自動化技術(shù)和機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢

 自動化技術(shù)和機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢
    一、 基金會現(xiàn)場總線的大規(guī)模應用即將逐步展開：
    11年以來，云集過程自動化的主要廠商，有組織、有計劃地進行了基金會現(xiàn)場總線技術(shù)的規(guī)劃、研究、試制、試用、工程實踐及推廣應用，這是一項*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成員有338家，已注冊產(chǎn)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，其中我國占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(chǎn)。這些將為我國大規(guī)模應用起到示范作用。在技術(shù)上我國也有很大進展。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(chǎn)品，已有10多種專業(yè)書籍出版。特別是如下幾項技術(shù)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(wǎng)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(shù)表現(xiàn)了很大的熱情，這些都為今后在國內(nèi)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)場總線專業(yè)委員會（CFFC）與16個外商駐華機構(gòu)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。現(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(shù)走向市場之路是艱辛的。經(jīng)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。
   
    二、 檢測技術(shù)、識別技術(shù)及信息融合技術(shù)受到重視：
    傳感器技術(shù)這些年來正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的階段，這將有另文專述。僅由于現(xiàn)場總線技術(shù)的助推，檢測儀表的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化已前進了一大步，特別是多變量變送器的成功上市，使一個差壓變送器（如艾默生的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(nèi)液體體積和進行導管堵塞、蒸汔拌熱診斷等一系列功能，而且還準備增加孔板磨損檢測等功能，這樣，可使設備管理能得到更多有用信息。數(shù)字化和網(wǎng)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(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件，加之檢測技術(shù)進步，諸如溫度場測量等傳感器的出現(xiàn)，逐步使這種轉(zhuǎn)變成為可能。
   
    現(xiàn)在工業(yè)上大量的變速器均為直接取樣，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，屬于圖象識別、遙感技術(shù)、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(shù)，都很少當作控制用；近來發(fā)展起來的軟測量技術(shù)或稱為工藝算法等，多把它裝在上位機或控制室內(nèi)，作為“數(shù)字模型”高級控制處理。……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(jù)）融合（Multi-Sensor Data Fusion,MSDF），簡稱信息融合技術(shù)，它對多個傳感器的數(shù)據(jù)進行多級別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新的有意義的信息。這項技術(shù)在大型設備監(jiān)測、礦井瓦斯監(jiān)測、電力系統(tǒng)故障檢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(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化方面發(fā)展，信息融合技術(shù)屬于智能化范疇，它應與虛擬儀表技術(shù)、網(wǎng)絡儀表技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高速、復雜的數(shù)據(jù)處理、分析和控制，反過來又推動檢測技術(shù)本身及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，使智能化設備在實際應用中產(chǎn)生效益。
   
