控制系統(tǒng)與工業(yè)40綜述

1、控制系統(tǒng)與“工業(yè)4.0”綜述山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，萊州，261400摘 要：隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革，工業(yè)控制系統(tǒng)智能化初露崢嶸?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）。現(xiàn)階段又催生了當(dāng)前在工業(yè)控制領(lǐng)域以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。主要介紹我國DCS市場概況，發(fā)展現(xiàn)狀和特點優(yōu)勢，F(xiàn)CS概念和優(yōu)勢，以及在引領(lǐng)新一輪工業(yè)革命的工業(yè)4.0背景下的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：DCS； FCS ；工業(yè)4.0中圖分類號：T-19文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AControl s

2、ystem and the "4.0" industrial reviewZengJia-wang1a, LiLi-sun1b, MingShan-liu2(Shandong gold mining jiaojia gold mine (laizhou) co., LTD, laizhou,261400)Abstract: With the development of computer technology communication technology and control technology, the traditional control field is e

3、xperiencing an unprecedented change, industrial intelligent control system on the glory. The structure of the control system from the initial CCS (computer centralized control system).To the second generation of DCS (distributed control system), the development to the present popular FCS (fieldbus c

4、ontrol system). At this stage and has given rise to the current in the field of industrial control the combination of Ethernet and control network. Mainly introduces the DCS market situation in China, the development situation and characteristics of advantage, FCS concepts and advantages, and in lea

5、ding a new round of 4.0 under the background of industrial development trend of the industrial revolution. Key words: DCS; FCS;4.0 in industry1 引 言“工業(yè)4.0”是由德國產(chǎn)、學(xué)、研各界共同制定、以提高德國工業(yè)競爭力為主要目的的戰(zhàn)略。在機(jī)械制造設(shè)備技術(shù)革命，電氣化技術(shù)大規(guī)模使用和IT技術(shù)和信息化發(fā)展基礎(chǔ)之上，依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和制造業(yè)服務(wù)化傾向，興起。工業(yè)4.0的核心是“智能網(wǎng)絡(luò)化”通過虛擬實體系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS），

6、構(gòu)建智能工廠，實現(xiàn)智能制造的目的1。把物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自我管理的功能，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界和現(xiàn)實物理世界的融合。分散控制系統(tǒng)(DCS)的發(fā)展一方面受計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)及CRT 技術(shù)的影響, 另一方面又受到生產(chǎn)過程控制和管理要求的驅(qū)動。作者簡介：王增加(1988-)，男，山東濰坊，研究生，主要從事礦上電氣設(shè)備等方面的維護(hù)與科研工作； 孫麗麗(1977-)，女； 劉明山（1985-），男； 孟憲禹（1986-），男；張維新（1977-），男。 隨著現(xiàn)場儀表(傳感器、變送器、執(zhí)行器等)智能化催生了用來替代420mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)的新工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

7、，即“現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)”2?，F(xiàn)場總線 (Fieldbus)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定對DCS的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，由于現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)420mA信號傳遞相比有很多優(yōu)點, 以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有望成為未來的分散控制系統(tǒng)。自動化及信息技術(shù)的日漸成熟和積累，控制系統(tǒng)底層儀表智能化、網(wǎng)絡(luò)化，已成為自動化科技公司新的研究和生產(chǎn)方向。系統(tǒng)機(jī)械及儀表設(shè)備易于組網(wǎng)擴(kuò)展和監(jiān)控已成為設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用廠家的新重點要求。需求和技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了第四次工業(yè)革命的到來“工業(yè)4.0”的產(chǎn)生。2 DCS發(fā)展及概述2.1 DCS系統(tǒng)介紹集散控制系統(tǒng)( Distributed Control System，DCS)，又稱為分布式控制系統(tǒng)，是綜

8、合了計算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù)和CRT顯示技術(shù)( 4C 技術(shù))的一種新型控制技術(shù)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視，操作，管理和分散控制，同時具備分散的儀表控制系統(tǒng)和集中式計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點?，F(xiàn)在的集散控制系統(tǒng)主要以管控一體化的形式出現(xiàn)，它在硬件上采用了開放的工作站，使用RISC替代CISC，采用了客戶機(jī)/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)，并可與國際信息網(wǎng)INTERNET網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)軟件更加豐富。計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。也為新一輪的工業(yè)革命奠定了硬件基礎(chǔ)和軟件技術(shù)基礎(chǔ)，提供了參考發(fā)展方向。DCS系統(tǒng)監(jiān)控軟件：在操作系統(tǒng)軟件環(huán)境下，利用系統(tǒng)組態(tài)軟件在操作站

