自动化控制系统的应用教材精编版.docx
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自动化控制系统的应用教材精编版
自动化控制系统的应用教材[精编版]
自动化调研报告
--自动化控制系统的应用
摘要
自动化控制系统应用领域广泛，覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、教育、生活等各方面，在国民经济运行过程中发挥着不可替代的作用。
目前，自动化控制系统行业的发展水平，已成为一个国家科技水平和综合国力的重要体现。
关键词：
自动化技术；自动控制系统；
一、自动化控制系统产业总体发展综述
（一）世界自动化控制系统产业稳步增长
据权威研究机构Datamonitor统计数据，2006年世界自动化控制系统产业（包括集散控制系统和可编程控制器两大部分，不包括基于PC的工业控制系统和软件）规模约为125亿美元。
美洲、欧洲和亚太地区市场规模分别为37亿美元、41亿美元和47亿美元。
2002～2006年复合增长率分别为5.8％、2.3％和5.3％。
今后几年，世界自动化控制系统产业仍将保持快速增长态势，预计到2011年，世界自动化控制系统产业规模将达到214亿美元，其中，美洲、欧洲和亚太地区市场规模分别达到5l亿美元、50亿美元和63亿美元，2006～2011年复合增长率将分别为6.7％、3.8％和6.0%。
（二）发达国家高度重视自动化控制系统产业发展
纵观世界，经济发达国家都高度重视本国自动化控制系统产业的发展，将其视为国家的战略重点之一。
欧洲地区工业自动化控制产业很发达，特别是德国大面积推广应用自动化测控仪器系统，20世纪90年代就增加了350％的市场，带动劳动生产率增率增长了1.9％。
目前，自动化和控制是维持德国乃至全欧洲汽车和机械制造高品质的关键技术。
在德国汽车生产车间里，大量使用了现现场总线、可编程控制器（PLC）、运动控制、机器视觉、离散传感器、HMI软件等最新最先进的自动化产品。
美国将仪器仪表（自动化控制系统是仪器仪表大类产业中很重要的一大部分）纳入信息技术产业并采取优先发展的政策，加大战略性投资。
日本科学技术厅把自控测量传感器技术列为21世纪首位发展的技术，已成为亚洲测量传感器生产第一大国。
（三）自动化控制产品在节能环保和节约资源领域发挥重大作用
自动化控制产品广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保等各行各业，在节能环保和节约资源领域发挥着重要作用。
集散控制系统（DCS）是一种分布式控制系统，从传统的仪表盘监控系统发展而来，面向大型工业生产领域。
它适用于电力、化工等行业连续性生产过程的监视与控制，强调连续过程控制精度，可实现PID、前馈、串级、多级、模糊、自适应等复杂控制，适用于工艺过程复杂、被控设备多、控制点数庞大的系统。
如在火电厂脱硫装置中采用DCS控制产品对火电厂排放超标的烟气进行脱硫处理，可实现烟气达标排放、保护生态环境以及避免人体受到有害气体直接或间接的损害。
可编程控制器（PLC）是一种控制装置，从传统的继电器回路发展而来，面向一般工业控领域。
它的发展基于制造业的现场设备控制需求，强调开关量逻辑控制，适用于小型自控场所。
如在筑物自动化中采用PLC系统控制照明、供暖、空调，可实现节省能源的目的；在电站、化工、印染和造纸等行业的污水处理过滤系统中采用PLC产品，不仅可提高污水处理自动化程度和安全可靠性，而且清污效果好、排污耗水量少，达到节能环保的效果。
二、关键产品市场及技术发展动向
（一）集散控制系统（DCS）：
信息化、集成化
⒈市场快速增长
据美国AutomationResearchCorp（ARC）发布的报告预测，世界集散控制系统（DCS）市场以每年7％的增长率快速增长，并将从2006年的约125亿美元发展到2011年的210亿美元。
尤其是亚洲DCS市场需求将高速增长，2006年亚洲DCS市场销售额约为38亿美元，到2010年将达到60亿美元。
增长的原因主要得益于以上这些国家基础设施工业如炼油、化工、电力、油气、能源等行业投资项目的增加促进该国自动化工业的发展，从而导致对集散控制系统的需求大增。
目前，DCS主要集中在美国、日本、德国等发达国家，如美国霍尼韦尔（Honeywell）、福克斯波罗（Foxboro）、西屋（Westinghouse）；日本横河电机（YOKOGAWA）、日立；德国西门子等。
国内知名的DCS生产商主要有：
北京和利时、浙大中控和上海新华控制技术集团等。
经过近30年的发展，集散控制系统已经进入第四代。
Honeywell公司推出的ExperionPKS系统、Emerson公司的PlantWeb（EmersonProcessManagement）、横河电机公司的R3（PRM——工厂资源管理系统）、ABB公司的IndustrialIT系统等都是新一代DCS的代表，国内的和利时公司也推出了自己的第四代DCS-MACS—Smartpro系统。
⒉向信息化、集成化和开放化方向发展
⑴信息化
