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青岛国际博览中心
2018年8月2-6日

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工业自动化控制系统发展历史和未来改革方向



    由于电子计算机与现代通信网络的发展,工业控制系统在几十年之内已经完成了多次更新换代:


第一次:从20世纪50年代开始,工业控制系统开始由之前的气动、电动单元组合式模拟仪表、手动控制系统升级为使用模拟回路的反馈控制器,形成了使用计算机的集中式工业控制系统。


第二次:大约在20世纪60年代,工业控制系统开始由计算机集中控制系统升级为集中式数字控制系统。系统中的模拟控制电路开始逐步更换为数字控制电路,并且完成继电器到可编程逻辑控制器的全面替换。由于系统的全面数字化,工业控制系统使用更为先进的控制算法与协调控制,从而使工业控制系统发生了质的飞跃。但由于集中控制系统直接面向控制对象,所以在集中控制的同时也集中了风险。


第三次:20世纪70年代中期,由于工业设备大型化、工艺流程连续性要求增加以及工艺参数控制量的增多,已经普及的组合仪表显示已经不能满足工业控制系统的需要。集中式数字控制系统逐渐被离散式控制系统所取代。大量的中央控制室开始使用CRT显示器对系统状态进行监视。越来越多的行业开始使用最新的离散式控制系统,包括炼油、石化、化工、电力、轻工以及市政工程。


第四次:20世纪90年代后期,集计算机技术、网络技术与控制技术为一体的全分散、全数字、全开放的工业控制系统——现场总线控制系统(FCS)应运而生。相比之前的分布式控制系统,现场总线控制系统具有更高的可靠性、更强的功能、更灵活的结构、对控制现场更强的适应性以及更加开放的标准。


由于技术的快速发展,现代工业控制系统的安全问题越来越复杂,其面临的风险及威胁类型也越来越多,包括黑客、间谍软件、钓鱼软件、恶意软件、内部威胁、垃圾信息以及工业间谍。上述风险与威胁针对控制系统的攻击方式也各不相同,有的专门攻击工业控制系统本身的漏洞,有的希望通过入侵工业控制系统所使用的通信网络(包括软件及硬件)获取相关利益。由于工业控制系统管理着大量的国家基础设施,其安全性与可靠性对社会发展及国家安全极其重要,可以断言,在未来相当长时间里,工业控制系统的安全策略与防护措施将持续受到关注。


工业控制系统的变革方向


现在,工业控制系统的变革仍在继续,有以下三个主要发展方向:新型现场总线控制系统、基于PC的工业控制计算机以及管控一体化系统集成技术。


现场总线控制系统


由于技术的发展,计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统(DCS)后,将朝着现场总线控制系统(FCS)的方向发展。现场总线控制系统(FCS)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。它也被称为现场底层设备控制网络。新一代的现场总线控制系统正从实验室走向实用化,必然会影响工业控制系统的前景。很多人相信,经过一段时间,现场总线控制系统将与分布式控制系统逐步融合,并最后取而代之。可以预见,能遵循现场总线通信协议或能与其交换信息的可编程逻辑控制器将成为下一代PLC的主流,充分发挥其在处理开关量方面的优势。


固然以现场总线为基础的FCS发展很快,但FCS发展还有很多工作要做,如统一标准、仪表智能化等。另外,传统控制系统的维护和改造还需要DCS,因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程,同时DCS本身也在不断的发展与完善。确定的是,结合DCS、产业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。产业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式,在产业现场得到了越来越多的应用,并将在控制领域中占有更加重要的地位。


工业PC


工业PC自上世纪90年代初进入军工业自动化以来,正势不可挡地深入各领域,获得了广泛应用。究其原因,在于PC机的开放性,具有丰富的硬件资源、软件资源和人力资源,能够得到广大工程技术人员的支持,也为广大人群所熟悉。基于PC(包括嵌入式PC)的工业控制系统,正以每年20%以上的速率增长。各大可编程逻辑控制器厂商、工业控制系统集成商也接受了工业PC的技术路线,使基于PC的工业控制技术成为本世纪初的主流技术之一。


