久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

段明祥

一 各種自動化手段的發(fā)展與相互影響
(1)  各種自動化手段之間界限越來越模糊
由于計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高校的專業(yè)合并與滲透，使工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、自動化、信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、機電一體化、數(shù)控、先進制造技術(shù)、CIMS之間的技術(shù)、專業(yè)、學(xué)科之間的界限越來越模糊，這是實際發(fā)展的需要，技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
(2)  各種控制系統(tǒng)之間融合是大勢所趨
在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，F(xiàn)CS、IPC、NC/CNC與DCS、PLC將會相互補充、相互促進、彼此共存。雖然它們設(shè)計的初衷不一，各有特色，各有適宜的應(yīng)用領(lǐng)域，但技術(shù)上都知道學(xué)人之長，補己之短，PLC、DCS學(xué)習(xí)到已失去傳統(tǒng)意義上的自己的地步，可以看出各種控制系統(tǒng)之間相互融合是大勢所趨。
(3)  渴望單一現(xiàn)場總線
現(xiàn)有FF、Profibus、WordFIP等8種現(xiàn)場總線為國際標(biāo)準(zhǔn)，它們采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實現(xiàn)這些總線的兼容和互操作是十分困難的。目前，這8種現(xiàn)場總線都在修改各自的應(yīng)用層協(xié)議，支持IEC61784規(guī)范，爭取通過高層協(xié)議達(dá)到相互兼容。預(yù)計到2002年完成，使IEC61158成為一個基本統(tǒng)一的、由多部分組成的標(biāo)準(zhǔn)。市場迫切需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，人們正在尋求新的出路。采用已經(jīng)是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其在工業(yè)領(lǐng)域成熟應(yīng)用，就會被廣大用戶、集成商、OEM和制造商所接受。
工業(yè)控制計算機的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大。過去工控機主要應(yīng)用于過程控制，如鋼、電、煤、化、油等連續(xù)化、流程化的生產(chǎn)過程；制造自動化，如機械、電子、汽車等離散加工的生產(chǎn)過程；單機自動化，如數(shù)控機床、智能儀器儀表、機器人、汽車電子化、變頻調(diào)速電動機、電子化家用電器、醫(yī)療器械等產(chǎn)品機電一體化等。今后，應(yīng)特別關(guān)注工控機在環(huán)保、公用工程、道路與交通、樓宇與社區(qū)、農(nóng)業(yè)、家庭等新領(lǐng)域的應(yīng)用。
二  工控機技術(shù)發(fā)展趨勢
現(xiàn)場總線構(gòu)成的FCS和嵌入式控制系統(tǒng)是工控系統(tǒng)的兩大發(fā)展熱點。
（一）  FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）
1  FCS優(yōu)點
◆  數(shù)字化
①  FCS 全數(shù)字化的通信使過程控制具有更高的可靠性。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器，一直是數(shù)字信號，這就使更復(fù)雜、更精確的信號處理得以實現(xiàn)。普通的噪音很難扭曲現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號。數(shù)字通信的查錯功能可檢查出傳輸中的誤碼。
②  傳統(tǒng)的DCS 半數(shù)字化，傳統(tǒng)的DCS與現(xiàn)場設(shè)備的連接通常是以點對點方式實現(xiàn)的。由于現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)通常內(nèi)置了微處理器，所以產(chǎn)生的數(shù)字信號要轉(zhuǎn)換成模擬信號（例如4~20mA信號），再傳送到控制室的信號轉(zhuǎn)換組件，為了滿足過程控制信號處理的要求，信號轉(zhuǎn)換組件將再一次把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在模擬系統(tǒng)中，噪聲及其它信號扭曲無法被檢測。
◆  可互操作性  采用具有可互操作性的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，用戶可以考慮在確保性能、價格、質(zhì)量和售后服務(wù)等因素的基礎(chǔ)上，選擇更好的硬件產(chǎn)品，并省時省力地將它們集成為一體。
