机器视觉网：工业控制系统现代的三大变革方向

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          自动化与工业控制系统通常被简称为ICS，是一个用来描述工业设施与自动化系统的专用词汇。

   　　在ISA-99/IEC62443标准中，工业控制系统指的是“一个包括人员、硬件以及软件，能够对工业过程的安全性、可靠性造成影响的集合”，通常具有以下四个功能：

   　　1.测量——获取传感器数据并将其作为下一步处理的输入或直接作为输出；

   　　2.比较——将获取的传感器数据与预先设定的数据进行比较；

   　　3.计算——计算历史误差、当前误差与后续误差；

   　　4.矫正——基于测量、比较及计算的结果对自动化过程进行调整。

   　　上述四个功能通常由工业控制系统中的五个部件完成：传感器——用于测量目标的物理参数；转换器——将测量所得的电学/非电学测量值转换为可用的电信号；发射器——负责控制系统中的电信号的发送；控制器——为整个控制系统提供控制逻辑与输入输出接口；执行器——用于改变控制过程。

   　　在现代工业控制系统中，这些基本部件并不一定是各自独立的。它们通常以子系统的形式进行组合，完成各种复杂的控制任务。比如，现代工业控制系统中常见的传感模块就由传感器、转换器与发射器（甚至可能会有小型的控制器用于前端数据处理）组成；数据采集与监控系统作为控制系统中的关键子系统，通常又由大量的传感模块、发射器及控制器组成；而可编程逻辑控制器，通常集成了发射器与控制器，用于具体工业过程的控制。现代工业控制系统就是由各种传感器、控制器、执行器以及各种具有具体功能的子系统构成的具有复杂结构的控制网络。

   　　就像罗马并不是一天建成的，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。

   　　历经三个重要历史时期

   　　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。

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