控制器三十年和未来十年控制器的发展方向.docx

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控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

控制器三十年和未来十年控制器的开展方向

一、历史：

1.1PLC&DCS

控制器在七十年代开场从传统使用仪表和继电器组对应的两个不同应用领域派生出来DCS和PLC两类产品。

这两类产品在初期确有相当多的不同，DCS对于回路控制这一块更为重视，而PLC对于离散的逻辑控制更为重视。

当时的DCS使用通用CPU，采用软解释方式处理程序，而PLC依靠类拟于AMD2910的位块处理器处理逻辑，相对而言在系统构造上，DCS更偏向软件，而PLC更像传统的硬件继电器组。

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在经过数十年的开展后，突然大家对于DCS和PLC的概念模糊不清了，因为PLC也在体系中参加了通用型的CPU，特别软逻辑PLC在指令处理原理方面与DCS并无二样，只是上位机软件的用户指令不同。

不过DCS也不是原地不动，DCS在网络方面、多DPU协同工作方面、冗余方面都有了长足的开展，并大多数采用了X86的体系架构，充分利用了PC的技术成果。

那么现在的DCS与PLC的差异是相当小，从具体的技术而言，DCS有基于令牌网络的分布式实时数据库，可以通过全量通信来保证每个DPU的映象数据都是最新的，而PLC在这一块更多的注重单机工作，就算是联网，也假定两台PLC之间只需要很少量的数据交换，所以采用的主从构造的请求应答方式通信。

在开展过程中PLC与DCS都受到PC技术开展的深远影响，特别是DCS，目前的DCS大多采用PC_BASE构造，对PC技术的吸收也相当彻底，而PLC那么是在80年代未90年代的软PLC开发浪潮力吸收了DCS、PC的技术，特别是在IEC61131-3标准制定出来后，产生了一系列的以开发软PLC软件的公司，这些公司以欧洲公司居多，这与欧洲公司的开放软件组织成熟有一定关系，同时IEC61131-3对于日式PLC的编程方式根本是排斥的，所以相当多的欧洲企业有兴趣进军这个行业，这方面以KW、一方梯队、ISAGRAF、3S等尤为突出，这些公司对于工控软件化和标准化起到了相当重要的作用，目前的各大工控公司在开发新的软件时都会对这几家公司的产品进展深入的研究。

最初软PLC的开发大多是以PC_BASE为蓝图的，只是在后来才慢慢的参加ARM、51、AVR等CPU的支持，并一直强调开发的模块化构造，使移植变得更为容易。

目前的情况是PLC按点数和价格分成了大中小微几种不同的档次，同时按实现分成了硬PLC、软编译型PLC、软解释型PLC三种，按构造分成了背板式、模块式、分布式几种。

其中型PLC更是在功能上参加了DCS和PC的许多功能，使其可以向上吞并一些DCS的市场，如现在很多自备电厂和化工行业都不再使用DCS而改用PLC去完成，横向来说PLC开展出了许多专用的PLC，包括数控专用、车用、设备专用等。

同时DCS也向下开展了许多有个性的产品，使其可以代替一局部PLC的产品，如淅大中控、淅大中自的某系列产品就做得比拟小，只有几个回路，带显示屏，可以满足一些行业的需要。

1.2现场总线和FCS

在软PLC出现后不久，一场新的技术浪潮冲进了工控市场，这就是现场总线，同时现场总线派生出来FCS的理念，在当初，我也是FCS的拥护者和开发者，深信在芯片能力越来越强，价格越来越低的今天FCS才是未来的控制系统。

可是在实际的开发和应用过程中，我们发现全分散之后不光本钱升高了，维护也变得更困难，因为所有的节点都依赖网络，而网络的可靠性就变成了一个瓶颈。

这么长的网线，有任何一段出现短路或者开路都会有致命的损伤，如果采用冗余的网络和系统，那么在本钱方面大增。

并且分散后的逻辑，会因为一个中间节点的故障导致整个系统的重大错误，当然如果用户对分布式控制理念有很深的理解当然没有太大的问题，但事实上让用户工程师理解这么复杂的拓朴构造和考虑这么复杂的现场构造是不现实的。

