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供稿︰中國工控網 2015/12/21 10:35:23

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  • 關鍵詞︰ 現場總線 嵌入式技術
  • 摘要︰比較全面地介紹了工業控制技術的現狀和趨勢,描述了計算機技術對工業控制技術的影響及其實際應用情況。

關鍵詞︰現場總線;嵌入式技術;STD總線;ISA(美國儀表學會);總線PLC(可編程序邏輯控制器)

當今,計算機技術和信息技術正以驚人的速度向前發展。它對工業控制技術將產生怎樣的影響?工業控制技術的發展趨勢將會怎樣?筆者以一管之見,談幾點粗淺的看法。

一、現場總線將使工業過程控制發生革命性變化

現場總線(Fieldbus)是近年迅速發展起來的一種數據總線。它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行器等現場設備間的數字通信問題以及這些現場控制設備和高級控制系統間的信息傳遞問題。

目前,國際上流行的現場總線有:現場總線基金會的FF、德國的Profibus、美國Echelon公司的Lon works、德國Bosch公司的CANBUS和瑞士的Dupline等。其中,FF和Lon works最具代表性。這兩種現場總線都將會在我國產生不可估量的影響。

現場總線給工業過程控制及其整個自動化領域帶來的革命性變化,主要表現在要“革”傳統儀器儀表的“命”,同時向傳統DCS(分散控制系統)發出了挑戰。

對傳統儀器儀表進行“革命”,是指現場總線把通信線一直延伸到現場儀表,使得用于生產現場的設備和控制室自動化設備連接在同一條通信總線上進行數字通信,構成現場通信網絡。現場總線用全數字化、雙向傳輸、多變量的通信方式來變革常規模擬儀表,用一對通信線連接多台數字智能儀表來替代目前一對信號線只能連接一台模擬儀表的傳統模式。現場總線對傳統儀器儀表進行“革命”,好處顯而易見。

現場總線向傳統DCS的“挑戰”,就是要打破傳統DCS的三層結構模式,把DCS變革成FCS(現場控制系統)。


二、嵌入式技術和產品將對工業控制技術的發展起到巨大的推動作用

現場總線的出現無疑會使工業控制技術發生革命性的變革,但作為總線本身,它既不可能包羅萬象,也不可能代替人去解決許許多多的實際問題。因此,人們還需要去做大量的技術開發工作。筆者認為,在這些大量而艱巨的技術開發工作中,嵌入式技術和產品將起到重要的作用。

1、嵌入式技術將繼續推動機電一體化產品的智能化和傳統儀器儀表的更新換代

所謂嵌入式技術,就是把芯片、模板或模塊、小型控制系統等嵌入到產品內部且與產品融于一體的技術。嵌入式技術廣泛應用于機電一體化產品中,包括家電、機電設備、辦公自動化產品、數控機床、機器人等。

在儀器儀表行業中,為適應現場總線引起的革命性變革,其產品的更新換代任務十分艱巨。在產品開發中,離開嵌入式技術和芯片幾乎是不可能的。現場總線的制訂者和開發商們已經做了很多建設性的工作。例如,Lon works的發明者Echelon公司已經授權Motorola和Toshiba兩大公司開發並生產出Lon works核心元件neuron芯片。該芯片良好的嵌入性將使它在儀器儀表的改造和更新換代中起到重要的作用。作為“完全分散式智能”概念的開拓者Smar公司也開發出了基于1992年公布的IEC(國際電工委員會)1158標準的現場總線芯片。看來,不論是Echelon的芯片、Smar的芯片或其他廠商的類似芯片,都將依賴于嵌入式技術在儀器儀表的更新換代中扮演著重要的角色。

2、嵌入式工業控制機仍有強大生命力

嵌入式的工業控制機,有STD總線工業控制機、ISA總線工業PC(過程控制)機及PLC等。隨著傳統的儀器儀表和傳統的DCS將被數字式智能化儀器儀表和FCS所代替,人們自然會發出疑問,這種嵌入式工業控制機會不會過時或消失?筆者認為,它們既不會過時也不會消失,而且仍有強大的生命力。

(1)STD總線工業控制機

由美國Pro-Log公司發明的STD總線工業控制機,由于采用了組合化、模塊化、小型化、標準化的開放式體系結構,很適用于傳統產業的技術改造和工業過程控制。10余年來,STD總線技術和產品已推廣應用到除台灣和西藏以外的各省、市、自治區,覆蓋了冶金、石化、醫藥、食品、能源電力、輕紡、交通運輸、軍工國防、機械制造等行業。由于STD總線產品具有很高的性能價格比,采用了開放式的體系結構和與IBM PC完全兼容的設計,很適合我國國情,因而深受廣大用戶的青睞。然而,計算機技術在飛速發展,現場總線技術又越來越熱,人們自然會產生困惑,STD總線的生命期還有幾年?Pro-Log公司認為,STD總線工業控制機在美國至少還有5年的壽命期。拿我國和美國的國情做比較,不難看出,STD總線工業控制機在我國的生命期至少應為5至10年!

