1.1.3 典型工业控制系统与设备介绍

1.工业控制发展与工业控制系统

正如前面所述，由于工业生产过程的特点不同，其采用的控制系统和控制技术也不同。任何工业控制都离不开控制技术与控制系统，因此，可以从这个角度来分析工业控制发展的两条主线。

（1）工业控制理论与技术：开发具有一定普适性或适用于某行业的控制理论与技术，以这些先进的控制理论与技术应对各类控制工程中的复杂问题。一般认为，工业控制理论与技术经历了经典控制与现代控制阶段，目前处于智能控制阶段。

（2）工业控制系统/装置：主要是不断开发、升级现有的工业控制系统设备，以这些新型的设备作为载体，来支持复杂的控制理论与算法，并实现与调度、管理系统的集成，提高工业生产的自动化水平、管理水平和综合效益。工业控制系统的发展经历了模拟控制、数字化分布式控制阶段，目前处于工业互联网阶段。

就控制系统而言，根据目前国内外文献的介绍，可以把工业控制系统分为两大类，即SCADA系统和DCS。可将现场总线控制系统看作DCS的进一步发展，而PLC是制造业最主要的控制器设备，不属于工业控制系统范畴。由于SCADA系统和DCS同属于工业控制系统，因此从本质上看，它们有许多共性。下面对这些典型系统进行概述性的介绍和比较。

2.集散控制系统

集散控制系统也称分布式控制系统，适用于测控点数多而集中、测控精度高的工业生产过程（含间歇过程）。DCS具有统一的体系结构，具有分散控制和集中管理的功能。JX-300 DCS的体系结构如图1.3所示。DCS的成功主要得益于以下几点。

（1）具有分布式控制系统结构，可确保系统的可扩展性和可靠性，满足不同规模应用和生产规模扩张的需求，满足生产过程对连续性的要求。

（2）采用多级分层总线，满足具有不同通信速率的设备（如现场网低速、控制网高速）的通信需求，从而实现整个控制系统横向和纵向的信息交换、信息显示和信息集成。

（3）现代计算机软硬件技术和通信技术的大量使用，特别是通过图形化组态方式来进行控制系统集成和应用软件开发，大大简化了系统开发和维护，提高了软件可复用性。

（4）与传统文本式或仪表面板的界面相比，DCS的人机界面极为友好，信息丰富，十分便于操作人员操作。图1.4所示为某垃圾焚烧发电厂的DCS操作界面，可以看出，该界面融合的丰富信息对于操作人员了解整个生产过程和指导操作具有重要作用。

（5）现场控制站分散化和硬件模块化不仅实现了分散控制，提高了系统可靠性，而且便于安装和维护。

（6）软件模块化便于组态各种控制策略，降低了应用软件的开发难度，程序可读性强，特别适合广大自控人员使用。

（7）DCS产品丰富，充分的市场竞争导致DCS价格较为合理，应用领域不断扩大。

现代企业要求实现效益最大化这个目标，必须把自动化系统和企业的调度、优化和管理等信息系统融合，也就是IT与OT的融合。因此，现代的DCS都不是自动化孤岛，并且已超越传统DCS概念的范畴。图1.5所示为基于DCS实现的企业综合自动化系统结构图，可以看出，与经典DCS相比，现代DCS已成为企业信息化系统不可分割的一部分。

DCS测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，在化工、发电、冶金、造纸和水泥等大型企业中得到广泛应用。主要的DCS产品有霍尼韦尔公司的Experion PKS、艾默生过程管理公司的DeltaV及Ovition、横河公司的Centum系列、ABB公司的Ability系统（800xA及SymphonyPlus）和西门子公司的PCS7等。国产DCS发展较快，厂家主要有和利时、浙大中控、新华控制、国能智深等。通常，不同厂家的DCS都有主攻的行业市场，如PCS7在啤酒制造领域的市场占有率极高；DeltaV、Centum、Experion PKS和浙大中控DCS主要应用于石化等领域；而Ovition在火电厂领域的市场占有率较高；在水泥、炉窑等领域，ABB和西门子的DCS市场占有率较高；而核电领域的数字化控制系统（Digital Control System）包括核级和非核级产品，该领域的DCS针对性强，在其他行业应用较少。根据美国著名市场调研公司ARC报告，在DCS市场，ABB公司21年蝉联全球第一，2020年，其市场占有率是19.2%。2020年，DCS全球市场价值为150亿美元。

