關(guān)于自動化領(lǐng)域的一些進展與評論

1、關(guān)于自動化領(lǐng)域的一些進展與評論費敏銳(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海,200072摘要本文針對國際上自動化領(lǐng)域的一些最新進展,以及我國在該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及動向,提出在先進控制及系統(tǒng)、現(xiàn)場總線、自動化軟件等三大關(guān)鍵技術(shù)中,網(wǎng)絡(luò)控制策略及系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)以及基于增強/虛擬現(xiàn)實的實時交互界面將成為發(fā)展熱點。關(guān)鍵詞:工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)控制、工業(yè)以太網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實1 引言自動化是一個內(nèi)涵與外延非常豐富的術(shù)語。當(dāng)前,我國提出了信息化帶動工業(yè)化的口號,而真正落實,離不開自動化,即信息化只有通過自動化,才能帶動工業(yè)化。自動化領(lǐng)域主要涉及三個共性的、基礎(chǔ)性支撐技術(shù),概括起來就是:控制(控制策略及實現(xiàn)裝置、系統(tǒng)(

2、系統(tǒng)構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)通信和信息(信息處理與人機交互。事實上這三方面互相融合、互為補充,目前主要體現(xiàn)在三大關(guān)鍵技術(shù)上,即先進控制及系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、自動化軟件技術(shù)。先進控制及系統(tǒng)是指采用先進控制和智能控制策略對工業(yè)生產(chǎn)過程及機電設(shè)備、工藝裝備進行控制的計算機系統(tǒng),包括軟件、硬件設(shè)備。廣義上講,主要產(chǎn)品類型有工業(yè)控制用計算機(IPC、分散控制系統(tǒng)(DCS、現(xiàn)場控制系統(tǒng)(FCS、可編程控制器(PLC和嵌入式計算機系統(tǒng)等?，F(xiàn)場總線(Fieldbus屬自動化領(lǐng)域中計算機通信體系的最底層網(wǎng)絡(luò),但從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通信技術(shù),都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。根據(jù)IEC61158標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場總線指連接智能現(xiàn)場設(shè)備和

3、自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)在自動化領(lǐng)域相結(jié)合的產(chǎn)物,它的出現(xiàn),為儀器儀表的更新?lián)Q代、產(chǎn)品升級以及實現(xiàn)進一步的高精度、高性能(特別是多參數(shù)在線實時測控與自動測控、高穩(wěn)定、高可靠、高適應(yīng)性、多功能、低消耗等提供了巨大發(fā)展空間。自動化軟件最初的概念是組態(tài)(configuration,主要內(nèi)涵是人機界面(HMI,即解決人機對話界面問題。目前已泛指基于PC和WinIntel結(jié)構(gòu),包括HMI軟件及相關(guān)的控制軟件、流程監(jiān)控軟件、軟邏輯(SoftLogic的統(tǒng)稱,具有工業(yè)過程動態(tài)可視化、數(shù)據(jù)采集和實時管理、過程監(jiān)控和報警、過程質(zhì)量控制和優(yōu)化、報表

4、生成和打印等功能及特征。隨著全球自動化需求的增長、IT技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,基于PC的自動化技術(shù)得到了迅猛的普及、發(fā)展,自動化軟件的發(fā)展有了更廣闊的空間。綜觀最近三十年自動化領(lǐng)域的發(fā)展歷程,特別是以微型化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)的自動化裝置和系統(tǒng)的演變過程,可以看出,除計算機軟硬件本身的發(fā)展外,計算機通信與網(wǎng)絡(luò)、軟計算與先進控制策略、系統(tǒng)仿真與人機交互等高科技已成為影響和推動自動化領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。2網(wǎng)絡(luò)控制策略及系統(tǒng)先進控制技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大、復(fù)雜程度的不斷提高,為了克服傳統(tǒng)控制策略的不足并獲得更好的控制效果,各種先進控制策略應(yīng)運而生,比如基于模糊邏輯、神經(jīng)

