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          技術頻道

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          帶你深入了解工控系統歷史淵源及發展軌跡

          時間:2022-02-17 16:58:38來源:維科工控網

          導語:?工業控制系統作為工廠流程的一部分出現在世人面前大約是在十八世紀中期,但事實上,古代的希臘人與阿拉伯人就已經開始在諸如水鐘、油燈這樣的裝置中使用浮動閥門進行自動控制了。

            世界上第一臺有記載的自動控制設備是公元前二百五十年左右埃及人所使用的水鐘。這臺水鐘以水作為動力進行計時與矯正,將世界最準確計時工具的頭銜保持了將近兩千年,直到擺鐘被發明。

            1745年,安裝在風車中控制磨盤間的間隙,已經開始由自動裝置進行控制。這種控制機構是最早真正用于工業的控制系統之一,并且最終導致了由蒸汽引擎引發的第一次工業革命。

            之后的一個多世紀,絕大部分的工業控制系統所關注的重點是對蒸汽系統中的溫度、壓力、液面以及機器轉速的控制。但隨著工業革命的深入,十八世紀中期至二十世紀初,工業控制系統開始了有史以來第一次全面發展:

            航海:由于大型船只的使用,舵面轉向因流體動力學的改變變得更加復雜。與此同時,操作機構與舵面之間傳動機構的增多及增大導致動作響應時間更加緩慢。1873 年,讓?約瑟夫?萊昂?法爾,一名法國企業家兼工程師,發明了被其稱為“動力輔助器”的裝置來解決上述問題。今天,經后人改進,他的發明有了新的名字:伺服機構。

            制造:這一時期,繼電器開始在工廠中大量使用。通過繼電器構筑的邏輯(如“開/關”和“是/否”)代替了之前使用人工的制造業控制方式。今天廣泛用于工業控制系統的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller :PLC )就是繼電器邏輯發展的產物。

            電力:新興的電力行業也在這一時期投入大量資金進行工業控制系統的構建。比如設計并發明了用于控制電壓或者電流使其保持恒定的電力監測與控制系統。到1920 年,雖然絕大多數控制手段只是簡單的“開/關”,中央控制室已經成為大型工廠和電站的標準配置。中央控制室中的記錄器能夠對系統運行狀況進行繪制或者使用彩色燈泡反映系統狀態,操作員則以此為依據對某些開關進行操作,完成對系統的控制。用于現代電廠的工業控制系統已現雛形。

            交通:工業控制系統在交通領域的發展得益于用于控制平衡以及自動駕駛的陀螺儀的首次使用。這一時期,埃爾默?斯佩里發明了早期的主動式平衡裝置。到1930 年,許多航空公司在遠距離飛行中都使用他發明的自動駕駛儀。

            研究:1932 年,“負反饋”的概念被納入到控制理論中并用于新型控制系統的設計,并完成控制領域中“標準閉環分析”方法的建立。

            這一時期,工業控制系統所面臨的大多數問題是如何保證工業控制系統的可靠性及物理安全性。由于經典控制理論當時并未建立,相當多的控制系統具有很高的失效率。當時的工程師常常碰到這樣的問題,同樣一個控制系統在不同控制環境中的可靠性相差極大,而他們能夠做的只有極為有限的定性分析。富有經驗的工程師能夠在一定程度上通過安全操作規范的形式解決工業控制系統的物理安全問題以及一線工人的人身安全問題。

            1935年,工業控制系統的啟蒙時期隨著“通信大繁榮”的開始而結束。遠距離有線及無線通信技術的應用,標志著工業控制系統古典時期正式開始。

            古典主義時期:1935 年-1950 年

            由于奠定了現代工業控制理論及相關標準的基礎,1935 年至1950 年被很多學者稱為工業控制領域的古典主義時期。這一時期的工業控制產業和相關標準由四個美國組織所建立:

            美國電話電報公司:專注于通信系統的帶寬拓寬。

            建設者鑄鐵公司艾德 史密斯帶領的過程工程師與物理學家團隊:對自己所使用的工業控制系統進行深入研究,并開始系統性地研究控制理論。他們統一了控制領域的大量術語,游說美國機械工程師協會(ASME )將其編制成正式文件,并且于1936 年成立了監管委員會。

            ?怂共_公司:設計了第一款現代工業控制中最常用的反饋回路控制部件,比例積分控制器。

            麻省理工學院伺服機構實驗室:引入了控制系統“框圖”的概念,開始對工業控制系統進行模擬。

            有了經典控制理論作為基礎,工業控制系統的可靠性大大增加,同期的“通信大繁榮”使工業控制領域的安全焦點從物理安全保障轉移為通信安全保障,即防止工業控制系統在信號傳輸過程中被干擾或破壞。

