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计算机是人类文明的重要成果。计算机产生后，逐步应用于生产、生活、教育、科学等领域。计算机控制技术研究如何将计算机技术应用于工业生产，以提高其自动化程度。随着不断有新的应用领域出现，工业控制系统的应用范围也在不断扩大。由于现代工业对人类文明进程产生了巨大作用，因此，计算机控制技术与工业生产相结合而产生的工业自动化是计算机最重要的应用领域之一。计算机的应用领域除了工业自动化，还有我们熟悉的商业自动化、办公自动化等。工业自动化系统与用于科学计算、一般数据处理等领域的计算机系统最大的不同之处在于其被控对象是具体的物理过程，因此，工业自动化系统的运行会直接对物理过程施加影响。工业自动化系统的好坏直接关系到被控物理过程的稳定性，以及设备、人员和财产的安全。按照目前最新的技术术语，工业自动化系统属于信息-物理融合系统（Cyber Physical System，CPS），该术语更加明确地表明了工业自动化系统的本质特征。
工业自动化的发展包括工业控制理论与技术的发展及工业控制系统/装备的发展。工业控制理论经历了经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论等发展阶段，而工业控制系统经历了模拟化、数字化和网络化等发展阶段。从两者的发展历史角度来看，工业控制理论与技术和工业控制系统之间是相辅相成的，工业控制系统的发展为各种工业控制理论与技术的实施提供了必要的基础和支撑。例如，流程工业只有采用集散控制系统后，才能更加容易支撑和实施各种复杂控制、先进控制、智能控制、在线优化技术、资产管理等管控策略，并有利于提升企业的效益。同样地，只有在集散控制系统等新型的工业控制系统上实施各类先进的工业控制理论与技术，才能更好地发挥理论对于生产实践的指导作用，促进控制理论的研究和深入发展。
工业自动化本身经历了一个发展过程，在发展过程中，工业自动化系统与计算机技术、通信技术、网络技术等不断融合，融合程度越深，工业控制系统的先进程度则越高。可以说，工业自动化与上述先进的信息技术的深度融合促进了工业自动化的革命性发展。
由于工业生产行业众多，因此存在化工自动化、农业自动化、矿山自动化、纺织自动化、冶金自动化、机械自动化、电力自动化等面向不同行业的自动化系统。由于不同行业的被控对象的特点不同，因此，我们可以根据其特点，把工业控制系统分成工业自动化及离散自动化两大类。虽然这两类控制系统从构成系统的设备、工作方式、应用场景等角度看有较大不同，但是从系统底层的被控变量控制原理角度看，这两类系统还是有较大的相似性的。下面以工业自动化中常见的温度单回路控制系统为例分析工业控制的基本原理，各类工业控制系统存在大量类似的控制回路。该控制系统的结构组成如图2.1所示，对应的控制系统方框图如图2.2（a）所示。系统中的测量变送环节对被控对象进行检测，先把被控量（如温度、压力、流量、液位、转速、位移等物理量）转换成电信号（电流或电压）再输入控制器中。控制器将此测量值与给定值进行比较，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，使被控量跟踪给定值，抑制干扰，从而实现自动控制的目的。
图2.1 温度单回路控制系统的结构组成
把图2.2（a）中的控制器用计算机及其输入/输出通道来代替，就构成了一个典型的计算机控制系统，其原理图如图2.2（b）所示。在该系统中，计算机采用数字信号，而现场二次仪表多采用模拟信号。因此，该系统需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器和将数字信号转换为模拟信号的数/模（D/A）转换器。图2.2（b）中的A/D转换器与D/A转换器表征了计算机控制系统中典型的输入/输出通道。
图2.2 温度计算机控制系统方框图与原理图
在现场总线控制系统中，A/D转换器、D/A转换器等的信号变换功能已不需要由现场控制站中相应的转换模块来实现，而是下移到现场总线控制系统的检测或执行装置中。例如，对于如图2.2（b）所示的换热器温度控制系统，现场的温度测量仪表及执行机构（调节阀）都带有FF或Profibus-PA总线接口，并且这两个设备一般都内置有PID控制模块（控制功能可以利用其中一个内置PID控制模块来实现）。因此，在现场就可以直接构成闭环控制回路，而不需要在现场控制站的CPU中执行相应的PID控制程序。现场的测控设备可以通过总线与现场总线控制系统的控制站通信，完成参数及变量的读写，实现对现场设备的监控功能。
