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　　自動化與工業(yè)操控體系一般被簡稱為ICS（Industrial Control Systems），是一個用來描繪工業(yè)設施與自動化體系的專用詞匯。在ISA-99/IEC 62443規(guī)范中，工業(yè)操控體系指的是“一個包含人員、硬件以及軟件，能夠?qū)I(yè)進程的安全性、牢靠性形成影響的調(diào)集”，一般具有以下四個功用：1.丈量——獲取傳感器數(shù)據(jù)并將其作為下一步處理的輸入或直接作為輸出；2.比較——將獲取的傳感器數(shù)據(jù)與預先設定的數(shù)據(jù)進行比較；3.核算——核算前史差錯、當前差錯與后續(xù)差錯；4.糾正——根據(jù)丈量、比較及核算的成果對自動化進程進行調(diào)整。

　　上述四個功用一般由工業(yè)操控體系中的五個部件完結：傳感器——用于丈量方針的物理參數(shù)；轉(zhuǎn)化器——將丈量所得的電學/非電學丈量值轉(zhuǎn)化為可用的電信號；發(fā)射器——擔任操控體系中的電信號的發(fā)送；操控器——為整個操控體系供給操控邏輯與輸入輸出接口；執(zhí)行器——用于改動操控進程。

　　在現(xiàn)代工業(yè)操控體系中，這些根本部件并不一定是各自獨立的。它們一般以子體系的方式進行組合，完結各種雜亂的操控使命。比方，現(xiàn)代工業(yè)操控體系中常見的傳感模塊就由傳感器、轉(zhuǎn)化器與發(fā)射器（甚至可能會有小型的操控器用于前端數(shù)據(jù)處理）組成；數(shù)據(jù)搜集與監(jiān)控體系作為操控體系中的要害子體系，一般又由許多的傳感模塊、發(fā)射器及操控器組成；而可編程邏輯操控器，一般集成了發(fā)射器與操控器，用于詳細工業(yè)進程的操控?，F(xiàn)代工業(yè)操控體系便是由各種傳感器、操控器、執(zhí)行器以及各種具有詳細功用的子體系構成的具有雜亂結構的操控網(wǎng)絡。就像羅馬并不是一天建成的，現(xiàn)代工業(yè)操控體系也閱歷了啟蒙時代、古典主義時期才完結現(xiàn)代化的蛻變。

　　歷經(jīng)三個重要前史時期

　　啟蒙時代：1935年之前

　　工業(yè)操控體系作為工廠流程的一部分呈現(xiàn)在世人面前大約是在十八世紀中期，但事實上，古代的希臘人與阿拉伯人就現(xiàn)已開端在諸如水鐘、油燈這樣的裝置中運用浮動閥門進行自動操控了。世界上第一臺有記載的自動操控設備是公元前二百五十年左右埃及人所運用的水鐘。這臺水鐘以水作為動力進行計時與糾正，將世界最準確計時東西的頭銜堅持了將近兩千年，直到擺鐘被創(chuàng)造。

　　1745年，裝置在風車中操控磨盤間的空隙，現(xiàn)已開端由自動裝置進行操控。這種操控安排是最早真正用于工業(yè)的操控體系之一，而且最終導致了由蒸汽引擎引發(fā)的第一次工業(yè)革命。

　　之后的一個多世紀，絕大部分的工業(yè)操控體系所重視的要點是對蒸汽體系中的溫度、壓力、液面以及機器轉(zhuǎn)速的操控。但跟著工業(yè)革命的深化，十八世紀中期至二十世紀初，工業(yè)操控體系開端了有史以來第一次全面開展：

　　帆海：因為大型船只的運用，舵面轉(zhuǎn)向因流體動力學的改動變得愈加雜亂。與此一起，操作安排與舵面之間傳動安排的增多及增大導致動作呼應時刻愈加緩慢。1873年，讓？約瑟夫？萊昂？法爾，一名法國企業(yè)家兼工程師，創(chuàng)造了被其稱為“動力輔佐器”的裝置來處理上述問題。今日，經(jīng)后人改善，他的創(chuàng)造有了新的姓名：伺服安排。

