1、控制系统发展史1 引言控制系统其实从 20 世纪 40 年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以 PLC 和 DCS 为代表，从 70 年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从 90 年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于 PC 的控制系统等，本文将简要介绍各种常见的控制系统，并分析控制系统的演进过程和发展方向。2 集散控制系统 DCS2.1 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
2、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
3、整个系统。此外，开发的 DCS 应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。在以后的近 30 年间，DCS 先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型 DCS 和中小型 DCS 两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。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。2.2 DCS 今后发展的几个问题到目前为止，DCS 所存在的问题，主要集中在 3 个方面
4、：即系统开放性问题;与现场传感器、变送器、执行器的接线问题；价格较贵问题。这些问题在第三代 DCS 中已开始得到解决。在 21 世纪，新一代的 DCS 应满足用户这方面的需求。在 DCS 应用行业分布上，近年来 DCS 在钢铁、自来水厂及污水处理厂等行业中的市场占有率下降，目前 PLC 已成为其主要选型对象，当然 PLC 的价格低也是原因之一。如对 DCS 产品进行改造，是可以保持其在这些行业中的地位的。3 PLC 简介3.1 PLC 的诞生和发展在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是
5、通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC。由于第一代 PLC 是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC 就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其
6、引入可编程控制器，使PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC） 。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 30-40%。在
7、这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 3.2 今天的 PLCPLC 的技术从诞生之日起，就不停地发展。这些发展不仅改进了 PLC 的设计，也改变了控制系统的设计理念。过去，PLC 适用于离散过程控制，但随着PLC 的功能越来越强大，PLC 也开始进入过程自动化领域。我国可编程控制器的引进、应用、研
8、制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。目前在国内 PLC 的市场上，各供应商在产品规模上的组合定位
9、是不同的。比如，三菱的重点定位是在微型和小型 PLC 的市场，而且试图以大规模的销售和广泛的服务网络来达成低廉的成本；而西门子重点在工厂集成能力、广泛的产品范围、和电子商务能力的整合；欧姆龙则在中型以下的 PLC 市场取得了领先的位置；罗克韦尔瞄准大型高端市场，并把自己定位于从工厂底层到管理顶层的制造业解决方案提供商；日本光洋集中于微型和小型 PLC，但在 PC 兼容的 PLC 也有不俗表现;施奈德则专注于为用户提供完整的集成方案，产品建立在中型和大型 PLC 上；对于过程工业有深入的了解，并提供完整的解决方案。3.3 PLC 的未来发展PLC 的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于 P
10、LC 与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC 通过网络，被集成到计算机集成制造(CIM)系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM 技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。新的 PLC 的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑 I/O 系统等。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC 将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级 PLC 将在需要复杂运算、网络通信和对小型 PLC 和机器控制器的监控的应用
11、中获得使用。4 PC-BASED 控制系统4.1 PC 技术推动了工控机技术的发展历史上，VME 总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型。1981 年，Mostek、Motorola、Philip 和 Signetics 公司发明了 VME 总线，1996 年的新标准 VME64(ANSI/VITA1-1994)将总线数据宽度提升到 64 位，最大数据传输速度为 80Mbps。由 Force Computers 制定的 VME64x 总线规范将总线速度提高到了320Mbps。VME 总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，并由 OS 制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序