对于像变频器这样的一些驱动装置，通常同时带有模拟信号接口和总线接口，采用模拟信号接口时，PLC（可编程逻辑控制器）需要D/A模块输出模拟信号给变频器；而采用总线接口时，PLC直接通过现场总线与变频器进行数字通信。
需要说明的是，由于计算机控制属于数字控制，因此，需要合理选择采样周期，对模拟信号进行采样、保持，针对模拟信号的控制算法也需要进行变换，以适应计算机控制的要求。由于这部分内容比较多，也非本书重点，在此就不做介绍了。
工业控制系统的体系结构的发展经历了集中式控制结构、分布式控制结构和网络化控制结构三个阶段。集中式控制结构的所有监控功能依赖于一台主机，采用广域网连接现场控制器和主机，网络协议比较简单，开放性差，功能较弱。分布式控制结构充分利用了局域网技术和计算机PC化的成果，可以配置专门的通信服务器，应用服务器、工程师站和操作站，普遍采用组态软件技术。网络化控制结构以各种网络技术为基础，网络的层次化使得控制结构更加分散，信息管理更加集中。工业控制系统普遍以客户机/服务器（C/S）结构和浏览器/服务器（B/S）结构为基础，多数工业控制系统包含这两种结构，但以C/S结构为主，B/S结构主要是为了支持Internet（互联网）应用，以满足远程监控的需要。第三代控制系统在结构上更加开放，兼容性更好，使该系统可以更好地集成到全厂综合自动化系统中。
目前主流的控制系统虽然都实现了控制分散、管理集中，但是在具体实现细节上还有所不同。以DCS（集散控制系统）为例，目前主流的控制系统的结构主要有以下两种类型。
点对点结构在整个系统中没有设置独立的服务器，即每个工作站都可以和现场控制站通信。从硬件上来说，系统中的节点之间、工作站和控制站等通过冗余工业以太网进行通信。这种点对点结构不同于传统的客户机/服务器结构，不会因为任意单个节点的故障而影响到其他节点的正常工作。但由于控制器与多个工作站通信，因此，其通信负荷较高。艾默生公司的DeltaV系统和横河公司的Centum系统都采用这种结构。
整个控制系统必须存在至少一个服务器，该服务器与现场控制站进行通信，而系统中的工作站（工程师站、操作员站等）不直接与现场控制站通信。因此，控制站与服务器之间构成了客户机/服务器结构。小型系统可以用一台电脑，同时作服务器和工作站；而大型系统需设置多个服务器和工作站。这种结构的好处是可以简化控制器的通信负荷，但是服务器故障会引起整个控制系统无法正常工作。因此，重要场合会设置冗余服务器，从而避免服务器故障对生产过程监控的影响。罗克韦尔公司的PlantPAx、霍尼韦尔公司的PKS和西门子公司的PCS7等集散控制系统都采用这种结构。
现代的工业控制系统不仅要服务于使被控过程处于受控状态这一技术目标，还要服务于整个企业的目标，即实现高效、绿色和安全生产。因此，在一个企业中，控制系统与企业管理系统之间必然要进行融合。为了更好地实现企业管理系统与控制系统的集成，ISA-95定义了企业管理系统和控制系统之间的集成标准，该标准从功能上看主要包括三个部分，即企业功能部分、信息流部分和控制功能部分，而从结构上看包括自底向上的L0～L4层。
在ISA-95的基础上，IEC和ISO联合发布了《企业控制系统集成》（IEC/ISO 62264），该标准定义的集成架构如图2.3所示。通常所说的工业控制系统是指该架构中的L0～L2层；L3～L4层属于企业管理系统；L5层主要面向企业云集成，以顺应目前企业信息系统的云化趋势。
图2.3 《企业控制系统集成》定义的集成架构
国际上各大自动化公司都推出了符合集成架构的解决方案，以罗克韦尔公司的PlantPAx系统为例，其结构如图2.4所示。该系统包括从现场设备级到企业商务信息管理级等多级结构，属于大型综合自动化系统。其现场设备级（L0）主要包括传感器、执行器等；工厂控制级（L1）主要包括各类现场控制器及远程I/O；工厂监控级（L2）主要包括过程自动化系统服务器、应用服务器、工程师站、操作员站等。网络包括EtherNet/IP网络、现场设备级环形网络、连接现场控制器和现场总线设备的现场总线。PlantPAx系统支持多种标准的现场总线，特别是过程工业主流的现场总线FF和Profibus-PA。通过网关，这些现场总线设备可以集成到EtherNet/IP网络，从而实现与控制器的信息交换。此外，PlantPAx系统支持Hart总线设备，从而可以兼容更多的传统现场仪表设备。PlantPAx系统还支持各种安全控制产品的集成，从而确保了安全相关系统的功能安全的实现。从图2.4也可以看出现代工业控制系统具有如下结构特点。