5、網(wǎng)絡(luò)或遺傳算法的控制、魯棒控制以及預(yù)測控制等等。同時,近年來由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及,相關(guān)設(shè)備成本逐年下降,特別是網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的極大提高和網(wǎng)絡(luò)資源的極大豐富,使網(wǎng)絡(luò)概念和方式被越來越多地滲透到自動化領(lǐng)域,包括控制系統(tǒng)中。這些基于網(wǎng)絡(luò)的控制方式具有布線方便和經(jīng)濟、系統(tǒng)組建和數(shù)據(jù)傳輸靈活、網(wǎng)絡(luò)資源分散且共享、適于復(fù)雜對象控制等特點,因此,正被越來越多的控制系統(tǒng)所采用。這些網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的出現(xiàn),為先進控制策略的應(yīng)用提供了新的手段。但是,由于一般網(wǎng)絡(luò)會誘發(fā)各種不確定性現(xiàn)象,包括網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時和信息丟失等。這些現(xiàn)象的出現(xiàn),必然會對這些基于網(wǎng)絡(luò)的先進控制系統(tǒng)造成系統(tǒng)控制性能下降,甚至造成系統(tǒng)由穩(wěn)定變

6、為發(fā)散。因此,網(wǎng)絡(luò)非確定性對控制系統(tǒng)的影響是當(dāng)前國際控制界前沿性的一個重要研究方向。國內(nèi)的相關(guān)研究還剛剛開始,而國外的研究始于九十年代后期。該研究主要針對網(wǎng)絡(luò)堵塞比較嚴(yán)重的情況,而此時原有先進控制策略已不再適用。Branicky、Zhang和Lian分別提出了具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模及其穩(wěn)定性分析方法,并由此推出了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時的補償算法。Almutairi針對直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的延時問題,采用模糊調(diào)節(jié)器補償網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時,使原先發(fā)散的系統(tǒng)變得穩(wěn)定。但是,由于網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時的不確定性,目前國際上還沒有一種有效的工具對該類系統(tǒng)進行確定性設(shè)計,而只能對其進行一些簡單的定性分析,這在實

7、際應(yīng)用中存在較大的局限性。如果誰能面對這一挑戰(zhàn),緊緊抓住機遇,就有希望占據(jù)這一制高點,從而獲得面向新一代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的、具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的先進控制算法及軟件。3工業(yè)以太網(wǎng)正快速挺進現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域由于國際上發(fā)達(dá)國家和地區(qū)、各大儀表公司為了維護自身的經(jīng)濟利益,增強競爭實力,紛紛推出各自的現(xiàn)場總線協(xié)議,由此形成了群雄割據(jù)的局面。國際電工委員會(IEC在2000年頒布的現(xiàn)場總線開放協(xié)議仍有8種控制網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和3種設(shè)備網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)憑借其超過80%的市場份額,在世界范圍內(nèi)的局域網(wǎng)市場上處于領(lǐng)先地位。特別是近年來,由于Internet通信協(xié)議TCP/IP已成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),而PC 機、工業(yè)PC機逐漸

8、成為企業(yè)采用的主流機型,因此在企業(yè)中越來越多地采用以太網(wǎng)、FDDI主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)形式,工業(yè)以太網(wǎng)也就應(yīng)運而生。工業(yè)以太網(wǎng)是一種遵循網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3(以太網(wǎng)的開放式、多供應(yīng)商、高性能的區(qū)域和單元級網(wǎng)絡(luò),其實質(zhì)是在開放的以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上再各自定義了用戶層協(xié)議。國際上有一些人認(rèn)為以太網(wǎng)將會取代現(xiàn)場總線。也有不少人認(rèn)為它并不會馬上全部取代現(xiàn)場總線,因為它們之間還是有許多不同,如總線供電、本安防爆等。目前做得較多的是現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)、TCP/IP的結(jié)合,如ControlNet、DeviceNet 和Ethernet/IP聯(lián)合推出的CIP,Foundation Fieldbus推出的HSE,Pro

