现代控制仪表系统的研究现状、特点和发展趋势论文

现代控制仪表系统的研究现状、特点和发展趋势自动化0803班袁超摘要：随着人类科学技术的进步，控制理论及仪表技术不断发展和完善，4C技术的发展。控制仪表系统的发展由模拟控制系统→数字控制系统→网络控制系统。控制仪表与装置涉及的面十分广泛，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。关键词：控制仪表发展概况特点趋势过程控制是满足过程工业自动化需求的一门科学技术，它渗透在石油、化工、电力、冶金、食品、饮料等几乎任何工业领域里。控制仪表和装置是自动控制系统的重要设备(硬件)，在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由显示仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合预期要求，因此他们是实际生产过程自动化的重要工具。一、现代控制仪表系统的发展概况随着人类科学技术的进步，控制理论及仪表技术不断发展和完善。在一个多世纪中，伴随着4C技术，即计算机（Computer）、控制器（Controller）、通信（Communication）和显示器（CRT）技术的发展，过程控制仪表经历了自力式、基地式、单元组合式、集散式及现场总线式几个发展阶段。如果从信号及传输形式划分，我们将其发展划分为模拟控制系统、数字控制系统和网络控制系统。考证控制理论的发展历史，《IEEECintrolSystemsMagazine》主编Antsaklis教授认为，控制理论的每一步发展都要满足处理不断复杂的对象的需要、完成不断复杂的设计的需要、对过程与环境高度不确定情况下进行控制的需要，因此受到控制仪表、不断变化的对象以及其它科学技术的不断推动。20世纪末，全球市场逐渐形成，企业竞争空前加剧，工业生产必须按市场需求加快新产品的开发，降低成本，完善服务。这就需要把市尝生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工和管理决策。要实现综合自动化，实现整个生产过程的信息集成，就必须要在工业现场实现设备间的多点数字通信，构成工厂底层网络系统，以实现底层现场设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。同时，随着计算机、通信，尤其是ASIC芯片技术的快速发展，使得在传感器、执行器等设备上加装智能接口成为现实，促使带有微处理器芯片仪表（智能化仪表）的产生，智能化仪表实现了传输信号数字化，为现场总线的出现奠定了基础。在市场需求和技术推动下，现场总线终于在20世纪80年代开始出现。现场总线是应用在生产现尝在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。实质上就是把微处理器置入传统仪表，使自控系统与设备具有了通信能力，通过现场总线连接成网络系统，加入到信息网络的行列。国际电工委员会（IEC）历时12年于2000年1月4日公布通过了IEC6115现场总线标准。控制仪表和装置的发展由模拟式控制仪表→数字模拟混合式系统→全数字控制仪表。二、现代控制仪表的分类按控制仪表与装置所用能源的不同，可以将其分为电动、气动、液动和混合式等几大类。其中，气动和液动控制仪表和装置发展最早，但电动控制仪表与装置发展异常迅速，现在已经占绝对统治地位。气动控制仪表的特点是：性能稳定，可靠性高，具有本质安全防爆性能，不受电磁场干扰、结构简单、维护方便。在电子技术和计算机技术高度发展的今天，气动控制仪表所占领地虽然已十分狭小，但在一些大型装置的主体设备周围，仍有采用基地式气动控制仪表对单一的工艺参数进行就地单回路调节。尤其是气动执行器，具有安全、可靠及工作平衡等优点。应用仍十分广阔，在许多由电动控制仪表和装置构成的系统中，执行器仍彩气动式的。因此，我国及世界上一些大型自动控制仪表装置生产公司仍在生产气动控制仪表。随着生产过程自动化的发展，远距离集中控制控制日益增多，控制系统规模和复杂程度不断增加，气动和液动控制仪表在许多场合已不能满足要求，而电动控仪表与装置则得到起来越广泛的应用和飞速的发展。尤其是随着微电子技术的发展，过去被认为影响电动控制仪表发展的一些技术问题已经得到解决，品种规格更趋完善，质量不断提高。如过去认为影响电动控制仪表广泛使用的防爆问题，现在彩防爆结构、直流低电压、小电流的本质安全型防爆电路及防爆栅等措施，得到了很好地解决。电动控制仪表与装置也因此能应用到石油、化工等工业部门的自动化系统中。电动控制仪表与装置都采用了电子技术，从原理上分，电子控制仪表与装置又可分为两大类：模拟式控制仪表与装置和数字式控制仪表与装置。模拟式控制仪表与装置按结构形式可分为基地式、单元组合式、组件组装式三大类。1）基地式控制仪表一般结构比较简单，价格低廉，它不仅能够进行控制，同时还可指示、记录。因此适用于小型企业的单机自动控制系统。