智能控制硬件系統(tǒng)在工業(yè)自動化中至關重要，它可以起到精確控制、實時監(jiān)測、降低成本、可靠安全以及數據統(tǒng)計等作用。它不僅能夠優(yōu)化設備管理，提高設施的生產效率，節(jié)省成本，還可以提高設備的安全性和運維效率，為企業(yè)的生產和發(fā)展帶來更多的價值。那么，智能控制硬件系統(tǒng)到底有哪些？今天下文為大家介紹PLC/PAC、DCS以及FCS系統(tǒng)等等。

Vol.1

PLC/PAC系統(tǒng)技術

01

PLC技術

（1）基本概念和結構組成。PLC就是常說的可編程控制器（programmablelogic controller），最早出現(xiàn)的時間可以追溯到19世紀末。PLC發(fā)展到今天已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品[1]。除邏輯控制外，PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。

PLC的基本結構包括電源、中央處理單元、存儲器、輸入單元、 輸出單元等。

①電源：用于將交流電轉換成PLC內部所需的直流電。

②中央處理單元：中央處理器(CPU)是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能，中央處理器的作用是處理和運行用戶程序，進行邏輯和數學運算，控制整個系統(tǒng)使之協(xié)調。

③存儲器：存儲器是具有記憶功能的半導體電路，它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他信息。

④輸入單元：輸入單元是PLC與被控設備相連的輸入接口，是信號進入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測元件傳來的信號。

⑤輸出單元：輸出單元也是PLC與被控設備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號傳送給被控設備，即將中央處理器送出的弱電信號轉換成電平信號，驅動被控設備的執(zhí)行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出3種類型。

（2）工作原理和應用。PLC的工作原理包含3個階段的內容，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、系統(tǒng)輸出刷新階段如圖1所示。在輸入樣階段中，利用掃描方式對采樣數據進行讀取，數據存儲在輸入映像寄存器，在完成數據的輸入流程后，會繼續(xù)轉入用戶程序中開展下一步的執(zhí)行輸出。對于程序執(zhí)行階段，PLC控制器在對用戶程序做掃描處理的過程中，始終遵循自上而下的原則，同時在規(guī)定的順序指導下完成核算作業(yè)，核算同樣也需要按照自上而下的原則。當用戶程序執(zhí)行結束后，PLC控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外部設備。

圖1 PLC工作原理

PLC技術具有諸多優(yōu)點：具有較強的可靠性和抗干擾能力、通用性強，控制程序可變、功能強，適用面較廣、編程簡單，上手難度低、降低控制系統(tǒng)設計和施工的工作強度并且體積和重量具有明顯優(yōu)勢。

PLC技術在電氣設備自動化控制系統(tǒng)中的應用有以下幾個方面：

①PLC技術在控制模擬量中的應用。在實際的工業(yè)生產中存在例如溫度、流速、壓強、液位等連續(xù)變化的模擬量，應用PLC技術能夠實現(xiàn)模擬量與數字量進行互相轉換，即A/D和D/A轉換，使模擬量可以轉換成能夠被記錄和追蹤的數字量，這樣一來就能夠控制模擬量，同時PLC對模擬量也可以進行監(jiān)控。

②PLC技術在開關量控制中的應用。PLC技術在控制系統(tǒng)中不斷實踐和應用的整個過程，關鍵是利用編程存儲器代替繼電器，從而實現(xiàn)對機械設備的控制。

③PLC技術在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應用。將PLC技術應用于電機啟動系統(tǒng)閉環(huán)控制中，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化甚至智能化控制，不僅控制效率得到了提升，而且還更好的保障了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

