自动化仪表与控制系统之间的关系

来源 ：   时间 ：2015-05-05   点击率 ：

自动化仪表 ，是由若干自动化元件构成的 ，具有较完善功能的自动化技术工具 。它一般同时具有数种功能 ，如测量 、显示 、记录或测量 、控制 、报警等 。自动化仪表本身是一个系统 ，又是整个自动化系统中的一个子系统 。自动化仪表是一种“信息机器” ，其主要功能是信息形式的转换 ，将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域或频率域表达 ，信号的传输则可调制成连续的模拟量或断续的数字量形式。

（一）自动化仪表与企业的信息化
　　信息技术的发展给自动化仪表带来两方面的影响 ：一方面信息技术与自动化仪表争夺人才 ，在IT发展的高潮 ，许多有经验的仪表工作者转向IT行业 ，这也是近年仪表产品推出减缓的原因之一 ；另一方面自动化仪表借用了TI行业一些成熟的技术和产品 ，加快了信息的步伐 。

　　信息化需要将现实世界的实体事物（包括原料 、设备 、产品 、控制系统 、仪表等） ，生产流程（包括制造方法 、工艺等） 。企业的管理（包括采购、销售 、物流等）用计算机能够识别和处理0和1来描述 ，然后由计算机进行运算和处理 ，最后将处理的结果再反作用到现实世界 。

　　描述事物的规则按对象的属性可简化分为3类 ：
　　（1）描述事物的信息模型 。如描述生产原料 、元件 、控制系统仪生产用装置 、设备 、生产过程的状态 、中间和最终产品内容的信息模型 ，这种类型的模型要把对象的基本属性描述出来 ，典型代表是IEC361987工业过程测量与控制过程设备目录中的数据结构和元素系列标准和IEC61360与电子元件分类方案相关的标准数据元素类型系列标准 。
　　（2）描述事物之间关系（尤其是定量关系）的模型 。信息化的重要作用是对事物进行优化 ，优化的条件是了解事物之间的（定量）关系 。这种模型常常以数学模型的形式出现 。这类模型往往针对性很强 ，难以建立统一的广泛应用的模型 ，因此较少以国际标准的形式出现 。
　　（3）描述对象过程信息模型 。如生产过程 、管理过程 ，典型代表是IEC62264企业系统集成系列标准 。

　　（二）自动化仪表工程项目全局信息和全生命周期信息的整合
　　全局和全生命周期的信息化整合实际上是自动化仪表系统的全面可互操作性 。可互操作性是分层次的 ，最基本的是过程控制机的互操作 ，即控制系统与现场仪表表层免的可互操作 ，向上一层是控制系统维护与生产设备诊断信息的可互操作 ，在高一层是企业管理信息的客户操作 。全局信息化整合至少要实现全局信息的可互操作 。

　　不同层级实现可互操作的技术和方法是不完全一样的 。在控制系统与现场仪表层主要技术史 ：功夫块 、EDDL（电子设备描述语言） 、FDT/DTM（现场设备工具/设备类型管理器） 、OPC UA（原 Ole for Process Control ，过程控制控制用对象链接和嵌入 ：现Openness ，Productivity&Collaboration,开放 、生产率和协作 ；企业管理层则部分借助于MES（制造执行系统）技术 。全局信息整合至少要使企业各层之间的信息交换无障碍 。

　　自动化系统工程师项目从论证一直到建成投产运行 、目后大修维护 ，整个过程的每个阶段会产生许多技术文件 ，各阶段的文件又有很强的关联 ，而且这些文档现在都以二进制形式存在计算机里 。涂过各阶段采用统一的信息模型 ，那么下阶段的文件相对上阶段就可以有很好的继承性 。例如 ，在项目的工程设计阶段就会编制控制逻辑配置图 ，如果使用了统一的信息模型 ，那么到开车调试阶段就可以直接用这个图对系统进行组态 。全生命周期信息整合就是要实现系统各生面阶段之间可互操作 ，

　　（三）功能安全　　
     安全是一个非常广泛的主题 ，在自动化仪表领域今年主要关注功能安全方面 。IEC61508电气/电子/科编程电子安全相关系统的功能安全系列国际标准早在1998年就开始陆续出版 ，2003年又出版了IEC61511过程仪表安全系统的功能安全系列国际标准 。我国近两年出版了等同采用这些国际标准的系列国家标准GB/T20438电气/电子/科编程电子安全相关系统的功能安全和GB/T21109过程仪表安全系统的功能安全 。
　　近两年功能安全的重要发展是 ：将大量经过功能安全认证的仪表推向市场 。这对仪表的市场有很大影响 ，因此功能安全仪表并不只是用在有安全要求的系统中 ，功能安全认证还起到对仪表可*性一定的定量确认的作用 ，为了争取竞争中的有利地位 ，实际上几乎所有仪表制造商都会开展功能安全研究 。

