自動化技術發展的新趨勢
； ； ； ； ； ；自動化技術發展的新趨勢
1 引言
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 4月12~14日的FIA第四屆中際現場總線與工業自動化儀表展覽會FIA及6月14日~17日的第九屆際現代工廠/過程自動化技術與裝備展覽會FA/PA成功地在北京舉行，以及眾多廠商舉辦了大型技術交流活動， 使工業自動化市場倍受人們矚目，特別是“MM現代制造”出了新自動化專刊，提出了新自動化的概念，證明工業自動化行業的動向很值得我們重視。
； ； ； ； ； ； ； ；
2 基金會現場總線的規模應用即將逐步展開
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 總線技術的規劃、研究、試制、試用、工程實踐及推廣應用。這是一項的系統工程，它集中了眾多人的智慧，獲得了眾多人的稱許，特別是得到了“大客戶”的肯。目前，FF成員338家，已注冊產品為227種，通過HIST互操作測試認證的主控系統有11個。應用方面，有50萬臺現場儀表、8000套系統已投入應用，其中中占7，約80套系統，主要分布在石化和化工、石油和天然氣、發電幾個行業。上海賽科、中海油/殼牌南海項目兩大工程均屬世界上可數的大型工程，今年即將投產。這些將為我大規模應用起到示范作用。在技術上內也有很大進展，華控、沈陽自動化所中科博微等單位均研制出并取得FF注冊資格的產品，已有10多種專業書籍出版。特別是如下幾項技術得到了初步普及:H1的通信原理；H1的功能塊組態和“現場控制”策略；現場設備輔助設備及主控系統的選擇；H1網段設計及施工安裝；設備描述語言DDL與互操作性等。而且對于增強型EDDL及FISCO防爆等新技術表現了很大的熱情，這些都為今后在內大規模應用打下了良的基礎。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 目前中儀器儀表行業協會現場總線專業委員會CFFC于6個外商駐華機構組成的基金會現場總線中市場委員會FFCMC正在聯合開展活動?，F在 FF正處在類似于70年代末DCS所處的時期，作為一項新技術走向市場之路雖然艱辛的,但經過陣痛，新生的事物將像嬰兒出世一樣，一定會茁壯地成長起來。
3 檢測技術、識別技術及信息融合技術受到重視
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 傳感器技術這些年來正處于傳統型向傳感器轉型的階段，這將有另文專述。僅由于現場總線技術的助推，監測儀表的數字化、智能化、網絡化已前進了一大步。特別是多變量變送器地成功上市，使一個變壓變送器如艾默生德的3015S和橫河的EJX可以完成流量測量及溫壓補償、流量積累、顯示球罐內液體體積和進行導管堵塞、蒸汽拌熱診斷等一些列功能，而且還準備增加孔板磨損監測等功能，設備管理能得到更多有用信息。數字化和網絡化為現場設備豐富的信息提供了暢通的渠道，為單信號向多信息采集轉變創造了條件，加之檢測技術進步，諸如溫度場測量等傳感器地出現，逐步使這種轉變成為可能。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 現在工業上大量的變送器均為直線取樣，而人工取樣等形式不被推薦；取樣點或取樣設備是固定的、連續的，而斷續取樣、多點取樣、移動取樣卻很少成為控制中有用信號；又檢測物理量、電量以外，化學量就較少了，屬于圖像識別、遙感技術、視覺機器、聲音測量，特別是條形碼、射頻識別RFID等屬于管理范疇的跟蹤、搜尋、捕獲等技術，都很少當作控制用；近來發展起來的軟測量技術或稱為算法等，多把它裝在上位機或控制室內，作為“數學模型”變級控制處理。這些按信息化的要求，都可以商榷。如近年來提出多傳感器信息數據融合Multi-Sensor Data Fusion, MSDF，簡稱信息融合技術；它對多個傳感器的的數據進行多級別、多方面、多層次的處理，從而產生新的有意義的信息。這項技術在大型設備監測、電力系統故障監測等方面已有應用實例，另外，交通管理、軍事作戰系統等方面也很有用。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 檢測技術向數字化、智能化、網絡化方向發展，信息融合技術屬于智能化范疇，它應與虛擬儀表技術、網絡儀表技術相結合，實現速、復雜的數據處理、分析和控制，反過來又推動檢測技術本身及現場總線技術的發展，使智能化設備在實際應用中產生效益。
