從工業控制系統的角度理解現場總線

場總線對於工業控制系統來講，由於現場總線致使控制方式的改變。現現在你們常常提到所謂「PROFIBUS系統」的提法，就屬於現場總線控制系統（FCS），而FCS也成爲了新一代的工業控制系統，正在逐步融合SCADA、DCS和PLC技術。

1.工業控制技術的發展

工業控制技術的重要性不言而喻，控制方式也是從開環控制到閉環控制，知足連續過程、離散過程等自動化應用不斷變化的技術需求。控制算法愈來愈複雜，這就離不開計算機技術的引入，因而離散控制的所須要的輸入輸出。

衆所周知，第三次工業革命最顯著的特色就是了自動化的生產模式，最顯著的技術就是大量運用計算機技術，在產品生產的設計、製造、工程、質量控制等各個環節運用計算機技術，也就是計算機輔助設計CAD、計算機輔助製造CAM、CAE、CAQ等概念。

體如今過程控制行業的傳感器和執行器，好比說油、氣、水、化工包括電力的控制方式，從一開始屬於集中式，最須要的就是信號傳輸，原來是氣動，後來控制器+信號的控制方式就促使CCS和SCADA的出現，對信號線鏈接提出要求，4-20ma模擬信號傳輸成爲標準。工廠規模的擴大意味着生產區域的擴大，要求控制區域也增大。生產環境愈來愈複雜，接線成本愈來愈高，要求用數字通訊取代模擬信號，因而在4-20雙線的基礎上發展新的數字傳輸技術，這決定了現場總線的基本形態，做爲通訊的要求，主要是決定了物理層。然後來隨着計算機技術深刻到傳感器、執行器，成爲智能儀器儀表，它們之間的通訊就逐漸成爲局域網的模樣，進一步提升工業過程自動化的網絡能力系統已成爲過程自動化開發的主要趨勢之一，先從集中式轉變成分佈式控制方式，DDC逐漸進化成DCS。

 

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體如今製造行業，尤爲是汽車製造，原來的繼電器控制因爲計算機技術的引入被PLC控制方式取代，製造業分步驟、順序的特色決定了每一個工序或者環節就是一個控制單元，就須要PLC控制，從而造成了一個一個的自動化信息孤島，須要解決各個控制單元直接的通訊問題，從而決定了控制方式屬於分佈式。各個單元鏈接在同一個網絡中，衆多節點既要正確通訊，又不互相沖突，這就是局域網的數據鏈路層的功能。

不論是過程控制仍是製造控制，不只如此，做爲工廠管理者來講，因爲管理、設計等都開始使用計算機技術，那麼從上至下的信息通訊一樣重要，都須要從上到下的工廠通訊系統架構，使用統一的製造信息傳輸協議知足各個環節數據通訊的要求，這主要決定了現場總線應用層的內容。

2.網絡控制的金字塔架構

CIM是指自動生產、自動運料，從產品的設計、製造到質量控制等各個環節使用計算機技術。隨着CAD與CAM技術的發展，在信息技術、自動化技術與製造的基礎上，CIM經過計算機技術把分散在產品設計製造過程當中各類孤立的自動化子系統有機地集成起來，造成了集成化和智能化製造系統。

通過多年的總結髮現，以等級制度爲特徵的機構管理模式是一種有效的管理體系，這種模式被稱爲金字塔結構，包括政府、政黨、軍隊和企業四個標準的金字塔結構。對於工業企業來講，爲了集成企業管理、製造控制、產品設計等子系統，須要讓各個子系統直接相互通訊，能夠根據不一樣的通訊要求採用分層方法將企業的通訊結構分紅若干抽象層，這就是你們常常會看到的工業通訊系統的金字塔架構。

 

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ERP是一種業務管理系統，經過處理信息以優化資源利用率來集成業務功能，運行在企業級，集中管理業務活動，MES的目標是在車間管理和監控實際生產過程。而MES是「保證製造有效執行的動態信息系統」，將ERP系統與實際生產過程的工業控制系統（ICS）聯繫起來，ICS經過傳感器獲取過程信息，並用執行器控制過程。常見的ICS工業控制系統是SCADA、DCS和PLC。

全部車間級的控制器單元鏈接到工廠骨幹網，而位於底層的機器控制網至關於一個小型的MAP，

3.工業控制系統分類

工業控制根據兩大工業應用領域有不一樣的特色：能源控制與過程控制。

電力系統、自然氣和水管道領域的控制，須要經過不停收集遠程數據，使用的比較多的是SCADA，系統通常屬於開環控制方式；而過程控制中使用較多的是DCS，知足大型工業連續過程的須要；而對於過程控制內部的單元控制，使用繼電器實現邏輯控制的方式，則使用PLC進行控制。

