电气控制的发展过程, 是经历了四个核心的阶段的, 这四阶段分别是继电器接触器逻辑控制阶段、可编程逻辑控制器即PLC控制阶段、工业PC与分布式智能控制阶段、以及当前这个以数字化和AI来驱动的新一代智能控制体系的阶段, 下面将按照时间线的顺序, 对这各个阶段的技术特征与应用边界进行逐一的拆解与分析。
继电器-接触器时代（19世纪末至20世纪70年代）
电气控制这事儿, 最开始是靠电磁继电器还有接触器这些东西来搞逻辑运算的。工程师把时间继电器, 热继电器, 以及交流接触器这些元件, 通过硬接线的方式串联起来, 或者并联起来, 以此构建成各种电路。这些电路的功能包括启动与停止, 互锁功能, 还有顺序控制之类的内容。
因为这种阶段里的控制逻辑都固死在那些物理连线里面了, 所以一旦需要修改方案, 就得重新去布线, 还要重新接线。这样一来, 灵活性就变得非常差, 而且故障排查起来也很困难。不过呢, 它的成本极低。正因为这一点, 它在早期的机床设备里应用很多, 在电梯里也用得广泛, 在泵站等简单设备中也是到处都在用。
PLC时代（20世纪60年代末至90年代）
在1969年那个时间点, 美国通用汽车这家公司提出了一个想法, 他们想找一种东西来替代掉那些大量的继电器柜。这个想法就是可编程逻辑控制器, 简称PLC。这件事标志着PLC正式诞生。在这之后, 市场上出现了一批产品, 比如西门子的S系列、三菱的Q系列以及欧姆龙的C系列等等。
这些产品经过发展, 逐渐变得成熟起来。PLC的工作原理是通过扫描循环的方式来执行梯形图程序。同时, 它也可以去执行指令表程序。这种做法实现了所谓的“软件定义控制逻辑”的质变。这种质变的具体表现是, 程序可以在运行的时候进行在线修改。操作人员不需要停机, 也不需要亲自去更换线路。
此外。该设备还具备自我诊断的能力。在这个阶段, PLC变成了让制造业自动化运行的核心控制器。它覆盖了很多几乎全部工业场景。比如, 包装这一类工业场景。又比如, 焊接这种工作领域。再或者, 装配相关的操作环节。还有电力配电等方面的事项。
工业PC与分布式智能控制（20世纪90年代至2010年代）
随着计算机个人硬件制造价格的降低, 还有就是像Windows NT以及VxWorks这样的实时操作系统变得非常成熟之后, 那么那种建立在工业PC平台之上的系统, 比如说是SCADA系统, 又或者是DCS系统, 亦或者是运动控制系统等等这些设备类型，它们就替代掉了原本市面上流通的大量独立存在的PLC控制器产品了。
与此同时, 那些标准的以太网协议技术, 包含有叫做PROFINET的方案, 还有名为EtherNet/IP的协议方式, 再者就是大家所熟知的EtherCAT通信标准等, 它们使得工厂里面的各种控制器设备、驱动模块装置, 还有各式各样的传感器单元, 都可以被统一放置到同一个网络环境中去进行协同作业工作了, 在这种新的技术支持背景下, 那种分布式的I/O输入输出模块方案, 以及远端的I/O远程输入输出接口配置, 就变成了当前自动化领域里最为普遍和主流的一种硬件架构形式表现。
在这个阶段, 控制系统的计算能力得到了大幅提升, 通信带宽同样得到了大幅提高, 拓扑灵活性也实现了大幅的提升, 这些变化为多设备联动提供了有利条件, 同时也为重点管理奠定了基础。
数字化与AI融合（2010年代至今）
目前, 电气控制的状况是进入了那种感知、做出决策以及执行动作合成为一体的阶段。这里面的关键技术上需要关注的节点包括:
控制对象在虚拟环境中建立实时镜像, 这种镜像被我们叫作数字孪生。它的主要用途是用来进行仿真验证以及做预测性维护。
通过把轻量化模型放到PLC或者是边缘网关中去运行, 来做到让视觉检测和故障诊断这些环节在本地形成一个闭环, 这种做法就是边缘计算加上AI推理。
通过采用TIA、CodeSys等统一编程平台, 来降低在多个品牌设备之间进行集成时所需要的技术门槛和困难程度。
OPCUA与TSN: 这俩技术加一块儿, 就是去建一个开放的、能确切保证时间的工厂级别的通信基础层的东西了。这么干的目的, 就是为了去支撑那种在远程进行维护保养的操作, 以及把云端和边缘端协同起来弄事情。
关键技术演进节点速查
把电气控制这条发展的主线进行一个概括的话, 意思就是它走过了一条路, 这条路的开头阶段是利用物理连线来定义逻辑, 接下来的一阶段是用软件来定义逻辑, 而目前这个阶段则是利用数据来驱动逻辑, 在未来这个发展趋势里面, 控制系统在智能化这个方面程度会一直持续上升, 不过底层执行这个事情呢, 依然还是需要依赖于那种高可靠的电力电子技术以及传感技术, 这二者是在并行地进行演进。