12、。VME 总线最新产品已经采用了 500MHz 的 Pentium 处理器。由于用户希望使用与所熟悉的桌面 PC 机相同的操作系统和开发工具，导致了开放式桌面 PC 在工业环境中的直接应用。除了 VME 总线工控机外，产生了一系列基于 PC 的、与 ISA/PCI 总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是 CompactPCI/PXI 总线、AT96 总线、STD 总线、STD32 总线、 PC/104 和PC/104-Plus 总线嵌入式工业控制机。1995 年 6 月 PCI SIG 正式公布了 PCI 局部总线规范 2.1 版，同时 PICMG 推出了第一个标准 PCI/ISA
13、无源背板总线标准。为了将 PCI SIG 的 PCI 总线规范用在工业控制计算机系统，1995 年 11 月 PCI 工业计算机制造者联合会(PICMG)颁布了 CompactPCI 规范 1.0 版。由于 CPCI 总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，而且基于 Microsoft 的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI 工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于 PCI/ISA 加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CompactPCI 工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用，反而在电信市场获得
14、广泛应用。4.2 以 PC/104 为代表的嵌入式工控机向高性能方向发展PC/104 总线采用自层迭互连方式和 3.63.8in 的小板结构，使其更适合在尺寸和空间受到限制的嵌入式环境中使用，如洗衣机、烘干机、洗碗机、收款机等消费类电子产品和军工产品中开始采用。1992 年 3 月 PC/104 总线联合会发布了 PC/104 规范 1.0 版，几经修改后，于1996 年 6 月公布了 PC/104 规范 3.2 版。为了兼容 PCI 总线技术，1997 年 2 月PC/104 总线联合会推出了 PC/104-Plus 规范 1.0 版。今天，许多单板计算机(SBC)都设计有 PC/104 总
15、线接口，以便通过 PC/104 总线丰富的 I/O 模块扩展功能，满足不同的嵌入式应用要求。虽然 PC/104 总线工控机的功耗低，但其驱动能力差(4mA)，其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。STD 总线在 1978 年最早由 Pro-Log 公司作为工业标准发明的，STD 总线工控机是工业型计算机，能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业 I/O OEM 模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围，使其在空间和功耗受到严格限制的、可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛应用。为了将 ISA 总线 PC
16、机应用在恶劣的工业环境中，1994 年由德国 SIEMENS公司发起制定了 AT96 总线欧洲卡标准(IEEE996)，并在欧洲得到了推广应用。AT96 总线工控机消除了模板之间的边缘金手指连接，具有抗强震动和冲击能力；其 16 位数据总线、24 位寻址能力、高可靠性和良好的可维护性，更适合在恶劣工业环境中应用。4.3 嵌入式工控机的应用前景在未来的几年里，VME 仍然是主导产品，AT96 和 CPCI 工控机将迅速发展壮大，AT96 总线工控机起到承上启下的作用。STD 和 PC/104 总线工控机继续在工业控制的低端占有一席之地。当然，在发展标准总线型工控机的同时，还要重视专用（非标准总线
17、或无总线）控制器产品的开发，因为它在整个嵌入式工控机市场上占有率仅次于 VME，居第二位。嵌入式工控机技术不断在向高性能、高可靠、低价位方向发展，将在通讯、工业控制和工业自动化、军事和国防、医疗器械、交通运输和模拟仿真等嵌入式应用领域发挥更重要的作用。5 现场总线控制系统5.1 现场总线的特点现场总线的突出特点在于它把集中与分散相结合的 DCS 集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线的特点主要表现在以下几个方面：(1) 现场总线实现了结构上的彻底分散现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站 2 个层次，将传统 DCS 的I
18、/O 控制站并入现场智能设备，现场仪表都是内装微处理器的，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全不需要经过控制室主控系统，实现了结构上的彻底分散。(2) 总线网络系统是开放的将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。(3) 以数字信号完全取代传统的模拟信号以数字信号完全取代传统 DCS 的 420mA 模拟信号，且双向传输信号。一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少。5.2 当前的现场总线标准现场总线技术是从 80 年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发展，国际上出现了几个有代表性的现场总
19、线标准和几个系列产品，较流行的有:(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(Control Area Network，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(Highway Addressable Remote Transducer，HART)协议，它是由美国 Rosemount 公司最早推出的一种兼容 420mA 模拟信号和调制数字信
20、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(Foundation Fieldbus)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 World FIP 协议。这两大集团于 1994 年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统
