计算机控制系统的体系结构

计算机控制系统的体系结构

摘要：

计算机控制系统是计算机与控制理论相结合的产物，它经历了一个不断演变发展的过程：从简单的计算机控制系统逐步发展为多级分布式计算机控制系统。本文从计算机控制系统的硬件与软件两方面来分析其体系结构。在硬件系统方面，分析了直接数字控制系统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体系结构这四类系统。在软件方面，是从系统软件和应用软件两个方面来进行分析的。

关键字：计算机，控制系统，体系结构

一、计算机控制系统简介

随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。即用计算机的硬件和软件来实现控制器的功能。这是用计算机取代模拟控制器的初衷，其特点是：（1）用软件可以实现复杂的控制规律。（2）可以显示、存储、打印系统的运行状态。具有报警功能；人机接口功能。（3）控制规律可以很方便的改变。（4）通讯组网功能。自动控制技术、计算机技术、检测和传感技术、网络和通信技术、显示技术等的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的变革。随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高。

计算机控制系统：应用计算机（控制计算机）来实现生产过程自动控制的系统。

二、计算机控制系统硬件体系结构

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体系结构

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控制系统以微机为核心，并配以一定数量的外围设备，使系统具有丰富的控制、显示和数据处理功能。

DDC控制系统的主要工作过程是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型（如PID控制规律）进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上。

DDC控制系统具有如下优点：

1、控制功能十分复杂，可以采用高级的控制算法和控制策略，构成更复杂的控制系统；

2、DDC控制器提高了控制的灵活性，如想改变或者增加控制功能，不需要改变现场连线和增加控制仪表，而仅仅通过改变控制组态(软连接)，即通过改变控制算法类型及连接就可满足要求；

3、DDC控制器除了具有控制功能外，还具有丰富显示和数据处理功能。

但是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，所以目前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体系结构

集散控制系统(DCS)又名分布式计算机控制系统,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。其核心结构是“三点一线”式结构：“一线”是指DCS的骨架计算机网络；“三点”是指联接在网络上的三种不同的类型的节点，分别是：面向被控过程现场的现场I/O控制站；面向操作人员的操作站；面向DCS监督管理人员的工程师站。

集散控制系统DCS的主要特点如下：

1、集中了计算机技术、通讯技术、控制技术和图形显示技术，采用分散化的结构形式以灵活地组建各种高度安全可靠的系统;

2、丰富的强有力的控制功能与报警功能，可实现连续控制到批量/顺序及逻辑控制，在连续控制回路中除PID外，还可实现如前馈、非线性增益、自整定、模糊控制等高级控制;

3、广泛的综合性和兼容性，可与上位机通讯兼容，也可与智能仪表包括模拟/数字混合式记录仪、单/多回路调节器或其他终端设备进行数据交换。

其典型的DCS体系结构如下图所示：

DCS体系结构通常分为三级：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。

2.3 现场总线控制系统FCS体系结构

FCS（Fidlebus Control System）即现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。

现场总线FCS的体系结构主要表现在以下五个方面：1、现场网络通信。现场总线将通信一直延伸到生产现场或生产设备。2、现场设备互连。现场设备通过一对传输线（如双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等）互连。3、控制功能分散。输入/输出单元和控制站的部分功能分散给现场智能仪表，从而构成虚拟控制站。4、通信线供电。允许现场仪表直接从通信线上获取能量。5、开放式互连网络。既可以与同层网络互连，又可以与不同层的网络互连，同时还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不同厂商的网络和设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。

FCS的关键要点有三点：1、FCS系统的核心是总线协议，即总线标准；2、FCS系统的

基础是数字智能现场装置；3、FCS系统的本质是信息处理现场化。FCS通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简单。

FCS有两个显著特点：一是系统内各设备的信号传输实现了全数字化，提高了信号传输的速度、精度和距离，使系统的可靠性提高；二是实现了控制功能的彻底分散，即把控制功能分散到各现场设备和仪表中，使现场设备和仪表成为具有综合功能的智能设备和仪表。FCS 的结构模式是“工作站现场智能仪表”，比DCS的三层结构模式少了一层，降低了系统成本，提高了系统可靠性。在统一的国际标准下，可实现真正的开放式互连系统结构。

2.4可编程控制器系统PLC体系结构

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。可编程序控制器是现代自动化设备中最广泛使用的核心控制器件，它是从继电器顺序控制技术发展而来，应用计算机进行逻辑判断与运算的控制器。以可编程控制器为核心加入各种辅助器件（如传感器、驱动器件等）构成控制系统，以顺序+反馈的方式实现防备的自动化运转。可编程控制器的特点是可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。

可编程控制器基本工作方式——扫描

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（一）微处理器从I/O接收设备等外围装置的当前状态，存入存储器中备用；（二）微处理器把存储器中的I/O状态与用户程序结合进行逻辑与数字运算，生成的运算结果也存入存储器中；（三）微处理器把演算、处理的结果送入输出单元，通过接口传给设备等外围装置。

三、计算机控制系统软件体系结构

软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合，程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。控制软件的特点：模块化结构程序设计；偶然故障的自动恢复；对模拟量及不合理数据的处理；程序的实时性。控制应用软件体系结构分为三种：基本型结构、两层式（客户机/服务器）结构、三层式结构。以下是三层式应用软件体系结构图。

计算机控制软件与一般软件相似，分为系统软件、支撑软件和应用软件三类。

3.1 系统软件

系统软件用来管理计算机系统的资源，并以尽可能简便的形式向用户提供使用资源的服