控制系统与“工业40”综述

控制系统与“工业4.0”综述山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿，莱州，261400摘要：随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，工业控制系统智能化初露峥嵘。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）。现阶段又催生了当前在工业控制领域以太网与控制网络的结合。主要介绍我国DCS市场概况，发展现状和特点优势，FCS概念和优势，以及在引领新一轮工业革命的工业4.0背景下的发展趋势。关键词：DCS；FCS；工业4.0中图分类号：T-19文献标识码：AControlsystemandthe4.0industrialreviewZengJia-wang1a,LiLi-sun1b,MingShan-liu2(Shandonggoldminingjiaojiagoldmine(laizhou)co.,LTD,laizhou,261400)Abstract:Withthedevelopmentofcomputertechnologycommunicationtechnologyandcontroltechnology,thetraditionalcontrolfieldisexperiencinganunprecedentedchange,industrialintelligentcontrolsystemontheglory.ThestructureofthecontrolsystemfromtheinitialCCS(computercentralizedcontrolsystem).TothesecondgenerationofDCS(distributedcontrolsystem),thedevelopmenttothepresentpopularFCS(fieldbuscontrolsystem).AtthisstageandhasgivenrisetothecurrentinthefieldofindustrialcontrolthecombinationofEthernetandcontrolnetwork.MainlyintroducestheDCSmarketsituationinChina,thedevelopmentsituationandcharacteristicsofadvantage,FCSconceptsandadvantages,andinleadinganewroundof4.0underthebackgroundofindustrialdevelopmenttrendoftheindustrialrevolution.Keywords:DCS;FCS;4.0inindustry1引言“工业4.0”是由德国产、学、研各界共同制定、以提高德国工业竞争力为主要目的的战略。在机械制造设备技术革命，电气化技术大规模使用和IT技术和信息化发展基础之上，依托于物联网技术和制造业服务化倾向，兴起。工业4.0的核心是“智能＋网络化”通过虚拟－实体系统（Cyber-PhysicalSystem，CPS），构建智能工厂，实现智能制造的目的[1]。把物理设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自我管理的功能，实现虚拟网络世界和现实物理世界的融合。分散控制系统(DCS)的发展一方面受计算机技术、控制技术、通信技术及CRT技术的影响,另一方面又受到生产过程控制和管理要求的驱动。随着现场仪表(传感器、变送器、执行器等)智能化催生了用来替代4～20mA模拟信号标准的新工业标准，即“现场总线标准”[2]。现场总线(Fieldbus)国际标准的制定对DCS的发展产生重大影响，由于现场总线与传统4～20mA信号传递相比有很多优点,以现场总线为基础的自动化系统结构有望成为未来的分散控制系统。自动化及信息技术的日渐成熟和积累，控制系统底层仪表智能化、网络化，已成为自动化科技公司新的研究和生产方向。系统机械及仪表设备易于组网扩展和监控已成为设备系统应用厂家的新重点要求。需求和技术的进步促进了第四次工业革命的到来“工业4.0”的产生。2DCS发展及概述2.1DCS系统介绍集散控制系统(DistributedControlSystem，DCS)，又称为分布式控制系统，是综合了计算机技术，通信技术，控制技术和CRT显示技术(4C技术)的一种新型控制技术，实现了对生产过程的集中监视，操作，管理和分散控制，同时具备分散的仪作者简介：王增加(1988-)，男，山东潍坊，研究生，主要从事矿上电气设备等方面的维护与科研工作；孙丽丽(1977-)，女；刘明山（1985-），男；孟宪禹（1986-），男；张维新（1977-），男。表控制系统和集中式计算机控制系统的特点。现在的集散控制系统主要以管控一体化的形式出现，它在硬件上采用了开放的工作站，使用RISC替代CISC，采用了客户机/服务器的结构。在网络结构上增加了工厂信息网，并可与国际信息网INTERNET网联网。系统软件更加丰富。