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    我國工業控制自動化技術的現狀與發展趨勢

    添加時間:2013-01-13 16:09:00   瀏覽次數: 次    【 】   打印   關閉窗口

    工業控制自動化技術是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術,對工業生產過程實現檢測、控制、優化、調度、管理和決策,達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術,主要包括工業自動化軟件、硬件和系統三大部分。工業控制自動化技術作為20世紀現代制造領域中最重要的技術之一,主要解決生產效率與一致性問題。雖然自動化系統本身并不直接創造效益,但它對企業生產過程有明顯的提升作用。

    我國工業控制自動化的發展道路,大多是在引進成套設備的同時進行消化吸收,然后進行二次開發和應用。目前我國工業控制自動化技術、產業和應用都有了很大的發展,我國工業計算機系統行業已經形成。目前,工業控制自動化技術正在向智能化、網絡化和集成化方向發展。

    一、 以工業PC為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流

    眾所周知,從20世紀60年代開始,西方國家就依靠技術進步(即新設備、新工藝以及計算機應用)開始對傳統工業進行改造,使工業得到飛速發展。20世紀末世界上最大的變化就是全球市場的形成。全球市場導致競爭空前激烈,促使企業必須加快新產品投放市場時間(Time to Market)、改善質量(Quality)、降低成本(Cost)以及完善服務體系(Service),這就是企業的T.Q.C.S.。雖然計算機集成制造系統(CIMS)結合信息集成和系統集成,追求更完善的T.Q.C.S.,使企業實現“在正確的時間,將正確的信息以正確的方式傳給正確的人,以便作出正確的決策”,即“五個正確”。然而這種自動化需要投入大量的資金,是一種高投資、高效益同時是高風險的發展模式,很難為大多數中小企業所采用。在我國,中小型企業以及準大型企業走的還是低成本工業控制自動化的道路。

    工業控制自動化主要包含三個層次,從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化,其核心是基礎自動化和過程自動化。

    傳統的自動化系統,基礎自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷,過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進口的過程計算機或小型機組成,其硬件、系統軟件和應用軟件的價格之高令眾多企業望而卻步。

    20世紀90年代以來,由于PC-based的工業計算機(簡稱工業PC)的發展,以工業PC、I/O裝置、監控裝置、控制網絡組成的PC-based的自動化系統得到了迅速普及,成為實現低成本工業自動化的重要途徑。我國重慶鋼鐵公司這樣的大企業的幾乎全部大型加熱爐,也拆除了原來DCS或單回路數字式調節器,而改用工業PC來組成控制系統,并采用模糊控制算法,獲得了良好效果。

    由于基于PC的控制器被證明可以像PLC一樣可靠,并且被操作和維護人員接受,所以,一個接一個的制造商至少在部分生產中正在采用PC控制方案?;赑C的控制系統易于安裝和使用,有高級的診斷功能,為系統集成商提供了更靈活的選擇,從長遠角度看,PC控制系統維護成本低。由于可編程控制器(PLC)受PC控制的威脅最大,所以PLC供應商對PC的應用感到很不安。事實上,他們現在也加入到了PC控制“浪潮”中。

    近年來,工業PC在我國得到了異常迅速的發展。從世界范圍來看,工業PC主要包含兩種類型:IPC工控機和CompactPCI工控機以及它們的變形機,如AT96總線工控機等。由于基礎自動化和過程自動化對工業PC的運行穩定性、熱插拔和冗余配置要求很高,現有的IPC已經不能完全滿足要求,將逐漸退出該領域,取而代之的將是 CompactPCI-based工控機,而IPC將占據管理自動化層。國家于2001年設立了“以工業控制計算機為基礎的開放式控制系統產業化”工業自動化重大專項,目標就是發展具有自主知識產權的PC-based控制系統,在3-5年內,占領30%-50%的國內市場,并實現產業化。

    幾年前,當“軟PLC”出現時,業界曾認為工業PC將會取代PLC。然而,時至今日工業PC并沒有代替PLC,主要有兩個原因:一個是系統集成原因;另一個是軟件操作系統Windows NT的原因。一個成功的PC-based控制系統要具備兩點:一是所有工作要由一個平臺上的軟件完成;二是向客戶提供所需要的所有東西??梢灶A見,工業PC與PLC的競爭將主要在高端應用上,其數據復雜且設備集成度高。工業PC不可能與低價的微型PLC競爭,這也是PLC市場增長最快的一部分。從發展趨勢看,控制系統的將來很可能存在于工業PC 和 PLC之間,這些融合的跡象已經出現。

