5 控制功能
控制部分是集散系統(tǒng)的核心。帶微型計(jì)算機(jī)的控制站按所具有回路數(shù)的多少，可分為單回路、雙回路和多回路。多回路的控制一般為16、32或64個回路，最多達(dá)到400個回路。隨著微機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，控制算法已達(dá)1000種以上，運(yùn)算功能越來越強(qiáng)。控制方式從早期只有連續(xù)控制功能的狀況，已發(fā)展到普遍具有邏輯控制、順序控制和批量控制的功能。
5.1 連續(xù)控制
嚴(yán)格來說，計(jì)算機(jī)控制全部是離散控制，但為區(qū)別于順序控制和邏輯控制，還是稱它為連續(xù)控制。連續(xù)就是調(diào)節(jié)器能隨輸入信號的不斷變化面按一定規(guī)則輸出，不間斷地修正輸出值的大小。
連續(xù)控制算法一般有常規(guī)PID、微分先行PID、積分分離、選擇性控制、采樣控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、smith預(yù)估控制和多變量解耦控制等常規(guī)及高級控制算法。此外，還有模糊控制和PID自整定算法等智能控制算法。
除了各種算法之外，連續(xù)控制還必須具有一些附加功能才可以完成實(shí)際的過程控制。這些附加功能如下：
(1)回路手動(LM，Loop Manual)：對于一個控制回路進(jìn)行手動操作。
(2)手動方式(MAN，Manual)：由操作站(包括本地操作站)經(jīng)由通信系統(tǒng)進(jìn)行手動操作。
(3)自動方式(AUT，Auto)：以本地設(shè)定值(LSP)為基準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)算實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方式。
(4)串級方式(CAS)：以另一個控制回路的輸出值作為本回路的設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)串級控制方式。
(5)計(jì)算機(jī)方式(COMP)：經(jīng)由數(shù)據(jù)通道接受上位計(jì)算機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，作為本回路設(shè)定值進(jìn)行自動運(yùn)算的控制方式(SPC)；亦可直接作為輸出值的控制方式（DDC）。
(6)PV跟蹤：PID算法必須具有PV跟蹤功能，即手動狀態(tài)時，使本回路的設(shè)定值不再保持原來的設(shè)定值，而跟蹤PV值。PV跟蹤時，從手動切換到自動偏差總是零。因此，即使比例帶較小，PID輸出值也不會產(chǎn)生擾動，實(shí)現(xiàn)平滑切換；切換到自動后，再逐步把設(shè)定值調(diào)整到所要求的數(shù)值。
(7)輸出值跟蹤：PID算法必須具有PV跟蹤功能，還需要設(shè)置輸出值跟蹤功能，即在手動狀態(tài)時，使內(nèi)存中上次輸出單元的數(shù)值跟蹤手操輸出值。這樣，在切換到自動時，由于輸出單元數(shù)值與手操輸出值相等，因而可實(shí)現(xiàn)無擾動切換。
(8)預(yù)置：PID算法在偏差為零時，輸出為一不定的常值。構(gòu)成串級控制時，次級回路在處于串級斷開狀態(tài)時，把次級回路的設(shè)定值（LSP）送到主回路的輸出單元（OP），稱為預(yù)置。這樣，若串級的主回路設(shè)置PV跟蹤，次級回路設(shè)置預(yù)置和PV跟蹤，則串級調(diào)節(jié)回路從任何非串級調(diào)節(jié)狀態(tài)值切換到串級時，都是無擾動切換。
（9）反算：若串級調(diào)節(jié)主回路PID算法輸出插有靜態(tài)偏置，則算法必須具有反算功能，即算法塊（比如是加法功能塊）必須反算出（逆運(yùn)算）一個平衡勿擾的輸入值作為主回路的輸出。
5.2 邏輯控制
根據(jù)輸入變量的狀態(tài)，按邏輯關(guān)系進(jìn)行的控制稱為邏輯控制。在集散系統(tǒng)中，由邏輯塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。邏輯運(yùn)算包括AND(與)、OR(或)、XOR(異或)、link(連接)、Offdelay(停止延時)、on delay(進(jìn)行延時)、filp-flop(觸發(fā)器)和PULSE(脈沖)等。邏輯塊的輸入變量包括數(shù)字輸人/輸出狀態(tài)、邏輯塊狀態(tài)、計(jì)數(shù)器狀態(tài)、局部故障狀態(tài)、連續(xù)控制SLOT的操作方式和上位機(jī)的計(jì)數(shù)溢出狀態(tài)。它可直接用于過程控制進(jìn)行工藝連鎖，也可作為順序控制中的功能塊，進(jìn)行條件判斷、狀態(tài)變換等。
5.3 順序控制
順序控制是根據(jù)預(yù)定順序或邏輯，逐步進(jìn)行各階信息處理的控制方法。在順序控制中兼有連續(xù)控制、邏輯控制和輸入/輸出監(jiān)控的助能。
5.4 批量控制
批量控制就是利用順序程序，控制一個間斷的生產(chǎn)過程，以得到規(guī)定的產(chǎn)品。例如為滿足液流染色工藝過程的溫度、時間、浴比等參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行編程，把工藝流程設(shè)置操作按順序連接起來，定義每一步操作的具體條件和要求，直接控制多臺現(xiàn)場設(shè)備，以得到滿意的產(chǎn)品。批量控制是順序控制的一種應(yīng)用。
6 人一機(jī)接口功能
按照現(xiàn)場控制的連接方式，集散系統(tǒng)的人一機(jī)接口可分為現(xiàn)場簡易接口和CRT操作站兩種；前者直接與現(xiàn)場控制站相連，后者是經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場控制站相連。簡易操作接口使現(xiàn)場工作人員能對系統(tǒng)迸行操作、監(jiān)視和設(shè)定。CRT操作站不是為某個現(xiàn)場控制器所專用，而是幾個控制站共享。CRT系統(tǒng)信息集中地反映在屏幕上，并自動地對信息進(jìn)行分析、判斷和綜合。操作站的主要功能歸納起來有以下幾個方面：
