电气自动化控制技术的现状及发展趋势

1、电气自动化控制技术现实状况及发展趋势电气自动化控制技术的现状及发展趋势第1页Company Logo陈亚林 南京工业职业技术学院 能源与电气工程学院 自动化教学部主任主持版国家维修电工题库建设主持版国家电工题库建设第一、二、三届江苏状元赛维修电工命题2007-江苏职业院校技能大赛机电一体化、电气安装、电机装配赛项责任人国家职业院校技能大赛电气安装与维修赛项教授组组长42届世界技能大赛机电一体化赛项中国队技术指导教授电气自动化控制技术的现状及发展趋势第2页Company Logo 伴随计算机、通信、自动控制、微电子等技术发展，大量智能控制芯片和智能传感器不停出现，以及在传感器、通信和计算机领域所

2、取得巨大成就使人们对系统综合性能尤其是安全性能提出了越来越高要求：希望能对系统设备工作情况进行实时监测和控制，并在此基础上实现设备智能维护。对企业自动化设备而言，对其工作情况进行远程监测和控制，不但可方便设备管理者随时了解设备工作状态，设备出现异常时主动报警，便于及时维修，还可拓宽设备服务范围，提升工作性能，延长使用寿命。这一目标实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高要求。现实状况电气自动化控制技术的现状及发展趋势第3页Company Logo一集散控制系统(DCS)当前工业控制计算机应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如冶金、石化、电力)为主，采取分布式系统结构分散控

3、制系统仍在发展。因为开放结构和集成技术发展，深入扩展了大型分散控制系统应用。1.应用现实状况DCS自1975年问世以来，大约有3次比较大变革，70年代操作站硬件、操作系统、监视软件都是专用，由各DCS厂家自己开发并没有动态流程图，通信网络基本上是轮询方式；80年代通信网络较多使用令牌方式；90年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有部分遵照TCP/IP协议，有开始采取以太网。20多年来，DCS已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统主流。虽以现场总线为基础FCS发展很快，最终将取代传统DCS，但其发展仍面临一些问题，如统一标准、仪表智能化等。而传统控制系统维护和改造还需DCS，

4、所以FCS完全取代传统DCS还有较长过程。现DCS新产品特点为：系统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS研发、生产和推广应用。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第4页2.DCS存在问题(1)1对1结构。1台仪表，1对传输线，单向传输1个信号。这种结结构成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。(2)可靠性差。模拟信号传输不但准确度低，且易受干扰。为此采取各种办法提升抗干扰性和传输准确度，其结果是增加了成本。(3)失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测事故，造成操作员对其处于失控状态。因操作员不能及时发觉现场仪表故障

5、，而发生事故已屡见不鲜。(4)互操作性差。尽管模拟仪表已统一420mA信号标准，可大部分技术参数仍由制造商自定，致使不一样品牌仪表无法交换。所以造成用户依赖制造厂，无法使用性能价格比最优配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场局面。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第5页Company Logo3.DCS在中国因我国传统产业改造和新建工程项目对DCS急需，80年代从国外引进了几百套DCS来装备石化、冶金、电力等行业。进入90年代，我国一些新型高科技企业进入DCS领域。当前在国内生产DCS不但含有价格低廉、备品备件方便优势，而且在技术先进、组态学习轻易、技术支持有力等方面都取得用户必定。国内DCS生

6、产最新产品含有系统开放、兼容现场总线、管控一体化和带有先进控制软件，在技术上可初步与国外产品相抗衡。当前，我国现场控制系统普通仍采取DCS。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第6页Company Logo4.发展方向DCS发展至今已相当成熟和实用，毫无疑问，它仍是当前工业自动化系统应用及选型主流，不会伴随现场总线技术出现而马上退出现场过程控制舞台。面对挑战，DCS将沿着以下趋势继续向前发展：(1)向综合方向发展：标准化数据通信链路和通信网络发展，将各种单(多)回路调整器、PLC、工业PC、NC等工控设备组成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放式大趋势。(2)向智能化方向发展：数据库系统、推

7、理机能等发展，尤其是知识库系统(KBS)和教授系统(ES)应用，如自学习控制、远距离诊疗、自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。与FF现场总线类似，以微处理器为基础智能设备如智能I/O、PID控制器、传感器、变送器、执行器、人机接口、PLC相继出现。(3)DCS工业PC化：由IPC组成DCS已成为一大趋势，PC作为DCS操作站或节点机已很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驱，IPC成为DCS硬件平台。(4)DCS专业化：DCS为更适合各对应领域应用，就要深入了解对应专业工艺和应用要求，以逐步形成如核电DCS，变电站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。电气自动化控制技

8、术的现状及发展趋势第7页Company Logo二现场总线控制系统(FCS)现场总线控制系统是继DCS之后又一个新型工业控制系统，它出现带来了工业控制领域一场深刻革命。现场总线代表一个突破意义控制思想，改变了原有控制体系结构，使模拟与数字混合DCS更新换代为全数字现场总线控制系统，真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第8页1.应用现实状况现场总线发展快速，现处于群雄并起、百家争鸣阶段。当前已开发出40各种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，其中最有影响力有5种，分

9、别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks，如表所表示。 FCS全数字化通信使过程控制含有更高可靠性，从传感器、变送器到调整器，均为数字信号，这就使得复杂、准确信号处理得以实现。因采取数字总线式通信线路代替DCS 1对1I/O连线，对于大规模I/O系统，降低了由连线带来不可靠，同时也降低了布线成本。另外FCS还含有互操作性、分散性、EIC(电气传动、仪表、计算机)一体化等优点。在由现场总线组成FCS中，仪表实际上已成为含有综合功效智能仪表。EIC一体化结构恰恰是钢铁工业自动化用得较多而又急需控制系统结构。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第9页Company Logo2.现

