1.4　常用控制计算机

目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之为工业过程控制，有三大控制系统，即可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系统DCS（Distributed Control System，DCS）和现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），占有工业过程控制系统的绝大部分。随着计算机技术、通讯技术的发展，近年来PLC、DCS和FCS发展迅速。

1.4.1　控制计算机的硬件组成

PLC、DCS和FCS控制系统实质是一种专用于工业控制的计算机系统，虽然PLC、DCS和FCS的硬件表现形式上有所区别，即便同一类型控制主机而不同生产厂家的产品也有所差别，但其硬件结构基本上与微型计算机相同。主要由电源、中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）、通信等功能部件组成。小型控制主机一般四个功能部件集于一体，而中、大型控制器则为模块式结构，可根据需要选择使用。

（1）电源。控制计算机的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源，系统是无法正常工作的，因此控制主机的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10％（+15％）范围内，可以不采取其他措施而将控制计算机直接连接到交流电网上去。

（2）中央处理单元（CPU）。同一般的微机一样，CPU是控制计算机的核心。控制计算机中所配置的CPU随种类、机型不同而不同。小型控制计算机大多采用16位通用微处理器和单片微处理器；中型控制计算机大多采用32位通用微处理器或单片微处理器；大型控制主机大多采用64位的高速位片式微处理器。

目前，小型控制计算机为单CPU系统，而中、大型控制计算机则大多采用双CPU系统，甚至有些控制主机有2个以上的CPU。对于双CPU系统，一个为字处理器，一般采用16位或32位微处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现控制主机编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用，提高了控制计算机的速度，使控制计算机更好地满足实时控制要求。

（3）存储器。存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM；另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在控制计算机中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

（4）输入/输出接口。输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是控制计算机与工业生产现场之间的连接部件。控制计算机通过输入接口可以获得被控对象的各种数据，以这些数据作为控制计算机对被控制对象进行控制的依据；同时控制计算机又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而控制计算机内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高控制计算机的抗干扰能力。

输入接口的作用是接收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拨码开关、限位开关、接近开关、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、流量计、物位计等各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换为CPU能够接收和处理的数字信号。在实际生产过程中，输入信号的电平多种多样，有开关量信号、数字和数据信号、脉冲信号和各种模拟量信号。因此，输入接口模块除了传递信号外，还具有电平转换的作用。

输出接口的作用是接收经CPU处理过的数字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以控制电动调节阀、接触器和数字显示装置等用户输出设备。在实际生产过程中，外部执行机构所需要的信号多种多样，有交流和直流开关量信号、脉冲信号、模拟量信号。

控制计算机提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。

（5）通信接口。为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，控制主机配有各种通信接口。通过这些通信接口，控制主机可以与上位监控管理计算机、数据设定操作终端、打印机、其他控制主机及各种智能设备等相连。控制主机通过通信接口，与各种外部设备之间建立了一个数据通道，利用这个通道可实现编程、检查程序、控制工作方式、监控运行状态及改变I/O状态等多项功能。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

1.4.2　控制计算机的功能特点

PLC、DCS、FCS是最为常用的控制计算机，被称为控制领域的“三剑客”，下面简要介绍这三种控制计算机的功能特点。

1.4.2.1　PLC特点

（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上发展的。

（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、连续PID控制、数据控制，具有数据处理、通信和联网等功能。

（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。

（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。

（5）PLC网络既可作为独立的DCS或TDCS（集散控制系统），也可作为DCS或TDCS的子系统。

（6）既可用于工业过程中的顺序控制，也可用作模拟量的闭环控制。

1.4.2.2　DCS特点

（1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。既有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求。

（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。

（3）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。

（4）模拟信号，A/D、D/A、带微处理器的混合。是由几台计算机和一些智能仪表智能部件组成，并逐渐地以数字信号来取代模拟信号。

（5）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。

（6）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作。

（7）用于大规模的连续过程控制，如石化、大型电厂机组的集中控制等。

1.4.2.3　FCS特点

（1）FCS是第五代过程控制系统，它是21世纪自动化控制系统的方向。是3C技术（Communication，Computer，Control）的融合。基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。

（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

（3）用两根线连接分散的现场仪表、控制装置，取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。

（4）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。

（5）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

（6）把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。

（7）可上局域网，再可与Internet相通。既是通信网络，又是控制网络。

1.4.3　控制系统的规模

根据控制系统I/O点的数量，将控制系统分为小型、中型、大型、特大型四种规模。由于在控制系统中，数字量控制相对简单，模拟量控制相对复杂，划分控制系统的规模时，并不是以实际数字量点与模拟量点总和作为判断依据，常以实际I/O变量的折算I/O点数来衡量控制系统的规模。通常将一个实际模拟量点按15个数字量点来计算，计算公式为：

折算I/O点=实际数字量I/O点数+实际模拟量I/O点数×15

（1）小型控制系统。小型控制系统的折算I/O点数不超过128点。

小型控制系统在控制主机选择上通常采用PLC。PLC结构紧凑、价格低廉，支持开关量和模拟量的控制，具有开发周期短、组建成本低等特点。对于开关量或以开关量为主的小型控制系统，选择小型的PLC具有较高的性价比。但对于以模拟量为主的小型控制系统，由于受小型PLC的I/O模块扩展的限制，可能不能满足I/O点的要求，需要选择中型控制主机。

（2）中型控制系统。中型控制系统的折算I/O点数为128～1024点。

中型控制系统在控制主机选择上可以采用PLC、DCS、FCS，一般来说，PLC的价格较低，DCS的价格适中，而FCS的价格较高。中型控制系统一般选用中型的控制主机。

（3）大型控制系统。大型控制系统的折算I/O点数为1024～4096点。

大型控制系统在控制主机选择上可以采用PLC、DCS、FCS，具体选择何种类型的控制主机要根据I/O点规模、现场布线量、控制要求、通信要求、监控要求、系统扩展、项目投资等方面进行考虑。

（4）特大型控制系统。特大型控制系统的折算I/O点数超过4096点。

特大型控制系统在控制主机选择上以采用DCS、FCS较为多见。一些新型的PLC如西门子的PCS 7，其性能可以与DCS媲美，甚至超过某些品牌的DCS，也具备组建特大型控制系统的能力。

从目前常用的PLC、DCS、FCS类型来看，FCS的承载能力最强，DCS次之，PLC则相对较弱。不过，在特大型控制系统组建中，对于联系不十分紧密的工业过程，也有采用几台大型PLC的应用案例。这样不仅可节省投资，而且可以提高控制系统的安全性。

值得注意的是，控制系统的小型、中型、大型、特大型的划分并无严格的界线，用户可根据需要配置自己的控制系统。一般来说，控制主机的规模要与控制系统规模相一致，但是，具体选择什么类型、什么型号的控制主机，不仅根据I/O点规模，还需根据现场布线量、控制要求、通信要求、监控要求、系统扩展、项目投资等方面进行考虑。