自动化与工业操控体系一般被简称为ICS（Industrial Control Systems），是一个用来描绘工业设施与自动化体系的专用词汇。在ISA-99/IEC 62443规范中，工业操控体系指的是“一个包含人员、硬件以及软件，能够对工业进程的安全性、牢靠性形成影响的调集”，一般具有以下四个功用：1.丈量——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.核算——核算前史差错、当前差错与后续差错；4.纠正——根据丈量、比较及核算的成果对自动化进程进行调整。

　　上述四个功用一般由工业操控体系中的五个部件完结：传感器——用于丈量方针的物理参数；转化器——将丈量所得的电学/非电学丈量值转化为可用的电信号；发射器——担任操控体系中的电信号的发送；操控器——为整个操控体系供给操控逻辑与输入输出接口；执行器——用于改动操控进程。

　　在现代工业操控体系中，这些根本部件并不一定是各自独立的。它们一般以子体系的方式进行组合，完结各种杂乱的操控使命。比方，现代工业操控体系中常见的传感模块就由传感器、转化器与发射器（甚至可能会有小型的操控器用于前端数据处理）组成；数据搜集与监控体系作为操控体系中的要害子体系，一般又由许多的传感模块、发射器及操控器组成；而可编程逻辑操控器，一般集成了发射器与操控器，用于详细工业进程的操控。现代工业操控体系便是由各种传感器、操控器、执行器以及各种具有详细功用的子体系构成的具有杂乱结构的操控网络。就像罗马并不是一天建成的，现代工业操控体系也阅历了启蒙时代、古典主义时期才完结现代化的蜕变。

　　历经三个重要前史时期

　　启蒙时代：1935年之前

　　工业操控体系作为工厂流程的一部分呈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现已开端在诸如水钟、油灯这样的装置中运用浮动阀门进行自动操控了。世界上第一台有记载的自动操控设备是公元前二百五十年左右埃及人所运用的水钟。这台水钟以水作为动力进行计时与纠正，将世界最准确计时东西的头衔坚持了将近两千年，直到摆钟被创造。

　　1745年，装置在风车中操控磨盘间的空隙，现已开端由自动装置进行操控。这种操控安排是最早真正用于工业的操控体系之一，而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，绝大部分的工业操控体系所重视的要点是对蒸汽体系中的温度、压力、液面以及机器转速的操控。但跟着工业革命的深化，十八世纪中期至二十世纪初，工业操控体系开端了有史以来第一次全面开展：

　　帆海：因为大型船只的运用，舵面转向因流体动力学的改动变得愈加杂乱。与此一起，操作安排与舵面之间传动安排的增多及增大导致动作呼应时刻愈加缓慢。1873年，让？约瑟夫？莱昂？法尔，一名法国企业家兼工程师，创造了被其称为“动力辅佐器”的装置来处理上述问题。今日，经后人改善，他的创造有了新的姓名：伺服安排。

　　制造业：这一时期，继电器开端在工厂中许多运用。通过继电器构筑的逻辑（如“开/关”和“是/否”）代替了之前运用人工的制造业操控方式。今日广泛用于工业操控体系的可编程逻辑操控器（Programmable Logic Controller： PLC）便是继电器逻辑开展的产品。

　　电力：新式的电力行业也在这一时期投入许多资金进行工业操控体系的构建。比方规划并创造了用于操控电压或许电流使其坚持恒定的电力监测与操控体系。到1920年，虽然绝大多数操控手法仅仅简略的“开/关”，中心操控室现已成为大型工厂和电站的规范配置。中心操控室中的记录器能够对体系运行状况进行绘制或许运用彩色灯泡反映体系状况，操作员则以此为依据对某些开关进行操作，完结对体系的操控。用于现代电厂的工业操控体系已现雏形。

　　交通：工业操控体系在交通范畴的开展得益于用于操控平衡以及自动驾驶的陀螺仪的首次运用。这一时期，埃尔默？斯佩里创造了前期的主动式平衡装置。到1930年，许多航空公司在远距离飞翔中都运用他创造的自动驾驶仪。

　　研究：1932年，“负反应”的概念被纳入到操控理论中并用于新式操控体系的规划，并完结操控范畴中“规范闭环分析”方法的树立。

　　这一时期，工业操控体系所面临的大多数问题是如何确保工业操控体系的牢靠性及物理安全性。因为经典操控理论其时并未树立，适当多的操控体系具有很高的失功率。其时的工程师常常碰到这样的问题，相同一个操控体系在不同操控环境中的牢靠性相差极大，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方式处理工业操控体系的物理安全问题以及一线工人的人身安全问题。

