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揭秘工業(ye)控制系統的“三生(shēng)三世”

    工業(ye)控制系統 作爲工(gōng)廠流程的一部分(fen)出現在世人面前(qian)大約是在十八世(shì)紀中期,但事實上(shang),古代的希臘人與(yǔ)阿拉伯人就已經(jing)開始在諸如水鍾(zhong)、油燈這樣的裝置(zhi)中使用浮動閥門(mén)🏃🏻‍♂️進行自🐕動控制了(le)。世界上*台有記載(zai)的自動控制設備(bei)是公元前二百五(wǔ)十年左右埃及人(ren)所使用的水鍾。這(zhè)台水鍾以水作爲(wei)動力進行計👄時與(yu)矯正,将世界zui準确(què)計時工🎯具的頭銜(xián)保持了将近兩千(qian)年,直到擺🛀鍾被發(fa)明。

    1745年,安裝在(zai)風車中控制磨盤(pán)間的間隙,已經開(kai)始由自動裝置進(jìn)行控制。這種控制(zhì)機構是zui早真正用(yong)于工業的控制系(xì)統之一,并且zui終導(dǎo)緻了由蒸汽引擎(qing)引發的*次工業革(gé)命。

    之後的一(yī)個多世紀,絕大部(bu)分的工業控制系(xi)統所關注的重點(diǎn)是對蒸汽系統中(zhōng)的溫度、壓力、液面(mian)以及機器轉速的(de)控制✔️。但随✏️着工業(ye)革命的深入,十八(ba)💋世紀中期至二📐十(shi)世紀初,工業🌏控制(zhi)系統開始了有史(shi)以來*次全面發展(zhǎn):

    航海:由于大(da)型船隻的使用,舵(duo)面轉向因流體動(dong)力學的改變變得(dé)更加複雜。與此同(tong)時,操作機構與舵(duò)☀️面之間傳❓動機構(gou)的增多⚽及增大導(dǎo)緻動作響應時💃間(jiān)更加🔴緩慢。 1873年(nian),讓 .約瑟夫 .萊昂 .法爾(ěr),一名法國企業家(jia)兼工程師,發明了(le)被其稱爲“動❓力輔(fǔ)👌助器”的裝置來解(jiě)決上述問題。今天(tiān),經後人改進💞,他的(de)發明有了新的名(ming)字:伺服機構。

    制造業:這一時期(qī),繼電器開始在工(gong)廠中大量使用☁️。通(tōng)過繼🔆電器構築的(de)邏輯(如“開 /關(guan)”和“是 /否”)代替(ti)了之前使用人工(gōng)的制造業控制方(fang)式。今天廣泛用于(yú)工業控制系統的(de)可編程邏輯控制(zhì)器( ProgrammableLogicControllerPLC)就是(shi)繼電器邏輯發展(zhan)的産物。

    電力(li):新興的電力行業(yè)也在這一時期投(tóu)入大量資金🐕進行(hang)⭐工業控制系統的(de)構建。比如設計并(bìng)發明了用于控制(zhì)電壓或者電流使(shi)其保持恒定的電(dian)力監測與控制系(xi)統。到 1920年,雖然(rán)絕大多數控制手(shǒu)段隻是簡單的“開(kāi) /關”,*控制室已(yǐ)經成爲大型工廠(chang)和電站的标準配(pèi)置。*控制室中的記(ji)錄器能夠對系統(tong)運行狀況進行繪(huì)制或🏃🏻者使用彩色(sè)燈泡反♍映系統狀(zhuàng)态,操作員則以此(cǐ)爲依據對某些開(kai)關進行操作,完成(chéng)❤️對系統的控制。用(yong)于現代電廠的🌂工(gong)業控制系統已現(xiàn)雛形。

    交通:工(gōng)業控制系統在交(jiao)通領域的發展得(dé)益于用于控制👈平(píng)衡㊙️以及自動駕駛(shǐ)的陀螺儀的使用(yòng)。這一時期🧡,埃爾默(mo)?斯🔴佩裏發明🛀了早(zao)期的主動式平衡(héng)裝置。到 1930年,許(xu)多航空公司在遠(yuan)距離飛行中都使(shi)用他發明的自動(dong)駕駛儀。

