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(zhuān)業(yè)合并與滲透，使工業(yè)控制計算機系統、自動(dòng)化、信息技術(shù)改造傳統產(chǎn)業(yè)、機電一體化、數控、先進(jìn)制造技術(shù)、CIMS之間的技術(shù)、專(zhuān)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。
(2)  各種控制系統之間融合是大勢所趨
在今后相當長(cháng)的一段時(shí)間內，FCS、IPC、NC/CNC與DCS、PLC將會(huì )相互補充、相互促進(jìn)、彼此共存。雖然它們設計的初衷不一，各有特色，各有適宜的應用領(lǐng)域，但技術(shù)上都知道學(xué)人之長(cháng)，補己之短，PLC、DCS學(xué)習到已失去傳統意義上的自己的地步，可以看出各種控制系統之間相互融合是大勢所趨。
(3)  渴望單一現場(chǎng)總線(xiàn)
現有FF、Profibus、WordFIP等8種現場(chǎng)總線(xiàn)為國際標準，它們采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實(shí)現這些總線(xiàn)的兼容和互操作是十分困難的。目前，這8種現場(chǎng)總線(xiàn)都在修改各自的應用層協(xié)議，支持IEC61784規范，爭取通過(guò)高層協(xié)議達到相互兼容。預計到2002年完成，使IEC61158成為一個(gè)基本統一的、由多部分組成的標準。市場(chǎng)迫切需要統一標準的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，人們正在尋求新的出路。采用已經(jīng)是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其在工業(yè)領(lǐng)域成熟應用，就會(huì )被廣大用戶(hù)、集成商、OEM和制造商所接受。
工業(yè)控制計算機的應用領(lǐng)域迅速擴大。過(guò)去工控機主要應用于過(guò)程控制，如鋼、電、煤、化、油等連續化、流程化的生產(chǎn)過(guò)程；制造自動(dòng)化，如機械、電子、汽車(chē)等離散加工的生產(chǎn)過(guò)程；單機自動(dòng)化，如數控機床、智能儀器儀表、機器人、汽車(chē)電子化、變頻調速電動(dòng)機、電子化家用電器、醫療器械等產(chǎn)品機電一體化等。今后，應特別關(guān)注工控機在環(huán)保、公用工程、道路與交通、樓宇與社區、農業(yè)、家庭等新領(lǐng)域的應用。
二  工控機技術(shù)發(fā)展趨勢
現場(chǎng)總線(xiàn)構成的FCS和嵌入式控制系統是工控系統的兩大發(fā)展熱點(diǎn)。
（一）  FCS（現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）
1  FCS優(yōu)點(diǎn)
◆  數字化
①  FCS 全數字化的通信使過(guò)程控制具有更高的可靠性。在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，從傳感器、變送器到調節器，一直是數字信號，這就使更復雜、更精確的信號處理得以實(shí)現。普通的噪音很難扭曲現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統里的數字信號。數字通信的查錯功能可檢查出傳輸中的誤碼。
②  傳統的DCS 半數字化，傳統的DCS與現場(chǎng)設備的連接通常是以點(diǎn)對點(diǎn)方式實(shí)現的。由于現場(chǎng)設備內通常內置了微處理器，所以產(chǎn)生的數字信號要轉換成模擬信號（例如4~20mA信號），再傳送到控制室的信號轉換組件，為了滿(mǎn)足過(guò)程控制信號處理的要求，信號轉換組件將再一次把模擬信號轉換成數字信號。在模擬系統中，噪聲及其它信號扭曲無(wú)法被檢測。
◆  可互操作性  采用具有可互操作性的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，用戶(hù)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  現場(chǎng)總線(xiàn)自動(dòng)化設備的可互操作性主要是通過(guò)對功能模塊及其參數的標準化而實(shí)現的，因此具有極好的可互操作性。
②  大多數用于DCS和智能型變送器間的協(xié)議是DCS制造商獨家的專(zhuān)用封閉系統。
◆  分散性
①  現場(chǎng)總線(xiàn)采用的是完全分散式體系，它的控制全部分散到現場(chǎng)控制回路，由現場(chǎng)設備實(shí)現。
②  DCS采用了一個(gè)或多個(gè)“控制單元”對多回路進(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、可維護性和經(jīng)濟性
現場(chǎng)總線(xiàn)采用數字總線(xiàn)式通信線(xiàn)路代替了DCS中一對一的I/O連線(xiàn)，對于大規模I/O系統來(lái)說(shuō)，減少了由連線(xiàn)帶來(lái)的不可靠，同時(shí)降低了布線(xiàn)成本，與DCS相比，節約電纜、調試、維護成本40%以上。
◆  EIC（電氣傳動(dòng)、儀表、計算機）一體化
