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昆山机电工程

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    工业控制自动化技术发展方向

    发布时间:2011/3/23 22:38:04
     工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术,主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
       
        工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术,主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一,主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益,但它对企业生产过程有明显的提升作用。
       
        我国工业控制自动化的发展道路,大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收,然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展,我国工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
       
        一、 以工业pc为基础的低成本工业控制自动化将成为主流
       
        众所周知,从20世纪60年代开始,西方国家就依靠技术进步(即新设备、新工艺以及计算机应用)开始对传统工业进行改造,使工业得到飞速发展。20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈,促使企业必须加快新产品投放市场时间(time to market)、改善质量(quality)、降低成本(cost)以及完善服务体系(service),这就是企业的t.q.c.s.。虽然计算机集成制造系统(cims)结合信息集成和系统集成,追求更完善的t.q.c.s.,使企业实现“在正确的时间,将正确的信息以正确的方式传给正确的人,以便作出正确的决策”,即“五个正确”。然而这种自动化需要投入大量的资金,是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式,很难为大多数中小企业所采用。在我国,中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。
       
        工业控制自动化主要包含三个层次,从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化,其核心是基础自动化和过程自动化。
       
        传统的自动化系统,基础自动化部分基本被plc和dcs所垄断,过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成,其硬件、系统软件和应用软件的价格之高令众多企业望而却步。
       
        20世纪90年代以来,由于pc-based的工业计算机(简称工业pc)的发展,以工业pc、i/o装置、监控装置、控制网络组成的pc-based的自动化系统得到了迅速普及,成为实现低成本工业自动化的重要途径。我国重庆钢铁公司这样的大企业的几乎全部大型加热炉,也拆除了原来dcs或单回路数字式调节器,而改用工业pc来组成控制系统,并采用模糊控制算法,获得了良好效果。
       
        由于基于pc的控制器被证明可以像plc一样可靠,并且被操作和维护人员接受,所以,一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用pc控制方案。基于pc的控制系统易于安装和使用,有高级的诊断功能,为系统集成商提供了更灵活的选择,从长远角度看,pc控制系统维护成本低。由于可编程控制器(plc)受pc控制的威胁最大,所以plc供应商对pc的应用感到很不安。事实上,他们现在也加入到了pc控制“浪潮”中。
       
        近年来,工业pc在我国得到了异常迅速的发展。从世界范围来看,工业pc主要包含两种类型:ipc工控机和compactpci工控机以及它们的变形机,如at96总线工控机等。由于基础自动化和过程自动化对工业pc的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高,现有的ipc已经不能完全满足要求,将逐渐退出该领域,取而代之的将是compactpci-based工控机,而ipc将占据管理自动化层。国家于2001年设立了“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”工业自动化重大专项,目标就是发展具有自主知识产权的pc-based控制系统,在3(5年内,占领30%(50%的国内市场,并实现产业化。
       
        几年前,当“软plc”出现时,业界曾认为工业pc将会取代plc。然而,时至今日工业pc并没有代替plc,主要有两个原因:一个是系统集成原因;另一个是软件操作系统windows nt的原因。一个成功的pc-based控制系统要具备两点:一是所有工作要由一个平台上的软件完成;二是向客户提供所需要的所有东西。可以预见,工业pc与plc的竞争将主要在高端应用上,其数据复杂且设备集成度高。工业pc不可能与低价的微型plc竞争,这也是plc市场增长最快的一部分。从发展趋势看,控制系统的将来很可能存在于工业pc 和 plc之间,这些融合的迹象已经出现。
       
        和plc一样,工业pc市场在过去的两年里保持平稳。与plc相比,工业pc软件很便宜。据frost & sullivan公司估计,全世界每年7亿美元工业pc市场里,大约8500万美元为控制软件,一亿美元为操作系统。到2007年会翻一番,工业pc市场变得非常可观。
       
        二、 plc在向微型化、网络化、pc化和开放性方向发展
       
        长期以来,plc始终处于工业控制自动化领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案,与dcs和工业pc形成了三足鼎立之势。同时,plc也承受着来自其它技术产品的冲击,尤其是工业pc所带来的冲击。
       
        目前,全世界plc生产厂家约200家,生产300多种产品。国内plc市场仍以国外产品为主,如siemens、modicon、a-b、omron、三菱、ge的产品。经过多年的发展,国内plc生产厂家约有三十家,但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品,可以说plc在我国尚未形成制造产业化。在plc应用方面,我国是很活跃的,应用的行业也很广。专家估计,2000年plc的国内市场销量为15(20万套(其中进口占90%左右),约25(35亿元人民币,年增长率约为12%。预计到2005年全国plc需求量将达到25万套左右,约35(45亿元人民币。
       
        plc市场也反映了全世界制造业的状况,2000后大幅度下滑。但是,按照automation research corp的预测,尽管全球经济下滑,plc市场将会复苏,估计全球plc市场在2000年为76亿美元,到2005年底将回到76亿美元,并继续略微增长。
       
        微型化、网络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要方向。在基于plc自动化的早期,plc体积大而且价格昂贵。但在最近几年,微型plc(小于32 i/o)已经出现,价格只有几百欧元。随着软plc(soft plc)控制组态软件的进一步完善和发展,安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长。
       
        当前,过程控制领域最大的发展趋势之一就是ethernet技术的扩展,plc也不例外。现在越来越多的plc供应商开始提供ethernet接口。可以相信,plc将继续向开放式控制系统方向转移,尤其是基于工业pc的控制系统。
       
