关于自动化领域的一些进展与评论

1、关于自动化领域的一些进展与评论费敏锐（上海大学机电工程与自动化学院，上海，200072）摘 要本文针对国际上自动化领域的一些最新进展，以及我国在该领域的发展现状及动向，提出在先进控制及系统、现场总线、自动化软件等三大关键技术中，网络控制策略及系统、工业以太网以及基于增强/虚拟现实的实时交互界面将成为发展热点。关键词：工业自动化、网络控制、工业以太网、虚拟现实1 引言自动化是一个内涵与外延非常丰富的术语。当前，我国提出了信息化带动工业化的口号，而真正落实，离不开自动化，即信息化只有通过自动化，才能带动工业化。自动化领域主要涉及三个共性的、基础性支撑技术，概括起来就是：控制（控制策略及实现装置）、

2、系统（系统构建与网络通信）和信息（信息处理与人机交互）。事实上这三方面互相融合、互为补充，目前主要体现在三大关键技术上，即先进控制及系统技术、现场总线技术、自动化软件技术。先进控制及系统是指采用先进控制和智能控制策略对工业生产过程及机电设备、工艺装备进行控制的计算机系统，包括软件、硬件设备。广义上讲，主要产品类型有工业控制用计算机（IPC）、分散控制系统（DCS）、现场控制系统（FCS）、可编程控制器（PLC）和嵌入式计算机系统等。现场总线(Fieldbus属自动化领域中计算机通信体系的最底层网络，但从网络结构到通信技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。根据IEC61158标准，现场总线指

3、连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线是计算机技术、通信技术和控制技术在自动化领域相结合的产物，它的出现，为仪器仪表的更新换代、产品升级以及实现进一步的高精度、高性能（特别是多参数在线实时测控与自动测控）、高稳定、高可靠、高适应性、多功能、低消耗等提供了巨大发展空间。自动化软件最初的概念是组态（configuration），主要内涵是人机界面（HMI），即解决人机对话界面问题。目前已泛指基于PC和WinIntel结构，包括HMI软件及相关的控制软件、流程监控软件、软逻辑（SoftLogic）的统称，具有工业过程动态可视化、数据采集和实时管理、过程监控和报警

4、、过程质量控制和优化、报表生成和打印等功能及特征。随着全球自动化需求的增长、IT技术及互联网的发展，基于PC的自动化技术得到了迅猛的普及、发展，自动化软件的发展有了更广阔的空间。 综观最近三十年自动化领域的发展历程，特别是以微型化、数字化、智能化、集成化和网络化为基础的自动化装置和系统的演变过程，可以看出，除计算机软硬件本身的发展外，计算机通信与网络、软计算与先进控制策略、系统仿真与人机交互等高科技已成为影响和推动自动化领域发展的关键。2网络控制策略及系统先进控制技术面临的新挑战随着控制系统规模的日益扩大、复杂程度的不断提高，为了克服传统控制策略的不足并获得更好的控制效果，各种先进控制策略应运

5、而生，比如基于模糊逻辑、神经网络或遗传算法的控制、鲁棒控制以及预测控制等等。同时，近年来由于计算机网络技术的不断发展和普及，相关设备成本逐年下降，特别是网络传输能力的极大提高和网络资源的极大丰富，使网络概念和方式被越来越多地渗透到自动化领域，包括控制系统中。这些基于网络的控制方式具有布线方便和经济、系统组建和数据传输灵活、网络资源分散且共享、适于复杂对象控制等特点，因此，正被越来越多的控制系统所采用。这些网络控制系统的出现，为先进控制策略的应用提供了新的手段。但是，由于一般网络会诱发各种不确定性现象，包括网络诱导延时和信息丢失等。这些现象的出现，必然会对这些基于网络的先进控制系统造成系统控制性

6、能下降，甚至造成系统由稳定变为发散。因此，网络非确定性对控制系统的影响是当前国际控制界前沿性的一个重要研究方向。国内的相关研究还刚刚开始，而国外的研究始于九十年代后期。该研究主要针对网络堵塞比较严重的情况，而此时原有先进控制策略已不再适用。Branicky、Zhang和Lian分别提出了具有网络诱导延时的网络控制系统的建模及其稳定性分析方法，并由此推出了网络诱导延时的补偿算法。Almutairi针对直流电机网络控制系统中存在的延时问题，采用模糊调节器补偿网络诱导延时，使原先发散的系统变得稳定。但是，由于网络诱导延时的不确定性，目前国际上还没有一种有效的工具对该类系统进行确定性设计，而只能对其进

7、行一些简单的定性分析，这在实际应用中存在较大的局限性。如果谁能面对这一挑战，紧紧抓住机遇，就有希望占据这一制高点，从而获得面向新一代网络控制系统的、具有独立自主知识产权的先进控制算法及软件。3工业以太网正快速挺进现场总线技术领域由于国际上发达国家和地区、各大仪表公司为了维护自身的经济利益，增强竞争实力，纷纷推出各自的现场总线协议，由此形成了群雄割据的局面。国际电工委员会（IEC）在2000年颁布的现场总线开放协议仍有8种控制网标准和3种设备网标准。以太网凭借其超过80%的市场份额，在世界范围内的局域网市场上处于领先地位。特别是近年来，由于Internet通信协议TCP/IP已成为事实上的工业标