02

PAC技術

（1）基本概念。PAC（可編程化自動控制器，programmableautomation controller）的概念定義為：控制引擎的集中，涵蓋PLC用戶的多種需要，以及制造業(yè)廠商對信息的需求。PAC包括PLC的主要功能和擴大的控制能力，以及PC-based控制中基于對象的、開放數據格式和網絡連接等功能。從技術層面分析，PAC是一種總線型分布式控制系統(tǒng)，PAC系統(tǒng)總線技術作為工業(yè)現(xiàn)場的一種通信方式，具有傳輸速度快、數據量大、易于擴展安裝和維護等優(yōu)點[2]。

（2）技術特點。PAC的技術特點：PAC結合了PC的處理器、內存及軟件，并且擁有PLC的穩(wěn)定性、堅固性和分布式本質，PAC采取開放式結構，使用COTS（commercial of theshelt），也就是它是選用市面上已經成熟可用的產品組合成PAC平臺。它具有如下優(yōu)勢：

①提高生產率和操作效率。一個通用輕便控制引擎和綜合工程開發(fā)平臺允許快速地開發(fā)、實施和遷移；且由于它的開放性和靈活性，確保了控制、操作、企業(yè)級業(yè)務系統(tǒng)的無縫集成，優(yōu)化了工廠流程。

②降低操作成本。使用通用、標準架構和網絡，降低了操作成本，讓工程師們能為一個體現(xiàn)成本效益、使用現(xiàn)貨供應的平臺選擇不同系統(tǒng)部件，而不是專有產品和技術。

③使用戶對其控制系統(tǒng)擁有更多控制力，使用戶擁有更多靈活性來選擇適合每種特殊應用的硬件和編程語言，以他們自己的時間表來規(guī)劃升級，并且可在任何地方設計、制造產品。

03

PAC與PLC的主要區(qū)別

①PAC的性能是基于它的輕便控制引擎和標準、通用、開放的實時操作系統(tǒng)、嵌入式硬件系統(tǒng)設計以及背板總線。

②PAC采用通用的實時操作系統(tǒng)，采用標準、通用的嵌入式硬件系統(tǒng)結構設計，其處理器可以使用高性能CPU。

③PAC系統(tǒng)的編程軟件為同一平臺，包括邏輯控制、運動控制、過程控制和人機界面等各功能。

綜上所述，高新技術快速發(fā)展的背景下，PLC技術應運而生并實現(xiàn)了廣泛的應用。將先進的PLC技術應用于電氣工程自動化控制領域，解決了傳統(tǒng)技術存在的諸多的不足。同時新一代控制系統(tǒng)PAC已經在我國機械、冶金、化工、水處理、交通等行業(yè)的自動化控制中得到了應用，效果良好。

Vol.2

DCS系統(tǒng)技術

01

基本概念

DCS是集散控制系統(tǒng)（distributed control system）的簡稱，也可直譯為分散控制系統(tǒng)或分布式計算機控制系統(tǒng)。它是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種計算機控制系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制等技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便[3]。

DCS控制系統(tǒng)是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網絡技術和人機接口技術相互發(fā)展?jié)B透而產生的。它既不同于分散的儀表控制系統(tǒng)，又有別于集中式計算機控制系統(tǒng)，而是在吸收了兩者的基礎上發(fā)展完善起來的一門系統(tǒng)控制技術。

02

結構組成

DCS是集散控制系統(tǒng)（distributed control system）的簡稱，也可直譯為分散控制系統(tǒng)或分布式計算機控制系統(tǒng)。它是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種計算機控制系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制等技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便[3]。

DCS的結構是一個分布式系統(tǒng)，從整體邏輯結構上講，是一個分支樹結構。其縱向結構分為過程控制級、控制管理級和生產管理級三級遞階結構。整個系統(tǒng)由3部分組成，即集中管理部分、分散控制檢測部分和網絡通信部分。系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)結構圖

