集中式系统
早期的仪表控制系统和电气控制系统都是集中式的，原因是工业化大规模生产线还未形成，控制的物理面积比较小，所以没有这种需求。设备的控制都是独立的，控制系统都安装在设备附近，输入/输出的走线距离，通常不会超过二十米，而且设备与设备之间、设备与车间/厂级之间也没有通信要求，设备与操作人员通过按钮、指示灯来进行交互，功能比较简单，设备的加工和制造的产品，属于“大批量，少品种”的状态。因此，自动化的控制水平处于初级阶段。
分布式系统输入/输出系统
随着流水线、自动线、生产线的发展和扩大，对自动化控制系统的要求也随之提高。因为原来的输入、输出的走线距离为十几米、几十米，后来的要求提高到上百米，甚至几百米，所以带来的问题有两个：一是输入、输出的距离过远，信号衰减过大，导致了误动作，甚至无法工作（现在的接线距离通常限制在四百米以内）；二是输入、输出线都采用并行接法，随着距离的增加，电缆的费用也不断增加，而且给后来的校线、调试、运行和维护都带来问题，所以使得项目的整体拥有成本（TOC）大大的提高了。
为了解决上述问题，自动化制造厂家推出了结构称为远程输入/输出系统（Remote Input/Output System），它的特点是CPU机架与输入/输出模块（输入/输出机架）先进行物理上的分离，也就是用于远程输入/输出点的输入/输出模块不再安装于本地机架，而是安装于远程机架。本地机架与远程机架采用远程通讯电缆来连接，远程机架的输入/输出模块再连接周围的输入/输出点。这样就把原先的并行电缆，改变成现在的串行电缆（远程电缆），减少了接线成本。（理论上讲，把并行连接改为串行连接，系统的可靠性是下降了，这也是结构变化所要付出的代价吧）
我们要知道，这种结构上的变化是有技术含量的。因为远程输入模块在了输入信号后，要经过处理，先把它们转换成数字信号，再把它们变成一种数据帧，常被称之为某种特定的“协议”，具有规定的格式，然后经过远程分站模块、远程通讯电缆，到远程主站模块，传送到CPU站进行处理，处理后的结果再经过远程主站模块、远程电缆，传回给远程分站模块，经“翻译”后，由远程站上的输出模块输出给执行机构。
我们即得益于远程系统，也受制于远程系统。远程系统中的远程主站模块、远程电缆、远程分站模块成了整个系统的软肋，所以要格外重视。我们考虑问题的原则是：担心哪部分弱，容易出问题，就加强哪部分的实力。比如说：担心远程主站出问题，我们就对主站模块做冗余；担心电缆出问题，就对电缆进行冗余；担心分站出问题，就对分站模块冗余。应该说这种系统都是可以实现的，考虑到系统的造价问题，很多厂家采取了折衷的方案：远程主站、远程分站各为一个模块，但有单口和双口之分，用于连接一根或两根远程电缆，实现了电缆冗余。
冗余的电缆也有不同的工作方式，无外乎有以下几种方式：两缆同时工作，把信号比较后，再进行输出；两缆同时工作，仅取一个信号进行输出；两缆一用一备，直到用的一根出了问题，才进行切换；两缆一用一备，按时间间隔进行切换。用与备的切换完全由系统控制，自动进行，用户一般无需任何操作。至于厂家采用哪种方式，即要考虑实现的技术难度，也要考虑实现的商业成本。各自都有各自的道理，这就是一种选择吧，也是一种差异化竞争。总之，对于用户而言，双缆总是比单缆要可靠性高，心里觉着塌实。
以上谈的是硬件部分，下面再说说软件部分。因为工业现场的环境比较恶劣，比如：灰尘、震动、冲击、电压波动等，最大影响就是来自现场的大设备，如：大电机的启动和停止，会带来一系列的连锁反应：接触器的吸合与断开，软驱动器启动和停止，变频器的运行和停止。还有一些高压、中压开关柜的运行等，都带有很强的电气干扰和电磁辐射。而它们通常也都与自动化系统的控制柜放在一起，而它们非常容易对低电平的通讯信号产生影响。因此，抗干扰就成了工业通讯要解决的首要难题。