计算机技术、网络技术、通信技术的发展推进了DCS的信息化进程，信息化已经不是以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。
DCS实现的信息化功能主要包括以下几方面：
①SCADA功能
SCADA（SupervisorvControlAndDataAcquisition，数据采集与监视控制）功能包括通过各种通信协议实现数据采集，对各种实时数据、历史数据、报警信息、事故记录等进行存储，分类、综合和显示；各种方式的信息显示和传送，如屏幕显示、远程浏览显示及无线终端显示等。
几乎所有的第四代DCS都提供了比较全面的SCADA功能。
如ExperionPKS中，通过DigitalVideoManager实现图像的传输和显示；通过DSA（DistributedSystemArchitecture）用户可实现全球联网；通过HMIWebTechnology用户可实现任何位置的人机界面的组态；通过eSenrer用户可以安全地访问过程信息，还有远程监控，支持无线终端等功能。
②设备管理和智能维修功能
第四代DCS通过智能化现场信号处理模块的自诊断功能实时对DCS系统本身的部件自动诊断，而且一般都提供冗余措施，在关键部件发生故障时报警并自动切换到冗余备件上，保证设备正常工作，还能通过现场总线技术对现场仪表的运行状态自动诊断，并可实现自动校正，确保各变送器和执行器正常工作。
例如，Emerson公司的PIantWeb系统，Honevwell公司的AssetManPKS系统等都提供了这样的功能。
③还包括能源管理、批处理和配方管理、支持开放的数据库接口和多种流行标准网络接口等功能。
（2）集成化
DCS的集成化主要体现在功能的集成和产品的集成。
过去的DCS厂商基本是以自主开发为主，提供的系统也是自己的，如今的DCS厂商更强调系统的集成性，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程控制器）、RTU（远程终端设备）、FCS（现场总线）、各种回路调节器、各种智能采集或控制单元等。
此外DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是对DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。
（3）开放化
随着网络技术、数据库技术以及现场总线技术的发展，为DCS系统的开放创造了条件。
各DCS厂家竞争的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来由自己独立开发的模式，变成集成与合作的开发模式，有力地推动了系统的开放。
DCS的开放性体现在与第三方产品的互连上，主要体现在：
在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA平台、MES产品、BATCH处理软件，同时支持多种网络协议（主要是以太网）；在装置控制层可以支持多种DCS单元、PLC、RTU、各种智能控制单元等，以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。
3．融入现场总线技术，打造更完善的综合系统
现场总线控制系统（FCS）作为一种双向串行多节点的数字通信系统，有很多DCS无法比拟的优点。
有许多专家、学者甚至预言现场总线控制系统将取代DCS，但是由于技术上、标准上以及经济性等多方面的原因，FCS不可能在短时间内完全取代DCS，所以既要利用现场总线技术的先进性，又要考虑客观实际，目前过程控制系统大多采用了将现场总线集成于DCS的思想
传统意义上的DCS实现分散控制、集中管理，但实际上，DCS的控制功能并没有真正的分散化，管理功能主要是监控和协调。
因此，在未来的发展中，DCS将与FCS集成，充分发挥DCS的监控、管理和决策功能以及FCS的现场智能仪表的控制和通信功能，实现生产过程控制的彻底分散化、网络化，使系统配置达到最优，实现完整的控制、管理网络架构。
4．中小型DCS需求日益扩大
以前DCS主要应用于石油、化工、钢铁等行业的大型企业，而众多的中小型企业相对而言资金比较紧张，也没有必要上很大规模的DCS，但却迫切需要进行技术改造，提高控制系统的自动化程度,同样需要适合的中小型DCS系统。
因此，中小型DCS市场具有很大的开拓空间。
中小型DCS同大型DCS相比，可靠性要求没有那么高，甚至可不要冗余；灵活性也较大，完全没有必要像大型DCS那样占用专门的监控室。
为了占据中小型系统市场，目前，国内外不少著名的DCS公司都推出了自己的中小型DCS，如Honeywell公司的PlantScapeSCADA,国内和利时公司的FOCS等。
（二）可编程控制器（PLC）：
高速度、大容量
⒈市场规模不断扩大
由于全球经济快速发展特别是各个领域的制造企业的快速发展，带来了可编程控制器（PLC）以及各种自动化产品和服务的健康增长。
据ARC发布的报告，2006年全球可编程控制器（PLC）市场约为83亿美元，今后五年预计还将以7.3％的年复合增长率增长，到2011年将达到120亿美元。
