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段明祥

一 各種自動(dòng)化手段的發(fā)展與相互影響
(1)  各種自動(dòng)化手段之間界限越來(lái)越模糊
由于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)化、信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、機(jī)電一體化、數(shù)控、先進(jìn)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(lái)越模糊，這是實(shí)際發(fā)展的需要，技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
(2)  各種控制系統(tǒng)之間融合是大勢(shì)所趨
在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)CS、IPC、NC/CNC與DCS、PLC將會(huì)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)、彼此共存。雖然它們?cè)O(shè)計(jì)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(zhǎng)，補(bǔ)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(shì)所趨。
(3)  渴望單一現(xiàn)場(chǎng)總線
現(xiàn)有FF、Profibus、WordFIP等8種現(xiàn)場(chǎng)總線為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它們采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實(shí)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(chǎng)總線都在修改各自的應(yīng)用層協(xié)議，支持IEC61784規(guī)范，爭(zhēng)取通過(guò)高層協(xié)議達(dá)到相互兼容。預(yù)計(jì)到2002年完成，使IEC61158成為一個(gè)基本統(tǒng)一的、由多部分組成的標(biāo)準(zhǔn)。市場(chǎng)迫切需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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(huì)被廣大用戶、集成商、OEM和制造商所接受。
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。過(guò)去工控機(jī)主要應(yīng)用于過(guò)程控制，如鋼、電、煤、化、油等連續(xù)化、流程化的生產(chǎn)過(guò)程；制造自動(dòng)化，如機(jī)械、電子、汽車等離散加工的生產(chǎn)過(guò)程；單機(jī)自動(dòng)化，如數(shù)控機(jī)床、智能儀器儀表、機(jī)器人、汽車電子化、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、電子化家用電器、醫(yī)療器械等產(chǎn)品機(jī)電一體化等。今后，應(yīng)特別關(guān)注工控機(jī)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(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。
（一）  FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）
1  FCS優(yōu)點(diǎn)
◆  數(shù)字化
①  FCS 全數(shù)字化的通信使過(guò)程控制具有更高的可靠性。在現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，這就使更復(fù)雜、更精確的信號(hào)處理得以實(shí)現(xiàn)。普通的噪音很難扭曲現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字通信的查錯(cuò)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(chǎng)設(shè)備的連接通常是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)的。由于現(xiàn)場(chǎng)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(hào)要轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)（例如4~20mA信號(hào)），再傳送到控制室的信號(hào)轉(zhuǎn)換組件，為了滿足過(guò)程控制信號(hào)處理的要求，信號(hào)轉(zhuǎn)換組件將再一次把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在模擬系統(tǒng)中，噪聲及其它信號(hào)扭曲無(wú)法被檢測(cè)。
◆  可互操作性  采用具有可互操作性的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，用戶可以考慮在確保性能、價(jià)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(shí)省力地將它們集成為一體。
①  現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化設(shè)備的可互操作性主要是通過(guò)對(duì)功能模塊及其參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化而實(shí)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(dú)家的專用封閉系統(tǒng)。
◆  分散性
①  現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制回路，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
②  DCS采用了一個(gè)或多個(gè)“控制單元”對(duì)多回路進(jìn)行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個(gè)控制板上又有多個(gè)回路，實(shí)際上是半分散式體系。
◆  可靠性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性
現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字總線式通信線路代替了DCS中一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由連線帶來(lái)的不可靠，同時(shí)降低了布線成本，與DCS相比，節(jié)約電纜、調(diào)試、維護(hù)成本40%以上。
◆  EIC（電氣傳動(dòng)、儀表、計(jì)算機(jī)）一體化
在由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的FCS中，儀表實(shí)際上已成為具有綜合功能的智能儀表，也就是具有過(guò)去實(shí)現(xiàn)儀表控制的DCS的功能。現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)際上是過(guò)去PLC功能的分散。它代替了過(guò)去用于電氣傳動(dòng)控制PLC。從以上兩點(diǎn)不難看出，F(xiàn)CS正是一個(gè)實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)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(dòng)化用得較多而又急需的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
2  Ethernet優(yōu)點(diǎn)
(1)  Ethernet作為現(xiàn)場(chǎng)總線，開(kāi)放性這個(gè)最重要指標(biāo)得以保證。
Ethernet的主要特點(diǎn)是，數(shù)字式互連網(wǎng)絡(luò)、可操作性、開(kāi)放性和網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)性能包括實(shí)時(shí)性、可靠性等。而開(kāi)放性是最重要的。它不僅指技術(shù)公開(kāi)，而應(yīng)用廣泛更是其最重要的衡量指標(biāo)。
(2)  Ethernet做現(xiàn)場(chǎng)總線，可保證現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(guò)關(guān)。工業(yè)控制領(lǐng)域采用Ethernet無(wú)需獨(dú)自的研究投入，這一點(diǎn)是任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)無(wú)法比擬的。
(3)  Ethernet受到廣泛的開(kāi)發(fā)技術(shù)支持。由于Ethernet是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持它的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，如Java、Visual C++、Visual Basic等，并有多種開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境可供選擇。