3.1 SCADA

數據採集與監控系統（SCADA）是一種控制系統架構，使用計算機、網絡數據通訊和圖形用戶界面進行高級過程監控管理。SCADA系統用於地理範圍較大的工業領域，如管線、電網、鐵路系統，向單個控制中心收集數據，以便監視過程，並將數據呈現給最終用戶。由HMI、主終端單元（MTU）、遠程終端單元（RTU）和長距離通訊介質組成，或者能夠用PLC替換RTU，以便實現最佳功能和更好的成本效率。

SCADA軟件僅存在於監控層，由於控制動做由RTU或PLC自動執行，現場總線位於現場層級，如圖所示的汽車總線系統就是一個典型的傳統SCADA，儀表盤做爲上位機顯示，經過CAN總線鏈接各類終端，其中的ABS、定速巡航、自動駐車等終端做爲SCADA的RTU，又是下一級的控制系統。

 

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3.2DCS

分佈式控制系統（DCS）是用於過程控制或製造領域的計算機控制系統，其中控制元件（控制器）分佈在整個系統中。在DCS中，控制器層級經過通訊網絡鏈接，DCS一般使用定製設計的處理器做爲控制器，並使用專有互連或標準協議進行通訊。處理器從輸入模塊接收信息，處理信息並決定要由輸出模塊執行的控制動做。輸入模塊在過程（或現場）中從感測儀器接收信息，而且輸出模塊將指令傳送到諸如控制閥的最終控制元件。輸入輸出能夠是4-20mA模擬信號，也能夠數字信號。DCS系統一般還支持諸如基金會現場總線FF、Profibus、HART、Modbus、PC Link現場總線，不只傳輸輸入輸出信號，並且還傳輸錯誤診斷等消息。

 

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因爲提到SCADA和DCS，大多數圖上都會出現控制室，因此工程師們不太容易分清楚二者的區別。表簡單描述了一下區別。

	DCS	SCADA
控制方式	過程驅動	事件驅動
控制範圍	小範圍	大範圍
典型應用	化工，過程控制	電力系統
數據質量	數據質量好	相對較差
側重點	包含監視過程畫面，更側重控制尤爲是閉環控制	側重監視過程畫面

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3.3PLC

但在以順序邏輯做爲需求的行業中使用最多的是PLC（可編程邏輯控制器），這是從繼電器和定時器演變而來的。之前的控制器難以組態和查找故障，而且PLC控制使得信號可以與具備電子顯示器的中央控制區域聯網。PLC首先開發用於汽車行業的車輛生產線，其中順序邏輯變得很是複雜，而後是印刷機和水處理廠。

PLC可大可小，小的像磚塊同樣，將處理器集成在殼體中，數十個點數，大到數千個點，安裝在機架上，並與其它PLC和SCADA相連。它們能夠設計爲多種佈局的數字和模擬輸入和輸出（I/O），擴展的溫度範圍，抗電噪聲和抗振動和衝擊，控制程序一般存儲非易失性存儲器中。

 

 

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PLC誕生於美國汽車工業，製造汽車的控制系統使用邏輯順序和安全聯鎖，主要由繼電器、凸輪定時器、磁鼓定序器和專用閉環控制器組成。因爲這些能夠數百或甚至數千，用於更新這種設施以用於年度模型轉換的過程是很是耗時和昂貴的，由於電工須要單獨地從新鏈接繼電器以改變其操做特性。

4小結

其實一切是以需求爲導向，爲了解決工業控制不斷增加的須要與落後的控制方式之間的矛盾，產生了不一樣的工業控制系統。現場總線的發展能夠更好的知足不一樣控制方式不對於連通性、拓撲、通訊距離、應用方面的要求。60年代早期就有SCADA，後來出現了DCS和PLC。過去SCADA更像是DCS的上層軟件。SCADA主要側重監視，DCS側重於控制，PLC則是一種裝置。

現現在因爲技術的不斷髮展，這些系統在結構和功能上的差異愈來愈小。如何才能快速說清楚工業控制系統中DCS、PLC、SCADA、FCS、PAC、RTU的區別呢？

RTU沒有Control，只是SCADA的組成部分，先被拎出來了；

FCS是採用現場總線的DCS，PAC是功能更加健壯的PLC，可謂是升級版；

剩下的請看圖！

 

 

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