工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)基本介紹

工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）基本介紹一、工業(yè)自動(dòng)控制的基本概念

自動(dòng)控制：指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象（機(jī)器、設(shè)備）的某一個(gè)物理量自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，控制系統(tǒng)：為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的物理部件（及軟件）的有機(jī)組合，通常由控制器和被控對(duì)象組成。自動(dòng)控制理論：是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的科學(xué)，它包括以反饋控制理論為基礎(chǔ)的古典控制理論（單輸入、單輸出），以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論（多輸入、多輸出）以及以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能控制（不需精確數(shù)學(xué)模型）。ICS工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS）是各式各樣控制系統(tǒng)類型的總稱。目前常見的有：監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）分布式控制系統(tǒng)（DCS）過程控制系統(tǒng)（PCS）（源于西門子將自家PLC集成做的DCS解決方案）可編程控制器（PLC）遠(yuǎn)程終端單元（RTU）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）PLC和RTU主要用于獲取設(shè)備狀態(tài)，PLC也可以用于設(shè)備的本地控制；DCS通常用于局域網(wǎng)內(nèi)生產(chǎn)過程的整體控制；SCADA主要從PLC和RTU采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。1、SCADASCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集：通過I/O(OPC等)驅(qū)動(dòng)程序,與I/O設(shè)備接口。數(shù)據(jù)管理：處理、使用所取數(shù)據(jù)，如過程監(jiān)視（圖形界面顯示），監(jiān)視控制，報(bào)警，報(bào)表，數(shù)據(jù)存檔等。SCADA已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、燃?xì)狻㈣F路等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SCADA服務(wù)器：通過I/O驅(qū)動(dòng)軟件和過程硬件進(jìn)行通信，建立并維護(hù)過程數(shù)據(jù)庫，具有數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)管理功能，如果無圖形顯示稱為盲服務(wù)器。VIEW（HMI）：從SCADA服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，可以顯示圖形、歷史數(shù)據(jù)及執(zhí)行報(bào)表。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：存儲(chǔ)SCADA系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，既包括通用數(shù)據(jù)庫MSSQL,也包括工業(yè)數(shù)據(jù)庫Historian

