|
|
| 自动化技术和机电一体化技术发展趋势 |
|
|
|
| 发布时间：2006-6-7
来源：控制工程 |
摘要：本文综述了基金会现场总线、工业以太网、检测技术、交流伺服系统、系统集成的发展趋势。
关键词：设备描述；互操作性；多传感器信息（数据）融合；交流伺服系统；实时性；应用集成框架
2005年以来，4月12～14日的FIA第四届中国国际现场总线与工业自动化仪表展览会（FIA）及6月14～17日的第九届国际现代工厂/过程自动化技术与装备展览会（FA/PA）成功地在北京举行，以及众多厂商举行了大型技术交流活动，使工业自动化市场倍受人们瞩目，特别是“MM现代制造”出了新自动化专刊，提出了新自动化的概念，证明工业自动化和机电一体化行业的动向、很值得我们重视。我仅就下列几个方面提出个人的一些看法，供活跃大家思想之参考。
一、 基金会现场总线的大规模应用即将逐步展开：
11年以来，云集全球过程自动化的主要厂商，有组织、有计划地进行了基金会现场总线技术的规划、研究、试制、试用、工程实践及推广应用，这是一项空前的系统工程，它集中了众多人的智慧，获得了众多人的称许，特别是得到了“大客户”的首肯。目前，FF成员有338家，已注册产品为227种，通过HIST互操作测试认证的主控系统有11个。应用方面，有50万台现场仪表、8000套系统已投入应用，其中我国占7%，约80套系统，主要分布在石化和化工、石油和天然气、发电几个行业，上海赛科、中海油/壳牌南海项目两大工程均属世界上可数的大型工程，今年即将投产。这些将为我国大规模应用起到示范作用。在技术上我国也有很大进展。华控、沈阳自动化所（中科博微）等单位均研制出并取得FF注册资格的产品，已有10多种专业书籍出版。特别是如下几项技术得到了初步普及：H1的通信原理；H1的功能块组态和“现场控制”策略；现场设备、辅助设备及主控系统的选择；H1网段设计及施工安装；设备描述语言（DDL）与互操作性等。而且对于增强型EDDL及FISCO防爆等新技术表现了很大的热情，这些都为今后在国内大规模应用打下了良好的基础。
目前中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会（CFFC）与16个外商驻华机构组成的基金会现场总线中国市场委员会（FFCMC）正在联合开展活动。现在FF正处在类似于70年代末DCS所处的时期，作为一项新技术走向市场之路是艰辛的。经过阵痛，新生的事物将像婴儿出世一样，一定会茁壮地成长起来。
二、 检测技术、识别技术及信息融合技术受到重视：
传感器技术这些年来正处于传统型向新型传感器转型的阶段，这将有另文专述。仅由于现场总线技术的助推，检测仪表的数字化、智能化、网络化已前进了一大步，特别是多变量变送器的成功上市，使一个差压变送器（如艾默生的3015S和横河的EJX）可以完成流量测量及温压补偿、流量积累、显示球罐内液体体积和进行导管堵塞、蒸汔拌热诊断等一系列功能，而且还准备增加孔板磨损检测等功能，这样，可使设备管理能得到更多有用信息。数字化和网络化为现场设备丰富的信息提供了畅通的渠道，为单信号向多信息采集转变创造了条件，加之检测技术进步，诸如温度场测量等传感器的出现，逐步使这种转变成为可能。
现在工业上大量的变速器均为直接取样，而人工取样等形式不被推荐；取样点或取样设备是固定的、连续的，而断续取样、多点取样、移动取样却很少成为控制中有用信号；又检测物理量、电量以外，化学量就较少了，属于图象识别、遥感技术、视觉机器、声音测量，特别是条形码、射频识别（RFID）等属于管理范畴的跟踪、搜寻、捕获等技术，都很少当作控制用；近来发展起来的软测量技术或称为工艺算法等，多把它装在上位机或控制室内，作为“数字模型”高级控制处理。……这些，按信息化的要求，都可以商榷。如近年来提出多传感器信息（数据）融合（Multi-Sensor Data Fusion,MSDF），简称信息融合技术，它对多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理，从而产生新的有意义的信息。这项技术在大型设备监测、矿井瓦斯监测、电力系统故障检测等方面已有应用实例，另外交通管理、军事作战系统等方面也很有用。
