工業(yè)儀表自動化控制技術發(fā)展的新趨勢

張倍

山西北方銅業(yè)有限公司垣曲冶煉廠 山西 運城 043700

引言

在當前科技水平快速提升的背景下，自動化控制技術也得到了廣泛應用，工業(yè)生產(chǎn)自動化主要由設備、儀器、技術組成，借助于計算機技術實現(xiàn)對工業(yè)儀表的自動化控制，進而逐漸表現(xiàn)出明顯的自動化、智能化趨勢，一方面大幅節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益，另一方面也同步提升了生產(chǎn)質(zhì)量與效率。鑒于自動化控制技術在工業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，下文便主要針對工業(yè)儀表自動化控制技術的發(fā)展展開深入分析。

1 工業(yè)儀表自動化控制技術發(fā)展現(xiàn)狀

對工業(yè)儀表自動化控制的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，需要從如下幾方面著手：其一，工業(yè)儀表中的數(shù)控技術。數(shù)控技術作為精密儀表加工過程中不可或缺的技術，主要應用了數(shù)學原理，精準定位切削工件的刀具，計算出待加工工件的長、寬、高，然后開展自動化、封閉式加工。所以，數(shù)控技術在工業(yè)儀表自動化控制中應用極為廣泛，只需預先編寫好程序，輸入CNC系統(tǒng)，便可在成品產(chǎn)出前無須任何操作，不僅能確保工件精度，也能提高生產(chǎn)效率[1]；其二，工業(yè)儀表自動化的應用。我們生活中常見的水表、電表、汽車儀表盤等等，就是工業(yè)儀表自動化的應用，而生活與工業(yè)聯(lián)系密切，隨處可見各種工業(yè)儀表的自動化，因此工業(yè)儀表自動化控制技術與人類的生活、發(fā)展密不可分；其三，工業(yè)儀表自動化的安全。倘若工業(yè)儀表齒輪精準度不夠，便極有可能造成儀表失靈，進而出現(xiàn)安全問題。鑒于工業(yè)儀表對人們的生活會產(chǎn)生直接影響，所以在生產(chǎn)加工時需要高度重視這方面問題。其四，工業(yè)儀表的智能化。智能化逐漸成為工業(yè)儀表發(fā)展的核心，但在現(xiàn)階段，還面對著一些技術上的不成熟。同時，智能化也在想集成化發(fā)展，在某些特定的環(huán)境和角度，能夠提升整體的可靠度，提升局部效率。

2 工業(yè)儀表自動化控制技術的應用

隨著信息時代的來臨，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)的同時，也迎來巨大發(fā)展機遇，有了信息采集技術的加持，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求得到滿足，能彌補傳統(tǒng)生產(chǎn)活動中的信息獲取問題，實現(xiàn)對海量信息數(shù)據(jù)的自動化甄選，為推動工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展奠定基礎。下文主要對工業(yè)儀表自動化控制技術的應用進行分析：

2.1 信息采集模塊

為了能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)一體化控制，則必須深入生產(chǎn)一線，將生產(chǎn)過程中形成的儀表信息數(shù)據(jù)，傳送到中樞管理系統(tǒng)中。不難看出，信息采集是實現(xiàn)自動化控制的關鍵根基，相關工作人員在采集信息時必須保證對生產(chǎn)信息的全方位掌握以及對生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工序、生產(chǎn)工藝的科學調(diào)配，改善傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中設備與工序之間暴露出的沖突，進行統(tǒng)一化調(diào)配。相較于傳統(tǒng)的信息采集過程而言，如今的信息采集工作逐漸朝著快速、高效、精準的方向發(fā)展，因為傳統(tǒng)的工業(yè)儀表精度已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，強化精度控制對提升產(chǎn)品質(zhì)量而言至關重要。所以，需要重視現(xiàn)代化信息技術的引進，推動互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋，提高信息采集工作實效，保證所獲取到的信息有著更高精度和可靠性，這對于不管是檢測還是生產(chǎn)而言，均具有巨大推動作用。

2.2 系統(tǒng)建模模塊

利用A/D單元可促使工業(yè)自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換，然后將相關信息進行輸入存儲，再運用信息處理軟件對系統(tǒng)儲存的數(shù)據(jù)展開處理，將其中有效數(shù)據(jù)甄選出來，作為對系統(tǒng)進行調(diào)整優(yōu)化的參考，實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的有效優(yōu)化，完成對工業(yè)生產(chǎn)活動的模型建立。在系統(tǒng)建模模塊的加持下，信息采集模塊能在運行中進行信息實時采集，實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)活動的全程監(jiān)控，大幅提升了自動化控制系統(tǒng)的精確性，能縮減生產(chǎn)投入成本。如果在建模系統(tǒng)運行中某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)生異常，系統(tǒng)便會實時監(jiān)測與捕捉到故障信息，然后上報給上級系統(tǒng)，同時向相關人員報警。此時，工作人員便能第一時間停止設備與啟動備用設備，確保生產(chǎn)不受損且故障得到解決。舉例來講，某企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)遵循“一主一備”原則，目的是確保生產(chǎn)活動的連續(xù)性，提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率。借助系統(tǒng)建模技術以及計算機網(wǎng)絡技術，對生產(chǎn)過程實時化管理，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中的人工管理模式，實現(xiàn)設備狀態(tài)信息的實時上傳，保證了生產(chǎn)活動的穩(wěn)定性。

