工业控制系统发展历史

制作人：郑媛代正巧谭晓琨电气0947随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。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（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。1.计算机网络的前期发展计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）。人类历史上第一台计算机70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）。计算机联网的最初设想就是将多台远程设备通过公用电话网连接到一台中央计算器，构成面向终端分布的计算机通讯网，完成远程信息的收集、计算和处理。面向终端分布的计算机通信网还不是严格意义上的计算机网络，因为它只能单纯地依靠调制解调器通过公用电话网进行一对一的简单通信，如图1-1所示第一阶段第一阶段：面向终端分布的计算机通讯网主计算机MMTMMTMMTFEP公用电话网公用电话网公用电话网图1-1以分组交换(PS)方式交换和传输数据业务的电信网。用户发送的数据在进入网络时，首先被划分成一个一个的分组，分组加上寻址信息缓存在分组交换机中，转发时用作网络中的交换和路由选择的根据。PSDN有两类接入终端，分别是P-DTE（分组DTE）和C-DTE（字符DTE），基本特点是报文交换,核心交换网由报文（分组）交换设备（PSX）构成。分组交换数据网可以向用户提供两种基本业务：虚电路(VC)和永久虚电路(PVC)。PublicSwitchedTelephoneNetwork公用电话交换网公用电话网的一部分，在公用交换电话网中，当需要时才被建立连接。第三阶段：局域网（LAN）、互联网（Internet)、和综合业务数字网（ISDN)(1)局域网（LAN）局域网（LocalAreaNetwork）是在一个局部的地理范围内(如一个学校、工厂和机关内)，将各种计算机。外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或处理中心相连接，构成一个大范围的信息处理系统。简LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。由多个计算机网络相互连接而成，而不论采用何种协议与技术的网络。互联网，即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。互联网是指将两台计算机或者是两台以上的计算机终端、客户端、服务端通过计算机信息技术的手段互相联系起来的结果，人们可以与远在千里之外的朋友相互发送邮件、共同完成一项工作、共同娱乐。（2）互联网（3）综合业务数字网它通过普通的铜缆以更高的速率和质量传输语音和数据。ISDN是欧洲普及的电话网络形式。GSM移动电话标准也可以基于ISDN传输数据。因为ISDN是全部数字化的电路，所以它能够提供稳定的数据服务和连接速度，不像模拟线路那样对干扰比较明显。在数字线路上更容易开展更多的模拟线路无法或者比较困难保证质量的数字信息业务。例如除了基本的打电话功能之外，还能提供视频、图像与数据服务。ISDN需要一条全数字化的网络用来承载数字信号（只有0和1这两种状态），与普通模拟电话最大的区别就在这里。另外，ISDN也特指使用这项技术建立保持和断开电路交换的协议组或是isosorbidedinitrate.第四阶段：第四代计算机网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。第四代计算网络的特点：高带宽、高智能、高协同三个新特点。2.计算机网络中期发展进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。•80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。计算机网络发展阶段：•第一代计算机网络---远程终端联机阶段•第二代计算机---计算机网络阶段•第三代计算机网络---计算机网络互联阶段•第四代计算机网络---国际互联网与信息高速公路阶段3.计算机网络后期发展进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。•从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。4.计算机网络的作用（1）.数据交换和通信（2）资源共享（3）提高系统的可靠性（4）分布式网络处理和负载均衡工业控制系统历史回顾计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表(气动、电动)控制系统。气动、电动单元组合式模拟仪表控制系统。计算机集中控制系统（CCS)。集中式数字控制系统(DDC)。集散控制系统（DCS）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。工业控制：几个重要的阶段①模拟监测仪表＋手动控制（1930以前）②模拟单回路反馈控制器（1930以后）1945年美国人Bode，奠定了控制理论的基础。③监督控制（SCADA：SupervisoryControlandDataAquisition）计算机开始用于过程控制，主要是监视功能（1950s）④设定值控制（SPC：SetPointControl）由计算机计算出给定值，输出给模拟调节器（1960s）⑤直接数字控制（DDC：DirectDigitalControl）模拟PID电路变成了数字PID（1960s）⑥可编程控制器（PLC：ProgrammableLogicController）DickMorley博士，1968年，Modicon公司，084系列⑦分布式控制系统（DCS：DistributedControlSystem）分布式控制器，集中CRT监视（1975年，Honeywell：TDC2000）⑧现场总线仪表（FieldbusInstrument）用数字信号仪表取代4－20mA模拟仪表（1990s）丨综合信息管理自动化系统管控一体化优化控制先进控制系统复杂调节系统串级调节系统单回路调节系统参数检测19601970198019902000DDZ—IIQDZ—IIDDZ-IIIQDZ-IIIDCS开放系统PLCIPC新一代控制系统FCS现场总线基地式调节器分立元件仪表2005调节器单回路调节器多回路调节器FCS现场总线DCS分散控制系统价格PC+I/O工控机系统PLC可编程控制系统功能和规模5.计算机集中控制系统CCS20世纪60年代,数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统——CCS（计算机集中控制系统）。在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，例如复杂控制算法和协调控制，从而使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成控制网络体系，故CCS在集中控制的同时也集中了危险。DCS的发展历程70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统(DCS)。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。在以后的近30年间，DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。1.现场总线控制系统（FCS)（1.）FCS实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络。（2）.为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同,控制网络直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性,现场总线对标准的网络协议作了简化,省略了一些中间层,只包括ISO/OSI7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。2.现场总线的标准IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总线作为国际现场总线标准,其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）。(1)Profibus现场总线它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。(2)控制局域网(ControlAreaNetwork，CAN)控制网络最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信。此外还值得一提的是，可寻址远程传感器数据公路(HighwayAddressableRemoteTransducer，HART)协议，它是由美国Rosemount公司最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。(3)基金会现场总线(FoundationFieldbus)在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的WorldFIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(FieldbusFoundat