检测技术向数字化、智能化、网络化方面发展，信息融合技术属于智能化范畴，它应与虚拟仪表技术、网络仪表技术相结合，实现高速、复杂的数据处理、分析和控制，反过来又推动检测技术本身及现场总线技术的发展，使智能化设备在实际应用中产生效益。
三、 CIP通用工业协议已经形成：
CIP（Common Industrial Protocol）是由ODVA和CI共同推出。ODVA（Open DeviceNet Vendor Association）为开放型DeviceNet供货商协会，CI（ControlNet International）为Control Net国际组织，均由罗克韦尔自动化公司牵头，它是工厂自动化最有代表性的组织，它在DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP三层结构的网络基础上，采用CIP协议，使三者具有统一的应用层、应用对象和设备描述，做到不同厂商设备之间通信，实现互操作。目前CIP设备描述主要针对如下几个行业，即半导体设备、气动阀、交流驱动设备、位置控制器、其它设备描述等。此前，罗克韦尔还研制出ProcessLogix主控系统，它通过了现场总基金会的HIST互操作性测试，所以也可和过程控制行业兼容。这样通过应用行规，使设备相关的数据如数据类型、参数语义、应用功能等能互相理解，从而实现互操作，这种互相理解能力，就称为互操作性。
设备描述提供基本构件（Construct）来构建设备描述文件。通过这也帮助我们理解上一节信息融合技术的一斑。这些构件有：变量、数组（阵列）、条目数组、记录、块、数集、变量表、程序、域、响应代码、方法、单元关系、刷新关系、整体写入关系、菜单、编辑显示等。设备描述的源文件由设备描述的信息开始，然后说明块或块参数的属性及其它构件的属性，共同构成一个整体。设备描述的源文件经编译后形成目标文件，而后把此目标文件看成设备的驱动程序即可。
关于实现互操作性设备描述语言有DDL、增强的EDDL（或称电子设备描述语言）、FDT（现场设备工具）等语言及Lonworks技术的网络变量等，而这些又与管控一体化中设备管理技术有着密切的关系。
CIP又开发了CIPSafety和CIPSync等规范，即在CIPNetworks工业网络架构下，可以实现CIPSafety的紧急跳闸安全保护功能及CIPSync的顺序事件记录、分布式运动控制、定时输出、同步执行及时间戳的数据录入等对实时性要求高的功能。
ODVAChina组织由上海电器科学研究所牵头，行业活动也很活跃。FIA展览会上，它与FF的联合展台相邻，也由多家国内外厂商组成ODVA联合展台，真是相映成趣，传为佳话。这也证明以离散控制为主的“电控行业”与以过程控制为主的“仪控行业”在中国的活动，都成为世界舞台的一部分了。
四、 执行仪表、运动控制及主流伺服系统正成为热点：
在过程控制领域，执行仪表是以电-气阀门定位器+气动薄膜调节阀为主，其它有气缸或调节阀、电动执行机构、液动执行机构（电-液调节阀）、电动调节阀等。总之，是在以管理道化为主的工艺装备中，以改变阀门的开度为目的直行程和角行程的执行仪表为主流设备。近年来，以满开/满关为主要形式的电磁阀、阀组等也在大量使用。但是离散控制领域的执行部件就形式多样了，特别是以旋转设备——电机为主的控制，已经得到很大发展。两个领域的执行部件共性是速度反馈和位置反馈的控制技术。
变频器、软启动器等已得到普及，在节能等方面已取得成效，本文不准备进一步阐述了。在上世纪中叶，伺服机构、直流闭环调整系统、交流闭环调速系统、步进电机开环系统已经问世，从90年代以来，运动控制名词悄然流行，它是相对于电力拖动及电机传动控制而言的一个分支。运动控制是指通过对电机等机电机构的控制，使机电机构产生期望的运动，运动控制为转速、位置、力矩三个参数的组合控制，最终保证运动参数和运动轨迹为予定值。它涵盖于运载工具、数控机床（CNC）、机械加工生产线、包装设备、纺织、印染设备、机器人及多种机电一体化设备和民用设施，所以受到重视。
