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工业控制系统实现现代化蜕变 有三大主要变革方向
来源: | 作者:bq1203 | 发布时间: 2015-10-23 | 3391 次浏览 | 分享到:
工业控制系统实现现代化蜕变 有三大主要变革方向

  

  这一时期,工业控制系统所面临的大多数问题是如何保证工业控制系统的可靠性及物理安全性。由于经典控制理论当时并未建立,相当多的控制系统具有很高的失效率。当时的工程师常常碰到这样的问题,同样一个控制系统在不同控制环境中的可靠性相差极大,而他们能够做的只有极为有限的定性分析。富有经验的工程师能够在一定程度上通过安全操作规范的形式解决工业控制系统的物理安全问题以及一线工人的人身安全问题。

  

  1935年,工业控制系统的启蒙时期随着“通信大繁荣”的开始而结束。远距离有线及无线通信技术的应用,标志着工业控制系统古典时期正式开始。

  

  古典主义时期:1935-1950

  

  由于奠定了现代工业控制理论及相关标准的基础,1935年至1950年被很多学者称为工业控制领域的古典主义时期。这一时期的工业控制产业和相关标准由四个美国组织所建立:

  

  美国电话电报公司:专注于通信系统的带宽拓宽。

  

  建设者铸铁公司艾德•史密斯带领的过程工程师与物理学家团队:对自己所使用的工业控制系统进行深入研究,并开始系统性地研究控制理论。他们统一了控制领域的大量术语,游说美国机械工程师协会(ASME)将其编制成正式文件,并且于1936年成立了监管委员会。

  

  福克斯波罗公司:设计了第一款现代工业控制中最常用的反馈回路控制部件,比例积分控制器。

  

  麻省理工学院伺服机构实验室:引入了控制系统“框图”的概念,开始对工业控制系统进行模拟。

  

  有了经典控制理论作为基础,工业控制系统的可靠性大大增加,同期的“通信大繁荣”使工业控制领域的安全焦点从物理安全保障转移为通信安全保障,即防止工业控制系统在信号传输过程中被干扰或破坏。

  

  战争是这一时期工业控制系统理论与技术蓬勃发展的重要原因。第二次世界大战期间,各国都将控制领域的专家汇集起来,解决诸多军事上的控制问题:移动平台稳定性问题、目标跟踪问题以及移动目标射击问题。而这些研究成果,在战后都很快地转换为民用技术。有了战时技术与理论的积累,工业控制系统在百废待兴的战后时期进行了大规模的更新换代:执行机构更加耐用、更加精密;数据采集系统效率更高、更具实时性;中央控制机构的操作更加直观、更加简单。所有的发电厂、汽车制造厂、炼油厂都全速运行,完全不知道下一个飞跃即将来临。

  

  新疆域:1950年至今

  

  1950年,斯佩里-兰德公司造出了第一台商业数据处理机UNIVAC,工业控制系统正式全面与通信系统及电子计算机结合,开启了工业控制系统数字化的新疆域。

  

  数年后,全球第一个数字化工业控制系统建设完成。这个系统使用单一计算机控制整个工业控制系统,被称为直接数字控制(DirectDigitalControlDDC,也就是第一代工业控制系统:计算机集中控制系统。同时,现代工业控制系统的结构也逐渐清晰起来,其核心组件开始形成:

  

  可编程逻辑控制器(PLC):用于工业控制系统的继电器逐渐显示出其局限。继电器价格昂贵,并且一旦配置完成并启动,就难以对其控制逻辑进行改变,这些缺陷导致了可编程逻辑控制器的发展。第一个交付使用的可编程逻辑控制器名为Modicon,其名称来源于模块化数字控制器英文缩写的组合。之后,它被用于佛蒙特州普林菲尔德市的科比查克研磨公司,用户对其评价极高,称其“没有大量的开关、没有风扇、没有噪音、没有任何的易损部件”。随着大规模集成电路的发展,可编程逻辑控制的控制能力日趋增强,其可用输入输出端口从早期的数个到现在的上百个,控制频率也随着大规模集成电路运算速度的提升而急速上升。需要密集并精确控制的精密制造业因可编程逻辑控制器的发展而获益。随着通信技术的发展,可编程逻辑控制器也由封闭的私有通讯协议转而使用开放的公共协议,大幅度提高了系统的兼容性,方便了系统的维护与更新。

  

  数据采集与监控系统(SCADA):数据采集与监控系统开始应用于地区或地理跨度非常大的工业控制系统,比如用于与火力发电厂毗邻的高压变电站、自来水给水系统和废水收集系统、石油与天然气管道系统等等。其主要功能是收集系统状态信息,处理数据以及远距离通信。根据数据采集与监控系统所采集的各种数据,控制中心的管理人员可以进行各种操作,维持整个系统的正常运行。

  

  远程终端单元(RTU):数据采集与监控系统的完善需要远程终端单元的发展。20世纪60年代,第一代远程终端单元在发电厂进行了布设。即使是在发电厂断电的情况下,远程终端单元也需要进行动作,所以其均配备有额外的供电系统。由于远程终端单元是在连续扫描且须快速反应的工作状态中进行操作,其通讯协议必须兼具高效与安全,且安全是重中之重,所以早期的远程控制单元供应商所使用的协议各不相同,各供应商的系统完全无法兼容。在国际电气与电子工程师学会(