①  現(xiàn)場總線自動化設(shè)備的可互操作性主要是通過對功能模塊及其參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化而實現(xiàn)的，因此具有極好的可互操作性。
②  大多數(shù)用于DCS和智能型變送器間的協(xié)議是DCS制造商獨家的專用封閉系統(tǒng)。
◆  分散性
①  現(xiàn)場總線采用的是完全分散式體系，它的控制全部分散到現(xiàn)場控制回路，由現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)。
②  DCS采用了一個或多個“控制單元”對多回路進行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個控制板上又有多個回路，實際上是半分散式體系。
◆  可靠性、可維護性和經(jīng)濟性
現(xiàn)場總線采用數(shù)字總線式通信線路代替了DCS中一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由連線帶來的不可靠，同時降低了布線成本，與DCS相比，節(jié)約電纜、調(diào)試、維護成本40%以上。
◆  EIC（電氣傳動、儀表、計算機）一體化
在由現(xiàn)場總線構(gòu)成的FCS中，儀表實際上已成為具有綜合功能的智能儀表，也就是具有過去實現(xiàn)儀表控制的DCS的功能。現(xiàn)場控制器實際上是過去PLC功能的分散。它代替了過去用于電氣傳動控制PLC。從以上兩點不難看出，F(xiàn)CS正是一個實現(xiàn)電氣傳動控制、儀表控制和計算機控制一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)恰恰是鋼鐵工業(yè)自動化用得較多而又急需的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
2  Ethernet優(yōu)點
(1)  Ethernet作為現(xiàn)場總線，開放性這個最重要指標(biāo)得以保證。
Ethernet的主要特點是，數(shù)字式互連網(wǎng)絡(luò)、可操作性、開放性和網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)性能包括實時性、可靠性等。而開放性是最重要的。它不僅指技術(shù)公開，而應(yīng)用廣泛更是其最重要的衡量指標(biāo)。
(2)  Ethernet做現(xiàn)場總線，可保證現(xiàn)場總線技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。Ethernet一直受到廣泛的重視，同時又有大量的技術(shù)投入，所以保證了Ethernet技術(shù)不斷的發(fā)展。目前速率最低是10Mbps，百兆、千兆已廣泛應(yīng)用，十千兆技術(shù)也已過關(guān)。工業(yè)控制領(lǐng)域采用Ethernet無需獨自的研究投入，這一點是任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)無法比擬的。
(3)  Ethernet受到廣泛的開發(fā)技術(shù)支持。由于Ethernet是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言都支持它的應(yīng)用開發(fā)，如Java、Visual C++、Visual Basic等，并有多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境可供選擇。
(4)  Ethernet系統(tǒng)設(shè)計有廣泛的硬件產(chǎn)品可供選擇。而且由于應(yīng)用廣泛，其價格相對低廉，目前Ethernet網(wǎng)卡的價格只有Profibus、FF等現(xiàn)場總線網(wǎng)卡的十分之一。
(5)  Ethernet已被使用多年，具有大量軟件資源，人們對Ethernet設(shè)計、應(yīng)用有很多經(jīng)驗。因此，可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用，從而降低系統(tǒng)的成本，加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。
(6)  Ethernet作為現(xiàn)場總線，可以避免現(xiàn)場總線技術(shù)脫離于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展主流，使現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很好地融合起來，形成互相促進的局面，保證自動化技術(shù)能夠取得更加迅速的發(fā)展。
（二）  嵌入式控制系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。
◆  嵌入式微控制器的發(fā)展趨勢
①  可靠性 采用抗干擾技術(shù)，低噪聲布線、驅(qū)動技術(shù)和低頻時鐘等，使可靠性提高。
②  集成的部件越來越多 從功能上講可以稱是萬用機。