为了解决现场的干扰问题，除了在物理上要采用带屏蔽的电缆、屏蔽线单端接地、信号线两端加接终端电阻、动力线与信号线分开布线或者保持一定的间隔、自动化系统与其他系统分开接地外，还要在通信的协议上下功夫。前面提到：远程协议都有规定的帧格式，而其中的一部分就是要对传送数据的周期性进行检验，确保传输的过程准确无误，这部分内容被称为FCS（Frame Check Sequence）－帧检测序列，它是一种检测算法，专门用于通讯数据的检查。常用的算法有两种：循环冗余码校验（CRC：Cyclic Redundancy Check），和纵向冗余码校验（LRC：Longitudinal Redundancy Check），有8位、16位和32位之分，位数越多，校验能力就越强。
校验的基本原理是：发送数据之前，在发送端系统要对传送的数据帧中的数据进行计算，比如CRC的运算，把得出的结果放在FCS段，使之成为一个数据帧进行传送；数据经过传送，并被目的站接收后，在接收站对接收数据帧的数据进行运算，当然是和出发时的相同运算，得出的结果再和接收数据帧中的FCS内容进行比较，如果一致则说明传输无误，这一帧的传送任务完成，进行下一步的工作；如果不一致，则说明传输有误，告诉传送源请求数据重发。发送端通常会有一个重发的次数限制，比如3次，如果连续发生错误就说明线路有严重故障，甚至已经断开，系统会停止再试，马上向CPU和上位机操作员报警。
集散控制系统
在过程控制行业，也称为仪表控制行业，也从分立的仪表控制发展到了集成的控制系统，被称之为dcs（Distributed Control System）系统。我国在引进这种技术时，为了阐述分散控制、集中管理这个理念，把它翻译成：集散控制系统，而不是分布式控制系统。但我们从英文的内容看到：DCS是分布式控制系统的简称，强调的是“分布”的概念。
什么是分布的真正含义呢？从概念上说，所谓分布就是要分散危险，也就是说，不能因为系统中的某个元件或部件出问题，而造成整个系统的瘫痪。从结构来看，就是把控制系统比较重要的部分，如CPU，分散到几个CPU来实现；如存储器，分散到多个模块执行；如总线，变成冗余的网络进行；如操作系统，变成基于实时网络、多任务操作系统。
下面就对比我们非常熟悉的PC机，来理解DCS系统的结构。当老师介绍PC机的构成时，可以知道是由中央处理器（CPU），内部存储器（RAM），外部存储器（硬盘），内部总线（ISA，VESA，PCI等）和输入设备（键盘、鼠标、光驱、摄像头等），输出设备（显示器、打印机、绘图仪等）等构成；而DCS系统就是把上述的部件，变成网络中的一个节点单元（每个都相当于独立运行的PC机），来分散风险。
比如：DCS系统中的过程控制器和逻辑控制器，相当于两个CPU，分别完成仪表控制和电气控制；应用数据管理器相当于内部存储器；历史数据管理器相当于外部存储器；操作员站和工程师站相当于部分输入/输出单元；而所有的节点单元都通过实时的局域控制网络――相当于PC内部在线，连接在一起，构成了基本的DCS系统。可以看出：DCS系统是PC经过放大了的系统。但从系统的实现上，发生了质的变化：不因为某个节点单元发生故障，而造成整个系统的失效。不像我们的PC机：经常死机，需要重新驱动！
