工業(yè)控制系統(tǒng)歷史沿革及發(fā)展方向

盧川 鞏瀟 周峰： 北京賽迪工業(yè)控制系統(tǒng)測(cè)評(píng)工程技術(shù)中心有限公司

本文發(fā)表于《中國(guó)工業(yè)評(píng)論》雜志第10期

自動(dòng)化與工業(yè)控制系統(tǒng)通常被簡(jiǎn)稱(chēng)為ICS（Industrial Control Systems）,，是一個(gè)用來(lái)描述工業(yè)設(shè)施與自動(dòng)化系統(tǒng)的專(zhuān)用詞匯,。在ISA-99/IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)中，工業(yè)控制系統(tǒng)指的是“一個(gè)包括人員,、硬件以及軟件,，能夠?qū)I(yè)過(guò)程的安全性、可靠性造成影響的集合”,，通常具有以下四個(gè)功能：1.測(cè)量——獲取傳感器數(shù)據(jù)并將其作為下一步處理的輸入或直接作為輸出,；2.比較——將獲取的傳感器數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；3.計(jì)算——計(jì)算歷史誤差,、當(dāng)前誤差與后續(xù)誤差,；4.矯正——基于測(cè)量、比較及計(jì)算的結(jié)果對(duì)自動(dòng)化過(guò)程進(jìn)行調(diào)整,。

上述四個(gè)功能通常由工業(yè)控制系統(tǒng)中的五個(gè)部件完成：傳感器——用于測(cè)量目標(biāo)的物理參數(shù),；轉(zhuǎn)換器——將測(cè)量所得的電學(xué)/非電學(xué)測(cè)量值轉(zhuǎn)換為可用的電信號(hào)；發(fā)射器——負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)中的電信號(hào)的發(fā)送,；控制器——為整個(gè)控制系統(tǒng)提供控制邏輯與輸入輸出接口,；執(zhí)行器——用于改變控制過(guò)程。

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中,，這些基本部件并不一定是各自獨(dú)立的,。它們通常以子系統(tǒng)的形式進(jìn)行組合，完成各種復(fù)雜的控制任務(wù),。比如,，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的傳感模塊就由傳感器,、轉(zhuǎn)換器與發(fā)射器（甚至可能會(huì)有小型的控制器用于前端數(shù)據(jù)處理）組成,；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng),，通常又由大量的傳感模塊,、發(fā)射器及控制器組成,；而可編程邏輯控制器,，通常集成了發(fā)射器與控制器,，用于具體工業(yè)過(guò)程的控制?，F(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)就是由各種傳感器,、控制器,、執(zhí)行器以及各種具有具體功能的子系統(tǒng)構(gòu)成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)。就像羅馬并不是一天建成的,，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了啟蒙時(shí)代,、古典主義時(shí)期才完成現(xiàn)代化的蛻變,。

歷經(jīng)三個(gè)重要?dú)v史時(shí)期

啟蒙時(shí)代：1935年之前

工業(yè)控制系統(tǒng)作為工廠流程的一部分出現(xiàn)在世人面前大約是在十八世紀(jì)中期，但事實(shí)上,，古代的希臘人與阿拉伯人就已經(jīng)開(kāi)始在諸如水鐘,、油燈這樣的裝置中使用浮動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)控制了。世界上第一臺(tái)有記載的自動(dòng)控制設(shè)備是公元前二百五十年左右埃及人所使用的水鐘,。這臺(tái)水鐘以水作為動(dòng)力進(jìn)行計(jì)時(shí)與矯正,，將世界最準(zhǔn)確計(jì)時(shí)工具的頭銜保持了將近兩千年，直到擺鐘被發(fā)明,。

1745年,，安裝在風(fēng)車(chē)中控制磨盤(pán)間的間隙，已經(jīng)開(kāi)始由自動(dòng)裝置進(jìn)行控制,。這種控制機(jī)構(gòu)是最早真正用于工業(yè)的控制系統(tǒng)之一,，并且最終導(dǎo)致了由蒸汽引擎引發(fā)的第一次工業(yè)革命。

之后的一個(gè)多世紀(jì),，絕大部分的工業(yè)控制系統(tǒng)所關(guān)注的重點(diǎn)是對(duì)蒸汽系統(tǒng)中的溫度,、壓力、液面以及機(jī)器轉(zhuǎn)速的控制,。但隨著工業(yè)革命的深入,，十八世紀(jì)中期至二十世紀(jì)初，工業(yè)控制系統(tǒng)開(kāi)始了有史以來(lái)第一次全面發(fā)展：