    和PLC一樣,工業PC市場在過去的兩年里保持平穩。與PLC相比,工業PC軟件很便宜。據Sullivan公司估計,全世界每年7億美元工業PC市場里,大約8500萬美元為控制軟件,一億美元為操作系統。到2007年會翻一番,工業PC市場變得非??捎^。

    二、 PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展

    長期以來,PLC始終處于工業控制自動化領域的主戰場,為各種各樣的自動化控制設備提供非??煽康目刂品桨?,與DCS和工業PC形成了三足鼎立之勢。同時,PLC也承受著來自其它技術產品的沖擊,尤其是工業PC所帶來的沖擊。

    目前,全世界PLC生產廠家約200家,生產300多種產品。國內PLC市場仍以國外產品為主,如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產品。經過多年的發展,國內PLC生產廠家約有三十家,但都沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品,可以說PLC在我國尚未形成制造產業化。在PLC應用方面,我國是很活躍的,應用的行業也很廣。專家估計,2000年PLC的國內市場銷量為15-20萬套(其中進口占90%左右),約25-35億元人民幣,年增長率約為12%。預計到2005年全國PLC需求量將達到25萬套左右,約35-45億元人民幣。

    PLC市場也反映了全世界制造業的狀況,2000后大幅度下滑。但是,按照Automation Research Corp的預測,盡管全球經濟下滑,PLC市場將會復蘇,估計全球PLC市場在2000年為76億美元,到2005年底將回到76億美元,并繼續略微增長。

    微型化、網絡化、PC化和開放性是PLC未來發展的主要方向。在基于PLC自動化的早期,PLC體積大而且價格昂貴。但在最近幾年,微型PLC(小于32 I/O)已經出現,價格只有幾百歐元。隨著軟PLC(Soft PLC)控制組態軟件的進一步完善和發展,安裝有軟PLC組態軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。

    當前,過程控制領域最大的發展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展,PLC也不例外?,F在越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口??梢韵嘈?,PLC將繼續向開放式控制系統方向轉移,尤其是基于工業PC的控制系統。

    三、 面向測控管一體化設計的DCS系統

    集散控制系統DCS(Distributed Control System)問世于1975年,生產廠家主要集中在美、日、德等國。我國從70年代中后期起,首先由大型進口設備成套中引入國外的DCS,首批有化纖、乙烯、化肥等進口項目。當時,我國主要行業(如電力、石化、建材和冶金等)的DCS基本全部進口。80年代初期在引進、消化和吸收的同時,開始了研制國產化DCS的技術攻關。

    近10年,特別是“九五”以來,我國DCS系統研發和生產發展很快,崛起了一批優秀企業,如北京和利時公司、上海新華公司、浙大中控公司、浙江威盛公司、航天測控公司、電科院以及北京康拓集團等。這批企業研制生產的DCS系統,不僅品種數量大幅度增加,而且產品技術水平已經達到或接近國際先進水平。在2001年全國應用的4426套DCS系統中,國產DCS系統為1486套,占35%。短短幾年,國外DCS系統在我國一統天下的局面從此不再出現。這些專業化公司不僅占據了一定的市場份額,積累了發展的資本和技術,同時使得國外引進的DCS系統價格也大幅度下降,為我國自動化推廣事業做出了貢獻。與此同時,國產DCS系統的出口也在逐年增長。

    雖然國產DCS的發展取得了長足進步,但國外DCS產品在國內市場中占有率還較高,其中主要是Honeywell和橫河公司的產品。我國DCS的市場年增長率約為20%,年市場額約為30-35億元。由于近5年內DCS在石化行業大型自控裝置中沒有可替代產品,所以其市場增長率不會下降。據統計,到2005年,我國石化行業有1000多套裝置需要應用DCS控制;電力系統每年新裝1000多萬千瓦發電機組,需要DCS實現監控;不少企業已使用DCS近15-20年,需要更新和改造。所以,今后5年內DCS作為自動化儀表行業主要產品的地位不會動搖。<BR>根據中國儀器儀表行業協會公布的調查數據顯示,2002年我國DCS市場狀況如下:

    小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發展的主要方向。目前小型DCS所占有的市場,已逐步與PLC、工業PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先與這三種系統融合,而且“軟DCS”技術將首先在小型DCS中得到發展。PC-based控制將更加廣泛地應用于中小規模的過程控制,各DCS廠商也將紛紛推出基于工業PC的小型DCS系統。開放性的DCS系統將同時向上和向下雙向延伸,使來自生產過程的現場數據在整個企業內部自由流動,實現信息技術與控制技術的無縫連接,向測控管一體化方向發展。

