万字长文！75年来工业自动化技术发展里程碑

导 读 ( PLCopen中国组织名誉主席、教授级高工 彭瑜教授 )

下文将为大家介绍那些堪称里程碑的自动化技术。万字长文，大家看稳了！

教授级高工

PLCopen中国组织名誉主席

教授级高工，上海工业自动化仪表研究院技术顾问，PLCopen中国组织名誉主席，工信部智能制造标准化体系建设工作组专家，国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家。

成立于1945年的美国的ISA学会（以前称为美国仪表学会，后来改名为国际自动化学会，简称都是ISA）正在开展庆祝成立75周年的各种活动。其中有一项是回顾75年来工业自动化技术的发展。

Automation.com的主编Bill Lydon撰文列举了20项对自动化发展堪称里程碑的技术创新和发明，其中有：

与此同时还遴选了20个75年来对自动化的发展起了举足轻重作用，堪称自动化巨头的人物，对他们的贡献作了简述。他们是：

这里这里略去几个ISA的创建者和组织者。下面简述这些堪称里程碑的自动化技术。

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半导体和摩尔定律

从大型计算机到嵌入控制器和传感器内的处理器，如此巨大的计算技术的进展，全都植根于晶体管的发明。在1947年，贝尔实验室的John Bardeen和Walter Brattain因此为人类的科学技术进步做出了史无前例的贡献。无可辩驳的是，晶体管的发明是集成电路和微处理器开发成功的基础。 甚至今天运算能力最强的处理器芯片也是按其中封装了多少晶体管的数量来测度的。

一直到1953年才有商品化的第一个低价的小信号PNP结锗晶体管问世，型号是CK722，每只价格7.6美元。到1954年Texas Instruments 和另外一家公司合作开发了第一台商品化的晶体管收音机Regency TR-1，那时标价为$49.95美元 (大约相当于2019年的 $476 )。

采用晶体管的工业用电子控制器大约在1950年诞生，此前气动控制器从上世纪的20和30年代开始应用于工业现场，几十年一直这样在用着，直到晶体管出现后才发生很大的变化。

固态电子器件的成本实际上就是以低成本呈现更多功能和更多应用的历史。这可以用经过时间检验的摩尔定律予以表达。仙童半导体的联合创始人和曾任Intel CEO的Gordon Moore，在1965年的论文中首次定义集成电路中元件的数量每年要翻一番，而且这一增长率将延续到下一个十年。摩尔定律连续地推动计算技术的发展，这些被商用设备和工业设备的复杂和小型化所证实。由于高性能的电子器件和处理器的不断进展，使得更小的体积和更低的价格成为可能，这才造就了物联 IoT得以实现和普遍应用。

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可编程逻辑控制器PLC

1970年诞生的第一台PLC在通用汽车GM投用，对金属切割、钻孔、材料处理和装配等环节进行控制。世界上首次推出的PLC的成功表现为两个方面：一是用计算机来解析过去用继电器实现的逻辑控制；二是采用梯形图逻辑编程，使原来的电气工程技术人员能在自己原有的技术基础上采用计算机编程。

在PLC出现之前需要用大量的继电器组成控制系统，既占据很大的空间，其可靠性又依赖于机电继电器的可靠程度；一旦要对控制系统重新配置，不得不耗费许多时间重新接线。当时Richard Morley是Bedford公司的工程师，他率先创立了最初的设计，然后与他的团队研制了工厂自动化和和连续处理应用的固态的顺序逻辑解算器，这是第一台实际可运用的可编程逻辑控制器，被命名为Modicon 084，因为这是Bedford公司第84个项目。1969年11月在得知GM公司的要求后，他们向公司的液压部门展示了Modicon 084，获得GM的青睐。

梯形图逻辑编程极受电气工程技术人员欢迎，其优点是不言而喻的。

PLC在控制工业中广泛运用，关键在于它对系统进行编程的能力。电磁继电器构成的控制盘不具备同等的能力，一旦控制方案改变，必须对继电器盘重新接线。而PLC面对控制方案的改变既方便又快速，同时体积也小许多。