航海：由于大型船只的使用,，舵面轉(zhuǎn)向因流體動(dòng)力學(xué)的改變變得更加復(fù)雜,。與此同時(shí)，操作機(jī)構(gòu)與舵面之間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的增多及增大導(dǎo)致動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間更加緩慢,。1873年,，讓·約瑟夫·萊昂·法爾,，一名法國(guó)企業(yè)家兼工程師,，發(fā)明了被其稱(chēng)為“動(dòng)力輔助器”的裝置來(lái)解決上述問(wèn)題。今天,，經(jīng)后人改進(jìn),，他的發(fā)明有了新的名字：伺服機(jī)構(gòu)。

制造業(yè)：這一時(shí)期,，繼電器開(kāi)始在工廠中大量使用,。通過(guò)繼電器構(gòu)筑的邏輯（如“開(kāi)/關(guān)”和“是/否”）代替了之前使用人工的制造業(yè)控制方式。今天廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller: PLC）就是繼電器邏輯發(fā)展的產(chǎn)物,。

電力：新興的電力行業(yè)也在這一時(shí)期投入大量資金進(jìn)行工業(yè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建,。比如設(shè)計(jì)并發(fā)明了用于控制電壓或者電流使其保持恒定的電力監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。到1920年,，雖然絕大多數(shù)控制手段只是簡(jiǎn)單的“開(kāi)/關(guān)”,，中央控制室已經(jīng)成為大型工廠和電站的標(biāo)準(zhǔn)配置,。中央控制室中的記錄器能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行繪制或者使用彩色燈泡反映系統(tǒng)狀態(tài)，操作員則以此為依據(jù)對(duì)某些開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作,，完成對(duì)系統(tǒng)的控制,。用于現(xiàn)代電廠的工業(yè)控制系統(tǒng)已現(xiàn)雛形。

交通：工業(yè)控制系統(tǒng)在交通領(lǐng)域的發(fā)展得益于用于控制平衡以及自動(dòng)駕駛的陀螺儀的首次使用,。這一時(shí)期,，埃爾默·斯佩里發(fā)明了早期的主動(dòng)式平衡裝置。到1930年,，許多航空公司在遠(yuǎn)距離飛行中都使用他發(fā)明的自動(dòng)駕駛儀,。

研究：1932年，“負(fù)反饋”的概念被納入到控制理論中并用于新型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，并完成控制領(lǐng)域中“標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)分析”方法的建立,。

這一時(shí)期，工業(yè)控制系統(tǒng)所面臨的大多數(shù)問(wèn)題是如何保證工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性及物理安全性,。由于經(jīng)典控制理論當(dāng)時(shí)并未建立,，相當(dāng)多的控制系統(tǒng)具有很高的失效率。當(dāng)時(shí)的工程師常常碰到這樣的問(wèn)題,，同樣一個(gè)控制系統(tǒng)在不同控制環(huán)境中的可靠性相差極大,，而他們能夠做的只有極為有限的定性分析。富有經(jīng)驗(yàn)的工程師能夠在一定程度上通過(guò)安全操作規(guī)范的形式解決工業(yè)控制系統(tǒng)的物理安全問(wèn)題以及一線工人的人身安全問(wèn)題,。

1935年,，工業(yè)控制系統(tǒng)的啟蒙時(shí)期隨著“通信大繁榮”的開(kāi)始而結(jié)束。遠(yuǎn)距離有線及無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用,，標(biāo)志著工業(yè)控制系統(tǒng)古典時(shí)期正式開(kāi)始,。

古典主義時(shí)期：1935年-1950年

由于奠定了現(xiàn)代工業(yè)控制理論及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，1935年至1950年被很多學(xué)者稱(chēng)為工業(yè)控制領(lǐng)域的古典主義時(shí)期,。這一時(shí)期的工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由四個(gè)美國(guó)組織所建立：

美國(guó)電話電報(bào)公司：專(zhuān)注于通信系統(tǒng)的帶寬拓寬,。

建設(shè)者鑄鐵公司艾德·史密斯帶領(lǐng)的過(guò)程工程師與物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)：對(duì)自己所使用的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并開(kāi)始系統(tǒng)性地研究控制理論,。他們統(tǒng)一了控制領(lǐng)域的大量術(shù)語(yǔ),，游說(shuō)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）將其編制成正式文件，并且于1936年成立了監(jiān)管委員會(huì),。

