冷轧带钢制造中分布式计算机控制系统的研究

a. 针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，设想使用多台控制器（计算机或PLC）共同完成所有过程量的输入输出，每台控制器只处理一部分实时数据，而每台控制器的失效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成整个系统失去实时数据；

b. 用不同的计算机去处理不同的功能，使每台控制器的处理尽量单一化，以提高每台控制器的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上容易做得简单，提高了软件的可靠性；

c. 用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题，与计算机的内部总线相比，计算机网络具有设备相对简单、可扩性强等特点，只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而使系统的规模可以在很大程度上实现扩充而并不增加很多费用；

d. 网络中的各台控制器处于平等地位，在运行中互相之间不存在依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。

据上述设计原则分析，DCS的关键是计算机的网络技术，也就是说DCS的结构其实质就是一个网络结构。如何充分利用网络资源，如何通过网络协调DCS中各台控制器的运行，如何在多台控制器共同完成系统功能的过程中保证所处理信息的实时性、完整性和一致性，则成了DCS设计中的关键问题。

DCS的基本构成可以简单地将其归纳为“三点一线”式的结构。一线是指计算机网络和现场总线^[14~18]。三点是指在网络上3种不同类型的节点：面向被控过程的现场1/O控制站、面向操作员的操作站和面向DCS监督管理人员的工程师站。下面对这几个组成部分加以说明。

用于DCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络。首先，它是一个实时网络，也就是说，网络需要根据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。

根据网络的拓扑结构，大致可以分为星形、总线形和环形3种。星形网由于其必须设置一中央节点，各个节点之间的通信必须经由中央节点进行，这种变相的集中系统不符合DCS的设计原则。目前应用最广的网络结构是环形和总线形网。在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需其它节点的介入。

为了实现传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时的方法，以避免信息在网络上的碰撞。目前各种网络解决碰撞的技术不外两种。一种是以令牌的方式划分各个节点的时间片，使每一瞬间只有一个节点使用物理传输介质，即所谓Token Ring（对于环形网）或Token Passing（对于总线形网）方式。令牌实际是一个标识信号，它规定了要使用物理传输介质的节点标识，只有符合标识的节点（节点的标识号在系统中是唯一的）才能使用网络。这样就避免了某个节点传送信息时被其它节点干扰，当传送信息的节点完成传送之后，即刻释放网络，并产生一个令牌，将网络让给其它节点。这种令牌方式的网络要求各个节点用网络的时间是限定时间，即每个令牌从得到释放的时间是确定的，这样才能保证通信的实时性，对于较多的数据传送请示，就有可能被分割成多个令牌周期分多次完成传送。另一种解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即CSMA／CD方式。这种方式不规定时间片，需要使用网络的节点。首先需要对网络线进行侦听，检测网络是否忙，如果忙，则等待，直到网络空闲。如果两个节点同时向网络发送数据，就会造成两个节点的数据传送同时出错的情况，此时，各个需要使用网络的节点就需要延时一个随机时间，然后再去试图占用网络。这种网络运行机制不具备在确定时间内完成信息传送的特点，因此在DCS中较少采用。但是在更高一层的管理网络中，CSMA／CD方式的网络使用比较普遍，这是由于当网络上节点较多时，Token方式的网络开销比较大，使得网络节点的增加受一定限制。

现场I/O控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC )的网络节点，主要功能有3个：

a. 将各种现场发生的过程量（流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等）进行数字化，并将这些数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新的现场过程量的实时数据；

b. 将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站及其它现场I/O控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场I/O控制站还可接收由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；

c. 在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。

控制站通常采用PLC或微型计算机实现。由于控制站是与现场直接打交道的部分，因此其可靠性显得尤为重要，一般要求其平均无故障时间MTBF不小于30000h，出现故障后的故障修复时向MTTR应尽量短，一般不大于3h，这样才可以保证系统可用率达到99. 99％。