    研究(jiū): 1932年,“負反饋”的(de)概念被納入到控(kòng)制理論中并用于(yú)新型控制系統的(de)設計,并完成控制(zhi)領域中“标準閉環(huán)分析”方法的建立(lì)。

    這一時期,工(gōng)業控制系統所面(mian)臨的大多數問題(ti)是☂️如何保證工❗業(ye)控制系統的可靠(kào)性及物理安全性(xìng)。由于經典控制理(lǐ)論當時🔴并未建立(li),相當多的控制🚩系(xì)統具有很高的失(shi)效率。當時的工程(cheng)師常常碰到這樣(yang)的問題,同樣一個(ge)控制系統在不同(tóng)控制環境中的可(kě)靠性相差極大,而(ér)他們能夠做的隻(zhi)有極爲有限的定(dìng)性分析。富有經驗(yan)的工程師能夠在(zài)一定程度上通過(guo)安全操作規範的(de)形式解決工業控(kòng)制系統的物理安(ān)全問⭐題以及一線(xian)工人的🏃🏻‍♂️人身安全(quán)問題。

    1935年,工業(ye)控制系統的啓蒙(méng)時期随着“通信大(dà)繁榮”的開始而結(jie)🙇‍♀️束。遠距離有線及(ji)無線通信技術的(de)應用,标志着工業(yè)控制系統古💔典時(shí)期正式開始。

    古典主義時期: 1935 -1950

    由于奠定了現代(dài)工業控制理論及(ji)相關标準的基礎(chǔ), 1935年至 1950年(nián)被很多學者稱爲(wèi)工業控制領域的(de)古典主義時期。這(zhè)一💋時期的工業控(kòng)制産業和相關标(biāo)準由四個美國☂️組(zu)織所建立:

    美(mei)國電報公司:專注(zhù)于通信系統的帶(dài)寬拓寬。

    建設(she)者鑄鐵公司艾德(de) .史密斯帶領(lǐng)的過程工程師與(yu)物理學家團隊:對(dui)自❗己所使用🚶‍♀️的工(gōng)業控制系統進行(háng)深入研究,并開始(shi)系統性地💋研究控(kong)制♍理論。他們統一(yi)了控制領域的大(da)量術🌈語,遊說美國(guó)機械工程師協會(hui)( ASME)将其編制成(chéng)正式文件,并且于(yú) 1936年成立了監(jiān)管委員會。

    福(fu)克斯波羅公司:設(shè)計了*款現代工業(yè)控制中zui常用的反(fǎn)饋回🔱路控制部件(jiàn),比例積分控制器(qì)。

    麻省理工學(xué)院伺服機構實驗(yan)室:引入了控制系(xì)統“框圖”的概念,開(kāi)始對工業控制系(xì)統進行模拟。

    有了經典控制理(lǐ)論作爲基礎,工業(ye)控制系統的可靠(kao)性大大增加,同期(qī)的“通信大繁榮”使(shi)工業控制領域的(de)安全焦點從物理(li)安🔞全保障轉移爲(wei)通信安全保障,即(ji)防止工業控制系(xì)統在信号傳輸過(guo)程中被幹擾或破(pò)壞。

    戰争是這(zhè)一時期工業控制(zhi)系統理論與技術(shu)蓬勃發展的重要(yào)👅原因。第二次世界(jiè)大戰期間,各國都(dōu)将☁️控制領域的專(zhuān)家彙集起來,解決(jue)諸多軍事上的控(kòng)制問題:移動平台(tái)穩定㊙️性問題、目标(biao)跟蹤問題以及移(yí)動目标射擊問題(ti)⁉️。而這些研究成果(guǒ),在戰後都很快地(dì)轉換爲民用技術(shù)。有了戰時技術與(yu)理論的積㊙️累,工業(ye)控制🏃🏻‍♂️系統在百廢(fèi)待興的戰後時期(qī)進行了大規模的(de)更新換代:執行機(jī)構更加耐用、更加(jia)精密;數😍據采集系(xì)統效率更高、更具(ju)實時性;*控制機構(gòu)的操作更加❤️直觀(guān)、更加簡單。所有的(de)發電廠、汽車制造(zao)廠、煉油廠都全速(su)運行,*不知道下一(yī)個飛躍即将來臨(lín)。

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