③  功耗越來越低 采用多種工作方式，如等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等；工作電壓范圍更寬：3.3~3.5V到2.2~6V。
◆  對嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的主要要求
①  軟件要求固態(tài)化存儲 以提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性。
②  軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性 以提高執(zhí)行速度。
③  系統(tǒng)軟件（OS）的強實時性。
◆  嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用：數(shù)量大、范圍廣、應(yīng)用前景好。
工控機及其應(yīng)用的發(fā)展是與信息化、數(shù)字化、智能化的世界潮流，以及計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、顯示技術(shù)（尤其是現(xiàn)場總線和控制網(wǎng)絡(luò)）的發(fā)展密切相關(guān)的。
2000年世界上工業(yè)控制計算機市場為300～400億美元，其中DCS 60億美元，嵌入式系統(tǒng)60～70億美元，F(xiàn)CS 20～30億美元，IPC 70～80億美元，PLC 70～80億美元，數(shù)控 70～80億美元。并以每年10%～15%的速度增長。
（三）  DCS（集散式控制系統(tǒng)）
雖然以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，最終將取代傳統(tǒng)的DCS，但其發(fā)展仍有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，儀表智能化等。而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS有個較長的過程。
當(dāng)前工業(yè)控制計算機的應(yīng)用范圍仍以大系統(tǒng)、分散對象、連續(xù)生產(chǎn)過程（如冶金、石化、電力）為主，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分散型控制系統(tǒng)仍在發(fā)展。由于開放結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)的發(fā)展，促使大型分散型控制系統(tǒng)銷售增加。1997年DCS的銷售額為45億美元，2000年為60億美元。世界上主要DCS供應(yīng)商有Honeywell、Bailey、WestingHouse、ABB、Foxboro、L&N、Siemens、EURO、橫河、日本山武霍納威爾等。
DCS主要發(fā)展趨勢為：
◆  向綜合方向發(fā)展 由于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將各種單（多）回路調(diào)節(jié)器、PLC、工業(yè)PC、NC等工控設(shè)備構(gòu)成大系統(tǒng)，以滿足工廠自動化要求，并適應(yīng)開放化的大趨勢。
◆  向智能化方向發(fā)展 由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、推理機能等的發(fā)展，尤其是知識庫系統(tǒng)（KBS）和專家系統(tǒng)（ES）的應(yīng)用，如自學(xué)習(xí)控制、遠(yuǎn)距離診斷、自尋優(yōu)等，人工智能會在DCS各級實現(xiàn)。和FF現(xiàn)場總線類似，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備，如智能I/O、智能PID控制器、智能傳感器、變送器、執(zhí)行器、智能人機接口、可編程調(diào)節(jié)器相繼出現(xiàn)。
◆  DCS工業(yè)PC化 由IPC組成DCS成為一大趨勢，PC作為DCS的操作站或節(jié)點機已經(jīng)很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驅(qū)，IPC成為DCS的硬件平臺。
◆  DCS專業(yè)化 DCS為更適合各相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，就要進一步了解這個專業(yè)的工藝和應(yīng)用要求，以逐步形成如核電DCS，變電站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。
現(xiàn)在DCS的新產(chǎn)品具有以下特點：系統(tǒng)開放、管控一體化及帶有先進控制軟件。DCS生產(chǎn)廠家也從事FCS的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用工作。
（四）  數(shù)控裝置
80年代以來，為適應(yīng)FMC、FMS、CAM、CIMS的發(fā)展需要，數(shù)控裝置采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，提高了柔性、功能和效率。
