自動控制系統(tǒng)的發(fā)展與工業(yè)自動化展望

史巖清 景志強 黑龍江龍煤東化有限公司 154111

自動控制系統(tǒng)的發(fā)展與工業(yè)自動化展望

史巖清 景志強 黑龍江龍煤東化有限公司 154111

工業(yè)自動化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，是工業(yè)技術(shù)改造，技術(shù)進(jìn)步的主要手段和技術(shù)發(fā)展方向。工業(yè)自動化的技術(shù)水準(zhǔn)，不僅影響整個工業(yè)自動化的發(fā)展，而且對國民經(jīng)濟(jì)各部門的技術(shù)進(jìn)步有很大的直接影響，本文就我國工業(yè)自動化的發(fā)展前景進(jìn)行初步探討。

工業(yè)自動化；發(fā)展；前景

前言

自動化技術(shù)就是探索和研究實現(xiàn)自動化過程的方法和技術(shù)。它是涉及機(jī)械，微電子，計算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域的一門綜合性技術(shù)。同時自動化技術(shù)也促進(jìn)了工業(yè)的進(jìn)步，如今自動化技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造，電力，建筑，交通運輸，信息技術(shù)等領(lǐng)域，成為提高勞動生產(chǎn)率的主要手段。

一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展

自動控制就是在沒有人的直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按預(yù)定的運行規(guī)律支運行，使被控對象的一個或數(shù)個物理量能夠在一定的精度范圍內(nèi)按照給定的規(guī)律變化。導(dǎo)彈能準(zhǔn)確地命中目標(biāo)，火箭將人造衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，宇宙飛船能準(zhǔn)確地月球上著陸并安全返回，都是自動控制技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。

（一）經(jīng)典控制理論。1945年美國波德寫了《網(wǎng)絡(luò)分析與反饋放大器設(shè)計》，奠定了經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。在西方國家開始形成自動控制學(xué)科。1947年美國出版了名為《伺服機(jī)件原理》的第1本自動控制教材。50年代是經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟的時期。經(jīng)典控制理論主要用于線性定常系統(tǒng)，研究的對象是單輸入單輸出自動控制系統(tǒng)的問題。其核心是自動調(diào)節(jié)器，研究的主要內(nèi)容是穩(wěn)定性問題。技術(shù)工具類型為機(jī)械，氣動，液體，電子等，主要用于實現(xiàn)局部自動化，經(jīng)典控制理論是研究控制理論的基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論就是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

（二）現(xiàn)代控制理論。空間技術(shù)的需要和電子計算機(jī)的應(yīng)用，推動了現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。50年代末60年代初，空間技術(shù)的發(fā)展迫切要求對多輸入多輸出，高精度參數(shù)時變系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計，這是經(jīng)典控制理論無法有效解決的問題，于是出現(xiàn)了新的自動控制理論，稱為控制理論。以及現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，其核心為電子計算機(jī)，對象為多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，研究的主要內(nèi)容是最優(yōu)性問題，用于實現(xiàn)企業(yè)管理和控制綜合自動化。

（三）大系統(tǒng)理論和智能控制理論。它是控制理論向廣度和深度發(fā)展的結(jié)果。大系統(tǒng)是指規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。它涉及生產(chǎn)過程，交通運輸，計劃管理，環(huán)境保護(hù)，空間技術(shù)等方面的控制和信息處理問題。智能控制系統(tǒng)是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的就是機(jī)器人。

（四）計算機(jī)控制系統(tǒng)的類別。

（1）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。盡管數(shù)據(jù)處理不屬于控制的范疇，然而一個計算機(jī)控制系統(tǒng)離不開數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對和產(chǎn)過程大量參數(shù)和積累和實時分析，可以達(dá)到對生產(chǎn)過程進(jìn)行各種趨勢分析，計算機(jī)通過輸入通道對控制對象的參數(shù)作巡回檢測，根據(jù)檢測得的參數(shù)，按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計算，運算結(jié)果經(jīng)過輸出通道，作用到控制對象，使被控參數(shù)符合要求的性能指標(biāo)。

（2）監(jiān)督控制。監(jiān)督中計算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過程工藝能數(shù)不清數(shù)學(xué)模型給出工藝參數(shù)的最佳值，作為模擬調(diào)節(jié)器或數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例中項定值，監(jiān)督控制系統(tǒng)及控制現(xiàn)代計算機(jī)，通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的巨大發(fā)展，使得計算機(jī)控制系統(tǒng)不單純包含控制功能，現(xiàn)在歐美日等國家已大批量生產(chǎn)各種型號的集散型綜合近期制系統(tǒng)，盡管各種型號五花八門，然而它們的結(jié)構(gòu)都是大同小異的，它們才是由以微處理為核心的基本調(diào)節(jié)器，高還數(shù)據(jù)通道，衛(wèi)星計算機(jī)可以共享資源，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備能力以及其它資源可以得到充分利用。

（3）計算機(jī)控制系統(tǒng)組成

A、控制對象。控制對象是指所要控制的裝置或設(shè)備，控制對象用傳遞函數(shù)來表征時，其特性可以用放大系統(tǒng)K，慣性時間常數(shù)TM，積分時間常數(shù)T和純滯扣時間來描述。