在2007年ISA展会上有一个主题为《标准化会扼杀创新吗？》的圆桌会议上，许多自动化系统的供应商都抵制具有互操作性的开放系统。对应当时会上的抵制，Morley发声问道：什么工业需要开放系统？难道我们要放弃追求，重回以前专用的老路吗？这振聋发聩的问话扭转了会上的气氛。现在13年过去了，开放系统正在变为现实。Morley作为ISA持有这种前向思维的自动化行业的舆论家和思想家，对推动工业自动化的发展起了巨大的作用。这一情节来自当时参加会议的一个年青工程师深情的回忆。

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分布式控制系统（DCS）的架构

1975年Honeywell TDC 2000问世，开创了商品化DCS的历程。这是世界第一台采用微处理器执行流程直接数字控制的装置，而且作为一个核心组成部分参与了整个系统的配置。在分布式控制器、工作站和其它计算部件之间用数字通信构成一个完整系统的架构，这在当时确实是革命性的创举。在TDC 2000之前，基于计算机的流程控制系统主要用于数据采集和 警系统，而控制则由气动回路控制器和独立的电子PID控制器承当。

Honeywell TDC 2000 图源：researchgate

在70年代的中期日本横河公司也将称为Centum的分布式系统投入市场。横河的Centum和Honeywell的TDC 2000都采用用小型监控计算机执行对若干个基于微处理器的多回路控制器进行监控的概念，而操作站采用按钮和阴极射线管CRT的显示器，替代以前的显示 警盘（annunciator panel）。控制器之间的相互连接通过数据高速通道（data highway）传输来自不同节点和工作站的数据信息。高速通道或总线作为信号的通道，使控制器可以尽可能地靠近流程和装置，使控制回路更紧凑，还降低了接线成本。

商品化的DCS的诞生，建立在从上世纪60年代开始的运用计算机技术对流程工业进行数字控制的探索的基础上。那时主要是采用直接数字控制的概念，用小型计算机尝试进行多回路的PID控制。之后开始考虑下一代的控制系统的综合，也就是设计其架构。当时在Honeywell的工业自动化和控制部门工作的Ed.Hurd接受了第72号任务，担任架构设计，两年之后这一团队导致了了TDC 2000成功推出。美国工业自动化界认为Hurd在促成DCS的架构上功不可没。1976年在美国休斯敦的ISA展会上第一次展出了前所未有的DCS架构的产品。TDC 2000一经面世就大受欢迎，在5年内Honeywell的工业自动化和控制部门的产值由500万美元发展到5亿美元，翻了100倍。

此时在大洋彼岸的中国掀起了翻天覆地的变化，开始了改革开放的步伐。在1980年上海的第一届多国仪器仪表展览会上TDC 2000现身，引起无数中国的工业自动化从业者一片惊叹声。展览会后这一台展品被上海炼油厂买下，由上海工业自动化仪表研究所和上海炼油厂技术人员组成的团队，成功将这台DCS装置运用到石油催化裂化工段，成为国内流程工业运用DCS的第一个里程碑。

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人机界面（HMI）

人机界面的发展始于1975年Honeywell的TDC 2000诞生之时，从那时起操作员控制台的发展步伐发生了显著的改变。在流程工业中人机界面迈入了基于CRT显示器的时代，操作人员可以在屏幕上读取有关的流程变量，观察变量随时间的变化曲线，还允许他们发展一种图像识别的方法来分析当前的操作运行状态。不过那时的操作员控制台是专用的，价格不菲。直到1985年以后，随着个人计算机和DOS操作系统的逐渐普及，出现了第三方的图形图像软件，涌现了一些以开发图形显示的新公司，其中包括Intellution、Iconics和USDATA。1987年Wonderware公司推出了世界第一个基于微软Windows的HMI软件包InTouch，增加了一些附加的性能和对IT技术和业务系统的开放接口。这可以说是人机界面的第三个里程碑。

