現(xiàn)代控制儀表系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、特點和發(fā)展趨勢論文

1、現(xiàn)代控制儀表系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、特點和發(fā)展趨勢論文摘要：隨著人類科學(xué)技術(shù)的進步，控制理論及儀表技術(shù)不斷發(fā)展和完善，4C技術(shù)的發(fā)展?？刂苾x表系統(tǒng)的發(fā)展由模擬控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。控制儀表與裝置涉及的面十分廣泛，但它們的發(fā)展都圍繞著實現(xiàn)工廠整體自動化（FA）這個總目標，實現(xiàn)工廠整體的自動化、綜合化、最佳化。關(guān)鍵詞： 控制儀表 發(fā)展 概況 特點 趨勢過程控制是滿足過程工業(yè)自動化需求的一門科學(xué)技術(shù)，它滲透在石油、化工、電力、冶金、食品、飲料等幾乎任何工業(yè)領(lǐng)域里?？刂苾x表和裝置是自動控制系統(tǒng)的重要設(shè)備(硬件)，在自動控制系統(tǒng)中，由檢測儀表將生產(chǎn)工藝參數(shù)變?yōu)殡娦盘柣驓鈮盒盘柡?，不僅要由顯示儀表顯示

2、或記錄，讓人們了解生產(chǎn)過程的情況，還需將信號傳送給控制儀表和裝置，對生產(chǎn)過程進行自動控制，使工藝參數(shù)符合預(yù)期要求，因此他們是實際生產(chǎn)過程自動化的重要工具。一、發(fā)展概況隨著人類科學(xué)技術(shù)的進步，控制理論及儀表技術(shù)不斷發(fā)展和完善。在一個多世紀中，伴隨著4C技術(shù)，即計算機（Cmputer）、控制器 （Cntrller）、通信（Cmmunicatin）和顯示器（CRT）技術(shù)的發(fā)展，過程控制儀表經(jīng)歷了自力式、基地式、單元組合式、集散式及 現(xiàn)場總線式幾個發(fā)展階段。如果從信號及傳輸形式劃分，我們將其發(fā)展劃分為模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?？甲C控制理論的發(fā)展歷史，IEEE Cintrl System

3、s Magazine主編Antsaklis教授認為，控制理論的每一步發(fā)展都要滿足處理不斷復(fù)雜的對象的需要、完成不斷復(fù)雜的設(shè)計的需要、對過程與環(huán)境高度不確定情況下進行控制的需要，因此受到控制儀表、不斷變化的對象以及其它科學(xué)技術(shù)的不斷推動。20世紀末，全球市場逐漸形成，企業(yè)競爭空前加劇，工業(yè)生產(chǎn)必須按市場需求加快新產(chǎn)品的開發(fā)，降低成本，完善服務(wù)。這就需要把市嘗生產(chǎn)計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計算機、自動化、通信等技術(shù)實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)加工和管理決策。要實現(xiàn)綜合自動化，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，就必須要在工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)設(shè)備間的多點數(shù)字通信，構(gòu)成

4、工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界之間的信息交換。同時，隨著計算機、通信，尤其是ASIC芯片技術(shù)的快速發(fā)展，使得在傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備上加裝智能接口成為現(xiàn)實，促使帶有微處理器芯片儀表（智能化儀表）的產(chǎn)生，智能化儀表實現(xiàn)了傳輸信號數(shù)字化，為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 。在市場需求和技術(shù)推動下，現(xiàn)場總線最終在20世紀80年代開始出現(xiàn)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)嘗在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。實質(zhì)上就是把微處理器置入傳統(tǒng)儀表，使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信能力，通過現(xiàn)場總線連接成網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列

5、。國際電工委員會（IEC）歷時12年于2000年1月4日公布通過了IEC6115現(xiàn)場總線標準?？刂苾x表和裝置的發(fā)展由模擬式控制儀表數(shù)字模擬混合式系統(tǒng)全數(shù)字控制儀表。二、分類按控制儀表與裝置所用能源的不同，可以將其分為電動、氣動、液動和混合式等幾大類。其中，氣動和液動控制儀表和裝置發(fā)展最早，但電動控制儀表與裝置發(fā)展異常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)占絕對統(tǒng)治地位。氣動控制儀表的特點是：性能穩(wěn)定，可靠性高，具有本質(zhì)安全防爆性能，不受電磁場干擾、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便。在電子技術(shù)和計算機技術(shù)高度發(fā)展的今天，氣動控制儀表所占領(lǐng)地雖然已十分狹小，但在一些大型裝置的主體設(shè)備周圍，仍有采用基地式氣動控制儀表對單一的工藝參數(shù)進行

