工业控制系统(ICS)基本介绍

工业控制系统（ICS）基本介绍一、工业自动控制的基本概念

自动控制：指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（机器、设备）的某一个物理量自动地按照预定的规律运行，控制系统：为实现某一控制目标所需要的物理部件（及软件）的有机组合，通常由控制器和被控对象组成。自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学，它包括以反馈控制理论为基础的古典控制理论（单输入、单输出），以状态空间为基础的现代控制理论（多输入、多输出）以及以模糊控制和神经网络为代表的智能控制（不需精确数学模型）。ICS工业控制系统（ICS）是各式各样控制系统类型的总称。目前常见的有：监控和数据采集系统（SCADA）分布式控制系统（DCS）过程控制系统（PCS）（源于西门子将自家PLC集成做的DCS解决方案）可编程控制器（PLC）远程终端单元（RTU）现场总线控制系统（FCS）PLC和RTU主要用于获取设备状态，PLC也可以用于设备的本地控制；DCS通常用于局域网内生产过程的整体控制；SCADA主要从PLC和RTU采集监控数据。1、SCADASCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。数据采集：通过I/O(OPC等)驱动程序,与I/O设备接口。数据管理：处理、使用所取数据，如过程监视（图形界面显示），监视控制，报警，报表，数据存档等。SCADA已经广泛应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。SCADA系统结构SCADA服务器：通过I/O驱动软件和过程硬件进行通信，建立并维护过程数据库，具有数据采集和网络管理功能，如果无图形显示称为盲服务器。VIEW（HMI）：从SCADA服务器获取数据，可以显示图形、历史数据及执行报表。数据库服务器：存储SCADA系统历史数据，既包括通用数据库MSSQL,也包括工业数据库Historian