?？怂共_公司：設(shè)計(jì)了第一款現(xiàn)代工業(yè)控制中最常用的反饋回路控制部件，比例積分控制器,。

麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室：引入了控制系統(tǒng)“框圖”的概念,，開(kāi)始對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

有了經(jīng)典控制理論作為基礎(chǔ),，工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性大大增加,，同期的“通信大繁榮”使工業(yè)控制領(lǐng)域的安全焦點(diǎn)從物理安全保障轉(zhuǎn)移為通信安全保障,，即防止工業(yè)控制系統(tǒng)在信號(hào)傳輸過(guò)程中被干擾或破壞。

戰(zhàn)爭(zhēng)是這一時(shí)期工業(yè)控制系統(tǒng)理論與技術(shù)蓬勃發(fā)展的重要原因,。第二次世界大戰(zhàn)期間,，各國(guó)都將控制領(lǐng)域的專(zhuān)家匯集起來(lái)，解決諸多軍事上的控制問(wèn)題：移動(dòng)平臺(tái)穩(wěn)定性問(wèn)題,、目標(biāo)跟蹤問(wèn)題以及移動(dòng)目標(biāo)射擊問(wèn)題,。而這些研究成果，在戰(zhàn)后都很快地轉(zhuǎn)換為民用技術(shù),。有了戰(zhàn)時(shí)技術(shù)與理論的積累,，工業(yè)控制系統(tǒng)在百?gòu)U待興的戰(zhàn)后時(shí)期進(jìn)行了大規(guī)模的更新?lián)Q代：執(zhí)行機(jī)構(gòu)更加耐用、更加精密,；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)效率更高,、更具實(shí)時(shí)性；中央控制機(jī)構(gòu)的操作更加直觀,、更加簡(jiǎn)單,。所有的發(fā)電廠、汽車(chē)制造廠,、煉油廠都全速運(yùn)行,，完全不知道下一個(gè)飛躍即將來(lái)臨。

新疆域：1950年至今

1950年,，斯佩里-蘭德公司造出了第一臺(tái)商業(yè)數(shù)據(jù)處理機(jī)UNIVAC,，工業(yè)控制系統(tǒng)正式全面與通信系統(tǒng)及電子計(jì)算機(jī)結(jié)合，開(kāi)啟了工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)字化的新疆域,。

數(shù)年后,，全球第一個(gè)數(shù)字化工業(yè)控制系統(tǒng)建設(shè)完成。這個(gè)系統(tǒng)使用單一計(jì)算機(jī)控制整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng),，被稱(chēng)為直接數(shù)字控制（Direct Digital Control：DDC）,也就是第一代工業(yè)控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng),。同時(shí)，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也逐漸清晰起來(lái),，其核心組件開(kāi)始形成：

可編程邏輯控制器（PLC）：用于工業(yè)控制系統(tǒng)的繼電器逐漸顯示出其局限,。繼電器價(jià)格昂貴,，并且一旦配置完成并啟動(dòng),，就難以對(duì)其控制邏輯進(jìn)行改變，這些缺陷導(dǎo)致了可編程邏輯控制器的發(fā)展,。第一個(gè)交付使用的可編程邏輯控制器名為Modicon,，其名稱(chēng)來(lái)源于模塊化數(shù)字控制器英文縮寫(xiě)的組合。之后,，它被用于佛蒙特州普林菲爾德市的科比查克研磨公司,，用戶對(duì)其評(píng)價(jià)極高,，稱(chēng)其“沒(méi)有大量的開(kāi)關(guān)、沒(méi)有風(fēng)扇,、沒(méi)有噪音,、沒(méi)有任何的易損部件”。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,，可編程邏輯控制的控制能力日趨增強(qiáng),，其可用輸入輸出端口從早期的數(shù)個(gè)到現(xiàn)在的上百個(gè)，控制頻率也隨著大規(guī)模集成電路運(yùn)算速度的提升而急速上升,。需要密集并精確控制的精密制造業(yè)因可編程邏輯控制器的發(fā)展而獲益,。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯控制器也由封閉的私有通訊協(xié)議轉(zhuǎn)而使用開(kāi)放的公共協(xié)議,，大幅度提高了系統(tǒng)的兼容性,，方便了系統(tǒng)的維護(hù)與更新。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于地區(qū)或地理跨度非常大的工業(yè)控制系統(tǒng),，比如用于與火力發(fā)電廠毗鄰的高壓變電站,、自來(lái)水給水系統(tǒng)和廢水收集系統(tǒng)、石油與天然氣管道系統(tǒng)等等,。其主要功能是收集系統(tǒng)狀態(tài)信息,，處理數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)距離通信。根據(jù)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)所采集的各種數(shù)據(jù),，控制中心的管理人員可以進(jìn)行各種操作,，維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