6、就地單回路調(diào)節(jié)。尤其是氣動執(zhí)行器，具有安全、可靠及工作平衡等優(yōu)點。應(yīng)用仍十分廣闊，在許多由電動控制儀表和裝置構(gòu)成的系統(tǒng)中，執(zhí)行器仍彩氣動式的。因此，我國及世界上一些大型自動控制儀表裝置生產(chǎn)公司仍在生產(chǎn)氣動控制儀表。隨著生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展，遠距離集中控制控制日益增多，控制系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度不斷增加，氣動和液動控制儀表在許多場合已不能滿足要求，而電動控儀表與裝置則得到起來越廣泛的應(yīng)用和飛速的發(fā)展。尤其是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，過去被認為影響電動控制儀表發(fā)展的一些技術(shù)問題已經(jīng)得到解決，品種規(guī)格更趨完善，質(zhì)量不斷提高。如過去認為影響電動控制儀表廣泛使用的防爆問題，現(xiàn)在彩防爆結(jié)構(gòu)、直流低電壓、小電流的本

7、質(zhì)安全型防爆電路及防爆柵等措施，得到了很好地解決。電動控制儀表與裝置也因此能應(yīng)用到石油、化工等工業(yè)部門的自動化系統(tǒng)中。電動控制儀表與裝置都采用了電子技術(shù)，從原理上分，電子控制儀表與裝置又可分為兩大類：模擬式控制儀表與裝置和數(shù)字式控制儀表與裝置。模擬式控制儀表與裝置按結(jié)構(gòu)形式可分為基地式、單元組合式、組件組裝式三大類。1） 基地式控制儀表一般結(jié)構(gòu)比較簡單，價格低廉，它不僅能夠進行控制，同時還可指示、記錄。因此適用于小型企業(yè)的單機自動控制系統(tǒng)。2） 單元組合式控制儀表應(yīng)用靈活、通用性強，便于控制儀表的生產(chǎn)、維護及備品庫存等。3） 組件組裝式控制儀表可由儀表制造廠預(yù)先根據(jù)用戶要求，組裝好整套自控系統(tǒng)

8、，再以成套裝置形式提供給用戶，從而可使自控系統(tǒng)的現(xiàn)場施工、系統(tǒng)安裝和調(diào)試工作量大大減小，也使維護、檢修和系統(tǒng)改組工作大大簡化。三、特點數(shù)字模擬混合式系統(tǒng)：現(xiàn)場儀表與控制室裝置之間通信采用模擬信號420mA，數(shù)字控制儀表內(nèi)部的信號處理為數(shù)字信號，但輸入仍為420mA，控制裝置之間和控制裝置與上位計算機之間采用數(shù)字通信技術(shù)。例如目前數(shù)字控制儀表，DCS系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)，F(xiàn)CS系統(tǒng)等。三大控制系統(tǒng)之間的差異： 目前，新型的DCS與新型的PLC，都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò)，DCS與PLC的適用范圍，已有很

9、大的交叉。下面就僅以DCS與FCS進行比較。DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計就決定了總體的靈活性和安全性。目前在DCS系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò)采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。數(shù)字通信和模擬信號通信方式比較：簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了裝置精度；提高了信號傳輸精度；傳輸?shù)男畔⒏迂S富；大大降低了布線的復(fù)雜性和費用。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）：它是將智能現(xiàn)場儀表與控制室的裝置利用現(xiàn)場總線連接起來，構(gòu)成一種全數(shù)字全分散全開放的新一代