DCS系统不光分散了危险，也分散了CPU的负载。PC机中的所有工作都由一个CPU来做，而DCS系统中，则由多个CPU来实现，从而降低了每个CPU的工作量。应该说，这也是非常有意义的，因为CPU的负载超过某个值时，如80％，可能会造成过热、死机等问题，就是说：具有发生故障的潜在可能性。这也就是为什么很多游戏玩家，用“极品飞车”来测试CPU的性能，实际上，这是一种超负荷测试，来检验CPU的能力。从另外一个角度来说，仅仅使用集成度和时钟频率来提高CPU的性能的方法，遇到了物理和材料方面的极限，所以，无论是英特尔，还是AMD都采用双核与多核技术来提高CPU的性能。这也从反方向证明了：通过多CPU的方法可以提高整个系统能力。
图2：典型的DCS 结构
现场总线系统
前面介绍了远程输入/输出系统的基本概念和结构，如果再仔细分析就会发现，虽然系统解决了本地到远程的接线问题，可到了远程机架，还是采用传统的机架、传统的模块、传统的并行接线。我们会问：有没有可能从根本上改变传统的接线方式？有没有不用并行连接，而只用串行连接的传感器/执行器？这个答案就是：使用现场总线！
现场总线的历史可以追溯到上世纪的八十年代，由于工业自动化界缺少IT界类似于IBM和微软、英特尔这样的重量级大腕，一时间，现场总线的种类多如牛毛，有点象春秋战国时代的封建诸侯，各自为政，多达数十种，就连IEC通过的品种也有十八类。比如常用的有：Asi，Can，Modbus，InterBus，Profibus，FF，HART等。
图3：Asi 典型配置
现场总线对于工业控制和自动化的最大贡献是：它彻底颠覆了传统的接线方式，并把智能分配给了传感器和执行器。
第一，前面提到，传统的接线方式是并行的，而现场总线一律采用串行方式。只是考虑对传统接线方式的兼容，才允许在某些节点上，可以转成并行方式接线。从拓扑结构上看，有些现场总线除了支持总线方式之外，还支持树形、星形、环形和混合形的方式。从距离上看，从100米到1000米、数千米不等；从速度上说，低的有9600波特率，高的有几兆、十几兆的波特率。如果把以太网技术也纳入到现场总线里来的话，距离可以到几十到上百公里，速度可以达到千兆和万兆！
第二，传感器和执行器的智能化。现场总线不光能够传送传统的物理量的值，如：离散量、模拟量、脉冲量等，还可以传送传感器和执行器的状态量。应该说：这是一次质的飞跃！因为这是一个从前非现场总线不可能完成的任务！
试想一下，很多传感器装在平常人难于触及的地方，如：烟囱、地下、核实施等，如果传感器能够自己主动把运行状态告知控制系统，那真是现场维护人员的喜讯，大大减少了系统维护的费用。具了解，某个厂家的变送器的诊断参数多达37个，什么断线啦、温度超限啦、元件虚焊啦，统统一网打尽。可以说，只要你关心的问题，它们全都包括。使用这种变送器的用户，是否会因为这种产品的功能而爽呆了呢？
智能传感器的出现，也为维护人员对设备的维护，由被动转为了主动。试举一例来说明之。每种传感器都是有寿命的，比较重要的参数是：产品的电气寿命和机械寿命，一来这两个参数是不一样的；二来到了寿命不一定这个传感器就不能用了，可能还能持续一段时间，但具有潜在失效的可能性。传统的维护方法有两种，一种为：直到该传感器出了故障，不能用或者影响生产时，才来查找问题发生的故障源，找到后，更换该产品，这势必影响生产，带来延时和产品质量的损失；另一种为：按时更换所有的传感器产品，以防因为传感器故障影响生产，但这种方式维护的费用比较高，有些产品甚至怎么用就更换，比较浪费。