工业控制系统是一个结构分层、功能分区的分布式系统，不同的业务功能在不同层级实现；
多层次的控制网络是现代工业控制系统区别于传统工业控制系统的重要特征；
控制系统的网络结构在逐步简单化；
在工业企业中OT（操作技术）与IT（信息技术）的融合在不断地深入；
大型的工业控制系统除了包括常规控制系统，还包括安全仪表控制系统；
多数工业控制系统能较好地支持主流现场总线；
数字技术的应用从IT层向现场设备层逐步渗透，最终使工业控制系统发展成为全数字化的现场总线控制系统，如工业过程控制系统经历了模拟控制、集散控制和现场总线控制的演变。
除了如图2.4所示的罗克韦尔自动化系统的集成架构，西门子、施耐德、ABB、艾默生、三菱电机等公司都有类似的工业控制集成解决方案。不同公司的方案在架构上基本符合如图2.3所示的规范，在技术上的不同主要表现在其所采用的通信协议，例如，西门子公司的集成架构是Profibus系列的现场总线和工业以太网；施耐德公司的集成架构是Modbus系列的现场总线与工业以太网。另外，这些公司都有自己成套的硬件和软件产品作支撑，从而提供工业自动化的完整解决方案，有些公司还提供安全仪表系统。
图2.4 PlantPAx系统结构图
实际上，除了用于制造业、过程工业及间歇过程的控制系统具有分层分布式特点，其他行业的自动化系统，如作为电力网络的重要组成部分的变电站自动化系统，无论是传统变电站还是智能变电站，其结构也具有分层分布式特点。图2.5所示为传统变电站（左）与智能变电站（右）结构图。智能变电站的组成包括“三层两网”，分别是过程层、间隔层和站控层及GOOSE网络和SV网络。从图2.5也可以看出，各类复杂控制系统都采用了系统工程的“分而治之”思想，只是不同的领域，系统分解的方式不同而已。
图2.5 传统变电站（左）与智能变电站（右）结构图
在C/S结构中客户机和服务器之间的通信以“请求-响应”方式进行，即客户机先向服务器发出请求，服务器再响应这个请求，如图2.6所示。
图2.6 客户机/服务器结构
C/S结构最重要的特征是：它不是一个主从环境，而是一个平等环境，即C/S结构中各计算机在不同的场合既可能是客户机，也可能是服务器。在C/S结构的应用中，用户只关心完整地解决自己的应用问题，而不关心这些应用问题由系统中哪台或哪几台计算机来完成。当为应用提供服务的计算机被请求服务时，它就成为服务器。一台计算机可能提供多种服务，一种服务也可能要由多台计算机组合完成。与服务器相对，提出服务请求的计算机在当时就是客户机。从应用角度来看，应用的一部分工作在客户机上完成，其他部分的工作则在一个或多个服务器上完成。
软件体系采用C/S结构，能保证数据的一致性、完整性和安全性。多服务器结构可实现软件的灵活配置和功能分散，如数据采集单元、实时数据管理、历史数据管理、报警管理及日志管理等任务均作为服务器任务，而各种功能的访问单元如操作员站、工程师站、先进控制计算站及数据分析站等构成不同功能的客户机，真正实现了功能分散。
严格来说，C/S结构并不是从物理分布的角度来定义的，它所体现的是一种软件任务间数据访问的机制。系统中每一个任务都作为一个特定的客户服务器模块，扮演着自己的角色，并通过客户-服务器体系结构与其他的任务接口，在这种模式下的客户机任务和服务器任务可以运行在不同的计算机上，也可以运行在同一台计算机上。换句话说，一台机器正在运行服务器程序的同时，还可以运行客户机程序。目前采用这种结构的工业控制系统的应用已经非常广泛。
C/S结构的优点表现在如下几方面。
由于客户端实现与服务器的直接连接，没有中间环节，因此响应速度快。
操作界面漂亮、形式多样，可以充分满足用户自身的个性化要求。
C/S结构的管理信息系统具有较强的事务处理能力，能实现复杂的业务流程。
C/S模式的缺点表现在如下几方面。
需要专门的客户端安装程序，分布功能弱，针对点多、面广且不具备网络条件的用户群体不能实现快速部署安装和配置。
