总线技术的规划、研究、试制、试用、工程实践及推广应用。这是一项空前的系统工程,它集中了众多人的智慧,获得了众多人的称许,特别是得到了“大客户”的首肯。目前,FF成员338家,已注册产品为227种,通过HIST互操作测试认证的主控系统有11个。应用方面,有50万台现场仪表、8000套系统已投入应用,其中中国占7%,约80套系统,主要分布在石化和化工、石油和天然气、发电几个行业。上海赛科、中海油/壳牌南海项目两大工程均属世界上可数的大型工程,今年即将投产。这些将为我国大规模应用起到示范作用。在技术上国内也有很大进展,华控、沈阳自动化所(中科博微)等单位均研制出并取得FF注册资格的产品,已有10多种专业书籍出版。特别是如下几项技术得到了初步普及:H1的通信原理;H1的功能块组态和“现场控制”策略;现场设备辅助设备及主控系统的选择;H1网段设计及施工安装;设备描述语言(DDL)与互操作性等。而且对于增强型EDDL及FISCO防爆等新技术表现了很大的热情,这些都为今后在国内大规模应用打下了良好的基础
目前中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会(CFFC)于6个外商驻华机构组成的基金会现场总线中国市场委员会(FFCMC)正在联合开展活动。现在FF正处在类似于70年代末DCS所处的时期,作为一项新技术走向市场之路虽然艰辛的,但经过阵痛,新生的事物将像婴儿出世一样,一定会茁壮地成长起来。
检测技术、识别技术及信息融合技术受到重视
传感器技术这些年来正处于传统型向新型传感器转型的阶段,这将有另文专述。仅由于现场总线技术的助推,监测仪表的数字化、智能化、网络化已前进了一大步。特别是多变量变送器地成功上市,使一个变压变送器(如艾默生德的3015S和横河的EJX)可以完成流量测量及温压补偿、流量积累、显示球罐内液体体积和进行导管堵塞、蒸汽拌热诊断等一些列功能,而且还准备增加孔板磨损监测等功能,设备管理能得到更多有用信息。数字化和网络化为现场设备丰富的信息提供了畅通的渠道,为单信号向多信息采集转变创造了条件,加之检测技术进步,诸如温度场测量等传感器地出现,逐步使这种转变成为可能。
现在工业上大量的变送器均为直线取样,而人工取样等形式不被推荐;取样点或取样设备是固定的、连续的,而断续取样、多点取样、移动取样却很少成为控制中有用信号;又检测物理量、电量以外,化学量就较少了,属于图像识别、遥感技术、视觉机器、声音测量,特别是条形码、射频识别(RFID)等属于管理范畴的跟踪、搜寻、捕获等技术,都很少当作控制用;近来发展起来的软测量技术或称为工艺算法等,多把它装在上位机或控制室内,作为“数学模型”变级控制处理。这些按信息化的要求,都可以商榷。如近年来提出多传感器信息(数据)融合(Multi-Sensor Data Fusion, MSDF),简称信息融合技术;它对多个传感器的的数据进行多级别、多方面、多层次的处理,从而产生新的有意义的信息。这项技术在大型设备监测、电力系统故障监测等方面已有应用实例,另外,交通管理、军事作战系统等方面也很有用。
检测技术向数字化、智能化、网络化方向发展,信息融合技术属于智能化范畴,它应与虚拟仪表技术、网络仪表技术相结合,实现高速、复杂的数据处理、分析和控制,反过来又推动检测技术本身及现场总线技术的发展,使智能化设备在实际应用中产生效益。
CIP通过工业协议已经形成
CIP(Common Industrial Protocol)是由ODVA和CI共同推出。ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)为开放型DeviceNet供货商协会,CI(ControlNet International)为ControlNet国际组织,均由罗克韦尔自动化公司牵头,它是工厂自动化最有代表性的组织,它在DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP三层结构的网络基础上,采用CIP协议,使三者具有统一的应用层、应用对象和设备描述,做到不同厂商设备之间通信,实现互操作性。目前CIP设备描述主要针对如下几个行业,即半导体设备、气动阀、交流驱动设备、位置控制器、其他设备描述等。此前,罗克韦尔还研制出Process Logix主控系统,它通过了现场总线基金会的HIST互操作性测试,所以也可和过程控制行业兼容。这样通过应用行规,使设备相关的数据如数据类型、参数语义、应用功能等能互相理解,从而实现互操作,这种互相理解能力,就称为互操作性。