9、fibus推出的ProfiNet,以及WorldFIP TCP/IP等。2002年1月,美國科動控制公司向業(yè)界正式推出CTRLinkTM系列新產(chǎn)品,為今年新一輪工業(yè)以太網(wǎng)的國際競爭拉開了序幕。此外,亞洲第一大串行通信產(chǎn)品制造商的臺灣摩沙科技公司推出了專為工業(yè)自動化應(yīng)用設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)交換器MOXA Nswitch;瑞典HMS公司AnyBus是一系列可互換的現(xiàn)場總線通信接口產(chǎn)品,支持當(dāng)前所有流行的現(xiàn)場總線以及工業(yè)以太網(wǎng)等;德國WAGO公司的現(xiàn)場總線輸入/輸出系統(tǒng),除支持Profibus-DP/FMS,DeviceNet, Modbus, Interbus, CANBus, Lightbus,

10、LonWorks等多種現(xiàn)場總線,也支持工業(yè)以太網(wǎng)。眾所周知,現(xiàn)場總線前一輪競爭的熱點是國際標(biāo)準(zhǔn),最后Profibus與FF兩種現(xiàn)場總線鷸蚌相爭的結(jié)果是其它現(xiàn)場總線漁翁得利,產(chǎn)生了包括8+3種現(xiàn)場總線的IEC標(biāo)準(zhǔn)。前一輪沒有贏家,下輪競爭的熱點將是以太網(wǎng)用戶層之爭,誰在以太網(wǎng)的用戶層或以太網(wǎng)的整合方式上搶得先機,誰就將在今后的競爭中贏得主動,其社會經(jīng)濟效益不可估量。4增強/虛擬現(xiàn)實自動化軟件未來重要的實時交互界面技術(shù)自動化軟件已經(jīng)成為構(gòu)造企業(yè)綜合自動化的、承上啟下的重要組成部分。在未來企業(yè)的信息化進程中,自動化軟件將成為中間件,因為自動化軟件不僅涉及企業(yè)工藝、控制、生產(chǎn)制造問題,又能完成現(xiàn)場歷史

11、數(shù)據(jù)的記錄、存儲并為ERP提供接口。隨著TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、多媒體、Client/Server以及COM/DCOM等影響深遠(yuǎn)的新技術(shù)出現(xiàn),自動化軟件中也相應(yīng)地采用了IT界最新技術(shù),如ActiveX、視頻監(jiān)視、OPC規(guī)范、工業(yè)以太網(wǎng)以及WEB技術(shù)等。而如何提高計算機對信息的表達(dá)能力,創(chuàng)造擬人化的人機界面,已越來越成為提高自動化軟件的重要突破口,因為其中蘊涵著巨大商機。IT界的虛擬現(xiàn)實技術(shù)給擬人化人機界面帶來了曙光,并迅速成為人機交互研究的最前沿。由于虛擬現(xiàn)實所涉及技術(shù)的多樣性,系統(tǒng)集成的復(fù)雜性和應(yīng)用范圍的廣泛性,至今沒有統(tǒng)一的定義。從廣義上看,美國學(xué)者Jerry Isdale提出的觀點,即“虛擬現(xiàn)

12、實是一種供人想象、操作及與計算機和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行交互的方式”已為人們基本認(rèn)同。虛擬現(xiàn)實的實質(zhì)是著眼于實現(xiàn)一種使計算機主動適應(yīng)人類思維和操作的人機交互方式,是人機協(xié)作發(fā)展到最高階段的產(chǎn)物。借助虛擬現(xiàn)實這一擬人化的人機交互方式,構(gòu)建一種有臨場感的、更直觀友好的前臺信息監(jiān)控界面。這樣,監(jiān)控中心的操作人員或遠(yuǎn)程用戶可以借助網(wǎng)絡(luò)和虛擬環(huán)境設(shè)身處地地考察某一局部的生產(chǎn)過程或是整個企業(yè)宏觀的運營情況。現(xiàn)場用戶還可通過對虛擬對象的多層次監(jiān)視和診斷,得到甚至現(xiàn)場攝像也無法得到的內(nèi)部狀態(tài)的三維可視化造型,從而更直觀、便捷地監(jiān)視和操作底層的現(xiàn)場設(shè)備。目前西門子公司已開始研究三維交互、可視化技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的