21、一的现场总线协议。(4) LonWork(Local Operating Network 局部操作网)现场总线它是由美国 Echelon 公司于 1990 年正式推出的。它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为 1.5Mbps,传输距离为 2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。5.3 现场总线的未来现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃，近年来，有关现场总线的报道层出不穷，其中令人关注的焦点集中在能否出现全世界统一的现场总线标准。不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合，
22、靠一种现场总线打天下的想法看来不太现实。当然，从另一方面来讲，相当一部分现场总线是大同小异的，技术上非常接近，在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。但商业利益上的激烈竞争是这个问题的主要原因，对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商，因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线;因此，在未来较长的一段时间内，现场总线标准之争会越演越烈。现场总线技术的发展虽然取得了显著成就，但是在应用方面大体上还处在替代模拟传输线的阶段。实际上现场总线不仅仅是信号制式的改变，它是为控制技术的信息化提供基础的。用户对系统底层信息化(控制、诊断、管理)改造的需求是现场总线技术推广的原始动力。近些年来现
23、场总线在设备资产管理、预测诊断和平稳操作等方面的潜力开始被挖掘出来，显现了极富发展前景的势6 开放式控制系统的兴起6.1 开放性控制系统的概念长期以来，制造与生产企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构，其构成系统的硬件是按照各自的标准度身定制的。无论是 DCS，PLC 还是FCS，虽然它们具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点，但相对日新月异的生产要求，也越来越暴露出其固有的缺点。在许多情况下,当用户要想进行功能上的扩展或变化时，都必须求助于系统的提供商，如想把特殊要求融入到控制系统中去时，都是比较困难的。这无形中不仅提高了制造企业的成本，也成为控制系统升级换代的“瓶颈” 。由于市场
24、竞争越来越剧烈，从而要求制造商具有较强的市场适应能力，这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。这一系统为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。6.2 国际控制系统制造商的开放路线据国际权威机构美国自动化市场研究公司 ARC（Automation Research Corp）调查预计，在亚洲，基于 PC 的控制系统、以太网的 I/O 模件等开放式系统的销售额预计近两年的增幅达到 145%，所以，可见在控制系统市场中，开放系统的增长率远远高于传统的控制系统。几乎所有的制造商都已认识到了开放系统必将是自动化系统的未来。在任何
25、一家控制系统制造商的新产品样本中，都可以看到“开放性”的字样。尽管开放式控制系统的市场增长率较高，但由于绝对值还不大，制造商不愿放弃已经现成的数十倍的市场。但这些公司对于开放式系统市场并非采取坐视不理、惟我独尊的态度。目前，各个公司均在考虑用现有的产品组合出形式上的“开放式”系统。如西门子的 PCS7 和 WinAC，实际上就是用工控机下挂 S7 的 PLC 而组成的概念性的系统，典型地表示了其一方面不想在开放式系统领域落后于他人，同时又不想失去老用户的复杂情结。类似的还有 Rockwell-AB 的 ControlLogic，Fisher-rosemount 的 Delta-V 等等，都是将
26、原有的专用系统加上“开放”的标签。他们的目的都是相同的，那就是既不错过开放式系统这班航船，又可以将原有的系统尽量多地销售出去。目前，全力致力于真正开放式系统开发的反而是一些新兴的相对较小的公司如美国的 Opto22，SoftPLC，Controlsoft 以及英国的 Transmitton 等等。这些公司没有过去的包袱，所开发的产品的市场目标也不存在抢自己饭碗的问题，所以他们可以没有后顾之忧地宣传。由于他们的产品是充分考虑了开放性的，今后将成为开放性控制系统的新的生力军。6.3 目前国际开放式系统研究存在的问题从严格的角度来看，目前国际上已有的所谓开放性控制系统还不具备真正开放性控制系统的本质
27、特征，仍有许多需要改进之处。首先，开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构并不一致，相互之间缺乏兼容性和互换性，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。其次，没有充分利用像 Windows、UNIX、OS/2 等新型操作系统。软件开发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。7 结束语现在各种控制系统都在不
28、断发展各自的新的技术。今后的控制系统会向何处发展？是否会有一些老的控制系统消亡，从而被其它的新的控制系统取代？比如，十几年前就有 PLC 将被 PC-Based 控制系统取代的预测，现场总线将取代DCS 的说法一度也甚嚣尘上。但是，十几年过去了，DCS 和 PLC 依然在控制系统的市场上占据着最大的份额。当今生产世界的趋势是逐步增加的柔性，更大的可视性，更好的远程控制，和逐渐下降的成本。减少生产成本是通过减少库存、高的生产率、更好的质量控制和更好的产品设计。所有这些，需要更好和更容易的通信，从控制系统制造商的观点来看，它意味着控制系统必须要具有开放性。另外一个控制系统所必须具有的特性就是可靠性，包括高度的稳定性和对各种环境和事件的可预测的响应度。因此，开放性和可靠性，将是今后控制系统发展的主要方向。控制系统的发展史学院：信息工程学院班级：10 级控制理论与控制工程姓名：季丽丽学号: YJS007072
