计算机控制技术
1概述
早在20世纪50年代数字计算机出现之初，有远见的控制工程师便从计算机运算速度快、具有实现各种数学运算和逻辑判断的能力上，意识到这是控制系统的发展方向，并进行了积极的探索。1959年美国在炼油厂实现计算机数据监控，1962年英国实现用计算机代替模拟调节器进行闭环数字控制。但计算机在控制领域的发展并非一帆风顺，尽管计算机的潜力很大，但随着控制功能向计算机高度集中，事故发生的危险性也被高度地集中。当一台控制几百个回路的计算机发生故障时，所有控制回路同时瘫痪，在这种情况下，仪表操作工的技术不管怎样高明也无法对付，由此造成的巨大风险和可能带来的潜在损失谁也无法承受。加上早期计算机可靠性低，价格昂贵，人机界面不方便，所以在很长一段时间里，人们虽然对计算机控制进行了大量的研究工作，但实际在线运行的计算机控制系统并不多。
这种状况一直延续到20世纪70年代初微处理器出现为止。微处理器以大规模集成电路的形式出现，其可靠性高，价格便宜，功能又相当齐全，一出现立即受到自动化行业的巨大关注，业界全力以赴加以研究，并很快取得新的技术突破。在不长的时间里，出现了以数字调节器、直接数字控制器（DDC，Direct Digital Controller，在有些资料中DDC作为直接数字控制——Direct Digital Control的缩写，在本书中只指前者）、可编程控制器（PLC，Programmable Logical Controller）为代表的数字化控制装置，自动化技术进入了数字化时代。
随着电子技术、计算机技术、通信技术、控制理论的不断发展，计算机控制技术也由最早的独立控制装置，发展成为网络化的集散控制系统（DCS，Distributed Control Systems），20世纪90年代出现的现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control Systems），使得自动控制设备与系统在功能、可靠性、兼容性、智能化与网络化等方面都得到了突飞猛进的发展。
楼宇自动化技术作为自动化技术的一个应用领域，也由早期模拟控制装置与独立的设备控制，发展为现在的以直接数字控制器（DDC）和集散控制系统（DCS）为主流的楼宇自动化系统。随着现场总线（Fieldbus）技术的不断发展，成熟的现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Ccontrol System）技术在楼宇自动化领域正在得到越来越多的应用。当然，就像传统控制技术与仪表仍然具有生命力一样，先进的DCS和FCS并不完全排斥传统的模拟仪表和简单控制技术在楼宇自动化中继续应用。在楼宇设备控制要求比较简单、楼宇设备数量比较少的情况下，用传统模拟仪表所构成的简单控制系统并结合设备之间的电气联动控制所组成的楼字设备控制系统，也能满足楼宇自动化的基本要求，而且性价比好，这类控制方式在系统构成简单、规模较小的楼宇自动化中仍得到广泛的应用。
2.4.2集散控制系统（DCS）
20世纪70年代初微处理器出现后，世界上各主要的仪表制造厂都纷纷宣布研究成功了新一代的计算机控制系统，例如美国Honeywel公司的TDC-2000系统、日本横河电机公司的CENTUM系统、美国Foxboro公司的SPECTRUM系统等。虽然这些系统各自的结构和功能有所不同，但都有一个共同特点，即控制功能分散，操作管理集中，因此称为分散型控制系统（DCS，Distributed Control System），也称集中分散型控制系统，简称集散控制系统。
这是在多年集中型计算机控制失败的实践中产生的一种新的体系结构，即通过将功能分散到多台计算机上，分散危险性，同时采用双重化、冗余等增强可靠性的措施，达到提高系统可靠性和整个系统运行安全的目的。
2.4.2.1集散控制系统的体系结构
集散控制系统是随着计算机技术、信号处理技术、自动测量和控制技术、通信网络技术和人机接口技术的发展和相互渗透而产生的，既不同于分散的常规仪表控制系统，又不同于集中式的计算机控制系统，它吸收了两者的优点。集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、管理和设备现场进行分散控制的一种新型控制技术，具有很强的生命力和显著的优越性。自20世纪70年代第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统已经在各种控制领域得到了广泛的应用。
