工业控制系统基础

通常情况下，工业控制系统的子系统或功能组件包括但不限于数据采集与监视控制（SCADA）系统、分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、远程测控单元（RTU）等相关信息系统。

数据采集与监视控制系统

1、工业控制数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统是由计算机设备、工业过程控制组件和网络组成的控制系统，对工业生产过程进行数据采集、监测和控制，保证工业生产过程的正常运转，它是电力、石油、冶金、天然气、铁路、供水、化工等关系国家命脉的基础产业的神经中枢。

2、SCADA系统主要用于控制分散设备。SCADA系统集成数据采集系统、数据传输系统和HMI软件，以提供一个集中的监视和控制系统，用于许多过程的输入和输出。SCADA系统可收集现场信息，将信息传递到一个中央计算机设备，并以图形或文本方式给操作员显示该信息，以便操作员监视或从实时的中心位置控制整个系统。

典型的SCADA系统架构

3、SCADA系统是工业控制网络调度自动化系统的基础和核心。SCADA负责采集和处理工控系统运行中的各种实时和非实时数据，是工业控制网络调度中心各种应用软件的主要数据来源。SCADA系统包括实时数据采集、数据通信、SCADA系统支撑平台、前置子系统、后台子系统等。

4、一个SCADA系统通常由一个主站和多个子站（远方终端装置RTU或其他自动化系统）组成。主站通常在调度控制中心（主站端），子站安装在厂站端，主站通过广域网实现与子站的通信，完成数据采集和监视控制。主站除了接收子站的信息外，还以数据通信的方式接收从下级调度控制中心主站转发来的信息，又向上级调度控制中心主站转发本站的信息。厂站端是SCADA系统的实时数据源，又是进行控制的目的地。SCADA所采集的数据包括模拟量测量、状态测点和脉冲累加量。SCADA系统的主站分为前置子系统和后台子系统，二者通过局域网相连并相互进行通信。前置子系统主要完成与厂站端及其他调度控制中心的通信，并将获得的数据发送给后台子系统，后台子系统进行数据处理。

SCADA系统实现例子

SCADA把这些最近扫描的已经被监视系统处理完的反映状态的数据存储在数据库中。画面数据直接连接到数据库，因此画面可以直观地给出该系统状态的实际景象。

分布式控制系统

1、DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通信（Communication）、终端显示（CRT）和控制（Control）技术而发展起来的新型控制系统。其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。它满足了大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，采用了多层分级、合作自治的结构形式。
2、DCS网络是整体的基础和核心。网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性起着决定性作用，因此对于DCS网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指无论在何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bit/s），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输得以完成。
3、DCS是以微处理器和网络为基础的集中分散型控制系统。它包括操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站、通信系统。

DCS的基本构成

4、
（1）操作员站：操作员站是操作人员对生产过程进行显示、监视、操作控制和管理的主要设备。
（2）工程师站：工程师站用于对DCS进行离线的组态工作和在线的系统监督、控制与维护。
（3）监控计算机：监控计算机通过网络收集系统中各单元的数据信息，根据数学模型和优化控制指标进行后台计算、优化控制等，它还用于全系统信息的综合管理。
（4）现场控制站：现场控制站通过现场仪表直接与生产过程相连接，采集过程变量信息，并进行转换和运算等处理，产生控制信号来驱动现场的执行机构，最终实现对生产过程的控制。
（5）数据采集站：数据采集站与生产过程相连接，对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工；为操作员站提供数据，实现对过程的监视和信息存储，为控制回路的运算提供辅助数据和信息。
（6）通信系统：通信系统连接DCS的各操作员站、工程师站、监控计算机、现场控制站、数据采集站等部分，传递各工作站之间的数据、指令及其他信息，使整个系统协调一致地工作，从而实现数据和信息资源的共享。

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工业控制系统中的常用控制器

控制器（Controller）是指按照预定顺序通过改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置，是发布命令的“决策机构”，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

1、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种特殊的控制器，是专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统。
2、可编程自动化控制器（PAC）的定义为：由一个轻便的控制引擎支持，且对多种应用使用同一种开发工具。
3、PAC与PLC根本的不同在于它们的基础不同。PLC的性能依赖于专用硬件，应用程序的执行是依靠专用硬件芯片实现的。
4、远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来对远程现场的传感器和设备状态进行监视和控制，负责对现场信号、工业设备的监测和控制，获得设备数据，并将数据传给 SCADA 系统的调度中心。
5、在远程测控系统中，RTU 是实现远程通信的关键设备，承担着中心站和测站间信息的上传下达工作，它主要有遥信、遥测、遥控和遥调4个功能。

• 遥信功能：要求采用无源接点方式即某一路遥信量的输入应是一对继电器的触点，或者是闭合，或者是断开。
• 遥测功能：通过采集现场各种传感器和变送器的信号获得现场各种物理参数，将采集到的变量存储、编码成遥测信息，按通信规约传送给监控中心。
• 遥控功能：由监控中心对现场设备实行远程操控，如启动或关停某设备、打开或关闭某阀门。
• 遥调功能：监控中心对被控站某些设备的工作状态和参数的调整。

工业控制系统现场设备的种类

现场设备是工业控制系统的基本组成部分。
1、智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）：由一个或多个处理器组成，从外部源接收和传送数据或控制外部源的任何设备（即电子多功能仪表、微机保护、控制器），在特定的环境下接口所限定范围内能够执行一个或多个逻辑节点任务的实体。
2、人机界面（HMI）：人机界面（Human-Machine Interface，HMI）是连接可编程逻辑控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备。

PLC设备

1、

PLC的组成结构

典型PLC的组成如图所示，分别是中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源和编程器。