1.3 計算機控制技術的發展概況及趨勢

1.3.1 計算機技術對控制技術的影響

計算機科學領域的各項成果都會推動計算機控制系統的發展。特別是微型機的發展，出現了專門工業控制用計算機，如PLC、工控機等，可靠性高，成本低，從而推動計算機控制系統的發展，并逐步取代常規的模擬控制裝置。

隨著計算機技術、通信技術的發展，計算機網絡經歷了集中式、層次式和互聯網的發展階段，控制系統也由集中式控制發展到分級式控制再到分布式控制。可以看出隨著計算機技術、通信技術的發展，傳統的控制領域正經歷著一場前所未有的變革，開始向網絡化方向發展，控制系統也在向網絡化方向發展。

對諸如圖像、語音信號等大數據量、高速率傳輸的要求，又催生了當前在商業領域風靡的以太網與控制網絡的結合。這股工業控制系統網絡化浪潮又將諸如嵌入式技術、多標準工業控制網絡互聯、無線技術等多種當今流行技術融合進來，從而拓展了工業控制領域的發展空間，帶來新的發展機遇。

1.3.2 計算機控制技術的發展歷程

計算機的出現使科學技術產生了一場深刻的革命，同時也將自動控制推上了一個新水平，產生了計算機控制系統。隨著計算機技術、自動控制技術、自動化儀表技術、自動檢測技術與網絡技術的交叉發展與相互滲透，控制技術也在不斷向前發展。

從國際上的計算機控制技術發展來看，在進行計算機控制試驗基礎上，大體經歷了集中式、分級式和分布式三個大階段。

1965年以前，是計算機控制試驗階段。1952年，在化工生產中實現了計算機自動測量和數據處理，1954年開始用計算機構成開環控制系統。1957年在石油蒸餾過程控制中采用了計算機構成的閉環系統。1959年3月，世界上第一個規模較大的過程計算機控制系統在美國得克薩斯州的一個煉油廠正式投入運行，并取得成功。該系統的控制參數包括26個流量、72個溫度、3個壓力和3個成分。這一開創性的工作，喚起了人們對計算機控制的極大興趣，使計算機廠家看到了新的市場，使工業界看到了新的自動化工具，使學術界發現了新的研究課題，因而有力地推動了計算機控制和計算機本身的進一步發展。由于當時的計算機是電子管計算機，計算機的性能價格比很低，而且體積大、可靠性差。1958年前后，計算機的平均故障間隔時間（MTBF）為50～100h，因此，當時計算機控制系統主要用來執行數據處理、操作指導和為模擬控制器提供最優設定值的監督控制等簡單控制功能，而且實際應用的計算機控制系統為數非常少。

1965—1969年是計算機控制進入集中控制的普及階段。隨著半導體技術的興起，晶體管計算機取代了電子管計算機，計算機的可靠性和其他性能指標都有較大的提高，成本逐年下降，計算機在生產控制中的應用得到迅速的發展。1962年英國化學工業公司就成功地實現了一個DDC系統，其中數據采集量為244個，并控制129個閥門。由于DDC系統可以較好地發揮計算機控制的優勢，所以DDC系統的實現無疑是計算機控制系統的一大進步。但這個階段仍然主要是集中型的計算機控制系統，在高度集中的控制系統中，若計算機出現故障，將對整個裝置和生產系統帶來嚴重影響。雖然采用多機備用可以提高集中控制的可靠性，但會增加成本。

1970年以后進入大量推廣集散控制的階段。隨著大規模集成電路（LSI）技術的突破，微型計算機于1971年問世。微型計算機的出現使得計算機控制進入了一個嶄新的發展階段。由于微型計算機具有運算速度快、可靠性高、價格低廉和體積小等特點，因此，消除了長期阻礙計算機控制發展的計算機造價昂貴和可靠性低兩大問題，并為集散控制系統（DCS）的出現創造了條件。20世紀70年代中期出現的DCS成功地解決了傳統集中控制系統整體可靠性低的問題，從而使計算機控制系統獲得了大規模的推廣應用。它以多臺微處理器共同分散控制，并通過數據通信網絡實現集中管理，被稱為集散控制系統（Distributed Control System，DCS）。1975年世界上幾個主要計算機和儀表公司，如美國的HoneyWell公司、日本的橫河公司等幾乎同時推出各自的DCS產品，都得到廣泛的工業應用。

進入20世紀80年代以后，人們利用微處理器和一些外圍電路構成了數字式儀表以取代模擬儀表，這種DDC的控制方式提高了系統的控制精度和控制的靈活性，而且在多回路的巡回采樣及控制中具有傳統模擬儀表無法比擬的性能價格比。

20世紀80年代中后期，隨著工業系統的日益復雜，控制回路的進一步增多，單一的DDC控制系統已經不能滿足現場的生產控制要求和生產工作的管理要求，同時中小型計算機和微機的性能價格比有了很大提高。于是，由中小型計算機和微機共同作用的分層控制系統得到大量應用。

進入20世紀90年代以后，由于計算機網絡技術的迅猛發展，使得DCS系統得到進一步發展，提高了系統的可靠性和可維護性，在今天的工業控制領域，DCS仍然占據著主導地位，但是DCS不具備開放性，布線復雜、費用較高，不同廠家產品的集成存在很大困難。

從20世紀80年代后期開始，由于大規模集成電路的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備智能化，人們便開始尋求用一根通信電纜將具有統一的通信協議通信接口的現場設備連接起來，在設備層傳遞的不再是I/O（4～20mA/24V DC）信號，而是數字信號，這就是現場總線。由于它解決了網絡控制系統的自身可靠性和開放性問題，現場總線技術逐漸成為了計算機控制系統的發展趨勢。從那時起，一些發達的工業國家和跨國工業公司都紛紛推出自己的現場總線標準和相關產品，形成了群雄逐鹿之勢。

20世紀90年代以后，隨著現場總線控制技術的逐漸成熟、以太網技術的逐步普及、智能化與功能自治性的現場設備的廣泛應用，使嵌入式控制器、智能現場測控儀表和傳感器方便地接入現場總線和工業以太網絡，直至與Internet相連，計算機控制系統步入了分布式網絡化的控制階段。

總之，計算機控制技術的發展趨勢是向著結構網絡化、控制分散化、節點智能化、系統集成化等方向發展。