除非是在未来的神经元网络芯片研发方面有新的开展，可以在某一个逻辑运算节点损坏后自动由另一个逻辑节点替代，同时需要更好的基于网络的逻辑编程软件，这个软件可以对于分布式的控制器进展合理的逻辑切分，并且对任一个节点损坏后出现的状况能有合理的处理方式，或是保护或是不理。

FCS开展的理想地步是只有传感器和执行器而没有单独的控制器，所有的传感器将自己的参数传给需要的执行器，各个执行器根据网络得到的参数运算并进展控制，同时将自己运算得到的中间值传给其它的执行器。

因为有了中间值的问题，所以整个控制网络将变得相当复杂，每个有中间值的点都必需有合理的处理策略，理想的情况下，是当中间逻辑点出现问题后，能由任一个逻辑点进展替代，或者进展合理的保护策略。

在可以预见的时间我们将看到能满足所有要求的全新的FCS出现，在通信方面也会变得更灵活和更可靠。

目前在经过假设干年的研究后，大家都形成了一个暂时的共识，那就是：

根据现场的实际情况选择分布还是集中，很多情况下是一种整体分散局部集中的方式是最适合的。

比方在冶金行业，很多现场使用S7-400做为主站，用S7-300做为子站，把子站分布在现场，每个子站负责一个具体的任务可者一个工段。

这样一方面当网络出现问题时，各个子站可以很好的处理自己的任务，同时每个子站到设备的距离减至了100米以，使布线和维护变得相对简单了。

现场总线的技术浪潮中有一个很有意思的情况，那就是IEC61158的制定过程，这个过程充分的反响的各大利益集团的冲突，大家为了保护自己的利益在长达15年的时间竟然未能达成一个真正有意义的协议，最后的结果是变成了8种标准并存，后来又扩到了13种〔有14种标准，但有一种退出了〕，标准的围也从最初的涵盖过程、楼宇、电力等退到了只包含过程控制，这次争论的结果是当时的制定委员会的负责人在标准通过的当天宣布辞职，他说：

“太多的标准意味着没有标准〞。

其实我个人认为做一个统一的标准包含所有行业目前来看不太现实，各个行业的关注点也不同，像一般过程控制大家可能选PROFIBUS等，楼控可以选LONWORKS，数采和单一设备间通信可以选MODBUS等。

但同一行业实在应该制定一个统一的标准，我就常常为了联西门子或者AB的控制系统而伤脑筋。

我个人对PROFIBUS比拟有感情，因为在前几年用了两个人年做了一块PROFIBUS的主站芯片，用FPGA做的，把整个PROFIBUS-DP的数据链路层的状态机完整实现了。

PROFIBUS可以说是一个很好的块通信协议，对于可靠性方面处理是相当完备的，完全是德国人的思维方式，相当严谨，诊断、参数化、配置、诊断、数据交换。

PROFIBUS最大的优点是状态机与通用处理器之间的多缓存构造，使通信的实时性和可靠性得到了保护。

1.3PC_BASE

PC_BASE刚出现时也是在工控界引起了很大的反响，那个时代的控制器都是相当贵的，我记得当时一块西屋公司WDPF控制系统的250M硬盘卖5万块，而PC硬件的低本钱对于大家来说是相当大的吸引力。

当时的工程师分为两派，一派认为PC是为商用开发的，控制界只能吸收其有用的技术，而另一派认为PC技术的广泛应用，有如此之多的软件和硬件资源可供利用，对于控制器的标准化和降低本钱有很大的好处。

在这个过程中，国的工控厂商包括DCS、PLC和各种专用控制器都广泛的采用了PC_BASE构造来开发新产品，当时大多使用386和486，其中ICOP的386X_M6117D是其中最好的工业级386CPU，可惜我只能买到M6117C只好改用了MAPLE的486DX4-100M。

PC_BASE在近些年的开展之中遇到了一个很大的问题，当初大家之所以选用PC_BASE是因为开发方便，特别是DOS年代和WIN98年代，大家可以在一周的时间编写出一个很复杂的控制类程序，在刚有网络的时候，大家通过BBS互通有无，当时感觉有一种一切均在掌握之中的感觉。