工业PC低成本的这一特点,也是其有望成为工业控制自动化主流的另一重要因素。在传统自动化系统中,基础自动化部分基本被PLCDCS垄断,过程自动化和管理自动化部分主要由各种高端过程计算机或小型机组成,其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令众多企业望而却步。在企业发展的前中期,选择走低成本工业控制自动化的道路是企业的首选,并且由于基于工业PC的控制器被证明可以像PLC一样可靠,具有易于被操作和维护人员接受、易于安装和使用以及可实现高级诊断功能等特点,为系统集成商提供了更灵活的选择,因此越来越多的制造商开始在部分生产中采用工业PC控制方案。


可以预见,工业PCPLC的竞争将主要在高端应用上,其数据复杂且设备集成度高。从发展趋势看,控制系统的将来很可能会介于工业PC PLC之间,而这些融合的迹象也已经出现。今后在相当长的一段时间内,现场总线技术、可程序设计逻辑控制器与工业PC将会相互补充,相互促进,但工业PC的优势将更加突出,其应用范围会迅速扩大到全部的工业控制领域。


管控一体化系统集成


随着Internet技术深入到工业控制领域,控制系统与管理系统的结合成为必然,这使得工业自动化界渴望已久的管控一体化、工业企业信息化以及基于网络的自动化的目标成为可能。管控一体化可以使企业选择到真正符合新经济时代的最佳解决方案,从而提高企业的生产效率,增强市场竞争能力。因此,工业控制技术发展新方向是通过以太网和Web技术实现开放型分布式智能系统,基于以太网和TCP/IP协议的技术标准,提供模块化、分布式、可重用的工业控制方案。其最主要的方面就是发展基于网络的工程化工业控制与管理软件。


建设管控一体化系统,包括多种系统的集成和多种技术的集成。在多种系统集成方面,首先是现场控制网络多种系统的集成,这其中包含三种集成模型。第一是现场总线控制系统FCSDCS的集成,即FCS实现基本的测控回路,DCS作为高一层的管理协调者实现复杂的先进控制和优化功能。第二是现场总线控制系统FCSDCSPLC的集成,即逻辑联锁比较复杂的场合使用PLCFCS实现基本的测控回路,DCS作为高一层的管理协调者,实现复杂的先进控制和优化功能。第三是多种FCS的集成,解决不同通信协议的转换问题,重点研究不同现场总线设备的互操作性和统一的组态、监控和软件的研制,以实现无缝集成而不损失或者影响各个独立系统的功能和性能。其次是管理网络与控制网络的集成,在未来的企业管理中,大量的数据来自控制网络,建设企业应用软件系统,包括实时数据库、历史数据库、数据发布、数据挖掘、模型计算、过程仿真、配方设计、运行优化、参数检测、偏差分析和故障诊断等,通过在Internet/Web应用网络环境上建立各类数据库,才能真正实现管控一体化。它向下可以为控制软件提供智能决策,向上可以为管理软件提供有价值的数据。


在多种技术集成方面,包括设备互操作技术、通用数据交换技术、EtherNET和工业以太网技术等多种技术的集成。其中通用数据交换技术又包括了DDE动态数据交换技术、NetDDE网络动态交换技术、ODBC开放数据库互联技术、COM/DCOM组件对象模型以及OPC技术。而EtherNET+TCP/IP技术可以实现工业现场的控制参数和各网络节点的状态直接在企业信息网络内传输和共享,从而避免了PLCDCSFCS存在多种协议而难以集成的局面。


相信在不久的将来,在上述三项技术的推动下,我们能够看到工业控制领域的再一次质的飞跃,而人类文明也会随之继续前进。


文章转自工控网


关键词:自动化 预测 工业 变革 一体化

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