工业控制系统发展历史

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。 在以后的近30年间，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）互联网
由多个计算机网络相互连接而成，而不论 采用何种协议与技术的网络。 互联网，即广域网、局域网及单机按照一 定的通讯协议组成的国际计算机网络。互 联网是指将两台计算机或者是两台以上的 计算机终端、客户端、服务端通过计算机 信息技术的手段互相联系起来的结果，人 们可以与远在千里之外的朋友相互发送邮 件、共同完成一项工作、共同娱乐。
(1)局域网（LAN） 局域网（Local Area Network） 是在一个局部的地理范围内 (如一个学校、工厂和机关 内)，将各种计算机。外部设 备和数据库等互相联接起来 组成的计算机通信网。它可 以通过数据通信网或专用数 据电路，与远方的局域网、 数据库或处理中心相连接， 构成一个大范围的信息处理 系统。简LAN，是指在某一 区域内由多台计算机互联成 的计算机组。
分组交换数据网可以向 用户提供两种基本业务： 虚电路(VC)和永久虚电 路(PVC)。 Public Switched Telephone Network 公 用电话交换网 公用电话网的一部 分，在公用交换电话网 中，当需要时才被建立 连接。
第三阶段：局域网（LAN）、互联网（Internet)、和综合业务 数字网（ISDN)
• 从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多 传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便 开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口 的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（4～ 20mA/24VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。 由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题， 现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从 那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出 自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。
⑤
⑥
⑦
⑧
直接数字控制（DDC：Direct Digital Control） 模拟PID电路变成了数字PID（1960s） 可编程控制器（PLC：Programmable Logic Controller） Dick Morley博士，1968年，Modicon公司，084系列 分布式控制系统（DCS：Distributed Control System） 分布式控制器，集中CRT监视（1975年，Honeywell： TDC2000） 现场总线仪表（Fieldbus Instrument） 用数字信号仪表取代4－20mA模拟仪表（1990s）
2.现场总线的标准

IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总 线作为国际现场总线标准,其中包括CANBus、 ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDATIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的 现场总线控制系统 （FieldbusControlSystemFCS）。
4.计算机网络的作用
（1）.数据交换和通信 （2）资源共享 （3）提高系统的可靠性 （4）分布式网络处理和负载均衡
工业控制系统历史回顾



计算机控制系统的发展在经历了基地 式气动仪表(气动、电动)控制系统。 气动、电动单元组合式模拟仪表控制 系统。 计算机集中控制系统（CCS)。 集中式数字控制系统(DDC) 。 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。
工业控制：几个重要的阶段
① ②
③
④
模拟监测仪表＋手动控制（1930以前） 模拟单回路反馈控制器（1930以后） 1945年美国人Bode，奠定了控制理论的基础。 监督控制（SCADA：Supervisory Control and Data Aquisition） 计算机开始用于过程控制，主要是监视功能（1950s） 设定值控制（SPC：Set Point Control） 由计算机计算出给定值，输出给模拟调节器（1960s）
丨
综合信息管理 自动化系统 管控一体化 优化控制 先进 控制系统 复杂调节系统 串级调节系统 单回路 调节系统 参数检测
DDZ—II QDZ—II
基地式调节器 分立元件仪表
DDZ-III QDZ-III
DCS 开放系统 PLC IPC
新 一代 控 制系 统 FCS 现场总线
1960
1970
1980
1.计算机网络的前期发展
人类历史上第一台计算机
计算机及网络技术与控制系统的发展有 着紧密的联系。最早在50年代中后期， 计算机就已经被应用到控制系统中。60 年代初，出现了由计算机完全替代模拟 控制的控制系统，被称为直接数字控制 （DirectDigitalControl,DDC）。
70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系 统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第 一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世， 它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信 网络实现集中管理，被称为集散控制系统 （DistributedControlSystem,DCS）。
第一阶段：面向终端分布的计算机通讯网
主计算机 FEP M
公用电话网 公用电话网
M M T
图
M
公用电话网
M T
1-1
M T
以分组交换(PS)方式交换和传输数据业务的电信 网。用户发送的数据在进入网络时，首先被划 分成一个一个的分组，分组加上寻址信息缓存 在分组交换机中，转发时用作网络中的交换和 路由选择的根据。 PSDN有两类接入终端，分别是P-DTE（分组 DTE）和C-DTE（字符DTE），基本特点是报文交 换,核心交换网由报文（分组）交换设备（PSX） 构成。
2.计算机网络中期发展

进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成 了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高 了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回 采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。

ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控 制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已 经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的 管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价 格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和 微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。
1.现场总线控制系统（FCS)
（1.） FCS实际上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，也被称为现场底 层设备控制网络。
（2）.为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满 足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际 上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,也被称为现 场底层设备控制网络（INFRANET）。和 Internet、Intranet等类型的信息网络不同,控制 网络直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、 可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特 性,现场总线对标准的网络协议作了简化,省略 了一些中间层,只包括ISO/OSI7层模型中的3层： 物理层、数据链路层和应用层。

(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4~20mA模拟信号 和调制数字信号的现场总线协议。在当前的过渡时期具有较 强的竞争力，得到了较快的发展。
第一阶段
计算机联网的最初设想就是将多台远程设备通 过公用电话网连接到一台中央计算器，构成面 向终端分布的计算机通讯网，完成远程信息的 收集、计算和处理。 面向终端分布的计算机通信网还不是严格意义 上的计算机网络，因为它只能单纯地依靠调制 解调器通过公用电话网进行一对一的简单通信， 如图1-1所示
计算机网络发展阶段：
• 第一代计算机网络---远程终端联机阶段 • 第二代计算机---计算机网络阶段 • 第三代计算机网络---计算机网络互联阶段 • 第四代计算机网络---国际互联网与信息高速公路阶段
3.计算机网络后期发展
进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得 DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性， 在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不 具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在 很大困难。
制作人：
郑媛 代正巧 谭晓琨 电气0947
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制 领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。 控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到 第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS （现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据 量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以 太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将 诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多 种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展 空间，带来新的发展机遇。
ISDN需要一条全数字化的网络用来承 载数字信号（只有0和1这两种状态）， 与普通模拟电话最大的区别就在这里。 另外， ISDN也特指使用这项技术 建立保持和断开电路交换的协议组 或 是 isosorbide dinitrate.
第四阶段：第四代计算机网络
计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台 计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操 作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下， 实现资源共享和信息传递的计算机系统。 第四代计算网络的特点：高带宽、高智能、高协同三个新 特点。
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，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。
1990
2000 2005
价格
FCS现场总线 DCS 分散控制系统
PC+I/O 工控机系统 PLC可编程 控制系统
多回路 单回路 调节器
调节器 调节器
功能和规模
5.计算机集中控制系统CCS

20世纪60年代,数字计算机进入控制领域，产 生了第一代控制系统——CCS（计算机集中控制 系统）。 在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表， 从而能够使用更为先进的控制技术，例如复杂 控制算法和协调控制，从而使自动控制发生了 质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对 象，并未形成控制网络体系，故CCS在集中控 制的同时也集中了危险。
（3）综合业务数字网
它通过普通的铜缆以更高的速率和质量传输语音和数据。 ISDN是欧洲普及的电话网络形式。GSM移动电话标准也可 以基于ISDN传输数据。因为ISDN是全部数字化的电路，所 以它能够提供稳定的数据服务和连接速度，不像模拟线路 那样对干扰比较明显。在数字线路上更容易开展更多的模 拟线路无法或者比较困难保证质量的数字信息业务。例如 除了基本的打电话功能之外，还能提供视频、图像与数据 服务。