； ； ； ； ； ； ； ；
4 CIP通過工業協議已經形成
； ； CIPCommon Industrial Protocol是由ODVA和CI共同推出。ODVAOpen DeviceNet Vendor Association為開放型DeviceNet供貨商協會，CIControlNet International為ControlNet際組織，均由羅克韋爾自動化公司牽頭，它是工廠自動化Z有代表性的組織，它在DeviceNet、 ControlNet、EtherNet/IP三層結構的網絡基礎上，采用CIP協議，使三者有統一的應用層、應用對象和設備描述，做到不同廠商設備之間通信，實現互操作性。目前CIP設備描述主要針對如下幾個行業，即半導體設備、氣動閥、交流驅動設備、位置控制器、其他設備描述等。此前，羅克韋爾還研制出Process Logix主控系統，它通過了現場總線基金會的HIST互操作性測試，所以也可和過程控制行業兼容。這樣通過應用行規，使設備相關的數據如數據類型、參數語義、應用功能等能互相理解，從而實現互操作，這種互相理解能力，就稱為互操作性。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 設備描述提供基本構件Construct來構建設備描述文件。通過這也幫助大家理解上一節信息融合技術的一般。這些構件由:變量、數組陣列、條目數組、記錄塊、數集、變量表、程序、域、響應代碼、方法、單元關系、刷新關系、整體寫入關系、菜單、編輯顯示等組成。設備描述的源文件由設備描述的信息開始，然后說明塊或塊參數的屬性及其它構件的屬性，共同構成一個整體。設備描述的源文件經編譯后形成目標文件，而后把此目標文件看成設備的驅動程序即可。
； 關于實現互操作性設備描述語言有DDL、增強的EDDL或稱電子描述語言、FDT現場設備工等語言及Lonworks技術的網絡變量等，而這些又與管控一體化中設備管理技術有著密切的關系。
； CIP又開發了CIP Safety和CIP Sync等規范，即在CIP Networks工業網絡架構下，可以實現CIP Safety的緊急跳閘安全保護功能及CIP Sync的順序事件記錄、分布式運動控制、定時輸出、同步換行及此時間戳的數據錄入等對使實行要求的功能。
； ODVA China組織由上海電器科學研究所牽頭，行業活動也很活躍。FIA展覽會上，它與FF的聯合展臺相鄰，也由多家內外廠商組成ODVA聯合展臺，真是相應成趣，傳為佳話。這也證明以離散控制為主的“電控行業”與以過程控制為主的“儀控行業”在中的活動，都成為世界舞臺的一部分了。
； ； ； ； ； ； ；
5 執行儀表、運動控制及交流伺服系統正成為熱點
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 在過程控制領域，執行儀表是以電-氣閥門定位器+氣動薄膜調節閥為主，其它有氣缸式調節閥、電動執行機構、液動執行機構電-液調節閥、電動調節閥等。總之，是在以管道化為主的裝備中，以改變閥門的開度為目的的直行程和角行程的執行儀表為主流設備。近年來，以滿開/滿關為主要形式的電磁閥、閥組等也在大量使用。但是離散控制領域的執行部件就形式多樣了，特別是以旋轉設備—電機為主的控制，已經得到很大發展。兩個領域的執行部件共性是速度反饋和位置反饋的控制領域。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 變頻器、軟啟動器等已得到普及，在節能等方面已取得成效，本文不準備進一步闡述了。在上世紀中葉，伺服機構、直流閉環調速系統、交流閉環調速系統、步進電機開環系統已經問世，從90年代以來，運動控制名詞悄然流行，它是相對于電力拖動及電機傳動控制而言的一個分支。運動控制是指通過對電機等機電機構的控制，使機電機構產生期望的運動，運動控制為轉速、位置、力矩三個參數的組合控制，Z終保證運動參數和運動軌跡給予定值。它涵蓋于運載工、數控機床 CNC、機械加工供應線、包裝設備、紡織、印染設備、機器人及多種民用設施，所以受到重視。