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单片机是将CPU、存储器、串并行I/O接口、定时/计数器，甚至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。
这种单片机有两种结构：一种是将程序存储器和数据存储器分开，分别编址的Harvard结构，如MCS-51系列；另一种是对两者不作逻辑上区分，统一编址的Princeton结构，如MCS-98系列。
由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。 （4） 总线式工控机
总线即是一组信号线的集合，一种传送规定信息的公共通道。它定义了各引线的信号特性、电气特性和机械特性。按照这种统一的总线标准，计算机厂家可设计制造出若干具有某种通用功能的模板，而系统设计人员则根据不同的生产过程，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。
这种采用总线技术研制生产的计算机控制系统就称为总线式工控机。总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准化的设计特点，能满足不同层次，不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行，因而，其应用极为广泛。
目前我国工控领域的主流机型当首推STD总线工控机，它有3种系列：Z80系列、8088/86系列和单片机系列。 （5） 集散控制系统(DCS)
DCS是在人们分析比较了模拟仪表分散控制与计算机集中控制的特点之后，综合了两者的优点而推出的一种控制分散、操作集中的新型高级控制系统。自1975年第一套DCS问世以来，世界上各大仪表公司便纷纷研制出各种类型各具特色的系列产品。20年来，DCS在技术发展与市场需求方面都是其他机型无法比拟的，未来的DCS必将取代绝大多数仪表，而在控制领域中占据主导统治地位。 （6） 现场总线控制系统(FCS)
FCS用现场总线把传感器、变送器、执行器和控制器集成在一起，实现生产过程的信息集成。它把通信一直延伸到生产现场或生产设备，在生产现场直接构成现场通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。直接在现场总线上组成控制回路，在生产现场构成分布式网络自动化系统，使系统进一步开放。
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2 DCS系统介绍
集散控制系统是计算机控制系统的一种结构形式，又称多级计算机分布控制系统和分布式控制系统。它是以微处理器为基础的集中分散控制系统，根据分级设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，以达到“分散控制为主，集中控制为辅”的控制目的。
本章着重从集散控制系统的体系结构出发，来分析DCS体系结构的特点和功能。尽管不同DCS产品在硬件的互换性、软件的兼容性、操作的一致性上很难达到统一，但从其基本构成方式和构成要素来分析，仍然具有相同或相似的体系结构。因此，本章介绍了DCS的体系结构、硬件、软件和通信网络。
2.1 DCS的体系结构
集中式计算机控制系统，其两大应用指标就是中央计算机的处理速度和计算机自身的可靠性，存在如下问题：(1) 计算机的处理速度问题。(2) 系统的复杂性问题。(3) 系统维修改造问题。基于这种状况，必须寻求一种更加可靠的计算机自动化控制系统，其方案不外乎有以下两种。(1) 使计算机本身更加可靠。(2) 引入功能上可替代的集散型控制技术，以改善系统的可靠性。
这就意味着要中央计算机更加可靠，其实施的方法可以采用大规模集成电路过程控制计算机或是采用多计算机(多CPU)结构。后来的发展朝集散型控制技术方向发展，DCS应运而生。
DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想，DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层，决策管理层。
图2-1 DCS的层次结构
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（1） 现场装置管理层次的直接控制层(过程控制级)
在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置(如变送器、执行器、记录仪表等)相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第二层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。 （2） 过程管理层(操作监控层)
在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息、集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。 （3） 生产管理层(产品管理级)
在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。
（4） 决策管理层(工厂总体管理和经营管理层 )
这一级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。
集散控制系统的四级典型功能层次，其各层的功能如下图。
图2-2 集散控制系统体系结构的各层功能
2.2 DCS的硬件
一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站一台工程师站(也可利用一台操作员站兼做工程师站)，一条系统网络。一个典型的
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DCS体结构如图2-3所示，图中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。
除了上述四个基本的组成部分之外，DCS还可包括完成某些专门功能的站、扩充生产管理和信息处理功能的信息网络。以及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。
图2-3 典型的DCS体系结构
（1） 操作员站
操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器(CRT或液晶屏)和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。 （2） 现场控制站
现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器(即主CPU)、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。现场控制站内的逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，如Multibus、VME、STD、ISA、PCI04、PCI和Compact PCI等。
由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的隔离，
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成本较高，很难方便地实现扩充，现场控制站内的逻辑部分和现场I/O之间的连接方式转向了串行总线。 （3） 工程师站
工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。应用组态是DCS应用过程当中必不可少的一个环节，因为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是什么，控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对一个具体控制应用的可运行系统。
组态工作是在系统运行之前进行的，或说是离线进行的，一旦组态完成，系统就具备了运行能力。当系统在线运行时，工程师站可起到一个对DCS本身的运行进行状态进行监视的作用能及时发现系统出现的异常，并及时进行处置。在DCS在线运行当中，也允许进行组态，并对系统的一些定义进行修改和添加，这种操作被称为在线组态，同样，在线组态也是工程师站的一项重要功能。 （4） 服务器及其他功能站
在现代的DCS结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。 （5） 系统网络
DCS的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现，因此都是由各个DCS厂家专门精心设计的，以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。 （6） 现场总线网络
早期的DCS在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分也被数字化，因此DCS将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连接