一文了解現(xiàn)代工業(yè)控制的發(fā)展

控制系統(tǒng)的第一代產(chǎn)生于1930年到1940年，主要代表是以基地式儀表為代表的機(jī)械控制技術(shù)。第二代產(chǎn)生于1950年，主要是電氣控制技術(shù)為主的繼電器控制技術(shù)和調(diào)節(jié)器為代表的模擬控制技術(shù)。目前所稱的控制系統(tǒng)是第三代控制系統(tǒng)，誕生于二十世紀(jì)七十年代，主要技術(shù)代表是用于流程工業(yè)的集散控制系統(tǒng)（DCS）和用于離散工業(yè)的可編程控制器（PLC）。 PLC和DCS是第三代控制系統(tǒng)的代表，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中應(yīng)用的很多，PLC和DCS功能相似，但其實(shí)使用領(lǐng)域有很大的差別，PLC使用在如繞線機(jī)、包裝機(jī)等，而DCS則使用在航天、大型工業(yè)控制，最近幾年DCS和PLC公司都轉(zhuǎn)向共同稱之為“混合型控制系”的領(lǐng)域，嘗試著把DCS系統(tǒng)的強(qiáng)大功能、復(fù)雜性和PLC系統(tǒng)的靈活、開放性以及低價(jià)位結(jié)合起來。為此，DCS公司減少了其系統(tǒng)所占用的空間，而PLC公司則開始集成其組件以制造更完善的系統(tǒng)。

可編程控制器（Programmable Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC，plc自1966年出現(xiàn)，美國，日本，德國的可編程控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，它具有高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、靈活，易學(xué)易用、體積小，重量輕，價(jià)格便宜的特點(diǎn)。

PLC技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)新的動向：產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個(gè)方向發(fā)展 大：I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)14336點(diǎn)、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。 ?。河烧w結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。 2：PLC在閉環(huán)過程控制中應(yīng)用日益廣泛 3：不斷加強(qiáng)通訊功能 4：。新器件和模塊不斷推出 高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊等專用化模塊。 5：編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化 有各種簡單或復(fù)雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng) 6：發(fā)展容錯(cuò)技術(shù) 采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。 7：追求軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。

但是，目前市場上的用戶并不認(rèn)為混合控制系統(tǒng)是一種革命性的新產(chǎn)品，也沒有將它們看成一個(gè)完全不同的產(chǎn)品。而且，目前的國內(nèi)市場上，既存在如上所述的混合控制系統(tǒng)，也有可通過裝備回路控制板實(shí)現(xiàn)較多過程控制功能的PLC。但是，混合控制系統(tǒng)的概念切合了生產(chǎn)實(shí)際，是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。從理論上講，當(dāng)代的DCS與PLC都是混合控制系統(tǒng)，但是作為一種產(chǎn)品，混合控制系統(tǒng)無疑為用戶提供了一種新的選擇。

隨著無線技術(shù)進(jìn)一步為公眾所接收，其應(yīng)用的范圍也在日益擴(kuò)大，尤其在工業(yè)過程領(lǐng)域，無線技術(shù)對習(xí)慣于有線技術(shù)的工業(yè)過程領(lǐng)域所帶來的沖擊是巨大的。到目前為止，大多數(shù)的無線項(xiàng)目用于開環(huán)回路的監(jiān)測，應(yīng)該說，現(xiàn)今的無線技術(shù)是對有線技術(shù)強(qiáng)有力的補(bǔ)充。由于無線技術(shù)的應(yīng)用，解決了有線技術(shù)由于投資成本及環(huán)境限制未能實(shí)現(xiàn)的功能，提升了過程控制精度，為工廠管理帶來極大效益。應(yīng)該認(rèn)識到，過程控制的無線化是一場靜悄悄的革命，是一個(gè)逐步滲透的過程，隨著人們認(rèn)知程度的提高，以及無線技術(shù)更為可靠、連續(xù)、兼容的操作方式將給整個(gè)工業(yè)界以使用的信心，越來越多的無線設(shè)備將用于工廠。然而，安全有效的工廠操作總是放在第一位的，就目前來說控制功能的應(yīng)用仍然是通過有線電纜來完成的。

