工业控制系统中所蕴藏的革新动力依然未停,其中主要呈现出三个发展趋势:新型现场总线控制系统、基于个人电脑的工业控制计算机以及管控一体化系统集成技术。
随着科技的日新月异,计算机控制系统历经了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统(DCS)等等阶段之后,即将迈向全新的现场总线控制系统(FCS)。所谓现场总线控制系统(FCS),实际上是一种连接现场智能设备及自动化控制设备的双向串行、数字化、多节点通信网络,亦被誉为现场底层设备控制网络。新一代的现场总线控制系统正在从实验室走向实际应用,无疑对未来工业控制系统的发展产生深远影响。许多业内人士深信,经过一段时间的发展,现场总线控制系统将会逐渐与分布式控制系统融汇贯通,最终实现后者的替代。展望未来,那些能够遵循现场总线通信协议亦或者具备与其交换信息能力的可编程逻辑控制器,必将成为新一代PLC的主宰力量,从而充分展现出其在开关量处理方面无与伦比的优势。
尽管现场总线为基础的FCS发展速度迅猛,然而该领域仍需进一步付出巨大努力,例如统一标准的制定、仪表智能化程度的提升等等。此外,对于传统控制系统的维护与改造而言,DCS仍然扮演着至关重要的角色,因此FCS全面取代传统的DCS尚需时日,同时DCS自身亦在持续发展与完善之中。毫无疑问,融合了DCS、产业以太网、先进控制等新兴技术的FCS将拥有无比强大的生命力。产业以太网以及现场总线技术作为一种灵活便捷且可靠性极高的数据传输手段,已经在产业现场得到了日益广泛的应用,并将在控制领域占据更为重要的地位。
自上世纪90年代初期进入军工自动化领域以来,工业PC正以势如破竹之势深入各个行业,赢得了广泛的应用。究其原因,主要得益于PC机的开放特性,其丰富的硬件资源、软件资源以及人力资源,使得广大工程技术人员纷纷投身其中,同时也深受广大群众的喜爱。基于个人电脑(包括嵌入式PC)的工业控制系统,正以每年超过20%的增长率飞速发展。各大可编程逻辑控制器厂商、工业控制系统集成商也纷纷采纳工业PC的技术路线,使得基于个人电脑的工业控制技术成为了本世纪初的主流技术之一。
工业PC低廉的成本,正是其有望成为工业控制自动化主流的另一关键因素。在传统自动化系统中,基础自动化部分几乎被PLC和DCS所垄断,而过程自动化和管理自动化部分则主要依赖各类高端过程计算机或小型机来完成,这些设备的硬件、系统软件以及应用软件的价格之昂贵让众多企业望而生畏。在企业发展的初级阶段,选择走低成本工业控制自动化之路无疑是明智之举,而且鉴于基于工业PC的控制器已被证实其可靠性堪比PLC,同时具备易于被操作和维护人员接受、易于安装和使用以及实现高级诊断功能等诸多优点,为系统集成商提供了更多元化的选择,因此越来越多的制造商开始在部分生产环节中采用工业PC控制方案。
众所周知,工业PC与PLC在高端应用领域的竞争日益激烈,特别是那些涉及到复杂数据处理及高度设备整合的场景。从长远来看,我们有理由相信,未来的控制系统必将逐步趋向于平衡工业PC和PLC两者的优势,而目前这种融合的迹象已然开始显现。在未来的很长一段时间里,现场总线技术、可编程逻辑控制器以及工业PC都将在各自擅长的方向上发挥作用,互相支持,相辅相成,然而,工业PC将以更明显的优势占据主导地位,其应用范畴势必会迅速覆盖所有的工业控制领域。
伴随着互联网技术对工业控制领域的深度渗透,控制系统与管理系统的有机结合将成为不可避免的趋势,这无疑给工业自动化行业带来了长期以来所追求的理想状态——管控一体化、工业企业信息化以及基于网络的自动化。这种管控一体化的策略能帮助企业找到真正满足新时代需求的最佳解决方案,从而显著提升企业的生产力水平,进一步巩固和加强自身在市场竞争中的地位。因此,新的工业控制技术发展方向是通过运用以太网及Web技术来创建开放式的分布式智能系统。在这种基于以太网和TCP/IP协议的技术标准下,我们能够提供模块化、分布式、可重复利用的工业控制方案。其中最为关键的部分便是开发出基于网络的工程化工业控制与管理软件。
构建管控一体化系统,需要综合考虑并集成各种类型的系统和技术。在众多系统集成的环节中,首要任务便是实现现场控制网络的多元化系统集成,这其中涵盖了三种典型的集成模式。首先是现场总线控制系统(FCS)与集散控制系统(DCS)的集成,具体来说,FCS负责完成基础的测量与控制回路,而DCS则作为更高层次的管理协调者,承担更为复杂的高级控制和优化功能。其次是现场总线控制系统(FCS)、集散控制系统(DCS)与可编程逻辑控制器(PLC)的集成,在逻辑连锁较为复杂的情况下,采用PLC、FCS完成基础的测量与控制回路,同时由DCS担任高层管理者,实现复杂的高级控制和优化功能。最后是多种FCS的集成,旨在解决不同通信协议间的转换难题,重点研究不同现场总线设备的互操作性以及统一的组态、监控和软件研发工作,以期实现无缝集成的同时,保证各独立系统的功能和性能不受任何损失或影响。此外,还需关注管理网络与控制网络的集成,在未来的企业管理实践中,大量的数据将源自控制网络。为了构建一套完整的企业应用软件系统,包括实时数据库、历史数据库、数据发布、数据挖掘、模型计算、过程仿真、配方设计、运行优化、参数检测、偏差分析以及故障诊断等功能,我们必须在Internet/Web应用网络环境上搭建各类数据库,这样才能真正实现管控一体化的目标。该系统不仅能为控制软件提供智能化的决策支持,而且还能为管理软件提供具有重要参考价值的数据信息。