三項控制系統

計算機控制理論和控制技術是上世紀70年代由美國的HoneyWell公司首推的第一套集散型控制系統做為里程碑的，經歷了四十多年的發展完善，進而出現了PLC、DCS、FCS三大分支的控制理論以及控制系統。在現代科學技術領域中，尤其是人類進入了信息化時代以後，計算機技術和自動化技術被公認為是科技含量最高、技術發展最快的兩個分支。計算機控制技術是這兩個分支充分結合，完美結合的產物。

基本介紹

• 中文名：三項控制系統
• 外文名：Three control system
• 分類：計算機 自動化
• 又稱：三大控制系統
• 包含：PLC DCS FCS
• 套用：工業過程控制

簡介

計算機控制理論和控制技術是上世紀70年代由美國的HoneyWell公司首推的第一套集散型控制系統做為里程碑的，經歷了四十多年的發展完善，進而出現了PLC、DCS、FCS三大分支的控制理論以及控制系統。在現代科學技術領域中，尤其是人類進入了信息化時代以後，計算機技術和自動化技術被公認為是科技含量最高、技術發展最快的兩個分支。計算機控制技術是這兩個分支充分結合，完美結合的產物。工業自動化是我們提高企業裝備的技術水平、節約能源、降低消耗、促進生產的柔性和集成化的前提；也是提高產量質量，發展品種，提高勞動生產率以及產品的國際競爭能力的保證；更是控制環境污染，改善員工勞動條件，保證生產連續穩定及安全可靠的有效手段。計算機技術廣泛套用於諸多科技領域，極大地推動了人類科技的進步與發展，帶動了諸多相關行業技術更新。計算機控制系統概念的混淆也伴隨其出現，為此我們就必須充分認識，在概念完全清楚地條件下。才能最大限度地運用計算機技術．以求達到最佳的目的和效能。

定義

目前，在連續型流程生產自動控制（PA）或習慣稱之謂工業過程控制中，有三大控制系統，即PLC、DCS和FCS，又稱之為三項控制系統。

可程式邏輯控制器（PLC）

產生

1968年，美國通用汽車公司(GM)為適應汽車型號的不斷翻新,想尋找一種能減少重新設計控制系統和接線、降低成本、縮短時間的措施,並構想把計算機功能的完備、靈活通用和繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優點結合起來,製成一種通用控制裝置，並把計算機的編程方法和程式輸入方式加以簡化,用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程,使不熟悉計算機的人也能方便地使用。於是可程式控制器應運而生，1969年美國數字設備公司(DEC)研製出了世界上第1台PLC,並在GM公司的汽車自動裝配線上首次使用,獲得成功。從此,這項新技術便迅速發展起來。

定義

1985年1月，國際電工委員會（IEC）對PLC作了明確定義：“可程式控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下套用而設計。它採用可程式序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算和順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，並通過數字的或模擬的輸入/輸出接口，控制各種類型的機器設備或生產過程。

特點

1、可靠性高，抗干擾能力強。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC專為工業控制設計的，在設計和製造過程中採用嚴格的生產工藝製造，在硬體和軟體上都採用了許多抗干擾的措施：如禁止、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復等；同時PLC是以積體電路為基本元件的電子設備，沒有真正的接點，元件的使用壽命長；這些都大大提高了PLC的可靠性和抗干擾性。

2、編程簡單、易學。PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備，所以它採用了大多數技術人員熟悉的梯形圖語言，梯形圖語言與繼電器原理相似，形象直觀，易學易懂。

3、功能完善。PLC發展到今天，除了具有模擬和數字量輸入/輸出、邏輯運算和定時、計數、數據處理、通信等功能外，還可以實現順序、位置和過程控制。

4、通用性強。目前PLC的產品已經標準化、系列化、模組化，具有各種數字式、模擬量的輸入/輸出接口，用戶可以根據需求靈活的對系統進行控制；再加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

5、設計、安裝、調試工作量小，維護方便。在傳統的繼電器控制系統中，邏輯控制功能是通過導線來實現的，要改變控制功能必須改變導線的接線方式。PLC 用軟體取代了繼電器控制系統中各種功能的繼電器，內部不需接線和焊接，只要進行外部接線和程 序編寫就可以了，通過執行存儲器中的程式實現系統的控制要求。

發展趨勢

1、可程式控制技術的標準化。一種自動化產品的競爭力主要在於其滿足國際標準化的程度和水平。標準化一方面保證了產品的出廠質量，另一方面也保證了各個廠家產品的互相兼容。所以可程式技術的標準化勢在必行。

2、CPU處理速度進一步加快。將來會使用64位RISC晶片，實現多CPU並行處理或分時處理或分任務處理，實現各種模組智慧型化，且部分系統程式用門陣列電路固化。這樣PLC執行指令的速度將達到納秒級。