我们再来看看什么是主动的维护方法。充分利用传感器的智能——处理器和存储器，对其状态进行监视。讲一个最简单的方法，传感器不是有使用寿命吗？比如说明书上标注的是：20万次。那就对它的使用次数进行计数，快要达到这个次数时，如18万次，就马上提醒维护人员，告诉他们赶快更换这个传感器，否则要发生故障了。这样就可以把故障处理在它可能发生之前！当然了，即使故障由于其他的原因发生了，那么查找起来也比传统的传感器容易的多，因为它的故障状态已经显示在操作员的屏幕上了。
全分布式系统
前面介绍的分布式输入/输出系统，由于历史的原因，主站节点单元都放于环境较好的主机房里，通常还带有空调系统，确保室内的温度。这主要担心CPU是有源元件，集成度不高，容易出问题。而输入/输出从站节点单元位于较为恶劣的现场，考虑的是输入/输出模块大多数为无源的电阻、电容等元件构成，所以抗干扰的能力比较强，这就组成了传统的远程输入/输出的系统结构。
图4：典型全分布式方案
今天再看这种系统结构，也还是有很大的问题：第一，过分倚赖远程网络，所有的输入信号不管是否使用，不管时间长短，不管是否变化，每个扫描周期都要通过网络送向主站；而经过运算的结果，再通过网络，送向远程分站，线路繁忙，效率低下。第二，过分倚赖主站CPU的作用，所有的运算都由它来完成，负担较重，负载较大，而且一旦出现问题（包括CPU、网络），因为这是一种主从结构，分站是波动的接受方，所以即使知道也无能为力，只能听天由命。
为了克服上述问题，全分布式系统更多地强调平衡、和谐和主动。改变的方式如下：在远程分站，把通讯适配器改换成一个小CPU，把原来远程主站单元向远程分站发送数据的单向传送，变为既可以主站往分站送，又可以分站单元往主站发送的双向通讯。另外，分站的CPU也可以运行一些程序，分担主站CPU的负载。
这种结构的优点是：
■ 远程分站的CPU可以分担主站CPU的部分工作，这个百分比可以由用户来决定。比如：主站CPU和分站CPU各自执行50％的程序。这样就降低了主站CPU的负载。在最糟糕的情况，如主CPU停机或者远程通讯完全中断时，分站CPU承担所有工作，系统仍然可以正常运行。
■ 因为有了分站CPU，分站的处理能力加强，可以按照应用需求减少远程网络的传送数据，因为不是每个数据，每个扫描周期都要传送给主站单元。比如：有些数字量在扫描周期里没有变化，对程序没有影响，就不用传送；有些模拟量变化非常缓慢，我们可以给它们设置一个死区，在这个区域内，我们认为它没有变化，所以也不用传送。这样就降低了网络的负载。
■ 原来的结构，分站因为没有CPU，完全处于被动，状态是主站发，分站收，是一种单向通讯。用现在的新结构，除了原来的方式外，还可以增加分站主动向主站发送或索要信息，构成了一个反向通讯。这样分站就增加了主动性，可以根据主站、网络的情况，决定自己做什么工作，做多少工作，使得整个控制系统更加趋于平衡。运行更加趋于合理。
■ 在设备冗余的主站系统中，主站CPU进行切换时，如果没有分站的CPU，可能会发生两种情况：有扰动切换和无扰动切换。这种扰动是由于分布式网络运行周期与主站CPU的扫描周期不同步而造成的，如果两者同步就不会产生扰动，如果不同步就有可能产生扰动。而新结构增加了CPU，可以判断主站的工作情况，然后采取对应的策略，所以可以消除不必要的扰动。
从以上分析可以看出，从集中式I/O到分布式I/O（远程I/O），从集中式CPU到本地分布式CPU（dcs），从远程嵌入式CPU（现场总线），到远程分布式CPU（新分布式系统），有着一种符合其规律的发展过程，这也是伴随着芯片制造技术的提高，分站CPU抗干扰能力的增强，以及处理器价格的降低带来结果。因此我们的项目设计人员、项目执行人员、项目咨询人员和最终使用人员，应该与时俱进，转变固有概念，把自动化系统构建的更为高效，更为合理，更为平衡，更为和谐。