集散型控制系统是由集中管理部分、分散控制部分和通信部分所组成。集中管理部分主要由中央管理计算机及相关控制软件组成。分散控制部分主要由现场直接数字控制器及相关控制软件组成，对现场设备的运行状态、参数进行监测和控制。DDC的输入端连接传感器等现场检测设备，DDC的输出端与执行器连接在一起，完成对被控量的调节以及设备状态、过程参数的控制。通信部分连接集散型控制系统的中央管理计算机与现场DDC控制器，完成数据、控制信号及其他信息在两者之间的传递。集散系统的体系结构框图如图2.45所示。
集散型控制系统通常可分为三（层）级（或四级）。
1.第一级：现场控制级
现场控制级由现场控制器（DDC）和其他现场设备组成。DDC直接与各种现场装置（如变送器、执行器等现场仪表与装置）相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制一如设备与系统的状态与参数检测，报警，开环和闭环控制等。同时，DDC还与第二级的
中央监控计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据（包括实时数据和特征数据）。
图2.45集散控制系统（DCS）体系结构框图
在系统规模比较大而且可划分为比较独立的子系统的集散控制系统中，为了便于对子系统的监控与管理，可在这一层设置子系统工作站，对子系统进行有效的监控与管理。例如在楼宇自动化系统中火灾报警与消防工作站、安保工作站等就属于这类工作站。
2.第二级：监控级
监控级由中央监控计算机（又称操作站）及相关软件组成，可监视现场控制级的信息，如故障检测存档、历史数据、记录状态报告、打印显示、优化过程控制、协调各站的操作关系，控制回路状态和参数修改等。中央监控级一般采用工业控制计算机（PC总线）和专用计算机。楼宇自动化系统的中央监控计算机就属于监控级。
为了保护系统安全，在这一级分设工程师工作站和操作员工作站，或者通过设置权限密码限制不同人员进入系统的级别，以避免不必要的误操作可能引起的对系统正常运行的干扰或造成事故与损坏。
3.第三级：生产管理级
生产管理级计算机是根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元子系统产品结构和规模，并且可以随时更改产品结构，使生产线具有柔性制造的功能，是产品生产的总体协调与控制器。该级容量大、运算功能强，信息的实时性要求低于过程控制计算机，通常该级在中小企业自动化系统中就是最高一级了，对于具有第四级的大型企业，生产管理级可与上层交互传递数据，并接受管理指令。
4.第四级：经营管理级（在图中没有画出）经营管理级是工厂自动化系统（Factory Automation）的最高层，它的管理范围包括工程技术、经济和商业事务、人事活动、财务活动、生产规划和市场分析等，并存储和处理大量的信息。通过综合产品计划，在各种变化条件下对各种多样的信息和装置进行合理的配调，如产品的经营、销售、订货、接收以及产品产量和质量的调整、调度生产计划、财务管理、设备管理、总厂管理等，以能够最优地解决某些问题。该级常采用小型或中型计算机，并与其他相关工厂或机构，如银行、税务、交通等组成广域网并提供大范围的金融业务、税务及产品售后服务和技术支持。
目前，国内中小企业的DCS大多只有第一层，某些发展较快的企业也只有一、二层，少数大的企业已开始具有第三层的部分功能。在国外，即使世界上目前最优秀的集散控制系统，也多局限在第一、二、三层。
就楼宇自动化系统而言，一般只设集散控制系统的第一级和第二级。
2.4.2.2现场控制器（DDC）智能楼宇中的集散型计算机控制系统是通过通信网络系统将不同数目的现场控制器与中央管理计算机连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。智能楼宇中的现场控制器采用计算机技术，又称直接数字控制器，简称DDC现场控制器根据控制功能，可分为专用控制器和通用控制器。专用控制器是为专用设备控制研发的控制器，如楼宇自动化系统中的空调机控制器、灯光控制器等。通用控制器可用于多种设备的控制。
通用控制器常采用模块化结构，使得系统配置更为灵活。在实际使用中，可根据不同需求选用不同的模块进行DDC控制器配置，并采用不同的冗余结构以适应不同的控制要求。现场控制器通常安装在靠近控制设备的地方。为适应各种不同的现场环境，DDC控制器应具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、抗振动及耐高低温等恶劣环境的能力。
1.现场控制器的功能
在集散控制系统中，各种现场检测仪表（如各种传感器、变送器等）送来的测量信号均由现场控制器进行实时的数据采集、滤波、非线性校正、各种补偿运算、上下限报警及累积量计算等。所有测量值、状态监测值经通信网络传送到中央管理计算机数据库，并进行实时显示、数据管理、优化计算、报警打印等。