　　制造業(yè)：這一時期，繼電器開端在工廠中許多運用。通過繼電器構筑的邏輯（如“開/關”和“是/否”）代替了之前運用人工的制造業(yè)操控方式。今日廣泛用于工業(yè)操控體系的可編程邏輯操控器（Programmable Logic Controller： PLC）便是繼電器邏輯開展的產(chǎn)品。

　　電力：新式的電力行業(yè)也在這一時期投入許多資金進行工業(yè)操控體系的構建。比方規(guī)劃并創(chuàng)造了用于操控電壓或許電流使其堅持恒定的電力監(jiān)測與操控體系。到1920年，雖然絕大多數(shù)操控手法僅僅簡略的“開/關”，中心操控室現(xiàn)已成為大型工廠和電站的規(guī)范配置。中心操控室中的記錄器能夠?qū)w系運行狀況進行繪制或許運用彩色燈泡反映體系狀況，操作員則以此為依據(jù)對某些開關進行操作，完結對體系的操控。用于現(xiàn)代電廠的工業(yè)操控體系已現(xiàn)雛形。

　　交通：工業(yè)操控體系在交通范疇的開展得益于用于操控平衡以及自動駕駛的陀螺儀的首次運用。這一時期，埃爾默？斯佩里創(chuàng)造了前期的主動式平衡裝置。到1930年，許多航空公司在遠距離飛翔中都運用他創(chuàng)造的自動駕駛儀。

　　研究：1932年，“負反應”的概念被納入到操控理論中并用于新式操控體系的規(guī)劃，并完結操控范疇中“規(guī)范閉環(huán)分析”方法的樹立。

　　這一時期，工業(yè)操控體系所面臨的大多數(shù)問題是如何確保工業(yè)操控體系的牢靠性及物理安全性。因為經(jīng)典操控理論其時并未樹立，適當多的操控體系具有很高的失功率。其時的工程師常常碰到這樣的問題，相同一個操控體系在不同操控環(huán)境中的牢靠性相差極大，而他們能夠做的只有極為有限的定性分析。富有經(jīng)驗的工程師能夠在一定程度上通過安全操作規(guī)范的方式處理工業(yè)操控體系的物理安全問題以及一線工人的人身安全問題。

　　1935年，工業(yè)操控體系的啟蒙時期跟著“通訊大昌盛”的開端而結束。遠距離有線及無線通訊技能的運用，標志著工業(yè)操控體系古典時期正式開端。

　　古典主義時期：1935年-1950年

　　因為奠定了現(xiàn)代工業(yè)操控理論及相關規(guī)范的根底，1935年至1950年被許多學者稱為工業(yè)操控范疇的古典主義時期。這一時期的工業(yè)操控工業(yè)和相關規(guī)范由四個美國安排所樹立：

　　美國電話電報公司：專注于通訊體系的帶寬拓寬。

　　建設者鑄鐵公司艾德？史密斯帶領的進程工程師與物理學家團隊：對自己所運用的工業(yè)操控體系進行深化研究，并開端體系性地研究操控理論。他們一致了操控范疇的許多術語，游說美國機械工程師協(xié)會（ASME）將其編制成正式文件，而且于1936年成立了監(jiān)管委員會。

　　?？怂共_公司：規(guī)劃了第一款現(xiàn)代工業(yè)操控中最常用的反應回路操控部件，份額積分操控器。

　　麻省理工學院伺服安排實驗室：引入了操控體系“框圖”的概念，開端對工業(yè)操控體系進行模仿。

　　有了經(jīng)典操控理論作為根底，工業(yè)操控體系的牢靠性大大添加，同期的“通訊大昌盛”使工業(yè)操控范疇的安全焦點從物理安全保證轉(zhuǎn)移為通訊安全保證，即避免工業(yè)操控體系在信號傳輸進程中被攪擾或破壞。