　　1935年，工业操控体系的启蒙时期跟着“通讯大昌盛”的开端而结束。远距离有线及无线通讯技能的运用，标志着工业操控体系古典时期正式开端。

　　古典主义时期：1935年-1950年

　　因为奠定了现代工业操控理论及相关规范的根底，1935年至1950年被许多学者称为工业操控范畴的古典主义时期。这一时期的工业操控工业和相关规范由四个美国安排所树立：

　　美国电话电报公司：专注于通讯体系的带宽拓宽。

　　建设者铸铁公司艾德？史密斯带领的进程工程师与物理学家团队：对自己所运用的工业操控体系进行深化研究，并开端体系性地研究操控理论。他们一致了操控范畴的许多术语，游说美国机械工程师协会（ASME）将其编制成正式文件，而且于1936年成立了监管委员会。

　　福克斯波罗公司：规划了第一款现代工业操控中最常用的反应回路操控部件，份额积分操控器。

　　麻省理工学院伺服安排实验室：引入了操控体系“框图”的概念，开端对工业操控体系进行模仿。

　　有了经典操控理论作为根底，工业操控体系的牢靠性大大添加，同期的“通讯大昌盛”使工业操控范畴的安全焦点从物理安全保证转移为通讯安全保证，即避免工业操控体系在信号传输进程中被搅扰或破坏。

　　战役是这一时期工业操控体系理论与技能蓬勃开展的重要原因。第2次世界大战期间，各国都将操控范畴的专家聚集起来，处理许多军事上的操控问题：移动平台安稳性问题、方针跟踪问题以及移动方针射击问题。而这些研究成果，在战后都很快地转化为民用技能。有了战时技能与理论的积累，工业操控体系在百废待兴的战后时期进行了大规模的更新换代：执行安排愈加经用、愈加精密；数据搜集体系功率更高、更具实时性；中心操控安排的操作愈加直观、愈加简略。一切的发电厂、轿车制造厂、炼油厂都全速运行，彻底不知道下一个腾跃即将来临。

　　新边境：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，工业操控体系正式全面与通讯体系及电子核算机结合，敞开了工业操控体系数字化的新边境。

　　数年后，全球第一个数字化工业操控体系建设完结。这个体系运用单一核算机操控整个工业操控体系，被称为直接数字操控（Direct Digital Control：DDC），也便是第一代工业操控体系：核算机会集操控体系。一起，现代工业操控体系的结构也逐渐清晰起来，其间心组件开端形成：

　　可编程逻辑操控器（PLC）：用于工业操控体系的继电器逐渐显示出其限制。继电器价格昂贵，而且一旦配置完结并启动，就难以对其操控逻辑进行改动，这些缺陷导致了可编程逻辑操控器的开展。第一个交付运用的可编程逻辑操控器名为Modicon，其名称来源于模块化数字操控器英文缩写的组合。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，用户对其点评极高，称其“没有许多的开关、没有电扇、没有噪音、没有任何的易损部件”。跟着大规模集成电路的开展，可编程逻辑操控的操控能力日趋增强，其可用输入输出端口从前期的数个到现在的上百个，操控频率也跟着大规模集成电路运算速度的提高而急速上升。需求密集并准确操控的精密制造业因可编程逻辑操控器的开展而获益。跟着通讯技能的开展，可编程逻辑操控器也由封闭的私有通讯协议转而运用开放的公共协议，大幅度提高了体系的兼容性，便利了体系的保护与更新。

　　数据搜集与监控体系（SCADA）：数据搜集与监控体系开端运用于地区或地理跨度非常大的工业操控体系，比方用于与火力发电厂毗连的高压变电站、自来水给水体系和废水搜集体系、石油与天然气管道体系等等。其首要功用是搜集体系状况信息，处理数据以及远距离通讯。依据数据搜集与监控体系所搜集的各种数据，操控中心的办理人员能够进行各种操作，维持整个体系的正常运行。

　　长途终端单元（RTU）：数据搜集与监控体系的完善需求长途终端单元的开展。20世纪60年代，第一代长途终端单元在发电厂进行了布设。即使是在发电厂断电的情况下，长途终端单元也需求进行动作，所以其均配备有额定的供电体系。因为长途终端单元是在连续扫描且须快速反应的作业状况中进行操作，其通讯协议必须兼具高效与安全，且安满是重中之重，所以前期的长途操控单元供货商所运用的协议各不相同，各供货商的体系彻底无法兼容。在世界电气与电子工程师学会（IEEE）的推进以及根据微处理器的通讯接口的开展下，长途终端单元的兼容性问题逐步得到了处理。

