过程自动化和工业自动化的发展趋势--专业论文

1、sice - 1case2006年国际联合会议2006年10月18日至21日，韩国釜山会展中心过程自动化和工业自动化的发展趋势sei ichi shin日本东京，电子通信学院系统工程部（电话：+81-42-443-7426 ;电子邮箱:shingse.iiec.ac.jp )摘要：本文提出了 pa （过程自动化）和fa （工业自动化）的发展趋势。这两个自动化的主要领域正迅速 融合。它们之间的差异正在缩小。这一趋势随着尺寸收缩、网络、xml和rfid技术被展现出来。然而， 这一趋势的基础是正被使用的数学模型。自动化的世界变得如此复杂，以至于没有这种数学模我们就无法 理解和管理这个世界。关键词：过

2、程自动化，工业自动化，尺寸收缩，网络,rfid技术，数学模型1引言信息技术（it ）的发展正在改变着社会的日 常生活。它也改变了生产系统，因为生产系统代表 着社会的需求。生产系统冇两个领域。一个是pa （过程自动 化），另一个是fa （工业自动化）。前者是钢铁、 化学、石汕等工业的持续进程。用于pa的控制器 是dcs系统（集散控制系统）,主要处理模拟信 号,集散控制系统dcs的本质是ptd控制器的集成。 后者是汽车、家电、商品等产业的类似进程。fa的 控制器是plc （可编程逻辑控制器），主耍处理开 关信号，本质是一个中继序。然而，从最终用户的角度來看，这两个领域是 不可避免的。汽车工业需要p

3、1d控制器来处理材料 和设施，钢铁工业需耍中继序进行产品处理和传 递。所以，这里我们把m作为pa与瑚的集成。tt的发展联系到pa和fa的生产线（如图1）, 从最高层到最底层。现在的dcs有中继功能，plc 有一个pido这是底层联系。上层是服务器，整合 dcs与plc的信息。木文显示出伴随1t发展的这一 趋势的，沿线oftt ,也引进rftd和“的介绍。2尺寸缩小首先应该指出的是尺寸缩小1 ,因此，大 规模的计算机作为一个微处理器缩小尺寸成一个 芯片。集散控制系统可以以高可靠性处理数以千计 的循环,应该缩小尺寸。因此,plc正被使用在pa 领域，这里并不需要这么大范围和较少的可靠性。displ

4、aybecome borderlessone chip图2 plc的发展图1 pa和fa的集成然而，plc从來没冇停止过缩小尺寸。dcs应空rar f母 二=该和plc-样缩小尺寸。plc的未來发展是嵌入式 控制器，嵌入到汽车和家用电器中。因此作为1a 的象征，控制器将走出我们的视野，留下它的显示。3信息共享但是，在人范鬧和高町靠的规划小仍然需要dcs 系统。当然，dcs的角色正在发生变化。集散控制 系统dcs目前正在作为文件制造者、信息服务器等 角色进行信息处理。（如图3 ）。本世纪起，生产系统正从规模型向质量型转变, 换句话讲，从大众化向对个别化发展。市场热爱“生 产秩序”。因此，scm

5、（供应链管理）系统广泛 连接着壯界各地许多公司。当然，工业线和公司的 工厂应连接供应链管理。图3 dcs的发展所有生产线，所有工厂，许多企业逋过连接ip（因特网协议）合作，像一个有组织的机构。所有 和关生产线、工业、公司的信息可以通过tp共享, 在公司的董事会会议上通过平板显示器显现。因 此，所有董事会成员在任何时间都可以对所有牛产 线和几乎所有的工业进行访问，其至在dcs与plc 上。会员认为，现在的问题提高到了怎样处理共享 信息。他们真的共享信息吗？图4人们被机器分离和机器被人分离日前，工厂里所有设备连接起來，他们的状态 都被可视化。然而，这并不够。董事会会员需要一 个组织架构，生产线和工

6、厂的集合。为了完成这一 目标，关键是服务器或数据库的联合。工厂冇很多 数据库，它们都使用个体协议"当它们保持个体协 议时如何联合数据库非常重要。这里提出的问题是如何连接分离的机器和人。 冇两种解决方案。见下一节。4 xml联合问题的一个解决是opc （见图5 ）,它 对于过程控制是ole的缩写（对象链接与嵌入）。 ole是dcom （分布式纽件模型）z前的名字，或 是微软的视图技术激活的x。opc服务器可以同时 处理模拟和数字数据，因此这是一个解决办法。几 乎所有的dcs与plc都可以连接到opc服务器。因 此，opc技术是fa和pa融合的象征。现在，opc技术正在逐步发展成xml及

7、ua （统 一架构）2。这意味着的.met框架的opc技 术。用微软的术语来讲，它就是“.net”框架。opc 服务器被用于pa和fa, opc-ua是pa和fa _体化 的尺度。图5 opc是pa和13 体化的一种解决方式looking (html looking+contents (xml)bii-cnaracier 池soap.ldd1. wsdl图6 web服务器也是一体化的-种解决方式然而，0pc在视图世界屮定关闭的，所以答 案是如图6展示的web服务器，使用soap （简单 对彖访问协议）与http （超文本传输协议）。服务因此，在t业的虚拟世界我们应该包括人类。rf1d （射频识

