构差异不大，只是在功能的着重点上的不同，DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制，也可实现模拟量控制。

3 计算机控制系统的发展方向

3.1控制系统的网络化

随着计算机技术和网络技术的迅猛发展, 各种层次的计算机网络在控制系统中的应用越来越广泛, 规模也越来越大, 从而使传统意义上的回路控制系统所具有的特点在系统网络化过程中发生了根本变化, 并最终逐步实现了控制系统的网络化。

现场级网络技术的产生及成功的应用改变了这种局面。它将所有的网络接口移到了各种仪表单元，从而使仪表单元均具有了直接的通讯功能。网络技术的这一新发展,使得网络延伸到控制系统的末端。结合原有控制系统的网络结构，就实现了完成最基本控制任务的底层到完成优化调度工作的最高层的网络优化连接。各种仪表单元是控制网络的最小实现环节，它们的网络化是在这些仪表单元数字化的基础上实现的，即原有仪表单元数字化后, 再增加网络通讯专用单元，构成现场总线系统。在网络化的计算机控制系统中，即现场总线控制系统中，具体的控制作用的实现不再只限于传统意义上的控制系统，而是由各种仪表单元分别完成各自的工作，然后再通过网络进行彼此间的信息交换和组织，并相互协作, 最终实现预定完成的控制任务。

3.2控制系统的智能化

智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，是用机器模拟人类智能的一个重要领域。智能控制包括学习控制系统、分级递阶智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。应用智能控制技术和自动控制理论来实现的先进的计算机控制系统，将有力地推动科学技术进步，并提高工业生产系统的自动化水平。计算机技术的发展加快了智能控制方法的研究。智能控制方法较深浅层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。计算机控制系统的优势、应用特色及发展前景将随着智能控制系统的发展而发展。

3.3控制系统的集成化

随着企业网技术的发展，网络通讯能力和网络连接规模得到了极大的提高使得原本在分布式的网络环境中较难实现的数据传输和交换,可以在一个贯穿的网络环境中实现。尤其是现场级网络技术在工业控制系统中的出现，带来现场级设备和仪表单元的网络化，从而使控制系统的底层也可以通过网络相互连接起来，同时,现场级网络技术的发展还保证了网络的设备容量,能够接入较多的设备,使连接在一起的可以是不同的回路控制系统的现场级设备和仪表单元。也就是说，每个网端可以容纳不同回路系统的现场级设备和仪表单元，而实际上不同的网端, 还可以通过网桥相互连接，这样就使得现场级网络的连接能力可以进一步提高。

4 总结

计算机控制技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛，前景也越来越美好，并占有更加重要的地位。