工业控制系统发展历史ppt课件.pptx

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1、工业控制系统发展历史,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。,前言,计算机网络的发展,1.计算机网络

2、的前期发展,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）。,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，

3、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,第一阶段,第一阶段：面向终端分布的计算机通讯网,公用电话网 公用电话网 公用电话网,第二阶段：分组交换数据网（PSDN),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

4、报文交换,核心交换网由报文（分组）交换设备（PSX）构成。,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),(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

5、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。,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。,（2）互联网,（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

6、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。,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

7、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。,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。,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

8、统得到大量应用。,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。,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

9、现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（420mA/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。,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,现场总线控制系统,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

10、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,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）,直接数字控制（DDC：Direct Digital Control）模拟PID电路变成了数字

11、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420mA模拟仪表（1990s）,调节器,单回路调节器,多回路调节器,FCS现场总线,DCS 分散控制系统,价格,PC+I/O工控机系统,PLC可编程控制系统,功能和规模,5.计算机集中控制系统CCS

12、,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。,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

13、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。,集散控制系统(DCS),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

14、前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。,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

15、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。,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、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）。,(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)

16、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420mA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。,(3) 基金会现场总线(Foundation Fieldbus) 在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上

17、形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。,(4) LonWork(Local Operating Network局部操作网)现场总线 它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数

18、设置，其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。,3.现场总线控制系统的组成结构,现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分布进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。,现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个系统组成，而通讯部分的硬、软件是其具特色的部分。,现场总线的特色部分,控制系统测量系统管理系统总线系统计算机服务模式数据库网络系统的硬件与软件,4.现场总线的系统特点,现场总线的突出特点在于它

19、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：,系统的开放性：开放是指对相关标准公开性、一致性。互可操作性与互用性：是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通。现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性,现场总线的未来,现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃，近年来，有关现场总线的报道层出不穷，其中令人关注的焦点集中在能否出现全世界统一的现场总线标准。 不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合，靠一种现场总线打天下的想法看来不太现实。当然，从另一

20、方面来讲，相当一部分现场总线是大同小异的，技术上非常接近，在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。但商业利益上的激烈竞争是这个问题的主要原因，对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商，因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线;因此，在未来较长的一段时间内，现场总线标准之争会越演越烈。现场总线技术的发展虽然取得了显著成就，但是在应用方面大体上还处在替代模拟传输线的阶段。实际上现场总线不仅仅是信号制式的改变，它是为控制技术的信息化提供基础的。用户对系统底层信息化(控制、诊断、管理)改造的需求是现场总线技术推广的原始动力。近些年来现场总线在设备资产管理、预测诊断和平稳操作等方面的潜力

21、开始被挖掘出来，显现了极富发展前景的势,现场总线技术的发展虽然取得了显著成就，但是在应用方面大体上还处在替代模拟传输线的阶段。实际上现场总线不仅仅是信号制式的改变，它是为控制技术的信息化提供基础的。用户对系统底层信息化(控制、诊断、管理)改造的需求是现场总线技术推广的原始动力。近些年来现场总线在设备资产管理、预测诊断和平稳操作等方面的潜力开始被挖掘出来，显现了极富发展前景的势。,工业以太网,控制网络的基本发展趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通信协议。现场总线技术出现问题的根本原因在于现场总线开放性是有条件的、不彻底的。正因为如此，工业以太网得以兴起。,工业以太网,工业以太网是基于IEEE 802

22、.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet) 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。,工业以太网作为现场总线的优势,一、工业以太网（Ethernet）基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。 二、低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与

23、计算机、服务器等接口十分方便。 三、以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。 四、以太网易与Internet连接。任何地方都可以通过Internet对企业生产进行监视控制;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化。,工业以太网的应用现状,虽然工业以太网在一些行业的应用上已经真正实现了一网到底，但对于另一些行业，现场总线和工业以太网将会并存多年。现场总线和工业以太网是

24、当前工业控制应用中普遍采用的两个技术。虽然多种现场总线技术之间存在互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速实时数据传输，以及信息网络存在协议上的鸿沟等导致的“自动化孤岛”等问题。但在控制网络中，网络故障的快速恢复、本质安全等问题依然是制约以太网全面应用的主要障碍。现场总线与工业以太网混存的状态还会持续相当长的时间。不过，可以肯定的是，以太网已经成为工业现场不可逆转的“存在”。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。,工业以太网是以太网

25、向现场层的延伸,为满足工业现场的需要，即满足以下要求： 环境适应性 可靠性安全性安装方便,工业以太网还需要解决的关键技术问题,以太网最初是为了办公自动化应用开发的，是一种非确定性的网络，并且工作的环境条件往往很好。而工业应用中的部分数据传输对实时性有很高的要求，如果要求一个数据包在2ms内由源节点送到目的节点，就必须在2ms内送到，否则就可能发生事故。,以太网是媒体访问控制（MAC）协议使用带碰撞检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）的网络统称，其协议所定义的数据结构等特性并不提供标准的面向工业的应用层协议。,尽管各大工业开发和制造商都在开放、生产工业以太网设备，并且在产品设计时采用了相应的

26、可靠性技术，但在工业以太网线缆、接插件等方面均没有同意的标准，这不利于不同厂商生产的设备之间直接的连接。,工业以太网由于采用了TCP/IP，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵或非法操作等网络安全威胁，虽然目前采用了用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全性管理，但针对工业自动化控制网络安全问题的解决方案仍需要认真研究解决。,工业以太网结构模型,工业以太网的拓扑结构,现在各种控制系统都在不断发展各自的新的技术。今后的控制系统会向何处发展？是否会有一些老的控制系统消亡，从而被其它的新的控制系统取代？比如，十几年前就有PLC将被PC-Based控制系统取代的预测，现场总线将取代DCS的说法一度也甚嚣尘上。但是，十几年过去了，DCS和PLC依然在控制系统的市场上占据着最大的份额。 当今生产世界的趋势是逐步增加的柔性，更大的可视性，更好的远程控制，和逐渐下降的成本。减少生产成本是通过减少库存、高的生产率、更好的质量控制和更好的产品设计。所有这些，需要更好和更容易的通信，从控制系统制造商的观点来看，它意味着控制系统必须要具有开放性。另外一个控制系统所必须具有的特性就是可靠性，包括高度的稳定性和对各种环境和事件的可预测的响应度。因此，开放性和可靠性，将是今后控制系统发展的主要方向。,结束语,谢谢观赏 ！,