工業自動化技術應用分析與發展展望

王文斌+孫麗娟

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摘 要： 隨著IT技術和控制技術的發展，工業自動化系統正在發生一些變化和變革。文章分析了當前工業自動化技術的應用特點和現狀，對工業自動化的發展前景進行了簡要的探討。

關鍵詞： 工業自動化；智能控制；PLC

工業自動化技術是當今微電子技術和電力電子技術領域中高技術的綜合應用技術，這也是工業自動化技術的特點之一。工業自動化是工業技術改造和進步的主要手段，它綜合應用系統科學、認知科學、信息科學、控制科學與工程等理論，形成相應的自動化軟硬件及系統，實施檢測、控制、優化、調度、管理與決策，達到增加產量、提高質量、降低成本、減少資源消耗、環境污染和確保安全的目的。

1.工業自動化控制技術的應用

1.1 智能控制

智能控制作為人工智能的一個研究與應用方面，與自動控制、運籌學、系統論、信息論等學科的結合，已形成一個新興的交叉學科系統，在實際應用中已產生了許多類型的智能控制系統，如多級遞階智能控制、基于知識的專家系統、基于模糊邏輯的智能——模糊控制、基于神經網絡的智能——神經控制、基于規則的仿人控制、基于模式識別的智能控制、多模變結構智能控制、學習控制與自學習控制、基于混沌理論的智能——混沌控制等類型。與其它行業一樣，智能控制作為一項關鍵技術，在鋼鐵工業中也得到了較多的應用。在各個生產工序中，用于設定與控制、生產計劃的安排與調整，以及設備診斷、監測、學習等方面。智能控制能在鋼鐵工業中得到較多應用，是與它的特點分不開的，它適合于那些含有復雜性、不完全性、模糊性或不確定性以及不存在已知算法的非數字過程，并以知識進行推理，以啟發引導求解過程；也可以對具有以知識表示的非數學廣義模型和以數學模型表示的過程進行混合控制。智能控制的發展，將會使工業自動化的過程控制有更大進展。

1.2 以PLC為基礎的分布式控制系統

PLC作為專為工業環境應用而設計的數字運算電子系統，實現了單機、車間、工廠的自動化控制。它表現出了諸多的優點，具有抗干擾能力強、維修方便等特點，由于PLC對現場進行實時監控具有很高的可靠性，且編程簡單、靈活，因此得到廣泛的應用。隨著科技的進步，它的控制功能將會演變成更加復雜的過程控制和連續控制，這也為將來成為未來的支柱性技術產業而奠定堅實的基礎。

1.2.1 模擬量控制

根據控制對象特征，PLC通過組合功能模塊組裝能成功地控制系統，來靈活實現系統控制。PLC有主機模塊、I/O模塊、高速計數模塊、位置控制模塊、模擬量控制模塊、通信模塊等。PLC的模擬量控制能大大地提高過程控制系統的精度，它可以對熱處理的升溫、降溫、保溫等過程進行嚴格的控制，給熱處理過程的控制設計和維護帶來了極大的方便，這是以往的儀表控制系統很難實現的。

1.2.2 開關量控制

作為繼電器控制的替代品，PLC的自動開關量控制提高了控制的可靠性，它用中間繼電器控制系統動作，根據順序控制器的公式進行設計，畫出順序控制器控制部分梯形圖，并根據模擬仿真進行檢查，保證設計的規范化。

1.2.3 位置控制

在工業自動化控制中，位置控制占有很重要的地位。工業生產中，機床刀具串刀補償控制、主軸精確分度控制、搬運定位控制都是位置控制的方式。PLC可通過控制步進電機，給步進電機繞組發出脈沖，能精確地確定步進電機位移，來達到位置控制的目的。

1.2.4 系統集中控制

PLC不僅可以實現自動化控制，而且也適用于系統本身的控制，如控制系統故障檢測和顯示等。控制系統的原理是根據時限故障檢測和邏輯錯誤檢測的原則進行系統監控。由于機床設備在工作循環中的各工步運動在執行時都需要一定的時間，在檢測工步動作時可啟動定時器，并將定時器的輸出信號作為自動停機信號或啟動報警信號。

1.3 三電一體化和嵌入式系統

任何工業自動化系統都是由檢測儀表或傳感器（電測），自動控制裝置（電控）和以電力傳動為主的執行機構（電力傳動）構成的三電一體化系統。沒有符合檢測精度要求的電測儀表或傳感器和滿足動靜態技術指標要求的電力傳動執行機構，自動化控制裝置是不能發揮作用或難以達到要求的控制精度。雖然三電系統的各種裝置是由各個廠家的產品集成，但是只有全面地掌握三電綜合技術才能承擔和完成自動化工程項目，特別是大中型工業自動化工程項目。計算機技術、通信技術和控制技術在工業自動化控制領域有機結合的產物和產品升級，實現控制系統更高一級高精度、高性能、高可靠、高適應性，多功能、低消耗等功能成為現場總線技術發展最新趨勢。而促進系統組態傻瓜化是現場總線在應用上又一新發展趨勢。針對總線傳輸速度而言，應繼續發展和完善低速現場總線技術，同時注重高速現場總線技術的研發。綜合自動化系統是為實現企業綜合自動化而提出，相應的ERP/MES/PCS三層結構體系是當今世界工業自動化技術的另一發展趨勢。

2.工業自動化控制系統的發展展望

隨著IT和控制技術的融合的不斷深入，工業自動化控制技術正在向智能化、網絡化和集成化方向發展，自動控制的三大構成系統也將有新的突破。

PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展。在基于PLC自動化的早期，PLC體積大而且價格昂貴。但在最近幾年，微型PLC已經出現，價格只有幾十到幾百歐元不等。隨著軟PLC（Soft PLC）控制組態軟件的進一步完善和發展，安裝有軟PLC組態軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。當前，過程控制領域最大的發展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展，PLC也不例外。現在越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口。可以相信，PLC將繼續向開放式控制系統方向轉移，尤其是基于工業PC的控制系統。

DCS將向信息管理系統和計算機網絡控制擴展，將過程控制和信息管理系統緊密結合起來，構成計算機集成過程系統（CJPS）。CIPS除了要完成傳統DCS過程控制的功能外，還要實現運行支持和決策支持的功能，包括質量控制、過程管理、在線優化、經營管理、決策分析等。網絡是當今工廠自動化的核心，是計算機集成過程系統的基礎，而工廠自動化的每一層都有適用于自己的網絡。計算機集成技術和現場總線的發展，將對DCS的結構產生重大影響。目前DCS的結構將受到上下肢解，上層工作站將與CIPS緊密結合，DCS將演變成CIPS的低層部分；在現場級，現場總線的應用將使傳統的DCS輸人輸出結構徹底改變。現場總線將對自控領域帶來深刻影響，工業控制系統的體系結構將以統一的現場總線為紐帶構成，現場控制系統（FCS）代稱將是新世紀的開放控制系統。

工業計算機，從軟交換機到即插即用的通信服務器，將成為一個與信息網絡融為一體、以人為中心的隨時隨地地服務平臺。各種各樣的工業計算機技術將無處不在，它們將通過多樣化網絡通信方式，無縫地集成在一個信息網絡里，隨時隨地為人們提供所需要的豐富多彩的服務，而又不為人所察覺。新的工業計算機體系結構有更強的交互和互操作性，同時也是多種信息系統的融合平臺。