最近交流伺服系统的性能/价格比已具有竞争力，特别是全数字式交流永磁伺服电机，DSP嵌入式芯片技术的发展，受到青睐，所以前景看好。本文要着重说的，乃是作为主流伺服系统在运动控制中要求实时性很高，如实时响应时间要求小于1ms、同步传送和抖动小于1ms，在要求更高的地方，可能为纳秒（ns）级。分布式交流伺服控制系统已经走向市场、罗克韦尔的SERCOS、伦茨的SystemBus及知名的Profibus、Interbus、DevuceNet等均可以完成分布式交流伺服控制，其上层通信仍采用CIP协议及CIPSync规范，才能获得更好的实时性和可互操作性。
IEEE1588为用于测量和控制网络的分布时钟定义了一个精确时间同步协议（Preci Sion Time Protocol，PT），它为在以太网上实现时间同步提供了工作原理。CIPSync实现了网络中不同设备的高精度（+100ns）时间同步以及分布式运动控制，即包括多个伺服控制器的协同、伺服控制器及多伺服驱动器的协同。它借助CIPSync/IEEE1588对于网络上的各伺服驱动器的时钟，结合带时间标记位置信号进行伺服同步，它考虑使用基于以及网的网络技术，并且是适合于精度在微秒范围内的复杂系统的同步。
CIPSync以外，还有SynqNet运动控制网络，由Motion Engineering公司开发，支持高性能集中控制，支持它的伺服电机厂商较多，具有自愈容错、精确捕获技术、易于使用等优点，所以分布式和集中式交流伺服控制系统技术应该互相结合。
我国为世界制造大国，所以对交流伺服系统技术很重视，和利时（四通电机）、时光科技等公司都集中了很强的技术力量，开发了一批新产品。FIA和FA/PA展览会上，国产PLC产品很多，如凯迪恩公司的KDN-K3等小型PLC产品很有特色，但国产PLC在交流伺服控制器模块的开发方面还需努力，争取迎头赶上世界水平。在本节末尾，以交流变频、同步伺服与异步伺服的性能比较表（表1）结束，仅供参考。
表1 交流变频、同步伺服、异步伺服性能比较表（根据时光科技资料）
交流变频 交流同步伺服 交流异步伺服
速度控制 范围小精度低 范围大精度高 范围大精度高
位置控制 无 高精度 高精度
转矩控制 转矩提升 转矩可控制 转矩可控制
零速力矩锁定 无 有 有
过载能力 较小 大 大
电机结构 简单 较复杂 简单
电机功率范围 大 小 大
电机价格 低 高 低
电机转动惯量 大 中、小 大
控制器与电机 电流匹配即可 必须对应配套 电流匹配即可
编码器 非必配 必配 必配
五、 工业以太网技术发展进入新阶段
上文中基金会现场总线的FFHSE、CIP或EtherNet/IP均为现在俗称的工业以太网，还有这次FA/PA展会上西门子等公司的PROFINET，三种均通过IEC61158及IEC61784标准，又2004年1月IEC/C65C/JWG10-13等4个工作组通过6种以太网技术工作IEC的PAS公共可用规范文件，它们是：中国的EPA、德国Beckhoff公司的EtherCAT、IAONA的EPL（EtherNet PowerLink）、日本横河的V-net、日本东芝的TCnet、法国施耐德的ModbusTCP(RTPS)。当然除这9种以外，采用EtherNet/TCP(UDP)/IP的工业以太网还很多。EPA（EtherNet for Plant Automation）它采用了分段化结构和确定性通信调度控制策略，解决了通信确定性、互操作性、开放性等问题，可直接应用于变送器、执行机构、远程I/O、现场控制器等现场设备间通信，即做到“E网到底”，目前正处于产业化阶段。
鉴于上节已就运动控制要求系统实时性高，而阐述了CIPSync或Ethernet/IP采用IEEE1588精确时间同步协议，达到实时性为微秒级，因这是要增加一个“加速”的芯片等等……，所以本文不准备进一步对提高工业以太网实时性的方案赘述了。我只是想对面大量广的实时性要求不那么高的一般工业以太网进行一番梳理。我们知道，一般以太网以其应用广、成本低、软硬件资源丰富，可持续发展潜力大、易于和Internet相连等优点（注意把握住这些优点），而由商业扩展到工业领域，形成工业以太网后，对其环境适应性、可靠性、安全性、安装方便等方面进行了强化，已能满足许多低成本自动化场合的数据采集系统、管控一体化系统的需要。这些年来，又随着100M、1000M高速以太网、交换式以太网、环网冗余等技术的普及，通信的确定性、安全性、实时性有了很大提高，加上全双工通信、虚拟局域网、质量服务等技术的应用，一般工业以太网实时响应时间已达到5—10ms
