1.4　常用控制計算機

目前，在連續型流程生產自動控制（PA）或習慣稱之為工業過程控制，有三大控制系統，即可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系統DCS（Distributed Control System，DCS）和現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS），占有工業過程控制系統的絕大部分。隨著計算機技術、通訊技術的發展，近年來PLC、DCS和FCS發展迅速。

1.4.1　控制計算機的硬件組成

PLC、DCS和FCS控制系統實質是一種專用于工業控制的計算機系統，雖然PLC、DCS和FCS的硬件表現形式上有所區別，即便同一類型控制主機而不同生產廠家的產品也有所差別，但其硬件結構基本上與微型計算機相同。主要由電源、中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）、通信等功能部件組成。小型控制主機一般四個功能部件集于一體，而中、大型控制器則為模塊式結構，可根據需要選擇使用。

（1）電源。控制計算機的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源，系統是無法正常工作的，因此控制主機的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10％（+15％）范圍內，可以不采取其他措施而將控制計算機直接連接到交流電網上去。

（2）中央處理單元（CPU）。同一般的微機一樣，CPU是控制計算機的核心。控制計算機中所配置的CPU隨種類、機型不同而不同。小型控制計算機大多采用16位通用微處理器和單片微處理器；中型控制計算機大多采用32位通用微處理器或單片微處理器；大型控制主機大多采用64位的高速位片式微處理器。

目前，小型控制計算機為單CPU系統，而中、大型控制計算機則大多采用雙CPU系統，甚至有些控制主機有2個以上的CPU。對于雙CPU系統，一個為字處理器，一般采用16位或32位微處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執行編程器接口功能，監視內部定時器，監視掃描時間，處理字節指令以及對系統總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現控制主機編程語言向機器語言的轉換。位處理器的采用，提高了控制計算機的速度，使控制計算機更好地滿足實時控制要求。

（3）存儲器。存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器RAM；另一種是只讀存儲器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在控制計算機中，存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序及工作數據。

（4）輸入/輸出接口。輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是控制計算機與工業生產現場之間的連接部件。控制計算機通過輸入接口可以獲得被控對象的各種數據，以這些數據作為控制計算機對被控制對象進行控制的依據；同時控制計算機又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的。由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而控制計算機內部CPU的處理的信息只能是標準電平，所以I/O接口要實現這種轉換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高控制計算機的抗干擾能力。

輸入接口的作用是接收和采集現場設備的各種輸入信號，比如按鈕、數字撥碼開關、限位開關、接近開關、選擇開關、光電開關、壓力繼電器等各種開關量信號和熱電偶、流量計、物位計等各種變送器提供的模擬量輸入信號，并將這些信號轉換為CPU能夠接收和處理的數字信號。在實際生產過程中，輸入信號的電平多種多樣，有開關量信號、數字和數據信號、脈沖信號和各種模擬量信號。因此，輸入接口模塊除了傳遞信號外，還具有電平轉換的作用。

輸出接口的作用是接收經CPU處理過的數字信號，并把這些數字信號轉換為被控設備所能接收的電壓或電流信號，以控制電動調節閥、接觸器和數字顯示裝置等用戶輸出設備。在實際生產過程中，外部執行機構所需要的信號多種多樣，有交流和直流開關量信號、脈沖信號、模擬量信號。

控制計算機提供了多種操作電平和驅動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數字量（開關量）輸入、數字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。

（5）通信接口。為了實現“人-機”或“機-機”之間的對話，控制主機配有各種通信接口。通過這些通信接口，控制主機可以與上位監控管理計算機、數據設定操作終端、打印機、其他控制主機及各種智能設備等相連。控制主機通過通信接口，與各種外部設備之間建立了一個數據通道，利用這個通道可實現編程、檢查程序、控制工作方式、監控運行狀態及改變I/O狀態等多項功能。遠程I/O系統也必須配備相應的通信接口模塊。

