智能控制硬件系統(tǒng)在工業(yè)自動化中至關(guān)重要，它可以起到精確控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、降低成本、可靠安全以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等作用。它不僅能夠優(yōu)化設(shè)備管理，提高設(shè)施的生產(chǎn)效率，節(jié)省成本，還可以提高設(shè)備的安全性和運(yùn)維效率，為企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展帶來更多的價(jià)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(shù)

01

PLC技術(shù)

（1）基本概念和結(jié)構(gòu)組成。PLC就是常說的可編程控制器（programmablelogic controller），最早出現(xiàn)的時(shí)間可以追溯到19世紀(jì)末。PLC發(fā)展到今天已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品[1]。除邏輯控制外，PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。

PLC的基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成PLC內(nèi)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(yùn)行用戶程序，進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算，控制整個(gè)系統(tǒng)使之協(xié)調(diào)。

③存儲器：存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)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(shè)備相連的輸入接口，是信號進(jìn)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(shè)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(shè)備，即將中央處理器送出的弱電信號轉(zhuǎn)換成電平信號，驅(qū)動被控設(shè)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(yīng)用。PLC的工作原理包含3個(gè)階段的內(nèi)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(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，數(shù)據(jù)存儲在輸入映像寄存器，在完成數(shù)據(jù)的輸入流程后，會繼續(xù)轉(zhuǎn)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(shí)在規(guī)定的順序指導(dǎo)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(dāng)用戶程序執(zhí)行結(jié)束后，PLC控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外部設(shè)備。

圖1 PLC工作原理

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

PLC技術(shù)在電氣設(shè)備自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：

①PLC技術(shù)在控制模擬量中的應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中存在例如溫度、流速、壓強(qiáng)、液位等連續(xù)變化的模擬量，應(yīng)用PLC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量與數(shù)字量進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，即A/D和D/A轉(zhuǎn)換，使模擬量可以轉(zhuǎn)換成能夠被記錄和追蹤的數(shù)字量，這樣一來就能夠控制模擬量，同時(shí)PLC對模擬量也可以進(jìn)行監(jiān)控。

②PLC技術(shù)在開關(guān)量控制中的應(yīng)用。PLC技術(shù)在控制系統(tǒng)中不斷實(shí)踐和應(yīng)用的整個(gè)過程，關(guān)鍵是利用編程存儲器代替繼電器，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的控制。

③PLC技術(shù)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。將PLC技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)啟動系統(tǒng)閉環(huán)控制中，能夠?qū)崿F(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(shù)

（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(kuò)大的控制能力，以及PC-based控制中基于對象的、開放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接等功能。從技術(shù)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(shù)作為工業(yè)現(xiàn)場的一種通信方式，具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大、易于擴(kuò)展安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

（2）技術(shù)特點(diǎn)。PAC的技術(shù)特點(diǎn)：PAC結(jié)合了PC的處理器、內(nèi)存及軟件，并且擁有PLC的穩(wěn)定性、堅(jiān)固性和分布式本質(zhì)，PAC采取開放式結(jié)構(gòu)，使用COTS（commercial of theshelt），也就是它是選用市面上已經(jīng)成熟可用的產(chǎn)品組合成PAC平臺。它具有如下優(yōu)勢：

①提高生產(chǎn)率和操作效率。一個(gè)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(shí)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(wù)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(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)，降低了操作成本，讓工程師們能為一個(gè)體現(xiàn)成本效益、使用現(xiàn)貨供應(yīng)的平臺選擇不同系統(tǒng)部件，而不是專有產(chǎn)品和技術(shù)。

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(yīng)用的硬件和編程語言，以他們自己的時(shí)間表來規(guī)劃升級，并且可在任何地方設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)、通用、開放的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及背板總線。

②PAC采用通用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)、通用的嵌入式硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yùn)動控制、過程控制和人機(jī)界面等各功能。