DDC控制器将现场测量信号与设定值进行比较，按照产生的偏差由DDC控制器完成各种开环控制、闭环反馈控制，控制/驱动执行机构实现对被控参数的控制。
DDC控制器能接受中央管理计算机发来的各种直接操作命令，对监控设备和控制参数进行直接控制，提供了对整个被控过程的直接控制与调节功能。DDC控制器的基本组成如图2.46所示。
图2.46DDC控制器基本组成框图
在集散控制系统中，显示与操作功能集中在中央管理计算机，DDC控制器一般不设置CRT显示器和操作键盘，但可通过便携式计算机或现场编程器对现场控制器进行编程和对系统参数进行修改。现场控制器一般配备可供选择的简易人机界面，如小型显示器、迷你键盘、按钮等，通过这些简单的人机界面，可在现场对DDC控制器进行变量调整、参数设定等一些简单的操作以及检测参数的就地显示等。在DDC控制器独立使用时，选配相应的人机接口是非常必要的，对系统现场调试、编程和参数调整等带来极大便利。
2.模块化DDC控制器的组成结构
模块化DDC控制器通常包含电源模块、计算机（CPU）模块、通信模块和输入输出模块。组成结构如图2.47所示。
图2.47模块化DDC结构示意图
（1）计算机模块与通信模块
计算机模块通过输入模块完成数据采集、滤波、非线性校正、各种补偿运算、上下限报警及累积量计算等，同时通过运算，由输出模块输出控制信号，驱动执行机构（器）完成对控制对象的控制，也可通过远程驱动模块和远程执行器实现远程控制。通过通信模块可将所有测量值和状态监测信号传送到中央管理计算机数据库，供实时显示、数据处理、优化计算、报警打印等。中央管理计算机的管理、控制指令同样可通过通信模块送入DDC控制器计算模块，实现系统的直接调控。
现场控制器是一种开放式控制器，CPU普遍采用了高性能的16位的微处理器，有的已使用了准32位或32位的微处理器，还配有浮点运算协处理器，因此DDC的数据处理能力大大提高。除了具有先进的PID算法功能外，还可执行复杂的控制算法，如自整定、预测控制和模糊控制等。
为了工作的安全可靠，现场控制器的控制程序全部固化在ROM中，包括系统启动、自检程序、输入/输出驱动程序、检测、计算、通信和控制管理程序等。
RAM为程序运行提供了存储实时数据与中间变量的空间，用户在线操作时需修改的参数（如设定值、手动操作值、PID参数、报警界限等）也须存入RAM中。现场控制器为用户提供了在线修改组态的功能，用户组态应用程序亦必须存入RAM中运行。
在一些采用双CPU的冗余系统中，还特别设有一种双端口随机存储器，其中存放过程输入、输出数据及设定值、PID参数等；两个CPU可分别对其进行读写，从而实现了双CPU间运行数据的同步，当主CPU出现故障时，热备CPU可立即接替工作，保证正常运行过程不受任何影响。
DDC控制器的通信方式主要有Peer to Peer（点对点）方式和RS485方式。Peer to Peer
（点对点）网络通信可达到115.2kbps的通信速率。RS485通信总线长度可达1.2km。
（2）内部总线
DDC控制器一般采用最流行的标准的VME总线，它支持多CPU的16位/32位总线，PC总线（ISA总线）在中规模集散控制系统的DDC控制器中亦得到了应用。
（3）电源模块
稳定、无干扰的交流供电是现场控制器正常工作的重要保证，现场控制器采用了隔离变压器，将其一次、二次线圈间的屏蔽层可靠接地，很好地隔离共模干扰。电源模块带有板内微处理器，为控制器提供了高质量的24VDC稳压电源，24VDC又通过DC-AC-DC变换方式转换成现场控制器内各功能模块所需的直流电源。电源模块具有过压/电压不足的显示功能。长寿命的后备锂电池可保证DDC控制器的重要数据不丢失。
（4）输入/输出（Input/Output）模块
在集散型的控制系统中，种类最多、数量最大的就是各种输入输出模块。DDC控制器的输入输出接口通过输入输出模块与各种传感器、变送器、执行器等在线仪表连接在一起。DDC控制器的输入输出模块根据信号的性质可分为模拟输入模块、模拟输出模块、数字输入模块、数字输出模块、脉冲量输入及其他专用I/O模块。
①模拟输入（AI，Analogy Input）模块
各种连续变化的物理量（如温度、压力、压差、液位、应力、位移、速度、加速度及电流、电压等）和化学量（如pH值、浓度等），通过传感器将其转变为相应的标准电信号，由模拟输入模块送入现场控制器进行处理。上述的非电物理量转换后的标准电信号有以下几种。
电阻信号：由热电阻产生。电阻信号的输入模块与所采用的电阻传感器对应。常用的规格有100Ω、500Q、1000Ω、10k2、20k2等。
电压信号：一般是由热电偶、压力、湿度、应变式传感器产生。常用的规格有1~5VDC、
