探秘工业控制系统的前世今生

从0到N，工业控制系统经时间淬炼、蜕变，成为工业自动化以及与国计民生相关的重点行业的中枢神经。在时间的演进中，现代工业控制系统也经历了启蒙时代、古典主义时期才完成现代化的蜕变。

启蒙时代：1935年之前

工业控制系统作为工厂流程的一部分出现在世人面前大约是在十八世纪中期，但事实上，古代的希腊人与阿拉伯人就已经开始在诸如水钟、油灯这样的装置中使用浮动阀门进行自动控制了。世界上第一台有记载的自动控制设备是公元前二百五十年左右埃及人所使用的水钟。这台水钟以水作为动力进行计时与矫正，将世界最准确计时工具的头衔保持了将近两千年，直到摆钟被发明。

1745年，安装在风车中控制磨盘间的间隙，已经开始由自动装置进行控制。这种控制机构是最早真正用于工业的控制系统之一，并且最终导致了由蒸汽引擎引发的第一次工业革命。

之后的一个多世纪，绝大部分的工业控制系统所关注的重点是对蒸汽系统中的温度、压力、液面以及机器转速的控制。但随着工业革命的深入，十八世纪中期至二十世纪初，工业控制系统开始了有史以来第一次全面发展：

航海：由于大型船只的使用，舵面转向因流体动力学的改变变得更加复杂。与此同时，操作机构与舵面之间传动机构的增多及增大导致动作响应时间更加缓慢。1873年，让?约瑟夫?莱昂?法尔，一名法国企业家兼工程师，发明了被其称为“动力辅助器”的装置来解决上述问题。今天，经后人改进，他的发明有了新的名字：伺服机构。

制造业：这一时期，继电器开始在工厂中大量使用。通过继电器构筑的逻辑（如“开/关”和“是/否”）代替了之前使用人工的制造业控制方式。今天广泛用于工业控制系统的可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController:PLC）就是继电器逻辑发展的产物。

电力：新兴的电力行业也在这一时期投入大量资金进行工业控制系统的构建。比如设计并发明了用于控制电压或者电流使其保持恒定的电力监测与控制系统。到1920年，虽然绝大多数控制手段只是简单的“开/关”，中央控制室已经成为大型工厂和电站的标准配置。中央控制室中的记录器能够对系统运行状况进行绘制或者使用彩色灯泡反映系统状态，操作员则以此为依据对某些开关进行操作，完成对系统的控制。用于现代电厂的工业控制系统已现雏形。

交通：工业控制系统在交通领域的发展得益于用于控制平衡以及自动驾驶的陀螺仪的首次使用。这一时期，埃尔默?斯佩里发明了早期的主动式平衡装置。到1930年，许多航空公司在远距离飞行中都使用他发明的自动驾驶仪。

研究：1932年，“负反馈”的概念被纳入到控制理论中并用于新型控制系统的设计，并完成控制领域中“标准闭环分析”方法的建立。

这一时期，工业控制系统所面临的大多数问题是如何保证工业控制系统的可靠性及物理安全性。由于经典控制理论当时并未建立，相当多的控制系统具有很高的失效率。当时的工程师常常碰到这样的问题，同样一个控制系统在不同控制环境中的可靠性相差极大，而他们能够做的只有极为有限的定性分析。富有经验的工程师能够在一定程度上通过安全操作规范的形式解决工业控制系统的物理安全问题以及一线工人的人身安全问题。

1935年，工业控制系统的启蒙时期随着“通信大繁荣”的开始而结束。远距离有线及无线通信技术的应用，标志着工业控制系统古典时期正式开始。

古典主义时期：1935年-1950年

由于奠定了现代工业控制理论及相关标准的基础，1935年至1950年被很多学者称为工业控制领域的古典主义时期。这一时期的工业控制产业和相关标准由四个美国组织所建立：

美国电话电报公司：专注于通信系统的带宽拓宽。

建设者铸铁公司艾德?史密斯带领的过程工程师与物理学家团队：对自己所使用的工业控制系统进行深入研究，并开始系统性地研究控制理论。他们统一了控制领域的大量术语，游说美国机械工程师协会（ASME）将其编制成正式文件，并且于1936年成立了监管委员会。

福克斯波罗公司：设计了第一款现代工业控制中最常用的反馈回路控制部件，比例积分控制器。

麻省理工学院伺服机构实验室：引入了控制系统“框图”的概念，开始对工业控制系统进行模拟。

有了经典控制理论作为基础，工业控制系统的可靠性大大增加，同期的“通信大繁荣”使工业控制领域的安全焦点从物理安全保障转移为通信安全保障，即防止工业控制系统在信号传输过程中被干扰或破坏。

战争是这一时期工业控制系统理论与技术蓬勃发展的重要原因。第二次世界大战期间，各国都将控制领域的专家汇集起来，解决诸多军事上的控制问题：移动平台稳定性问题、目标跟踪问题以及移动目标射击问题。而这些研究成果，在战后都很快地转换为民用技术。有了战时技术与理论的积累，工业控制系统在百废待兴的战后时期进行了大规模的更新换代：执行机构更加耐用、更加精密；数据采集系统效率更高、更具实时性；中央控制机构的操作更加直观、更加简单。所有的发电厂、汽车制造厂、炼油厂都全速运行，完全不知道下一个飞跃即将来临。

新疆域：1950年至今

1950年，斯佩里-兰德公司造出了第一台商业数据处理机UNIVAC，工业控制系统正式全面与通信系统及电子计算机结合，开启了工业控制系统数字化的新疆域。

数年后，全球第一个数字化工业控制系统建设完成。这个系统使用单一计算机控制整个工业控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl：DDC）,也就是第一代工业控制系统：计算机集中控制系统。同时，现代工业控制系统的结构也逐渐清晰起来，其核心组件开始形成：

可编程逻辑控制器（PLC）：用于工业控制系统的继电器逐渐显示出其局限。继电器价格昂贵，并且一旦配置完成并启动，就难以对其控制逻辑进行改变，这些缺陷导致了可编程逻辑控制器的发展。第一个交付使用的可编程逻辑控制器名为Modicon，其名称来源于模块化数字控制器英文缩写的组合。之后，它被用于佛蒙特州普林菲尔德市的科比查克研磨公司，用户对其评价极高，称其“没有大量的开关、没有风扇、没有噪音、没有任何的易损部件”。随着大规模集成电路的发展，可编程逻辑控制的控制能力日趋增强，其可用输入输出端口从早期的数个到现在的上百个，控制频率也随着大规模集成电路运算速度的提升而急速上升。需要密集并精确控制的精密制造业因可编程逻辑控制器的发展而获益。随着通信技术的发展，可编程逻辑控制器也由封闭的私有通讯协议转而使用开放的公共协议，大幅度提高了系统的兼容性，方便了系统的维护与更新。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。