(1)對全部過程變量進(jìn)行各種格式的顯示，并允許操作人員對過程進(jìn)行干預(yù)，如參數(shù)調(diào)整、狀態(tài)切換和緊急處理等。
(2)對過程變量的歷史數(shù)據(jù)迸行處理和存儲。
(3)顯示和打印過程報(bào)警。
(4)編制和調(diào)用各種用戶顯示畫面。
(5)編制和打印各種報(bào)表。
(6)組態(tài)并裝載監(jiān)視、控制和管理軟件。
(7)對通信總線上所連接的設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，并將組態(tài)結(jié)果裝載到對應(yīng)設(shè)備。
(8)完成系統(tǒng)的自診斷和故障維修。
7 通信功能
通信功能是集散系統(tǒng)的重要支柱，執(zhí)行分散控制的各單元以及各級人—機(jī)接口要靠通信系統(tǒng)連成一體。它是一個高通信速率、低誤碼率和快速響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，具有組織靈活、易于擴(kuò)展和資源共享的特點(diǎn)。
8 自診斷功能
為了提高可靠性，集散系統(tǒng)的各裝置具有較強(qiáng)的自診斷功能。系統(tǒng)投運(yùn)前用離線診斷程序檢查各部分工作狀態(tài)；系統(tǒng)投運(yùn)中各設(shè)備不斷執(zhí)行在線自診斷程序，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，即切換到備用設(shè)備。同時，經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)在CRT上顯示出故障代碼，等待及時處理。通常故障代碼可以定位到插件板，用戶只需更換插卡。
9 冗余技術(shù)
自診斷可以及時檢查出故障，但要使集散系統(tǒng)的運(yùn)行不受故障的影響，主要靠冗余應(yīng)用。冗余有兩種方式：工作冗余和后備冗余，俗稱“熱備用”和“冷備用”。操作站常采用工作冗余的方式。對現(xiàn)場控制器。各冗余方式不同，有的采用N:1冗余，也有的采用N:1冗余，但均采用無中斷自動切換方式。集散系統(tǒng)特別重視供電系統(tǒng)的可靠性，除了220v交流供電外，還要有備用電源、不間斷電源UPS，以及各種掉電保護(hù)措施。集散系統(tǒng)中，大多數(shù)采用兩套相同通信網(wǎng)絡(luò)的冗余方式。但具體工作情況有所不同，工作冗余和后備冗余的情況都有。
除了硬件冗余外，集散系統(tǒng)還采用了信息冗余技術(shù)，就是在發(fā)送信息的末端增加信息位，以提高檢錯及糾錯的能力。
10 DCS通信網(wǎng)絡(luò)的特性
集散型控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的作用是互聯(lián)各種通信設(shè)備。它完成的是工業(yè)控制，因此，與一般的辦公室用局部網(wǎng)絡(luò)有所不同，應(yīng)具有以下特點(diǎn)。
(1)具有快速的實(shí)時響應(yīng)能力：一般辦公室自動化計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時閘為2-6s，而它要求0.01 -0.5s。
(2)具有極高的可靠性：必須連續(xù)、準(zhǔn)確運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳送誤碼率為10-11—10-8，系統(tǒng)利用率在99.999%以上。
(3)適應(yīng)于惡劣環(huán)境下工作：能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和接地電位差干擾。
(4)分層結(jié)構(gòu)：為適應(yīng)集散系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，其通信網(wǎng)絡(luò)也必須具有分層結(jié)構(gòu)，例如分為現(xiàn)場總線、車間級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和工廠級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等不同層次。集散系統(tǒng)中參加網(wǎng)絡(luò)通信的最小單位稱為節(jié)點(diǎn)。發(fā)送信號的源節(jié)點(diǎn)對信息進(jìn)行編碼，然后送到傳輸介質(zhì)(通信電纜) ，最后被接收這一信息的目的節(jié)點(diǎn)接收。網(wǎng)絡(luò)特性的三要素是：要保證在眾多節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)合理傳送；必須將通信系統(tǒng)構(gòu)成一定網(wǎng)絡(luò)；遵循一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信方式。
11 通信介質(zhì)
通信介質(zhì)又稱傳輸介質(zhì)或信道，是連接網(wǎng)上端或節(jié)點(diǎn)的物理信號通路。它主要有雙絞線、同軸電纜和光纜三種。圖3為部分通信介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
11.1 雙絞線
把兩根平行導(dǎo)線接一定節(jié)距絞合在一起的信號線稱為雙絞線，如圖3(a)所示。由磁場干擾引起的感應(yīng)電流，在處于相鄰絞線回路的同一根導(dǎo)線上方向相反，互相抵消，從而能較好地抑制電磁感應(yīng)干擾。雙絞線頻帶寬為15 kHz或更寬。通常把多股導(dǎo)線封裝在屏蔽護(hù)套內(nèi)構(gòu)成一根電纜，見圖3(b)。由于雙絞線有較大的分布電容，故不宜傳輸高頻信號。
11.2 同軸電纜
