1.1.3 典型工業控制系統與設備介紹

1.工業控制發展與工業控制系統

正如前面所述，由于工業生產過程的特點不同，其采用的控制系統和控制技術也不同。任何工業控制都離不開控制技術與控制系統，因此，可以從這個角度來分析工業控制發展的兩條主線。

（1）工業控制理論與技術：開發具有一定普適性或適用于某行業的控制理論與技術，以這些先進的控制理論與技術應對各類控制工程中的復雜問題。一般認為，工業控制理論與技術經歷了經典控制與現代控制階段，目前處于智能控制階段。

（2）工業控制系統/裝置：主要是不斷開發、升級現有的工業控制系統設備，以這些新型的設備作為載體，來支持復雜的控制理論與算法，并實現與調度、管理系統的集成，提高工業生產的自動化水平、管理水平和綜合效益。工業控制系統的發展經歷了模擬控制、數字化分布式控制階段，目前處于工業互聯網階段。

就控制系統而言，根據目前國內外文獻的介紹，可以把工業控制系統分為兩大類，即SCADA系統和DCS。可將現場總線控制系統看作DCS的進一步發展，而PLC是制造業最主要的控制器設備，不屬于工業控制系統范疇。由于SCADA系統和DCS同屬于工業控制系統，因此從本質上看，它們有許多共性。下面對這些典型系統進行概述性的介紹和比較。

2.集散控制系統

集散控制系統也稱分布式控制系統，適用于測控點數多而集中、測控精度高的工業生產過程（含間歇過程）。DCS具有統一的體系結構，具有分散控制和集中管理的功能。JX-300 DCS的體系結構如圖1.3所示。DCS的成功主要得益于以下幾點。

（1）具有分布式控制系統結構，可確保系統的可擴展性和可靠性，滿足不同規模應用和生產規模擴張的需求，滿足生產過程對連續性的要求。

（2）采用多級分層總線，滿足具有不同通信速率的設備（如現場網低速、控制網高速）的通信需求，從而實現整個控制系統橫向和縱向的信息交換、信息顯示和信息集成。

（3）現代計算機軟硬件技術和通信技術的大量使用，特別是通過圖形化組態方式來進行控制系統集成和應用軟件開發，大大簡化了系統開發和維護，提高了軟件可復用性。

（4）與傳統文本式或儀表面板的界面相比，DCS的人機界面極為友好，信息豐富，十分便于操作人員操作。圖1.4所示為某垃圾焚燒發電廠的DCS操作界面，可以看出，該界面融合的豐富信息對于操作人員了解整個生產過程和指導操作具有重要作用。

（5）現場控制站分散化和硬件模塊化不僅實現了分散控制，提高了系統可靠性，而且便于安裝和維護。

（6）軟件模塊化便于組態各種控制策略，降低了應用軟件的開發難度，程序可讀性強，特別適合廣大自控人員使用。

（7）DCS產品豐富，充分的市場競爭導致DCS價格較為合理，應用領域不斷擴大。

現代企業要求實現效益最大化這個目標，必須把自動化系統和企業的調度、優化和管理等信息系統融合，也就是IT與OT的融合。因此，現代的DCS都不是自動化孤島，并且已超越傳統DCS概念的范疇。圖1.5所示為基于DCS實現的企業綜合自動化系統結構圖，可以看出，與經典DCS相比，現代DCS已成為企業信息化系統不可分割的一部分。

DCS測控功能強、運行可靠、易于擴展、組態方便、操作維護簡便，在化工、發電、冶金、造紙和水泥等大型企業中得到廣泛應用。主要的DCS產品有霍尼韋爾公司的Experion PKS、艾默生過程管理公司的DeltaV及Ovition、橫河公司的Centum系列、ABB公司的Ability系統（800xA及SymphonyPlus）和西門子公司的PCS7等。國產DCS發展較快，廠家主要有和利時、浙大中控、新華控制、國能智深等。通常，不同廠家的DCS都有主攻的行業市場，如PCS7在啤酒制造領域的市場占有率極高；DeltaV、Centum、Experion PKS和浙大中控DCS主要應用于石化等領域；而Ovition在火電廠領域的市場占有率較高；在水泥、爐窯等領域，ABB和西門子的DCS市場占有率較高；而核電領域的數字化控制系統（Digital Control System）包括核級和非核級產品，該領域的DCS針對性強，在其他行業應用較少。根據美國著名市場調研公司ARC報告，在DCS市場，ABB公司21年蟬聯全球第一，2020年，其市場占有率是19.2%。2020年，DCS全球市場價值為150億美元。