0~5VDC、0~10VDC几种。
电流信号：由各种温度、位移或各种电量、化学量变送器、电磁流量计等产生。一般均采用4~20mADC标准。
在所有模拟输入模块中，输入电路先将各种范围的模拟量输入信号统一转变成1~5VDC或0~10VDC的电压信号送入A/D转换器。通过滤波电路、差动放大器以提高系统抗干扰能力，提高共模抑制比；对于热电偶信号的处理器，还设有冷端补偿与开路检测等措施，以提高检测精度与系统可靠性。
通过A/D转换器，将信号处理器输入的多路模拟信号，按CPU的指令逐一转变为数字量送给CPU。每一A/D转换器一般可直接输入8~64路模拟信号，由多路选通开关通过分时选通进行A/D转换。A/D转换器有8位、10位、12位、16位等多种，但在集散型系统中使用较多的是12位的A/D转换器，每一次A/D转换时间一般在100us左右。
②模拟输出模块（AO，Analogy Output）
DDC控制器将要输出的数字信号经D/A转换成电流或电压模拟信号，常用的D/A转换器有8位、10位、12位、16位等多种，但在集散型系统中使用较多的是12位的D/A转换器。通过模拟输出模块输出4~20mA DC直流电流信号或1~5VDC、0~5VDC、0~10VDC直流电压信号，用于控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程以控制各种阀门的开度，或通过调速装置（如各种交流变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，如控制气动阀门的开度等。
③数字（状态）量输入模块（DI，Digital Input）
用来输入各种限位（限值）开关、继电器、电气联动机构、电磁阀门联动触点的开、关状态等二位（on/off）信号。
各种开关量输入信号在DI模块内经电平转换、光电隔离并经滤波去除抖动噪声后，存入模块内数字寄存器中。外接每一路开关的状态，相应地由二进制寄存器中的一位数字的0与1来表示。CPU可周期性地读取各模块内寄存器的状态来获取系统中各个输入开关的状态。也可通过中断申请电路读取，当外部某开关状态变化时，即向CPU发出中断申请，提请CPU及时处理。
④脉冲输入模块（PI，Pulse Input）
现场仪表中转速计、涡轮流量计、脉冲电量表及一些机械计数装置等输出的测量信号均为脉冲信号，脉冲输入模块就是为输入这一类测量信号而设置的。脉冲量输入与数字量输入功能相似。Pl模块上设有多个可编程定时计数器（如8253、8254等16位的定时计数器）及标准时钟电路，输入的脉冲信号经幅度变换、整形、隔离后输入计数器。根据不同的功能、编程方式和转换系数，可进行计数、脉冲间隔时间、脉冲频率测量及总量计算等。
⑤数字输出模块（DO，Digital Output）
用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的装置或设备。
DO模块用于锁存CPU输出的开关状态数据，这些0、1数据的每一位分别对应一路输出的开、关或通、断状态，经光电隔离后可通过小型继电器、双向晶闸管（或固态继电器）的输出控制现场设备。在DO模块上一般设有输出值回测电路，供CPU确认开关量输出状态是否正确。
上述各种输入输出模块在设计时，为保证其通用性和系统组态的灵活性，在模块中均设有一些用于改变信号量程与种类的跳线或DIP开关。有些DDC控制器还有一组模块地址选择开关，用于模块地址的确定，在这类系统安装与调试时必须按组态数据仔细设定。
1.中央监控计算机
集散控制系统监控范围大、设备数量多、监控状态与参数的类型、数量多且分散。在控制系统方案的选取上，宜坚持“分散控制、集中管理”的原则，即利用DDC对被控对象实施“分散控制”，通过中央监控计算机被控对象实施统一管理，图2.45所示的DCS结构已清楚地说明了这一点。
中央监控计算机担负着系统集中监视、管理、系统生成及诊断等监控与管理的职能，因此，不仅要求其硬件系统耐用、可靠，而且要求应用软件方便使用且功能齐全。在中央监控计算机选型方面，对于较小型的DCS系统，一般可考虑采用“工控机”作为中央监控计算机的主机设备，对于较大型和特大型的DCS系统，可考虑采用“容错计算机”作为中央监控计算机的主机设备，一个集散系统中可以配置多个中央管理计算机工作站。
为了提高中央监控主机的可靠性，容错计算机采用了两台计算机互为热备份的系统设计技术，即一台运行中的计算机一旦出现故障，热备份的计算机即自动投入运行，并自动接管中央主机对整个系统的管控大权，从而保证系统最大限度地处在可靠运行状态。