    四、 控制系統正在向現場總線(FCS)方向發展

    由于3C(Computer、Control、Communication)技術的發展,過程控制系統將由DCS發展到FCS(Fieldbus Control System)。FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備(Field Device)中?;诂F場總線的FCS又是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統,它將取代現場一對一的4-20mA模擬信號線,給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化。

    根據IEC61158的定義,現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡?,F場總線使測控設備具備了數字計算和數字通信能力,提高了信號的測量、傳輸和控制精度,提高了系統與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現場總線標準工作,走過了16年的艱難歷程,于1993年推出了IEC61158-2,之后的標準制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現場總線國際標準子集有八種,分別為:

    類型1 IEC技術報告(FFH1);

    類型2 (美國Rockwell公司支持);

    類型3 Profibus(德國Siemens公司支持);

    類型4 P-NET(丹麥Process Data公司支持);

    類型5 FFHSE(原FFH2)高速以太網(美國Fisher Rosemount公司支持);

    類型6 Swift-Net(美國波音公司支持);

    類型7 WorldFIP(法國Alsto公司支持);

    類型8 Interbus(美國Phoenix Contact公司支持)。

    除了IEC61158的8種現場總線外,IEC TC17B通過了三種總線標準:SDS(Smart Distributed System);ASI(Actuator Sensor Interface);Device NET。另外,ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準為國家標準,并于2003年4月1日開始實施。

    目前在各種現場總線的競爭中,以Ethernet為代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技術正成為現場總線發展中新的亮點。其關注的焦點主要集中在兩個方面:

    (1) 能否出現全世界統一的現場總線標準;

    (2) 現場總線系統能否全面取代現時風靡世界的DCS系統。

    采用現場總線技術構造低成本的現場總線控制系統,促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化,符合工業控制系統的技術發展趨勢。國家在“九五”期間為了加快現場總線技術在我國的發展,重點放在智能化儀表和現場總線技術的開發和工程化上,補充和完善工藝設備、開發裝置和測試裝置,建立智能化儀表和開發自動化系統的生產基地,形成適度規模經濟。2000年,“九五”國家科技攻關計劃“新一代全分布式控制系統研究與開發”和“現場總線智能儀表研究開發”兩個項目相繼完成。這兩個項目以及先期完成的“現場總線控制系統的開發”項目,針對國際上已經出現的多種現場總線協議并存的局面,重點選擇了HART協議和FF協議現場總線技術攻關。

    總之,計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統(DCS)后,將朝著現場總線控制系統(FCS)的方向發展。雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快,但FCS發展還有很多工作要做,如統一標準、儀表智能化等。另外,傳統控制系統的維護和改造還需要DCS,因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個較長的過程,同時DCS本身也在不斷的發展與完善??梢钥隙ǖ氖?,結合DCS、工業以太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業以太網以及現場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式,在工業現場得到了越來越多的應用,并將在控制領域中占有更加重要的地位。

    五、儀器儀表技術在向數字化、智能化、網絡化、微型化方向發展

    經過五十年的發展,我國儀器儀表工業已有相當基礎,初步形成了門類比較齊全的生產、科研、營銷體系?,F有各類儀器儀表企業6000余家,年銷售額約1000億元,成為亞洲除日本之外第二大儀器儀表生產國。據海關統計,除去隨成套工程項目配套引進的儀器儀表不計,去年進口各類儀器儀表近60億美元,約占我國儀器儀表工業總產值的50%。但目前我國儀器儀表行業產品大多屬于中低檔水平,隨著國際上數字化、智能化、網絡化、微型化的產品逐漸成為主流,差距還將進一步加大。目前,我國高檔、大型儀器設備大多依賴進口。中檔產品以及許多關鍵零部件,國外產品占有我國市場60%以上的份額,而國產分析儀器占全球市場不到千分之二的份額。

    2001年3月,第九屆全國人大四次會議批準的“十五”計劃綱要首次提出“把發展數控機床,儀器儀表和基礎零部件放到重要位置,努力提高質量和技術水平”。2001年8月,國家計委把儀器儀表明確列為國民經濟重要技術裝備,國家經貿委制定并公布的儀器儀表行業 “十五”規劃,確立了6項高技術產業化項目:

    1. 基于現場總線技術的全開放分散控制系統及智能儀表;

    2. 新型傳感器;

    3. 智能化工業控制部件與執行機構;

    4. 環境與污染源監測儀器及自動監測系統;

    5. 城市污水處理利用成套工藝設備中的儀表自動化控制系統;