同軸電纜結(jié)構(gòu)如圖3（c)所示，由中心導(dǎo)體、固定中心導(dǎo)體的電介質(zhì)絕緣層、外屏蔽導(dǎo)體和外絕緣層構(gòu)成。它又分基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種。它們的傳輸速率可分別達(dá)到10Mbit/s和50 Mbit/s。傳輸距離為幾千米。同軸電纜的抗干擾性能比雙絞線好，可以傳輸中頻和高頻信號。同軸電纜申心導(dǎo)線數(shù)少，安裝時必須特別小心。若外層圓筒形導(dǎo)體彎曲或變形，則電纜阻抗容易改變，致使信號衰減。因此，在使用中對于不同尺寸的同軸電纜，都應(yīng)按它規(guī)定的最小彎曲半徑和最大長度迸行連接；連接時都需要用專用接頭，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
11.3 光纜
網(wǎng)絡(luò)信息也可經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器變成光信號，在光纜中進(jìn)行傳輸。光信號在光纖中的傳輸速度大約是電信號在銅導(dǎo)線中傳輸速度的2/3，因此光纜傳輸?shù)难舆t就大些。但光導(dǎo)纖維不受電磁場的影響，適用于特別惡劣的環(huán)境；此外，它重量輕，體積小，安裝較為簡單。由于光纖造價(jià)昂貴，故目前尚未被廣泛采用。
12 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又稱網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)方式。通常有星形、環(huán)形、總線型、樹形及組合型等五種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
12.1 星形網(wǎng)絡(luò)
星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，星形的中心為主節(jié)點(diǎn)，其他為從節(jié)點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體現(xiàn)了一種集中式通信控制策略，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)全部信息的協(xié)調(diào)和傳輸，一旦發(fā)生故障，殃及整個網(wǎng)絡(luò)。為提高可靠性，主節(jié)點(diǎn)采用冗余結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)投資較大。
12.2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)
環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)都通過點(diǎn)對點(diǎn)鏈路連接，首尾相連，構(gòu)成環(huán)形。工作站通過節(jié)點(diǎn)接口與環(huán)相連，數(shù)據(jù)沿環(huán)單向或雙向傳輸。雙向傳輸時有路徑問題。
環(huán)形結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及控制邏輯簡單，掛接或摘除節(jié)點(diǎn)也比較容易，系統(tǒng)的初始開發(fā)成本及修改費(fèi)用較低。環(huán)形結(jié)構(gòu)的主要問題是可靠性較差，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處理或數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)故障時，會給整個系統(tǒng)帶來影響。這一缺陷雖可通過增設(shè)旁路通道或采用雙向環(huán)形數(shù)據(jù)通道等措施加以克服，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。這是目前較廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
12.3 總線型網(wǎng)絡(luò)
總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，網(wǎng)卡所有節(jié)點(diǎn)都在總線上。為了控制通信，有的設(shè)有控制器，采取集中控制方式：有的把通信控制功能分設(shè)在各通信接口中。稱為發(fā)散控制方式。總線型通信網(wǎng)絡(luò)的性能主要取決于總線的帶寬、掛線設(shè)備的數(shù)目以及總線訪問規(guī)程?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可大可小，擴(kuò)展方便，易設(shè)置備用部件，安裝費(fèi)用低。當(dāng)某設(shè)備發(fā)生故障時，不會威脅整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而是降級使用，繼續(xù)工作。它也是目前廣泛采用的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
12.4 樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6（b)所示。
12.5 組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在比較大的集散系統(tǒng)中，為提高其適用性，常把幾種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理地運(yùn)用于一個系統(tǒng)中，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。圖7（a）是環(huán)形和總線型相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖7（b）是總線型和星形相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