            戰爭是這一時期工業控制系統理論與技術蓬勃發展的重要原因。第二次世界大戰期間,各國都將控制領域的專家匯集起來,解決諸多軍事上的控制問題:移動平臺穩定性問題、目標跟蹤問題以及移動目標射擊問題。而這些研究成果,在戰后都很快地轉換為民用技術。有了戰時技術與理論的積累,工業控制系統在百廢待興的戰后時期進行了大規模的更新換代:執行機構更加耐用、更加精密;數據采集系統效率更高、更具實時性;中央控制機構的操作更加直觀、更加簡單。所有的發電廠、汽車制造廠、煉油廠都全速運行,完全不知道下一個飛躍即將來臨。

            新疆域:1950 年至今

            1950年,斯佩里-蘭德公司造出了第一臺商業數據處理機UNIVAC ,工業控制系統正式全面與通信系統及電子計算機結合,開啟了工業控制系統數字化的新疆域。

            數年后,全球第一個數字化工業控制系統建設完成。這個系統使用單一計算機控制整個工業控制系統,被稱為直接數字控制(Direct Digital Control :DDC ),也就是第一代工業控制系統:計算機集中控制系統。同時,現代工業控制系統的結構也逐漸清晰起來,其核心組件開始形成:

            可編程邏輯控制器(PLC ):用于工業控制系統的繼電器逐漸顯示出其局限。繼電器價格昂貴,并且一旦配置完成并啟動,就難以對其控制邏輯進行改變,這些缺陷導致了可編程邏輯控制器的發展。第一個交付使用的可編程邏輯控制器名為Modicon ,其名稱來源于模塊化數字控制器英文縮寫的組合。之后,它被用于佛蒙特州普林菲爾德市的科比查克研磨公司,用戶對其評價極高,稱其“沒有大量的開關、沒有風扇、沒有噪音、沒有任何的易損部件”。隨著大規模集成電路的發展,可編程邏輯控制的控制能力日趨增強,其可用輸入輸出端口從早期的數個到現在的上百個,控制頻率也隨著大規模集成電路運算速度的提升而急速上升。需要密集并精確控制的精密制造業因可編程邏輯控制器的發展而獲益。隨著通信技術的發展,可編程邏輯控制器也由封閉的私有通訊協議轉而使用開放的公共協議,大幅度提高了系統的兼容性,方便了系統的維護與更新。

            數據采集與監控系統(SCADA ):數據采集與監控系統開始應用于地區或地理跨度非常大的工業控制系統,比如用于與火力發電廠毗鄰的高壓變電站、自來水給水系統和廢水收集系統、石油與天然氣管道系統等等。其主要功能是收集系統狀態信息,處理數據以及遠距離通信。根據數據采集與監控系統所采集的各種數據,控制中心的管理人員可以進行各種操作,維持整個系統的正常運行。

            遠程終端單元(RTU ):數據采集與監控系統的完善需要遠程終端單元的發展。20 世紀60 年代,第一代遠程終端單元在發電廠進行了布設。即使是在發電廠斷電的情況下,遠程終端單元也需要進行動作,所以其均配備有額外的供電系統。由于遠程終端單元是在連續掃描且須快速反應的工作狀態中進行操作,其通訊協議必須兼具高效與安全,且安全是重中之重,所以早期的遠程控制單元供應商所使用的協議各不相同,各供應商的系統完全無法兼容。在國際電氣與電子工程師學會(IEEE )的推動以及基于微處理器的通訊接口的發展下,遠程終端單元的兼容性問題逐步得到了解決。

            通信技術:早期的工業控制系統使用電話線路對系統進行監控與操作,其數據速率(波特率)僅300 比特/秒。為滿足系統操作的實時性,工程師將電話線中的數據速率提高到了1200 比特/秒到9600 比特/秒?紤]到通訊設備的成本與控制成本,相當多的電力控制系統選擇了電力線通訊技術,既在電力線載波上傳輸數據與聲音。不久電力線載波技術又被微波技術取代。然后,光纖網絡開始在廣域網(WAN )中使用,F在,有相當多的公司將衛星通訊以及更加便宜的900 兆赫茲的無線通信系統用于工業控制系統。

