关于现代控制仪表系统的研究现状及发展趋势分析

【摘 要】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。随着我国经济的发展，科技技术也得到长足进步，控制理论及仪表技术不断发展和完善，为企业发展带来直接效益。

【关键词】控制仪表；发展趋势；研究现状

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。

1 现代控制仪表系统的现状

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。

2 控制仪表的分类

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。

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。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：

1）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。

2）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。

3）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。

3 控制仪表的特点

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。

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。

4 现代控制仪表系统的最新发展趋势

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。

测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”、“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。

控制仪表与装置的发展趋势有：

逐步实现全数字式、开放式的DCS系统：由于计算机网络技术的迅速发展，推动着DCS体系结构发生重大变革。数字通信将一直延伸到现场，传统的4～20mA直流模拟信号制将逐步被双向数字通信的现场总线所取代。发展智能变送器和智能执行器、扩展量程、改善精度、提高可用性和可靠性，使现有的DCS系统换代为全数字、全分散、全开放的新一代控制系统——现场控制系统（FCS）。

1）发展小型DCS系统，扩展应用覆盖面：许多主流的DCS系统功能强、质量好、可靠性高，而价格则相当昂贵，中小型企业无力选用。针对这种情况，近年来一些DCS生产企业相继推出了小型DCS系统。由于中小型企业所占比例很大，因而提高小型DCS系统的性能和功能、降低价格必将极大地拓展DCS系统的应用覆盖面，提高整个工业生产的自动化水平和经济效益。

2）开发先进的过程控制软件：以往DCS生产企业大多数只提供基本控制软件，即PID、比值、串级、前馈等控制软件，更高层次的先进控制软件须由用户自行开发。随着先进控制算法因广泛的应用和经验的积累而日趋成熟，一些DCS生产企业近年来也陆续推出一些先进的过程控制模块，如预测控制、自适应控制、模糊控制、参数自整定控制及智能控制等软件模块，使一些复杂的生产过程自动控制难题得以解决。今后还会有更多的先进控制（如多变量预测控制、鲁棒控制和神经网络控制等）引入到数字调节器、工业控制机及DCS系统中，以满足各工业部门的需求，并将带来巨大的经济效益。

3）人工智能、专家系统在工业控制中的应用将逐步深入：近年来，人工智能、专家系统在工业生产自动控制中的应用已引起人们普遍的关注，现已开始用于管理、在线设备诊断、计划调度、生产工况判断、操作指导以及直接用于生产过程的优化控制。一方面这些应用还需要完善和推广，另一方面人工智能、专家系统还将向更高阶段发展，将继续把人的感知、分析、揄、判断、决策及自学习等功能用于控制和管理，产生众多的新一代专家系统。

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