10、控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的DCS和FCS的區(qū)別：傳統(tǒng)的DCS和FCS原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。四、發(fā)展趨勢控制儀表與裝置涉及的面十分廣泛，如DCS、PLC、新型控制儀表、變送器及執(zhí)行器等都有自己的發(fā)展軌跡，但它們的發(fā)展都圍繞著實現(xiàn)工廠整體自動化（FA）這個總目標，即將自動控制裝置用于生產(chǎn)流程的整個操作過程，從開機到停機的全程控制及將控制、生產(chǎn)計劃安排和工廠全面管理有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)工廠整體的自動化、綜合化、最佳化。測量單元微小型化、智能化測量控制與儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計算機及專家系統(tǒng)等信息技術(shù)產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現(xiàn)的“芯片式儀器儀表”，“芯片實驗室”、

11、“芯片系統(tǒng)”等看，測量單元的微小型化和智能化將是長期發(fā)展趨勢。從應(yīng)用技術(shù)看，微小型化和智能化測量單元的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)得到重視。 測控范圍向立體化、全球化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。隨著儀器儀表所測控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球的發(fā)展，儀器儀表和測控裝置已不再呈單個裝置形式，它必然向測控裝置系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。例如一個大型水電站的測控系統(tǒng)，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數(shù)千個，此外各個發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點（ I/ 測控點）將超過萬點，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個測控點的測控裝置形成一個有機的測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。又例如衛(wèi)星測控系統(tǒng)，運載火箭上配

12、置的各種傳感器就達到數(shù)千，而衛(wèi)星上各種測控裝置構(gòu)成一個完整的自動測控系統(tǒng)，然后和多個地面站的測控系統(tǒng)構(gòu)成一個廣域測控系統(tǒng)。 控制儀表與裝置的發(fā)展趨勢有：逐步實現(xiàn)全數(shù)字式、開放式的DCS系統(tǒng)：由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，推動著DCS體系結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革。數(shù)字通信將一直延伸到現(xiàn)場，傳統(tǒng)的420mA直流模擬信號制將逐步被雙向數(shù)字通信的現(xiàn)場總線所取代。發(fā)展智能變送器和智能執(zhí)行器、擴展量程、改善精度、提高可用性和可靠性，使現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)換代為全數(shù)字、全分散、全開放的新一代控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）。1） 發(fā)展小型DCS系統(tǒng)，擴展應(yīng)用覆蓋面：許多主流的DCS系統(tǒng)功能強、質(zhì)量好、可靠性高，而價格則相

13、當昂貴，中小型企業(yè)無力選用。對于這種情況，近年來一些DCS生產(chǎn)企業(yè)相繼推出了小型DCS系統(tǒng)。由于中小型企業(yè)所占比例很大，因而提高小型DCS系統(tǒng)的性能和功能、降低價格必將比較大地拓展DCS系統(tǒng)的應(yīng)用覆蓋面，提高整個工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平和經(jīng)濟效益。2） 開發(fā)先進的過程控制軟件：以往DCS生產(chǎn)企業(yè)大多數(shù)只提供基本控制軟件，即PID、比值、串級、前饋等控制軟件，更高層次的先進控制軟件須由用戶自行開發(fā)。隨著先進控制算法因廣泛的應(yīng)用和經(jīng)驗的積累而日趨成熟，一些DCS生產(chǎn)企業(yè)近年來也陸續(xù)推出一些先進的過程控制模塊，如預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、參數(shù)自整定控制及智能控制等軟件模塊，使一些復(fù)雜的生產(chǎn)過程自動控制難題得以解決。今后還會有更多的先進控制（如多變量預(yù)測控制、魯棒控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）引入到數(shù)字調(diào)節(jié)器、工業(yè)控制機及DCS系統(tǒng)中，以滿足各工業(yè)部門的需求，并將帶來巨大的經(jīng)濟效益。3） 人工智能、專家系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用將逐步深入：近年來，人工智能、專家系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)自動控制中的應(yīng)用已引起人們普遍的關(guān)注，現(xiàn)已開始用于管理、在線設(shè)備診斷、計劃調(diào)度、生產(chǎn)工況判斷、操作指導(dǎo)以及直接用于生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制。一方面這些應(yīng)用還需要完善和推廣，另一方面人工智能、專家系統(tǒng)還將向更高階段發(fā)展，將繼續(xù)把人的感知、分析、揄、判斷、決策及自學(xué)習(xí)等功能用于控制和管理，產(chǎn)生眾多的新一代專家系統(tǒng)。人-機接口界面不斷