遠(yuǎn)程終端單元（RTU）：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的完善需要遠(yuǎn)程終端單元的發(fā)展,。20世紀(jì)60年代,，第一代遠(yuǎn)程終端單元在發(fā)電廠進(jìn)行了布設(shè)。即使是在發(fā)電廠斷電的情況下,，遠(yuǎn)程終端單元也需要進(jìn)行動(dòng)作,，所以其均配備有額外的供電系統(tǒng)。由于遠(yuǎn)程終端單元是在連續(xù)掃描且須快速反應(yīng)的工作狀態(tài)中進(jìn)行操作,，其通訊協(xié)議必須兼具高效與安全,，且安全是重中之重，所以早期的遠(yuǎn)程控制單元供應(yīng)商所使用的協(xié)議各不相同,，各供應(yīng)商的系統(tǒng)完全無(wú)法兼容,。在國(guó)際電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）的推動(dòng)以及基于微處理器的通訊接口的發(fā)展下，遠(yuǎn)程終端單元的兼容性問(wèn)題逐步得到了解決,。

通信技術(shù)：早期的工業(yè)控制系統(tǒng)使用電話線路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與操作,，其數(shù)據(jù)速率（波特率）僅300比特/秒。為滿足系統(tǒng)操作的實(shí)時(shí)性,，工程師將電話線中的數(shù)據(jù)速率提高到了1200比特/秒到9600比特/秒,?？紤]到通訊設(shè)備的成本與控制成本，相當(dāng)多的電力控制系統(tǒng)選擇了電力線通訊技術(shù),，既在電力線載波上傳輸數(shù)據(jù)與聲音,。不久電力線載波技術(shù)又被微波技術(shù)取代。然后,，光纖網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始在廣域網(wǎng)（WAN）中使用?，F(xiàn)在，有相當(dāng)多的公司將衛(wèi)星通訊以及更加便宜的900兆赫茲的無(wú)線通信系統(tǒng)用于工業(yè)控制系統(tǒng),。

協(xié)議：隨著可編程控制器,、遠(yuǎn)程終端單元以及智能電子設(shè)備的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)中所傳遞的早已不是“開(kāi)”與“關(guān)”這樣簡(jiǎn)單的信號(hào)?，F(xiàn)在,，維基百科中所列舉的自動(dòng)化協(xié)議已經(jīng)有37種之多，另外還有6種電力系統(tǒng)協(xié)議,。協(xié)議的巨大差異為系統(tǒng)部署,、操作以及維護(hù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，并且這種情況還在隨時(shí)間的推移不斷惡化,。20世紀(jì)80年代,，IEEE成立了一個(gè)工作組專(zhuān)門(mén)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)日益擴(kuò)大的協(xié)議兼容性問(wèn)題尋找可行的解決方案。在對(duì)120個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行篩選之后,，制定了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議：分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議版本3（DNP3）以及國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）60870-5-101,。目前，DNP3已經(jīng)是使用最為廣泛的工業(yè)控制系統(tǒng)協(xié)議,。

由于電子計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,，工業(yè)控制系統(tǒng)在幾十年之內(nèi)已經(jīng)完成了多次更新?lián)Q代：

第一次：從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，工業(yè)控制系統(tǒng)開(kāi)始由之前的氣動(dòng),、電動(dòng)單元組合式模擬儀表,、手動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)為使用模擬回路的反饋控制器，形成了使用計(jì)算機(jī)的集中式工業(yè)控制系統(tǒng),。

第二次：大約在20世紀(jì)60年代,，工業(yè)控制系統(tǒng)開(kāi)始由計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)升級(jí)為集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的模擬控制電路開(kāi)始逐步更換為數(shù)字控制電路,，并且完成繼電器到可編程邏輯控制器的全面替換,。由于系統(tǒng)的全面數(shù)字化，工業(yè)控制系統(tǒng)使用更為先進(jìn)的控制算法與協(xié)調(diào)控制,，從而使工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍,。但由于集中控制系統(tǒng)直接面向控制對(duì)象,，所以在集中控制的同時(shí)也集中了風(fēng)險(xiǎn),。

