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我国工业控制自动化技术的现状与发展趋势

我国工业控制自动化技术的现状与发展趋势.
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目综合性技术,主要包括工业自动化App、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中*重要技术之一,主要解决生产效率与一致性问题。自动化系统本身并不直接创造效益,但它对企业生产过程有明显提升作用。

我国工业控制自动化发展道路,大多是引进成套设备同时进行消化吸取,然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大发展,我国工业计算机系统行业已经形成。目前,工业控制自动化技术正向智能化、网络化和集成化方向发展。

一、以工业PC为基础低成本工业控制自动化将成为主流

众所周知,从20世纪60年代开始,西方国家就依靠技术进步(即新设备、新工艺以及计算机应用)开始对传统工业进行改造,使工业到飞速发展。20世纪末世界上*大变化就是全球市场形成。全球市场导致竞争**激烈,促使企业必须加快新产品投放市场时间(TimetoMarket)、改善质量(Quality)、降低成本(Cost)以及完善服务体系(Service),这就是企业T.Q.C.S.。计算机集成制造系统(CIMS)结合信息集成和系统集成,追求更完善T.Q.C.S.,使企业实现“正确时间,将正确信息以正确方式传给正确人,作出正确决策”,即“五个正确”。这种自动化需要投入大量资金,是一种高投资、高效益同时是高风险发展模式,很难为大多数中小企业所采用。我国,中小型企业以及准大型企业走低成本工业控制自动化道路。工业控制自动化主要包含三个层次,从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化,其核心是基础自动化和过程自动化。传统自动化系统,基础自动化部分基本被PLC和DCS所垄断,过程自动化和管理自动化部分主由各种进口过程计算机或小型机组成,其硬件、系统App和应用App价格之高令众多企业望而却步。20世纪90年代以来,PC-based工业计算机(简称工业PC)发展,以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成PC-based自动化系统到了迅速普及,成为实现低成本工业自动化重要途径。我国重庆钢铁企业这样大企业几乎全部大型加热炉,也拆原来DCS或单回路数字式调节器,而改用工业PC来组成控制系统,并采用模糊控制算法,获了良好效果。基于PC控制器被证明可以像PLC一样可靠,**作和维护人员接受,,一个接一个制造商至少部分生产中正采用PC控制方案。基于PC控制系统易于安装和使用,有上等诊断功能,为系统集成商提供了更灵活选择,从长远角度看,PC控制系统维护成本低。可编程控制器(PLC)受PC控制威胁*大,PLC供应商对PC应用感到很不安。事实上,他们现也加入到了PC控制“浪潮”中。

近年来,工业PC我国到了异常迅速发展。从世界范围来看,工业PC主要包含两种类型:IPC工控机和CompactPCI工控机以及它们变形机,如AT96总线工控机等。基础自动化和过程自动化对工业PC运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高,现有IPC已经不能完全满足要求,将逐渐退出该领域,取而代之将是CompactPCI-based工控机,而IPC将占据管理自动化层。国家于2001年设立了“以工业控制计算机为基础开放式控制系统产业化”工业自动化重大专项,目标就是发展具有自主常识产权PC-based控制系统,3(5年内,占领30%(50%国内市场,并实现产业化。

几年前,当“软PLC”出现时,业界曾认为工业PC将会取代PLC。,时至今日工业PC并没有代替PLC,主要有两个原因:一个是系统集成原因;另一个是App操作系统WindowsNT原因。一个成功PC-based控制系统要具备两点:一是所有工作要由一个平台上App完成;二是向客户提供所需要所有东西。可以预见,工业PC与PLC竞争将主要优异应用上,其数据复杂且设备集成度高。工业PC不可能与低价微型PLC竞争,这也是PLC市场增长*快一部分。从发展趋势看,控制系统将来很可能存工业PC和PLC之间,这些融合迹象已经出现。和PLC一样,工业PC市场过去两年里保持平稳。与PLC相比,工业PCApp很便宜。据Frost&Sullivan企业估计,全世界每年7亿美金工业PC市场里,大约8500万美金为控制App,一亿美金为操作系统。到2007年会翻一番,工业PC市场变非常可观。

二、PLC向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展

长期以来,PLC始终处于工业控制自动化领域主战场,为各种各样自动化控制设备提供非常可靠控制方案,与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时,PLC也承受着来自其它技术产品冲击,尤其是工业PC所带来冲击。目前,全世界PLC生产厂家约200家,生产300多种产品。国内PLC市场仍以国外产品为主,如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE产品。多年发展,国内PLC生产厂家约有三十家,但都没有形成颇具规模生产能力和品牌产品,可以说PLC我国尚未形成制造产业化。PLC应用方面,我国是很活跃,应用行业也很广。专家估计,2000年PLC国内市场销量为15(20万套(其中进口占90%左右),约25(35亿元人民币,年增长率约为12%。预计到2005年国内PLC需求量将达到25万套左右,约35(45亿元人民币。