B、執(zhí)行器。執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的重要部件，執(zhí)行器是根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制信號，改變輸了的角位移或直線位移，并通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的注量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求，執(zhí)行器按照采用的動力方式可以分為電動執(zhí)行器，氣動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器三大類。

C、測量環(huán)節(jié)。測量環(huán)節(jié)通常由傳感器和測量線路構(gòu)成，它把被近期參數(shù)轉(zhuǎn)換成某種形式的信號，應(yīng)達(dá)到在測量精度，測量范圍上符合要求，傳感器性能穩(wěn)定，可靠，重復(fù)性好，盡可能選擇線性度好，靈敏度較高的傳感器，電源種類盡量少，電源電壓盡量規(guī)范化。

D、數(shù)字調(diào)節(jié)器及輸入，輸出通道。數(shù)字調(diào)節(jié)器是以數(shù)字計算機(jī)為核心，數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律則是由編制的計算機(jī)程序來實現(xiàn)的，輸入通道包括許多路開關(guān)，采樣保持器，一模轉(zhuǎn)換器，輸出通道包括數(shù)－數(shù)轉(zhuǎn)換器及保持器。

二、工業(yè)自動化的發(fā)展前景

（一）工業(yè)智能化。從工業(yè)自動化儀表的發(fā)展趨勢看，智能化是其核心部分，所謂智能化表現(xiàn)在其具有多種新功能。在工業(yè)控制方面，過去控制的算法，只能由調(diào)節(jié)器或DCS來完成，如今一臺智能化的變送器或者執(zhí)行器，只要植入PID模塊，就可以與有關(guān)的現(xiàn)場儀表在一起，在現(xiàn)場實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)控制的徹底分散，從而減輕了DCS主機(jī)的負(fù)擔(dān)，使調(diào)節(jié)要加及時，并提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

（二）工業(yè)高精度化。由于工業(yè)生產(chǎn)對成品質(zhì)量的要求日益提高，國家的政策和法令對節(jié)能減排也有具體的要求和規(guī)定，因此提高測量儀表與控制系統(tǒng)的精度就被提上了議事日程。例如變送器的精度，資料庫從百分之零點七五提高到百分之零點零四，用于貿(mào)易交換計量的科錯質(zhì)量流量計，精度已達(dá)到百分之零點零五，部分氣體超聲波流量計的準(zhǔn)確度已達(dá)到百分之零點五，同時新一代的DCS也以此作為一個重要的指標(biāo)。

（三）工業(yè)無線化。現(xiàn)場總線本來是一種非常有前途的技術(shù)，理應(yīng)得到迅速的推廣，但由于國際標(biāo)準(zhǔn)的過多，影響了推廣，例如第一代總線型的現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到10多種。到年底，加上第二代的實時工業(yè)以太網(wǎng)，其國際標(biāo)準(zhǔn)可能會有20多種，而第三代的總線通信方案又在興起，而且各大跨國公司和有關(guān)組織都在制定各自的標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)生產(chǎn)要求高產(chǎn)，穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)，低耗，安全，環(huán)保，如果現(xiàn)場儀表能夠?qū)崿F(xiàn)通信無線化，電纜和維護(hù)的工人量都會大大減少，因此研發(fā)低功耗可靠的無線通信是當(dāng)前的一個重要課題。

三、安全儀表系統(tǒng)

隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，一旦發(fā)生事故，不但在經(jīng)濟(jì)上造成巨大的損失，而且人員傷亡和對環(huán)境的影響均非同小可，因此生產(chǎn)的安全問題日益受到重視。目前，一些化工或石化企業(yè)的安全系統(tǒng)，這樣企業(yè)的控制系統(tǒng)就由兩大部分組成。由于新型DCS的功能不斷擴(kuò)大，已經(jīng)有了安全儀表系統(tǒng)，因此也可以用一套具有SIS功能的DCS來統(tǒng)一管理，這樣業(yè)主當(dāng)然歡迎。

四、科學(xué)儀器的在線化

隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)，日益簡化，體積縮小，重量減輕，操作也更方便，價格也逐步降低。而且能在工業(yè)條件下操作，因此在過去只能在實驗室內(nèi)進(jìn)行離線操作的科學(xué)儀器，現(xiàn)在可以在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行在線運行了，例如質(zhì)譜儀居武鋼的高爐上試用，用來分析爐頂煤氣的成分，從應(yīng)用的角度來看，這種儀器也可看成工業(yè)自動化儀表中的一員了，今后這種趨勢還會加速發(fā)展。

五、MIV模式

目前新建的一些大型石化裝置如乙烯項目都采用了MIV承包模式，MIV就是主要用于儀表承包商。這種做法利于大型工程的建設(shè)，保證項目順利按時投產(chǎn)，如百萬噸級的乙烯項目，旗下產(chǎn)品很多，一般有十幾個裝置，需要同時投產(chǎn)，否則誤工一天，就會有上億元的損失，為了便于管理，工程公司和企業(yè)都愿意這樣做，但這種模式也不是一成不變的。

結(jié)束語

總而言之，我國工業(yè)發(fā)展應(yīng)用自動化技術(shù)，不但要起點高，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水準(zhǔn)，而且包括各種靈活的低成本，見效快的自動化技術(shù)，我們只有支持提高與普及相結(jié)合的方針，我國的工業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用才能走上高速度，高質(zhì)量和高效益的健康之路。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.061