计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。也为新一轮的工业革命奠定了硬件基础和软件技术基础，提供了参考发展方向。DCS系统监控软件：在操作系统软件环境下，利用系统组态软件在操作站上对整个网络系统实现对数据的采集、处理、操作、监视、控制、报表、报警和记录等功能。监控软件的结构如图1所示。电气设备状态工艺参数显示报表生成工艺流程画面数据处理功能记录功能控制功能报警功能操作功能实时/历史趋势人机交换界面工程量转换积累/清零顺序控制连锁控制过程控制权限操作启/停控制切换操作远程网络控制计算机图1DCS软件系统Fig.1DCSsoftwaresystem故障诊断专家系统的发展起始于20世纪70年代末，在电路与数字电子设备、机电设备等各个领域已取得了令人瞩目的成就，已成为当今世界研究的热点之一。DCS系统监控软件系统中引入多专家综合诊断算法。建立实时数据库是系统监控诊断软件的核心，实时数据库用来描述和构造系统的一切实时事务活动，系统围绕着数据库运行。确定数据库的各个组成部件，建立数据结构描述和所有关联操作。数据结构的描述涵盖过程控制中的所有类型的过程点、控制点和各类算法及接口，实现大数据、云计算，从而实现智能化、网络化，组建智能工厂，是承接“工业4.0”的软件基础。2.2DCS市场DCS市场参与竞争的厂商少，同时竞争的领域和优势分明。化工和电力系统是DCS主要市场，2015年占到市场份额的60%。中国DCS厂商就只有屈指可数的几家，并且都是在行业内深耕数十年才在市场上站稳脚跟。2014年DCS的整体市场(业绩包含硬件、软件、服务费用及工程费用)较2013年增长7.3%。硬件费用低、工程费用和服务费用低、并且服务态度好、响应度高，这些都是国内品牌拓展市场的主要筹码。中国DCS应用市场适度增长，潜力市场有待再开发。新的技术背景下的国内DCS发展主要是软件方面的发展和系统安全方面的发展。3FCS现场总线概述DCS基层的众多现场仪表和现场控制站之间的信息和数据仍是采用传统的独立导线传输的4～20mA的DC信号，现场仪表功能没有完全发挥，随着IT技术的快速发展产生了以微处理器为核心的智能设备，在此基础之上诞生了现场总线技术。两者结构如图2。控制室DCS控制器DCS操作站普通仪表及设备普通多根电缆（开关量/模拟量）控制室FCS操作站普通仪表及设备DCS结构FCS结构现场总线双绞电缆（双向全数字）图2DCS和FCS结构Fig.2DCSandFCSstructure现场总线应用于生产现场，可现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。使得它们各自具备多种运算功能，通过双绞线、光纤等多种途径构成网络系统，实现彻底的分散控制，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统[4]。微处理器的多种运算和故障诊断功能丰富了现场仪表的功能，提高了测量精度和传输过程中的抗干扰能力，由于现场总线式现场仪表是按照国际统一的标准设计，各个组织和企业开发了多种用于工业现场仪表和控制室之间的数字通信协议，国际上比较流行的现场总线标准有CA总线、LonWorks总线、基金会现场总线、Profibus总线、HART总线等。现场总线不单单是一个通信标准，而是涉及全部领域，作为一个过程控制的开放的、集成的测量控制系统。采用现场总线，具有许多优点:a)大大缩减了铺线费用；b)简化了线路的安装与维护；c)能传送多个过程变量，可以实现在线故障诊断及线路故障检测；d)用数字信号取代4-20mA模拟信号，可提高系统精度,而且可把一些功能（如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等）赋于现场仪表,提高了现场仪表的自主性和可靠性；e)因现场总线是双向的,故可从控制室对现场仪表进行标定和调整；f)现场总线采用国际标准后，用户可以优选各仪表厂商的产品组成系统，而不必考虑总线接口是否匹配问题。4结束语工业转型对中国产业界来说挑战还是比较大的，因为“工业4.0”完全是要求有自己的东西，特别在软件方面，这就要求对制造过程有更深入的了解，在此基础上实现制造业装备的设计、控制、智能化与信息技术的结合。所以有很大的挑战。DCS控制系统在工业过程控制中发挥着重要的作用。而在此基础上发展起来的基于现场总线技术的全开放控制系统(FCS)，将是向“工业4.0”过渡的桥梁。当前我国的现场总线技术与国际有一定差距，但我国已经有对现场总线技术有比较深入研究的技术队伍。因此，从总体利益出发，各企业研究单位合作，尽快共同推出一批现场总线仪表、系统，尽快开发出具有独立自主知识产权的通讯协议软件包，包括工业以太网标准。争取在新的技术趋势下建立自己的智能控制系统，缩小与国外技术上的差距。在国际新一轮技术革新背景下占据一席之地。参考文献(References)[1]丁纯李君扬.德国“工业4.0”：内容，动因与前景及其启示[M].德国研究,2014年第４期.[2]翟勇盛.现场总线—DCS发展趋势[M].广东电力，1999[3]2015中国DCS市场研究报告.[4]尹向东．EPON技术在用电信息采集远程通信中的应用［J］．电力系统通信，2010，34(9):36－40．