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仪表的概念和特征

一 工业自动化仪表及其发展历程

工业自动化仪表的主要功能是对物理世界的温度、压力、流量、物位、成分量等参数进行检测、显示与控制。20世纪70年代前期,生产过程自动化所用的大多是模拟式的控制仪表和装置,其代表产品为DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表。随着生产规模的扩大、生产水平的提高,以及生产过程工艺参数间相互关联性的增加,要求控制仪表与装置具有多样的、复杂的控制功能,具有更高的控制精确度和可靠性。70年代中期,随着多种微处理器及微型计算机的问世,以微处理器为核心的数字调节器及可编程序逻辑控制器(PLC)达到了实用阶段,如山武公司的Digitronic Line系列、STD系列,横河公司的YS80、YS100等。随着4C(Computer、Control、Communication、CRT)技术的进一步发展,产生了主要用于连续工艺过程的分散型控制系统(DCS),代表产品如美国Honeywell公司推出的TDC-2000。DCS的控制分散,功能丰富,除可以实现常规PID控制外,还可以实现多种复杂的控制及优化控制等。PLC是这一时期与DCS几乎同步发展的另一大产品,它在逻辑运算功能的基础上增加了数值计算和过程控制功能,可构成以PLC为基础的初级分散型控制系统,在冶金等行业得到广泛应用。美国GE公司、德国Siemens公司、日本OMRON公司等都推出了自己的产品。80年代中期,PLC已开始拓展其应用领域,主要用于要求电气控制与过程控制密切结合的场合(如钢铁工业中的炼铁、炼钢、连铸、连轧等)及批量过程控制中。工业生产技术的发展使得生产过程不仅包括了连续过程,而且也包括了断续过程和批量过程,应用的需求推动了PLC和DCS间的相互融合,DCS增加了批量控制功能,而PLC也增加了回路控制功能,如Siemens公司的PCS7、日本山武公司的S9000就是典型的代表。80年代中后期以来,在对引进技术消化吸收的基础上,国内推出了国产数字调节控制仪表,仪表行业组织开发了数字模拟混合型的DDZ-S系列仪表。在这期间,工业PC、数控、MRPⅡ、CAD的推广应用也取得了较大进展。

二 电子信息技术成为当代自动化仪表技术升级的最主要的动力

1. 微电子及计算机技术在仪器仪表中得到广泛的应用

在仪器仪表的设计中,各种专用VLSI芯片的设计及应用正在逐步取代PCB板设计。深亚微米IC工艺的突破使得一个系统级芯片就能够代替过去由成百上千集成电路子系统构成的整机,目前每平方厘米的器件集成度个数已从5年前的4M发展到18M,半导体工艺已从0.35μm达到0.15μm,芯片时钟频率由600MHz提高到了1500MHz,除了百万门FPGA之外,又出现了具备嵌入式可编程逻辑(GPGA)的专用集成电路(ASIC)和ASSP器件,它们都可以构成具备现场可编程特性的系统级芯片。而将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的嵌入式专用计算机系统已成为仪表智能化开发的新趋势。

ASIC技术的进步,使得单元功能电路得以用ASIC的方式出现,门阵列(Gate Arrays)、基于标准单元的ASIC得到迅速应用。现在已经可以将ADC、DAC、比较器、运放等模拟电路、微处理器、DSP等功能部件,以及像闪速存储器、SRAM这样的大规模存储器,集成在同一芯片中,ASIC芯片尺寸可达810mm2。在横河川仪公司推出的DX无纸记录仪中就采用了横河公司最新的耐高压固态继电器(1500V)、低漏电流(3mA)的MOSFET器件,使整机性能优良。

DSP技术的应用已开始形成DSPS (DSP的解决方案),它是以DSP为核心,配合混合信号电路、ASIC电路、FPGA仿真开发软件、Flash编程软件包、应用函数库等先进的技术和开发工具,集成为一套完整的方案,从而推动着仪器仪表智能化的进程。

