元器件、PLC、计算机的发展对分布式控制理论与技术有何促进作用
1、引言  $P$    70 年代以来，工业制造进入计算机集成制造系统（CIMS）阶段。CIMS中的一个重要环节是利用计算机技术对生产过程进行监控、管理和控制，这涉及到众多现场设备的分布式自动控制和信息集成。20多年来，这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）到智能控制-维护-管理集成系统（ICMMS），控制单元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式。现代化的现场设备不再是简单的传感器和控制器，它具有一定的自主控制、数据管理和通信能力，在这一点上它已发展成一种智能自主体（Agent）。因此，分布式控制系统技术与计算机支持的协同工作（CSCW）技术具有相似点。未来的分布式控制系统将突出智能性和系统性，并日益与生产、管理过程的其他环节集成，实现高效率、高可靠性的现场控制。 $P$    2、集散控制系统 $P$    集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。DCS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，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。DCS的结构是一个分布式、分支树状结构。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既相互独立又相互联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的不同功能，如实时控制、实时生产过程管理等，横向分则意味着同级设备具有类似功能。 $P$    DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散的实用系统。它具有如下特点：  $P$自主性：系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成自己的任务，且各站的容量可扩充，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。  $P$协调性：实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。  $P$在线性与实时性：通过人机接口和I/O接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修。  $P$高可靠性：高可靠性是DCS的生命力所在，从结构上采用容错设计，使得在任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配置。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计。  $P$适应性、灵活性和可扩充性：硬件和软件采用开放式，标准化设计，系统积木式结构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流程时只需改变系统配置和控制方案，相应使用组态软件填一些表格即可实现。  $P$友好性：DCS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，采用实用而简捷的人机会话系统，CRT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、跟踪球等操作器更便于操作。 $P$    DCS 已经历了三代。1975年Honewell公司推出的TDC2000集散控制系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，互相协调，一起实施实时工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从而危险性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代DCS。第二代产品在原来产品的基础上，进一步提高了可靠性，新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更完善了DCS。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。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。第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统通信，向上能与MAP和Ethernet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；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实现可靠的实时数据通信。过程控制组态采用CAD方法，使其更直观方便，实现自整定功能。$P$$P$ 当今DCS向综合化、开放化发展。90年代工厂自动化要求各种设备(计算机、DCS、单回路调节器、PLC等)之间的通信能力加强，以便构成大系统。开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成生产系统。同时在大型DCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智能PID自整定控制、智能人机接口，以至于智能DCS。总的发展趋势可体现在如下几个方面：各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品；高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求。 $P$    3、现场总线  $P$    现场总线克服了DCS系统中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案；同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，图2所示；同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。 $P$   FCS的设计目标是针对现存的DCS的某些不足，利用现场总线技术改造DCS。DCS经过多年的发展，具有集中监控、分散控制、操作方便、可靠性高的优点，如DCS采用多操作站对等式的结构，利用网络通信技术和冗余技术，每一台操作站可以操作控制系统内的任一台仪表，加上多操作站的互相备份方式，使得可靠性大为提高。在应用中也发现DCS的结构存在一些不足之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。  $P$    现场总线技术的出现，促使了DCS向现场总线控制系统FCS演化。目前FCS的模型一般是针对小型系统，在这类系统中，FF协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的一部分功能下移分散到现场仪表中，减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的控制算法。对于简单的控制应用，可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成FCS。
工控机（industrial personal computer—ipc）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在80年代初期，美国ad公司就推出了类似ipc的mac-150工控机，随后美国ibm公司正式推出工业个人计算机ibm7532。由于ipc的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目前，ipc已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。 ipc的技术特点： 1、采用符合“eia”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。 2、采用总线结构和模块化设计技术。cpu及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。 3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 6、具有自诊断功能。 7、可视需要选配i/o模板。 8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 9、开放性好，兼容性好，吸收了pc机的全部功能，可直接运行pc机的各种应用软件。 10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。 ipc的主要结构： 1、全钢机箱 ipc的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同pc-bus兼容的无源底板。 2、无源底板 无源底板的插槽由isa和pci总线的多个插槽组成，isa或pci插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括cpu卡、显示卡、控制卡、i/o卡等。 3、工业电源 为at开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。 4、cpu卡 ipc的cpu卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、pii、piii主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-600c；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5v/2.5a。 5、其他配件： ipc的其他配件基本上都与pc机兼容，主要有cpu、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等