10、场总线存在不足现场总线是一个正在发展中技术，在许多方面还需改进。IEC 61158要求了FF、Profibus、WorldFIP等8种现场总线标准，还有一些实际上标准，如LonWorks和CAN总线等。现有8种现场总线为国际标准，它们采取通信协议完全不一样，所以要实现这些总线兼容和互操作十分困难。许多标准并存，将造成现场总线技术不易广泛应用。现场总线还存在着瓶颈问题，表现在：(1)总线切断后，系统有可能产生不可预知后果；(2)在本安防爆应用中，现有防爆要求限制总线长度和总线上所挂设备数量，同时也限制了现场总线节约线缆优点发挥；(3)系统组态参数过于复杂，不易掌握，而其设定好坏对系统性能影响很大

11、。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第10页Company Logo3.现场总线在中国以智能化现场仪表为基础现场总线系统与传统系统相比，其优点不但在控制方面，更多是在自诊疗、自校正等自动管理方面。但国内使用系统规模普通不大，没有把管理自动化和远程诊疗功效纳入系统，所以无法发挥FCS降低运行维护费用优势，所以与传统产业相比，现场总线优点没有完全表达出来，现在国内还有很多企业对现场总线技术和产品是否成熟可靠持怀疑态度。现场总线在中国需深入促进其快速发展，最主要则是推进企业对现场总线应用。我国是发展中国家，还不拥有自主版权现场总线。我们应慎重对待出现在现场总线问题上争论，它已妨碍了工业自动化领域网络

12、技术发展和产品更新换代，我们应抓住网络发展新机遇，努力发展我国自己现场总线网络产业。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第11页Company Logo4.发展方向现场总线是一个正在发展技术，在过程控制领域对其要求是：(1)改进实时性，不允许有不确定性；(2)克服本安防爆对总线中节点数和电缆长度限制，加强现场总线本安概念理论研究；(3)实现可互操作性和信息处理现场化。今后，对上述3方面还要进行主动研究、不停探索。实时性和可互操作性是以太网在工业现场应用所要处理主要问题。因为Ethernet技术快速发展，其介入控制已成为事实。Ethernet主要特点是：数字式互连网络、可操作性、开放性和高网络功效

13、。网络功效包含实时性、可靠性等。而开放性最为主要。Ethernet是世界上应用最为广泛计算机通信技术之一，受到广泛技术开发支持，而且已使用多年，含有大量软、硬件资源和开发设计经验。在以太网上层应用TCP/IP协议也已开发较成熟；绝大多数PC机均提供以太网接口，操作系统也已配置TCP/IP协议；以太网适配器及其相关产品价格低廉，一块以太网网卡价格只是Profibus、FF等现场总线网卡一小部分；而且许多现场总线标准已向上支持以太网，其中主流现场总线FF于3月宣告用以太网增强H2方案。所以，普通认为整合Ethernet和TCP/IP技术现场总线是今后发展主流体系和应用热点。电气自动化控制技术的现状

14、及发展趋势第12页Company Logo三以太网(Ethernet)开放以太网是20多年来发展最为成功网络技术，并造成了一场信息技术革命。能够预见，正如当年PC机进入工业自动化领域一样，采取以太网技术是现场总线发展趋势。1.应用现实状况工业自动化控制系统网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部连接越来越高速化、紧密化，更多是系统细分成为独立控制孤岛，对驱动器和用户接口需求越来越多。而不论怎样传统PLC技术无法满足该要求，现场总线技术也不能提供相关性能。只有经过网络技术来处理，而在全部网络技术中，以太网技术是最理想选择。当前以太网还只适合于工业控制网络系统信息层应用。以太网是Byte

15、级网络，只能部分代替现场总线作用，而将以太网用于现场I/O级，这是当前工控领域研究热点之一。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第13页2.Ethernet优势与以往控制网络相比，以太网应用于工业控制含有以下优势：(1)更高通信带宽。以太网是一个成熟、快速网络协议，数据传输速率为10100Mb/s。新一代以太网传输速率更加快，可达1Gb/s，能满足不停增加数据通信需要，成为企业范围主干网络。(2)实现现场设备层和企业管理层无缝连接。以太网早已成为企业管理网络首选，将其应用于现场设备控制网络，将实现企业信息网络和控制网络融合，促进整个企业信息化集成。(3)控制系统成本降低。主要表达在两方面：支持以

16、太网通信网络设备较低；熟悉以太网网络操作用户较多，整个系统培训、维护都较轻易。(4)更高稳定性。光纤网络已成为Internet主干网络，光纤所含有良好抗噪声干扰性能使得以太网更适合在实时监控高噪声设备现场环境。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第14页3.Ethernet在中国应用当前国内对工业控制网络领域理论研究主要局限于现场总线网络，部分学者对建立工业以太网控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入实质性研究阶段，实际应用还不多。就当前我国网络控制实际情况和发展要求，工业控制系统将普遍以现场总线和DCS相结合作为控制系统底层和中层，用于工业现场；而将以太网用于控制系统上层，以实现高速率

17、通信和网络互连。电气自动化控制技术的现状及发展趋势第15页4.发展方向基于以太网控制网络所含有上述优点是当前现场总线技术所无法比拟。另外，伴随宽带以太网与交换式以太网技术发展，以太网作为控制网络在控制实时性方面问题正在逐步得以处理。即使以太网采取是带碰撞检测载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，普通认为该协议不能满足控制系统实时性要求，但100Mb/s以太网已开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现；而且以太网交换技术出现，经过全双工交换技术，可完全防止CSMA/CD中碰撞；还可方便实现优先级机制，实现网络带宽最大利用率和最好实现性能。所以，未来工业控制系统发展方向必定是经过工业Ethernet网络实