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； Z近交流伺服系統的性能/價格比已有競爭力，特別是全數字式交流永磁伺服電機、DSP嵌入式芯片技術的發展，受到青睞，所以前景看。本文要看重說的，乃是作為交流伺服系統在運動控制中要求實時性很，如實施響應時間要求小于1ms、同步傳送和抖動小于1μs，在要求更的地方，可能為納秒ns級。分布式交流伺服控制系統已經走向市場，羅克韋爾的SERCOS，倫茨的System Bus及的Profibus、Interbus、DeviceNet等均可以完成分布式交流伺服系統，其上層通信仍采用CIP協議及CIPSync規范，才能獲得更的實時性和可互操作性。
； IEEE1588為于測量和控制網絡的分布時鐘定義了一個時間同步協議Precision Time Protocol, PTP，它為在以太網上實現時間同步提供了工作原理。CIPSync實現了網絡中不同設備的度±100ns時間同步以及分布式運動控制，即包括多個伺服控制器的協同、伺服控制器及多伺服驅動器的協同。它借助CIPSync/IEEE1588對于網絡上的各種伺服驅動器的時鐘，結合帶時間標記位置信號進行伺服同步，它考慮使用基于以太網的網絡技術，并且是適合于度在微秒范圍內的復雜系統的同步。CIPSync以外，還有SynqNet運動控制網絡，由Motion Engineering公司開發，支持性能集中控制，支持它的伺服電機廠商較多，有自愈容錯、捕獲技術、易于使用等點，所以分布式和集中式交流伺服控制系統技術應該互相結合。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； ； 我為世界制造大，所以對交流伺服系統技術很重視，和利時四通電機、時光科技等公司都集中了很強的技術力量，開發了一批新產品。FIA和FA/PA 展覽會上，產PLC產品很多，如凱迪恩公司的KDN-K3等小型PLC產品很有特色，但產PLC在交流伺服控制器模塊的開發方面還需要努力，爭取迎頭趕上世界水平。在本節末尾，以交流變頻、同步伺服與異步伺服的性能比較表表1結束，僅供參考。
； ； ； ； ； ； ； ；
6 工業以太網技術發展進入新階段
； 上文中基金會現場總線的FF/HSE、CIP或Ether Net/IP均為現在俗稱的工業以太網，還有這次FA/PA展會上西門子等公司的PROFINET,三種均通過IEC61158 IEC61784標準，又2004年1月IEC/SC 65C/JWG10~13等4個工作組通過6種以太網技術工作IEC的PAS公共可用規范文件，它們是:中的EPA、法的Beckhoff公司的 EtherCAT、法施耐德的MODBUS TCPRTPS。當然除這9種以外采用EtherNet/TCPUDP/IP的工業以太網還很多。EPAEtherNet
for Plant Automation它采用了分段化結構和確定性通信調度控制策略，解決了通信確定性、互操作性、開放性等問題，可直接應用于變頻器、執行機構、遠程I/O、現場控制器等現場設備間通信，即做到“E網到底”，目前正處于產業化階段。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 鑒于上節已就運動控制要求系統實時性，而闡述了CIPSync或Ethernet/IP采用IEEE1588時間同步協議，達到實時性為微秒級，因這是要增加一個“加速”的芯片等等，所以本文不準備進一步對提工業以太網實時性的方案贅述了。筆者只是想對面大量廣的實時性要求不那么的一般工業以太網進行一番梳理。大家知道，一般以太網以其應用廣、成本低、軟硬件資源豐富、可持續發展潛力大、易于和Internet相連等點，注意把握住這些點，而由商業擴展到工業領域，形成工業以太網絡，對其環境適應性、性、安全性、安裝方便等方面進行了強化，已能滿足許多低成本自動化場合的數據采集系統、管控一體化系統的需要。這些年來又隨著100M、1000M速以太網、交換式以太網、環網冗余等技術的普及，通信的確定性、安全性、實時性有了很大提，加上全雙工通信、虛擬局域網、質量服務等技術的應用，一般工業以太網實時響應時間已達到5~10ms，這對于流程工業的安全系統及離散工業的一般工廠自動化系統及全場管控一體化系統可以滿足要求，所以應在內化大力氣使之形成一支設備供應成套、工程設計施工安裝的產業化隊伍，相應的工業標準也要跟上去。讓一般工業以太網在實際應用中產生效益，從而推動工業以太網技術發展。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 選擇以太網，還必須使Web技術等互聯網技術在工業上應用到位，也就是說要讓相關的人們放心的去瀏覽現場數據，從而在地域方面，使供應方式發生變化，促進供應力發展。