目前，在数字化转型和智能制造时代，DCS的技术与结构也面临较大挑战。西门子推出了PCS7 neo系统，与其主流的PCS7并行发展。PCS7 neo依然使用现有PCS7成熟的硬件，但其工程组态和运行界面都基于Web。

说到DCS的优点（也是其主要特点），我们最耳熟能详的就是“控制分散，管理集中”。实际上，与早期的DDC相比，DCS的控制是分散的，但相对于石化等领域早期的仪表控制（模拟仪表、数字化仪表等）方式，其控制却是集中的。现有的一个DCS控制站，都会组态几十个甚至上百个模拟量控制回路，显然，这种控制实质上还是较为集中的，风险分散是相对的。控制器软硬件的可靠性的提高及冗余技术的使用，把DCS这种相对分散的控制方式的风险降低了。现场总线控制系统与DCS相比，实现了较为彻底的控制分散，其控制功能可以在位于现场的总线仪表中实现。

3.现场总线控制系统

1）现场总线与现场总线控制系统概述

随着通信技术和数字技术的不断发展，逐步出现了以数字信号代替模拟信号的总线技术。1984年，现场总线的概念被正式提出。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）对现场总线（Fieldbus）的定义为如下：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多结点的数字通信技术。以现场总线为基础，产生了全数字的新型控制系统——现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。现场总线控制系统一方面突破了DCS采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了由封闭系统造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。通过采用具有现场总线接口的仪表替换传统的模拟仪表，把现场控制回路的模拟控制转换为依赖总线的数字控制，现场控制回路的模拟控制与依赖总线的数字控制如图1.6所示。可以说，开放性、分散性与数字通信是现场总线控制系统最显著的特征。过程工业主要的现场总线是FF和Profibus-PA。

图1.7所示为艾默生DeltaV控制系统，该系统在传统DCS的基础上融入了现场总线。现场总线控制系统可以包容多种类型的总线，因此，其支持的总线设备的数量和种类很多。

现场总线控制系统具有以下显著特性。

（1）互操作性与互用性。

互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点、一点对多点的数字通信。互用性意味着不同生产厂家的性能类似的设备可以进行互换，从而实现互用。

（2）智能化与功能自治性。

现场总线控制系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

（3）系统结构的高度分散性。

现场设备本身具有较高的智能特性，有些设备具有控制功能，因此可以使控制功能彻底下放到现场，使现场设备之间可以组成控制回路，从根本上改变现有DCS控制功能仍然相对集中的问题，实现彻底的分散控制，简化系统结构，提高可靠性。

（4）对现场环境的适应性。

工厂网络底层的现场总线工作在现场设备前端，是专门为在现场环境下工作而设计的，它可支持多种传输介质和多种总线结构，具有一定的抗干扰能力。能采用二线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。总线可以采用总线型、树形、菊花形或点对点及其混合结构，组网方式十分灵活。

2）现场总线控制系统组态与应用现状

实际上，单从系统结构来看，新型的DCS与FCS无显著区别，特别是新型DCS也能比较好地支持各类现场总线，但在控制功能的实现上，两者是有区别的。以如图1.8（a）所示的压力控制回路原理图为例，在DCS中，这个控制回路组态好后，要下载到控制器，由控制器来执行。但在FCS中，PID控制回路和仪表参数组态好后分别下载（在DeltaV系统里称为分配）到现场的相关总线仪表中，其中，PID控制功能是由该FF总线压力仪表[见图1.8（b）左侧]来执行的。需要说明的是，即使是FCS，也存在少量不支持现场总线的仪表（如分析仪）或成套机组自带的特殊仪表，需要使用传统的4～20mA的模拟信号。

在我国，上海赛科是最早大规模使用FCS（艾默生DeltaV）的企业。但经过这些年工业过程的应用实践，发现FCS存在显著的抗干扰性能差、通信速率慢、维护困难等问题。近些年来，无论是系统厂商还是用户，对FCS的热度都明显下降。流程工业控制系统还是以DCS为主，新上项目很少使用FCS。造成这种情况的原因并不是FCS的控制分布在现场的理念有问题，而是现场总线。目前新的Ethernet-APL（Advanced Physical Layer）作为以太网的物理层，支持各种以太网通信协议，满足过程工业对现场仪表供电、通信速率、危险区域使用等的要求，有助于工业控制网络以太网一网到底，展现了非常好的应用前景，未来大有取代现场总线的趋势。