            協議:隨著可編程控制器、遠程終端單元以及智能電子設備的發展,通信網絡中所傳遞的早已不是“開”與“關”這樣簡單的信號,F在,維基百科中所列舉的自動化協議已經有37 種之多,另外還有6 種電力系統協議。協議的巨大差異為系統部署、操作以及維護帶來了巨大的挑戰,并且這種情況還在隨時間的推移不斷惡化。20 世紀80 年代,IEEE 成立了一個工作組專門對工業控制系統日益擴大的協議兼容性問題尋找可行的解決方案。在對120 個工業控制系統協議進行篩選之后,制定了兩個標準化協議:分布式網絡協議版本3 (DNP3 )以及國際電工委員會(IEC )60870-5-101 。目前,DNP3 已經是使用最為廣泛的工業控制系統協議。

            由于電子計算機與現代通信網絡的發展,工業控制系統在幾十年之內已經完成了多次更新換代:

            第一次:從20 世紀50 年代開始,工業控制系統開始由之前的氣動、電動單元組合式模擬儀表、手動控制系統升級為使用模擬回路的反饋控制器,形成了使用計算機的集中式工業控制系統。

            第二次:大約在20 世紀60 年代,工業控制系統開始由計算機集中控制系統升級為集中式數字控制系統。系統中的模擬控制電路開始逐步更換為數字控制電路,并且完成繼電器到可編程邏輯控制器的全面替換。由于系統的全面數字化,工業控制系統使用更為先進的控制算法與協調控制,從而使工業控制系統發生了質的飛躍。但由于集中控制系統直接面向控制對象,所以在集中控制的同時也集中了風險。

            第三次:20 世紀70 年代中期,由于工業設備大型化、工藝流程連續性要求增加以及工藝參數控制量的增多,已經普及的組合儀表顯示已經不能滿足工業控制系統的需要。集中式數字控制系統逐漸被離散式控制系統所取代。大量的中央控制室開始使用CRT 顯示器對系統狀態進行監視。越來越多的行業開始使用最新的離散式控制系統,包括煉油、石化、化工、電力、輕工以及市政工程。

            第四次:20 世紀90 年代后期,集計算機技術、網絡技術與控制技術為一體的全分散、全數字、全開放的工業控制系統--現場總線控制系統(FCS )應運而生。相比之前的分布式控制系統,現場總線控制系統具有更高的可靠性、更強的功能、更靈活的結構、對控制現場更強的適應性以及更加開放的標準。

            由于技術的快速發展,現代工業控制系統的安全問題越來越復雜,其面臨的風險及威脅類型也越來越多,包括黑客、間諜軟件、釣魚軟件、惡意軟件、內部威脅、垃圾信息以及工業間諜。上述風險與威脅針對控制系統的攻擊方式也各不相同,有的專門攻擊工業控制系統本身的漏洞,有的希望通過入侵工業控制系統所使用的通信網絡(包括軟件及硬件)獲取相關利益。由于工業控制系統管理著大量的國家基礎設施,其安全性與可靠性對社會發展及國家安全極其重要,可以斷言,在未來相當長時間里,工業控制系統的安全策略與防護措施將持續受到關注。

            工業控制系統的變革方向

            現在,工業控制系統的變革仍在繼續,有以下三個主要發展方向:新型現場總線控制系統、基于PC 的工業控制計算機以及管控一體化系統集成技術。

            現場總線控制系統

            由于技術的發展,計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統(DCS)后,將朝著現場總線控制系統(FCS)的方向發展,F場總線控制系統(FCS )是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡。它也被稱為現場底層設備控制網絡。新一代的現場總線控制系統正從實驗室走向實用化,必然會影響工業控制系統的前景。很多人相信,經過一段時間,現場總線控制系統將與分布式控制系統逐步融合,并最后取而代之?梢灶A見,能遵循現場總線通信協議或能與其交換信息的可編程邏輯控制器將成為下一代PLC 的主流,充分發揮其在處理開關量方面的優勢。

            固然以現場總線為基礎的FCS 發展很快,但FCS 發展還有很多工作要做,如統一標準、儀表智能化等。另外,傳統控制系統的維護和改造還需要DCS ,因此FCS 完全取代傳統的DCS 還需要一個較長的過程,同時DCS 本身也在不斷的發展與完善。確定的是,結合DCS 、產業以太網、先進控制等新技術的FCS 將具有強大的生命力。產業以太網以及現場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式,在產業現場得到了越來越多的應用,并將在控制領域中占有更加重要的地位。

