工业自动化系统的技术发展.doc

工业自动化系统的技术发展 在激烈的国内外市场的竞争中，为降低成本和改善产品质量，产品生产线的设备不断向高速化、连续化和大型化发展。为提高作业率，减少故障率；节能降耗，改善产品质量，生产市场急需的产品，许多环节都已非人力所能及，自动化系统已经成为不可或缺的关键设备，成为生产力的要素之一。 随着IT技术和控制技术的发展，工业自动化系统正在发生一些变化和变革，这些发展和变革的趋势主要表现在以下几个方面。 1 三电一体化和嵌入式系统 任何工业自动化系统都是由检测仪表或传感器（电测），自动控制装置（电控）和以电力传动为主的执行机构（电力传动）构成的三电一体化系统。没有符合检测精度要求的电测仪表或传感器和满足动静态技术指标要求的电力传动执行机构，自动化控制装置是不能发挥作用或难以达到要求的控制精度。虽然三电系统的各种装置是各个厂家的产品的集成，但是只有全面的掌握三电综合技术才能承担和完成自动化工程项目，特别是大中型工业自动化工程项目。 目前流行的系统组合方式主要是检测仪表和传感器仅作为工业现场实物数据的检测，作为自动控制装置的输入设备。电力传动仅作为执行机构的控制器，成为自动控制装置的输出设备。被控装置的逻辑连锁、操作控制、时序控制和控制算法均由自动控制装置来完成。 近年来检测仪表正在实现数字化和网络化，特别是用于质量控制的检测仪表，如钢铁工业中铁水定硅、定硫仪表，钢水定碳、定磷、定氮、定氧仪表，轧钢生产中的轧件长度、宽度、厚度、凸度、平直度、型材断面形状和圆钢椭圆度等检测仪表均是自带CPU的数字化检测仪表，并且可以直接上网。 作为主要执行机构的电力传动控制装置，无论是直流电机或交流电机都是采用自带CPU的全数字化的控制器，模拟控制已被淘汰，这些全数字化的控制器也都可以直接联网。 由于检测仪表和执行机构的数字化和网络化，控制系统的结构和功能分配发生了变化。首先自动控制装置同检测仪表和执行机构实现网络互连，原来从属于控制装置的检测仪表和执行机构在网络上可以处于同等的地位。通过网络实现了数据交换和资源共享、实测数据的采集、控制指令的下发、检测仪表和执行机构的状态信息、故障和报警信息的采集更加方便。其次检测和执行机构也分担了一部分控制功能，如温度检测仪表兼作温度控制器，传动控制装置除了直接控制电机外兼作工艺参数控制器，如轧钢中张力控制等。 随着IT技术和现场总线技术的发展，许多单体的生产设备可由1个或多个集检测、控制和执行机构驱动于一身，软硬件集成的嵌入式系统作为生产设备的控制器，并且可以成为生产设备的一个部件，这就实现了机电一体化。正是由于这种需求，嵌入式系统的产品得到了快速的发展。许多通用的控制环节，如自动位置控制、自动压力控制等，可以由一个适于这类控制的嵌入式控制器来完成。其实交直流电机的全数字控制器就是一个典型的嵌入式控制器。中小型电机的控制器嵌入了实时执行环境和全部的应用软件，用户不需编程可直接应用，仅仅是控制参数的选择和优化。大型交流电机的控制器则采用32位或64位的高性能CPU，多任务实时操作系统（如VxWORKS），各种传动控制的应用软件模块，用户只需简单的组合就可以使用，主要也是控制参数的选择和优化。 2 以PC为基础的分布式控制系统和现场总线 自70年代PLC（Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器）和DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）系统问世以来，有了极其迅猛的发展，已经成为自动化系统的主流产品，但是各个厂家的PLC产品和DCS产品都属于专用的系统，有各自的总线标准和通信标准及系列产品，编程软件和运行支持软件，开放性较差，致使用户长期依赖某一厂家的产品，这严重损害了用户的利益，用户要求是开放的、多厂家产品的集成。在这种形势下，以PC（个人计算机）为基础的分布式控制系统及现场总线正在崭露头角，进军工业自动化的领域。 在开放和集成这两个方面，目前流行的PLC和DCS系统同以PC为基础的分布式控制系统是无法相比的，PC开放的体系结构和无与伦比的市场占有率，使之吸引了全世界几乎所有著名的电子产品制造商和计算机软件制造商，形成了产值达上百亿美元PC机制造业和几百亿美元的软件产业，形成了极其强大的市场产品支持和技术支持。 近几年来，PC机技术迅速地渗透到工业控制领域，PC机在工控领域的角色已由最初的人机界面装置过渡到已可以覆盖从现场设备的I/O、基础自动化、过程控制直至生产控制和生产管理的全部工厂自动化领域。 