仪表自动化论文

仪表自动化论文

现代控制仪表系统的研究现状、特点和发展趋势

摘要：

随着人类科学技术的进步，控制理论及仪表技术不断发展和完善，4C技术的发展。控制仪表系统的发展由模拟控制系统→数字控制系统→网络控制系统。控制仪表与装置涉及的面十分广泛，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。

关键词： 控制仪表 发展 概况 特点 趋势

过程控制是满足过程工业自动化需求的一门科学技术，它渗透在石油、化工、电力、冶金、食品、饮料等几乎任何工业领域里。

控制仪表和装置是自动控制系统的重要设备(硬件)，在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由显示仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合预期要求，因此他们是实际生产过程自动化的重要工具。

一、发展概况

随着人类科学技术的进步，控制理论及仪表技术不断发展和完善。在一个多世纪中，伴随着4C技术，即计算机（Computer）、控制器 （Controller）、通信（Communication）和显示器（CRT）技术的发展，过程控制仪表经历了自力式、基地式、单元组合式、集散式及 现场总线式几个发展阶段。如果从信号及传输形式划分，我们将其发展划分为模拟控制系统、数字控制系统和网络控制系统。

考证控制理论的发展历史，《IEEE Cintrol Systems Magazine》主编Antsaklis教授认为，控制理论的每一步发展都要满足处理不断复杂的对象的需要、完成不断复杂的设计的需要、对过程与环境高度不确定情况下进行控制的需要，因此受到控制仪表、不断变化的对象以及其它科学技术的不断推动。

20世纪末，全球市场逐渐形成，企业竞争空前加剧，工业生产必须按市场需求加快新产品的开发，降低成本，完善服务。这就需要把市尝生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工和管理决策。要实现综合自动化，实现整个生产过程的信息集成，就必须要在工业现场实现设备间的多点数字通信，构成工厂底层网络系统，以实现底层现场设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。

同时，随着计算机、通信，尤其是ASIC芯片技术的快速发展，使得在传感器、执行器等设备上加装智能接口成为现实，促使带有微处理器芯片仪表（智能化仪表）的产生，智能化仪表实现了传输信号数字化，为现场总线的出现奠定了基础 。在市场需求和技术推动下，现场总线终于在20世纪80年代开始出现。现场总线是应用在生产现尝在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。实质上就是把微处理器置入传统仪表，使自控系统与设备具有了通信能力，通过现场总线连接成网络系 统，加入到信息网络的行列。国际电工委员会（IEC）历时12年于2000年1月4日公布通过了IEC6115现场总线标准。

控制仪表和装置的发展由模拟式控制仪表→数字模拟混合式系统→全数字控制仪表。

二、分类

按控制仪表与装置所用能源的不同，可以将其分为电动、气动、液动和混合式等几大类。其中，气动和液动控制仪表和装置发展最早，但电动控制仪表与装置发展异常迅速，现在已经占绝对统治地位。

气动控制仪表的特点是：性能稳定，可靠性高，具有本质安全防爆性能，不受电磁场干扰、结构简单、维护方便。在电子技术和计算机技术高度发展的今天，气动控制仪表所占领地虽然已十分狭小，但在一些大型装置的主体设备周围，仍有采用基地式气动控制仪表对单一的工艺参数进行就地单回路调节。尤其是气动执行器，具有安全、可靠及工作平衡等优点。应用仍十分广阔，在许多由电动控制仪表和装置构成的系统中，执行器仍彩气动式的。因此，我国及世界上一些大型自动控制仪表装置生产公司仍在生产气动控制仪表。

随着生产过程自动化的发展，远距离集中控制控制日益增多，控制系统规模和复杂程度不断增加，气动和液动控制仪表在许多场合已不能满足要求，而电动控仪表与装置则得到起来越广泛的应用和飞速的发展。尤其是随着微电子技术的发展，过去被认为影响电动控制仪表发展的一些技术问题已经得到解决，品种规格更趋完善，质量不断提高。如过去认为影响电动控制仪表广泛使用的防爆问题，现在彩防爆结构、直流低电压、小电流的本质安全型防爆电路及防爆栅等措施，得到了很好地解决。电动控制仪表与装置也因此能应用到石油、化工等工业部门的自动化系统中。

电动控制仪表与装置都采用了电子技术，从原理上分，电子控制仪表与装置又可分为两大类：模拟式控制仪表与装置和数字式控制仪表与装置。

模拟式控制仪表与装置按结构形式可分为基地式、单元组合式、组件组装式三大类。

基地式控制仪表一般结构比较简单，价格低廉，它不仅能够进行控制，同时还可指示、记录。因此适用于小型企业的单机自动控制系统。

单元组合式控制仪表应用灵活、通用性强，便于控制仪表的生产、维护及备品库存等。

组件组装式控制仪表可由仪表制造厂预先根据用户要求，组装好整套自控系统，再以成套装置形式提供给用户，从而可使自控系统的现场施工、系统安装和调试工作量大大减小，也使维护、检修和系统改组工作大大简化。

三、特点

数字模拟混合式系统：现场仪表与控制室装置之间通信采用模拟信号4～20mA，数字控制仪表内部的信号处理为数字信号，但输入仍为4～20mA，控制装置之间和控制装置与上位计算机之间采用数字通信技术。

例如目前数字控制仪表，DCS系统，PLC系统，FCS系统等。

三大控制系统之间的差异：

目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。下面就仅以DCS与FCS进行比较。

DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。

目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。 数字通信和模拟信号通信方式比较：简化了硬件结构，提高了装置精度；提高了信号传输精度；传输的信息更加丰富；大大降低了布线的复杂性和费用。 现场总线控制系统（FCS）：

它是将智能现场仪表与控制室的装置利用现场总线连接起来，构成一种全数字全分散全开放的新一代控制系统。

传统的DCS和FCS的区别：

传统的DCS和FCS原理结构如下图所示。

四、发展趋势

控制仪表与装置涉及的面十分广泛，如DCS、PLC、新型控制仪表、变送器及执行器等都有自己的发展轨迹，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，即将自动控制装置用于生产流程的整个操作过程，从开机到停机的全程控制及将控制、生产计划安排和工厂全面管理有机的结合起来，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。

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