　　（四）系统维护与仪表诊断
　　基于企业对安全和质量的要求 ，系统维护与仪表诊断受到用户 、制造商和研究者各方面的关注。系统维护与仪表诊断分为4个层次:生产流程的诊断 、生产装备的诊断 、自动化控制系统的诊断 、现场仪表的诊断 。
　　针对生产装备的监控 、诊断仪表系统是近两年推向市场的新产品 。主要用于对某些典型生产装备（如旋转机械 、流体管线）的监控和诊断 。这些系统使用的检测手段包括振动测量 、激光测量 、红外热像 、超声扫描以及普通的温度压力测量 ，将监测的信息通过统计分析 、频谱分析 、模式识别 、数据挖掘等专家系统的分析 ，得出对设备的诊断 。典型产品有Emerson公司的CSI机械设备状态管理系统 。
　　现场仪表的诊断与上述几层的维护 、诊断在方法上有很大区别 。首先 ，上述方法都是通过传感器采集信息 ，通过各种手段的分析实现诊断 。现场仪表本身体积较小 、功耗低 ，可用于诊断的信息资源很少 ；其次 ，现场仪表的诊断结果显示往往借助控制系统软件或手持操作器，因此其诊断过程中常常有现场仪表与另一端的互动 ，以补充自身资源的不足 。
现场仪表的诊断难度较大 ，HART基金会的《HART 诊断指南（草案）》将维护分为三级：要求维护（已经发生故障） 、需要维护（仪表已超过维护周期） 、建议维护（仪表到了维护周期） 。而维护周期由智能仪表根据仪表的损耗情况或固定的时间确定 。
　　我国大型设备方面的维护和诊断研究已有多年的历史 ，在旋转机械等典型装备方面有不错的成果和成功的应用 ，有两个学会组织聚集了我国这方面的力量 ：中国振动工程学会故障诊断专业委员会和中国自动化学会技术过程故障诊断与安全性技术委员会 。在自动化控制系统自身的诊断方面虽然也有一些研究 ，但应用较少 ，在检测仪表和执行器的诊断方面更加薄弱 ，无论在维护和诊断理论研究还是开发实践方面都与国际水平有较大差距 。国产的大部分仪表在故障诊断和预测性维护方面存在空白 。

　　（五）无线通信
　　工业无线通信技术的快速发展是近两年自动化仪表领域显著的亮点 ，主要表现在以下几个方面。
　　（1）技术方案多样化 。有基于WPAN（无线个域网）的多种方案 ，有基于WLAN（无线局域网）的方案，也有基于无线公网（如GPRS 、CDMA）的方案 。各种方案针对一定的对象和应用 ，在某些局部具有优势 。
　　（2）参与者迅速增加 。有学校 、研究机构 、自动化仪表企业 ，还有一些半导体器件制造企业和具有专项技术的小型高技术企业 。
　　（3）成立了专业组织 。有新成立的专项组织 ，如WINA（The Wireless Industrial Networking Alliance ，无线工业网络联盟） ，也有许多老牌组织新成立无线通信工作组 ，如IEEE的多个工作组 ，欧盟的R-Fieldbus项目（无线现场总线项目） 、ISA的SP100工作组 、HART的无线HART工作组以及各现场总线的无线工作组等 。
　　（4）推出多种无线演示系统 、测量仪表样机 ，成为今年全球各主要自动化仪表展的热点。如Honeywell公司符合ISA100.11a的One Wireless系列 ，Emerson公司符合WirelessHART的Smart Wireless 。这些产品虽已在一些场合投入应用 ，但从总体来讲 ，一则数量有限 ；二则系统规模较小 ，不过数十个节点 。各种供自动化仪表企业开发无线产品各种无线模块更是不计其数 ，而提供这些模块的企业往往才是无线技术的真正持有者 。

（六）控制网络
　　以现场为代表的控制网络技术在我国已经逐步得到推广 ，自上海赛科项目大规模采用现场总线以来 ，各种工程项目采用现场总线的心理障碍已经基本消除 。人们已经越来越少问“是否能用” ，而越来越多问“如何好用” 。由于近年我国上的大型工程项目多 ，我国无论在采用现场总线仪表的项目规模还是在采用的数量方面都处于国际领先位置 。不过一些项目虽然采用了先进的现场总线智能仪表 ，但应用的水平却不高 ，主要是未充分应用智能仪表可以提供的信息和信息服务 。

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