设备描述提供基本构件(Construct)来构建设备描述文件。通过这也帮助大家理解上一节信息融合技术的一般。这些构件由:变量、数组(阵列)、条目数组、记录块、数集、变量表、程序、域、响应代码、方法、单元关系、刷新关系、整体写入关系、菜单、编辑显示等组成。设备描述的源文件由设备描述的信息开始,然后说明块或块参数的属性及其它构件的属性,共同构成一个整体。设备描述的源文件经编译后形成目标文件,而后把此目标文件看成设备的驱动程序即可。
关于实现互操作性设备描述语言有DDL、增强的EDDL(或称电子描述语言)、FDT(现场设备工具)等语言及Lonworks技术的网络变量等,而这些又与管控一体化中设备管理技术有着密切的关系。
CIP又开发了CIP Safety和CIP Sync等规范,即在CIP Networks工业网络架构下,可以实现CIP Safety的紧急跳闸安全保护功能及CIP Sync的顺序事件记录、分布式运动控制、定时输出、同步换行及此时间戳的数据录入等对使实行要求高的功能。
ODVA China组织由上海电器科学研究所牵头,行业活动也很活跃。FIA展览会上,它与FF的联合展台相邻,也由多家国内外厂商组成ODVA联合展台,真是相应成趣,传为佳话。这也证明以离散控制为主的“电控行业”与以过程控制为主的“仪控行业”在中国的活动,都成为世界舞台的一部分了。
执行仪表、运动控制及交流伺服系统正成为热点
在过程控制领域,执行仪表是以电-气阀门定位器+气动薄膜调节阀为主,其它有气缸式调节阀、电动执行机构、液动执行机构(电-液调节阀)、电动调节阀等。总之,是在以管道化为主的工艺装备中,以改变阀门的开度为目的的直行程和角行程的执行仪表为主流设备。近年来,以满开/满关为主要形式的电磁阀、阀组等也在大量使用。但是离散控制领域的执行部件就形式多样了,特别是以旋转设备—电机为主的控制,已经得到很大发展。两个领域的执行部件共性是速度反馈和位置反馈的控制领域。
变频器、软启动器等已得到普及,在节能等方面已取得成效,本文不准备进一步阐述了。在上世纪中叶,伺服机构、直流闭环调速系统、交流闭环调速系统、步进电机开环系统已经问世,从90年代以来,运动控制名词悄然流行,它是相对于电力拖动及电机传动控制而言的一个分支。运动控制是指通过对电机等机电机构的控制,使机电机构产生期望的运动,运动控制为转速、位置、力矩三个参数的组合控制,最终保证运动参数和运动轨迹给予定值。它涵盖于运载工具、数控机床(CNC)、机械加工生产线、包装设备、纺织、印染设备、机器人及多种民用设施,所以受到重视。
最近交流伺服系统的性能/价格比已具有竞争力,特别是全数字式交流永磁伺服电机、DSP嵌入式芯片技术的发展,受到青睐,所以前景看好。本文要看重说的,乃是作为交流伺服系统在运动控制中要求实时性很高,如实施响应时间要求小于1ms、同步传送和抖动小于1μs,在要求更高的地方,可能为纳秒(ns)级。分布式交流伺服控制系统已经走向市场,罗克韦尔的SERCOS,伦茨的System Bus及知名的Profibus、Interbus、DeviceNet等均可以完成分布式交流伺服系统,其上层通信仍采用CIP协议及CIPSync规范,才能获得更好的实时性和可互操作性。
IEEE1588为于测量和控制网络的分布时钟定义了一个精确时间同步协议(Precision Time Protocol, PTP),它为在以太网上实现时间同步提供了工作原理。CIPSync实现了网络中不同设备的高精度(±100ns)时间同步以及分布式运动控制,即包括多个伺服控制器的协同、伺服控制器及多伺服驱动器的协同。它借助CIPSync/IEEE1588对于网络上的各种伺服驱动器的时钟,结合带时间标记位置信号进行伺服同步,它考虑使用基于以太网的网络技术,并且是适合于精度在微秒范围内的复杂系统的同步。CIPSync以外,还有SynqNet运动控制网络,由Motion Engineering公司开发,支持高性能集中控制,支持它的伺服电机厂商较多,具有自愈容错、精确捕获技术、易于使用等优点,所以分布式和集中式交流伺服控制系统技术应该互相结合。