　　戰(zhàn)役是這一時期工業(yè)操控體系理論與技能蓬勃開展的重要原因。第2次世界大戰(zhàn)期間，各國都將操控范疇的專家聚集起來，處理許多軍事上的操控問題：移動平臺安穩(wěn)性問題、方針跟蹤問題以及移動方針射擊問題。而這些研究成果，在戰(zhàn)后都很快地轉(zhuǎn)化為民用技能。有了戰(zhàn)時技能與理論的積累，工業(yè)操控體系在百廢待興的戰(zhàn)后時期進行了大規(guī)模的更新?lián)Q代：執(zhí)行安排愈加經(jīng)用、愈加精密；數(shù)據(jù)搜集體系功率更高、更具實時性；中心操控安排的操作愈加直觀、愈加簡略。一切的發(fā)電廠、轎車制造廠、煉油廠都全速運行，徹底不知道下一個騰躍即將來臨。

　　新邊境：1950年至今

　　1950年，斯佩里-蘭德公司造出了第一臺商業(yè)數(shù)據(jù)處理機UNIVAC，工業(yè)操控體系正式全面與通訊體系及電子核算機結合，敞開了工業(yè)操控體系數(shù)字化的新邊境。

　　數(shù)年后，全球第一個數(shù)字化工業(yè)操控體系建設完結。這個體系運用單一核算機操控整個工業(yè)操控體系，被稱為直接數(shù)字操控（Direct Digital Control：DDC），也便是第一代工業(yè)操控體系：核算機會集操控體系。一起，現(xiàn)代工業(yè)操控體系的結構也逐漸清晰起來，其間心組件開端形成：

　　可編程邏輯操控器（PLC）：用于工業(yè)操控體系的繼電器逐漸顯示出其限制。繼電器價格昂貴，而且一旦配置完結并啟動，就難以對其操控邏輯進行改動，這些缺陷導致了可編程邏輯操控器的開展。第一個交付運用的可編程邏輯操控器名為Modicon，其名稱來源于模塊化數(shù)字操控器英文縮寫的組合。之后，它被用于佛蒙特州普林菲爾德市的科比查克研磨公司，用戶對其點評極高，稱其“沒有許多的開關、沒有電扇、沒有噪音、沒有任何的易損部件”。跟著大規(guī)模集成電路的開展，可編程邏輯操控的操控能力日趨增強，其可用輸入輸出端口從前期的數(shù)個到現(xiàn)在的上百個，操控頻率也跟著大規(guī)模集成電路運算速度的提高而急速上升。需求密集并準確操控的精密制造業(yè)因可編程邏輯操控器的開展而獲益。跟著通訊技能的開展，可編程邏輯操控器也由封閉的私有通訊協(xié)議轉(zhuǎn)而運用開放的公共協(xié)議，大幅度提高了體系的兼容性，便利了體系的保護與更新。

　　數(shù)據(jù)搜集與監(jiān)控體系（SCADA）：數(shù)據(jù)搜集與監(jiān)控體系開端運用于地區(qū)或地理跨度非常大的工業(yè)操控體系，比方用于與火力發(fā)電廠毗連的高壓變電站、自來水給水體系和廢水搜集體系、石油與天然氣管道體系等等。其首要功用是搜集體系狀況信息，處理數(shù)據(jù)以及遠距離通訊。依據(jù)數(shù)據(jù)搜集與監(jiān)控體系所搜集的各種數(shù)據(jù)，操控中心的辦理人員能夠進行各種操作，維持整個體系的正常運行。

　　長途終端單元（RTU）：數(shù)據(jù)搜集與監(jiān)控體系的完善需求長途終端單元的開展。20世紀60年代，第一代長途終端單元在發(fā)電廠進行了布設。即使是在發(fā)電廠斷電的情況下，長途終端單元也需求進行動作，所以其均配備有額定的供電體系。因為長途終端單元是在連續(xù)掃描且須快速反應的作業(yè)狀況中進行操作，其通訊協(xié)議必須兼具高效與安全，且安滿是重中之重，所以前期的長途操控單元供貨商所運用的協(xié)議各不相同，各供貨商的體系徹底無法兼容。在世界電氣與電子工程師學會（IEEE）的推進以及根據(jù)微處理器的通訊接口的開展下，長途終端單元的兼容性問題逐步得到了處理。