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。它是一個(gè)由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

首先，DCS的骨架-系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是DCS的基礎(chǔ)和核心。由于網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在這方面進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)。對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，即在確定的時(shí)間限度內(nèi)完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時(shí)間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個(gè)時(shí)間限度內(nèi)完成，而這個(gè)時(shí)間限度則是根據(jù)被控制過程的實(shí)時(shí)性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，即通常所說的每秒比特?cái)?shù)（bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，即能在多長的時(shí)間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽浚瑹o論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)比實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大若干倍。這樣，一方面可以隨時(shí)增加新的節(jié)點(diǎn)，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于較輕的通信負(fù)荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時(shí)可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會經(jīng)常進(jìn)行，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有很強(qiáng)在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能。

其次，這是一種完全對現(xiàn)場I/O處理并實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。一般一套DCS中要設(shè)置現(xiàn)場I/O控制站，用以分擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個(gè)站點(diǎn)失效造成整個(gè)系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。DCS的操作員站是處理一切與運(yùn)行操作有關(guān)的人機(jī)界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

工程師站是對DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其主要功能是提供對DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時(shí)處在最佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能，可以說，沒有系統(tǒng)組態(tài)功能的系統(tǒng)就不能稱其為DCS。

DCS自1975年問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程。在這二十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。

作為生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的DCS僅僅是一個(gè)狹義的概念。如果以為DCS只是生產(chǎn)過程的自動化系統(tǒng)，那就會引出錯(cuò)誤的結(jié)論，因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義已被大大擴(kuò)展了，它不僅包括過去DCS中所包含的各種內(nèi)容，還向下深入到了現(xiàn)場的每臺測量設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，向上發(fā)展到了生產(chǎn)管理，企業(yè)經(jīng)營的方方面面。傳統(tǒng)意義上的DCS現(xiàn)在僅僅是指生產(chǎn)過程控制這一部分的自動化，而工控自動化系統(tǒng)的概念，則應(yīng)定位到企業(yè)全面解決方案，即total solution 的層次。只有從這個(gè)角度上提出問題并解決問題，才能使計(jì)算機(jī)自動化真正起到其應(yīng)有的作用。

當(dāng)然不可忽視的還有電氣儀表的發(fā)展，不論過程系統(tǒng)如何發(fā)展，功能如何強(qiáng)大，過程儀表的作用不能被忽視，儀表是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對工藝參數(shù)進(jìn)行檢測、顯示、記錄或者控制的基礎(chǔ)。隨著工業(yè)的發(fā)展，對儀表控制系統(tǒng)提出了更高的要求，電動儀表逐步向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、開放化發(fā)展，新一代的儀表主要特點(diǎn)是智能化和數(shù)字化。

工廠的生產(chǎn)好壞很大程度上依賴于過程儀表的狀況，這些儀表除了流量、液位、壓力及溫度等參數(shù)的傳感器和變送器，還包括分析儀及控制閥。用于過程技術(shù)的堡盟傳感器和測量設(shè)備極其精密和穩(wěn)定，完全能夠滿足應(yīng)用要求。尤其是在極端環(huán)境條件下，它們也能進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。良好的產(chǎn)品質(zhì)量不僅延長了使用壽命，而且降低了維護(hù)周期，提高了過程生產(chǎn)的安全性和效率。

現(xiàn)在，自動化控制系統(tǒng)正在向第四代控制系統(tǒng)發(fā)展，第四代控制系統(tǒng)有兩個(gè)趨勢，一是系統(tǒng)的開放性，一是流程工業(yè)控制和離散控制的融合，體現(xiàn)在DCS和PLC功能的融合。目前，PC-BASED控制系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)都希望能成為第四代控制系統(tǒng)的主流系統(tǒng)，但是，由于這些系統(tǒng)都有各自的缺點(diǎn)，因此，大家普遍認(rèn)為第四代控制系統(tǒng)還是會由以目前第三代控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，加上開放和融合性的特點(diǎn)組成的柔性控制系統(tǒng)。第四代控制系統(tǒng)的發(fā)展依然是在摸索中，自動化專業(yè)的靴子必將擔(dān)當(dāng)起這個(gè)責(zé)任。