自動化技術發(fā)展的新趨勢


1 引言
                 
  4月12~14日的FIA第四屆中國國際現(xiàn)場總線與工業(yè)自動化儀表展覽會(FIA)及6月14日~17日的第九屆國際現(xiàn)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(yè)自動化市場倍受人們矚目，特別是“MM現(xiàn)代制造”出了新自動化?？?，提出了新自動化的概念，證明工業(yè)自動化行業(yè)的動向很值得我們重視。
               
2 基金會現(xiàn)場總線的規(guī)模應用即將逐步展開
                 
  總線技術的規(guī)劃、研究、試制、試用、工程實踐及推廣應用。這是一項空前的系統(tǒng)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”的首肯。目前，F(xiàn)F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(tǒng)有11個。應用方面，有50萬臺現(xiàn)場儀表、8000套系統(tǒng)已投入應用，其中中國占7%，約80套系統(tǒng)，主要分布在石化和化工、石油和天然氣、發(fā)電幾個行業(yè)。上海賽科、中海油/殼牌南海項目兩大工程均屬世界上可數(shù)的大型工程，今年即將投產。這些將為我國大規(guī)模應用起到示范作用。在技術上國內也有很大進展，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(tài)和“現(xiàn)場控制”策略;現(xiàn)場設備輔助設備及主控系統(tǒng)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(xiàn)了很大的熱情，這些都為今后在國內大規(guī)模應用打下了良好的基礎。
                 
  目前中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會現(xiàn)場總線委員會(CFFC)于6個外商駐華機構組成的基金會現(xiàn)場總線中國市場委員會(FFCMC)正在聯(lián)合開展活動?，F(xiàn)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(tǒng)型向新型傳感器轉型的階段，這將有另文專述。僅由于現(xiàn)場總線技術的助推，監(jiān)測儀表的數(shù)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(jiān)測等功能，設備管理能得到更多有用信息。數(shù)字化和網絡化為現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)，逐步使這種轉變成為可能。
                 
  現(xiàn)在工業(yè)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(xù)的，而斷續(xù)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(fā)展起來的軟測量技術或稱為工藝算法等，多把它裝在上位機或控制室內，作為“數(shù)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(shù)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(shù)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(jiān)測、電力系統(tǒng)故障監(jiān)測等方面已有應用實例，另外，交通管理、軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)等方面也很有用。
                 
  檢測技術向數(shù)字化、智能化、網絡化方向發(fā)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(xiàn)高速、復雜的數(shù)據處理、分析和控制，反過來又推動檢測技術本身及現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，使智能化設備在實際應用中產生效益。
               
4 CIP通過工業(yè)協(xié)議已經形成
    CIP(Common Industrial Protocol)是由ODVA和CI共同推出。ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)為開放型DeviceNet供貨商協(xié)會，CI(ControlNet International)為ControlNet國際組織，均由羅克韋爾自動化公司牽頭，它是工廠自動化有代表性的組織，它在DeviceNet、 ControlNet、EtherNet/IP三層結構的網絡基礎上，采用CIP協(xié)議，使三者具有統(tǒng)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(xiàn)互操作性。目前CIP設備描述主要針對如下幾個行業(yè)，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(tǒng)，它通過了現(xiàn)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(yè)兼容。這樣通過應用行規(guī)，使設備相關的數(shù)據如數(shù)據類型、參數(shù)語義、應用功能等能互相理解，從而實現(xiàn)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(jié)信息融合技術的一般。這些構件由:變量、數(shù)組(陣列)、條目數(shù)組、記錄塊、數(shù)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)場設備工具)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(fā)了CIP Safety和CIP Sync等規(guī)范，即在CIP Networks工業(yè)網絡架構下，可以實現(xiàn)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(shù)據錄入等對使實行要求高的功能。
  ODVA China組織由上海電器科學研究所牽頭，行業(yè)活動也很活躍。FIA展覽會上，它與FF的聯(lián)合展臺相鄰，也由多家國內外廠商組成ODVA聯(lián)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(yè)”與以過程控制為主的“儀控行業(yè)”在中國的活動，都成為世界舞臺的一部分了。
             
5 執(zhí)行儀表、運動控制及交流伺服系統(tǒng)正成為熱點
                 
  在過程控制領域，執(zhí)行儀表是以電-氣閥門定位器+氣動薄膜調節(jié)閥為主，其它有氣缸式調節(jié)閥、電動執(zhí)行機構、液動執(zhí)行機構(電-液調節(jié)閥)、電動調節(jié)閥等?？傊?，是在以管道化為主的工藝裝備中，以改變閥門的開度為目的的直行程和角行程的執(zhí)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(zhí)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(fā)展。兩個領域的執(zhí)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(jié)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(huán)調速系統(tǒng)、交流閉環(huán)調速系統(tǒng)、步進電機開環(huán)系統(tǒng)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(shù)的組合控制，終保證運動參數(shù)和運動軌跡給予定值。它涵蓋于運載工具、數(shù)控機床 (CNC)、機械加工生產線、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。
                 
