1.1 工业控制系统的发展

1.1.1 工业控制系统

自工业化大生产以来，为了提高生产效率，生产设备的控制操作逐步由人工手动控制发展为机器自动控制。随着认识的深入、综合科技水平的提高，工业控制也从简单到复杂、从单一设备的控制发展到控制系统。

控制系统大致经历了基地式仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等主要阶段。每个阶段的控制系统在结构上都有明显的改进，都有一种标志性的设备。

1）基地式仪表控制系统

20 世纪40 年代，测控仪表和继电器进入工业生产领域。严格地说，这种控制方式还不能称为“系统”。它的规模很小，结构简单，或者所实现的功能很简单。基地式仪表主要对单台设备实现较为简单的控制，继电器控制电路主要完成顺序控制。它们是现今控制系统的前身，限于当时的技术条件，这种装置的控制精度和可靠性都不高。现在，这种“控制系统”已经难觅踪影。

2）集中式数字控制系统

随着计算机的出现和发展，特别是早期对计算机神奇能力的超高预期，使人们自然想把它用于工业控制中。但那时的计算机价格昂贵，性能也难以适应工业生产环境。直到20 世纪70 年代，随着集成电路技术的发展，研制出了微处理器和单片机。单片机侧重管理、控制功能的发展；微处理器主要发展数据处理能力。

单片机在工业控制、仪器仪表、军工、家电等领域得到了广泛应用，至今不衰。但是，以单片机的运算能力和速度，难以实现复杂的控制算法，不能组成大规模的控制系统；作为主要的控制器，它越来越不能满足实际的需要。与此同时，微处理器也在快速发展，性价比不断提高，引入工业控制系统的时机成熟了。以微处理器为核心的微型计算机经过特殊的抗干扰设计，以一种特殊的形式——工控机出现在工业控制系统中。

无论是单片机，还是工控机，它们在控制系统中都是处于核心地位，系统所有的功能都由它来完成，如数据采集、数据处理、计算决策及控制输出等。典型的集中式控制系统的结构如图1.1所示。

集中式控制系统能实现复杂的控制算法，也能达到很高的控制精度。但是，它有两个主要的缺点无法克服：一是核心处理装置的负担太重，当系统规模扩大时，实时性不能保证，故系统规模不能很大；二是系统功能集中，危险也集中，相当脆弱。

3）集散控制系统

随着计算机技术、信号处理技术、测量技术、通信网络技术以及人机接口技术的发展，微处理器及网络器件价格大幅下降，出现了所谓的DCS（Distributed Control System），又名分布式计算机控制系统。分布或分散是相对于集中控制系统而言的,DCS在系统结构上采用分级设计的思想，实现功能上分离、位置上分散，达到“分散控制，集中管理”的目的，对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制。它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，具备通用性、系统组态灵活、控制功能完备、显示操作集中、人机界面友好、运行安全可靠的显著特点，对提高生产过程的自动化水平、提高产品质量、提高劳动生产率具有重要意义。集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理，若干台下位机下放分散到现场实现相互之间的信息传递。

集散控制系统的结构模式为：操作站—控制站—现场仪表。典型的集散控制系统的结构如图1.2 所示。

DCS系统大体可分为以下3 个发展阶段：

（1）第一阶段:1975—1980 年

这个阶段采用以微处理器为基础的过程控制单元（Process Control Unit），实现了分散控制，各种控制单元具有多种控制算法，通过组态（Configuration）独立完成回路控制；系统具有自诊断功能；在信号处理时，采用一定的抗干扰措施。操作站与过程控制单元的分离，采用冗余通信技术，将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。这一阶段分散控制系统在控制过程中成功地确立了地位。这一时期典型的产品有HONEYWELL公司的TDC2000,FOXBORO公司的SPECTROM,西门子公司的TELEPERM M,以及肯特公司的P-4000 等。

（2）第二阶段:1980—1985 年

这个阶段的主要技术重点表现为产品的换代周期越来越短。在过程控制单元增加了批量控制功能和顺序控制功能；在操作站及过程控制单元采用16 位的微处理器，使系统性能增强；工厂级数据向过程级分散；提供更强的图画显示，报表生成和管理能力；强化系统功能，通过软件可组态规模不同的系统；强化了系统信息的管理，加强了通信系统。这一时期典型的产品有HONEYWEL的TDC3000,BAILEY的NETWORK-90,西屋公司的WDPF,以及ABB公司的MASTER等。

（3）第三阶段,1985 年以后

在这一时期，集散控制系统的技术特点是采用开放式系统网络。符合国际标准组织ISO/OSI开放系统互联的参考模型；开发了中小规模的集散控制系统；采用32 位微处理器和触摸屏等，完全实现CRT化操作；引入实时多用户多任务的操作系统。 DCS系统向大型化的CIMS（Computer Integrated Manufacturing System,计算机集成制造系统）和小型及微型化两个极端方向发展。

根据采用的主要设备和通信方式，集散控制系统大致可分为以下5 类：

①模块化控制站+MAP兼容的宽带、窄带局域网+信息综合管理系统。

②分散过程控制站+局域网+信息管理系统。

③分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机。

④单回路控制器+通信系统+操作管理站。

⑤编程逻辑控制器PLC±通信系统±操作管理站。这是一种在制造业广泛应用的集散控制系统结构。现已有不少产品可下挂各种厂家的PLC,组成PLC+DCS的形式，应用于有实时要求的顺序控制和较多回路的连续控制场合。

目前，集散控制系统被广泛应用，取得了良好的效果，但并未达到完美的程度。从结构上看，系统的一个局部或子系统基本上还是集中式控制，系统分散得不够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从根本上得到解决。3 层甚至4 层的系统结构方式，使成本较高；各公司的DCS各有各的标准，不能实现互联。

4）现场总线控制系统

要实现控制系统的高度分散化，需要一种性能好、价格低的底层通信网络的连接现场仪表设备，称为“现场总线”。同时，现场设备要实现智能化，即具有通信、自诊断及保护、数据计算、测控输入输出等功能。

现场总线控制系统（FCS）就是用开放的现场总线网络将自动化系统最底层的现场设备互联的实时网络控制系统。它在结构上更加分散，可分为两层，即现场控制网和管理协调网。

如图1.3 所示为现场总线控制系统的结构模型。其现场总线给出了多种通信介质，也不限定只用一个总线标准。

在结构上，现场总线控制系统FCS与传统的集散控制系统DCS相比有很大的变化。主要有以下5 个方面；

①FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行机构采用现场总线网络起，逐层向上直至最高层均为通信网络互联。

②FCS系统结构是全分散式，废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取代，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟的控制站，实现彻底的分散控制。

③FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互联也可互换，并可统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。

④FCS的通信网络为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，用户可极其方便地共享网络数据库。

⑤FCS的技术和标准实现了全开放，从总线标准、产品检验到信息发布完全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。

现场总线控制系统的核心是现场总线。现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。它的出现将使传统的自动控制系统产生革命性变革，变革传统的信号标准、通信标准和系统标准，变革现有自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构。 U4uel6HsHL3TsE+FEcnIqOV6DGP0d8zhBjMajPezJyBVySLruifNQ5Kc9aLIqaFa