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關(guān)鍵詞:工業(yè)控制自動(dòng)化 技術(shù)現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢
伴隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快和信息技術(shù)時(shí)代的來臨,我國逐漸走上了工業(yè)控制自動(dòng)化的發(fā)展道路。對(duì)于如何走好這條工業(yè)控制自動(dòng)化之路,如何提高工業(yè)控制自動(dòng)化水平成為了人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)控制自動(dòng)化發(fā)展趨勢的多元化也對(duì)我國的科學(xué)技術(shù)水平提出了更高的要求,需要多種技術(shù)聯(lián)合共同推進(jìn)工業(yè)控制自動(dòng)化的進(jìn)程。本文將通過對(duì)工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)的簡要概述,對(duì)工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢做出了詳細(xì)的介紹。
一、工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)概述
所謂工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù),就是一種綜合運(yùn)用了自動(dòng)控制理論,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),儀器儀表以及其他信息控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制的技術(shù)。它可以不斷提高工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)消耗,實(shí)現(xiàn)安全化、自動(dòng)化、規(guī)?;a(chǎn),從而達(dá)到增加企業(yè)競爭力,實(shí)現(xiàn)利益最大化的目的。它主要包括工業(yè)自動(dòng)化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分,是現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一 。企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)“五個(gè)正確”,即在正確的時(shí)間,將正確的信息以正確的方式傳給正確的人,以便做出正確的決策,就必須加大對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)方式的改造,大力發(fā)展工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)。
工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括可編程序控制器(PLC)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)、工業(yè)PC機(jī)以及其他數(shù)控系統(tǒng)和儀器儀表等,其中PLC是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱之一,具有很好的應(yīng)用前景,但國內(nèi)PLC產(chǎn)品仍以國外產(chǎn)品為主,并以Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產(chǎn)品為主。工業(yè)控制自動(dòng)化從下往上主要包含三個(gè)層次,依次是基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化,其核心是基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化。目前絕大多數(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)都被PLC和DCS所壟斷,其中一些過程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化部分多通過進(jìn)口的過程計(jì)算機(jī)或小型機(jī)組成。
二、以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)化將成為主流
基于傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng),其基礎(chǔ)自動(dòng)化部分基本被PLC和DCS所壟斷,后來形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢。但是PLC以其能適應(yīng)工廠環(huán)境、工作可靠、通用性與經(jīng)濟(jì)性兼顧、體積小、功能強(qiáng)、用途廣等特點(diǎn)占領(lǐng)市場比重最大。目前在中國PLC市場占有較大份額的公司有德國西門子公司、日本OMRON公司、莫迪康公司(施奈德)等等,目前美國GE公司、日本FANAC合資的GE-FANAC的90-70機(jī)是很引人注目的。據(jù)介紹。它具有25個(gè)特點(diǎn)。諸如,用軟設(shè)定代硬設(shè)定,結(jié)構(gòu)化編程,多種編程語言,等等。它有914、781/782、771/772、731/732等多種型號(hào)?,F(xiàn)將國際市場上PLC、DCS與IPC的銷售情況對(duì)比如表一所示。
20世紀(jì)90年代以來,一種以工業(yè)PC、I/O裝置、監(jiān)控裝置、控制網(wǎng)絡(luò)組成的PC-based自動(dòng)化系統(tǒng)的到迅速發(fā)展,成為了一種實(shí)現(xiàn)低成本工業(yè)控制自動(dòng)化的重要途徑?;赑C控制系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)基友更易于安裝和使用,有高級(jí)的診斷的強(qiáng)大功能,而且PC控制系統(tǒng)維護(hù)成本低,受到了中小型企業(yè)的青睞,因此它的迅速推廣也給PLC形成了巨大的的沖擊。PC-based具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和開放標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺(tái)和PCI接口,精美且低成本的顯示技術(shù)和組網(wǎng)能力 正在一步一步的占領(lǐng)更多的國內(nèi)國際市場,盡管高系統(tǒng)的可靠性略差,程序的循環(huán)周期比PLC較慢,但是工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)化勢必將成為主流。