兼容性差，对于不同的开发工具而言，具有较大的局限性。若采用不同工具，需要重新改写程序。
开发成本较高，需要具有一定专业水准的技术人员才能完成。
随着Internet的普及和发展，以往的主机/终端和C/S结构都无法满足当前全球网络开放、互联、信息随处可见和信息共享的新要求，于是就出现了B/S结构，如图2.7所示。
图2.7 B/S（浏览器/服务器）结构
B/S结构的最大特点是：用户可以通过浏览器访问Internet上的文本、数据、图像、动画、视频和声音信息，这些信息都是由许许多多的Web服务器产生的，而每一个Web服务器又可以通过各种方式与数据库服务器连接，大量的数据实际存放在数据库服务器中。这种结构的最大优点是：客户机采用统一的浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户端不存在维护的问题。当然，软件开发和维护的工作不是自动消失了，而是转移到了Web服务器端。一般采用基于Socket的ActiveX控件或Java Applet程序两种方式实现客户端与远程服务器之间的动态数据的交换。ActiveX控件和Java Applet程序都驻留在Web服务器上，是由用户登录服务器后下载到客户机上的。Web服务器在响应客户机程序过程中，若遇到与数据库有关的指令，则交给数据库服务器来解释执行，并返回给Web服务器，Web服务器再返回给浏览器。在这种结构中，许许多多的网连接到一块形成一个巨大的网，即全球网，而各个企业可以在此结构的基础上建立自己的Intranet（企业内部网）。对于大型分布式SCADA系统而言，B/S结构的引入有利于解决远程监控中存在的问题，并已经得到主流的SCADA系统供应商的支持。另外，受安全因素的影响，B/S结构的远程监控应用受到了一定的限制。
B/S结构的优点表现在以下几方面。
具有分布性，可以随时随地进行查询、浏览等业务。
业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。
维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。
开发简单，共享性强。
B/S结构的缺点表现在以下几方面。
个性化特点明显降低，无法实现具有个性化的功能要求。
鼠标操作为基本的操作方式，无法满足快速操作的要求。
页面动态刷新，响应速度明显降低。
功能弱化，难以实现传统模式下的特殊功能要求。
尽管计算机控制系统形式多样，设备种类千差万别，形状、大小各不相同，但一个完整的计算机控制系统都是由硬件和软件两大部分组成的，当然还包括机柜、操作台等辅助设备。把计算机控制系统应用到实际的工业生产过程控制中，就构成了工业控制系统。传感器和执行器等现场仪表与装置是整个工业控制系统的重要组成部分，由于这部分非本书重点，在此就不做介绍了。
现代的计算机控制系统的上位机系统多数采用服务器、工作站或PC兼容计算机，在计算机控制系统产生早期使用的专用计算机已经不再采用。这些计算机的配置随着IT技术的发展而不断发展，硬件配置也不断增强。目前艾默生公司的DeltaV集散系统、横河公司的Centum集散系统、霍尼韦尔公司的PKS集散系统等上位机系统（服务器、工程师站、操作员站）都建议配置经过厂家认证的DELL工作站或服务器。
不同厂家的计算机控制系统在上位机系统的硬件配置方面已经几乎没有差别，且大多数都是通用系统。读者对通用计算机系统的组成及其原理较为熟悉，这里就不详细介绍了。
现场控制站虽然实现的功能比较接近，但却是不同类型的工业控制系统的最大差异之处，现场控制站的差别也决定了相关的I/O及通信等存在差异。现场控制站的硬件一般由中央处理单元（CPU模块）、输入/输出模块、通信模块、智能模块与特殊功能模块、外部存储器和电源等模块组成，如图2.8所示。这些不同的模块可以集成在一起，也可以通过底板、机架或框架组合在一起，构成现场控制站。
像DCS一样用于大型工业生产过程的控制器通常还会采取冗余措施。这些冗余措施包括CPU模块冗余、电源模块冗余、通信模块冗余及I/O模块冗余等。
（1）中央处理单元（CPU模块）
中央处理单元（CPU模块）是现场控制站的控制中枢与核心部件，其性能决定了现场控制器的性能，每套现场控制站至少有一个CPU模块。与我们所见的通用计算机上的CPU不同，现场控制站的中央处理单元不仅包括CPU芯片，还包括总线接口、存储器接口及有关控制电路。控制器通常还带有通信接口，典型的通信接口包括USB、串行接口（RS232、RS485等）及以太网，这些接口主要用于编程或与其他控制器、上位机通信。