Wonderware Intouch 图源：aispro

Dennis Morin在1987年创建Wonderware公司，主导开发在Windows操作系统环境下的人机界面软件InTouch，目标是让操作人员能够方便而有效率地监控操作过程。这一产品的推出标志着微软的工业软件革命，为第三方的开发者开启了工业和流程控制系统的架构的转向。在2003年InTouch杂志将Morin列为工业自动化的发展历史上最有影响的50人中的一员。据他回忆，开发这种类型的软件的灵感来自一个1980年早期的视频游戏，游戏中允许玩家可用数字方法构建弹子游戏。

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微软的Windows

1985年问世的微软Windows操作系统对工业自动化产生意义深远的影响。Wonderware首创将InTouch软件运行在Windows操作系统的环境下，引领了所有的工业自动化供应商，随后都一致的采用了这一人机界面的解决方案。甚至在发展的初期，流程工业并不看好这一方案，认为并不适合流程工业的要求，但这一趋势还是以优秀的性价比淘汰了DCS原有的专用操作员控制台。

国内在90年代前后在当时的机械部仪表局筹措下，花大力气自主开发国内的大型DCS，恰好处在这一人机界面的转型期，这对此后DCS的开发产生重大影响。由于没能抓住技术发展趋势，仍然抱着专用操作员控制台不放，最后没能取得完整的成果。这不能不说是相当大的遗憾。由此反证了Windows操作系统对工业自动化的深远影响。

Windows操作系统丰富的操作环境造就了大量的开发者在很宽泛的应用范围中开发了大量的软件，包括数据库、数据分析、先进控制、制造执行系统MES、批量过程管理、制造跟踪，以及历史数据库等等。

为了制造和生产取得更统一协调的结构，Windows操作系统在实时工厂运营与IT和业务系统之间架起了沟通的桥梁。这一平台允许使用者运用标准的IT工具来提升分析制造数据，并使业务系统可以无缝地共享生产制造的信息。Windows操作系统为开发OPC提供了平台，显著简化了工业 络和设备界面的驱动程序。

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历史数据库

按时间序列存放历史数据在科学和工程上取得了大量有价值的应用，随着历史数据库在PC机上也能付诸使用，促使这类数据库在控制和自动化领域广泛运用。OSIsoft原来是一个石油系统的公司，它推出了工厂信息系统，这就是大名鼎鼎简称PI的历史数据库系统。Patrick Kennedy在1980年创建这个公司，称他为历史数据库之父也不为过。如今历史数据库在许多类型的制造业和流程工业成为一种改善生产率、提高效率和收益的重要工具。自动化工程师、运行操作人员和业务人员以许多不同的应用方式使用历史数据库。立于随时间对连续数值的变化进行分析，并对过程控制加以改善的基本原理，如今历史数据库已经嵌入到控制器中以及云端的服务器中。

Kennedy是一个专业的化工控制系统的注册工程师，享有连续重整催化控制系统的专利。多年的现场经验使他深刻认识到，流程变量的历史数据分析工具对改善流程的操作运行和提高收得率、降低原材料和能源的消耗有着重要的作用，萌发了开发历史数据库的灵感。多年的坚持使他终于获得巨大成功。

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开放工业 络

将传感器、控制系统和执行器连接在一起的开放型工业 络，大大简化了控制和自动化的应用。这标志着由不同供应商提供的设备和传感器可以通过公用的通信接口构成工业控制系统时代的开始。随着电子技术和通信技术的不断进步，开放工业通信 络也可以采用商业化技术，彻底摆脱了沿着专有化的道路缓慢前行。

从1979年开始Modbus首次打破坚冰，在RS 485标准的基础上提升通信能力，将多个制造商的设备连成多播 络。标准定义了用于多点串行通信系统发送端和接收端的电特性，使得各种设备诸如PLC、传感器、仪表、PID控制器、电机驱动器和其它相关的设备都可以连接起来。直到今日Modbus仍在离散制造业、流程工业中有一定的应用。

从1980年到1990年出现了一系列的现场总线标准，主要有DeviceNet、Profibus、SERCOS、ASi（执行器传感器接口）、FF（基金会现场总线）和HART（高速通信可寻址远程传感器）等。HART通信协议是其中唯一的在数字信号上叠加了模拟信号DC 4-20mA的数字、模拟混合的协议，其最著名的特点就是在一对双绞线的传输线上共享了仪表的电流回路和数字通信信号。