    6. 煉鋼轉爐煤氣凈化回轉成套裝置中的儀表自動化控制系統。

    根據儀器儀表行業的預測,“十五”期間我國儀器儀表市場大致是:2002年1628億,2003年1790億,2004年1969億,2005年2165億。五年間,平均年市場容量為1806億(相當于220億美元),其中工業自動化儀表和控制系統占41%、科學測試儀器占25%、醫療儀器占17%、其它占17%,平均年增長率將不會低于10%。

    今后儀器儀表技術的主要發展趨勢:

    * 儀器儀表向智能化方向發展,產生智能儀器儀表;

    * 測控設備的PC化,虛擬儀器技術將迅速發展;

    * 儀器儀表網絡化,產生網絡儀器與遠程測控系統。

    幾點建議

    * 開發具有自主知識產權的產品,掌握核心技術。

    * 加強儀器儀表行業的系統集成能力。

    * 進一步拓展儀器儀表的應用領域。

    六、 數控技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發展

    從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統,到現在已走過了51年的歷程。近10年來,隨著計算機技術的飛速發展,各種不同層次的開放式數控系統應運而生,發展很快。目前正朝著標準化開放體系結構的方向前進。就結構形式而言,當今世界上的數控系統大致可分為4種類型:

    1. 傳統數控系統;

    2. “PC嵌入NC”結構的開放式數控系統;

    3. “NC嵌入PC”結構的開放式數控系統;

    4. SOFT型開放式數控系統。

    我國數控系統的開發與生產,通過“七五”引進、消化、吸收,“八五”攻關和“九五”產業化,取得了很大的進展,基本上掌握了關鍵技術,建立了數控開發、生產基地,培養了一批數控人才,初步形成了自己的數控產業,也帶動了機電控制與傳動控制技術的發展。同時,具有中國特色的經濟型數控系統經過這些年來的發展,產品的性能和可靠性有了較大的提高,逐漸被用戶認可。

    國外數控系統技術發展的總體發展趨勢是:

    * 新一代數控系統向PC化和開放式體系結構方向發展;

    * 驅動裝置向交流、數字化方向發展;

    * 增強通信功能,向網絡化發展;

    * 數控系統在控制性能上向智能化發展。

    進入21世紀,人類社會將逐步進入知識經濟時代,知識將成為科技和生產發展的資本與動力,而機床工業,作為機器制造業、工業以至整個國民經濟發展的裝備部門,毫無疑問,其戰略性重要地位、受重視程度,也將更加鮮明突出。

    近年來,我國數控機床一直保持兩位數增長。2001年,我國機床工業產值已進入世界第5名,機床消費額在世界排名上升到第3位,達47.39億美元,僅次于美國的53.67億美元。2002年產值達260億元,產量居世界第4。但與發達國家相比,我國機床數控化率還不高,目前生產產值數控化率還不到30%;消費值數控化率還不到50%,而發達國家大多在70%左右。由于國產數控機床不能滿足市場的需求,高檔次的數控機床及配套部件只能靠進口,使我國機床的進口額呈逐年上升態勢,2001年進口機床躍升至世界第2位,達24.06億美元,比上年增長27.3%。

    智能化、開放性、網絡化、信息化成為未來數控系統和數控機床發展的主要趨勢:

    * 向高速、高效、高精度、高可靠性方向發展;

    * 向模塊化、智能化、柔性化、網絡化和集成化方向發展;

    * 向PC-based化和開放性方向發展;

    * 出現新一代數控加工工藝與裝備,機械加工向虛擬制造的方向發展。

    * 信息技術(IT)與機床的結合,機電一體化先進機床將得到發展。

    * 納米技術將形成新發展潮流,并將有新的突破。

    * 節能環保機床將加速發展,占領廣大市場。

    七、 工業控制網絡將向有線和無線相結合方向發展

    自從1977年第一個民用網系統ARCnet投入運行以來,有線局域網以其廣泛的適用性和技術價格方面的優勢,獲得了成功并得到了迅速發展。然而,在工業現場,一些工業環境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜,有線局域網很難發揮作用,因此無線局域網技術得到了發展和應用。隨著微電子技術的不斷發展,無線局域網技術將在工業控制網絡中發揮越來越大的作用。

    無線局域網(Wireless LAN)技術可以非常便捷地以無線方式連接網絡設備,人們可隨時、隨地、隨意地訪問網絡資源,是現代數據通信系統發展的重要方向。無線局域網可以在不采用網絡電纜線的情況下,提供以太網互聯功能。在推動網絡技術發展的同時,無線局域網也在改變著人們的生活方式。無線網通信協議通常采用IEEE802.3和802.11。802.3用于點對點方式,802.11用于一點對多點方式。無線局域網可以在普通局域網基礎上通過無線Hub、無線接入站(AP)、無線網橋、無線Modem及無線網卡等來實現,以無線網卡使用最為普遍。無線局域網的未來的研究方向主要集中在安全性、移動漫游、網絡管理以及與3G等其它移動通信系統之間的關系等問題上。