在由現場(chǎng)總線(xiàn)構成的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)現儀表控制的DCS的功能?，F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，FCS正是一個(gè)實(shí)現電氣傳動(dòng)控制、儀表控制和計算機控制一體化的系統結構，而這種結構恰恰是鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化用得較多而又急需的控制系統結構。
2  Ethernet優(yōu)點(diǎn)
(1)  Ethernet作為現場(chǎng)總線(xiàn)，開(kāi)放性這個(gè)最重要指標得以保證。
Ethernet的主要特點(diǎn)是，數字式互連網(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)，而應用廣泛更是其最重要的衡量指標。
(2)  Ethernet做現場(chǎng)總線(xiàn)，可保證現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的可持續發(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)需獨自的研究投入，這一點(diǎn)是任何現有的現場(chǎng)總線(xiàn)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是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持它的應用開(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系統設計有廣泛的硬件產(chǎn)品可供選擇。而且由于應用廣泛，其價(jià)格相對低廉，目前Ethernet網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus、FF等現場(chǎng)總線(xiàn)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設計、應用有很多經(jīng)驗。因此，可以顯著(zhù)降低系統的開(kāi)發(fā)和培訓費用，從而降低系統的成本，加快系統的開(kāi)發(fā)和推廣速度。
(6)  Ethernet作為現場(chǎng)總線(xiàn)，可以避免現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)脫離于計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展主流，使現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和計算機網(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
嵌入式系統工業(yè)的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產(chǎn)品開(kāi)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(xiàn)、驅動(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(chēng)是萬(wàn)用機。
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。
◆  對嵌入式控制系統應用軟件的主要要求
①  軟件要求固態(tài)化存儲 以提高執行速度和系統可靠性。
②  軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性 以提高執行速度。
③  系統軟件（OS）的強實(shí)時(shí)性。
◆  嵌入式控制系統應用：數量大、范圍廣、應用前景好。
工控機及其應用的發(fā)展是與信息化、數字化、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)（尤其是現場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)為300～400億美元，其中DCS 60億美元，嵌入式系統60～70億美元，FCS 20～30億美元，IPC 70～80億美元，PLC 70～80億美元，數控 70～80億美元。并以每年10%～15%的速度增長(cháng)。
（三）  DCS（集散式控制系統）
雖然以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的FCS發(fā)展很快，最終將取代傳統的DCS，但其發(fā)展仍有很多工作要做，如統一標準，儀表智能化等。而傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS有個(gè)較長(cháng)的過(guò)程。
當前工業(yè)控制計算機的應用范圍仍以大系統、分散對象、連續生產(chǎn)過(guò)程（如冶金、石化、電力）為主，采用分布式系統結構的分散型控制系統仍在發(fā)展。由于開(kāi)放結構和集成技術(shù)的發(fā)展，促使大型分散型控制系統銷(xiāo)售增加。1997年DCS的銷(xiāo)售額為45億美元，2000年為60億美元。世界上主要DCS供應商有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 由于標準化數據通信鏈路和網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，將各種單（多）回路調節器、PLC、工業(yè)PC、NC等工控設備構成大系統，以滿(mǎn)足工廠(chǎng)自動(dòng)化要求，并適應開(kāi)放化的大趨勢。