綜上所述，高新技術(shù)快速發(fā)展的背景下，PLC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。將先進(jìn)的PLC技術(shù)應(yīng)用于電氣工程自動化控制領(lǐng)域，解決了傳統(tǒng)技術(shù)存在的諸多的不足。同時(shí)新一代控制系統(tǒng)PAC已經(jīng)在我國機(jī)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(yīng)用，效果良好。

Vol.2

DCS系統(tǒng)技術(shù)

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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等技術(shù)，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(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展?jié)B透而產(chǎn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而是在吸收了兩者的基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來的一門系統(tǒng)控制技術(shù)。

02

結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等技術(shù)，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(jié)構(gòu)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，從整體邏輯結(jié)構(gòu)上講，是一個(gè)分支樹結(jié)構(gòu)。其縱向結(jié)構(gòu)分為過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級三級遞階結(jié)構(gòu)。整個(gè)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(wǎng)絡(luò)通信部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)。

①工程師站：負(fù)責(zé)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(jī)接口，由PC系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)工藝的控制、過程狀態(tài)顯示、報(bào)警狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的顯示打印等。

③上位機(jī)：即管理計(jì)算機(jī)，它實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度管理、優(yōu)化及計(jì)算、生產(chǎn)經(jīng)營管理與分析決策等層次的管理和計(jì)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(shù)字量和脈沖量的輸入輸出并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理；

②各種控制回路的運(yùn)算；

③控制運(yùn)算結(jié)果的直接輸出。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信部分。網(wǎng)絡(luò)通信部分包括局域網(wǎng)和控制網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)間的接口網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)各種功能站之間的數(shù)據(jù)、指令的通信傳輸。

03

特點(diǎn)及應(yīng)用

DCS控制系統(tǒng)是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級所組成的一個(gè)以通信網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

隨著DCS的性能提高、功能增強(qiáng)、價(jià)格下降、產(chǎn)品系列增多，其市場銷售量逐年增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國化工和石化企業(yè)應(yīng)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(shù)

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(shù)，實(shí)現(xiàn)了從控制室到現(xiàn)場設(shè)備的雙向串行數(shù)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(shè)備，不是指具體的位置[4]。

02

技術(shù)特點(diǎn)

FCS在工控化領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

①增強(qiáng)了現(xiàn)場信息的集成能力。FCS技術(shù)的應(yīng)用和大力推廣，提高了工控領(lǐng)域在現(xiàn)場對被控對象的控制和協(xié)調(diào)能力，特別是用戶能夠通過現(xiàn)場的總線從被控設(shè)備中獲取大量極其具有價(jià)值的數(shù)據(jù)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(jié)果是有利于不同系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，彼此能夠建立起通信機(jī)制。由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的設(shè)備都具有相同標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議，這樣由現(xiàn)場總線控制的設(shè)備都具有了互換性和可操作性的特點(diǎn)，從而減少了用戶的備品備件，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)成本。

③具有可靠性高和可維護(hù)性好的特點(diǎn)。如果要確保整個(gè)系統(tǒng)能夠安全的運(yùn)行，系統(tǒng)就要實(shí)時(shí)的對現(xiàn)場所有被控設(shè)備進(jìn)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(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控期間，所有現(xiàn)場的控制參數(shù)都是預(yù)先設(shè)置好的，如果系統(tǒng)檢測到故障，馬上在線修改參數(shù)值，這充分體現(xiàn)了FCS可維護(hù)性的特點(diǎn)。

FCS技術(shù)從開始在工控領(lǐng)域推廣，尤其在石油化工行業(yè)應(yīng)用之后，其逐步在世界工業(yè)大范圍得到應(yīng)用和推廣。FCS現(xiàn)場總線控制技術(shù)在相關(guān)選礦企業(yè)中深入應(yīng)用，對企業(yè)發(fā)展有重要的作用。FCS技術(shù)經(jīng)過實(shí)踐證明，現(xiàn)場總線模式為工控領(lǐng)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(dú)有的抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸快且準(zhǔn)確無誤等技術(shù)特點(diǎn)。

審核編輯 ：李倩