(4)  Ethernet系統(tǒng)設(shè)計(jì)有廣泛的硬件產(chǎn)品可供選擇。而且由于應(yīng)用廣泛，其價(jià)格相對(duì)低廉，目前Ethernet網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus、FF等現(xiàn)場(chǎng)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(duì)Ethernet設(shè)計(jì)、應(yīng)用有很多經(jīng)驗(yàn)。因此，可以顯著降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，從而降低系統(tǒng)的成本，加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣速度。
(6)  Ethernet作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以避免現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)脫離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展主流，使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很好地融合起來(lái)，形成互相促進(jìn)的局面，保證自動(dòng)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(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
◆  嵌入式微控制器的發(fā)展趨勢(shì)
①  可靠性 采用抗干擾技術(shù)，低噪聲布線、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和低頻時(shí)鐘等，使可靠性提高。
②  集成的部件越來(lái)越多 從功能上講可以稱是萬(wàn)用機(jī)。
③  功耗越來(lái)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(duì)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(chǔ) 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(qiáng)實(shí)時(shí)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(jī)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(jì)算機(jī)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(chǎng)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(jì)算機(jī)市場(chǎng)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(zhǎng)。
（三）  DCS（集散式控制系統(tǒng)）
雖然以現(xiàn)場(chǎng)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(hù)和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS有個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。
當(dāng)前工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍仍以大系統(tǒng)、分散對(duì)象、連續(xù)生產(chǎn)過(guò)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(kāi)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(shì)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(dòng)化要求，并適應(yīng)開(kāi)放化的大趨勢(shì)。
◆  向智能化方向發(fā)展 由于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、推理機(jī)能等的發(fā)展，尤其是知識(shí)庫(kù)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(huì)在DCS各級(jí)實(shí)現(xiàn)。和FF現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(shì)，PC作為DCS的操作站或節(jié)點(diǎn)機(jī)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(tái)。
◆  DCS專業(yè)化 DCS為更適合各相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，就要進(jìn)一步了解這個(gè)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(diǎn)：系統(tǒng)開(kāi)放、管控一體化及帶有先進(jìn)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(lái)，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(yùn)行速度越來(lái)越大，存儲(chǔ)容量很大。PC機(jī)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(kāi)放性，Windows的應(yīng)用，更多技術(shù)人員的應(yīng)用和軟件開(kāi)發(fā)，使PC機(jī)的軟件極為豐富。PC機(jī)功能已經(jīng)很強(qiáng)，CAD/CAM的軟件已由小型機(jī)，工作站移植到PC機(jī)，三維圖形顯示及工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)在PC機(jī)上建立。因此，PC機(jī)已成為開(kāi)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(jià)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(dòng)化方向發(fā)展 為適應(yīng)FMS、CIMS、無(wú)人化工廠的要求，發(fā)展與機(jī)器人、自動(dòng)化小車、自動(dòng)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(guó)際上數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。
(4)  方便使用 改善人機(jī)接口，簡(jiǎn)化編程、操作面板使用符號(hào)鍵，盡量采用對(duì)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(dòng)的機(jī)床到多達(dá)24軸以上的柔性加工單元。自80年代以來(lái)，以數(shù)控機(jī)床為主的各類柔性生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。按其規(guī)格、自動(dòng)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(dú)立制造島、計(jì)算機(jī)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(jìn)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(dòng)速度和快速換刀。為實(shí)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(jìn)給速度120m/min；換刀時(shí)間1s；加速度2g。
(8)  高效化 實(shí)現(xiàn)高效加工，縮短非切削時(shí)間和加工周期的關(guān)鍵是提高PMC（可編程機(jī)床控制器）的處理器，隨著處理內(nèi)容復(fù)雜化，PMC的編程語(yǔ)言難度加大，雖然C語(yǔ)言和PASCAL已經(jīng)實(shí)用化，但為置換梯形圖語(yǔ)言，還需要使用順控流程圖（SFC）等視圖用語(yǔ)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(shí)現(xiàn)0.001微米的精度，必須開(kāi)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(dòng)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(guò)2微米。
(10)  機(jī)械智能化 在NC領(lǐng)域內(nèi)是一種新技術(shù)，所謂機(jī)械智能化功能，是指機(jī)械自身可補(bǔ)償因溫度、機(jī)械負(fù)荷等引起的機(jī)械變形的功能。這就需要檢測(cè)主軸負(fù)荷、主軸及機(jī)座變形的傳感器和處理傳感器輸出信號(hào)的電路。這種傳感器自身具有信號(hào)處理功能，所以叫智能傳感器。人工智能將實(shí)用于處理信號(hào)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)。基于AI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(kù)。把NC裝置通過(guò)Intranet和Internet與中央計(jì)算機(jī)相連接，使其具有遠(yuǎn)距離診斷的功能。進(jìn)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(lái)的系統(tǒng)，它需要通過(guò)智能傳感器、高速PMC及大型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(12)  復(fù)合化成為機(jī)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(jìn)行車削、鉆削、攻螺紋和銑削的功能，工件從一個(gè)工序到另一個(gè)工序的傳送是自動(dòng)的，在加工過(guò)程中的裝