第三次：20世紀(jì)70年代中期,，由于工業(yè)設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求增加以及工藝參數(shù)控制量的增多,，已經(jīng)普及的組合儀表顯示已經(jīng)不能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的需要,。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)逐漸被離散式控制系統(tǒng)所取代。大量的中央控制室開(kāi)始使用CRT顯示器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,。越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始使用最新的離散式控制系統(tǒng),，包括煉油、石化,、化工,、電力、輕工以及市政工程,。

第四次：20世紀(jì)90年代后期,，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制技術(shù)為一體的全分散,、全數(shù)字,、全開(kāi)放的工業(yè)控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）應(yīng)運(yùn)而生。相比之前的分布式控制系統(tǒng),，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有更高的可靠性,、更強(qiáng)的功能、更靈活的結(jié)構(gòu),、對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)更強(qiáng)的適應(yīng)性以及更加開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn),。

由于技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的安全問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜,，其面臨的風(fēng)險(xiǎn)及威脅類(lèi)型也越來(lái)越多,，包括黑客、間諜軟件,、釣魚(yú)軟件,、惡意軟件、內(nèi)部威脅,、垃圾信息以及工業(yè)間諜,。上述風(fēng)險(xiǎn)與威脅針對(duì)控制系統(tǒng)的攻擊方式也各不相同，有的專(zhuān)門(mén)攻擊工業(yè)控制系統(tǒng)本身的漏洞,，有的希望通過(guò)入侵工業(yè)控制系統(tǒng)所使用的通信網(wǎng)絡(luò)（包括軟件及硬件）獲取相關(guān)利益,。由于工業(yè)控制系統(tǒng)管理著大量的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性與可靠性對(duì)社會(huì)發(fā)展及國(guó)家安全極其重要,，可以斷言,，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全策略與防護(hù)措施將持續(xù)受到關(guān)注。

工業(yè)控制系統(tǒng)的變革方向

現(xiàn)在,，工業(yè)控制系統(tǒng)的變革仍在繼續(xù),，有以下三個(gè)主要發(fā)展方向：新型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)、基于PC的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及管控一體化系統(tǒng)集成技術(shù),。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

由于技術(shù)的發(fā)展,，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng),、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)(DCS)后,，將朝著現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的方向發(fā)展。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行,、數(shù)字式,、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。它也被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò),。新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)正從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，必然?huì)影響工業(yè)控制系統(tǒng)的前景。很多人相信,，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將與分布式控制系統(tǒng)逐步融合，并最后取而代之,?？梢灶A(yù)見(jiàn)，能遵循現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議或能與其交換信息的可編程邏輯控制器將成為下一代PLC的主流,，充分發(fā)揮其在處理開(kāi)關(guān)量方面的優(yōu)勢(shì),。

固然以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做,，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),、儀表智能化等。另外,，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護(hù)和改造還需要DCS,，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，同時(shí)DCS本身也在不斷的發(fā)展與完善,。確定的是,，結(jié)合DCS、產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng),、先進(jìn)控制等新技術(shù)的FCS將具有強(qiáng)大的生命力,。產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一種靈活、方便,、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式,，在產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,，并將在控制領(lǐng)域中占有更加重要的地位。

工業(yè)PC

工業(yè)PC自上世紀(jì)90年代初進(jìn)入軍工業(yè)自動(dòng)化以來(lái),，正勢(shì)不可擋地深入各領(lǐng)域,，獲得了廣泛應(yīng)用。究其原因,，在于PC機(jī)的開(kāi)放性,，具有豐富的硬件資源,、軟件資源和人力資源,，能夠得到廣大工程技術(shù)人員的支持，也為廣大人群所熟悉,?；赑C（包括嵌入式PC）的工業(yè)控制系統(tǒng)，正以每年20%以上的速率增長(zhǎng),。各大可編程邏輯控制器廠商,、工業(yè)控制系統(tǒng)集成商也接受了工業(yè)PC的技術(shù)路線，使基于PC的工業(yè)控制技術(shù)成為本世紀(jì)初的主流技術(shù)之一,。