2.3 動態(tài)控制模塊

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，機械設備逐漸大面積取代人工，原因在于許多人工無法完成的高難度操作，機械設備通過程序控制能精準操作。因此，許多企業(yè)決定將機械設備與動態(tài)化管理有機結(jié)合，改變了過去工業(yè)生產(chǎn)效率低、人工操作誤差大的情況，這也是工業(yè)儀表自動化控制技術得到廣泛應用的主要原因。而動態(tài)控制模塊是自動化控制技術的主要組成部分，依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)活動的現(xiàn)實情況，建立動態(tài)化控制流程，利用信息技術實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)活動全程的檢測，從而采取更具針對性的控制策略。該項技術的應用改善了以往工序由人工控制的情況，通過全程監(jiān)控生產(chǎn)活動能保證工作精準度以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有序銜接。

2.4 DCS及PLC系統(tǒng)的應用

DCS又稱集散控制系統(tǒng)。主要結(jié)合計算機技術對電氣儀表設備進行集中管理、分散控制。尤其適合控制點分散，控制要求種類較多的大型系統(tǒng)，可以集中各種子類控制系統(tǒng)和儀表設備，統(tǒng)一調(diào)配控制。同時也可以實現(xiàn)工藝設備的過程控制。PLC又叫可編程邏輯控制器，現(xiàn)在的PLC已經(jīng)可以實現(xiàn)對模擬量和其他信號的復雜控制，作用在一套集中的系統(tǒng)中。同時PLC和DCS都結(jié)合了計算機技術，實現(xiàn)了PC電腦的可視化控制。經(jīng)過歷史的發(fā)展，DCS和PLC也進行了互相的滲透，現(xiàn)階段DCS也可以進行快速的邏輯處理和控制，PLC也發(fā)展為多站分散控制?，F(xiàn)實中往往是多種控制系統(tǒng)并存，隨著總線技術和通訊端口的發(fā)展，DCS和PLC在一個工廠中互相連接，共同組成工業(yè)控制系統(tǒng)。

3 工業(yè)儀表自動化控制技術發(fā)展新趨勢

3.1 向數(shù)字化、智能化和虛擬化方向發(fā)展

隨著科技水平的快速提升，自動化儀表產(chǎn)業(yè)也迎來了發(fā)展機遇，在超聲波、激光、微波等技術的應用之下，自動化儀表的控制精度有了全面提升。如今行業(yè)內(nèi)針對執(zhí)行器、檢測儀表的生產(chǎn)投入了大量成本，并在近年來實現(xiàn)了創(chuàng)新與獲得良好成果，主要體現(xiàn)在如下三個方面：其一，全新固體傳感器與智能化壓力變送器。有了微機械技術、微電子技術的應用，變送器逐漸朝著智能化方向發(fā)展，精度較以往有了大幅提升。同時，基于對微機械加工技術的合理預測，未來處理器集成化與傳感器技術會有進一步的發(fā)展；其二，一體化節(jié)流式差壓流量計。該儀表主要是將流量裝置與智能差壓變送器合二為一，不僅耐腐蝕性強，而且檢定周期長、壓損較小，并且一體化的設計能夠弱化過去因為無法垂直、偏心所帶來的誤差，降低了故障發(fā)生率；其三，超聲波流量計。在超聲波技術逐步完善且在工業(yè)領域廣泛應用的背景下，應用超聲波技術的流量計也迎來了測量精度層面的提升。如今，多聲道超聲波流量計的精度已高達0.15%，成為工業(yè)領域重要的流量計量儀表之一。

從未來的發(fā)展來看，智能化生產(chǎn)是未來的發(fā)展趨勢和方向。如對流量的溫度壓力補償，可以由智能變送器一次性集成計算和顯示。對于復雜的控制要求，可以建立數(shù)學模型，實現(xiàn)對多變量復雜控制。隨著科學技術的快速發(fā)展，數(shù)字化，智能化已經(jīng)被應用到工藝控制的各個領域，借助于控制技術和計算機技術的高度融合，工業(yè)控制系統(tǒng)能夠搭上計算機技術高速發(fā)展的便車，在工業(yè)領域廣泛開展人工智能的探索，尤其對高危環(huán)境有很好的替代價值。

