近几十年以来，各种类型的计算机控制系统已经成了工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证，是现代工业生产中不可替代的神经中枢。与常规仪表控制系统相比，计算机控制系统表现有极大的优越性，例如系统构筑简单、维护方便、控制功能强大、便于实现先进控制、人机交互界面友好等等。计算机控制系统不仅能够有效地实现常规意义上的工业过程自动化，更主要的是它还可以实现集信息流自动化和信息管理自动化为一体的综合自动化。回顾近些年来自动化技术发展过程，计算机控制系统的结构特征从早期的直接数字量控制、集中型计算机控制，发展到分布式计算机控制和现场总线控制；计算机控制系统的功能特征也由单一的回路自动化、工厂局域自动化，发展为全厂综合自动化和计算机集成制造。
计算机控制系统的基本组成
（1） 硬件组成
从硬件角度看，计算机控制系统由计算机控制装置、测量变送装置、执行器和被控对象等几大部分组成，如图1.1所示。
计算机控制装置通常可理解为由一般意义上的计算机系统和特定的过程输入输出设备组成，典型的计算机系统还可以细分为主机、外部设备、系统总线等若干部分。其中，计算机控制装置的系统总线包括内部总线和外部总线二种，前者是计算机系统内部各组成部分进行信息传输的公共通道；后者是计算机控制装置与其它计算机系统、智能仪表及各种智能设备进行信息传输的公共通道，如：RS-232C、RS-485及各种类型的现场总线等等。过程输入输出设备也即I/O接口，它们是计算机系统与生产过程之间信号传递和变换的连接通道。
（2） 软件组成
硬件部分只能构成裸机，必须为裸机提供软件才能把人的思维和知识用于对生产过程的控制。通常软件分为系统软件、支持软件和应用软件三种类型。系统软件包括操作系统等支持软件和应用软件最基础的运行平台。支持软件运行在系统软件的平台上，用于开发各种功能的应用软件，一般包括汇编语言、高级语言、数据库、组态软件等。应用软件是系统设计人员针对某个生产过程及其控制要求而特定编制的控制和管理程序。用于操作站的应用软件前者主要实现通信管理、数据库的使用和维护、人机交互等功能，它要求在满足一定的实时性要求的前提下提供尽可能完善的功能，这部分软件一般可以采用特定的组态软件、VB、VC、Delphi或其它一些高级语言来开发。过程输入/输出、信号滤波、实时控制等功能通常由控制站的应用软件实现，它基于经典或现代控制理论中的控制算法，将其演绎为实际应用，这部分软件的开发重点是在实现有效控制的前提下满足控制系统的实时性要求。
计算机控制系统的主要设计思想
设计一套完整的计算机控制系统主要要把握好系统的可靠性、可维护性、实时性和性价比四方面的性能。
安全可靠是系统设计的首要目标，可靠度、平均无故障工作时间MTBF是描述可靠性的主要指标。一个设备或系统的可靠度越高、或者MTBF越大，说明其可靠性越高。选用高可靠性的硬件设备、采用分散控制思想、实现系统的故障自诊断和自动处理功能等都是设计高可靠性系统的基本措施，必要时还可以采用硬件冗余的方法来提高系统的整体可靠性。
可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力，简单的说它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。一般来说，采用模块化的结构形式可便于调整系统构成、更换故障模块；选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，易于保证故障设备更换前后的系统性能不受影响；够带电插拔维修，可降低子系统的故障对整个系统产生的影响；实现软硬件自诊断功能，可便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查和排除故障等等。
计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。控制系统的实时性不一定要求系统的响应速度是最快的，但最大响应时间一定是可预知的。
一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即追求尽可能高的性能价格比。
计算机控制系统的简要发展过程
在应用过程控制之前，计算机主要作为数值运算、数据统计和数值分析的工具，与实际生产过程没有任何的物理连接。上世纪50年代末期，DDC的出现，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代。先后由直接数字量控制系统、集中型计算机控制系统、集散控制系统，一直发展到现场总线控制系统。
在过去的几十年中，工业过程控制仪表一直采用4～20mA等标准的模拟信号传输，一对信号传输线中仅能单向地传输一个信息，如图1.2。随着微处理器在过程控制装置和仪表装置中的应用不断增加，各种智能仪表和设备在现代化的工业控制中的应用日渐广泛，导致了用数字信号传输技术代替模拟信号传输技术的需要，这种现场信号传输技术就被称作为现场总线。根据国际电工委员会和现场总线基金会对现场总线的定义，现场总线是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。如图1.3，现场总线在本质上是全数字式的，它有两个显著特点：一是双向数据通信能力；二是把控制任务下移到智能现场设备，以实现测量控制一体化，从而提高系统固有可靠性。当前，现场总线及由此而产生的现场总线智能仪表和控制系统已成为全世界范围自动化技术发展的热点。
计算机控制系统的发展特征
随着网络通信技术的迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势，当今计算机控制系统主要发展特征可以归纳为以下三个方面。