现在DOS使用者越来越少，于是很多的厂商在引导工程师走WIN的平台，而WIN对于底层的屏蔽使广阔底层软件开发工程师感到郁闷，因为WINNT体系的WDM驱动程序开发需要用到DDK工具，就算是使用XTOOLS之类的简易开发工具又让人有一种隔鞋搔痒的感觉，让PC_BASE的开放性和方便性大大的被抵消了。

同时WINNT体系的低可靠性让大多数工程师望而止步。

2.0以前的WINCE也是一个让人发狂的软件，不光可靠性差，实时性也相当差劲，让人疑心这玩意只能用来做做显示屏，后来wince2.0出来后还好一点，但个人对WINCE还是有抵触，可能是当初吃苦头吃多了，总认为一个工控产品不适合选用WINCE做操作系统，因为WINCE的系统构造包括兼容性、开放性、图形方面的优点都是针对手持消费类产品的，如PDA之类，对于工控需要的高实时性和高可靠性实在有点不及格。

这一方面linux要更差一些，因为linux是为商用电脑开发的，很多公司都在为linux进展减肥并把抢占式的调度机制强行参加linux，从而可以使嵌入式linux可以用在嵌入式的环境，但WINCE有的缺点它也都有，同时还要更严重，所以也不是一个好的选择。

在操作系统方面，其实像VXWORKS和NECLUES之类的可能是一个不错的选择，因为用户类多是工业方面的，对系统的可控制性比拟强，如果是高要求的开发者还可以买源码，这样如果操作系统有问题就可以自己调试，我们就发现NECLUES操作系统的8019驱动方面有问题，主要是实时高速通信会有堵塞的问题，后来发现这一局部代码是从linux的源码中拷过来的，所以linux也有类似的问题。

对于PC_BASE更要命的是低档X86的配套芯片都已停产，包括DRAM等，使大家想接着使用386、486、586都不可能了，〔我一直很喜欢ICOP的M6117，可惜现在DRAM真是买不到新货，全吃库存了〕，除非使用旧芯片，，当时我们花了三年多的时间试用过多种不同类型的中高档CPU想选一款理想的处理器而不可得，那个时侯民品方面的工程师都将目光转向ARM，因为大多数情况下在WINCE和linux上开发X86的软硬件比在ARM或者AVR处理器上开发类似的程序难度差异不大，而且ARM的本钱比X86要低很多。

我们试用了几种ARM后〔当时AD公司的工业用ARM还没出来〕感觉ARM用在工业上面不特理想，大把显示、音频、VGA、以太网MAC之类的功能都在工控常规平台用不上，而且ARM的抗电磁兼容方面也是一个头痛的问题，对于一般要求的2000V快速脉冲还可以满足，但再向上走就很难做到。

在PC_BASE开展过程多数厂商都遇到了PC_BASE单体本钱高、需要用户有较强的开发能力的问题，使PC_BASE的量很难做大，对公司的技术支持的能力和要求也很高。

为此很多工控机的厂商都找到了像KW、infoteam、ISAGRAF、3S这样的软逻辑开发商，利用工控机或者PC104+IO板卡来组成一个控制平台，这种控制平台最大的优点在于可以支持现有PC的各种资源，使监、控可以做在一体，缺点主要是从小PLC来说，从本太高，从型PLC来说点数又太少，同时抗干扰和抗振动方面存在许多架构性问题。

1.4PLC、DCS、PC的穿插点：

在各种现有技术的开展过程中，因为IC技术、通信技术、软件技术的高速开展。

PLC、DCS、IPC在近几年出现了相当多的穿插和重复，根本上变成了有一局部PLC看起来更像DCS，而一局部IPC改头换面之后其实与大多数的软PLC并无二样，也采用模块化构造，也使用IEC61131-3的五种语言，在使用上面比大多数的PLC更加容易更加偏软件。

这些年经常见到一些朋友问倒底DCS与PLC的区别是什么，IPC+软逻辑之后是不是PLC？

这个问题真是一个很模糊的问题，因为差异实在是太小了。

我曾经研发了五年的DCS又研发了四年的PLC，其中更屡次使用IPC+软逻辑开发过PLC的产品，所以从我们做研发时的定义来分别这几种产品吧。

DCS：

DCS原来设计主要是为顺序控制开发的，一般循环的速度要求不高，大多数在50ms~1秒以上可以设，但DCS应用的场合主要是电厂的主控、化工、造纸等，这些场合是一些比拟