开放的PC总线导致了丰富多彩的种类繁多的硬件模板的产生，用于数据采集与控制的板级产品已几乎可以覆盖所有用户需求。开放的PC总线的产品是以通用商品OEM的方式向市场供货，因而它比专用性的PLC或DCS产品有更高的性能价格比。PC开放的软件结构和日趋标准化的软件生产方式，使得高性能多用户的软件产品层出不穷，如动态数据交换DDE，对象的链接和嵌入OLE。开放的数据库结构ODBC、远程过程调用RPC、32位机的多用户多任务操作系统等已为系统集成提供了可供充分选择的基础软件。在工程工具一级，越来越多的第三方软件公司为工业控制提供了控制算法、控制器编程手段、组态工具和数据管理、专家系统直到CIMS（computer integrated manufacturing system，计算机集成制造系统）等不同层次的软件产品，这些软件大都具有开放的软件结构，为二次开发与软件系统集成提供极其便捷的途径，同OEM硬件产品一样，第三方软件产品较某一硬件设备厂家提供的专用软件有着更高的性能价格比。PC机大受欢迎的另一个重要原因是开放的联结，进入90年代后，PC的联网已成为PC的最基本能力之一，基于PC的网络产品极大地丰富，为用户使用多家的产品集成自己的系统提供了可靠保证。 目前应用于自动化系统PC与PLC和DCS相比有两点不足。其一PLC和DCS均采用框架结构，硬件模板与背板总线采用插针结构，上下有导轨，前小面板有自锁机构，在防震、防尘、抗干扰等方面采取了很多措施；其二是采用电气工程师编程语言，如梯形图和功能图，不仅易于掌握和使用，而且程序的可读性和测试的方便性大为提高。PLC和DCS能够如此广泛应用，其极其方便的编程语言是非常重要的因素。如果PC机采用PLC和DCS整机结构，充分考虑防震、防尘、抗干扰等多方面整机设计，采用梯形图和功能图等编程语言，那么PC机就变成了PLC和DCS。用软件来掩盖硬件的差别，使应用者在PLC和DCS的环境下使用PC机，这就是所谓软PLC。 支持集成和开放发展的另一个重要方向是现场总线。现场总线是一种彻底开放的现场设备网络，它试图用数字化通信代替420mA的连接标准，现场总线下连接的检测控制装置对于工艺设备具有控制、报警等多种功能。通过两根网络线能把来自不同厂家的数量庞大的传感器、执行器、回路调节器和其它仪表连接起来，实现数据交互，极大地简化了集中式控制系统的走线，降低了系统造价，提高了工程进度和系统的可靠性。虽然现场总线有多种标准，但在工业自动化系统中大量应用的还是Profibus与FF，值得注意的是以太网由于极好的开放性和使用方便性，正在成为现场总线的一种标准。德国的Beckhoff公司研制的采用以太网技术实现远程I/O数据采集获得了很高的性能指标。由此看来所谓“一网到底”也是可能的。基于现场总线的控制系统是一种更加分散的控制结构，连接现场总线上的多个厂家产品具有互操作性，导致控制系统的结构发生重大变革。 各个PLC和DCS的制造厂家正在吸取PC机和现场总线的技术成果，改造自己生产的PLC和DCS。各厂家的PLC和DCS应用开发环境均采用了PC软硬件平台，另一个显著的变化是主框架上I/O板越来越少，大量采用现场总线连接的远程I/O，而主框架上的I/O板多采用混合I/O板。 以PC为基础的分布式控制系统，不仅可以取代PLC或DCS实现基础自动化级控制，而且由于客户和服务器结构模式的出现，各种档次PC机既可以作为服务器也可以作为客户机形成按区域或流程的PC机群，通过网络构成管理和控制一体化的信息系统，不仅实现企业内部的互连和信息交换，而且可以同客户、管理部门、金融业等信息系统互连形成广泛的信息系统。 目前以PC为基础的分布式控制系统正以每年160%的速度增长，按照IEC的预测到2010年现场总线和以PC为基础的分布式控制系统将占到工业自动化控制装置的60%，成为主流的产品，工程的造价将大幅度降低，系统的开放性和互连性，软件的模块化和标准化将大大提高，这个美好的前景并不遥远。 3 先进控制和智能控制技术的应用 在工业自动化系统的基础自动化控制级，目前广泛应用的仍然是以PID（Proportional Plus Integral Plus Derivative Control，比例积分微分控制）调节为代表的经典控制理论。经典控制理论应用有两个前提条件即受控变量具有独立性，各个变量没有耦合或耦合较弱，可以作为干扰处理；另外受控变量与控制作用之间具有线性关系，至少可在一定范围作线性化近似。