3、可程式控制技術的智慧型化。提高一個系統的智慧型程度不僅提高系統的品質,在某種意義上也提高了系統的可靠性。

4、向集成化、通訊化、網路化發展。由於控制內容的複雜化和高難度化，PLC將與PC集成，與DCS集成，與PID集成。網路化和強化通信能力也是PLC的重要發展方向，尤其是以PC為基礎的控制產品增長率不斷加快。PLC與PC集成，即將計算機、PLC及操作人員的人機接口結合在一起，使PLC能利用計算機豐富的軟體資源。而計算機能和PLC的模組互動存取數據。以PC機為基礎的控制方法使得用戶編程更加方便，而且提供開放的體系結構，用戶可以根據需要選擇各類、各廠家的PLC或I/O設備進行互聯，從而可以降低生成成本和提高生產率。

5、控制系統分散化。根據分散控制、集中管理的原則，PLC控制系統的I/O模組將直接安裝在控制現場，通過通信電纜或光纖與主CPU進行數據通信。這樣使控制更有效，系統更可靠。

6、PLC的新進展是軟PLC。計算機軟、硬體技術的迅速發展，推動了自動控制技術又取得了一系列新的進展。目前有許多工業用自動控制產品、機電一體化產品開始轉向以計算機為平台的控制方式，這就是軟PLC。軟PLC實際利用軟體來實現傳統PLC的功能，它最大的優勢是具備柔性擴展能力，用戶可以選擇不同廠家生產的各種硬體產品，充分利用每一軟體的最佳特性，組成最佳的控制系統。同時與硬體的連線也十分方便。有很多的I/O卡可以直接內連線到SOFTPLC計算機匯流排上。從而在軟、硬體兩方面可以達到工控機和PLC性能的完美結合，方便了性能擴展和人機交流，是PLC未來的一大發展趨勢。

集散控制系統（DCS）

產生

最初的工業過程控制是通過單元組合儀表採用原始分散控制，各控制迴路相互獨立。其優點是某一控制迴路出現故障時，不影響其它迴路的正常工作。缺點是硬體過多，自動化程度不高，難以實現整個系統的最優控制。隨後出現集中控制，它是通過計算機將控制迴路的運算、控制及顯示等功能集於一身，其優點是硬體成本較低，便於信息的採集和分析，易實現系統的最優控制。缺點是危險集中，局部出現故障會影響整體。鑒於以上原因,人們開始研究集中分散控制。隨著控制技術、計算機技術、通信技術、圖像顯示技術的發展，70年代中期吸收原始分散控制和集中控制兩者優點，克服其缺點的集中分散控制系統誕生了。

定義

集散控制系統是20世紀70年代中期發展起來的以微處理器為基礎的分散型計算機控制系統。它是控制技術（Control）、計算機技術（Computer）、通信技術（Communication）、陰極射線管（CRT）圖形顯示技術和網路技術相結合的產物。該裝置是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種全新的分散式計算機控制系統

特點

1、分級遞階控制。集散控制系統是分級遞階控制系統，它的規模越大，系統重直和水平分級的範圍也越廣。最簡單的集散控制系統至少在垂直方向分為操作管理級和過程控制級，水平方向各過程控制級之間相互協調，向垂直方向送數據，接受指令，各水平級間也進行數據交換。

2、分散控制。分散控制是集散控制系統的一個重要特點。分散的含義不單是分散控制,還包括人員地域的分散、功能分散、設備分散、負荷分散、危險分散。目的是危險分散,提高設備使用率。

3、功能齊全。可完成簡單迴路調節、複雜多變數模型最佳化控制，可執行PID控制算法、前饋-反饋複合調節、史密斯預估、預測控制、自適應控制等各種運算，可進行反饋控制，也可進行間斷順序控制、批量控制、邏輯控制、數據採集，可實現監控、顯示、列印、輸出、報警、歷史趨勢貯存等各種操作要求。

4、易操作性。集散控制系統根據對宜人學的研究，結合系統組態、結構方向的知識，為操作工提供了一個非常好的操作環境。為操作員提供的數據、狀態等信息易於辨認，報警或事件發生的信息能引起操作員的注意，長時間工作不易疲勞，操作方便、快捷。

5、安全可靠性高。為了提高系統的可靠性,確保生產持續運行，集散控制系統在重要設備和對全系統有影響的公共設備上採用了後備冗餘裝置，並引入容錯技術。硬體上包括操作站、控制站、通訊線路等都採用雙重化配置,使得在某一個單元發生故障的情況下，仍然保持系統的完整性,即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從軟體上採用分段與模組化設計，積木式結構，採用程式卷回或指令復執的容錯設計，使系統安全穩定。

6、採用局部網路通信技術和標準化通信協定。已經採用的國際通信標準有IEEE802、PROWAY和MAP等，這些協定的標準化是集散系統成為開放系統的根本。集散控制系統的開放使各不同製造廠的套用軟體有了可移植性，系統間可以進行數據通信,為用戶提供廣闊的套用場所。