2）单元组合式控制仪表应用灵活、通用性强，便于控制仪表的生产、维护及备品库存等。3）组件组装式控制仪表可由仪表制造厂预先根据用户要求，组装好整套自控系统，再以成套装置形式提供给用户，从而可使自控系统的现场施工、系统安装和调试工作量大大减小，也使维护、检修和系统改组工作大大简化。三、现代控制仪表的特点数字模拟混合式系统：现场仪表与控制室装置之间通信采用模拟信号4～20mA，数字控制仪表内部的信号处理为数字信号，但输入仍为4～20mA，控制装置之间和控制装置与上位计算机之间采用数字通信技术。例如目前数字控制仪表，DCS系统，PLC系统，FCS系统等。三大控制系统之间的差异：目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。下面就仅以DCS与FCS进行比较。DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。数字通信和模拟信号通信方式比较：简化了硬件结构，提高了装置精度；提高了信号传输精度；传输的信息更加丰富；大大降低了布线的复杂性和费用。现场总线控制系统（FCS）：它是将智能现场仪表与控制室的装置利用现场总线连接起来，构成一种全数字全分散全开放的新一代控制系统。传统的DCS和FCS的区别：传统的DCS和FCS原理结构如下图所示。四、现代控制仪表的发展趋势控制仪表与装置涉及的面十分广泛，如DCS、PLC、新型控制仪表、变送器及执行器等都有自己的发展轨迹，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，即将自动控制装置用于生产流程的整个操作过程，从开机到停机的全程控制及将控制、生产计划安排和工厂全面管理有机的结合起来，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展。随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球的发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（I/O测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成一个有机的测控网络系统。又例如卫星测控系统，运载火箭上配置的各种传感器就达到数千，而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。控制仪表与装置的发展趋势有：逐步实现全数字式、开放式的DCS系统：由于计算机网络技术的迅速发展，推动着DCS体系结构发生重大变革。数字通信将一直延伸到现场，传统的4~20mA直流模拟信号制将逐步被双向数字通信的现场总线所取代。发展智能变送器和智能执行器、扩展量程、改善精度、提高可用性和可靠性，使现有的DCS系统换代为全数字、全分散、全开放的新一代控制系统——现场控制系统（FCS）。1）发展小型DCS系统，扩展应用覆盖面：许多主流的DCS系统功能强、质量好、可靠性高，而价格则相当昂贵，中小型企业无力选用。针对这种情况，近年来一些DCS生产企业相继推出了小型DCS系统。由于中小型企业所占比例很大，因而提高小型DCS系统的性能和功能、降低价格必将极大地拓展DCS系统的应用覆盖面，提高整个工业生产的自动化水平和经济效益。2）开发先进的过程控制软件：以往DCS生产企业大多数只提供基本控制软件，即PID、比值、串级、前馈等控制软件，更高层次的先进控制软件须由用户自行开发。随着先进控制算法因广泛的应用和经验的积累而日趋成熟，一些DCS生产企业近年来也陆续推出一些先进的过程控制模块，如预测控制、自适应控制、模糊控制、参数自整定控制及智能控制等软件模块，使一些复杂的生产过程自动控制难题得以解决。今后还会有更多的先进控制（如多变量预测控制、鲁棒控制和神经网络控制等）引入到数字调节器、工业控制机及DCS系统中，以满足各工业部门的需求，并将带来巨大的经济效益。3）人工智能、专家系统在工业控制中的应用将逐步深入：近年来，人工智能、专家系统在工业生产自动控制中的应用已引起人们普遍的关注，现已开始用于管理、在线设备诊断、计划调度、生产工况判断、操作指导以及直接用于生产过程的优化控制。一方面这些应用还需要完善和推广，另一方面人工智能、专家系统还将向更高阶段发展，将继续把人的感知、分析、揄、判断、决策及自学习等功能用于控制和管理，产生众多的新一代专家系统。人-机接口界面不断更新、完善，方便工作人员的监视与操作：如运用语音输入技术，使操作人员可以用讲话的方式与控制系统进行对话；在图像显示上的士能给出更多的信息和更清晰的图像，以使操作人员更方便地全面了解生产状况。参考文献《控制仪表与装置》主编：向婉成机械工业出版社《过程控制仪表》主编：曹润生、黄祯地、周泽魁浙江大学出版社《过程控制仪表及控制系统》主编：林德杰机械工业出版社《传感器技术》主编：贾伯年东南大学出版社《自动检测和过程控制》主编：刘元扬冶金工业出版社