　　通訊技能：前期的工業(yè)操控體系運用電話線路對體系進行監(jiān)控與操作，其數(shù)據(jù)速率（波特率）僅300比特/秒。為滿意體系操作的實時性，工程師將電話線中的數(shù)據(jù)速率提高到了1200比特/秒到9600比特/秒。考慮到通訊設備的本錢與操控本錢，適當多的電力操控體系挑選了電力線通訊技能，既在電力線載波上傳輸數(shù)據(jù)與聲音。不久電力線載波技能又被微波技能替代。然后，光纖網(wǎng)絡開端在廣域網(wǎng)（WAN）中運用?，F(xiàn)在，有適當多的公司將衛(wèi)星通訊以及愈加便宜的900兆赫茲的無線通訊體系用于工業(yè)操控體系。

　　協(xié)議：跟著可編程操控器、長途終端單元以及智能電子設備的開展，通訊網(wǎng)絡中所傳遞的早已不是“開”與“關”這樣簡略的信號?，F(xiàn)在，維基百科中所羅列的自動化協(xié)議現(xiàn)已有37種之多，另外還有6種電力體系協(xié)議。協(xié)議的巨大差異為體系布置、操作以及保護帶來了巨大的挑戰(zhàn)，而且這種情況還在隨時刻的推移不斷惡化。20世紀80年代，IEEE成立了一個作業(yè)組專門對工業(yè)操控體系日益擴大的協(xié)議兼容性問題尋找可行的處理計劃。在對120個工業(yè)操控體系協(xié)議進行篩選之后，制定了兩個規(guī)范化協(xié)議：分布式網(wǎng)絡協(xié)議版別3（DNP3）以及世界電工委員會（IEC）60870-5-101。目前，DNP3現(xiàn)已是運用最為廣泛的工業(yè)操控體系協(xié)議。

　　因為電子核算機與現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡的開展，工業(yè)操控體系在幾十年之內(nèi)現(xiàn)已完結了屢次更新?lián)Q代：

　　第一次：從20世紀50年代開端，工業(yè)操控體系開端由之前的氣動、電動單元組合式模仿外表、手動操控體系升級為運用模仿回路的反應操控器，形成了運用核算機的會集式工業(yè)操控體系。

　　第2次：大約在20世紀60年代，工業(yè)操控體系開端由核算機會集操控體系升級為會集式數(shù)字操控體系。體系中的模仿操控電路開端逐步更換為數(shù)字操控電路，而且完結繼電器到可編程邏輯操控器的全面替換。因為體系的全面數(shù)字化，工業(yè)操控體系運用更為先進的操控算法與和諧操控，從而使工業(yè)操控體系發(fā)生了質(zhì)的騰躍。但因為會集操控體系直接面向操控目標，所以在會集操控的一起也會集了危險。

　　第三次：20世紀70年代中期，因為工業(yè)設備大型化、工藝流程連續(xù)性要求添加以及工藝參數(shù)操控量的增多，現(xiàn)已普及的組合外表顯示現(xiàn)已不能滿意工業(yè)操控體系的需求。會集式數(shù)字操控體系逐漸被離散式操控體系所替代。許多的中心操控室開端運用CRT顯示器對體系狀況進行監(jiān)督。越來越多的行業(yè)開端運用最新的離散式操控體系，包含煉油、石化、化工、電力、輕工以及市政工程。

　　第四次：20世紀90年代后期，集核算機技能、網(wǎng)絡技能與操控技能為一體的全渙散、全數(shù)字、全開放的工業(yè)操控體系——現(xiàn)場總線操控體系（FCS）應運而生。比較之前的分布式操控體系，現(xiàn)場總線操控體系具有更高的牢靠性、更強的功用、更靈敏的結構、對操控現(xiàn)場更強的適應性以及愈加開放的規(guī)范。

