機電一體化技術與自動化發(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、運動控制及主流伺服系統(tǒng)正成為熱點:
    在過程控制領域,執(zhí)行儀表是以電-氣閥門定位器+氣動薄膜調節(jié)閥為主,其它有氣缸或調節(jié)閥、電動執(zhí)行機構、液動執(zhí)行機構(電-液調節(jié)閥)、電動調節(jié)閥等??傊?,是在以管理道化為主的工藝裝備中,以改變閥門的開度為目的直行程和角行程的執(zhí)行儀表為主流設備。近年來,以滿開/滿關為主要形式的電磁閥、閥組等也在大量使用。但是離散控制領域的執(zhí)行部件就形式多樣了,特別是以旋轉設備——電機為主的控制,已經(jīng)得到很大發(fā)展。兩個領域的執(zhí)行部件共性是速度反饋和位置反饋的控制技術。
    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,本文不準備進一步闡述了。在上世紀中葉,伺服機構、直流閉環(huán)調整系統(tǒng)、交流閉環(huán)調速系統(tǒng)、步進電機開環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)問世,從90年代以來,運動控制名詞悄然流行,它是相對于電力拖動及電機傳動控制而言的一個分支。運動控制是指通過對電機等機電機構的控制,使機電機構產(chǎn)生期望的運動,運動控制為轉速、位置、力矩三個參數(shù)的組合控制,較終保證運動參數(shù)和運動軌跡為予定值。它涵蓋于運載工具、數(shù)控機床(CNC)、機械加工生產(chǎn)線、包裝設備、紡織、印染設備、機器人及多種機電一體化設備和民用設施,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,DSP嵌入式芯片技術的發(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)在運動控制中要求實時性很高,如實時響應時間要求小于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,才能獲得更好的實時性和可互操作性。
    IEEE1588為用于測量和控制網(wǎng)絡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)上實現(xiàn)時間同步提供了工作原理。CIPSync實現(xiàn)了網(wǎng)絡中不同設備的高精度(+100ns)時間同步以及分布式運動控制,即包括多個伺服控制器的協(xié)同、伺服控制器及多伺服驅動器的協(xié)同。它借助CIPSync/IEEE1588對于網(wǎng)絡上的各伺服驅動器的時鐘,結合帶時間標記位置信號進行伺服同步,它考慮使用基于以及網(wǎng)的網(wǎng)絡技術,并且是適合于精度在微秒范圍內(nèi)的復雜系統(tǒng)的同步。
    CIPSync以外,還有SynqNet運動控制網(wǎng)絡,由Motion Engineering公司開發(fā),支持高性能集中控制,支持它的伺服電機廠商較多,具有自愈容錯、精確捕獲技術、易于使用等優(yōu)點,所以分布式和集中式交流伺服控制系統(tǒng)技術應該互相結合。
   
    二、 工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展進入新階段
    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標準,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)它采用了分段化結構和確定性通信調度控制策略,解決了通信確定性、互操作性、開放性等問題,可直接應用于變送器、執(zhí)行機構、遠程I/O、現(xiàn)場控制柜等現(xiàn)場設備間通信,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技術等互聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)上應用搞到位,也就是說,要讓相關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:
    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界面HMI之間,在硬件接口的基礎上,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),是一大進步,近來將與EDDL結合,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)集成技術的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)進入標準化階段。2003年發(fā)布了ISO15745標準,它解決了系統(tǒng)集成的應用需求和接口兩個基本問題,該標準全稱為:工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成——開放系統(tǒng)應用集成框架,分為4部分:通用參考描述、以ISO11898標準為基礎的控制系統(tǒng)的參考描述、以IEC61158標準為基礎的控制系統(tǒng)參考描述、以以太網(wǎng)標準為基礎的控制系統(tǒng)的參考描述。先進部分提出了開放系統(tǒng)的應用集成框架(Application Integration Framework,AIF),它定義了一些元素和規(guī)則,構成集成模型來表示應用需求,并開發(fā)應用互操作專用規(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,應用UML、XML等來拱和表達。這些,對系統(tǒng)集成技術發(fā)展起到了里程碑式作用。
    系統(tǒng)集成面臨的應用需求中,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構,這是共性,其中MES層是熱點,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到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。我們以前比較我的注意MES本身,現(xiàn)在,逐漸理解到應該對系統(tǒng)集成的深度給予關注。由于國內(nèi)在管控一體化項目中滿意度高者較少,所以形成了曠日持久的局面。一線的應用實踐與計算機專業(yè)人員的完善化應該同樣受到重視。
   
    系統(tǒng)集成、電儀一體化、管控一體化是技術問題,也是藝術,要在務實和廣義的人機界面友好、人機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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