　　通讯技能：前期的工业操控体系运用电话线路对体系进行监控与操作，其数据速率（波特率）仅300比特/秒。为满意体系操作的实时性，工程师将电话线中的数据速率提高到了1200比特/秒到9600比特/秒。考虑到通讯设备的本钱与操控本钱，适当多的电力操控体系挑选了电力线通讯技能，既在电力线载波上传输数据与声音。不久电力线载波技能又被微波技能替代。然后，光纤网络开端在广域网（WAN）中运用。现在，有适当多的公司将卫星通讯以及愈加便宜的900兆赫兹的无线通讯体系用于工业操控体系。

　　协议：跟着可编程操控器、长途终端单元以及智能电子设备的开展，通讯网络中所传递的早已不是“开”与“关”这样简略的信号。现在，维基百科中所罗列的自动化协议现已有37种之多，另外还有6种电力体系协议。协议的巨大差异为体系布置、操作以及保护带来了巨大的挑战，而且这种情况还在随时刻的推移不断恶化。20世纪80年代，IEEE成立了一个作业组专门对工业操控体系日益扩大的协议兼容性问题寻找可行的处理计划。在对120个工业操控体系协议进行筛选之后，制定了两个规范化协议：分布式网络协议版别3（DNP3）以及世界电工委员会（IEC）60870-5-101。目前，DNP3现已是运用最为广泛的工业操控体系协议。

　　因为电子核算机与现代通讯网络的开展，工业操控体系在几十年之内现已完结了屡次更新换代：

　　第一次：从20世纪50年代开端，工业操控体系开端由之前的气动、电动单元组合式模仿外表、手动操控体系升级为运用模仿回路的反应操控器，形成了运用核算机的会集式工业操控体系。

　　第2次：大约在20世纪60年代，工业操控体系开端由核算机会集操控体系升级为会集式数字操控体系。体系中的模仿操控电路开端逐步更换为数字操控电路，而且完结继电器到可编程逻辑操控器的全面替换。因为体系的全面数字化，工业操控体系运用更为先进的操控算法与和谐操控，从而使工业操控体系发生了质的腾跃。但因为会集操控体系直接面向操控目标，所以在会集操控的一起也会集了危险。

　　第三次：20世纪70年代中期，因为工业设备大型化、工艺流程连续性要求添加以及工艺参数操控量的增多，现已普及的组合外表显示现已不能满意工业操控体系的需求。会集式数字操控体系逐渐被离散式操控体系所替代。许多的中心操控室开端运用CRT显示器对体系状况进行监督。越来越多的行业开端运用最新的离散式操控体系，包含炼油、石化、化工、电力、轻工以及市政工程。

　　第四次：20世纪90年代后期，集核算机技能、网络技能与操控技能为一体的全涣散、全数字、全开放的工业操控体系——现场总线操控体系（FCS）应运而生。比较之前的分布式操控体系，现场总线操控体系具有更高的牢靠性、更强的功用、更灵敏的结构、对操控现场更强的适应性以及愈加开放的规范。

　　因为技能的快速开展，现代工业操控体系的安全问题越来越杂乱，其面临的危险及要挟类型也越来越多，包含黑客、间谍软件、钓鱼软件、歹意软件、内部要挟、垃圾信息以及工业间谍。上述危险与要挟针对操控体系的进犯方式也各不相同，有的专门进犯工业操控体系自身的漏洞，有的期望通过入侵工业操控体系所运用的通讯网络（包含软件及硬件）获取相关利益。因为工业操控体系办理着许多的国家根底设施，其安全性与牢靠性对社会开展及国家安全极其重要，能够断语，在未来适当长时刻里，工业操控体系的安全策略与防护措施将持续受到重视。

　　工业操控体系的革新方向

　　现在，工业操控体系的革新仍在持续，有以下三个首要开展方向：新式现场总线操控体系、根据PC的工业操控核算机以及管控一体化体系集成技能。

　　现场总线操控体系

　　因为技能的开展，核算机操控体系的开展在阅历了基地式气动外表操控体系、电动单元组合式模仿外表操控体系、会集式数字操控体系以及集散操控体系(DCS)后，将朝着现场总线操控体系(FCS)的方向开展。现场总线操控体系（FCS）是衔接现场智能设备和自动化操控设备的双向串行、数字式、多节点通讯网络。它也被称为现场底层设备操控网络。新一代的现场总线操控体系正从实验室走向实用化，必然会影响工业操控体系的前景。许多人信任，通过一段时刻，现场总线操控体系将与分布式操控体系逐步融合，并最终取而代之。能够预见，能遵循现场总线通讯协议或能与其交流信息的可编程逻辑操控器将成为下一代PLC的干流，充分发挥其在处理开关量方面的优势。