8、准，而PC机、工业PC机逐渐成为企业采用的主流机型，因此在企业中越来越多地采用以太网、FDDI主干网的网络形式，工业以太网也就应运而生。工业以太网是一种遵循网络标准IEEE802.3（以太网）的开放式、多供应商、高性能的区域和单元级网络，其实质是在开放的以太网协议基础上再各自定义了用户层协议。国际上有一些人认为以太网将会取代现场总线。也有不少人认为它并不会马上全部取代现场总线，因为它们之间还是有许多不同，如总线供电、本安防爆等。目前做得较多的是现场总线与以太网、TCP/IP的结合，如ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP联合推出的CIP，Foundation Fiel

9、dbus推出的HSE，Profibus推出的ProfiNet，以及WorldFIP TCP/IP等。2002年1月，美国科动控制公司向业界正式推出CTRLinkTM系列新产品，为今年新一轮工业以太网的国际竞争拉开了序幕。此外，亚洲第一大串行通信产品制造商的台湾摩沙科技公司推出了专为工业自动化应用设计的工业以太网络交换器MOXA Nswitch；瑞典HMS公司AnyBus是一系列可互换的现场总线通信接口产品，支持当前所有流行的现场总线以及工业以太网等；德国WAGO公司的现场总线输入/输出系统，除支持Profibus-DP/FMS，DeviceNet, Modbus, Interbus, CANB

10、us, Lightbus, LonWorks等多种现场总线，也支持工业以太网。众所周知，现场总线前一轮竞争的热点是国际标准，最后Profibus与FF两种现场总线鹬蚌相争的结果是其它现场总线渔翁得利，产生了包括8+3种现场总线的IEC标准。前一轮没有赢家，下轮竞争的热点将是以太网用户层之争，谁在以太网的用户层或以太网的整合方式上抢得先机，谁就将在今后的竞争中赢得主动，其社会经济效益不可估量。4增强/虚拟现实自动化软件未来重要的实时交互界面技术自动化软件已经成为构造企业综合自动化的、承上启下的重要组成部分。在未来企业的信息化进程中，自动化软件将成为中间件，因为自动化软件不仅涉及企业工艺、控制、生

11、产制造问题，又能完成现场历史数据的记录、存储并为ERP提供接口。随着TCP/IP网络、多媒体、Client/Server以及COM/DCOM等影响深远的新技术出现，自动化软件中也相应地采用了IT界最新技术，如ActiveX、视频监视、OPC规范、工业以太网以及WEB技术等。而如何提高计算机对信息的表达能力，创造拟人化的人机界面，已越来越成为提高自动化软件的重要突破口，因为其中蕴涵着巨大商机。IT界的虚拟现实技术给拟人化人机界面带来了曙光，并迅速成为人机交互研究的最前沿。由于虚拟现实所涉及技术的多样性，系统集成的复杂性和应用范围的广泛性，至今没有统一的定义。从广义上看，美国学者Jerry Isd

12、ale提出的观点，即“虚拟现实是一种供人想象、操作及与计算机和极其复杂的数据进行交互的方式”已为人们基本认同。虚拟现实的实质是着眼于实现一种使计算机主动适应人类思维和操作的人机交互方式，是人机协作发展到最高阶段的产物。借助虚拟现实这一拟人化的人机交互方式，构建一种有临场感的、更直观友好的前台信息监控界面。这样，监控中心的操作人员或远程用户可以借助网络和虚拟环境设身处地地考察某一局部的生产过程或是整个企业宏观的运营情况。现场用户还可通过对虚拟对象的多层次监视和诊断，得到甚至现场摄像也无法得到的内部状态的三维可视化造型，从而更直观、便捷地监视和操作底层的现场设备。目前西门子公司已开始研究三维交互、

13、可视化技术在工业自动化领域的应用技术，包括实时成像、图像处理和分析、增强虚拟环境、三维处理与可视化等，其中部分成果已在实验室完成。市场发展趋势预测：以虚拟现实技术为基础的自动化软件三维交互界面的应用将在最近的三至五年内成为可能。事实上，IT界巨人微软公司也正在策划着一场涉及千家万户的Windows可视化界面的革命。同时，作为融合了视频监视和虚拟现实的新一代增强现实技术，由于在实时性、直观性方面更有优势，必将获得最终应用，从而给自动化软件的人机交互理念及界面带来重大影响和变革。5 自动化领域我国发展现状及动向下面着重从科技投入、攻关和产业化等实例来说明我国自动化领域的现状和动向。在“九五”期间，