儀器儀表更新換代和FCS取代DCS是一個相當長的過程,在這個過渡期內,STD總線工業控制機仍然會發揮作用。即便是FCS完全取代了DCS,STD總線工業控制機可能在這樣的系統中降為監控機的地位,但仍有一些場合和區域因綜合成本因素的考慮要選用STD總線工業控制機。事實上,STD總線推廣10多年來的歷史表明,STD總線工業控制機從來就沒有成為過傳統DCS的一個組成部分。它的用戶群主要分布在中小企業低成本過程控制和包括大企業在內的形形色色的專用設備應用中。預計,在這些領域,STD總線工業控制機仍然會得到大量應用。

(2)ISA總線工業PC機

ISA總線工業PC機,因其與IBM PC和DOS/Windows兼容及采用了適應工業現場的結構設計,在工業控制領域得到了廣泛應用並獲得了突飛猛進的發展。它的內部采用了嵌入式的模板結構,可隨意插拔,便于維護、升級,使用靈活,為用戶提供了方便。ISA總線工業PC機既可以用于小型的集中式過程控制,也可用作控制系統的監控機或充當開放式體系結構的DCS的現場站。市場統計表明,ISA總線工業PC機直接用于工業過程控制所佔的份額並不大,它主要應用的“崗位”是控制系統的上位機,MIS系統的管理機或實驗室的桌面機。可以想象,FCS代替DCS,ISA總線工業PC機將從中受益。隨著Wintel技術和產品的不斷發展,ISA總線的工業PC機必將在工業控制系統中取代傳統的圖形工作站。但它不會代替STD總線工業控制機,因為ISA總線工業PC機和STD工業控制機是兩種類型的計算機。前者盡管也可以用于工業過程控制的某種場合,但它本質上是數據處理類的計算機而不是工業控制類的計算機。ISA總線工業PC機不能取代下位的STD總線工業控制機。

(3)PLC

可編程控制器(PLC),是本世紀60年代發展起來的一種新型自動化控制裝置。它吸取了微電子技術和計算機技術的最新成果,發展十分迅速。從單機自動化到整條生產線的自動化乃至整個工廠的生產自動化,PLC均擔承著重要的角色。

PLC也是一種嵌入式的工業控制機,它通常是將一些模塊嵌到一塊公共母板上構成整機,而整機也可嵌入到專用設備和系統中,使用非常靈活。由于PLC主要用于開關控制和順序控制,而且具有可靠性高、體積孝價格低、易維護、功能完善、編程方便等優點,使得它不會受到FCS的影響,PLC仍將繼續廣泛應用于工業領域。

目前全世界有200多家PLC的制造廠商,產品系列包括微型、小型、中型和大型幾百種。我國起步較晚,近幾年來雖已開發出多種小型PLC產品,但尚未形成規模生產能力和完整的系列產品,而且也只主要應用在機械加工行業和對機床、生產線的改造方面。隨著我國的進一步改革開放,國產PLC的研制和生產水平必將不斷提高,中、大型國產PLC也會問世,國產PLC的應用也將會同國際上那些大的廠商一樣前途無量。

3、嵌入式微處理器將引導工業控制計算機走出摩爾定律

在計算機界,人們都知道“摩爾定律”。即每隔一年半左右,集成電路上可容納的晶體管數目就會增加1倍,性能也提高1倍。計算機的發展歷程證明,時至今日IC的發展依然遵循著這條法則。

Wintel的成功帶動了PC機的迅猛發展,同時也帶動了工業控制機的快步前進。可以說,工業控制機一直在跟著Wintel跑。然而到現在,人們開始了冷靜的思考。工業控制計算機有必要一直按Wintel規定的PC機摩爾定律走下去嗎?盲目地跟隨是否被引入了摩爾定律認識上的“誤區”?

