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關鍵詞:工業控制自動化 技術現狀 發展趨勢
伴隨著工業化進程的不斷加快和信息技術時代的來臨,我國逐漸走上了工業控制自動化的發展道路。對于如何走好這條工業控制自動化之路,如何提高工業控制自動化水平成為了人們廣泛關注的焦點。工業控制自動化發展趨勢的多元化也對我國的科學技術水平提出了更高的要求,需要多種技術聯合共同推進工業控制自動化的進程。本文將通過對工業控制自動化技術的簡要概述,對工業控制自動化技術的發展趨勢做出了詳細的介紹。
一、工業控制自動化技術概述
所謂工業控制自動化技術,就是一種綜合運用了自動控制理論,計算機控制技術,儀器儀表以及其他信息控制技術實現對工業生產的自動化控制的技術。它可以不斷提高工業生產的產量,提高生產效率,降低生產消耗,實現安全化、自動化、規模化生產,從而達到增加企業競爭力,實現利益最大化的目的。它主要包括工業自動化軟件、硬件和系統三大部分,是現代制造領域中最重要的技術之一 。企業要想實現“五個正確”,即在正確的時間,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,就必須加大對自動化生產方式的改造,大力發展工業控制自動化技術。
工業控制系統產品主要包括可編程序控制器(PLC)、分布式控制系統(DCS)、現場總線控制系統(FCS)、工業PC機以及其他數控系統和儀器儀表等,其中PLC是工業生產自動化的三大支柱之一,具有很好的應用前景,但國內PLC產品仍以國外產品為主,并以Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產品為主。工業控制自動化從下往上主要包含三個層次,依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化,其核心是基礎自動化和過程自動化。目前絕大多數的自動化控制系統都被PLC和DCS所壟斷,其中一些過程自動化和管理自動化部分多通過進口的過程計算機或小型機組成。
二、以工業PC為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流
基于傳統的自動化控制系統,其基礎自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷,后來形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢。但是PLC以其能適應工廠環境、工作可靠、通用性與經濟性兼顧、體積小、功能強、用途廣等特點占領市場比重最大。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機是很引人注目的。據介紹。它具有25個特點。諸如,用軟設定代硬設定,結構化編程,多種編程語言,等等。它有914、781/782、771/772、731/732等多種型號。現將國際市場上PLC、DCS與IPC的銷售情況對比如表一所示。
20世紀90年代以來,一種以工業PC、I/O裝置、監控裝置、控制網絡組成的PC-based自動化系統的到迅速發展,成為了一種實現低成本工業控制自動化的重要途徑。基于PC控制系統的自動化系統基友更易于安裝和使用,有高級的診斷的強大功能,而且PC控制系統維護成本低,受到了中小型企業的青睞,因此它的迅速推廣也給PLC形成了巨大的的沖擊。PC-based具有強大的運算能力和開放標準的系統平臺和PCI接口,精美且低成本的顯示技術和組網能力 正在一步一步的占領更多的國內國際市場,盡管高系統的可靠性略差,程序的循環周期比PLC較慢,但是工業PC為基礎的低成本工業控制自動化勢必將成為主流。
三、PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展
上個世紀80年代至90年代中期,是PLC發展最快的時期,年增長率一直保持為30~40%,PLC在國內外已廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、 交通等行業,在工業自動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品系列、規范的程序設計結構。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。有市場調查報告稱S7-300、400在國內中型PLC的市場占有率為80%。2012年PLC市場規模達到79億元人民幣(含DIO),同比去年下滑9.2%,由于受OEM行業低迷影響首次出現負增長。2013年,PLC的單品價格現在只有去年的1/4-1/3,隨著自動化產業熱潮不斷升溫,2013年預計市場規模將達到90億元。2009-2015年中國大陸PLC市場的增長趨勢如下圖所示。
當前,在工業自動化市場發展極為良好的情況下,PLC技術呈微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展。
微型化:原有的PLC具有體積大而且價格昂貴的缺點,近年來PLC開始由整體結構向小型模塊化結構發展,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(8個24VDC輸入,6個繼電器輸出),其尺寸僅為58mm×89mm,僅大于信用卡幾個毫米。
