全球工控视发展趋势大扫描.doc

　
全球工控视发展趋势大扫描
段 明 祥

2000年世界上工控机市场估计为300~400亿美元，其中DCS60亿美元，嵌入式系统60~70亿美元， FCS20~30亿美元，IPC70~80亿美元，PLC70~80亿美元，数控70~80亿美元。并且每年以10％~15％的速度增长。
1．DCS(集散控制系统)的发展趋势虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，并将最终取代传统的DCS，但Fcs发展有很多工作要做，如统一标准，仪表智能化等。另外传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程。
当前工控机仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如：冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散型控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，促使大型分散型控制系统销售增加。 DCSl997年销售为45亿美元。在工控机中DCS是受计算机技术影响最大、反应最快的一种。 DCS主要发展趋势为：
(1)向综合方向发展。由于标准化数据通信线路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业比、 NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。
(2)向智能化方向发展。由于数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制远距离诊断和自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。和FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备，如智能I／O智能PID控制、智能传感器、变送器、执行器、智能人接口及可编程调节器相继出现。
(3)工业 PC化。由于巩组成此S成为一大趋势， PC作为DCS的操作站或节点机已经很普遍．PC—PLC、PC—S，19、 Pc—Nc等就是Pc—Dcs先驱。
(4)专业化。 DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解这个专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电站此S，变电钻DGS、玻璃DCS及水泥DCS等。
2．数控装置的发展趋势
80年代以来，为适应FMC、FMS、CAM、CIMS的发展需要，数控装置采用大规模、超大规模集成电路，提高了柔性，功能和效率。
(1) PC化。由于大规模集成电路制造技术的高度发展， PC硬件结构做得更小， CPU的运行速度越来越高，存储容量很大。 PC机大批量生产，成本大大降低，可靠性不断提高。 PC机的开放性， Windows的应用，更多的技术人员的应用和软件开发，使PC机的软件极为丰富。 PC机功能已经很强，CAD／CAM的软件已大量由小型机，工
作站向PC机移植，三维图形显示工艺数据已经在PC机上建立。因此， PC机已成为开发CNC系统的重要资源与途径。
(2)交流伺服化。交流伺服系统恒功率范围已做到1：4，速度范围可达到1：1000，基本与直流伺服相当。交流伺服体积小，价格低，可靠性高，应用越来越广泛。
(3)高功能的数控系统向综合自动化方向发展。为适应FMS、 CIMS、无人工厂的要求，发展与机器人、自动化小车、自动诊断跟踪监视系统等的相互联合，发展控制与管理集成系统，已成为国际上数控系统的方向。
(4)方便使用。改善人机接口，简化编程、操作面板使用符号键，尽量采用对话方式等，以方便用户使用。
(5)柔性化和系统化。目前数控系统均采用模块结构，其功能覆盖面大，从三轴两联动的机床到多达24轴以上的柔性加工单元
(6)小型化。由于半导体电路高度集成化、封装三维化和电路板插三维化，使NC装置进一步小型化。在NC装置的操作单元用TFT(薄膜晶体管)彩色液品显示器、触模屏取代CRT，厚度仅为CRT的1／4等。
(7)高速化。为实现高速加工，主轴必须高速化，从主轴电动机最高速为18000Or／min。最高进给速度120m/min以上。
(8)高效化。实现高效加工，缩短非切削时间和加工周期的关键是提高PMC(可编程机床控制器)的处理器，随着处理内容复杂化， PMC的编程语言成了问题，虽然C语言和PASCAL从已经实用化，但为置换梯形图语言，还需要使用帧控流程图(Src)那样的视图用语言。
(9)高精度。提高加工精度，高分1辨率旋转编码器必不可少。为在超精密加工领域能实现0.O01um的精度，必须开发超高分辨率的编码器， O．0001um最小设定单位的NC装置。为在加工中即使负荷变动伺服系统的特性也保持不变，还需采用控制和鲁棒(Robust)控制。在伺服系统的控制中，用高速微处理器，采用基于现代控制论前馈控制、二自由度控制、学习控制等。其数字控制系统的跟踪误差不超过2um。
(10)机械智能化。它在NC领域内是一种新技术，所谓机械智能化功能，是指机械自身可补偿温度、机械负荷等引起的机械变形的功能。这就需要检测主轴负荷、主轴及机座变形的传感器和处理传感器输出信号的电路。
(11)诊断维修智能化。故障的诊断与维修是NC的重要技术。基于AI专家系统的故障诊断已存在，现在主要是建立用于诊断故障的数据库。把NC装置通过internet和Internet与中央计算机相连接，使其具有远距离诊断的功能。
进一步的发展是预维修系统，即在故障将要发生前把将要发生故障的部件更换下来的系统，它需要通过智能传感器、高速PMC及大型数据库来实现。
