機(jī)電一體化技術(shù)與自動化發(fā)展趨勢（下篇）

發(fā)布日期：2012-05-29 11:49  瀏覽次數(shù)：

一、 執(zhí)行儀表、運(yùn)動控制及主流伺服系統(tǒng)正成為熱點(diǎn)：
    在過程控制領(lǐng)域，執(zhí)行儀表是以電-氣閥門定位器+氣動薄膜調(diào)節(jié)閥為主，其它有氣缸或調(diào)節(jié)閥、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電-液調(diào)節(jié)閥）、電動調(diào)節(jié)閥等?？傊窃谝怨芾淼阑癁橹鞯墓に囇b備中，以改變閥門的開度為目的直行程和角行程的執(zhí)行儀表為主流設(shè)備。近年來，以滿開/滿關(guān)為主要形式的電磁閥、閥組等也在大量使用。但是離散控制領(lǐng)域的執(zhí)行部件就形式多樣了，特別是以旋轉(zhuǎn)設(shè)備——電機(jī)為主的控制，已經(jīng)得到很大發(fā)展。兩個領(lǐng)域的執(zhí)行部件共性是速度反饋和位置反饋的控制技術(shù)。
    變頻柜、軟啟動柜等已得到普及，在節(jié)能等方面已取得成效，本文不準(zhǔn)備進(jìn)一步闡述了。在上世紀(jì)中葉，伺服機(jī)構(gòu)、直流閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)、交流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)問世，從90年代以來，運(yùn)動控制名詞悄然流行，它是相對于電力拖動及電機(jī)傳動控制而言的一個分支。運(yùn)動控制是指通過對電機(jī)等機(jī)電機(jī)構(gòu)的控制，使機(jī)電機(jī)構(gòu)產(chǎn)生期望的運(yùn)動，運(yùn)動控制為轉(zhuǎn)速、位置、力矩三個參數(shù)的組合控制，較終保證運(yùn)動參數(shù)和運(yùn)動軌跡為予定值。它涵蓋于運(yùn)載工具、數(shù)控機(jī)床（CNC）、機(jī)械加工生產(chǎn)線、包裝設(shè)備、紡織、印染設(shè)備、機(jī)器人及多種機(jī)電一體化設(shè)備和民用設(shè)施，所以受到重視。
    較近交流伺服系統(tǒng)的性能/價格比已具有競爭力，特別是全數(shù)字式交流永磁伺服電機(jī)，DSP嵌入式芯片技術(shù)的發(fā)展，受到青睞，所以前景看好。本文要著重說的，乃是作為主流伺服系統(tǒng)在運(yùn)動控制中要求實(shí)時性很高，如實(shí)時響應(yīng)時間要求小于1ms、同步傳送和抖動小于1ms，在要求更高的地方，可能為納秒（ns）級。分布式交流伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)走向市場、羅克韋爾的SERCOS、倫茨的SystemBus及知名的Profibus、Interbus、DevuceNet等均可以完成分布式交流伺服控制，其上層通信仍采用CIP協(xié)議及CIPSync規(guī)范，才能獲得更好的實(shí)時性和可互操作性。
    IEEE1588為用于測量和控制網(wǎng)絡(luò)的分布時鐘定義了一個精確時間同步協(xié)議（Preci Sion Time Protocol，PT），它為在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)時間同步提供了工作原理。CIPSync實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備的高精度（+100ns）時間同步以及分布式運(yùn)動控制，即包括多個伺服控制器的協(xié)同、伺服控制器及多伺服驅(qū)動器的協(xié)同。它借助CIPSync/IEEE1588對于網(wǎng)絡(luò)上的各伺服驅(qū)動器的時鐘，結(jié)合帶時間標(biāo)記位置信號進(jìn)行伺服同步，它考慮使用基于以及網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且是適合于精度在微秒范圍內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)的同步。
    CIPSync以外，還有SynqNet運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)，由Motion Engineering公司開發(fā)，支持高性能集中控制，支持它的伺服電機(jī)廠商較多，具有自愈容錯、精確捕獲技術(shù)、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，所以分布式和集中式交流伺服控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)該互相結(jié)合。
   