            工業PC

            工業PC 自上世紀90 年代初進入軍工業自動化以來,正勢不可擋地深入各領域,獲得了廣泛應用。究其原因,在于PC 機的開放性,具有豐富的硬件資源、軟件資源和人力資源,能夠得到廣大工程技術人員的支持,也為廣大人群所熟悉;赑C (包括嵌入式PC )的工業控制系統,正以每年20%以上的速率增長。各大可編程邏輯控制器廠商、工業控制系統集成商也接受了工業PC 的技術路線,使基于PC 的工業控制技術成為本世紀初的主流技術之一。

            工業PC 低成本的這一特點,也是其有望成為工業控制自動化主流的另一重要因素。在傳統自動化系統中,基礎自動化部分基本被PLC 和DCS 壟斷,過程自動化和管理自動化部分主要由各種高端過程計算機或小型機組成,其硬件、系統軟件和應用軟件的價格之高令眾多企業望而卻步。在企業發展的前中期,選擇走低成本工業控制自動化的道路是企業的首選,并且由于基于工業PC 的控制器被證明可以像PLC 一樣可靠,具有易于被操作和維護人員接受、易于安裝和使用以及可實現高級診斷功能等特點,為系統集成商提供了更靈活的選擇,因此越來越多的制造商開始在部分生產中采用工業PC 控制方案。

            可以預見,工業PC 與PLC 的競爭將主要在高端應用上,其數據復雜且設備集成度高。從發展趨勢看,控制系統的將來很可能會介于工業PC 和PLC 之間,而這些融合的跡象也已經出現。今后在相當長的一段時間內,現場總線技術、可程序設計邏輯控制器與工業PC 將會相互補充,相互促進,但工業PC 的優勢將更加突出,其應用范圍會迅速擴大到全部的工業控制領域。

            管控一體化系統集成

            隨著Internet 技術深入到工業控制領域,控制系統與管理系統的結合成為必然,這使得工業自動化界渴望已久的管控一體化、工業企業信息化以及基于網絡的自動化的目標成為可能。管控一體化可以使企業選擇到真正符合新經濟時代的最佳解決方案,從而提高企業的生產效率,增強市場競爭能力。因此,工業控制技術發展新方向是通過以太網和Web 技術實現開放型分布式智能系統,基于以太網和TCP/IP 協議的技術標準,提供模塊化、分布式、可重用的工業控制方案。其最主要的方面就是發展基于網絡的工程化工業控制與管理軟件。

            建設管控一體化系統,包括多種系統的集成和多種技術的集成。在多種系統集成方面,首先是現場控制網絡多種系統的集成,這其中包含三種集成模型。第一是現場總線控制系統FCS 與DCS 的集成,即FCS 實現基本的測控回路,DCS 作為高一層的管理協調者實現復雜的先進控制和優化功能。第二是現場總線控制系統FCS 、DCS 與PLC 的集成,即邏輯聯鎖比較復雜的場合使用PLC 、FCS 實現基本的測控回路,DCS 作為高一層的管理協調者,實現復雜的先進控制和優化功能。第三是多種FCS 的集成,解決不同通信協議的轉換問題,重點研究不同現場總線設備的互操作性和統一的組態、監控和軟件的研制,以實現無縫集成而不損失或者影響各個獨立系統的功能和性能。其次是管理網絡與控制網絡的集成,在未來的企業管理中,大量的數據來自控制網絡,建設企業應用軟件系統,包括實時數據庫、歷史數據庫、數據發布、數據挖掘、模型計算、過程仿真、配方設計、運行優化、參數檢測、偏差分析和故障診斷等,通過在Internet/Web 應用網絡環境上建立各類數據庫,才能真正實現管控一體化。它向下可以為控制軟件提供智能決策,向上可以為管理軟件提供有價值的數據。

            在多種技術集成方面,包括設備互操作技術、通用數據交換技術、EtherNET 和工業以太網技術等多種技術的集成。其中通用數據交換技術又包括了DDE 動態數據交換技術、NetDDE 網絡動態交換技術、ODBC 開放數據庫互聯技術、COM/DCOM 組件對象模型以及OPC 技術。而EtherNET+TCP/IP 技術可以實現工業現場的控制參數和各網絡節點的狀態直接在企業信息網絡內傳輸和共享,從而避免了PLC 、DCS 和FCS 存在多種協議而難以集成的局面。

            相信在不久的將來,在上述三項技術的推動下,我們能夠看到工業控制領域的再一次質的飛躍,而人類文明也會隨之繼續前進。

          標簽: 工控軟件

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