2. 网络通信技术迅速渗透到自动控制仪表和系统中

90年代中期,国际上兴起的现场总线技术则集中反映了计算机网络通信技术与自动化仪表和系统的融合趋势。现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、多节点、双向的通信技术,是计算机、网络通信、自动控制技术相结合的产物。它具有以下特点:

(1)使用数字信号取代4~20mA模拟信号;

(2)使现场的管理与控制实现统一;

(3)使一些基本过程控制得以在现场完成;

(4)实现了控制系统的全分散、全开放、互操作、互换性;

(5)节省投资,提高了控制性能。

由于现场总线技术的出现对工业控制系统的体系结构、功能界定等方面将带来巨大的变革以及潜在的市场利益,现场总线技术已经成为国际工业自动化界竞争的焦点。2000年1月4日,IEC投票通过IEC 61158标准,其中定义了国际上推出的8大类总线:IEC 61158技术规范、ControlNet、Profibus、P-Net、FF HSE(High Speed Ethernet)、Swift-Net、WorldFIP、Interbus。

基金会现场总线被认为是在流程工业控制中最具应用潜力的现场总线技术。2000年,现场总线基金会(FF)发布了采用高速100Mb/s以太网取代原H2的1Mb/s和2.5Mb/s的方案。由于现场总线技术的出现,自动控制系统的功能结构将产生很大的变化,原来由DCS控制器所承担的控制、数据处理功能将大部分下放到智能化的现场仪表。现场总线技术也推动着传统DCS发展的重大变革,目前有以Siemens公司的PCS7和Emerson Process公司的DeltaV为现场总线控制系统(FCS)的代表产品。这些系统中都包含了多种现场总线,PCS7由工业Ethernet、Profibus-DP和PA、DeviceNet、AS-interface等组成,DeltaV则由Ether-net、FF的H1以及HART组成。FCS在总体功能上已经包含了电气传动、仪表和计算机控制,即实现了EIC一体化的系统结构,这种结构是目前解决钢铁行业自动化控制的最佳方案。传统的DCS结构与FCS结构的比较见附图。

“九五”期间,国家机械工业局也组织了以FF现场总线技术为主的科技攻关,重庆川仪总厂有限公司作为主要参与单位完成了一批具有国际水平的HART/FF智能现场仪表的研究工作,推出了HBYC/HBCC系列智能压力/差压变送器、HBW系列智能温度变送器、HZVD-2000系列单(双)作用的智能阀门定位器、ZH/ZS系列智能电动执行器、智能pH计、智能氧分析仪、FF电源及中继器等系列产品,目前已开始批量提供给用户。该公司自行开发的FCS也将于近期推出。智能现场仪表的研究成果实现了自动化仪表由模拟技术向数字化、智能化的技术升级,缩短了与国际自动化仪表技术的差距。

随着计算机、智能化、网络技术在仪表中的应用,嵌入式控制系统及以现场工艺流程控制为对象的过程控制软件迅速发展,实时操作系统如Windows CE、Linux、VRTX、Nuclelus等已经可以满足不同的多种应用的选择,而不像过去工业控制的操作系统大部分只有一个多任务的内核。DCS供应商则不仅可提供基本控制软件,如PID、比值、串级、前馈等控制软件,而且可以提供高级的过程控制软件模块,如预测控制、自适应控制、模糊控制、参数自整定控制、专家系统、神经元网络、鲁棒控制等。

国际上近年兴起一种近距离无线数字通信标准技术——蓝牙技术,这项技术定义了一种高速、低功耗、自配置的短程无线连接,目标是实现1Mb/s的高速数据传输,由于采用了FSK调制,抗干扰能力强,除了应用在计算机及其外设等电子设备中,同时在工业数据采集系统、机器人控制、无线RS-232数据通信、无线RS-485/422数据通信等领域也开始应用。随着蓝牙芯片在成本、通信范围、兼容性和安全性方面的改进,该项技术在工业控制领域也有广阔的应用前景。