PLC市场也反映了全世界制造业状况,2000后大幅度下滑。AutomationResearchCorp预测,尽管全球经济下滑,PLC市场将会复苏,估计全球PLC市场2000年为76亿美金,到2005年底将回到76亿美金,并继续略微增长。微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展主要方向。基于PLC自动化早期,PLC体积大价格昂贵。但*近几年,微型PLC(小于32I/O)已经出现,价格几百欧元。软PLC(SoftPLC)控制组态App进一步完善和发展,安装有软PLC组态App和PC-based控制市场份额将逐步到增长。当前,过程控制领域*大发展趋势之一就是Ethernet技术扩展,PLC例外。现越来越多PLC供应商开始提供Ethernet接口。可以相信,PLC将继续向开放式控制系统方向转移,尤其是基于工业PC控制系统。

三、面向测控管一体化设计DCS系统

集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)问世于1975年,生产厂家主要集中美、日、德等国。我国从70年代中后期起,首先由大型进口设备成套中引入国外DCS,首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时,我国主要行业(如电力、石化、建材和冶金等)DCS基本全部进口。80年代初期引进、消化和吸取同时,开始了研制国产化DCS技术攻关。近10年,特别是“九五”以来,我国DCS系统研发和生产发展很快,崛起了一批优良企业,如北京和利时企业、上海新华企业、浙大中控企业、浙江威盛企业、航天测控企业、电科院以及北京康拓集团等。

这批企业研制生产DCS系统,品种数量大幅度增加,产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。2001年国内应用4426套DCS系统中,国产DCS系统为1486套,占35%。短短几年,国外DCS系统我国一统天下局面从此不再出现。这些专业化企业占据了一定市场份额,积累了发展资本和技术,同时使国外引进DCS系统价格也大幅度下降,为我国自动化推广事业做出了贡献。与此同时,国产DCS系统出口也逐年增长。

国产DCS发展取了长足进步,但国外DCS产品国内市场中占有率还较高,其中主Honeywell和横河企业产品。我国DCS市场年增长率约为20%,年市场额约为30(35亿元。近5年内DCS石化行业大型自控装置中没有可替代产品,其市场增长率不会下降。据统计,到2005年,我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS控制;电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组,需要DCS实现监控;不少企业已使用DCS近15(20年,需要更新和改造。,今后5年内DCS作为自动化仪表行业主要产品位不会动摇。中国仪器仪表行业协会公布调查数据显示,2002年我国DCS市场状况如下: 小型化、多样化、PC化和开放性是未来DCS发展主要方向。目前小型DCS所占有市场,已逐步与PLC、工业PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先与这三种系统融合,“软DCS”技术将首先小型DCS中到发展。PC-based控制将更加广泛应用于中小规模过程控制,各DCS厂商也将纷纷推出基于工业PC小型DCS系统。开放性DCS系统将同时向上和向下双向延伸,使来自生产过程现场数据整个企业内部自由流动,实现信息技术与控制技术无缝连接,向测控管一体化方向发展。   

四、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展

从1952年美国麻省理工学院研制出**台试验性数控系统,到现已走过了51年历程。近10年来,计算机技术飞速发展,各种不同层次开放式数控系统应运而生,发展很快。目前正朝着标准化开放体系结构方向前进。就结构形式而言,当今世界上数控系统大致可分为4种类型:
1.传统数控系统;
2.“PC嵌入NC”结构开放式数控系统;
3.“NC嵌入PC”结构开放式数控系统;
4.SOFT型开放式数控系统。

我国数控系统开发与生产,“七五”引进、消化、吸取,“八五”攻关和“九五”产业化,取了很大进展,基本上掌握了关键技术,建立了数控开发、生产基,培养了一批数控人才,初步形成了自己数控产业,也带动了机电控制与传动控制技术发展。同时,具有中国特色经济型数控系统这些年来发展,产品性能和可靠性有了较大提高,逐渐被用户认可。国外数控系统技术发展总体发展趋势是:
*新一代数控系统向PC化和开放式体系结构方向发展;
*驱动装置向交流、数字化方向发展;
*增强通信功能,向网络化发展;
*数控系统控制性能上向智能化发展。

进入21世纪,人类社会将逐步进入常识经济时代,常识将成为科技和生产发展资本与动力,而机床工业,作为机器制造业、工业整个国民经济发展装备部门,毫无疑问,其战略性重要位、受重视程度,也将更加鲜明突出。

近年来,我国数控机床一直保持两位数增长。2001年,我国机床工业产值已进入世界第5名,机床消费额世界排名上升到第3位,达47.39亿美金,仅次于美国53.67亿美金。2002年产值达260亿元,产量居世界第4。但与发达国家相比,我国机床数控化率还不高,目前生产产值数控化率还不到30%;消费值数控化率还不到50%,而发达国家大多70%左右。国产数控机床不能满足市场需求,上等次数控机床及配套部件只能靠进口,使我国机床进口额呈逐年上升态势,2001年进口机床跃升至世界第2位,达24.06亿美金,比上年增长27.3%。