1.4.2　控制計算機的功能特點

PLC、DCS、FCS是最為常用的控制計算機，被稱為控制領域的“三劍客”，下面簡要介紹這三種控制計算機的功能特點。

1.4.2.1　PLC特點

（1）從開關量控制發展到順序控制、運算處理，是從下往上發展的。

（2）邏輯控制、定時控制、計數控制、步進（順序）控制、連續PID控制、數據控制，具有數據處理、通信和聯網等功能。

（3）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

（4）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。

（5）PLC網絡既可作為獨立的DCS或TDCS（集散控制系統），也可作為DCS或TDCS的子系統。

（6）既可用于工業過程中的順序控制，也可用作模擬量的閉環控制。

1.4.2.2　DCS特點

（1）分散控制系統DCS與集散控制系統TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技術于一身的監控技術，是第四代過程控制系統。既有計算機控制系統控制算法先進、精度高、響應速度快的優點，又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的要求。

（2）從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通信（Communication）是關鍵。

（3）是樹狀拓撲和并行連續的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現場儀器儀表。

（4）模擬信號，A/D、D/A、帶微處理器的混合。是由幾臺計算機和一些智能儀表智能部件組成，并逐漸地以數字信號來取代模擬信號。

（5）一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN。

（6）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現場儀表（現場測控站）的3級結構。缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作。

（7）用于大規模的連續過程控制，如石化、大型電廠機組的集中控制等。

1.4.2.3　FCS特點

（1）FCS是第五代過程控制系統，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。基本任務是：本質（本征）安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。

（2）全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

（3）用兩根線連接分散的現場儀表、控制裝置，取代每臺儀表的兩根線。“現場控制”取代“分散控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。

（4）從控制室到現場設備的雙向數字通信總線，是互聯的、雙向的、串行多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、并行、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。

（6）把微機處理器轉入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，信號傳輸精度高，遠程傳輸。實現信號傳輸全數字化、控制功能分散、標準統一全開放。

（7）可上局域網，再可與Internet相通。既是通信網絡，又是控制網絡。

1.4.3　控制系統的規模

根據控制系統I/O點的數量，將控制系統分為小型、中型、大型、特大型四種規模。由于在控制系統中，數字量控制相對簡單，模擬量控制相對復雜，劃分控制系統的規模時，并不是以實際數字量點與模擬量點總和作為判斷依據，常以實際I/O變量的折算I/O點數來衡量控制系統的規模。通常將一個實際模擬量點按15個數字量點來計算，計算公式為：

折算I/O點=實際數字量I/O點數+實際模擬量I/O點數×15

（1）小型控制系統。小型控制系統的折算I/O點數不超過128點。

小型控制系統在控制主機選擇上通常采用PLC。PLC結構緊湊、價格低廉，支持開關量和模擬量的控制，具有開發周期短、組建成本低等特點。對于開關量或以開關量為主的小型控制系統，選擇小型的PLC具有較高的性價比。但對于以模擬量為主的小型控制系統，由于受小型PLC的I/O模塊擴展的限制，可能不能滿足I/O點的要求，需要選擇中型控制主機。

（2）中型控制系統。中型控制系統的折算I/O點數為128～1024點。

中型控制系統在控制主機選擇上可以采用PLC、DCS、FCS，一般來說，PLC的價格較低，DCS的價格適中，而FCS的價格較高。中型控制系統一般選用中型的控制主機。

（3）大型控制系統。大型控制系統的折算I/O點數為1024～4096點。

大型控制系統在控制主機選擇上可以采用PLC、DCS、FCS，具體選擇何種類型的控制主機要根據I/O點規模、現場布線量、控制要求、通信要求、監控要求、系統擴展、項目投資等方面進行考慮。

（4）特大型控制系統。特大型控制系統的折算I/O點數超過4096點。

特大型控制系統在控制主機選擇上以采用DCS、FCS較為多見。一些新型的PLC如西門子的PCS 7，其性能可以與DCS媲美，甚至超過某些品牌的DCS，也具備組建特大型控制系統的能力。

從目前常用的PLC、DCS、FCS類型來看，FCS的承載能力最強，DCS次之，PLC則相對較弱。不過，在特大型控制系統組建中，對于聯系不十分緊密的工業過程，也有采用幾臺大型PLC的應用案例。這樣不僅可節省投資，而且可以提高控制系統的安全性。

值得注意的是，控制系統的小型、中型、大型、特大型的劃分并無嚴格的界線，用戶可根據需要配置自己的控制系統。一般來說，控制主機的規模要與控制系統規模相一致，但是，具體選擇什么類型、什么型號的控制主機，不僅根據I/O點規模，還需根據現場布線量、控制要求、通信要求、監控要求、系統擴展、項目投資等方面進行考慮。