8、别）似乎是一个具有光明前景的 工具，以便它们包括在世界小（如图9 ）。此外, 世界上的rftd技术包括材料、产品，以便工厂的 所有成员，就是人类、材料和设备可以出现在这个 世界上。我们在2006年成立了一个rrd技术委员 会，在fa开放促进组（fa0p ） 5 ,这是继 2002年rftd研究委员会z后的一个组织。因为tt技术的发展，真正的世界变得复杂。 为了理解世界和/或优化，虚拟世界是必要的。这 是信息技术在世界的实现，就是个人电脑。report/<ye<r month w«k> <yw>1997</yw> <mooth? 1<

9、;/momlv <we«k>l</week></ yz month week > <na«)e><laft>ymn daolmt> <frrt/taro</fir5t> </nane>图9机器、材料、工具和人z间的联网图7工程师和文件<?xml version-<!docty?e report system heekb did"<!a s«kple of weekly report> self definable n hrkup( dw

10、v xml schema) markup kncodingclhcmaurux) sqaraticm of looking and contents (xsl) djumptocc 隣 ing(scripl) dau exchange +rpc (soap)图8 xml文件的实例xml是文件的标准,由www联合会3 定义。 在工程师周围有许多文件如图7所示。例如，规 划图，设计图，专利申请，组装手册，维修手册， 制作报告，等一些工厂的不要文件。xml的样本如 图8所示。该文件包含一个标记和内容。因此， xml是一个虚拟的标签或信息标签。在此标记基础 上，我们可以把dcs信息和plc融合，此外,

11、在 在工业和公司我们也可以这样做。2002年，在批量 生产系统中为了提高xml,我们建立了大批量的开 放论坛（mfgx ） 4 o5 rfid技术在上个i比纪，我们通过网络连接工厂的设备。 如果计算机中建立了一个完美的虚拟世界，1t是一 个强大的工具。但是，我们错过了这个信息世界的 人和材料，因为我们口本寻求完美的h动化。在工 业里，机器运行不需要任何人，因为在日本劳动力 价格是非常高的。然而，这种完美的工业，也就是无人工业，脱 离了 口本的工业，因为倾向于低运行成本和无人的 技能。现在余下的口本工厂需要使用高技能的人。1 j/'1湖 rhttp mwdernia.jpzhttp/&l

12、t;vmwaikoku co jprtn&tatanv/are/tjeimia/top mi图10虚拟世界的仿真虚拟世界的一个应用是仿冀。所冇的事悄应包 括在虚拟世界中。这意味着如图10所示的人类、 材料和机器。为了做到这一点，我们需要标记虚拟 和现实两个世界。一个标记缺入在xml文件，另一 个rf1d技术嵌入在现实世界小。基于这两种类型 的标签，也就是虚拟标签和现实标签，我们可以整 合和优化世界的工业。6 数学模型然而，这些标记整合和优化工业是不够的。工 业川人工处理太复杂，因此，数学模型的使用是无 可避免的6-7 o电脑只知道数学，因为计算机语言是由公式组 成的，也就是逻辑和替换。

13、因此，虚拟壯界的只能由数学模型展示出来。在pa中,建模是日常工作, 许多进程是基于可预测控制的模型來控制的。据预 测，模型的未來价值是仿真。此外，控制输入是基 于预测来优化的。然而，在fa中，数学模型极少不通过仿其。因 此，i-'a屮引进预测控制模世对于库存减少似乎是有 效的。这是pa和fa技术的融合，因为减少來h jtt （准时），这是fa屮大规模生产的一个最好创新。图11是这样的系统的控制块，这是一个汽车零 部件组装线8 ,如图12显示了减少的结果。左 边的图显示基于操作者经验的人工控制普通库存, 右边是模型预测控制的结果。用数学模型和优化系 统，我们可以减少一半库存。然后，这里您

14、就可以看到fa和pa融合。我们 将使用在pa的数学优化方法引入到fa。然而，反 之亦然。这是kaizen对于pa的引进，并不断改进。xbnuallv methodihvpmcd kthod在pa工业有很人储备的油箱。就是kaizen的 目标。减小油箱的尺寸是非常困难的。然而，今天, 高性能计算机的高级别控制可以利用数学模型来图11纽.装线的预测控制模型xml对信息來讲是一个虚拟的标签，rfid对于 材料或人是一个真正的标记。对真正的生产体系， 要使1t成为完美的工具，这两种类型的标签是关 键。棊丁这标签，我们需要pa、fa和1a进程的数 学模型。该模塑在pa和fa的融合中是不可避免的， 因为数

15、学给出了最普通的一般和世界的具体描述， 计算机只可以处理以数学为基础的语言(图13 )。 然而，对人來讲它变得太复杂，因此，冇必耍让电 脑辅助理解该模式。这些都是用丁-仿真，设计，预 测和优化。一个虚拟it界，包括f.a和pa系统可以 满足社会，也就是真实世界的需求。参考文献(11 s shin: a ncw-dimcnsion technical paradigm for the 21st century control systems, proc. sice05,okayama, 8-10 august, pp. 858-861 (2005)2 http:lwww.opcfoundatio

16、/3 /4 http:/www.mstc.oijp/mfgx/5 http:/www.mstc.orjp/faop/index.htrnl61 s shin: role of s ystematic a pproach to the yaoyorozu information society, proc. ieee smc04den haag, netherlands, pp. 5615-5620(2004)7 s. shin: human machine communication via sound with wavelet transformation. proc. 2005 ieee international conference on systems, man and cybernetics, wa