(1)  PC化 由于大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的高度發(fā)展，PC硬件結(jié)構(gòu)做得很小，CPU的運行速度越來越大，存儲容量很大。PC機的大批量生產(chǎn)，使其成本大大降低，可靠性不斷提高。而它的開放性，Windows的應(yīng)用，更多技術(shù)人員的應(yīng)用和軟件開發(fā)，使PC機的軟件極為豐富。PC機功能已經(jīng)很強，CAD/CAM的軟件已由小型機，工作站移植到PC機，三維圖形顯示及工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)在PC機上建立。因此，PC機已成為開發(fā)CNC系統(tǒng)的重要資源與途徑。
(2)  交流伺服化 交流伺服系統(tǒng)恒功率范圍已做到1:4，速度范圍可達(dá)1:1000，基本與直流伺服相當(dāng)。交流伺服體積小、價格低、可靠性高，應(yīng)用更加廣泛。
(3)  高功能的數(shù)控系統(tǒng)向綜合自動化方向發(fā)展 為適應(yīng)FMS、CIMS、無人化工廠的要求，發(fā)展與機器人、自動化小車、自動診斷跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)等的聯(lián)合，發(fā)展控制與管理集成系統(tǒng)，已成為國際上數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。
(4)  方便使用 改善人機接口，簡化編程、操作面板使用符號鍵，盡量采用對話方式等，以方便用戶使用。
(5)  柔性化和系統(tǒng)化 目前數(shù)控系統(tǒng)均采用模塊結(jié)構(gòu)，其功能覆蓋面大，從三軸兩聯(lián)動的機床到多達(dá)24軸以上的柔性加工單元。自80年代以來，以數(shù)控機床為主的各類柔性生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)運而生。按其規(guī)格、自動化程度和控制方式的不同，可分為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性流水線、獨立制造島、計算機集成制造系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)等。
(6)  小型化 由于半導(dǎo)體電路高度集成化、封裝三維化、電路板插三維化，使NC裝置進一步小型化，在NC裝置的操作單元用TFT（薄膜晶體管）彩色液晶顯示器、觸摸屏取代CRT，厚度僅為CRT的1/4。
(7)  高速化 所謂三高是指高的主軸轉(zhuǎn)速、快速移動速度和快速換刀。為實現(xiàn)高速加工，主軸必須高速化，AC主軸馬達(dá)最高速為18000r/min；最高進給速度120m/min；換刀時間1s；加速度2g。
(8)  高效化 實現(xiàn)高效加工，縮短非切削時間和加工周期的關(guān)鍵是提高PMC（可編程機床控制器）的處理器，隨著處理內(nèi)容復(fù)雜化，PMC的編程語言難度加大，雖然C語言和PASCAL已經(jīng)實用化，但為置換梯形圖語言，還需要使用順控流程圖（SFC）等視圖用語言。
(9)  高精度 提高加工精度，高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器必不可少。為在超精密加工領(lǐng)域能實現(xiàn)0.001微米的精度，必須開發(fā)超高分辨率的編碼，以0.0001微米為最小設(shè)定單位的NC裝置。為在加工中保證即使負(fù)荷變動伺服系統(tǒng)的特性也保持不變，還需采用控制或魯棒控制。在伺服系統(tǒng)的控制中，用高速微處理器，采用基于現(xiàn)代控制論前饋控制、二自由度控制、學(xué)習(xí)控制等。其數(shù)字控制系統(tǒng)的跟蹤誤差不超過2微米。
(10)  機械智能化 在NC領(lǐng)域內(nèi)是一種新技術(shù)，所謂機械智能化功能，是指機械自身可補償因溫度、機械負(fù)荷等引起的機械變形的功能。這就需要檢測主軸負(fù)荷、主軸及機座變形的傳感器和處理傳感器輸出信號的電路。這種傳感器自身具有信號處理功能，所以叫智能傳感器。人工智能將實用于處理信號的PMC中。
(11)  診斷維修智能化 故障的診斷與維修是NC的重要技術(shù)?；贏I專家系統(tǒng)的故障診斷已存在，現(xiàn)在主要是建立用于診斷故障的數(shù)據(jù)庫。把NC裝置通過Intranet和Internet與中央計算機相連接，使其具有遠(yuǎn)距離診斷的功能。進一步的發(fā)展是予維修系統(tǒng)，即在故障將要發(fā)生前把將要發(fā)生故障的部件更換下來的系統(tǒng)，它需要通過智能傳感器、高速PMC及大型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。
(12)  復(fù)合化成為機床發(fā)展主流 所謂復(fù)合加工(Multitask Machining)，可以定義為能完成各種各樣的加工工序而不需要手工干預(yù)的一種加工能力。它具有工件一次安裝后進行車削、鉆削、攻螺紋和銑削的功能，工件從一個工序到另一個工序的傳送是自動的，在加工過程中的裝