概述自动化控制系统的发展情况

概述自动化控制系统的发展情况

作者：贾月辉 王春娜

来源：《城市建设理论研究》2013年第09期

摘 要：

电气自动化自诞生以来，经历漫长的发展过程，曾先后出现过三大控制系统：PLC、DCS、FCS，各自代表了一个时代最领先的自动化控制技术。本文介绍了这三种系统的发展过程，并对电气自动化控制系统未来发展趋势作了展望。 关键词：自动化 控制 系统 发展

中图分类号：TN830.1文献标识码： A 文章编号： 1 PLC 可编程序逻辑控制器

PLC的出现要感谢美国的通用汽车公司（很不幸的是在次贷危机的影响下这家公司已于2009 年 6月1日申请了破产保护）。1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求因而开始研制PLC。

这种可编程逻辑控制器本身其实严格来说就是一台电脑。因为它的内部存储存了程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC不仅具有运算功能，而且具有控制功能，更厉害的是它还可以进行网络通讯，它可以支持多种现场总线和标准的通信协议（如 TCP/IP），它可以与工厂的网络相连接。PLC 是各类工厂的“常客”，可以这么说 PLC 越多的工厂自动化程度就越高，没有 PLC 的工厂已经令人感到无法想像了，这样的工厂基本上可以直接搬到博物馆里去了。 2 DCS 分散控制系统

DCS（Distributed Control Systems）的产生也是基于自动化的需要。工厂需要坐在电脑前就可以控制远处的锅炉，还可以控制在另一处的一个温度装置，还可以控制更远的一个水位等等。DCS要做的就是把这些控制都集中到工厂的控制车间，只需要一个人坐在电脑前就可以控制工厂里的所有设备的运行。DCS 的含义就是集散控制系统也叫分布式控制系统，也就是要把分散在各个不同位置待控设备集中到一个总控制室里进行统一控制、集中管理。这样一个工人就可以控制N种设备，如果没有DCS的话每一个设备附近都需要有一个工人。 1975 年美国霍尼韦尔（Honey Well）第一套分布式控制系统 TD－CS-2000 问世以来，分布式控制系统已经在工业控制的各个领域得到了越来越广泛的应用，DCS以其高度的可靠

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性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力，逐渐成为过程工业自动控制的主流系统。迄今，全世界数百家厂商已经开发了各种类型的分布式控制系统1500 余种，DCS 以其先进、可靠、灵活和操控简便以及合理的价格而得到广大工业用户的青睐，广泛应用于冶金、电力、化工、石油和造纸等工业领域。DCS 是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。 3 FCS 现场总线控制系统

FCS（Frontiers of Computer Science）1984 年美国 Inter 公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）分离，形成了现场总线的最初概念。20世纪80年代中期，美国Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。采用在 4～20mA 模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。HART 协议已是现场总线的雏形。1985 年由 Honeywell 和 Bailey 等大公司发起，成立了 World FIP 制定了 FIP 协议。

1987 年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount，横河为首的 ISP 集团；另一个是由 Honeywell、Bailey 等公司牵头的 WorldFIP 集团。

1994 年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（Fieldbus Foundation）简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循 IEC/ISA SP50 协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。1）FCS 系统的核心是总线协议，即总线标准。2）FCS 系统的基础是数字智能现场装置。3）FCS系统的本质是信息处理现场化。现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。

FCS 的特点是具有较高的性能价格比。系统综合成本及一次性安装费用减少 40%。由于导线、连接附件的大幅度的减少。使原来的几百根，甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少。所以设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改造的停工时间减少 60%。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行；标准接插件快速、简便的安装，使人力、物力大量的减少；强大的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量大幅减少。

FCS 具有互操作性即互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。这在 DCS 的时代是无法想像的。FCS 系统的本质是信息处理现场化。随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散

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控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的 FCS 系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。

分布式的 FCS 系统比 DCS 系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简化。

有的FCS 系统省略了 DCS 中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。FCS 具备了 DCS 与 PLC 的特点，无论是 FCS 或者是 DCS 还是PLC，它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制。新型的DCS 已有很强的顺序控制功能；而新型的 PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS 与 PLC 的适用范围，已有很大的交叉。

4 工业控制与自动化领域部分技术的发展前景 4.1 现场总线(控制网络)

4.1.1 并行总线:包括Compact PCI总线、PXI总线、VXI总线。

4.1.4 现场总线及FCS。由于现场总线技术的发展,新一代的现场总线控制系统FCS正在走向实用化,这是工业控制与自动化技术的一个突出热点,它将给工业控制、自动化技术带来一次深刻革命。在现场总线技术中,更要特别关注工业以太网的发展。