（1）集中管理部分。集中管理部分包括工程師站、操作員站和上位機。

①工程師站：負責系統(tǒng)的管理、控制組態(tài)、系統(tǒng)生成與下裝；

②操作員站：人機接口，由PC系統(tǒng)負責生產工藝的控制、過程狀態(tài)顯示、報警狀態(tài)顯示、實時數據和歷史數據的顯示打印等。

③上位機：即管理計算機，它實現(xiàn)生產調度管理、優(yōu)化及計算、生產經營管理與分析決策等層次的管理和計算。

（2）分散控制部分。分散控制部分的功能是：

①現(xiàn)場檢測模擬量、數字量和脈沖量的輸入輸出并進行轉換處理；

②各種控制回路的運算；

③控制運算結果的直接輸出。

（3）網絡通信部分。網絡通信部分包括局域網和控制網絡以及網絡間的接口網關設備，可實現(xiàn)各種功能站之間的數據、指令的通信傳輸。

03

特點及應用

DCS控制系統(tǒng)是采用標準化、模塊化和系列化設計，由過程控制級、控制管理級和生產管理級所組成的一個以通信網絡為紐帶的集中顯示操作管理，控制相對分散，具有靈活配置、組態(tài)方便的多級計算機網絡系統(tǒng)結構。

隨著DCS的性能提高、功能增強、價格下降、產品系列增多，其市場銷售量逐年增長。據統(tǒng)計，我國化工和石化企業(yè)應用DCS最為普遍，有100%的大型乙炔廠，95%的大型氨廠都安裝了DCS控制系統(tǒng)尤其是所有新建的化工裝置，不論規(guī)模大小，都無一例外地采用了DCS控制系統(tǒng)。

Vol.3

FCS過程控制系統(tǒng)技術

01

基本概念

FCS（fieldbus controlsystem，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）是一種基于DCS/PLC發(fā)展起來的新技術，實現(xiàn)了從控制室到現(xiàn)場設備的雙向串行數字通信總線連接，F(xiàn)CS中的“現(xiàn)場”更多的是指現(xiàn)場中的設備，不是指具體的位置[4]。

02

技術特點

FCS在工控化領域的技術特點主要有以下幾個方面：

①增強了現(xiàn)場信息的集成能力。FCS技術的應用和大力推廣，提高了工控領域在現(xiàn)場對被控對象的控制和協(xié)調能力，特別是用戶能夠通過現(xiàn)場的總線從被控設備中獲取大量極其具有價值的數據信息。

②具有開放性、互換性、可操作性等優(yōu)勢。FCS跟DCS區(qū)別之一，就是它通信協(xié)議的對外開放性，其結果是有利于不同系統(tǒng)網絡之間的互聯(lián)，彼此能夠建立起通信機制。由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的設備都具有相同標準的總線協(xié)議，這樣由現(xiàn)場總線控制的設備都具有了互換性和可操作性的特點，從而減少了用戶的備品備件，節(jié)省了設備的維護成本。

③具有可靠性高和可維護性好的特點。如果要確保整個系統(tǒng)能夠安全的運行，系統(tǒng)就要實時的對現(xiàn)場所有被控設備進行不停的檢測和診斷，且這種診斷方式必須是在線的模式。另外，系統(tǒng)在對生產現(xiàn)場設備進行遠程操作和監(jiān)控期間，所有現(xiàn)場的控制參數都是預先設置好的，如果系統(tǒng)檢測到故障，馬上在線修改參數值，這充分體現(xiàn)了FCS可維護性的特點。

FCS技術從開始在工控領域推廣，尤其在石油化工行業(yè)應用之后，其逐步在世界工業(yè)大范圍得到應用和推廣。FCS現(xiàn)場總線控制技術在相關選礦企業(yè)中深入應用，對企業(yè)發(fā)展有重要的作用。FCS技術經過實踐證明，現(xiàn)場總線模式為工控領域控制系統(tǒng)帶來很多益處。尤其是在環(huán)境惡劣的場所，F(xiàn)CS充分發(fā)揮了其獨有的抗干擾能力強、數據傳輸快且準確無誤等技術特點。

審核編輯 ：李倩