2006年，PLC的最大市场仍在欧洲、中东和北美，但亚太地区近年来受到了更多的关注，快速增长的市场需求为PLC产品带来了更多的机会和巨大的潜力。
尤其是中国由于良好的商业环境，为全球制造业提供了投资建厂的难得机会。
迅速攀升的外商在华直接投资，以及快速增长的中国市场需求也带动了中国PLC市场的飞速发展。
据ARC预测，未来5年，中国的PLC市场将以12.4％的年均增长率强劲发展，中国PLC市场规模将由2006年的约7.5亿美元增长到2011年的13亿美元。
⒉制造业集中在欧美日
目前，PLC制造企业主要集中在欧美日等发达国家。
欧美以大中型PLC闻名，日本以小型PLC著称。
美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州（TI）公司和西屋公司等。
其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。
A-B公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大中型PLC产品是PLC-5系列。
该系列为模块式结构。
德州仪器（TI）公司的小型PLC新产品有510、520和TI100等，中型PLC新产品有TI300、5TI等，大型PLC有PM550、530、560、565等系列。
德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。
德国西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。
在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。
西门子PLC主要产品是S5、S7系列。
S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC；S7-300系列属于中小型PLC；S7-400属于中高性能的大型PLC。
日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名。
日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。
三菱公司较早的PLC产品是小型机F系列及其升级产品F1／F2系列。
继F1／F2系列之后，三菱公司又推出FX系列和FX2系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。
FX2N是近几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。
近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FXlS、FXON、FXIN及α系列等产品。
欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全。
微型机以SP系列为代表，其体积极小，速度极快；小型机有P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列等；中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG系列；大型机有C1000H、C2000H、CV等。
松下公司的PLC产品中，FP0为微型机，FPl为整体式小型机，FP3为中型机，FP5／FP1O、FPl0S、FP20为大型机。
3．应用领域不断扩大
目前，PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、
文化娱乐等各行各业。
随着PLC性价比不断提高，其应用领域不断扩大。
如在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：
中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关联的机器、与环境关联的机器，而且均有急速上升趋势。
值得注意的是，随着PLC和DCS相互渗透，两者界线日趋模糊，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展的趋势更加明显。
4．向高速度、大容量、多品种方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
因此，向高速度、大容量发展是大势所趋。
目前，PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标，有的PLC的扫描速度可达O．1ms／k步左右。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I／O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
同时，小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活。