        三、 面向测控管一体化设计的dcs系统
       
        集散控制系统dcs(distributed control system)问世于1975年,生产厂家主要集中在美、日、德等国。我国从70年代中后期起,首先由大型进口设备成套中引入国外的dcs,首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时,我国主要行业(如电力、石化、建材和冶金等)的dcs基本全部进口。80年代初期在引进、消化和吸收的同时,开始了研制国产化dcs的技术攻关。
       
        近10年,特别是“九五”以来,我国dcs系统研发和生产发展很快,崛起了一批优秀企业,如北京和利时公司、上海新华公司、浙大中控公司、浙江威盛公司、航天测控公司、电科院以及北京康拓集团等。这批企业研制生产的dcs系统,不仅品种数量大幅度增加,而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。在2001年全国应用的4426套dcs系统中,国产dcs系统为1486套,占35%。短短几年,国外dcs系统在我国一统天下的局面从此不再出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市场份额,积累了发展的资本和技术,同时使得国外引进的dcs系统价格也大幅度下降,为我国自动化推广事业做出了贡献。与此同时,国产dcs系统的出口也在逐年增长。
       
        虽然国产dcs的发展取得了长足进步,但国外dcs产品在国内市场中占有率还较高,其中主要是honeywell和横河公司的产品。我国dcs的市场年增长率约为20%,年市场额约为30(35亿元。由于近5年内dcs在石化行业大型自控装置中没有可替代产品,所以其市场增长率不会下降。据统计,到2005年,我国石化行业有1000多套装置需要应用dcs控制;电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组,需要dcs实现监控;不少企业已使用dcs近15(20年,需要更新和改造。所以,今后5年内dcs作为自动化仪表行业主要产品的地位不会动摇。
       
        根据中国仪器仪表行业协会公布的调查数据显示,2002年我国dcs市场状况如下:
       
        小型化、多样化、pc化和开放性是未来dcs发展的主要方向。目前小型dcs所占有的市场,已逐步与plc、工业pc、fcs共享。今后小型dcs可能首先与这三种系统融合,而且“软dcs”技术将首先在小型dcs中得到发展。pc-based控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制,各dcs厂商也将纷纷推出基于工业pc的小型dcs系统。开放性的dcs系统将同时向上和向下双向延伸,使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动,实现信息技术与控制技术的无缝连接,向测控管一体化方向发展。
       
        四、 控制系统正在向现场总线(fcs)方向发展
       
        由于3c(computer、control、communication)技术的发展,过程控制系统将由dcs发展到fcs(fieldbus control system)。fcs可以将pid控制彻底分散到现场设备(field device)中。基于现场总线的fcs又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统,它将取代现场一对一的4(20ma模拟信号线,给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。
       
        根据iec61158的定义,现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力,提高了信号的测量、传输和控制精度,提高了系统与设备的功能、性能。iec/tc65的sc65c/wg6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作,走过了16年的艰难历程,于1993年推出了iec61158-2,之后的标准制定就陷于混乱。2000年初公布的iec61158现场总线国际标准子集有八种,分别为:
       
        类型1 iec技术报告(ffh1);
        类型2 control-net(美国rockwell公司支持);
        类型3 profibus(德国siemens公司支持);
        类型4 p-net(丹麦process data公司支持);
        类型5 ffhse(原ffh2)高速以太网(美国fisher rosemount公司支持);
        类型6 swift-net(美国波音公司支持);
        类型7 worldfip(法国alsto公司支持);
        类型8 interbus(美国phoenix contact公司支持)。
       
        除了iec61158的8种现场总线外,iec tc17b通过了三种总线标准:sds(smart distributed system);asi(actuator sensor interface);device net。另外,iso公布了iso 11898 can标准。其中device net于2002年10月8日被中国批准为国家标准,并于2003年4月1日开始实施。
       
        目前在各种现场总线的竞争中,以ethernet为代表的cots(commercial-off-the-shelf)通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。其关注的焦点主要集中在两个方面:
       
        (1)能否出现全世界统一的现场总线标准;
        (2)现场总线系统能否全面取代现时风靡世界的dcs系统。
       
        采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统,促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化,符合工业控制系统的技术发展趋势。国家在“九五”期间为了加快现场总线技术在我国的发展,重点放在智能化仪表和现场总线技术的开发和工程化上,补充和完善工艺设备、开发装置和测试装置,建立智能化仪表和开发自动化系统的生产基地,形成适度规模经济。2000年,“九五”国家科技攻关计划“新一代全分布式控制系统研究与开发”和“现场总线智能仪表研究开发”两个项目相继完成。这两个项目以及先期完成的“现场总线控制系统的开发”项目,针对国际上已经出现的多种现场总线协议并存的局面,重点选择了hart协议和ff协议现场总线技术攻关。
       
        总之,计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统(dcs)后,将朝着现场总线控制系统(fcs)的方向发展。虽然以现场总线为基础的fcs发展很快,但fcs发展还有很多工作要做,如统一标准、仪表智能化等。另外,传统控制系统的维护和改造还需要dcs,因此fcs完全取代传统的dcs还需要一个较长的过程,同时dcs本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是,结合dcs、工业以太网、先进控制等新技术的fcs将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式,在工业现场得到了越来越多的应用,并将在控制领域中占有更加重要的地位。
     
     

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