等。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布：監(jiān)控信息數(shù)據(jù)以WEB形式發(fā)布出去。IOServer（OPCServer）：連接工廠中的過程硬件,并從過程硬件獲取源數(shù)據(jù)。過程硬件：包括PLC、DCS、簡單I/O設(shè)備、板卡、智能模塊等。IOServerOPCServerSCADA應(yīng)用服務(wù)器1數(shù)據(jù)庫服務(wù)器操作站View網(wǎng)絡(luò)發(fā)布SCADA應(yīng)用服務(wù)器2分布式C/S架構(gòu)2、DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分布式控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）。DCS（分布式控制系統(tǒng)）是從1975年前后從CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)）發(fā)展出的工業(yè)控制系統(tǒng)的架構(gòu)。FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）是基于網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放理念發(fā)展的最新的架構(gòu)。分布式控制系統(tǒng)（DCS）的發(fā)展計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)（CCS）基于主機(jī)的集中模式。由功能強(qiáng)大的主機(jī)完成幾乎所有的計(jì)算和處理任務(wù)，用戶和主機(jī)的交互很少。分布式控制系統(tǒng)（DCS）基于集中管理和分散控制的模式。封閉式系統(tǒng)，新的結(jié)構(gòu)利用冗余、容錯(cuò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）基于數(shù)據(jù)總線模式。開放式系統(tǒng)，因存在總線標(biāo)準(zhǔn)，易擴(kuò)展，全數(shù)字化，數(shù)據(jù)總線大幅提高數(shù)據(jù)傳輸能力。網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化什么叫FCS?FCS是FieldbusControlSystem，直譯就是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。隨著微處理器和通信技術(shù)的發(fā)展，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生。DCS和FCS的對(duì)比DCSFCSFCS主要引入了網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，開放了整個(gè)控制系統(tǒng)。FCS和DCS的詳細(xì)對(duì)比FCSDCS(1)結(jié)構(gòu)一對(duì)多：一對(duì)傳輸線接多臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)。一對(duì)一：一對(duì)傳輸線接一臺(tái)儀表，單向傳輸一個(gè)信號(hào)。(2)可靠性可靠性好：數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高。可靠性差：模擬信號(hào)傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。(3)失控狀態(tài)操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作情況，也能對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測(cè)或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測(cè)故障，導(dǎo)致操作員對(duì)儀表處于失控”狀態(tài)。(4)控制控制功能分散在各個(gè)智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。4、PLCPLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。電源中央處理單元(CPU)存儲(chǔ)器輸入輸出接口電路功能模塊（如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊）通信模塊PLC主要組成部分：PLC的工作原理輸入單元數(shù)據(jù)狀態(tài)存儲(chǔ)用戶程序存儲(chǔ)輸出單元數(shù)據(jù)狀態(tài)CPU以固定的周期重復(fù)調(diào)度執(zhí)行下面的過程脈沖信號(hào)輸入采樣階段用戶程序執(zhí)行階段輸出刷新階段接收ALC數(shù)據(jù)接口PLC的主要功能運(yùn)算功能目前PLC基本已具有高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算和模擬量的PID運(yùn)算功能?？刂乒δ芸刂乒δ馨樞蚩刂疲ㄩ_關(guān)量控制）、過程控制（模擬量控制）、運(yùn)動(dòng)控制（脈沖量控制）和信息控制遠(yuǎn)程控制，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選用。通信功能大中型可編程邏輯控制器系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），同時(shí)還應(yīng)支持的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等。編程功能支持編制用戶自定義程序。支持C、Basic等語言。診斷功能可編程邏輯控制器的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。處理速度從實(shí)時(shí)性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則可編程邏輯控制器將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。PLC與DCS（FCS）的區(qū)別DCS系統(tǒng)采用一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，工程師站（過程管理層）用于現(xiàn)場(chǎng)控制站的組態(tài)，控制算法的開發(fā)以及流程圖畫面的開發(fā)。采用一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫！而PLC用于過程控制需要不同的開發(fā)環(huán)境，首先要對(duì)PLC(相當(dāng)于DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站層)進(jìn)行邏輯開發(fā)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，然后再通過相應(yīng)的上位機(jī)軟件，例如GEFanuc的ProficyHMI/SCADA-iFIX或CIMPLICITYPlantEdition軟件，建立與PLC相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，然后進(jìn)行流程圖畫面的開發(fā)。DCS開發(fā)控制算法采用儀表技術(shù)人員熟悉的風(fēng)格，儀表人員很容易將P&I圖轉(zhuǎn)化成DCS提供的控制算法，而PLC采用梯形圖邏輯來實(shí)現(xiàn)過程控制，對(duì)于儀表人員來說相對(duì)困難。尤其是復(fù)雜回路的算法，不如DCS實(shí)現(xiàn)起來方便。DCS系統(tǒng)通常提供完整的系統(tǒng)給用戶，包括機(jī)柜，電源，工程師站，操作員站，用戶只需在現(xiàn)場(chǎng)簡單的安裝。而PLC則需要系統(tǒng)集成。DCS實(shí)現(xiàn)順序連鎖功能相對(duì)于PLC來講是弱勢(shì)，且邏輯執(zhí)行速度不如PLC,也不如PLC編程方便。DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制站層‘通常采用集中式控制，盡管支持遠(yuǎn)程分布式I/O,但由于成本原因，很少采用。而PLC基于現(xiàn)場(chǎng)總線的遠(yuǎn)程分布式I/O更靈活易用，能有效的節(jié)省接線成本。5、RTURTU（遠(yuǎn)程終端單元），全稱為遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。通常由信號(hào)輸入/出模塊、微處理器、有線/無線通訊設(shè)備、電源及外殼等組成，由微處理器控制，并支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。RTU具有的特點(diǎn)是：???通訊距離較長?用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)???模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展在具有遙信、遙測(cè)、遙控領(lǐng)域的水利，電力調(diào)度，市政調(diào)度等行業(yè)廣泛使用。RTU的主要功能遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測(cè)量安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和設(shè)備。RTU將測(cè)得的狀態(tài)或信號(hào)轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計(jì)算機(jī)發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的功能控制。采集狀態(tài)量信息。采集模擬量測(cè)量值。與調(diào)度端進(jìn)行通信。被測(cè)量越死區(qū)傳送。事件順序記錄(SOE)。執(zhí)行遙控命令。系統(tǒng)對(duì)時(shí)。?PLC和RTU對(duì)比起源不同PLC起源于生產(chǎn)線自動(dòng)化，主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)線，以順序邏輯控制為主。RTU起源于石油天然氣生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備比較分布、且數(shù)量眾多、環(huán)境惡劣。功能不同PLC主要用于室內(nèi)的生產(chǎn)線或站控制系；RTU主要用于室外生產(chǎn)控制設(shè)備。通訊能力不同PLC一般是單機(jī)使用，或和本系列的產(chǎn)品使用，一般只支持本公司的通訊協(xié)議。RTU一般作為SCADA系統(tǒng)的一個(gè)部分，隨著系統(tǒng)的增大系統(tǒng)中可能會(huì)有不同廠家的RTU，因此RTU具有通用的通訊協(xié)議。RTU大多以無線方式與中控室通訊，因此RTU能很好的支持無線通訊設(shè)備（電臺(tái)、無線以太網(wǎng)、GPRS、CDMA等）使用場(chǎng)合不同PLC主要用于：生產(chǎn)線、流水線、部分廠站、配電系統(tǒng)、機(jī)床控制等。RTU主要用于：石油天然氣生產(chǎn)、管道、城市天然氣管網(wǎng)、供水管網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。目前隨著技術(shù)的融合，PLC也能做RTU的事情，RTU也可以完成PLC的工作。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一、中繼器：中繼器(Repeater)又稱重發(fā)器。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間存在一定的傳輸距離，網(wǎng)絡(luò)中攜帶信息的信號(hào)在通過一個(gè)固定長度的距離后，會(huì)因衰減或噪聲干擾而影響數(shù)據(jù)的完整性，影響接收節(jié)點(diǎn)正確的接收和辨認(rèn)，因而經(jīng)常需要運(yùn)用中繼器。中繼器接受一個(gè)線路中的報(bào)文信號(hào)，將其進(jìn)行整形放大、重新復(fù)制，并將新生成的復(fù)制信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至下一網(wǎng)段或轉(zhuǎn)發(fā)到其他介質(zhì)段。二、網(wǎng)橋：網(wǎng)橋是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來連接同一類型的局域網(wǎng)。網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)幀送到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)，再送到物理層，通過物理傳輸介質(zhì)送到另一個(gè)子網(wǎng)或網(wǎng)段。它具備尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應(yīng)的目的站點(diǎn)。網(wǎng)橋能夠互聯(lián)兩個(gè)采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸速率、不同傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。它要求兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同或兼容的協(xié)議。三、路由器：路由器工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。在路由器所包含的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。報(bào)文傳送的目的地網(wǎng)絡(luò)和目的地址一般存在于報(bào)文的某個(gè)位置。當(dāng)報(bào)文進(jìn)入時(shí)，路由器讀取報(bào)文中的目的地址，然后把這個(gè)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段中。四、網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)又被稱為網(wǎng)間協(xié)議變換器，用以實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間、包括使用不同網(wǎng)絡(luò)