3.2 向集成化、開放化和分布化方向發(fā)展

IPC逐漸替代了DCS與PLC，增設了對模擬量的顯示、記錄與調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對開關量的連鎖控制與程序控制。同時，隨著通信網(wǎng)絡技術與計算機技術的高速發(fā)展，DCS與PLC技術也有了相互滲透，所以可將計算機作為工業(yè)儀表自動化控制的主要系統(tǒng)，加強總線控制系統(tǒng)的應用效果，表現(xiàn)出不俗的發(fā)展?jié)摿2]。PC開放體系憑借著開放化、集成化的優(yōu)勢，有著較高的市場占有率，同時自身功能也在逐步完善，其中過程、生產(chǎn)及基礎的自動化控制效果也在逐步強化。此外，動態(tài)化的數(shù)據(jù)交換形式、對象鏈接形式和開放式的數(shù)據(jù)庫結(jié)構，都為系統(tǒng)集成帶來基礎軟件。由此可見，IPC的出現(xiàn)直接取代了DCS與PLC，同時也將成為未來工業(yè)儀表自動化控制技術的發(fā)展方向。自動化控制系統(tǒng)朝著集成化、開放化、分布化的方向發(fā)展，意味著現(xiàn)場控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的開放性會得到全年提升，借助于網(wǎng)絡傳輸線，能將大量執(zhí)行器、傳感器、回路調(diào)節(jié)器相連，從而縮減了系統(tǒng)建立成本，同時加強了數(shù)據(jù)系統(tǒng)的交換效果，保證了工業(yè)生產(chǎn)的可靠性與時效性。

隨著通信技術的發(fā)展，各種系統(tǒng)也在互相融合和連接滲透。電氣儀表設備向智能化、集成化，數(shù)字化，無線化，高精度化的發(fā)展成了未來的新趨勢。其一，在智能化方便，結(jié)合先進的計算機技術，如模糊控制，模型預測控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡控制等，充分運用到工業(yè)控制中。其二，在數(shù)字化方面，控制系統(tǒng)結(jié)合了數(shù)字化管理系統(tǒng)，如MESS，ERP系統(tǒng)等，建立起廠級的甚至公司級的智能化智慧工廠。實現(xiàn)了從生產(chǎn)營銷、能源管理、設備管理、安環(huán)管理、質(zhì)量管理到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設備控制的全面數(shù)字化管理系統(tǒng)。對生產(chǎn)調(diào)度、成本管控、金屬平衡等各類生產(chǎn)問題全面數(shù)字化，是未來的主要發(fā)展方向。其三，隨著微電子的發(fā)展，工業(yè)儀表中集成化程度越來越高。從終端儀表，如變頻器、變送器、數(shù)顯表等，已經(jīng)實現(xiàn)了多種功能的集合，使得現(xiàn)場的采集和控制更簡單高效[3]。同時控制系統(tǒng)、計算機等，借助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，也變得高度融合和集中。其四，無線技術的發(fā)展為工業(yè)電氣儀表發(fā)展帶來福音，從開關量信號、模擬量信號，再到485通信信號和以太網(wǎng)信號，均已經(jīng)實現(xiàn)了無線通信的可能。同時無線儀表和無線網(wǎng)關也在快速發(fā)展。無線化解決了大量人力物力的成本消耗，節(jié)約了資源，同時在維護和改造上也更便利，在解決了可靠性的問題后，未來必然成為主要的傳輸方式。

3.3 自動化控制理論及控制軟件的新發(fā)展

早在上世紀末，自動控制方法及理論便逐步朝著人工智能化的方向發(fā)展，而這種被廣泛應用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的人工智能技術，主要由模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡與專家智能控制系統(tǒng)組成。以工業(yè)生產(chǎn)過程舉例，在對軋制過程的自動化控制過程中，會用到數(shù)學、物理方程抽象描述軋制過程，結(jié)合方程可以看出對軋制質(zhì)量形成影響的因素中毒，所以難以依據(jù)工程參數(shù)對軋制產(chǎn)品質(zhì)量進行合理檢測，最終導致軋制過程誤差顯著。因此，未來發(fā)展中需要重視對人工智能技術的應用力度，收集更多數(shù)據(jù)信息，結(jié)合工藝生產(chǎn)過程，填補常規(guī)式數(shù)學模型中的漏洞。此外，還應有機協(xié)調(diào)神經(jīng)網(wǎng)絡和算法模型，通過設置模型精度，保證能夠獲得優(yōu)質(zhì)軋制產(chǎn)品，基于實際訂單，對專家系統(tǒng)故障展開在線診斷，加強軋制機組負荷分配效果。

自動控制理論研究與計算機算法的研究深入結(jié)合，但又成為一個獨立的學科，尤其在人工智能方便，是控制理論最前沿的研究方向。怎么解決好模式識別，和模糊控制，在篩選、預測等方便解決實際工藝控制的困境，是未來的方向之一。同時怎樣應對工業(yè)現(xiàn)場復雜惡劣的環(huán)境，提高儀表的抗干擾能力，也是控制研究理論的目標之一。

4 結(jié)束語

綜上所述，在信息技術時代，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平已有明顯提升，在自動化儀表及其控制技術的應用下，企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量與效率實現(xiàn)了大幅提高。從工業(yè)儀表自動化控制技術的發(fā)展來看，該項技術的誕生與應用一定程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的控制要求，但并不可能適用所有生產(chǎn)過程，因此工業(yè)儀表自動化控制技術未來發(fā)展應該向數(shù)字化、智能化、虛擬化、集成化、開放化與分布化方向發(fā)展，同時完善自動化控制理論與不斷升級更新控制軟件，提升工業(yè)控制系統(tǒng)的實用性。