13、應(yīng)用技術(shù),包括實時成像、圖像處理和分析、增強虛擬環(huán)境、三維處理與可視化等,其中部分成果已在實驗室完成。市場發(fā)展趨勢預(yù)測:以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的自動化軟件三維交互界面的應(yīng)用將在最近的三至五年內(nèi)成為可能。事實上,IT界巨人微軟公司也正在策劃著一場涉及千家萬戶的Windows可視化界面的革命。同時,作為融合了視頻監(jiān)視和虛擬現(xiàn)實的新一代增強現(xiàn)實技術(shù),由于在實時性、直觀性方面更有優(yōu)勢,必將獲得最終應(yīng)用,從而給自動化軟件的人機交互理念及界面帶來重大影響和變革。5 自動化領(lǐng)域我國發(fā)展現(xiàn)狀及動向下面著重從科技投入、攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化等實例來說明我國自動化領(lǐng)域的現(xiàn)狀和動向。在“九五”期間,中國科學(xué)院自動化研究所綜合自

14、動化工程研究中心以國家科技攻關(guān)項目“新一代全分布式控制系統(tǒng)研究與開發(fā)”中的專題“基于現(xiàn)場總線的先進控制技術(shù)”為基礎(chǔ),自主開發(fā)了多變量預(yù)測控制軟件包,旨在替代昂貴的進口軟件,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低企業(yè)的成本;以專題“基于HART的控制系統(tǒng)軟件開發(fā)”為基礎(chǔ),自主開發(fā)了基于HART的過程監(jiān)控系統(tǒng)(HCVS軟件,符合HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),能夠推廣到FF、Profibus及DCS等系統(tǒng)的控制監(jiān)控,性能可與國際上的同類產(chǎn)品比較,在性價比方面優(yōu)于國外產(chǎn)品。該工程研究中心在十多個國家及石化、冶金行業(yè)攻關(guān)專題的基礎(chǔ)上,自行研究開發(fā)了一套通用的基于多現(xiàn)場總線及Internet的新一代綜合自動化系統(tǒng)MFIAS,達(dá)到國際先進

15、、國內(nèi)領(lǐng)先的水平,并作為工業(yè)過程自動化重大專項已由國家計委立項進行產(chǎn)業(yè)化。浙大中控出色完成了國家九五重點科技攻關(guān)項目“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”,獲2000年國家科技進步二等獎,在HART、FF、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)等總線技術(shù)方面取得了一系列的研究和應(yīng)用成果,如基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制系統(tǒng)WebField,實現(xiàn)了HART、FF現(xiàn)場總線、Profibus等多種標(biāo)準(zhǔn)總線兼容和異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成的“智能化工廠”;而另一個重量級成果是“SUPCON-EPA 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及其控制系統(tǒng)的研究”項目，提出了基于以太網(wǎng)的 EPA（Ethernet for Process Automation）工 業(yè)現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)

16、議（草案） ，達(dá)到國際先進水平。此外，浙大中控還推出 了得到國家 863/CIMS 主題資助的綜合集成軟件和優(yōu)化與先進控制軟件包 AdvanTrol-PIMSTM（現(xiàn)為 APC-PIMS） 。 上海電氣集團公司下屬埃通電氣股份有限公司于 2000 年底承擔(dān)了國家計委“基 于 DeviceNet 現(xiàn)場總線的智能設(shè)備與測控系統(tǒng)”的高科技產(chǎn)業(yè)化示范工程項目， 國家投資 700 萬。上海大學(xué)承擔(dān)了“基于 DeviceNet / Profibus 的智能泵/閥樣機 及其 FCS 系統(tǒng)”子項目，于 2001 年 7 月通過專家鑒定，達(dá)到同類產(chǎn)品的國際先 進水平。 目前該項成果正轉(zhuǎn)化到開能公司總承包的垃圾發(fā)