80年代后期,国外提出了一种全新的仪器仪表概念——虚拟仪器。虚拟仪器为用户提供一个以计算机为中心的软件和硬件开发平台,用户可以利用这个平台,按照具体的测量任务、需要,利用各种标准的仪器插件、总线接口和用户已有的测量仪器,自行建立测量系统,确定、扩展和变更其功能,大大突破了传统仪器仪表在数据传送、处理、显示和存储等方面的限制。美国国家仪器公司(NI)提出:软件就是仪器。利用该公司的互动图形开发软件LabVIEW RT和RT系列实时数据采集板,可以对多个参数进行实时的检测,由于信号的传送和数据的处理都是靠数字信号或软件来完成,因此降低了环境干扰和系统误差的影响,虚拟仪器还可接入Intranet等网络,实现对现场总线生产的监控和管理。我国重庆大学在虚拟仪器研究方面也取得了较好的科研成果。

三 当代工业自动化仪表的工业“IT”特征

在90年代以前,IT(Information Technology)主要反映计算机及其相关的软件、硬件技术。1990~1995年,局域网开始被普遍采用,网络技术迅速普及,IT成为计算机与网络的组合体。随着互联网的不断成熟,通信技术与传统意义的IT技术出现融合;互联网把计算机与通信这两块原先相互独立的领域粘合在一起,不但使单机运行的计算机全面进入互联网时代,而且迅速推动计算机产业与通信产业的合二为一,使得传统IT的内涵不断得到延伸。

伴随着近年来微电子、计算机及网络通信技术的迅猛发展,传统的生产过程自动化控制正由对单一和局部对象的检测控制(即“自动化孤岛”),逐步发展为调节控制、生产管理、经营决策级组成的信息综合系统,实现全厂综合自动化(TPA)。据专家预测,在这种自动化控制综合信息系统中,传统的控制信息将由原来的85%下降到40%,而经营管理信息将上升到60%。正是预测到当代电子信息技术对传统自动化仪器仪表产业所产生的深远影响,1995年初,王大珩等中国科学院和中国工程院的20位院士曾联名向国务院提出了“关于振兴中国仪器仪表工业的建议”,他们在建议中指出:仪器仪表工业是信息工业的源头。国际自动化控制技术的发展不仅充分验证了科学家们的论断,而且传统的仪器仪表产业与当代电子信息技术的高度融合,控制网络与信息管理网络的一体化趋势,使得自动化仪表和系统已具有当代工业“IT”的技术和产业特征:

(1)基于现代计算机、网络、通信和现代控制技术而形成的一种新型工业自动化网络系统技术,在进一步完善信息采集功能的基础上,强化了信息的加工处理,尤其是控制信息的传输技术更加开放并得到飞速发展。

(2)以流程工业和制造业的自动化为服务对象,适应现代化工业生产工艺控制的需要,并满足工业控制现场的要求,如电磁兼容性、抗干扰、防潮、防腐、实时响应(0.1~2s)、高可靠性等。

(3)传统的自动化仪表走向数字化、智能化,符合国际现场总线标准,成为具有各种标准通信接口的自动化控制网络系统的底层网络控制设备。分布式控制网络将成为未来控制系统的主导技术。

(4)控制系统与信息系统实现平滑联接和多网合一,以太网技术在控制领域将得到更为广泛的推广,实时控制信息可以通过Intranet/Internet实现共享和在线检测、控制和管理。

(5)系统软件及各种应用软件开发、系统集成技术成为核心技术,取代系统硬件而成为高附加值的载体。通过软件功能,实现了模糊、神经元网络、专家系统等高级智能控制。

(6)专用IC芯片、工业PC、各种现场总线的通信卡、网桥、中继器、耦合器、远程I/O节点、功能模块成为控制系统中的重点产品,并与网络信息技术同步发展。

当代工业自动化仪表产业所具备的工业“IT”特征,客观地反映了电子信息技术与自动化控制技术高度的融合。仪器仪表技术发展的这种新趋势,使得传统的仪器仪表技术正发生着深刻的变革,在当前我国实施以信息技术带动工业化和加快高新技术改造传统产业的战略中,具备工业“IT”特征的工业自动化技术和仪器仪表产业将处于极其重要的地位并发挥不可替代的作用。

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