智能化、开放性、网络化、信息化成为未来数控系统和数控机床发展主要趋势:
*向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展;
*向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展;
*向PC-based化和开放性方向发展;
*出现新一代数控加工工艺与装备,机械加工向虚拟制造方向发展。
*信息技术(IT)与机床结合,机电一体化先进机床将到发展。
*纳米技术将形成新发展潮流,并将有新突破。
*节能环保机床将加速发展,占领广大市场。

五、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展

自从1977年**个民用网系统ARCnet投入运行以来,有线局域网以其广泛适用性和技术价格方面优势,获了成功并到了迅速发展。,工业现场,一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆,有线局域网很难发挥作用,无线局域网技术到了发展和应用。微电子技术不断发展,无线局域网技术将工业控制网络中发挥越来越大作用。

无线局域网(WirelessLAN)技术可以非常便捷以无线方式连接网络设备,人们可随时、随、随意访问网络资源,是现代数据通信系统发展重要方向。无线局域网可以不采用网络电缆线情况下,提供以太网互联功能。推动网络技术发展同时,无线局域网也改变着人们生活方式。无线网通信协议通常采用IEEE802.3和802.11。802.3用于点对点方式,802.11用于一点对多点方式。无线局域网可以普通局域网基础上无线Hub、无线接入站(AP)、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现,以无线网卡使用*为普遍。无线局域网未来研究方向主要集中安全性、移动漫游、网络管理以及与3G等其它移动通信系统之间关系等问题上。工业自动化领域,有成千上万感应器,检测器,计算机,PLC,***等设备,需要互相连接形成一个控制网络,通常这些设备提供通信接口是RS-232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器,将工业设备RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换,符合无线局域网IEEE802.11b和以太网络IEEE802.3标准,支撑标准TCP/IP网络通信协议,有效扩展了工业设备联网通信能力。

计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术结合,产生了“基于无线技术网络化智能传感器”全新概念。这种基于无线技术网络化智能传感器使工业现场数据能够无线链路直接网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够工厂环境下,为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间通信提供高带宽无线数据链路和灵活网络拓扑结构,一些特殊环境下有效弥补了有线网络不足,进一步完善了工业控制网络通信性能。

六、工业控制App正向先进控制方向发展

自20世纪80年代初期诞生至今,工业控制App已有20年发展历史。工业控制App作为一种应用App,是PC机兴起而不断发展。工业控制App主要包括人机界面App(HMI),基于PC控制App以及生产管理App等。目前,我国已开发出一批具有自主常识产权实时监控App平台、先进控制App、过程优化控制App等成套应用App,工程化、产品化有了一定突破,打破了国外同类应用App垄断格局。化工、石化、造纸等行业数百个企业(装置)中应用,促进了企业技术改造,提高了生产过程控制水平和产品质量,为企业创造了明显经济效益。2000年,“九五”国家科技攻关计划项目“大型骨干石化生产系统控制及计算机应用技术”了验收。作为工控App一个重要组成部分,国内人机界面组态App研制方面近几年取了较大进展,App和硬件相结合,为企业测、控、管一体化提供了比较完整解决方案。此基础上,工业控制App将从人机界面和基本策略组态向先进控制方向发展。先进过程控制APC(AdvancedProcessControl)目前还没有严格而统一定义。

一般将基于数学模型而又必须用计算机来实现控制算法,统称为先进过程控制策略。如:
*自适应控制;
*预测控制;
*鲁棒控制;
*智能控制(专家系统、模糊控制、神经网络)等。
先进控制和优化App可以创造巨大经济效益,这些App也身价倍增。国际上已经有几十家企业,推出了上百种先进控制和优化App产品,世界范围内形成了一个强大流程工业应用App产业。,开发我国具有自主常识产权先进控制和优化App,打破外国产品垄断,替代进口,具有十分重要意义。未来,工业控制App将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。

结束语

工业信息化是指工业生产、管理、经营过程中,信息基础设施,集成平台上,实现信息采集、信息传输、信息处理以及信息综合利用等。“十五”期间,国家用信息化带动工业化工作重点有三个方面:一是以电子信息技术应用为重点,提高传统产业生产过程自动化、控制智能化和管理信息化水平;二是以先进制造技术应用为重点,推进制造业领域上等高效生产,振兴装备制造业;三是改造提升重点产业关键技术、共性技术及其相关配套技术水平、工艺和装备水平。国家实施高技术产业化主要目标有两个:一是发展高技术,形成新兴产业,培育新增长点;二是利用先进技术改造和优化传统产业,提高经济增长质量。大力发展工业自动化是加快传统产业改造提升、提高企业整体素质、提高国家整体国力、调整工业结构、迅速搞活大中型企业有效途径和手段,国家将继续实施一系列工业过程自动化高技术产业化专项,用信息化带动工业化,推动工业自动化技术进一步发展,加强技术**,实现产业化,解决国民经济发展面临深层问题,进一步提高国民经济整体素质和综合国力,实现跨越式发展。

 

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