網絡化:Ethernet技術的擴展是過程控制領域最大的發展趨勢之一,PLC也開始開始提供Ethernet接口,開始向網絡化方向發展。
PC化:隨著軟PLC(Soft PLC)控制組態軟件的進一步完善和發展,PC-based以其低成本正在逐步提高其控制的市場份額。
開放性:現在開發以PC為基、在WINDOWS平臺下,符合IEC1131-3國際標準的新一代開放體系結構的PLC正在規劃中。
四、面向測控管一體化設計的DCS系統
DCS是分散控制系統(Distributed Control System)的簡稱,國內習慣稱為集散控制系統。DCS系統是一項綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等,實現分散控制、集中操作、分級管理的自動化控制技術。典型的DCS系統共有三個分級,第一層過程控制級主要是通過PLC或I/O模塊實現對現場設備的基本控制;第二層控制管理級是通過監控計算機實現對流程設備的上位機監控;第三層生產管理層是通過計算機、服務器和局域網等實現和監控計算機相連,從而達到隨時讀取現場信息目的,實現上層的生產管理。DCS和PLC的區別主要如下表二所示。
DCS系統在一些大型工業項目有非常廣泛的應用,其中在發電、水泥、化工等領域中的作用明顯。當前工業自動化控制與節能理念的推動,DCS市場再次迎來一個較大的市場機遇。2012年DCS系統發展勢頭強勁,市場營收超過2008年的峰值,但預估2013年銷售訂單會有所減少。DCS的主要發展趨勢:向綜合方向發展;向智能化發展;向工業PC化、專業化方向發展。將工業控制網絡進一步引入DCS,將其完全網絡化 ,是DCS系統的主要發展目標之一。
DCS主要生產廠家集中在美、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系統已投入工業生產,大中型系統已在國家大型石化、冶金、電力等行業的百多個工程中推廣應用。
五、控制系統正在向現場總線(FCS)方向發展
隨著計算機、通訊技術和控制技術的飛速發展,過程控制系統也逐漸由DCS發展到FCS(Field bus Control System)。現場總線的出現標志著工業控制技術領域又一新時代的開始。現場總線(FCS)系統是一種采用智能化現場控制設備實現開放式、數字化和網絡化結構的新型自動化控制系統。大力發展FCS系統可以實現現場儀表、設備實現智能化統一控制,控制更加全面、智能、高效、自動,符合控制系統的技術發展趨勢。FCS系統具有很強的抗干擾能力和將強的網絡適應性,連接性,而且成本較低,組合安裝較為簡單方便,是一個極具發展潛力的自動化控制系統。傳統控制系統結構與現場總線控制系統結構之間的結構差異如下圖一所示。
現在的我國的FCS165現場總線控制系統已經具備了先進的DCS系統的全部功能,是符合國際發展潮流的新一代控制系統,它不僅填補了國內的空白,而且技術更先進,運行更加穩定,質量更加可靠,整體上已經達到國際先進水平。未來FCS系統應該從改善系統實時性,克服本安防爆對總線中節點數和電纜長度的限制,實現可互操作性和信息處理現場化這三個方面進行研究和探討,努力將FCS系統發展到更高水平。
六、儀器儀表技術在向數字化、智能化、網絡化、微型化方向發展
近年來,我國的儀器儀表技術發展迅猛,已經有了很好地發展基礎和發展水平,這也為實現工業控制自動化提供了重要的保障。但是我國的儀器儀表技術較一些發達國家來說還是相對落后的,我國生產的儀器儀表多處于中低檔水平,與世界上先進的儀器儀表技術還有很大的差距。目前國際上數字化、智能化、網絡化、微型化的產品逐漸成為主流,而我國的高檔次的儀器儀表多依賴于進口,一些關鍵性的儀器儀表生產技術也完全依賴于國外。
最近幾年,我國工業安全事故頻發,作為在這些領域扮演重要角色的儀器儀表行業更是受到了前所未有的關注,不合格劣質仿制品儀器嚴重制約了中國儀器儀表市場的發展。儀器儀表技術應朝著數字化、智能化、網絡化、微型化、測控設備的PC化的方向發展。有重點的支持部分重要行業儀器自動化控制系統的發展。
七、工業控制軟件正向先進控制方向發展
目前我國自動化控制系統市場規模在2013年將會達到1311億元人民幣,整個中國自動化控制系統市場的年復合增長率在12%左右,預計到2015年將增長到3875億元,市場前景十分可觀。在這種情況下工業控制軟件也得到了前所未有的發展和應用。工業控制軟件是一種伴隨著PC技術的發展而產生的應用軟件,它是工控軟件的一個重要組成部分。工業控制軟件可先實現對工業控制系統的自動化和人性化管理,控制軟件越先進就會使自動化控制程度越高。未來工業控制軟件的發展必然是向先進控制方向發展,在先進控制的基礎上將繼續向標準化、網絡化、智能化和開放性方向發展。
八、結語
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展之中,而我國的發展速度更位居于世界前列。因此我們要對我國的工業控制自動化技術發展前景充滿信心,各方共同努力使我國在工業控制自動化道路上越走越遠,越走越寬廣。盡管一些技術正在不斷交融,不斷創新,給工業控制自動化技術的發展帶來了前所未有的挑戰,但是工業控制自動化技術仍是呈著不斷發展的態勢,我們應該積極努力,開拓創新,加快工業化、自動化的步伐,實現產業化,不斷提高我國的工業生產力,促進我國經濟的又好又快發展。
參考文獻
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