三、PLC在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性方向發(fā)展
上個(gè)世紀(jì)80年代至90年代中期,是PLC發(fā)展最快的時(shí)期,年增長率一直保持為30~40%,PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、 交通等行業(yè),在工業(yè)自動(dòng)化中起著舉足輕重的作用。在我國西門子的s7-300/400具有完整和全面的產(chǎn)品系列、規(guī)范的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。使用方便的編程軟件、極高的可靠性,使它成為大中型PLC的老大。有市場調(diào)查報(bào)告稱S7-300、400在國內(nèi)中型PLC的市場占有率為80%。2012年P(guān)LC市場規(guī)模達(dá)到79億元人民幣(含DIO),同比去年下滑9.2%,由于受OEM行業(yè)低迷影響首次出現(xiàn)負(fù)增長。2013年,PLC的單品價(jià)格現(xiàn)在只有去年的1/4-1/3,隨著自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)熱潮不斷升溫,2013年預(yù)計(jì)市場規(guī)模將達(dá)到90億元。2009-2015年中國大陸PLC市場的增長趨勢如下圖所示。
當(dāng)前,在工業(yè)自動(dòng)化市場發(fā)展極為良好的情況下,PLC技術(shù)呈微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性方向發(fā)展。
微型化:原有的PLC具有體積大而且價(jià)格昂貴的缺點(diǎn),近年來PLC開始由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展,增加了配置的靈活性,降低了成本。很多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。三菱的FXOS14點(diǎn)(8個(gè)24VDC輸入,6個(gè)繼電器輸出),其尺寸僅為58mm×89mm,僅大于信用卡幾個(gè)毫米。
網(wǎng)絡(luò)化:Ethernet技術(shù)的擴(kuò)展是過程控制領(lǐng)域最大的發(fā)展趨勢之一,PLC也開始開始提供Ethernet接口,開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
PC化:隨著軟PLC(Soft PLC)控制組態(tài)軟件的進(jìn)一步完善和發(fā)展,PC-based以其低成本正在逐步提高其控制的市場份額。
開放性:現(xiàn)在開發(fā)以PC為基、在WINDOWS平臺(tái)下,符合IEC1131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC正在規(guī)劃中。
四、面向測控管一體化設(shè)計(jì)的DCS系統(tǒng)
DCS是分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)的簡稱,國內(nèi)習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)是一項(xiàng)綜合了計(jì)算機(jī)(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等,實(shí)現(xiàn)分散控制、集中操作、分級(jí)管理的自動(dòng)化控制技術(shù)。典型的DCS系統(tǒng)共有三個(gè)分級(jí),第一層過程控制級(jí)主要是通過PLC或I/O模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的基本控制;第二層控制管理級(jí)是通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)流程設(shè)備的上位機(jī)監(jiān)控;第三層生產(chǎn)管理層是通過計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和局域網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,從而達(dá)到隨時(shí)讀取現(xiàn)場信息目的,實(shí)現(xiàn)上層的生產(chǎn)管理。DCS和PLC的區(qū)別主要如下表二所示。
DCS系統(tǒng)在一些大型工業(yè)項(xiàng)目有非常廣泛的應(yīng)用,其中在發(fā)電、水泥、化工等領(lǐng)域中的作用明顯。當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化控制與節(jié)能理念的推動(dòng),DCS市場再次迎來一個(gè)較大的市場機(jī)遇。2012年DCS系統(tǒng)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁,市場營收超過2008年的峰值,但預(yù)估2013年銷售訂單會(huì)有所減少。DCS的主要發(fā)展趨勢:向綜合方向發(fā)展;向智能化發(fā)展;向工業(yè)PC化、專業(yè)化方向發(fā)展。將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步引入DCS,將其完全網(wǎng)絡(luò)化 ,是DCS系統(tǒng)的主要發(fā)展目標(biāo)之一。
DCS主要生產(chǎn)廠家集中在美、日、德等國。如美國HONEYWELL的TDC3000\MICROTDC3000,TDC3000X等;FOXBORO的I/AS;WAILEY的NETWORK90、INFI90;日本橫河的CENTUM、CS;YEWPACK的MARKII;德國SIEMENS的TELEPERM;ABB公司的MOD300、SIPAOS200等等。目前,我國的小型DCS系統(tǒng)已投入工業(yè)生產(chǎn),大中型系統(tǒng)已在國家大型石化、冶金、電力等行業(yè)的百多個(gè)工程中推廣應(yīng)用。
五、控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場總線(FCS)方向發(fā)展
