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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高、要控制的工艺 参数增多
2、，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整个系统。此外， 开发的
3、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：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
4、；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
5、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
6、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
7、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
8、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；
9、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PLC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
10、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
11、机型。1981 年，Mos tek、Mot orola、Philip 和 Signe tics 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。VME总线最新产品已经采 用了 500MHz 的 Pentium III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
12、 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C
13、PCI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3.6X3.8in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
14、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Pr
15、o-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/OOEM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
16、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