    二、 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段
    上文中基金會現(xiàn)場總線的FFHSE、CIP或EtherNet/IP均為現(xiàn)在俗稱的工業(yè)以太網(wǎng)，還有這次FA/PA展會上西門子等公司的PROFINET，三種均通過IEC61158及IEC61784標(biāo)準(zhǔn)，又2004年1月IEC/C65C/JWG10-13等4個工作組通過6種以太網(wǎng)技術(shù)工作IEC的PAS公共可用規(guī)范文件，它們是：中國的EPA、德國Beckhoff公司的EtherCAT、IAONA的EPL（EtherNet PowerLink）、日本橫河的V-net、日本東芝的TCnet、法國施耐德的ModbusTCP(RTPS)。當(dāng)然除這9種以外，采用EtherNet/TCP(UDP)/IP的工業(yè)以太網(wǎng)還很多。EPA（EtherNet for Plant Automation）它采用了分段化結(jié)構(gòu)和確定性通信調(diào)度控制策略，解決了通信確定性、互操作性、開放性等問題，可直接應(yīng)用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)程I/O、現(xiàn)場控制柜等現(xiàn)場設(shè)備間通信，即做到“E網(wǎng)到底”，目前正處于產(chǎn)業(yè)化階段。
    選擇以太網(wǎng)，還必須把wet技術(shù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用搞到位，也就是說，要讓相關(guān)的人們放心的去瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而在地域方面使生產(chǎn)方式發(fā)生變化，促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。
   
    三、 系統(tǒng)集成、電控儀控一體化、管控一體化任重道遠(yuǎn)：
    系統(tǒng)集成一詞的流行始于80年代末、90年代初，Integrated System和System Integration，在系統(tǒng)解決方案（Solution）流行的今天，已經(jīng)逐漸界限不清了。PLC可編程控制器和人機(jī)界面HMI之間，在硬件接口的基礎(chǔ)上，采用DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換發(fā)展到OPC（過程控制的對象鏈接嵌入），是一大進(jìn)步，近來將與EDDL結(jié)合，解決互操作性問題。又IEC61131-3在組態(tài)方面對系統(tǒng)集成也影響很大。隨著多種現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)，又使通信接口產(chǎn)品豐富起來，現(xiàn)在不只是一個產(chǎn)品上有多種接口，而且各種互聯(lián)的接口卡產(chǎn)品也很多，這兩個展會上均有多家接口產(chǎn)品，如美國Woodhead公司、Prosoft公司的產(chǎn)品就有幾十種，可以滿足系統(tǒng)集成的需要。
   
    系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段。2003年發(fā)布了ISO15745標(biāo)準(zhǔn)，它解決了系統(tǒng)集成的應(yīng)用需求和接口兩個基本問題，該標(biāo)準(zhǔn)全稱為：工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成——開放系統(tǒng)應(yīng)用集成框架，分為4部分：通用參考描述、以ISO11898標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的參考描述、以IEC61158標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)參考描述、以以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的參考描述。先進(jìn)部分提出了開放系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架（Application Integration Framework，AIF），它定義了一些元素和規(guī)則，構(gòu)成集成模型來表示應(yīng)用需求，并開發(fā)應(yīng)用互操作專用規(guī)范AIP，這個AIP是接口規(guī)范的表示形式，并要求開發(fā)AIP時，應(yīng)用UML、XML等來拱和表達(dá)。這些，對系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展起到了里程碑式作用。
    系統(tǒng)集成面臨的應(yīng)用需求中，電控、儀控一體化及管控一體化是首要的問題，而各個用戶企業(yè)對這兩大主題是既有共性又有個性的需求。電控儀控一體問題通過上面幾節(jié)已經(jīng)有一定了解。管控一體化的三層結(jié)構(gòu)，這是共性，其中MES層是熱點(diǎn)，MESA（Manufacturing Enterprise Solution Association）對MES作如下定義：MES能通過信息傳遞對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。我們以前比較我的注意MES本身，現(xiàn)在，逐漸理解到應(yīng)該對系統(tǒng)集成的深度給予關(guān)注。由于國內(nèi)在管控一體化項(xiàng)目中滿意度高者較少，所以形成了曠日持久的局面。一線的應(yīng)用實(shí)踐與計(jì)算機(jī)專業(yè)人員的完善化應(yīng)該同樣受到重視。
   
    系統(tǒng)集成、電儀一體化、管控一體化是技術(shù)問題，也是藝術(shù)，要在務(wù)實(shí)和廣義的人機(jī)界面友好、人機(jī)親和力兩方面同時努力，才能使管控一體化的重任完成。

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