隨著計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展,過程控制系統(tǒng)也逐漸由DCS發(fā)展到FCS(Field bus Control System)?,F(xiàn)場總線的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一新時(shí)代的開始。現(xiàn)場總線(FCS)系統(tǒng)是一種采用智能化現(xiàn)場控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的新型自動(dòng)化控制系統(tǒng)。大力發(fā)展FCS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表、設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化統(tǒng)一控制,控制更加全面、智能、高效、自動(dòng),符合控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢。FCS系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和將強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性,連接性,而且成本較低,組合安裝較為簡單方便,是一個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ淖詣?dòng)化控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)差異如下圖一所示。
現(xiàn)在的我國的FCS165現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了先進(jìn)的DCS系統(tǒng)的全部功能,是符合國際發(fā)展潮流的新一代控制系統(tǒng),它不僅填補(bǔ)了國內(nèi)的空白,而且技術(shù)更先進(jìn),運(yùn)行更加穩(wěn)定,質(zhì)量更加可靠,整體上已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。未來FCS系統(tǒng)應(yīng)該從改善系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,克服本安防爆對(duì)總線中節(jié)點(diǎn)數(shù)和電纜長度的限制,實(shí)現(xiàn)可互操作性和信息處理現(xiàn)場化這三個(gè)方面進(jìn)行研究和探討,努力將FCS系統(tǒng)發(fā)展到更高水平。
六、儀器儀表技術(shù)在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展
近年來,我國的儀器儀表技術(shù)發(fā)展迅猛,已經(jīng)有了很好地發(fā)展基礎(chǔ)和發(fā)展水平,這也為實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制自動(dòng)化提供了重要的保障。但是我國的儀器儀表技術(shù)較一些發(fā)達(dá)國家來說還是相對(duì)落后的,我國生產(chǎn)的儀器儀表多處于中低檔水平,與世界上先進(jìn)的儀器儀表技術(shù)還有很大的差距。目前國際上數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化的產(chǎn)品逐漸成為主流,而我國的高檔次的儀器儀表多依賴于進(jìn)口,一些關(guān)鍵性的儀器儀表生產(chǎn)技術(shù)也完全依賴于國外。
最近幾年,我國工業(yè)安全事故頻發(fā),作為在這些領(lǐng)域扮演重要角色的儀器儀表行業(yè)更是受到了前所未有的關(guān)注,不合格劣質(zhì)仿制品儀器嚴(yán)重制約了中國儀器儀表市場的發(fā)展。儀器儀表技術(shù)應(yīng)朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、測控設(shè)備的PC化的方向發(fā)展。有重點(diǎn)的支持部分重要行業(yè)儀器自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展。
七、工業(yè)控制軟件正向先進(jìn)控制方向發(fā)展
目前我國自動(dòng)化控制系統(tǒng)市場規(guī)模在2013年將會(huì)達(dá)到1311億元人民幣,整個(gè)中國自動(dòng)化控制系統(tǒng)市場的年復(fù)合增長率在12%左右,預(yù)計(jì)到2015年將增長到3875億元,市場前景十分可觀。在這種情況下工業(yè)控制軟件也得到了前所未有的發(fā)展和應(yīng)用。工業(yè)控制軟件是一種伴隨著PC技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的應(yīng)用軟件,它是工控軟件的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)控制軟件可先實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和人性化管理,控制軟件越先進(jìn)就會(huì)使自動(dòng)化控制程度越高。未來工業(yè)控制軟件的發(fā)展必然是向先進(jìn)控制方向發(fā)展,在先進(jìn)控制的基礎(chǔ)上將繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性方向發(fā)展。
八、結(jié)語
近年來,國際上FCS、DCS、PLC、IPC、NC以及各類嵌入式控制裝置正處在快速發(fā)展之中,而我國的發(fā)展速度更位居于世界前列。因此我們要對(duì)我國的工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展前景充滿信心,各方共同努力使我國在工業(yè)控制自動(dòng)化道路上越走越遠(yuǎn),越走越寬廣。盡管一些技術(shù)正在不斷交融,不斷創(chuàng)新,給工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展帶來了前所未有的挑戰(zhàn),但是工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)仍是呈著不斷發(fā)展的態(tài)勢,我們應(yīng)該積極努力,開拓創(chuàng)新,加快工業(yè)化、自動(dòng)化的步伐,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,不斷提高我國的工業(yè)生產(chǎn)力,促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的又好又快發(fā)展。
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