对于大量的单体设备确实符合上述两个前提条件，这也是经典控制理论广泛应用的基础。对于多变量、非线性和复杂过程控制，要获得满意的控制效果，就必须选择先进控制或智能控制的理论和方法。 现代控制理论为过程控制提供了状态反馈、解耦控制和最优控制等一系列控制系统的设计方法。但是现代控制论应用于工业过程控制时，遇到了前所未有的困难，因为许多工业过程难以建立正确的数学模型，许多过程变量难以定量的表示和实际的在线测量，出现了受控对象模型不确定性问题。对此采用鲁棒性控制使系统对模型的变化不敏感，采用约束模型、在线模型和参数识别、自适应控制和统计过程控制等方法使不确定性逐步降低，这就是先进控制的主要内容和研究的方向。广义上讲先进控制也可以包括智能控制，因为都是先进的。就目前流行的说法，先进控制通常是指基于模型的控制，主要是模型预测控制和推断控制。目前先进控制已经在流程工业的过程控制中得到了应用，据有关统计资料在全球已有2 233套使用了先进控制，其中炼油化工领域就应用了1 300多套，获得的经济效益极其显著。国内已经引进数十套各类先进控制软件。在石油化工、钢铁建材等行业，特别是各类工业炉窑中得到了应用，国内的一些科研院所、高等院校和企业已经进行了卓有成效的研究和应用。 对于工业生产过程，不仅存在模型的不确定性问题，还存在工况不确定性问题，同时具有上述两类不确定性问题的系统控制成为双重控制问题。在一般情况下双重控制问题的最优解是无法实现的。解决这类非结构化、不确定性问题是智能控制研究解决的内容。智能控制是人工智能、运筹学和控制理论三者的结合。智能控制的基本目标是在与控制对象有强相互作用的复杂工况中，实现过程任务的闭环自动控制。在复杂工况下大范围快速自适应和自组织是智能控制系统的显著特征。采集被控对象的有效数据，进行有选择的搜索是人工智能方法的核心思想。人工智能技术主要是神经元网络、模糊控制、专家系统及其相结合的智能控制系统，近年来已在冶金自动化中得到了多方面的应用，仅日本应用的实例就超过百件，德国Krupp-Hoesch钢铁公司的Westfaien钢厂应用神经元网络改进数学模型，取得了明显的经济效益，尺寸偏差减少12%。如在轧制过程自动化方面，传统的轧制过程数学模型是以轧制力为中心，以一组数学物理方程描述轧制过程。轧制工况是多样化的，影响轧件质量的因素众多，并且有些工况参数不能直接地或连续地检测，具有边界约束条件的数学物理方程虽然对轧制过程有一个相当近似的描述，但还不能完整精确地表达轧制过程，存在着固有的误差。采用人工智能技术如人工神经元网络，通过采集实测数据来观察工艺过程，积累经验，并且将以前只有人才能掌握的经验融入计算过程，就能弥补常规数学模型的不足，它的学习功能不断适应设备的实时状态。单纯的采用人工智能技术为基础的数学模型有点像魔术师的黑盒子，采用人工智能同传统数学模型相结合的组合模型侧重于工艺过程内的各种分析关系式，易于操作者和工艺技术人员接受和使用。来自常规数学模型中先前的经验不是丢弃，而是通过算法模型和神经元网络之间的协作关系全部并入组合模型之中，通过这种方法使设定精度得到了提高。在厚板质量工程设计中，以订单为基础制定轧制过程中生产工艺和工艺参数的专家系统，轧机液压压下故障在线实时诊断的专家系统，连轧机组负荷分配的专家系统都得到了应用。采用模糊逻辑对于实测数据进行评价和判断，对于传感器的状态进行在线实时诊断都取得了良好的效果，人工神经元网络还应用于轧件板形识别、多辊轧机的板形控制等。国内东北大学和冶金自动化研究设计院等单位，应用人工智能的方法改善板带轧机模型的设定精度已经取得了成效。 在钢铁业焦化、烧结、炼铁、炼钢各个工艺流程同轧制过程相比，物理化学的变化更为复杂。连续有效的直接过程检测仪表也不如轧制过程的检测齐全。因此，在冶炼过程控制数学模型方面还远达不到板带轧制过程数学模型的精度。在这些工艺流程方面应用人工智能技术更加迫切和必要，在国外已进行了有益的尝试。冶金自动化研究设计院应用神经元网络进行精练电炉的控制，温度预报精度为5%，吨钢节能为7%10%；应用神经元网络于板坯连铸漏钢预报，其预报的准确率和误报率均明显好于由日本引进的设备。由冶金自动化研究设计院完成的大型电机故障诊断专家系统和炼铁高炉专家系统在工业现场应用都取得了显著的效果。 4 软硬件分离，行业软件成为系统的核心和竞争的焦点 由于IT制造业的飞速发展，硬件的价格越来越低。系统硬件部分的设计、集成和网络连接也越来越简单和方便。在工业自动化系统硬件部分所占成本比