图2.8 现场控制站的硬件组成
控制器模块是现场控制站的控制与信号处理中枢，主要用于实现逻辑运算、数字运算、响应外设请求，还用于协调控制系统内部各部分的工作，执行系统程序和用户程序。控制器模块的安全运行对工业控制系统非常重要，各类外部攻击通常都会指向该模块。因此，以控制器模块为核心的现场控制站是工业控制系统中安全防护的核心设备。
控制器的工作方式与控制器的类型和厂家有关。例如，可编程控制器采用扫描方式工作，在每个扫描周期用扫描的方式采集由过程输入通道送来的状态或数据，并存入规定的寄存器，再执行用户程序扫描，同时，诊断电源和可编程控制器内部电路的工作状态，并给出故障显示和报警（设置相应的内部寄存器参数值）。CPU的速度和内存容量是可编程控制器的重要参数，它们决定着可编程控制器的工作速度、I/O数量、软元件容量及用户程序容量等。
控制器的CPU多采用通用的微处理器，也有的采用ARM系列处理器或单片机。例如，施耐德公司的Quantum系列、通用电气公司的Rx7i、3i系列PLC就采用Intel Pentium系列的CPU芯片，三菱公司的FX2系列可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。在通常情况下，最新一代的CPU模块采用的CPU芯片至少要落后通用计算机芯片2代，即使这样，这些CPU对于处理任务相对简单的控制程序来说也已经足够了。
与一般的计算机系统不同，现场控制站的CPU模块通常带有存储器，其作用是存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些运行信息。控制器中的存储器主要有只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。ROM存放控制器制造厂家写入的系统程序，该系统程序永远驻留在ROM中，控制器掉电后再上电，ROM内容也不变。RAM为可读写的存储器，读出时，其内容不被破坏；写入时，新写入的内容会覆盖原有的内容。控制器配备掉电保护电路，当掉电后，锂电池为RAM供电，以防掉电后重要信息丢失。一般来说，控制器新买来的时候，其锂电池的插头是断开的，用户需要把插头插上。除此之外，控制器还有EPROM、EEPROM等存储器，通常调试完成后不需要修改的程序可以放在EPROM或EEPROM中。
控制器产品样本或使用说明书给出的存储器容量一般是指用户存储器，存储器容量是控制器的一个重要性能指标。存储器容量大，可以存储更多的用户指令，能够实现对复杂过程的控制。
除了CPU自带的存储器，为了保存用户程序和数据，目前不少PLC还采用SD卡等外部存储介质。
（2）输入/输出模块
输入/输出（I/O）模块是控制器与工业过程现场设备之间的连接部件，是控制器的CPU模块接收外界输入信号和输出控制指令的必经通道。输入模块和各种传感器、电气元件触点等连接，把工业过程现场的各种测量信息送入控制器中。输出模块与各种执行设备连接，应用程序的执行结果改变执行设备的状态，从而对被控过程施加调节作用。由于输入/输出模块直接与工业现场设备连接，因此，它们应该有很好的信号适应能力和抗干扰能力。通常，输入/输出模块会配置各种信号调理、隔离、锁存等电路，以确保信号采集的可靠性、准确性，保护工业控制系统不受外界干扰。
由于工业现场信号种类的多样性和复杂性，控制器通常配置各种类型的输入/输出模块。根据变量类型，输入/输出模块可以分为数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。
数字量输入和输出模块的点数通常为4、8、16、32、64等。数字量输入、输出模块会把若干个点如8点组成一组，即它们共用一个公共端。
模拟量输入和输出模块的点数通常为2、4、8等。有些模拟量输入模块支持单端输入与差动输入，一个差动输入为8路的模块设置为单端输入时，可以输入16路模拟量信号。对于模拟量采样要求高的场合，有些模块具有通道隔离功能。
用户可以根据控制系统信号的类型和数量，并考虑在一定I/O冗余量的情况下，合理选择不同点数的模块组合，从而节约成本。
① 数字量输入模块