17、電工程智能測控系統(tǒng)中。 此外， 上海大學(xué)已開發(fā)完成了采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的企業(yè)監(jiān)控信息的三維流程界面 軟件。該軟件能通過 DeviceNet 實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和三維交互操作，可與 iFIX 等 流行的自動化軟件實現(xiàn)無縫連接，并具有虛擬場景的 WEB 化發(fā)布功能，達(dá)到了 國際先進水平。 在“十五”期間，國家 863 計劃在先進控制技術(shù)方面支持的項目有：復(fù)雜工業(yè)過 程的先進控制技術(shù)與軟件（清華大學(xué)） ，基于機理動態(tài)模型的先進控制技術(shù)（石 油大學(xué)）等。國家 863 計劃在現(xiàn)場總線及相關(guān)技術(shù)方面支持的項目有：基于高速 以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備（浙江大學(xué)） ，現(xiàn)場級無線以太網(wǎng)協(xié)議研究及設(shè) 備開發(fā)（中科院沈

18、陽自動化所） ，基于“藍(lán)牙”技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) 及其關(guān)鍵技術(shù)研究（重慶郵電學(xué)院）等。 在“十五”國家科技攻關(guān)計劃中， “工業(yè)過程控制技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”項目中的課 題有： 先進控制與優(yōu)化軟件及綜合自動化軟件平臺產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù) （浙江中控） 、 基于多種現(xiàn)場總線的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（浙江大學(xué)） 、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù) （北京華控技術(shù)有限公司） 、基于現(xiàn)場總線的分散控制站（中國科學(xué)院沈陽自動 化研究所）等。 北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司自主開發(fā)了 MACS 系統(tǒng)（新一代控制系統(tǒng)， 采用 ProfiBus 現(xiàn)場總線技術(shù)， 同時提供 FF、 RS485 等接口， 實現(xiàn)全集成） FODCS 和

19、過程控制系統(tǒng)（基于現(xiàn)場總線 ProfiBus DP 技術(shù)，完全開放，結(jié)構(gòu)靈活，技術(shù)先 進，能實現(xiàn)自校正 PID，Smith 預(yù)估器、模糊控制、預(yù)測控制、無模型先進控制 器等） 。該公司在全國 32 個省、市的 14 個行業(yè)簽定項目合同總計 1025 項。在此 基礎(chǔ)上，該公司推出了一個人性化的企業(yè)信息化模式生命工廠。 北京亞控科技發(fā)展有限公司是專業(yè)從事工業(yè)自動化軟件開發(fā)、生產(chǎn)、營銷、服務(wù) 于一體的高科技公司。該公司的組態(tài)王（工業(yè)通用組態(tài)）軟件已有 9000 例工程 的現(xiàn)場運行。最新開發(fā)的組態(tài)王 6.5 版本在國內(nèi)市場有能力與國外先進的工控組 態(tài)軟件抗衡。此外，亞控科技的新一代產(chǎn)品-KingACT

20、 是基于 PC 的實時控制軟 件，支持現(xiàn)場總線協(xié)議，如 Profibus、CAN 等。 6 結(jié)束語 根據(jù)國際國內(nèi)應(yīng)用需求、技術(shù)積累和發(fā)展趨勢，今后自動化領(lǐng)域發(fā)展熱點將包括 三大關(guān)鍵技術(shù)：第一，面向新一代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、針對混合信號（多媒體和一般 模擬/數(shù)字信號）的智能/先進控制技術(shù)；第二，工業(yè)以太網(wǎng)和多現(xiàn)場總線技術(shù)， 以及相關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和兼容的無線通信技術(shù)；第三，采用虛擬現(xiàn)實、視頻圖 象以及集成的增強現(xiàn)實技術(shù)的三維可視化實時監(jiān)控界面技術(shù)。 主要參考文獻(xiàn) 1 Branivky M.S. Stability of Hybrid Systems: State of the Art. Proc. of IEEE Conf. Decision and Control, San Diego, 1997, p120-125 2 Wei Zhang; Michael S. Branicky; and Stephen M. Phillips, Stability of Network