等。网络发布：监控信息数据以WEB形式发布出去。IOServer（OPCServer）：连接工厂中的过程硬件,并从过程硬件获取源数据。过程硬件：包括PLC、DCS、简单I/O设备、板卡、智能模块等。IOServerOPCServerSCADA应用服务器1数据库服务器操作站View网络发布SCADA应用服务器2分布式C/S架构2、DCS控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分布式控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）。DCS（分布式控制系统）是从1975年前后从CCS（计算机集中控制系统）发展出的工业控制系统的架构。FCS（现场总线控制系统）是基于网络化、标准化、开放理念发展的最新的架构。分布式控制系统（DCS）的发展计算机集中控制系统（CCS）基于主机的集中模式。由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。分布式控制系统（DCS）基于集中管理和分散控制的模式。封闭式系统，新的结构利用冗余、容错等技术实现了高可靠性。现场总线控制系统（FCS）基于数据总线模式。开放式系统，因存在总线标准，易扩展，全数字化，数据总线大幅提高数据传输能力。网络化、标准化什么叫FCS?FCS是FieldbusControlSystem，直译就是现场总线控制系统。随着微处理器和通信技术的发展，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。DCS和FCS的对比DCSFCSFCS主要引入了网络，统一了标准，开放了整个控制系统。FCS和DCS的详细对比FCSDCS(1)结构一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。(2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。(3)失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于失控”状态。(4)控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。4、PLCPLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。电源中央处理单元(CPU)存储器输入输出接口电路功能模块（如计数、定位等功能模块）通信模块PLC主要组成部分：PLC的工作原理输入单元数据状态存储用户程序存储输出单元数据状态CPU以固定的周期重复调度执行下面的过程脉冲信号输入采样阶段用户程序执行阶段输出刷新阶段接收ALC数据接口PLC的主要功能运算功能目前PLC基本已具有高级数学运算和模拟量的PID运算功能。控制功能控制功能包括顺序控制（开关量控制）、过程控制（模拟量控制）、运动控制（脉冲量控制）和信息控制远程控制，应根据实际需求选用。通信功能大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），同时还应支持的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等。编程功能支持编制用户自定义程序。支持C、Basic等语言。诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。处理速度从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。PLC与DCS（FCS）的区别DCS系统采用一个统一的开发环境，工程师站（过程管理层）用于现场控制站的组态，控制算法的开发以及流程图画面的开发。采用一个统一数据库！而PLC用于过程控制需要不同的开发环境，首先要对PLC(相当于DCS的现场控制站层)进行逻辑开发，建立相应的数据库，然后再通过相应的上位机软件，例如GEFanuc的ProficyHMI/SCADA-iFIX或CIMPLICITYPlantEdition软件，建立与PLC相对应的数据库，然后进行流程图画面的开发。DCS开发控制算法采用仪表技术人员熟悉的风格，仪表人员很容易将P&I图转化成DCS提供的控制算法，而PLC采用梯形图逻辑来实现过程控制，对于仪表人员来说相对困难。尤其是复杂回路的算法，不如DCS实现起来方便。DCS系统通常提供完整的系统给用户，包括机柜，电源，工程师站，操作员站，用户只需在现场简单的安装。而PLC则需要系统集成。DCS实现顺序连锁功能相对于PLC来讲是弱势，且逻辑执行速度不如PLC,也不如PLC编程方便。DCS的现场控制站层‘通常采用集中式控制，尽管支持远程分布式I/O,但由于成本原因，很少采用。而PLC基于现场总线的远程分布式I/O更灵活易用，能有效的节省接线成本。5、RTURTU（远程终端单元），全称为远程终端控制系统，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。通常由信号输入/出模块、微处理器、有线/无线通讯设备、电源及外壳等组成，由微处理器控制，并支持网络系统。RTU具有的特点是：   通讯距离较长 用于各种环境恶劣的工业现场   模块结构化设计，便于扩展在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。RTU的主要功能远程终端设备(RTU)是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。采集状态量信息。采集模拟量测量值。与调度端进行通信。被测量越死区传送。事件顺序记录(SOE)。执行遥控命令。系统对时。 PLC和RTU对比起源不同PLC起源于生产线自动化，主要应用于机械设备生产线，以顺序逻辑控制为主。RTU起源于石油天然气生产，生产设备比较分布、且数量众多、环境恶劣。功能不同PLC主要用于室内的生产线或站控制系；RTU主要用于室外生产控制设备。通讯能力不同PLC一般是单机使用，或和本系列的产品使用，一般只支持本公司的通讯协议。RTU一般作为SCADA系统的一个部分，随着系统的增大系统中可能会有不同厂家的RTU，因此RTU具有通用的通讯协议。RTU大多以无线方式与中控室通讯，因此RTU能很好的支持无线通讯设备（电台、无线以太网、GPRS、CDMA等）使用场合不同PLC主要用于：生产线、流水线、部分厂站、配电系统、机床控制等。RTU主要用于：石油天然气生产、管道、城市天然气管网、供水管网、环境监测等。目前随着技术的融合，PLC也能做RTU的事情，RTU也可以完成PLC的工作。网络设备一、中继器：中继器(Repeater)又称重发器。由于网络节点间存在一定的传输距离，网络中携带信息的信号在通过一个固定长度的距离后，会因衰减或噪声干扰而影响数据的完整性，影响接收节点正确的接收和辨认，因而经常需要运用中继器。中继器接受一个线路中的报文信号，将其进行整形放大、重新复制，并将新生成的复制信号转发至下一网段或转发到其他介质段。二、网桥：网桥是存储转发设备，用来连接同一类型的局域网。网桥将数据帧送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层，通过物理传输介质送到另一个子网或网段。它具备寻址与路径选择的功能，在接收到帧之后，要决定正确的路径将帧送到相应的目的站点。网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。三、路由器：路由器工作在物理层、数据链路层和网络层。在路由器所包含的地址之间，可能存在若干路径，路由器可以为某次特定的传输选择一条最好的路径。报文传送的目的地网络和目的地址一般存在于报文的某个位置。当报文进入时，路由器读取报文中的目的地址，然后把这个报文转发到对应的网段中。四、网关：网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络