(1)系统结构向网络化、网络向扁平化方向发展
计算机网络的发展和应用使传统的回路控制系统的结构发生了根本性的变化。尤其是现场总线技术的发展和应用，使计算机控制系统各个层面的网络化成为可能。另外，新一代的计算机控制系统的网络结构同样会是分层的，各网络层面的信息交换将在一个“贯通”、“透明”的网络整体中实现，计算机控制系统的网络结构将由多层向两层网络发展，即所谓的网络扁平化。
(2)系统功能向综合化方向发展
在网络化计算机控制系统中，系统功能不再局限于传统意义上的“控制”，而是要实现集工业生产过程自动化和管理自动化为一体的计算机综合自动化，它主要的是体现以信息集成为本质的技术集成，也包括人的集成。此外，应用先进控制技术、提供更多的先进控制软件也将是计算机控制系统需要发展的一个主要内容，这也是进一步提高计算机控制系统性能价格比最为有效的途径。
(3)系统设备向多样化方向发展
随着计算机控制技术的发展，系统结构和系统功能日趋复杂，系统软硬件也逐渐向多样化集成的方向发展。例如：DCS与PLC的相互融合、发展以IPC为基础的小型工业控制系统、OPC技术的发展与应用、现场总线及工业以太网技术的推广应用等等。
计算机网络的拓扑结构
计算机网络拓扑结构是指网络中硬件系统的连接形式。归纳起来，主要有如图1.4所示的几种形式。
网络传输介质
网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路，常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质等。
双绞线是把2根相互绝缘的铜线以一定的密度绞成有规则的螺旋型，使一根导线发出的电磁波被另一根导线发出的电磁波所抵消。若把一对和多对双绞线集成一束，并把它们安装在绝缘套管中便形成了典型的双绞线电缆。双绞线电缆是是多数网络系统的首选传输介质，成本较低，但它在传输距离、带宽等方面受到一些限制。双绞线电缆分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP两类，如图1.5，STP在双绞线和保护层之间增加了一个屏蔽层，以提高抗干扰性能。工业网络多采用STP作为传输介质。
同轴电缆由内外两个导体组成，内导体为实芯或多芯铜质电缆，外导体是以内导体为轴线的金属或金属网层，内外导体之间是绝缘层，每一层的排列都基于相同的轴线。同轴电缆的传输特性要优于双绞线电缆。
光导纤维是在给定的频率下以光的出现和消失表示一个二进制数字，一般是用玻璃或塑料制成的，塑料光纤的传输性能不如玻璃光纤，主干网络中常采用光纤作为传输介质。
无线传输不需要架设传输电缆或光纤等物理介质，信息是利用微波、红外线、激光等通过空气传送，这种传输方式的抗干扰能力相对较弱。
开放系统互联参考模型
OSI/RM是在国际标准化组织为实现开放系统互联制定出来的七层模型，其目的是为异种网络互联提供一个共同的基础和标准框架，并保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考，它强调了通信系统连接的开放特性。
TCP/IP协议
当前，在众多的网络体系结构中，涉及面最广、影响最大的当属TCP/IP体系，它是Internet的核心协议。虽然TCP/IP不是国际标准，但由于该协议的简单、实用和成熟，更由于Internet的流行，TCP/IP成为了事实上的国际标准。值得一提的是，TCP/IP已渗透到了计算机控制系统的各个网络层面。
(1)IP协议
互联网协议IP正象网络中各计算机交换信息所使用的共同语言，它规定了在通信中所应共同遵守的约定，对底层网络硬件几乎没有任何要求。IP地址是任何使用TCP/IP协议进行通信的基础，互联网络上每个节点都要求有唯一的IP地址。目前Internet上所使用的第四版本的IP，即IPv4，一个完整的IP地址有4字节（32位）。每个IP地址包括两个标识码，即网络ID和主机ID。网络ID用以标明具体的网络段，同一个物理网络对应同一个网络ID；主机ID用以标明具体的节点，网络上的每一个主机有一个主机ID与其对应。随着Internet的飞速膨胀，IPv4的32位地址长度已显得不够用了，新一代的IP协议IPv6将成为下一代IPng的标准，IPv6的地址由原来的32位扩展到128位。
IP协议向上提供的是面向无连接的数据传输服务，不存在建立通路、释放通路的问题。整个数据传输一般包括三个步骤：①数据的封装，把IP数据报封装成物理帧；②数据的分段，以“方便”为原则，根据通信子网的最大传输单元MTU确定分组的大小。当分组传送到MTU较小的通信子网时，再将分组分成若干较小部分，封装到不同帧里进行传送。③数据的重组，IP数据的重组就是对数据报的还原。一旦数据报被分段，各段数据作为独立的分组进行传输，到达信宿机之前可能被多次分段，但重组则只有在信宿机上进行的一次。
(2)TCP和UDP协议
传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP都是传输层协议，一般情况下，它们共存于一个互联网中。UDP建立在IP协议之上，提供面向无连接的数据报传输。UDP是一个不可靠的传输层协议，除了可以通过校验和来判断数据的完整性之外，它不进行任何其它检查，它不能保证数据报的接收顺序同发送顺序相同，甚至也不能保证它们是否全部到达，因此，基于UDP的通信进程必须自己解决诸如报文丢失、报文重复、报文失序等可靠性问题。TCP是一种面向连接、端对端、高可靠性的数据传输层协议，它建立在不可靠的IP协议之上，数据传输的可靠性完全由TCP自己保证。在接收端，TCP按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP几乎可以无差错地传送数据。