为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型和微型PLC，最小配置的I／O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
（三）现场总线（Fieldbus）：
协调共存性、开放性
1．新兴市场增幅最大
近年来，现场总线方案呈现快速增长趋势，现场总线目前正越来越被更多的工业领域中的用户所接受。
根据ARC发布的报告，2006年全球现场总线市场约为8.317亿美元，预计在未来的5年内，其年复合增长率将达到22.3％，预计至2011年，此市场将达到22.79亿美元。
其中，巴西、俄罗斯、印度和中国等发展中国家现场总线的增长幅度最大。
ARC的研究报告中将亚洲/大洋州地区称之为“现场总线增长发动机”，年复合增长率接近32％；报告预测，拉丁美洲现场总线增长率，包括IEC的多种现场总线协议在内，接近34%。
根据ARC的观点，现场总线需求全球增长大部分要归功于它的强有力功能，它们既能实现设备管理用上现场数据，又能通过德国技术监督协会认证的现场总线网络实现与安全系统的连接和借助于OPC等技术实现其应用。
ARC预期，随着厂商投资力度的加大，现场总线解决方案的功能将会扩大，从而使其应用范围更大，既能用于规模最大的企业，又能作为在功能性上发展的有针对性的解决方案。
⒉现场总线种类和标准繁多
由于在现场总线技术的开始阶段没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的局面。
目前，世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP和德国西门子公司的ProfiBus总线，挪威的FINT、美国埃施朗（Echelon）公司的LONWorks现场总线，德国菲尼克斯电气（PhenixContact）公司的InterBus现场总线，德国博世（Bosch）公司的现场CAN总线，德国罗斯蒙特（Rosemount）公司的HART现场总线，瑞士卡罗（CarloGavazzi）公司的Dupline现场总线，丹麦ProcessData公司的P-net现场总线，PeterHans公司的F-Mux现场总线，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus,SDS，Arcnet等，还有国际标准组织一基金会现场总线FE：
FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与VontrolNet等等。
这些现场总线大多用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80％左右的市场。
而且，各种总线都有其应用的领域。
比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DevieceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。
3．向协调共存性和开放性方向发展
由于行业、地域、经济利益等多种原因，目前在不同领域形成多个颇具影响力的总线标准，造成在众多领域总线标准各异。
目前各重要制造商，除力推自己的总线产品之外，也都力图开发总线兼容接口技术，将自己的总线产品与其他总线连接，在国际标准中出现各类总线标准协调共存的局面。
同时，现场总线还有向着开放统一方向发展的趋势。
虽然这种趋势现在看来为时尚早，但从用户角度看，多种总线并立决不是一件好事。
由于现场总线采用完全不同的通信协议，要解决这些不同标准之间的相互兼容和互操作性问题，就必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。
统一的
TCP／IP协议使得Internet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为现场总线不同协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望。
许多现场总线组织正致力于发展Ethernet/IP技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络，不仅方便现场层、控制层和管理层在垂直面的集成，更能降低在水平层面的集成成本。
当然，要使工业以太网最终成为统一的总线标准还有许多技术问题有待解决（如总线供电、本征安全等）。
4．高速现场总线的设计和开发成为竞争焦点
现场总线技术发展体现在两方面：
一是低速现场总线领域的发展和完善；二是高速现场总线技术的发展。
目前，现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。
高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必需的。
到目前为止，这一领域还比较薄弱。
因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。