　　因為技能的快速開展，現(xiàn)代工業(yè)操控體系的安全問題越來越雜亂，其面臨的危險及要挾類型也越來越多，包含黑客、間諜軟件、釣魚軟件、歹意軟件、內(nèi)部要挾、垃圾信息以及工業(yè)間諜。上述危險與要挾針對操控體系的進犯方式也各不相同，有的專門進犯工業(yè)操控體系自身的漏洞，有的期望通過入侵工業(yè)操控體系所運用的通訊網(wǎng)絡（包含軟件及硬件）獲取相關利益。因為工業(yè)操控體系辦理著許多的國家根底設施，其安全性與牢靠性對社會開展及國家安全極其重要，能夠斷語，在未來適當長時刻里，工業(yè)操控體系的安全策略與防護措施將持續(xù)受到重視。

　　工業(yè)操控體系的革新方向

　　現(xiàn)在，工業(yè)操控體系的革新仍在持續(xù)，有以下三個首要開展方向：新式現(xiàn)場總線操控體系、根據(jù)PC的工業(yè)操控核算機以及管控一體化體系集成技能。

　　現(xiàn)場總線操控體系

　　因為技能的開展，核算機操控體系的開展在閱歷了基地式氣動外表操控體系、電動單元組合式模仿外表操控體系、會集式數(shù)字操控體系以及集散操控體系(DCS)后，將朝著現(xiàn)場總線操控體系(FCS)的方向開展?，F(xiàn)場總線操控體系（FCS）是銜接現(xiàn)場智能設備和自動化操控設備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通訊網(wǎng)絡。它也被稱為現(xiàn)場底層設備操控網(wǎng)絡。新一代的現(xiàn)場總線操控體系正從實驗室走向?qū)嵱没?，必然會影響工業(yè)操控體系的前景。許多人信任，通過一段時刻，現(xiàn)場總線操控體系將與分布式操控體系逐步融合，并最終取而代之。能夠預見，能遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議或能與其交流信息的可編程邏輯操控器將成為下一代PLC的干流，充分發(fā)揮其在處理開關量方面的優(yōu)勢。

　　當然以現(xiàn)場總線為根底的FCS開展很快，但FCS開展還有許多作業(yè)要做，如一致規(guī)范、外表智能化等。另外，傳統(tǒng)操控體系的保護和改造還需求DCS，因而FCS徹底替代傳統(tǒng)的DCS還需求一個較長的進程，一起DCS自身也在不斷的開展與完善。確定的是，結合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進操控等新技能的FCS將具有強大的生命力。工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線技能作為一種靈敏、便利、牢靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，在工業(yè)現(xiàn)場得到了越來越多的運用，并將在操控范疇中占有愈加重要的位置。

　　工業(yè)PC

　　工業(yè)PC自上世紀90年代初進入軍工業(yè)自動化以來，正勢不可擋地深化各范疇，獲得了廣泛運用。究其原因，在于PC機的開放性，具有豐厚的硬件資源、軟件資源和人力資源，能夠得到廣闊工程技能人員的支撐，也為廣闊人群所了解。根據(jù)PC（包含嵌入式PC）的工業(yè)操控體系，正以每年20%以上的速率增加。各大可編程邏輯操控器廠商、工業(yè)操控體系集成商也承受了工業(yè)PC的技能道路，使根據(jù)PC的工業(yè)操控技能成為本世紀初的干流技能之一。

　　工業(yè)PC低本錢的這一特色，也是其有望成為工業(yè)操控自動化干流的另一重要因素。在傳統(tǒng)自動化體系中，根底自動化部分根本被PLC和DCS壟斷，進程自動化和辦理自動化部分首要由各種高端進程核算機或小型機組成，其硬件、體系軟件和運用軟件的價格之高令眾多企業(yè)望而卻步。在企業(yè)開展的前中期，挑選走低本錢工業(yè)操控自動化的道路是企業(yè)的首選，而且因為根據(jù)工業(yè)PC的操控器被證明能夠像PLC一樣牢靠，具有易于被操作和保護人員承受、易于裝置和運用以及可完成高檔診斷功用等特色，為體系集成商供給了更靈敏的挑選，因而越來越多的制造商開端在部分生產(chǎn)中選用工業(yè)PC操控計劃。