； ； ； ； ； ； ； ；
7 系統集成、電控儀控一體化、管控一體化任重道遠系統集成一詞的流行始于80年代末90年代初，Integrated System和System Integration，在系統解決方案Solution流行的今天，已經逐漸界限不清了。PLC可編程控制器和人機界面HMI之間在硬件接口的基礎上采用DDE動態數據交換發展到OPC過程控制的對象鏈接嵌入，是一大進步，近來將與EDDL結合，解決互操作性問題。又IEC61131-3在組態方面對系統集成也影響很大。隨著多種現場總線及工業以太網的出現，又使通信接口產品豐富起來，現在不只是一個產品上有多種接口，而且各種互聯的接口卡產品也很多，這兩個展會上均有多家接口產品，如美Woodhead 公司、Prosoft公司的產品就有幾十種，可以滿足系統集成的需要。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 系統集成技術的發展，現在已經進入標準化階段。2003年發布了ISO15745標準，它解決了系統集成的應用需求和接口兩個基本問題，該標準全稱為:工業自動化系統和系統集成—開放系統應用集成框架，分為4部分:通用參考描述、以ISO11898標準為基礎的控制系統的參考描述、以IE61158標準為基礎的控制系統參考描述、以以太網標準為基礎的控制系統的參考描述。*部分提出了開放系統的應用集成框架Application Integration Framework,
AIF，它定義了一些元素和規則，構成集成模型來表示應用需求，并開發應用互操作規范AIP，這個AIP是接口規范的表示形式，并要求開發AIP時，應用UML、XML等來描述和表達。這些，對系統集成技術發展起到了里程碑式作用。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 系統集成面臨的應用需求中，電控、儀控一體化及管控一體化是要的問題，而各個用戶企業對這兩大主題是既有共性又有個性的需求。電控儀控一體化問題通過上面幾節已經有一定了解。管控一體化的三層結構，這是共性，其中MES層是熱點，MESAManufacturing
Enterprise Solution Association對MES作如下定義:MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個供應過程進行化管理。從前比較多的注意MES本身，現在逐漸理解到應該對系統集成的深度給予關注。由于內在管控一體化項目中滿意度者較多，所以形成了曠日持久的局面，一線的應用實踐與計算機專業人員的完善化應該同樣受到重視。
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 系統集成、電儀一體化、管控一體化是技術問題，也是人機工程藝術，要在務實和廣義的人機界面友、人機親和力兩方面同時努力，才能使管控一體化的重任完成。
； ； ； ； ； ； ； ；
8 結束語
； ； ； ； ； ； ； ； ；
； 中人口眾多，加之近年發展速度快，如2004年鋼產量已達2.7億噸，今年將達到3.2億噸；煉油能力已達1.4億噸/年，2010年將提升至2.2億噸/年；乙烯將由2003年的500萬噸/年，升至900萬噸/年；發電裝機容量2004年底達4.4億kW，2005年底將達5億kW。這些還相伴有與衣食住行有關的汽車制造業、造船業、飛機制造業、建筑業、醫藥食品服裝制造業的快速發展，這樣將使中自動化形成一個壯觀的舞臺，吸引*的電氣商紛紛在這個舞臺上競爭風流，當然Z大的受益者將是Z終用戶。珍惜這個大的機會吧！
儀表網手機版
儀表網小程序
公眾號：ybzhan
掃碼關注視頻號
手機版
官方微信
采購中心
