自動化技術和機電一體化技術發展趨勢

  一、 基金會現場總線的大規模應用即將逐步展開：

    11年以來，云集全球過程自動化的主要廠商，有組織、有計劃地進行了基金會現場總線技術的規劃、研究、試制、試用、工程實踐及推廣應用，這是一項**的系統工程，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*肯。目前，FF成員有338家，已注冊產品為227種，通過HIST互操作測試認證的主控系統有11個。應用方面，有50萬臺現場儀表、8000套系統已投入應用，其中我國占7%，約80套系統，主要分布在石化和化工、石油和天然氣、發電幾個行業，上海賽科、中海油/殼牌南海項目兩大工程均屬世界上可數的大型工程，今年即將投產。這些將為我國大規模應用起到示范作用。在技術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注冊資格的產品，已有10多種專業書籍出版。特別是如下幾項技術得到了初步普及：H1的通信原理；H1的功能塊組態和“現場控制”策略；現場設備、輔助設備及主控系統的選擇；H1網段設計及施工安裝；設備描述語言（DDL）與互操作性等。而且對于增強型EDDL及FISCO防爆等新技術表現了很大的熱情，這些都為今后在國內大規模應用打下了良好的基礎。

    目前中國儀器儀表行業協會現場總線專業委員會（CFFC）與16個外商駐華機構組成的基金會現場總線中國市場委員會（FFCMC）正在聯合開展活動。現在FF正處在類似于70年代末DCS所處的時期，作為一項新技術走向市場之路是艱辛的。經過陣痛，新生的事物將像*出世一樣，一定會茁壯地成長起來。

    二、 檢測技術、識別技術及信息融合技術受到重視：

    傳感器技術這些年來正處于傳統型向新型傳感器轉型的階段，這將有另文專述。僅由于現場總線技術的助推，檢測儀表的數字化、智能化、網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。數字化和網絡化為現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變創造了條件，加之檢測技術進步，諸如溫度場測量等傳感器的出現，逐步使這種轉變成為可能。

    現在工業上大量的變速器均為直接取樣，而人工取樣等形式不被**；取樣點或取樣設備是固定的、連續的，而斷續取樣、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、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，都很少當作控制用；近來發展起來的軟測量技術或稱為工藝算法等，多把它裝在上位機或控制室內，作為“數字模型”**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（數據）融合（Multi-Sensor Data Fusion,MSDF），簡稱信息融合技術，它對多個傳感器的數據進行多*別、多方面、多層次的處理，從而產生新的有意義的信息。這項技術在大型設備監測、礦井瓦斯監測、電力系統故障檢測等方面已有應用實例，另外交通管理、軍事作戰系統等方面也很有用。

    檢測技術向數字化、智能化、網絡化方面發展，信息融合技術屬于智能化范疇，它應與虛擬儀表技術、網絡儀表技術相結合，實現高速、復雜的數據處理、分析和控制，反過來又推動檢測技術本身及現場總線技術的發展，使智能化設備在實際應用中產生效益。

    三、 執行儀表、運動控制及主流伺服系統正成為熱點：

    在過程控制領域，執行儀表是以電-氣閥門*+氣動薄膜調節閥為主，其它有氣缸或調節閥、電動執行機構、液動執行機構（電-液調節閥）、電動調節閥等。總之，是在以管理道化為主的工藝裝備中，以改變閥門的開度為目的直行程和角行程的執行儀表為主流設備。近年來，以滿開/滿關為主要形式的電磁閥、閥組等也在大量使用。但是離散控制領域的執行部件就形式多樣了，特別是以旋轉設備——電機為主的控制，已經得到很大發展。兩個領域的執行部件共性是速度反饋和位置反饋的控制技術。

    變頻器、軟啟動器等已得到普及，在節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、直流閉環調整系統、交流閉環調速系統、步進電機開環系統已經問世，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的控制，使機電機構產生期望的運動，運動控制為轉速、位置、力矩三個參數的組合控制，*終*證運動參數和運動軌跡為予定值。它涵蓋于運載工具、數控機床（CNC）、機械加工生產線、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。