工業(yè)PC低成本的這一特點(diǎn),，也是其有望成為工業(yè)控制自動(dòng)化主流的另一重要因素。在傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)中,，基礎(chǔ)自動(dòng)化部分基本被PLC和DCS壟斷,，過(guò)程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化部分主要由各種高端過(guò)程計(jì)算機(jī)或小型機(jī)組成，其硬件,、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的價(jià)格之高令眾多企業(yè)望而卻步,。在企業(yè)發(fā)展的前中期，選擇走低成本工業(yè)控制自動(dòng)化的道路是企業(yè)的首選,，并且由于基于工業(yè)PC的控制器被證明可以像PLC一樣可靠,，具有易于被操作和維護(hù)人員接受、易于安裝和使用以及可實(shí)現(xiàn)高級(jí)診斷功能等特點(diǎn),，為系統(tǒng)集成商提供了更靈活的選擇,，因此越來(lái)越多的制造商開(kāi)始在部分生產(chǎn)中采用工業(yè)PC控制方案。

可以預(yù)見(jiàn),，工業(yè)PC與PLC的競(jìng)爭(zhēng)將主要在高端應(yīng)用上,，其數(shù)據(jù)復(fù)雜且設(shè)備集成度高。從發(fā)展趨勢(shì)看,，控制系統(tǒng)的將來(lái)很可能會(huì)介于工業(yè)PC 和 PLC之間,，而這些融合的跡象也已經(jīng)出現(xiàn)。今后在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),、可程序設(shè)計(jì)邏輯控制器與工業(yè)PC將會(huì)相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)，但工業(yè)PC的優(yōu)勢(shì)將更加突出,，其應(yīng)用范圍會(huì)迅速擴(kuò)大到全部的工業(yè)控制領(lǐng)域,。

管控一體化系統(tǒng)集成

隨著Internet技術(shù)深入到工業(yè)控制領(lǐng)域，控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的結(jié)合成為必然,，這使得工業(yè)自動(dòng)化界渴望已久的管控一體化,、工業(yè)企業(yè)信息化以及基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化的目標(biāo)成為可能。管控一體化可以使企業(yè)選擇到真正符合新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的最佳解決方案,，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率,，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。因此,，工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展新方向是通過(guò)以太網(wǎng)和Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放型分布式智能系統(tǒng),，基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提供模塊化,、分布式,、可重用的工業(yè)控制方案。其最主要的方面就是發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的工程化工業(yè)控制與管理軟件,。

建設(shè)管控一體化系統(tǒng),，包括多種系統(tǒng)的集成和多種技術(shù)的集成。在多種系統(tǒng)集成方面,，首先是現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)多種系統(tǒng)的集成,，這其中包含三種集成模型。第一是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS與DCS的集成,，即FCS實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)控回路,，DCS作為高一層的管理協(xié)調(diào)者實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的先進(jìn)控制和優(yōu)化功能。第二是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS,、DCS與PLC的集成,，即邏輯聯(lián)鎖比較復(fù)雜的場(chǎng)合使用PLC、FCS實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)控回路,，DCS作為高一層的管理協(xié)調(diào)者,，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的先進(jìn)控制和優(yōu)化功能。第三是多種FCS的集成,，解決不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換問(wèn)題,，重點(diǎn)研究不同現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的互操作性和統(tǒng)一的組態(tài)、監(jiān)控和軟件的研制,，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成而不損失或者影響各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的功能和性能,。其次是管理網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的集成，在未來(lái)的企業(yè)管理中,，大量的數(shù)據(jù)來(lái)自控制網(wǎng)絡(luò),，建設(shè)企業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng),，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù),、數(shù)據(jù)發(fā)布,、數(shù)據(jù)挖掘、模型計(jì)算,、過(guò)程仿真,、配方設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化,、參數(shù)檢測(cè),、偏差分析和故障診斷等，通過(guò)在Internet/Web應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上建立各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù),，才能真正實(shí)現(xiàn)管控一體化,。它向下可以為控制軟件提供智能決策,，向上可以為管理軟件提供有價(jià)值的數(shù)據(jù),。

在多種技術(shù)集成方面，包括設(shè)備互操作技術(shù),、通用數(shù)據(jù)交換技術(shù),、EtherNET和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等多種技術(shù)的集成。其中通用數(shù)據(jù)交換技術(shù)又包括了DDE動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù),、NetDDE網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)交換技術(shù),、ODBC開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)技術(shù)、COM/DCOM組件對(duì)象模型以及OPC技術(shù),。而EtherNET+TCP/IP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制參數(shù)和各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸和共享,，從而避免了PLC、DCS和FCS存在多種協(xié)議而難以集成的局面,。

相信在不久的將來(lái),，在上述三項(xiàng)技術(shù)的推動(dòng)下，我們能夠看到工業(yè)控制領(lǐng)域的再一次質(zhì)的飛躍,，而人類(lèi)文明也會(huì)隨之繼續(xù)前進(jìn),。