　　当然以现场总线为根底的FCS开展很快，但FCS开展还有许多作业要做，如一致规范、外表智能化等。另外，传统操控体系的保护和改造还需求DCS，因而FCS彻底替代传统的DCS还需求一个较长的进程，一起DCS自身也在不断的开展与完善。确定的是，结合DCS、工业以太网、先进操控等新技能的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技能作为一种灵敏、便利、牢靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的运用，并将在操控范畴中占有愈加重要的位置。

　　工业PC

　　工业PC自上世纪90年代初进入军工业自动化以来，正势不可挡地深化各范畴，获得了广泛运用。究其原因，在于PC机的开放性，具有丰厚的硬件资源、软件资源和人力资源，能够得到广阔工程技能人员的支撑，也为广阔人群所了解。根据PC（包含嵌入式PC）的工业操控体系，正以每年20%以上的速率增加。各大可编程逻辑操控器厂商、工业操控体系集成商也承受了工业PC的技能道路，使根据PC的工业操控技能成为本世纪初的干流技能之一。

　　工业PC低本钱的这一特色，也是其有望成为工业操控自动化干流的另一重要因素。在传统自动化体系中，根底自动化部分根本被PLC和DCS垄断，进程自动化和办理自动化部分首要由各种高端进程核算机或小型机组成，其硬件、体系软件和运用软件的价格之高令众多企业望而却步。在企业开展的前中期，挑选走低本钱工业操控自动化的道路是企业的首选，而且因为根据工业PC的操控器被证明能够像PLC一样牢靠，具有易于被操作和保护人员承受、易于装置和运用以及可完成高档诊断功用等特色，为体系集成商供给了更灵敏的挑选，因而越来越多的制造商开端在部分生产中选用工业PC操控计划。

　　能够预见，工业PC与PLC的竞争将首要在高端运用上，其数据杂乱且设备集成度高。从开展趋势看，操控体系的将来很可能会介于工业PC 和 PLC之间，而这些融合的迹象也现已呈现。今后在适当长的一段时刻内，现场总线技能、可程序规划逻辑操控器与工业PC将会彼此弥补，彼此促进，但工业PC的优势将愈加杰出，其运用范围会敏捷扩大到全部的工业操控范畴。

　　管控一体化体系集成

　　跟着Internet技能深化到工业操控范畴，操控体系与办理体系的结合成为必然，这使得工业自动化界巴望已久的管控一体化、工业企业信息化以及根据网络的自动化的方针成为可能。管控一体化能够使企业挑选到真正契合新经济时代的最佳处理计划，从而提高企业的生产功率，增强商场竞争能力。因而，工业操控技能开展新方向是通过以太网和Web技能完成开放型分布式智能体系，根据以太网和TCP/IP协议的技能规范，供给模块化、分布式、可重用的工业操控计划。其最首要的方面便是开展根据网络的工程化工业操控与办理软件。

　　建设管控一体化体系，包含多种体系的集成和多种技能的集成。在多种体系集成方面，首先是现场操控网络多种体系的集成，这其间包含三种集成模型。第一是现场总线操控体系FCS与DCS的集成，即FCS完成根本的测控回路，DCS作为高一层的办理和谐者完成杂乱的先进操控和优化功用。第二是现场总线操控体系FCS、DCS与PLC的集成，即逻辑联锁比较杂乱的场合运用PLC、FCS完成根本的测控回路，DCS作为高一层的办理和谐者，完成杂乱的先进操控和优化功用。第三是多种FCS的集成，处理不同通讯协议的转化问题，要点研究不同现场总线设备的互操作性和一致的组态、监控和软件的研发，以完成无缝集成而不丢失或许影响各个独立体系的功用和性能。其次是办理网络与操控网络的集成，在未来的企业办理中，许多的数据来自操控网络，建设企业运用软件体系，包含实时数据库、前史数据库、数据发布、数据发掘、模型核算、进程仿真、配方规划、运行优化、参数检测、偏差分析和故障诊断等，通过在Internet/Web运用网络环境上树立各类数据库，才干真正完成管控一体化。它向下能够为操控软件供给智能决议计划，向上能够为办理软件供给有价值的数据。

　　在多种技能集成方面，包含设备互操作技能、通用数据交流技能、EtherNET和工业以太网技能等多种技能的集成。其间通用数据交流技能又包含了DDE动态数据交流技能、NetDDE网络动态交流技能、ODBC开放数据库互联技能、COM/DCOM组件目标模型以及OPC技能。而EtherNET+TCP/IP技能能够完成工业现场的操控参数和各网络节点的状况直接在企业信息网络内传输和同享，从而避免了PLC、DCS和FCS存在多种协议而难以集成的局势。

　　信任在不久的将来，在上述三项技能的推进下，我们能够看到工业操控范畴的再一次质的腾跃，而人类文明也会随之持续前进。

　　文章源自：江门自动化控制系统      http://www.jmxingyuan.com/