9、上對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、處理 、操作、監(jiān)視、控制、報表、報警和記錄等功能。監(jiān)控軟件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 DCS軟件系統(tǒng)Fig. 1 DCS software system 故障診斷專家系統(tǒng)的發(fā)展起始于20世紀(jì)70年代末，在電路與數(shù)字電子設(shè)備、機(jī)電設(shè)備等各個領(lǐng)域已取得了令人矚目的成就，已成為當(dāng)今世界研究的熱點之一。DCS系統(tǒng)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中引入多專家綜合診斷算法。建立實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)監(jiān)控診斷軟件的核心，實時數(shù)據(jù)庫用來描述和構(gòu)造系統(tǒng)的一切實時事務(wù)活動，系統(tǒng)圍繞著數(shù)據(jù)庫運行。確定數(shù)據(jù)庫的各個組成部件，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述和所有關(guān)聯(lián)操作。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述涵蓋過程控制中的所有類型的過程點、控制點和各

10、類算法及接口，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)、云計算，從而實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，組建智能工廠，是承接“工業(yè)4.0”的軟件基礎(chǔ)。2.2 DCS市場DCS市場參與競爭的廠商少，同時競爭的領(lǐng)域和優(yōu)勢分明?；ず碗娏ο到y(tǒng)是DCS主要市場，2015年占到市場份額的60%。中國DCS廠商就只有屈指可數(shù)的幾家，并且都是在行業(yè)內(nèi)深耕數(shù)十年才在市場上站穩(wěn)腳跟。 2014年DCS的整體市場(業(yè)績包含硬件、軟件、服務(wù)費用及工程費用)較2013年增長7.3%。硬件費用低、工程費用和服務(wù)費用低、并且服務(wù)態(tài)度好、響應(yīng)度高，這些都是國內(nèi)品牌拓展市場的主要籌碼。中國DCS應(yīng)用市場適度增長，潛力市場有待再開發(fā)。新的技術(shù)背景下的國內(nèi)DCS發(fā)

11、展主要是軟件方面的發(fā)展和系統(tǒng)安全方面的發(fā)展。3 FCS現(xiàn)場總線概述DCS基層的眾多現(xiàn)場儀表和現(xiàn)場控制站之間的信息和數(shù)據(jù)仍是采用傳統(tǒng)的獨立導(dǎo)線傳輸?shù)?20mA的DC信號，現(xiàn)場儀表功能沒有完全發(fā)揮，隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展產(chǎn)生了以微處理器為核心的智能設(shè)備，在此基礎(chǔ)之上誕生了現(xiàn)場總線技術(shù)。兩者結(jié)構(gòu)如圖2。 圖2 DCS和FCS結(jié)構(gòu)Fig. 2 DCS and FCS structure現(xiàn)場總線應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，可現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。使得它們各自具備多種運算功能，通過雙絞線、光纖等多種途徑構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制，進(jìn)一步構(gòu)成了各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)4

12、。微處理器的多種運算和故障診斷功能豐富了現(xiàn)場儀表的功能，提高了測量精度和傳輸過程中的抗干擾能力，由于現(xiàn)場總線式現(xiàn)場儀表是按照國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，各個組織和企業(yè)開發(fā)了多種用于工業(yè)現(xiàn)場儀表和控制室之間的數(shù)字通信協(xié)議，國際上比較流行的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有CA總線、LonWorks總線、基金會現(xiàn)場總線、Profibus總線、HART總線等?，F(xiàn)場總線不單單是一個通信標(biāo)準(zhǔn)，而是涉及全部領(lǐng)域，作為一個過程控制的開放的、 集成的測量控制系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線， 具有許多優(yōu)點:a)大大縮減了鋪線費用；b)簡化了線路的安裝與維護(hù)；c)能傳送多個過程變量，可以實現(xiàn)在線故障診斷及線路故障檢測；d)用數(shù)字信號取代4-20mA 模

13、擬信號，可提高系統(tǒng)精度, 而且可把一些功能（如線性化、補(bǔ)償校正、工程量轉(zhuǎn)換、報警處理等）賦于現(xiàn)場儀表, 提高了現(xiàn)場儀表的自主性和可靠性；e)因現(xiàn)場總線是雙向的, 故可從控制室對現(xiàn)場儀表進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整；f)現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)后，用戶可以優(yōu)選各儀表廠商的產(chǎn)品組成系統(tǒng)，而不必考慮總線接口是否匹配問題。4 結(jié)束語工業(yè)轉(zhuǎn)型對中國產(chǎn)業(yè)界來說挑戰(zhàn)還是比較大的，因為“工業(yè)4.0”完全是要求有自己的東西，特別在軟件方面，這就要求對制造過程有更深入的了解，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)制造業(yè)裝備的設(shè)計、控制、智能化與信息技術(shù)的結(jié)合。所以有很大的挑戰(zhàn)。DCS控制系統(tǒng)在工業(yè)過程控制中發(fā)揮著重要的作用。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的全開放控制系統(tǒng)( FCS)，將是向“工業(yè)4.0”過渡的橋梁。當(dāng)前我國的現(xiàn)場總線技術(shù)與國際有一定差距，但我國已經(jīng)有對現(xiàn)場總線技術(shù)有比較深入研究的技術(shù)隊伍。因此，從總體利益出發(fā)，各企業(yè)研究單位合作，盡快共同推出一批現(xiàn)場總線儀表、系統(tǒng)，盡快開發(fā)出具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的通訊協(xié)議軟件包，包括工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。爭取在新的技術(shù)趨勢下