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自动化技术和机电一体化技术发展趋势

作者：杨晨作者单位：西安英赛特电子科技有限公司 2011年12月17日

    自动化技术和机电一体化技术发展趋势
    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、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。

    四、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。
    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。

    五、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。

以下是关于《自动化技术和机电一体化技术发展趋势》评论，目前共7条评论共1页第1页

评论人：薛洪帅

评论时间：2014-9-17

新手上路，多多关照。学习了

评论人：有缘人

评论时间：2015-4-3

学习了

评论人：灵芝12321

评论时间：2015-12-24

学习了

评论人：1998aooboo

评论时间：2017-5-11

新手上路，多多关照。学习了

评论人：mark

评论时间：2018-11-1

学习了

评论人：Friendqq

评论时间：2018-12-9

辛苦了楼主

评论人：风行者笑

评论时间：2023-12-4

学习了

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