    三、 執(zhí)行儀表、運動控制及主流伺服系統(tǒng)正成為熱點：
    在過程控制領(lǐng)域，執(zhí)行儀表是以電-氣閥門定位器+氣動薄膜調(diào)節(jié)閥為主，其它有氣缸或調(diào)節(jié)閥、電動執(zhí)行機構(gòu)、液動執(zhí)行機構(gòu)（電-液調(diào)節(jié)閥）、電動調(diào)節(jié)閥等?？傊窃谝怨芾淼阑癁橹鞯墓に囇b備中，以改變閥門的開度為目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(guān)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(lǐng)域的執(zhí)行部件就形式多樣了，特別是以旋轉(zhuǎn)設備——電機為主的控制，已經(jīng)得到很大發(fā)展。兩個領(lǐng)域的執(zhí)行部件共性是速度反饋和位置反饋的控制技術(shù)。
    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(gòu)、直流閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)、交流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、步進電機開環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)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(gòu)的控制，使機電機構(gòu)產(chǎn)生期望的運動，運動控制為轉(zhuǎn)速、位置、力矩三個參數(shù)的組合控制，終保證運動參數(shù)和運動軌跡為予定值。它涵蓋于運載工具、數(shù)控機床（CNC）、機械加工生產(chǎn)線、包裝設備、紡織、印染設備、機器人及多種機電一體化設備和民用設施，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(shù)的發(fā)展，受到青睞，所以前景看好。本文要著重說的，乃是作為主流伺服系統(tǒng)在運動控制中要求實時性很高，如實時響應時間要求小于1ms、同步傳送和抖動小于1ms，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(jīng)走向市場、羅克韋爾的SERCOS、倫茨的SystemBus及的Profibus、Interbus、DevuceNet等均可以完成分布式交流伺服控制，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為用于測量和控制網(wǎng)絡的分布時鐘定義了一個時間同步協(xié)議（Preci Sion Time Protocol，PT），它為在以太網(wǎng)上實現(xiàn)時間同步提供了工作原理。CIPSync實現(xiàn)了網(wǎng)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(qū)動器的協(xié)同。它借助CIPSync/IEEE1588對于網(wǎng)絡上的各伺服驅(qū)動器的時鐘，結(jié)合帶時間標記位置信號進行伺服同步，它考慮使用基于以及網(wǎng)的網(wǎng)絡技術(shù)，并且是適合于精度在微秒范圍內(nèi)的復雜系統(tǒng)的同步。
    CIPSync以外，還有SynqNet運動控制網(wǎng)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、捕獲技術(shù)、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(shù)應該互相結(jié)合。
   
    四、 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展進入新階段
    上文中基金會現(xiàn)場總線的FFHSE、CIP或EtherNet/IP均為現(xiàn)在俗稱的工業(yè)以太網(wǎng)，還有這次FA/PA展會上西門子等公司的PROFINET，三種均通過IEC61158及IEC61784標準，又2004年1月IEC/C65C/JWG10-13等4個工作組通過6種以太網(wǎng)技術(shù)工作IEC的PAS公共可用規(guī)范文件，它們是：中國的EPA、德國Beckhoff公司的EtherCAT、IAONA的EPL（EtherNet PowerLink）、日本橫河的V-net、日本東芝的TCnet、法國施耐德的ModbusTCP(RTPS)。當然除這9種以外，采用EtherNet/TCP(UDP)/IP的工業(yè)以太網(wǎng)還很多。EPA（EtherNet for Plant Automation）它采用了分段化結(jié)構(gòu)和確定性通信調(diào)度控制策略，解決了通信確定性、互操作性、開放性等問題，可直接應用于變送器、執(zhí)行機構(gòu)、遠程I/O、現(xiàn)場控制器等現(xiàn)場設備間通信，即做到“E網(wǎng)到底”，目前正處于產(chǎn)業(yè)化階段。
    選擇以太網(wǎng)，還必須把wet技術(shù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)上應用搞到位，也就是說，要讓相關(guān)的人們放心的去瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而在地域方面使生產(chǎn)方式發(fā)生變化，促進生產(chǎn)力發(fā)展。
   
    五、 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(jīng)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(jù)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(jié)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(wǎng)的出現(xiàn)，又使通信接口產(chǎn)品豐富起來，現(xiàn)在不只是一個產(chǎn)品上有多種接口，而且各種互聯(lián)的接口卡產(chǎn)品也很多，這兩個展會上均有多家接口產(chǎn)品，如美國Woodhead公司、Prosoft公司的產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)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IEC61158標準為基礎的控制系統(tǒng)參考描述、以以太網(wǎng)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(gòu)成集成模型來表示應用需求，并開發(fā)應用互操作規(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等來拱和表達。這些，對系統(tǒng)集成技術(shù)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。電控儀控一體問題通過上面幾節(jié)已經(jīng)有一定了解。管控一體化的三層結(jié)構(gòu)，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(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。我們以前比較我的注意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(guān)注。由于國內(nèi)在管控一體化項目中滿意度高者較少，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(yè)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(shù)問題，也是藝術(shù)，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。