为了避免意外误操作，一般监控中心分设工程师工作站和操作员工作站。系统工程师通过工程师工作站进行系统组态、系统测试、系统维护与系统管理等工作。系统操作员通过操作员工作站进行系统画面显示与切换、系统运行操作。基本的显示画面有：流程和控制画面、报警提示画面、控制回路画面、趋势画面、提示信息画面、记录和表格画面等。基本操作有：参数修改、画面调用与展开、报警确认、信息输出等。当系统规模较小或者工艺流程相对简单时，工程师和操作员可共用一个工作站，通过授权密码进行工作站功能的切换。
当DCS可划分为不同子系统时，为了便于子系统管理以及遵循国家规范的要求，可增设子系统工作站，在楼宇自动化系统中通常设有火灾自动报警与消防工作站、安保工作站、门禁工作站等子系统工作站。
2.集散系统的通信网络
（1）中央监控计算机与DDC之间的通信
中央监控计算机与分布在现场的直接数字式控制器（DDC）之间需要大量上传下送监测与控制数据信息，各控制器之间也需要相互通信，以实现系统的协调控制。该级网络通信系统需要满足以下要求：
>应适应工业现场的相对恶劣环境；
>传输速率不得过低，就是说通信波特率不低于9600bps；
>直接传输距离不得大于1.2km，通信传输介质可采用双绞线（UTP或STP）；
>意外高电压引入时，不得破坏整个通信系统的正常运行。
（2）多台中央监控与管理计算机之间的通信
在有多台中央监控与管理计算机的DCS系统中，中央管理计算机之间需要相互传输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求。用于智能建筑楼宇自动化的DCS系统，担负着对建筑（群）的所有设备的集中监测、控制和管理任务，为了高效率地完成既定任务，往往需要在一座建筑物或一组建筑群中，设置多台中央管理计算机。例如在高层建筑的楼宇自动化系统中，某层的某个防火报警探头报警后，防火自动监控系统应能及时响应，确认报警的有效性、通过网络系统发布火灾警报、同时启动消防联动系统，实施有效救灾。在具有
3.中央监控系统基本功能
（1）报告功能
如控制器报警功能、操作员操作追踪记录功能等。
（2）趋势功能
集散型系统的一个突出特点是可以存储历史数据，并可以以曲线的形式进行显示。一般的趋势显示有两种：一种是跟踪趋势显示，又称为实时趋势；另一类趋势显示为长期记录。
（3）报警管理功能
用户定义所有事件的报警级别、报警延迟时间（以秒计）、点报警状态持续时间、屏蔽点的报警等。
（4）历史记录功能
能记录系统历史运行状况。
（5）进行系统运行操作功能
通过中央监控计算机和工作站，实现对控制对象的直接操作控制、系统控制参数修改、报警确认等系统运行操作控制。
（6）系统维护与管理功能
通过累计设备运行时间、评价系统、设备工作状态等项目，辅助工作人员进行系统与设备的维护管理。
4.系统软件
系统软件指完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的计算机程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从管理范围和功能来分，软件可分为系统管理软件和现场控制器管理软件。
（1）系统管理软件
系统管理软件应采用开放式、标准化和模块化设计，可以很方便地进行修改和扩充，而不需要调整或增加系统的硬件配置。系统管理软件包括以下功能模块：
>系统操作管理；
》交互式系统界面；
>报警、故障的处理、提示和打印；
>系统操作指导；
>系统故障自诊断；
>快速信息检索；系统信息传递；
>系统远程通信；>辅助功能设定。
（2）现场控制器管理软件
现场控制器软件包括以下功能模块：
>直接数字控制；>组合控制设定；>设备节能控制；
>报警设定；
>程序控制；
>通信。
2.4.2.4集散控制系统的发展
20世纪90年代以来，DCS在其传统的基础上又有所改进和发展，出现一些新特点，主要表现在以下几个方面。
1.系统的开放性不断增强
越来越多的DCS系统采用标准化的网络和数据库，保证高层互连。多数DCS提供了与各种标准的智能仪表通信（如现场总线等）和通用PLC的通信接口，使系统的开放性大为增加，扩展了控制系统的集成范围。
2.采用先进的计算机技术
高性能的微处理器已经大量应用到DCS系统中。
3.DCS系统综合性和专业性增加
过去的DCS系统最多为用户提供一个控制系统平台，用户可以通过组态实现过程控制功能。当今的DCS系统几乎都增加了综合管理功能，可采用网络操作平台以方便实现全厂综合自动化。
未来的DCS发展，将向综合化、开放化、网络化发展，并且在大型DCS进一步提高和完善的同时，小型DCS系统会有一个大的发展，人工智能（如知识库系统、模糊控制、神经网络等）将会在DCS中得到应用，从而实现从生产到管理层的全面优化控制。