通常我们可以按电压水平对数字量输入模块进行分类，其主要分为直流输入模块和交流输入模块。直流输入模块的工作电源主要为24V及TTL电平，交流输入模块的工作电源为220V或110V。一般来说，当现场节点与I/O端子距离较远时采用交流输入模块；当现场的信号采集点与数字量输入模块的端子之间距离较近时，可以用24V直流输入模块。根据笔者的工程经验，如果电缆走线干扰少，在120m之内完全可以用直流输入模块。数字量输入模块多采用光电耦合电路，以提高控制器的抗干扰能力。
在工业现场，特别是在过程工业中，数字输入信号采用中间继电器隔离，即数字量输入模块的信号都是从继电器的触点来的。对于继电器输出模块而言，该输出信号都是通过中间继电器隔离和放大后，才和外部电气设备连接的。因此，在各种工业控制系统中，直流输入/输出模块使用广泛，交流输入/输出模块使用较少。
② 数字量输出模块
按照现场执行机构使用的电源类型，可以把数字量输出模块分为直流输出（继电器和晶体管）和交流输出（继电器和晶闸管）。
继电器输出模块有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强等，但其不能用于频繁通断的场合。频繁通断的感性负载应选择晶体管或晶闸管输出模块。
数字量输出模块在使用时，我们一定要考虑每个输出点的容量（额定电压和电流）、输出负载类型等。例如，在温度控制系统中，若采用固态继电器，则一定要配置晶体管输出模块。
③ 模拟量输入模块
模拟量信号是一种连续变化的物理量，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等。在工业控制中，系统要对这些模拟量进行采集并送给控制器的CPU处理，必须先对这些模拟量进行模数（A/D）转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成控制器所能接收的数字信号的。生产过程的模拟信号是多种多样的，其类型和参数大小也不相同，因此，一般在现场先用变送器把它们变换成统一的标准信号（如4～20mA的直流电流信号），然后送入模拟量输入模块将模拟量信号转换成数字量信号，以便PLC的CPU对该信号进行处理。模拟量输入模块一般由滤波器、模数（A/D）转换器、光电耦合器等组成，其中光电耦合器有效地防止了电磁干扰。多通道的模拟量输入模块通常设置多路转换开关进行通道的切换，且在输出端设置信号寄存器。
此外，由于工业现场大量使用热电偶、热电阻测温，因此，各控制设备厂家都生产相应的模块。热电偶模块具有冷端补偿电路，以消除冷端温度变化带来的测量误差。热电阻的接线方式有2线、3线和4线3种，通过合理的接线方式，可以减弱连接导线电阻变化的影响，从而提高测量精度。
选择模拟量输入模块时，我们除了要明确信号类型，还要注意模块（通道）的精度、转换时间等是否满足实际数据采集系统的要求。
传感器/测量仪表有二线制和四线制之分，因此这些仪表与模拟量输入模块连接时，要注意仪表类型是否与模块匹配。通常，PLC中的模拟量输入模块同时支持二线制仪表和四线制仪表。信号类型可以是电流信号，也可以是电压信号（有些产品需要进行软硬件设置，接线方式会有不同）。采用二线制接法的仪表由模块供电。DCS的模拟量输入模块对信号的限制要大。例如，某些型号的模拟量输入模块只支持二线制仪表，即必须由该模块的端子为现场仪表供电，外部不能再接24V直流电源；而如果使用四线制仪表，则必须选配支持四线制的模拟量输入模块。
④ 模拟量输出模块
现场的执行器如电动调节阀、气动调节阀等都需要由模拟量来控制，所以模拟量输出模块的任务是将计算机计算得到的数字量转换为可以推动执行器动作的模拟量。模拟量输出模块一般由光电耦合器、数模（D/A）转换器和信号驱动等组成。
模拟量输出模块输出的模拟量可以是电压信号，也可以是电流信号。电压信号或电流信号的输出范围通常可以调整，如电流输出可以设置为0～20mA或4～20mA。对于电压信号和电流信号的设置，不同厂家的设置方式不同，有的厂家通过硬件进行设置，有的厂家通过软件进行设置，而且电压输出或电流输出时，外部接线也不同，这需要相关人员特别注意。通常，模拟量输出模块的输出端外接24V直流电源，以提高驱动外部执行器的能力。
（3）通信模块