目前，在數字化轉型和智能制造時代，DCS的技術與結構也面臨較大挑戰。西門子推出了PCS7 neo系統，與其主流的PCS7并行發展。PCS7 neo依然使用現有PCS7成熟的硬件，但其工程組態和運行界面都基于Web。

說到DCS的優點（也是其主要特點），我們最耳熟能詳的就是“控制分散，管理集中”。實際上，與早期的DDC相比，DCS的控制是分散的，但相對于石化等領域早期的儀表控制（模擬儀表、數字化儀表等）方式，其控制卻是集中的?，F有的一個DCS控制站，都會組態幾十個甚至上百個模擬量控制回路，顯然，這種控制實質上還是較為集中的，風險分散是相對的。控制器軟硬件的可靠性的提高及冗余技術的使用，把DCS這種相對分散的控制方式的風險降低了?，F場總線控制系統與DCS相比，實現了較為徹底的控制分散，其控制功能可以在位于現場的總線儀表中實現。

3.現場總線控制系統

1）現場總線與現場總線控制系統概述

隨著通信技術和數字技術的不斷發展，逐步出現了以數字信號代替模擬信號的總線技術。1984年，現場總線的概念被正式提出。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）對現場總線（Fieldbus）的定義為如下：現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串行、多結點的數字通信技術。以現場總線為基礎，產生了全數字的新型控制系統——現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）。現場總線控制系統一方面突破了DCS采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了由封閉系統造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。通過采用具有現場總線接口的儀表替換傳統的模擬儀表，把現場控制回路的模擬控制轉換為依賴總線的數字控制，現場控制回路的模擬控制與依賴總線的數字控制如圖1.6所示。可以說，開放性、分散性與數字通信是現場總線控制系統最顯著的特征。過程工業主要的現場總線是FF和Profibus-PA。

圖1.7所示為艾默生DeltaV控制系統，該系統在傳統DCS的基礎上融入了現場總線?，F場總線控制系統可以包容多種類型的總線，因此，其支持的總線設備的數量和種類很多。

現場總線控制系統具有以下顯著特性。

（1）互操作性與互用性。

互操作性是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點、一點對多點的數字通信?；ビ眯砸馕吨煌a廠家的性能類似的設備可以進行互換，從而實現互用。

（2）智能化與功能自治性。

現場總線控制系統將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

（3）系統結構的高度分散性。

現場設備本身具有較高的智能特性，有些設備具有控制功能，因此可以使控制功能徹底下放到現場，使現場設備之間可以組成控制回路，從根本上改變現有DCS控制功能仍然相對集中的問題，實現徹底的分散控制，簡化系統結構，提高可靠性。

（4）對現場環境的適應性。

工廠網絡底層的現場總線工作在現場設備前端，是專門為在現場環境下工作而設計的，它可支持多種傳輸介質和多種總線結構，具有一定的抗干擾能力。能采用二線制實現供電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等?？偩€可以采用總線型、樹形、菊花形或點對點及其混合結構，組網方式十分靈活。

2）現場總線控制系統組態與應用現狀

實際上，單從系統結構來看，新型的DCS與FCS無顯著區別，特別是新型DCS也能比較好地支持各類現場總線，但在控制功能的實現上，兩者是有區別的。以如圖1.8（a）所示的壓力控制回路原理圖為例，在DCS中，這個控制回路組態好后，要下載到控制器，由控制器來執行。但在FCS中，PID控制回路和儀表參數組態好后分別下載（在DeltaV系統里稱為分配）到現場的相關總線儀表中，其中，PID控制功能是由該FF總線壓力儀表[見圖1.8（b）左側]來執行的。需要說明的是，即使是FCS，也存在少量不支持現場總線的儀表（如分析儀）或成套機組自帶的特殊儀表，需要使用傳統的4～20mA的模擬信號。

在我國，上海賽科是最早大規模使用FCS（艾默生DeltaV）的企業。但經過這些年工業過程的應用實踐，發現FCS存在顯著的抗干擾性能差、通信速率慢、維護困難等問題。近些年來，無論是系統廠商還是用戶，對FCS的熱度都明顯下降。流程工業控制系統還是以DCS為主，新上項目很少使用FCS。造成這種情況的原因并不是FCS的控制分布在現場的理念有問題，而是現場總線。目前新的Ethernet-APL（Advanced Physical Layer）作為以太網的物理層，支持各種以太網通信協議，滿足過程工業對現場儀表供電、通信速率、危險區域使用等的要求，有助于工業控制網絡以太網一網到底，展現了非常好的應用前景，未來大有取代現場總線的趨勢。