　　能夠預見，工業(yè)PC與PLC的競爭將首要在高端運用上，其數(shù)據(jù)雜亂且設備集成度高。從開展趨勢看，操控體系的將來很可能會介于工業(yè)PC 和 PLC之間，而這些融合的跡象也現(xiàn)已呈現(xiàn)。今后在適當長的一段時刻內(nèi)，現(xiàn)場總線技能、可程序規(guī)劃邏輯操控器與工業(yè)PC將會彼此彌補，彼此促進，但工業(yè)PC的優(yōu)勢將愈加杰出，其運用范圍會敏捷擴大到全部的工業(yè)操控范疇。

　　管控一體化體系集成

　　跟著Internet技能深化到工業(yè)操控范疇，操控體系與辦理體系的結合成為必然，這使得工業(yè)自動化界巴望已久的管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化以及根據(jù)網(wǎng)絡的自動化的方針成為可能。管控一體化能夠使企業(yè)挑選到真正契合新經(jīng)濟時代的最佳處理計劃，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)功率，增強商場競爭能力。因而，工業(yè)操控技能開展新方向是通過以太網(wǎng)和Web技能完成開放型分布式智能體系，根據(jù)以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的技能規(guī)范，供給模塊化、分布式、可重用的工業(yè)操控計劃。其最首要的方面便是開展根據(jù)網(wǎng)絡的工程化工業(yè)操控與辦理軟件。

　　建設管控一體化體系，包含多種體系的集成和多種技能的集成。在多種體系集成方面，首先是現(xiàn)場操控網(wǎng)絡多種體系的集成，這其間包含三種集成模型。第一是現(xiàn)場總線操控體系FCS與DCS的集成，即FCS完成根本的測控回路，DCS作為高一層的辦理和諧者完成雜亂的先進操控和優(yōu)化功用。第二是現(xiàn)場總線操控體系FCS、DCS與PLC的集成，即邏輯聯(lián)鎖比較雜亂的場合運用PLC、FCS完成根本的測控回路，DCS作為高一層的辦理和諧者，完成雜亂的先進操控和優(yōu)化功用。第三是多種FCS的集成，處理不同通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)化問題，要點研究不同現(xiàn)場總線設備的互操作性和一致的組態(tài)、監(jiān)控和軟件的研發(fā)，以完成無縫集成而不丟失或許影響各個獨立體系的功用和性能。其次是辦理網(wǎng)絡與操控網(wǎng)絡的集成，在未來的企業(yè)辦理中，許多的數(shù)據(jù)來自操控網(wǎng)絡，建設企業(yè)運用軟件體系，包含實時數(shù)據(jù)庫、前史數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)發(fā)掘、模型核算、進程仿真、配方規(guī)劃、運行優(yōu)化、參數(shù)檢測、偏差分析和故障診斷等，通過在Internet/Web運用網(wǎng)絡環(huán)境上樹立各類數(shù)據(jù)庫，才干真正完成管控一體化。它向下能夠為操控軟件供給智能決議計劃，向上能夠為辦理軟件供給有價值的數(shù)據(jù)。

　　在多種技能集成方面，包含設備互操作技能、通用數(shù)據(jù)交流技能、EtherNET和工業(yè)以太網(wǎng)技能等多種技能的集成。其間通用數(shù)據(jù)交流技能又包含了DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交流技能、NetDDE網(wǎng)絡動態(tài)交流技能、ODBC開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技能、COM/DCOM組件目標模型以及OPC技能。而EtherNET+TCP/IP技能能夠完成工業(yè)現(xiàn)場的操控參數(shù)和各網(wǎng)絡節(jié)點的狀況直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡內(nèi)傳輸和同享，從而避免了PLC、DCS和FCS存在多種協(xié)議而難以集成的局勢。

　　信任在不久的將來，在上述三項技能的推進下，我們能夠看到工業(yè)操控范疇的再一次質(zhì)的騰躍，而人類文明也會隨之持續(xù)前進。

　　文章源自：江門自動化控制系統(tǒng)      http://pingpin.com.cn/