而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。
三、自动化控制在工业中的应用
（一）石油化工自动化技术的应用
石油化工工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展，从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大，对生产稳定性要求越来越高，对控制的要求及自动化水平也越来越高，仪表使用越来越普遍，从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS的广泛应用；控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。
（1）现场总线（fieldbus）是应用于生产现场，在现场仪表（包括变送器、执行器、记录仪，单回路调节器、可编程序控制器等）之间、现场仪表和控制设备之间实现全数字化、串行、双向、多变量数字通信的网络互连技术。
它的出现，给工业控制技术领域产生了非常大的影响。
虽然现场总线国际标准IEC61158包含了FF、Profibus、ControlNet、WorldFIP、P-NET等在内的八种类型（现已增加到十种类型）的现场总线，没有实现它最初的“制定单一现场总线”的目标，同时也宣告了多种现场总线并存的局面已经形成。
但与现有的DCS、PLC等相比，现场总线控制系统FCS由于具有的全数字多点通信、现场设备状态可控、开放性、互可操作并能实现分散控制等特点，仍然是石油化工行业基础自动化系统的发展趋势。
（2）现场总线与DCS相结合
将现场总线技术集成到现有控制系统中，将现场总线智能仪表连接到DCS上，利用DCS丰富而成熟的控制功能和软、硬件产品带动现场总线的推广应用。
一般来讲，现场总线与传统控制系统之间的集成主要有三种途径：
一是现场总线在DCS、PLC的I/O层次上的集成，现场总线设备作为I/O卡件集成在DCS、PLC中；第二是现场总线集成在DCS、PLC网络上，现场总线设备通过网关集成到DCS、PLC上，统一组态、监控与管理；第三则是独立FCS与DCS、PLC之间的信息集成，即FCS与DCS、PLC都独立工作，两者之间通过网关实现信息的映射与互访。
在目前传统控制系统仍在大量使用的情况下，以上几种方法不仅可以利用DCS、PLC成熟的技术与经验，也可以发挥现场总线的优势。
同时，在现场总线推广应用的基础上，逐步完善管控一体化功能。
利用现场总线的全数字通信功能，收集现场智能设备所提供的大量非控制信息，建立现场智能设备数据库，建立和完善现场智能设备的远程状态监控、故障诊断、预防维护、在线调校等远程管理功能，实现对现场设备的一体化管理与控制。
（二）钢铁过程自动化技术
随着经济的迅猛发展及激烈的市场竞争，我国正经历从一个高速增长期到以科学发展观统领钢铁工业发展的转轨过程。
转变增长方式、结构优化调整成为了行业中心，任务特别是在面临世界金融危机的形势下，加速淘汰落后生产能力，加快提升科技开发与创新能力，发展循环经济，降低消耗，降低成本，生产适销对路、市场急需的产品已成为发展的重要特征。
正是基于这种特定变化的市场环境的压力，以及发展的技术环境驱使，近年来，作为钢铁业发展重要技术支柱的自动化系统，也有许多变化与提高。
在钢铁过程自动化系统的技术组成中，包含的内容很多，这里就检测技术、控制技术、系统化技术等方面展开，它们是钢铁过程自动化系统的基础和核心，从而也映射了系统总体的现状与发展动向。
2.1检测技术
1、应用现状
生产过程的检测传感技术的发展，源于生产过程质量、能耗、环境和安全等的需求推动，而应用的检测技术也给钢铁生产过程的控制和产品质量提供了坚实的技术保障。
毋用置疑，给予检测技术推动的发展有很大影响的是市场对生产过程需求的变化。
近年来，除了原来用于过程控制的检测外，很明显地加强了对产品（包括中间产品）的缺陷等质量的检测、原材料的检测、环境安全检测，其中大部分以信息反馈的方式进入了自动化系统。
钢铁生产过程中过程检测技术在系统中所起的作用与地位示意如图1所示。
粗线箭头代表现在主要的信息流向，细线箭头为辅助流向而虚线箭头为今后传感信息。
图1钢铁生产过程中过程检测技术作用与地位
（1）过程控制检测
钢铁过程检测有许多对象，其绝对量检测有：
温度、尺寸等如下表所示：
表一：
钢铁过程检测
过程检测以基本状态量的检测为基础。
它体现了系统对象的能观性，也对应了系统的能控性。
因此，检测技术对控制系统有很强的制约，它直接关系到系统能够实现的自动化水平。
系统对象的检测，考虑了两个部分，即被控对象及其环境。
如：
轧制过程在线连续测量轧件尺寸的能力和水准，决定了轧制可控程度和质量。
热轧过程测量是在相对高的振动和高温、水流、氧化层粉层等干扰下实现的。
钢材轧制过程中红外温度扫描和成像，CCD钢板宽度测量和板头尾形状测量技术的开发极大提高了轧制过程的自动化水平。
而轧制过程热轧板形控制和控轧控冷技术将温度测量要求在恶劣的环境下扩展到多点
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