通信模块包括与上位机通信接口及与现场总线设备通信接口两类，这些模块有些可以集成到CPU模块上，有些是独立的模块，如横河公司的Centum VP等型号DCS的CPU模块上配置2个以太网接口。对于PLC系统，CPU模块通常还会配置串行通信接口，这些接口通常能满足控制站编程及上位机通信的需求。但由于用户的需求不同，因此，各个厂家，特别是PLC厂家，都会配置独立的以太网等通信模块。
目前由于现场控制站广泛采用现场总线技术，因此，现场控制站还支持各种类型的总线接口通信模块，典型的总线接口包括FF、Profibus-DP、ControlNet等。由于不同厂家通常支持不同的现场总线，因此，总线接口通信模块的类型与厂家或型号有关，如罗克韦尔公司有DeviceNet和ControlNet模块，三菱公司有CC-Link模块，ABB公司有ARCNET和CANopen模块等。目前，由于工业以太网技术的快速发展，大多数新推出的工业控制系统在网络结构和层次上都做了简化，即用工业以太网来取代部分现场总线。例如，西门子公司用工业以太网ProfiNet取代Profibus-DP，以实现远程I/O模块与主站之间的以太网通信；罗克韦尔公司用Ethernet/IP取代DeviceNet和ControlNet。
由于大的工厂除了有DCS，还存在多种类型的PLC（这些控制系统通常随设备一起供货），为了实现全厂监控，通常要求DCS能与PLC通信，所以一般DCS还会根据需要配置Modbus等通信模块。
（4）智能模块与特殊功能模块
所谓智能模块，是指由控制器制造商提供的一些满足复杂应用要求的功能模块，这里的“智能”表明该模块具有独立的CPU和存储单元，如专用温度控制模块或PID控制模块，它们可以检测现场信号，并根据用户的预先组态进行工作，把运行结果输出给现场执行设备。
特殊功能模块有用于条形码识别的ASCⅡ/BASIC模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板，单轴位置控制模板，双轴位置控制模板，凸轮定位器模板和称重模块等。这些智能模块与特殊功能模块的使用不仅可以有效降低控制器处理特殊任务的负荷，还增强了对特殊任务的响应速度和执行能力，从而提高了现场控制站的整体性能。
（5）电源
所有的现场控制站都要有独立可靠的供电电源。现场控制站的电源包括给控制站设备本身供电的电源及给控制站I/O模块供电的电源两种。除了一体化的PLC等设备，在一般情况下现场控制站有独立的电源模块，这些电源模块为CPU等模块供电。有些产品需要为各模块单独供电，有些只需要为电源模块供电，电源模块再通过总线为CPU及其他模块供电。一般地，I/O模块连接外部设备时需要单独供电。
电源类型有交流电源（220V或110V）或直流电源（24V）。虽然有些电源模块可以为外部电路提供一定功率的24V工作电源，但一般不建议这样用。
（6）底板、机架或框架
从结构上分，现场控制站为固定式和模块式（组合式）两种。固定式控制站包括CPU模块、I/O模块、显示面板、内存块、电源模块等，这些模块组成一个不可拆卸的整体。模块式控制站包括CPU模块、I/O模块、电源模块、通信模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。虽然不同产品的底板或机架的型号不同，甚至叫法不一样，但它们的功能是基本相同的。不同厂家对模块在底板上的安装顺序有不同的要求，如电源模块与CPU模块的位置通常是固定的，CPU模块通常不能放在扩展机架上等。
在底板上通常还有用于本地扩展的接口，即扩展底板通过接口与主底板通信，从而确保现场控制器可以安装足够多的各种模块，具有较好的扩展性，以适应系统规模从小到大的各种应用需求。
上位机系统软件包括服务器、工作站上的系统软件和各种应用软件。除了早期部分DCS采用UNIX等作为操作系统，目前DCS普遍采用Windows操作系统。
上位机系统的应用软件包括各种人机界面、控制器组态软件、通信配置软件、实时和历史数据库软件、报警记录和管理及其他高级应用软件（如资产管理、先进控制、批处理等）。一般来说，对于SCADA系统而言，上位机系统软件通常具有图形操作界面、实时和历史趋势、报警记录和管理、报表等功能。而DCS的上位机系统软件大多是由独立的应用程序或以软件包形式提供的，但它们与DCS的集成度很高，属于DCS一体化解决方案的一部分。
上位机系统软件的配置一般与行业特性有关，如食品饮料行业会要求批处理功能，过程控制行业对先进控制软件、过程模拟及操作员培训系统有一定的需求。