7、信息存儲容量大，顯示信息量大，有極強的管理能力，可實現生產過程自動、工廠自動化、實驗室自動化、辦公室自動化等目標。

8、適用於化工生產控制，有良好的性能價格比,，但其硬體適應化工控制，而且軟體的適應性也穩定。隨著系統開放第三方的套用軟體也可方便套用。

發展趨勢

1、開放性。集散控制系統中所使用的設備將趨於通用的產品,，專用的產品將越來越少，特別是計算機和網路。高性能的工控機、工作站將被大量採用,，通用網路產品也將逐步淘汰專用網路。網路通信規約逐步向得到普遍承認的標準靠攏，以系統集成的方式構成套用系統方法得到越來越多的套用。

2、分散化和智慧型化。智慧型儀表、智慧型電子設備及現場匯流排技術將被大量採用,，集散控制系統的體系結構進一步走向分散化，直接數字控制將深入到每一個控制迴路、現場設備和工位。因此現場匯流排網路的發展將成為各廠家注目的焦點。

（3）系統構成的多樣化。現在幾乎已看不到傳統意義上的集散控制系統了，目前所說的集散控制系統是一種廣義的概念。其中包括傳統集散控制系統廠家推出的新一代系統，也包括由PLC、高速匯流排網和專業廠家的組態軟體所構成的系統。在不同的套用領域，集散控制系統的構成也各不相同。

（4） 綜合自動化。系統的發展逐步走向綜合自動化，將來任何系統都不是孤立的，無法與其它系統互相通信並實現集成的集散控制系統已不再有生命力。

現場匯流排（FCS）

產生

隨著控制、計算機、通信、網路等技術的發展，信息交換溝通的領域迅速擴大，覆蓋了從工廠的現場設備到控制、管理的各個層次，從工段、車間、工廠、企業乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成了以網路集成自動化系統為基礎的信息系統。現場匯流排就是順應這一形勢發展起來的新技術。它的出現，標誌著控制技術領域又一個新時代的開始，並將對該領域的發展產生重要的影響。

定義

現場匯流排原本是指現場設備之間公用的信號傳輸線。以後又被定義為套用在生產現場，在測量控制設備之間實現雙向串列多節點數字通信的技術。

特點

FCS是第五代過程控制系統,，由PLC 或DCS 發展而來，它是21 世紀自動化控制系統的方向，是3C 技術(Communication,Computer,Control)的融合。

1、適用於本質(本徵)安全、危險區域、易變過程、難於對付的非常環境。

2、 全數位化、智慧型、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

3、用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置, 取代每台儀表的兩根線。“現場控制”取代“分散控制”;數據的傳輸採用“匯流排”方式。

4、從控制室到現場設備的雙向數字通信匯流排,是互聯的、雙向的、串列多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、並行、封閉的模擬系統。

5、用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

發展趨勢

雖然現場匯流排的標準統一還有種種問題,但現場匯流排控制系統的發展卻已經是一個不爭的事實。隨著現場匯流排思想的日益深入人心,以及基於現場匯流排的產品和套用的不斷增多,這種新一代控制系統正逐漸浮出水面,現場匯流排控制系統體系結構日益清晰,具體發展趨勢表現在以下幾個方面：

1、現場匯流排控制系統是全面數位化、網路化的控制系統，這體現在位於現場的感測器一級也全部實現數位化、智慧型化。它們彼此之間以及與控制器之間通過現場匯流排構成工業現場的區域網路，進而連線到上層控制網、管理網甚至網際網路，形成一個無所不在的網路系統。信息可以在現場、車間、工廠、公司總部之間自由流動。

2、現場匯流排控制系統的網路結構向簡單的方向發展。早期的MAP模型由7層組成，現在某些公司提出了3層、2層結構自動化，還有的公司甚至提出1層結構,由乙太網一通到底。目前比較達成共識的是3層設備、2層網路的3+2結構。3層設備是位於底層的現場設備，如感測器以及各種分散式I/O設備等。位於中間的控制設備，如PLC、工業控制計算機、專用控制器等。位於上層的是操作設備，如操作站、工程師站、數據伺服器、一般工作站等。2層網路是現場設備與控制設備之間的控制網，以及控制設備與操作設備之間的管理網。

3、現場匯流排控制系統大量採用成熟、開放、通用的技術。如在管理網的通信協定上，越來越多的企業採用最流行的TCP/ IP協定加乙太網，操作設備一般採用工業PC機甚至普通PC機。控制設備則採用標準的PLC或工業控制計算機等。而控制網路就是各種現場匯流排的套用領域。由此可見，新型的現場匯流排控制系統與傳統的控制系統(如DCS、PLC)之間並不是完全取而代之的關係，而是繼承、融合、提高的關係。例如現場匯流排控制系統與DCS之間結構有相似之處，但在底層用現場匯流排取代了傳統的信號，在功能方面發生重大變化。現場匯流排控制系統常常採用標準的PC做操作站，PLC做控制站，在控制站上裝有現場匯流排的通信模組,可與現場匯流排的智慧型設備相連，從而降低了系統的成本，提高了系統的開放性。