    在工業自動化領域,有成千上萬的感應器,檢測器,計算機,PLC,讀卡器等設備,需要互相連接形成一個控制網絡,通常這些設備提供的通信接口是RS-232或RS-485。無線局域網設備使用隔離型信號轉換器,將工業設備的RS-232串口信號與無線局域網及以太網絡信號相互轉換,符合無線局域網IEEE 802.11b和以太網絡IEEE 802.3標準,支持標準的TCP/IP網絡通信協議,有效的擴展了工業設備的聯網通信能力。

    計算機網絡技術、無線技術以及智能傳感器技術的結合,產生了“基于無線技術的網絡化智能傳感器”的全新概念。這種基于無線技術的網絡化智能傳感器使得工業現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、發布和共享。無線局域網技術能夠在工廠環境下,為各種智能現場設備、移動機器人以及各種自動化設備之間的通信提供高帶寬的無線數據鏈路和靈活的網絡拓撲結構,在一些特殊環境下有效地彌補了有線網絡的不足,進一步完善了工業控制網絡的通信性能。

    八、 工業控制軟件正向先進控制方向發展

    自20世紀80年代初期誕生至今,工業控制軟件已有20年的發展歷史。工業控制軟件作為一種應用軟件,是隨著PC機的興起而不斷發展的。工業控制軟件主要包括人機界面軟件(HMI),基于PC的控制軟件以及生產管理軟件等。目前,我國已開發出一批具有自主知識產權的實時監控軟件平臺、先進控制軟件、過程優化控制軟件等成套應用軟件,工程化、產品化有了一定突破,打破了國外同類應用軟件的壟斷格局。通過在化工、石化、造紙等行業的數百個企業(裝置)中應用,促進了企業的技術改造,提高了生產過程控制水平和產品質量,為企業創造了明顯的經濟效益。2000年,“九五”國家科技攻關計劃項目“大型骨干石化生產系統控制及計算機應用技術”通過了驗收。

    作為工控軟件的一個重要組成部分,國內人機界面組態軟件研制方面近幾年取得了較大進展,軟件和硬件相結合,為企業測、控、管一體化提供了比較完整的解決方案。在此基礎上,工業控制軟件將從人機界面和基本策略組態向先進控制方向發展。

    先進過程控制APC(Advanced Process Control)目前還沒有嚴格而統一的定義。一般將基于數學模型而又必須用計算機來實現的控制算法,統稱為先進過程控制策略。如:

    * 自適應控制;

    * 預測控制;

    * 魯棒控制;

    * 智能控制(專家系統、模糊控制、神經網絡)等。

    由于先進控制和優化軟件可以創造巨大的經濟效益,因此這些軟件也身價倍增。國際上已經有幾十家公司,推出了上百種先進控制和優化軟件產品,在世界范圍內形成了一個強大的流程工業應用軟件產業。因此,開發我國具有自主知識產權的先進控制和優化軟件,打破外國產品的壟斷,替代進口,具有十分重要的意義。

    在未來,工業控制軟件將繼續向標準化、網絡化、智能化和開放性發展方向。

    結束語

    工業信息化是指在工業生產、管理、經營過程中,通過信息基礎設施,在集成平臺上,實現信息的采集、信息的傳輸、信息的處理以及信息的綜合利用等。在“十五”期間,國家用信息化帶動工業化的工作重點有三個方面:一是以電子信息技術應用為重點,提高傳統產業生產過程自動化、控制智能化和管理信息化水平;二是以先進制造技術應用為重點,推進制造業領域的優質高效生產,振興裝備制造業;三是改造提升重點產業的關鍵技術、共性技術及其相關配套技術水平、工藝和裝備水平。國家實施高技術產業化的主要目標有兩個:一是發展高技術,形成新興產業,培育新的增長點;二是利用先進技術改造和優化傳統產業,提高經濟增長的質量。

    由于大力發展工業自動化是加快傳統產業改造提升、提高企業整體素質、提高國家整體國力、調整工業結構、迅速搞活大中型企業的有效途徑和手段,國家將繼續通過實施一系列工業過程自動化高技術產業化專項,用信息化帶動工業化,推動工業自動化技術的進一步發展,加強技術創新,實現產業化,解決國民經濟發展面臨的深層問題,進一步提高國民經濟整體素質和綜合國力,實現跨越式發展。
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