  近交流伺服系統(tǒng)的性能/價格比已具有競爭力，特別是全數(shù)字式交流永磁伺服電機、DSP嵌入式芯片技術的發(fā)展，受到青睞，所以前景看好。本文要看重說的，乃是作為交流伺服系統(tǒng)在運動控制中要求實時性很高，如實施響應時間要求小于1ms、同步傳送和抖動小于1μs，在要求更高的地方，可能為納秒(ns)級。分布式交流伺服控制系統(tǒng)已經走向市場，羅克韋爾的SERCOS，倫茨的System Bus及知名的Profibus、Interbus、DeviceNet等均可以完成分布式交流伺服系統(tǒng)，其上層通信仍采用CIP協(xié)議及CIPSync規(guī)范，才能獲得更好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精確時間同步協(xié)議(Precision Time Protocol, PTP)，它為在以太網上實現(xiàn)時間同步提供了工作原理。CIPSync實現(xiàn)了網絡中不同設備的高精度(±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(xié)同、伺服控制器及多伺服驅動器的協(xié)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，并且是適合于精度在微秒范圍內的復雜系統(tǒng)的同步。CIPSync以外，還有SynqNet運動控制網絡，由Motion Engineering公司開發(fā)，支持高性能集中控制，支持它的伺服電機廠商較多，具有自愈容錯、精確捕獲技術、易于使用等優(yōu)點，所以分布式和集中式交流伺服控制系統(tǒng)技術應該互相結合。
                 
    我國為世界制造大國，所以對交流伺服系統(tǒng)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(fā)了一批新產品。FIA和FA/PA 展覽會上，國產PLC產品很多，如凱迪恩公司的KDN-K3等小型PLC產品很有特色，但國產PLC在交流伺服控制器模塊的開發(fā)方面還需要努力，爭取迎頭趕上世界水平。在本節(jié)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(yè)以太網技術發(fā)展進入新階段
  上文中基金會現(xiàn)場總線的FF/HSE、CIP或Ether Net/IP均為現(xiàn)在俗稱的工業(yè)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(guī)范文件，它們是:中國的EPA、法國的Beckhoff公司的 EtherCAT、法國施耐德的MODBUS TCP(RTPS)。當然除這9種以外采用EtherNet/TCP(UDP)/IP的工業(yè)以太網還很多。EPA(EtherNet
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(zhí)行機構、遠程I/O、現(xiàn)場控制器等現(xiàn)場設備間通信，即做到“E網到底”，目前正處于產業(yè)化階段。
                 
  鑒于上節(jié)已就運動控制要求系統(tǒng)實時性高，而闡述了CIPSync或Ethernet/IP采用IEEE1588精確時間同步協(xié)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高工業(yè)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高的一般工業(yè)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(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆⒁子诤虸nternet相連等優(yōu)點，注意把握住這些優(yōu)點，而由商業(yè)擴展到工業(yè)領域，形成工業(yè)以太網絡，對其環(huán)境適應性、可靠性、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(shù)據采集系統(tǒng)、管控一體化系統(tǒng)的需要。這些年來又隨著100M、1000M高速以太網、交換式以太網、環(huán)網冗余等技術的普及，通信的確定性、安全性、實時性有了很大提高，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(yè)以太網實時響應時間已達到5~10ms，這對于流程工業(yè)的安全系統(tǒng)及離散工業(yè)的一般工廠自動化系統(tǒng)及全場管控一體化系統(tǒng)可以滿足要求，所以應在國內化大力氣使之形成一支設備生產成套、工程設計施工安裝的產業(yè)化隊伍，相應的工業(yè)標準也要跟上去。讓一般工業(yè)以太網在實際應用中產生效益，從而推動工業(yè)以太網技術發(fā)展。
                 
  選擇以太網，還必須使Web技術等互聯(lián)網技術在工業(yè)上應用到位，也就是說要讓相關的人們放心的去瀏覽現(xiàn)場數(shù)據，從而在地域方面，使生產方式發(fā)生變化，促進生產力發(fā)展。
               
7 系統(tǒng)集成、電控儀控一體化、管控一體化任重道遠系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)數(shù)據交換發(fā)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(tài)方面對系統(tǒng)集成也影響很大。隨著多種現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網的出現(xiàn)，又使通信接口產品豐富起來，現(xiàn)在不只是一個產品上有多種接口，而且各種互聯(lián)的接口卡產品也很多，這兩個展會上均有多家接口產品，如美國Woodhead 公司、Prosoft公司的產品就有幾十種，可以滿足系統(tǒng)集成的需要。
                 
  系統(tǒng)集成技術的發(fā)展，現(xiàn)在已經進入標準化階段。2003年發(fā)布了ISO15745標準，它解決了系統(tǒng)集成的應用需求和接口兩個基本問題，該標準全稱為:工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成—開放系統(tǒng)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(tǒng)的參考描述、以IE61158標準為基礎的控制系統(tǒng)參考描述、以以太網標準為基礎的控制系統(tǒng)的參考描述。部分提出了開放系統(tǒng)的應用集成框架(Application Integration Framework,
AIF)，它定義了一些元素和規(guī)則，構成集成模型來表示應用需求，并開發(fā)應用互操作專用規(guī)范AIP，這個AIP是接口規(guī)范的表示形式，并要求開發(fā)AIP時，應用UML、XML等來描述和表達。這些，對系統(tǒng)集成技術發(fā)展起到了里程碑式作用。
                 
  系統(tǒng)集成面臨的應用需求中，電控、儀控一體化及管控一體化是首要的問題，而各個用戶企業(yè)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(jié)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，MESA(Manufacturing
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生產過程進行優(yōu)化管理。從前比較多的注意MES本身，現(xiàn)在逐漸理解到應該對系統(tǒng)集成的深度給予關注。由于國內在管控一體化項目中滿意度高者較多，所以形成了曠日持久的局面，一線的應用實踐與計算機人員的完善化應該同樣受到重視。
                 
  系統(tǒng)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好、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
                 
  中國人口眾多，加之近年發(fā)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(fā)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(yè)、造船業(yè)、飛機制造業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)藥食品服裝制造業(yè)的快速發(fā)展，這樣將使中國自動化形成一個壯觀的舞臺，吸引全世界的電氣商紛紛在這個舞臺上競爭風流，當然大的受益者將是終用戶。珍惜這個大好的機會吧！