，这对于流程工业的安全系统及离散工业的一般工厂自动化系统及全厂管控一体化系统可以满足要求，所以应在国内花大力气使之形成一支设备生产成套、工程设计施工安装的产业化队伍，相应的工业标准也要跟上去。让一般工业以太网在实际应用中产生效益，从而推动工业以太网技术发展。
选择以太网，还必须把wet技术等互联网技术在工业上应用搞到位，也就是说，要让相关的人们放心的去浏览现场数据，从而在地域方面使生产方式发生变化，促进生产力发展。
六、 系统集成、电控仪控一体化、管控一体化任重道远：
系统集成一词的流行始于80年代末、90年代初，Integrated System和System Integration，在系统解决方案（Solution）流行的今天，已经逐渐界限不清了。PLC可编程控制器和人机界面HMI之间，在硬件接口的基础上，采用DDE动态数据交换发展到OPC（过程控制的对象链接嵌入），是一大进步，近来将与EDDL结合，解决互操作性问题。又IEC61131-3在组态方面对系统集成也影响很大。随着多种现场总线及工业以太网的出现，又使通信接口产品丰富起来，现在不只是一个产品上有多种接口，而且各种互联的接口卡产品也很多，这两个展会上均有多家接口产品，如美国Woodhead公司、Prosoft公司的产品就有几十种，可以满足系统集成的需要。
系统集成技术的发展，现在已经进入标准化阶段。2003年发布了ISO15745标准，它解决了系统集成的应用需求和接口两个基本问题，该标准全称为：工业自动化系统和系统集成——开放系统应用集成框架，分为4部分：通用参考描述、以ISO11898标准为基础的控制系统的参考描述、以IEC61158标准为基础的控制系统参考描述、以以太网标准为基础的控制系统的参考描述。第一部分提出了开放系统的应用集成框架（Application Integration Framework，AIF），它定义了一些元素和规则，构成集成模型来表示应用需求，并开发应用互操作专用规范AIP，这个AIP是接口规范的表示形式，并要求开发AIP时，应用UML、XML等来拱和表达。这些，对系统集成技术发展起到了里程碑式作用。
系统集成面临的应用需求中，电控、仪控一体化及管控一体化是首要的问题，而各个用户企业对这两大主题是既有共性又有个性的需求。电控仪控一体问题通过上面几节已经有一定了解。管控一体化的三层结构，这是共性，其中MES层是热点，MESA（Manufacturing Enterprise Solution Association）对MES作如下定义：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。我们以前比较我的注意MES本身，现在，逐渐理解到应该对系统集成的深度给予关注。由于国内在管控一体化项目中满意度高者较少，所以形成了旷日持久的局面。一线的应用实践与计算机专业人员的完善化应该同样受到重视。
系统集成、电仪一体化、管控一体化是技术问题，也是艺术，要在务实和广义的人机界面友好、人机亲和力两方面同时努力，才能使管控一体化的重任完成。
七、 结束语
我国人口众多，经济总量大，加之近年发展速度快，如2004年钢产量已达2.7亿吨，今年将达到3.2亿吨；炼油能力已达1.4亿吨/年，2010年将提升至2.2亿吨/年；乙烯将由2003年的500万吨/年，升至900万吨/年；发电装机容量2004年底达4.4亿KW，2005年底将达5亿KW。这些还相伴有与衣食住行有关的汽车制造业、造船业、飞机制造业、建筑业、医药食品服装制造业的快速发展，这样将使我国自动化和机电一体化行业形成一个很好的舞台，让全世界都刮目相看，纷纷在这个舞台上竞争风流，当然最大的受益者将是我们，让我们珍惜这个大好机会吧 |
|
|