    *近交流伺服系統的性能/價格比已具有競爭力，特別是全數字式交流永磁伺服電機，DSP嵌入式芯片技術的發展，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）*。分布式交流伺服控制系統已經走向市場、羅克韋爾的SERCOS、倫茨的SystemBus及知名的Profibus、Interbus、DevuceNet等均可以完成分布式交流伺服控制，其上層通信仍采用CIP協議及CIPSync規范，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絡a的分布時鐘定義了一個精確時間同步協議（Preci Sion Time Protocol，PT），它為在以太網上實現時間同步提供了工作原理。CIPSync實現了網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同、伺服控制器及多伺服驅動器的協同。它借助CIPSync/IEEE1588對于網絡上的各伺服驅動器的時鐘，結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的網絡技術，并且是適合于精度在微秒范圍內的復雜系統的同步。

    CIPSync以外，還有SynqNet運動控制網絡，由Motion Engineering公司開發，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、精確捕獲技術、易于使用等優點，所以分布式和集中式交流伺服控制系統技術應該互相結合。

    四、 工業以太網技術發展進入新階段

    上文中基金會現場總線的FFHSE、CIP或EtherNet/IP均為現在俗稱的工業以太網，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種以太網技術工作IEC的PAS公共可用規范文件，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的工業以太網還很多。EPA（EtherNet for Plant Automation）它采用了分段化結構和確定性通信調度控制策略，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、執行機構、遠程I/O、現場控制器等現場設備間通信，即做到“E網到底”，目前正處于產業化階段。 

    選擇以太網，還必須把wet技術等互聯網技術在工業上應用搞到位，也就是說，要讓相關的人們放心的去瀏覽現場數據，從而在地域方面使生產方式發生變化，促進生產力發展。

    五、 系統集成、電控儀控一體化、管控一體化任重道遠：

    系統集成一詞的流行始于80年代末、90年代初，Integrated System和System Integration，在系統解決方案（Solution）流行的今天，已經逐漸界限不清了。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動態數據交換發展到OPC（過程控制的對象鏈接嵌入），是一大進步，近來將與EDDL結合，解決互操作性問題。又IEC61131-3在組態方面對系統集成也影響很大。隨著多種現場總線及工業以太網的出現，又使通信接口產品豐富起來，現在不只是一個產品上有多種接口，而且各種互聯的接口卡產品也很多，這兩個展會上均有多家接口產品，如美國Woodhead公司、Prosoft公司的產品就有幾十種，可以滿足系統集成的需要     

    系統集成技術的發展，現在已經進入標準化階段。2003年發布了ISO15745標準，它解決了系統集成的應用需求和接口兩個基本問題，該標準全稱為：工業自動化系統和系統集成——開放系統應用集成框架，分為4部分：通用參考描述、以ISO11898標準為基礎的控制系統的參考描述、以IEC61158標準為基礎的控制系統參考描述、以以太網標準為基礎的控制系統的參考描述。**部分提出了開放系統的應用集成框架（Application Integration framework，AIF），它定義了一些元素和規則，構成集成模型來表示應用需求，并開發應用互操作專用規范AIP，這個AIP是接口規范的表示形式，并要求開發AIP時，應用UML、XML等來拱和表達。這些，對系統集成技術發展起到了里程碑式作用。

    系統集成面臨的應用需求中，電控、儀控一體化及管控一體化是*要的問題，而各個用戶企業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已經有一定了解。管控一體化的三層結構，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品完成的整個生產過程進行優化管理。我們以前比較我的注意MES本身，現在，逐漸理解到應該對系統集成的深度給予關注。由于國內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人員的完善化應該同樣受系統集成、電儀一體化、管控一體化是技術問題，也是藝術，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。