◆  向智能化方向發(fā)展 由于數據庫系統、推理機能等的發(fā)展，尤其是知識庫系統（KBS）和專(zhuān)家系統（ES）的應用，如自學(xué)習控制、遠距離診斷、自尋優(yōu)等，人工智能會(huì )在DCS各級實(shí)現。和FF現場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)似，以微處理器為基礎的智能設備，如智能I/O、智能PID控制器、智能傳感器、變送器、執行器、智能人機接口、可編程調節器相繼出現。
◆  DCS工業(yè)PC化 由IPC組成DCS成為一大趨勢，PC作為DCS的操作站或節點(diǎn)機已經(jīng)很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驅?zhuān)琁PC成為DCS的硬件平臺。
◆  DCS專(zhuān)業(yè)化 DCS為更適合各相應領(lǐng)域的應用，就要進(jìn)一步了解這個(gè)專(zhuān)業(yè)的工藝和應用要求，以逐步形成如核電DCS，變電站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。
現在DCS的新產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：系統開(kāi)放、管控一體化及帶有先進(jìn)控制軟件。DCS生產(chǎn)廠(chǎng)家也從事FCS的研發(fā)、生產(chǎn)和應用工作。
（四）  數控裝置
80年代以來(lái)，為適應FMC、FMS、CAM、CIMS的發(fā)展需要，數控裝置采用大規模、超大規模集成電路，提高了柔性、功能和效率。
(1)  PC化 由于大規模集成電路制造技術(shù)的高度發(fā)展，PC硬件結構做得很小，CPU的運行速度越來(lái)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(kāi)放性，Windows的應用，更多技術(shù)人員的應用和軟件開(kāi)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據已經(jīng)在PC機上建立。因此，PC機已成為開(kāi)發(fā)CNC系統的重要資源與途徑。
(2)  交流伺服化 交流伺服系統恒功率范圍已做到1:4，速度范圍可達1:1000，基本與直流伺服相當。交流伺服體積小、價(jià)格低、可靠性高，應用更加廣泛。
(3)  高功能的數控系統向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展 為適應FMS、CIMS、無(wú)人化工廠(chǎng)的要求，發(fā)展與機器人、自動(dòng)化小車(chē)、自動(dòng)診斷跟蹤監視系統等的聯(lián)合，發(fā)展控制與管理集成系統，已成為國際上數控系統的發(fā)展方向。
(4)  方便使用 改善人機接口，簡(jiǎn)化編程、操作面板使用符號鍵，盡量采用對話(huà)方式等，以方便用戶(hù)使用。
(5)  柔性化和系統化 目前數控系統均采用模塊結構，其功能覆蓋面大，從三軸兩聯(lián)動(dòng)的機床到多達24軸以上的柔性加工單元。自80年代以來(lái)，以數控機床為主的各類(lèi)柔性生產(chǎn)系統應運而生。按其規格、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、柔性流水線(xiàn)、獨立制造島、計算機集成制造系統和智能制造系統等。
(6)  小型化 由于半導體電路高度集成化、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速、快速移動(dòng)速度和快速換刀。為實(shí)現高速加工，主軸必須高速化，AC主軸馬達最高速為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（可編程機床控制器）的處理器，隨著(zhù)處理內容復雜化，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，高分辨率旋轉編碼器必不可少。為在超精密加工領(lǐng)域能實(shí)現0.001微米的精度，必須開(kāi)發(fā)超高分辨率的編碼，以0.0001微米為最小設定單位的NC裝置。為在加工中保證即使負荷變動(dòng)伺服系統的特性也保持不變，還需采用控制或魯棒控制。在伺服系統的控制中，用高速微處理器，采用基于現代控制論前饋控制、二自由度控制、學(xué)習控制等。其數字控制系統的跟蹤誤差不超過(guò)2微米。
(10)  機械智能化 在NC領(lǐng)域內是一種新技術(shù)，所謂機械智能化功能，是指機械自身可補償因溫度、機械負荷等引起的機械變形的功能。這就需要檢測主軸負荷、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(shí)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(yíng)I專(zhuān)家系統的故障診斷已存在，現在主要是建立用于診斷故障的數據庫。把NC裝置通過(guò)Intranet和Internet與中央計算機相連接，使其具有遠距離診斷的功能。進(jìn)一步的發(fā)展是予維修系統，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，它需要通過(guò)智能傳感器、高速PMC及大型數據庫來(lái)實(shí)現。
(12)  復合化成為機床發(fā)展主流 所謂復合加工(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的一種加工能力。它具有工件一次安裝后進(jìn)行車(chē)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