3．PLC的发展趋势
目前，全世界约有PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。全球PLC发运件数1998年为1456万件，1999年为1620万件，2000年达到1778万件。在1995年发运的PLC中，按最终用户分：汽车占23％；粮食加工占16．4％：化药占14．6％；金属、矿山占11．5％；纸浆、造纸占11．3％；其他占23．2％。
由于CIMS、工程自动化和过程控制等大系统和复杂的应用要求，PLC人主要发展趋势为：
(1)发展方向为高功能、高速度和大容量，形成与DCS相抗争的大系统。
(2)网络化和强化通信能力是PLC重要发展方向。网络动态化已经很成功，并注意到现场总线的发展。
(3)编程语言多样化：
1)SFC因有不少优点而成为编程语言的一个重要发展方向
2)大型PLC正越来越多地使用C、BASIC等高级语言编程。
3)采用多种语言联合编程。
(4)PLC和其他工控机联合，PLC和其他控制系统之间界限越来越模糊，在应用方向也出现了类似的情况。最流行的向PC技术融合，PLC日益加速渗入到DCS中，PLC CNC的领地。PLC自身控制也分散化。相对PC为基础的控制器，优势在小型PLC上。
4．IPC(工业PC)的发展趋势
因此机软硬件资源丰富、产量大、价格低且质量高，所以为广大技术人员所熟悉和认可。家用电脑逐步普及，目前， PC机占通用计算机95％以上。这是工业PC热的基础。搞工控的专家和技术人员自然想赋予PC总线更高的使命，拟让它在过程控制、制造自动化及楼宇自动化等方面扮演重要角色。作为与DCS、PLC成鼎足之势的IPC市场在扩大，尤其是在我国。 DC机箱中插入各种高性能的 CPU卡、BAM、ROMFLASH电子盘、各类外设卡及工业I／O卡，便构成了一个工业过程控制巩硬件系统。
(1)结构上，采用平板式显示器与触模屏，除适合卡板竖插的19机箱结构，还普遍推出前后插的机箱结构；适用于中小系统的一体化结构(整个系统都在一个机箱内)。
(2)应用上，和通用PC机一样，应用领域越来越广泛，除传统的过程控制、制造自动化外，还向楼宇自动化、公路收费等控制、管理方面扩展应用。
(3)嵌入式PC和嵌人式计算机，嵌入到设备内部，提供用户接口，管理数据输入、输出和指导设备工作的计算机。目前，中国在嵌入式设计中使用最多的还是80386和80486，这种CPU性能价格比高，有InTrl、 IBM、 Cyixs、AMDT TI等著名CPU制造商支持。丰富的软件(包括操作系统、开发工具和应用软件)支持。铁人式PC能在恶劣环境下(加高温、潮湿和震动等)长期可靠工作。嵌入式PC平均无故障时间(MBTF)为1000~150000h，而台式机仅为10000~15000h。硬件、软件和工业PC差不多。
5．传感器的发展趋势
传感、通信、计算机技术构成现代信息的三大基础，80年代是个人计算机，90年代是计算机网络，预计21世纪第一个10年热点很可能是传感、执行与检测。传感器的作用主要是获取信息、是信息技术的源头。在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加。需要获取的信息量越来越多，不仅对传感器的精度、可靠性和响
应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式以便和系统联接。显然传统的传感器因其功能差，体积大很难满足要求。发展高性能的、以硅材料为主的各种先进传感器已成为必然。如谐振式、电容式、光电式和场效应化学传感器等。尽管它们的敏感机理不同，但其总的共同特点是向微型化、智能化方向发展。近年来，微电子、微机械、新材料、新工艺的发展与计算机、通信技术的结合创造出新一代的传感器与检测系统。
传感器的发展方向：
(1)微传感器
微传感器的特征之一是体积小，其敏感元件的尺寸一般为微米级。是由微机械加工技术制作而成的，包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。利用其中的各向异性腐蚀、牺牲层技术LIGA工艺，可以制造出层与层间有很大差别的三维微结构。包括可活动的膜片、悬臂梁、桥以及凹槽、孔隙、锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合，已成功地用于制造各种微传感器乃至多功能的敏感元件阵列(如光电探测器等)，实现了诸如压力、力、加速度、角速率、应力、应变、温度、流量、成像、磁场、湿度、 PH值、气体成分、离子和分子浓度以及生物传感器等。
(2)智能化传感器
所谓智能化传感器是指以专用微处理器控制的具有双向通信功能的先进传感器系统，微处理器能按照给定的程序对传感器实施软件控制，把传感器从单功能变成多功能。包括自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等功能。
(3)传感器的发展动向
1)提高微传感器的性能。改善和提高微传感器的性能是今后的主要努力方向之一。
2)微传感器的集成。硅微传感器和微电子系统以及微执行器很可能全部制造在一个芯片上形成单片集成，构成一个闭环系统。

3)阵列化。利用同类传感器阵列，可使原本用单一传感器测量的不可靠的功能装置成为可靠的功能装置。不同类型的微传感器组成阵列，可获得一个功能优良的控制单元，如在发动机中，可把气体压力、温度和湿度传感器制成一个阵列单元，用以控制并得到理想的空气流和空气／燃油比，以实现最佳的燃烧过程。
4)分布式单元和智能结构具有预期的、自我监测功能的构件称为智能结构(或材料)。
如把MEMS(微机械电子系统)；阵列单元(微传感器，微执行器+专业集成电路)嵌人飞机机冀中，便可连续地对机翼振动、应力和结构完好性等多种状态实施监测和处理。

《电气车间》2000年第5期