思考過後就會變得清醒。工業控制計算機本來就是與PC機不同的兩種類型的計算機。特別是在工業過程控制領域,對計算機的運行速度和處理能力要求並不很高,完全沒有必要開發奔騰P5、P6那樣的產品;相反,它對可靠性和環境適應性要求很高,而對機型則要求有較長時間的穩定性,以避免零備件停產所造成的任何困難和經濟損失。經過分析對比,人們自然會想到要選擇嵌入式微處理器芯片來代替通用性的微處理器芯片。康拓公司在開發專用程控機及STD總線升級產品時選用了嵌入式芯片386EX,可以說是明智的選擇。386EX是Intel公司為機電設備設計的專用嵌入式芯片,它不服從摩爾定律的規律,有10年以上的穩定供貨期。它不僅使自身擺脫了困境,走出了摩爾定律的認識誤區,也在業界具有普遍的借鑒意義。


三、過程控制、MIS、Internet相結合是企業綜合自動化發展的方向

目前,過程控制、MIS和Internet都在各自的領域以驚人的速度向前發展。它們三者互相結合,影響將更加巨大,不僅會帶動企業乃至行業的綜合自動化,同時也會推動整個社會的進步。

1、過程控制和MIS相結合使企業實現測控管一體化

(1)MIS需要與過程控制相結合

傳統的MIS,原辦公室自動化類型的管理信息系統,盡管有優良的人事管理、財務管理、質量管理、設備管理、經營管理等軟件的支持,但由于數據靠人工報表和人工輸入,既費工費時又不準確,很難發揮作用。因此MIS必須和工業過程控制相結合,否則MIS在企業中不會有太大的實際意義。

(2)過程控制的優化和調度需要MIS

工業過程控制,無論是FCS還是DCS或者DDC,盡管能按給定的目標參數值進行“準確控制”,但是否最優,是否合理,是否應該按此工藝一直生產下去?過程級的計算機則無法知道,而需要MIS給出參數。實踐證明不僅MIS需要與過程相結合,同時過程控制也需要與MIS相結合。

(3)MIS和過程控制兩者相結合會使企業實現測、控、管一體化

MIS和工業過程控制相結合,是需要,也是必然。兩者結合,不是1加1等于2的關系,而是會產生質的飛躍。這樣的結合,將把所有底層的測控都與上層的信息管理聯在一起。MIS、FCS或DCS的開放式體系結構以及互聯網絡的規範化,為實現這樣的測控管一體化系統奠定了堅實的基礎。

2、MIS和Internet互聯將使企業或行業能夠與國內外交流信息

Internet是目前國際上規模最大的計算機網絡,它信息量大、速度快、價格便宜,為企業將自己的MIS與Internet網互聯提供了良好的條件和契機。Internet不但拓展了企業與外部世界聯系的渠道,而且還滲透到企業內部,成為一種嶄新的企業內部網——Intranet。它改變了傳統的MIS系統所提供的靜態、封閉、復雜的文字數字環境,提供用戶一個不斷變化的、開放的、易于使用的雙向多媒體信息交流環境,從而使企業的管理信息系統發生革命性的變化。將Intranet融入傳統的MIS中,充分利用原有MIS系統的平台資源,降低了建設費用,可收到事半功倍的效果。據有關資料介紹,采用這樣的辦法,農業部只用了3個月就建起了自己的Intranet。預計,Internet/Intranet與MIS相結合將以不可阻擋之勢向前發展,有識之士應該迎接這個熱潮的到來。

3、過程控制、MIS、Internet三者相結合是企業綜合自動化發展的方向

顯然,過程控制,MIS、Internet三者相結合的時機已經到來,條件也已具備。三者相結合,MIS是核心,也是橋梁和紐帶。這種結合,將給企業注入新的活力,可以實現企業、企業集團乃至全行業的全面、綜合的自動化。企業可以和國內各界溝通,也能夠和國際接軌。

從過程控制直到Internet的互聯,已不再是紙上談兵,而是唾手可得的現實。例如,康拓公司為貴州鋁廠所做的系統就是從過程控制的底層,再一步步升到車間層、分廠層,最後又聯到總廠層。康拓公司所做的MIS選用了與Intranet兼容的Oracle產品,為建立總廠的Intranet網以及與Internet互聯準備了條件。預計要不了多久,這樣的三位一體的“大網”就可在貴州鋁廠建成並投入使用。

有人會問,這樣的三層次結構,居于底層的工業過程控制與居于上層的Internet是不是仍很遙遠?實際並不遙遠,當今的技術已發展到驚人的地步。據Echelon公司的權威人士稱,只要將Low works的協議與Java相結合,就可以坐在北京控制一台美國的鍋爐!這不是天方夜譚,事實的確會如此。

 


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