在上位机操作中，在有些情况下要对操作员的行为进行记录，如记录操作员更改控制回路工作状态和参数、更改操作环境、对报警应答、更改设备启停状态等。
现场控制站软件包括CPU模块中的操作系统和用户编写的应用程序。由于现场控制站的开放性较差，厂家只提供编程软件作为开发平台，从不告知其操作系统的细节，因此用户对其操作系统知之甚少。由于现场控制站要进行实时控制，且硬件资源有限，因此，其操作系统一般是支持多任务的嵌入式实时操作系统。这些操作系统的主要特点是将应用系统中的各种功能划分成若干任务，并按其重要性赋予不同的优先级，各任务的运行进程及相互间的信息交换由实时多任务操作系统调度和协调。
施耐德公司的Quantum系列、罗克韦尔公司的ControlLogix系列和艾默生公司的DeltaV数字控制系统的现场控制站的操作系统都采用VxWorks操作系统。VxWorks操作系统是美国风河（Wind River）公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统。在Windows操作系统风行之前，VxWorks及QNX等就已经是十分出色的实时多任务操作系统。VxWorks操作系统具有可靠性、实时性、可裁减性等特点，并以良好的持续发展能力、高性能的内核及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地，在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域广泛应用。美国的F-16和FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹甚至火星探测器都使用了VxWorks操作系统。
以可编程自动化控制器PAC为代表的现场控制站因开放性为其特色之一，所以多采用Windows CE作为操作系统。大量的消费类电子产品和智能终端设备也选用Windows CE作操作系统。另外，不少厂家对Linux进行裁剪，作为其开发的控制器的操作系统，如德国Wago 750等。
控制站的应用软件是控制系统设计开发人员针对具体的应用系统要求而设计开发的。通常，控制器厂家会提供软件包以便于技术人员开发针对具体控制器的应用程序。目前，这类软件包主要基于IEC 61131-3标准，有些厂家的软件包支持该标准中的所有编程语言及规范，有些厂家的软件包支持该标准中的部分编程语言及环境。该软件包通常是一个集成环境，提供系统配置、项目创建与管理、应用程序编辑、在线和离线调试、应用程序仿真、诊断及系统维护等功能。
为了便于应用程序开发，软件包为用户提供了大量指令，这些指令主要包括以下几类。
运算指令：包括各种逻辑与算术运算。
数据处理指令：包括传送、移位、字节交换、循环移位等。
转换指令：包括数据类型转换、码类型转换及数据和码之间的类型转换。
程序控制指令：包括循环、结束、顺序、跳转、子程序调用等。
其他特殊指令。
除了上述指令，软件包还提供了大量的功能块或程序，这些功能块或程序主要包括以下内容。
通信功能块：包括以太网通信、串行通信及现场总线通信等功能块。
控制功能块：包括PID及其变种等各种功能块。
其他功能块：包括I/O处理、时钟、故障信息读取、系统信息读写等。
此外，用户还可以自定义各种功能块，以满足行业应用的需要，同时增加软件的可重用性，这有利于知识产权的保护。
计算机控制系统除了包括上述硬件和软件，还包括机柜、操作台等辅助设备。机柜主要用于安装现场控制器、I/O端子、隔离单元、电源等设备，而操作台主要用于操作和管理。操作台一般由显示器、键盘、开关、按钮和指示灯等构成。操作员通过操作台可以了解与控制整个系统的运行状态，并且在紧急情况下，可以实施紧急停车等操作，以确保安全生产。
视频监控在工业生产中的作用越来越大，视频监控信号是企业信息化系统的一个组成部分。由于视频监控系统与工业生产控制系统的关联度较小，在实践中，视频监控系统的设计、部署和维护都是独立于工业生产控制系统的。部分视频监控系统与工业生产监控系统关系紧密的视频信号会接入计算机控制系统，如炉膛燃烧的视频监控画面。这些视频监控显示装置可以安装在操作台上或直接用中控室的大屏幕作为显示装置，以加强对重要设备与生产过程的监控，进一步提高生产运行安全和管理水平。