14、中国科学院自动化研究所综合自动化工程研究中心以国家科技攻关项目“新一代全分布式控制系统研究与开发”中的专题“基于现场总线的先进控制技术”为基础，自主开发了多变量预测控制软件包，旨在替代昂贵的进口软件，提高产品质量，降低企业的成本；以专题“基于HART的控制系统软件开发”为基础，自主开发了基于HART的过程监控系统（HCVS）软件，符合HART协议标准，能够推广到FF、Profibus及DCS等系统的控制监控，性能可与国际上的同类产品比较，在性价比方面优于国外产品。该工程研究中心在十多个国家及石化、冶金行业攻关专题的基础上，自行研究开发了一套通用的基于多现场总线及Internet的新一代综合自动

15、化系统MFIAS，达到国际先进、国内领先的水平，并作为工业过程自动化重大专项已由国家计委立项进行产业化。浙大中控出色完成了国家"九五"重点科技攻关项目“现场总线控制系统”，获2000年国家科技进步二等奖，在HART、FF、Profibus、工业以太网等总线技术方面取得了一系列的研究和应用成果，如基于网络技术的控制系统WebField，实现了HART、FF现场总线、Profibus等多种标准总线兼容和异构系统综合集成的“智能化工厂”；而另一个重量级成果是“SUPCON-EPA 网络通信技术及其控制系统的研究”项目，提出了基于以太网的EPA（Ethernet for Proce

16、ss Automation）工业现场设备网络通信协议（草案），达到国际先进水平。此外，浙大中控还推出了得到国家863/CIMS主题资助的综合集成软件和优化与先进控制软件包AdvanTrol-PIMSTM（现为APC-PIMS）。上海电气集团公司下属埃通电气股份有限公司于2000年底承担了国家计委“基于DeviceNet现场总线的智能设备与测控系统”的高科技产业化示范工程项目，国家投资700万。上海大学承担了“基于DeviceNet / Profibus的智能泵/阀样机及其FCS系统”子项目，于2001年7月通过专家鉴定，达到同类产品的国际先进水平。目前该项成果正转化到开能公司总承包的垃圾发电工

17、程智能测控系统中。此外，上海大学已开发完成了采用虚拟现实技术的企业监控信息的三维流程界面软件。该软件能通过DeviceNet实现数据可视化和三维交互操作，可与iFIX等流行的自动化软件实现无缝连接，并具有虚拟场景的WEB化发布功能，达到了国际先进水平。在“十五”期间，国家863计划在先进控制技术方面支持的项目有：复杂工业过程的先进控制技术与软件（清华大学），基于机理动态模型的先进控制技术（石油大学）等。国家863计划在现场总线及相关技术方面支持的项目有：基于高速以太网技术的现场总线控制设备（浙江大学），现场级无线以太网协议研究及设备开发（中科院沈阳自动化所），基于“蓝牙”技术的工业现场设备、监

18、控网络及其关键技术研究（重庆邮电学院）等。在“十五”国家科技攻关计划中，“工业过程控制技术开发与应用”项目中的课题有：先进控制与优化软件及综合自动化软件平台产业化关键技术（浙江中控）、基于多种现场总线的分布式网络控制系统（浙江大学）、现场总线网络互联技术（北京华控技术有限公司）、基于现场总线的分散控制站（中国科学院沈阳自动化研究所）等。北京和利时系统工程股份有限公司自主开发了MACS系统（新一代控制系统，采用ProfiBus现场总线技术，同时提供FF、RS485等接口，实现全集成）和FODCS过程控制系统（基于现场总线ProfiBus DP技术，完全开放，结构灵活，技术先进，能实现自校正PID

19、，Smith预估器、模糊控制、预测控制、无模型先进控制器等）。该公司在全国32个省、市的14个行业签定项目合同总计1025项。在此基础上，该公司推出了一个人性化的企业信息化模式生命工厂。北京亚控科技发展有限公司是专业从事工业自动化软件开发、生产、营销、服务于一体的高科技公司。该公司的组态王（工业通用组态）软件已有9000例工程的现场运行。最新开发的组态王6.5版本在国内市场有能力与国外先进的工控组态软件抗衡。此外，亚控科技的新一代产品-KingACT是基于PC的实时控制软件，支持现场总线协议，如Profibus、CAN等。6 结束语根据国际国内应用需求、技术积累和发展趋势，今后自动化领域发展热

20、点将包括三大关键技术：第一，面向新一代网络控制系统、针对混合信号（多媒体和一般模拟/数字信号）的智能/先进控制技术；第二，工业以太网和多现场总线技术，以及相关的协议转换技术和兼容的无线通信技术；第三，采用虚拟现实、视频图象以及集成的增强现实技术的三维可视化实时监控界面技术。 主要参考文献1      Branivky M.S. Stability of Hybrid Systems: State of the Art. Proc. of IEEE Conf. Decision and Control, San Diego, 1997, p120-1252      Wei Zhang; Michael S. Branicky; and Stephen M. Phillips, Stability of Networked Control Systems., IEEE Control System Magazine, 2000, p84-993      Lian, F.-L.; Moyne, J.; Tilbury, D., Analysis and Modeling