在开发开放工业 络的过程中不得不提到Emerson的执行副总裁John Berra，他在2002年获得ISA颁发的终生成就奖，以表彰他长期专注仪表、系统和自动化社群，并作出重要贡献。他在开发三个重要的工业制造通信协议HART、FF和OPC中发挥了很大作用。

无线短程 标准IEEE802.15.4开启了无线传感器 络的发展

IEEE 802.15.4 低数据率无线短程 （low-rate wireless personal area networks ，LR-WPANs）标准和随后开发的商用芯片，成为包括ISA 100a 和WirelessHART 在内的工业无线传感器的标准。IEEE 802.15.4 是定义LR-WPAN操作运行的技术标准。2003年IEEE 802.15工作组开发了这一标准，并持续对不住进行维护。

ISA 100.11a (IEC 62734)无线 络技术标准由ISA所开发，重点是针对流程控制和相关应用的工业自动化无线系统，即用于现场级的设备，2009年ISA自动化标准符合研究所成立了ISA 100 无线符合研究部门，拥有“ISA 100符合”认证体系，为确保基于ISA 100产品真正符合标准，这是一个独立的第三方的测试机构。WirelessHART（IEC 62591）是基于HART的无线传感器联 技术，专为流程工业的现场设备的要求所定义。WirelessHART 的一个目标是与现有的与HART兼容的系统和组态工具反向兼容，以达到将新的无线 络与现存的HART仪表集成的目的。

由中国科学院沈阳自动化研究所为主开发的WIA-PA无线传感器 络技术，已被批准为中国国家标准（GB/T 26790.1-2011）和IEC国际标准（IEC 62601）。比较遗憾的是产业推广不够，应用面还不够广。

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机器视觉和图像识别

随着价格的下降，加之得益于软件技术（尤其是图像识别）的进展而功能和性能更加完善，促使机器视觉系统的应用一直在增长。恰当组态和编程的视觉系统消除了人工的误差、提高了生产能力、质量和效益。视觉系统变得具有高度智能，同时在控制自动化系统中灵活应用传感器，扩大了实时控制的输入范围。视觉系统已应用于质量检查、零件识别、机器人制导、工件输送流动的机器控制等等。

图源：SICK

刚开始应用时，常常是将一台PC机与摄像头相连接，由PC机完成图像识别。如今都是将一台采用IEC 61131-3标准编程的PLC和一台具有图像识别功能的机器视觉摄像头集成，并直接装在机械设备上。这都是因为计算机SoC芯片和小型化的视频摄像芯片的急剧发展的结果。

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ISA-88批量控制标准

ISA-88系列标准是专门针对广泛应用于流程工业中的批量控制系统的设计和规范，在全世界持续地采用的结果证明，标准对提高生产率发挥了显著的作用。ISA-88着重于实现批量过程控制的设计策略，描述设备和步骤可用于软件的实现和手动的处理。系列标准的第一个标准在1995年被ISA所批准，而后在997年被IEC以IEC 61512-1的编号采纳。

ISA-88位批量控制提供了一致性的系列标准和名词术语，定义了物理模型、规程和配方。标准针对广泛的需求，包括建立批量控制的通用模型、在通信发生困难时如何表达用户要求的常用措施、批量自动化供应商之间的集成，以及简化批量控制的配置。如今ISA-88已经成为沟通批量生产从产线、车间到企业管理系统一切所有方面的工具性的手段。

Tom Fisher长期在批量控制的企业担任过程工程师，积累了丰富的批量控制和安全联锁系统的经验。是他创建ISA-88专委会，为批量生产的标准化制定了开发的目标、方法和路线图。他还是IEC的SC65A的批量控制工作组的领导人，世界批量论坛（World Batch Focus）的主席。他培养了一代批量过程控制的工程师。

深度介入ISA-88和ISA-95的还有Lynn Craig，为此做出了重大贡献。他同样也是长期在流程自动化现场和批量控制现场积累了丰富经验的过程工程师，还有极高的系统思维素养。

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ISA-95控制系统集成