淺談工業(yè)自動化發(fā)展趨勢

任紀翔

摘 要：工業(yè)自動化是工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改革及工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化中起到重要作用。文章對于工業(yè)自動化自七十年代至目前幾個發(fā)展階段進行詳盡分析的基礎(chǔ)上，概括了現(xiàn)階段國內(nèi)外工業(yè)自動化的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，提出對未來自動化控制發(fā)展展望，即無線控制儀表以及總線控制模式的發(fā)展及應用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動化；發(fā)展；現(xiàn)狀；展望

1 工業(yè)自動化自七十年代至目前幾個發(fā)展的趨勢

現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)即涵蓋上述功能性器件的子系統(tǒng)所組建的復雜型控制網(wǎng)絡，其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個重要時期。

工業(yè)自動化啟蒙階段，七十年代左右，工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了利用浮動閥門進行自動控制的機械裝置如水鐘等，并實現(xiàn)了蒸汽系統(tǒng)中溫度、壓力、機械傳動的控制，在工業(yè)革命熱潮下，工業(yè)控制系統(tǒng)在航海、制造業(yè)、電力、交通、研究等行業(yè)均產(chǎn)生較大的影響：航海領(lǐng)域，伺服機構(gòu)的設(shè)計及應用極大地改善了操作機構(gòu)與傳動機構(gòu)間的配合性能；繼電器裝置在制造業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用改善了制造業(yè)控制模式；電廠內(nèi)通過配置具有電力監(jiān)控功能的中央控制室對于電站進行電力生產(chǎn)及調(diào)度控制，提升工作效率及可靠度；主動式平衡裝置、陀螺儀的發(fā)明及應用促進交通領(lǐng)域的發(fā)展，并為后期自動駕駛以奠定基礎(chǔ)；負反饋概念的提出以及“標準閉環(huán)”分析方法的建立對于新型控制系統(tǒng)的研發(fā)有著重要意義?？傮w上講，由于該階段經(jīng)典控制理論尚未完全建立，所面臨的問題即控制系統(tǒng)的可靠性及安全性問題。

工業(yè)自動化發(fā)展階段，在現(xiàn)代化工業(yè)控制理論的基礎(chǔ)之上，不斷發(fā)展了工業(yè)自動化的應用。工業(yè)自動化的前期產(chǎn)業(yè)及標準均由美國組織所建立：美國電話電報公司對于通信系統(tǒng)進行了帶寬的擴展，?？怂共_公司研發(fā)設(shè)計了第一款比例積分控制器用于系統(tǒng)反饋回路的控制；建設(shè)者鑄鐵公司在對于工業(yè)控制系統(tǒng)深入分析的基礎(chǔ)上，初步建立起工業(yè)自動化控制理論；麻省理工學院伺服機構(gòu)實驗室進行了工業(yè)控制系統(tǒng)的模擬工作。經(jīng)典控制理論極大豐富和發(fā)展了工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，提升其可靠性。二戰(zhàn)期間對于軍事領(lǐng)域的控制技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)化用于民用工業(yè)，在理論及應用基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代：執(zhí)行機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央控制機構(gòu)等性能全面提升，極大促進了當時工業(yè)化的發(fā)展進程。

在工業(yè)自動化數(shù)字化應用階段，工業(yè)控制系統(tǒng)實現(xiàn)與通信系統(tǒng)及電子計算機的結(jié)合，促進了控制系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展及應用。其中，第一代工業(yè)控制系統(tǒng)即計算機集中控制系統(tǒng)，采用的是直接數(shù)字控制（Direct Digital Control：DDC）模式，其工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：用于替代繼電裝置的可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、遠程終端單元（RTU）、通信技術(shù)以及通信網(wǎng)絡傳輸協(xié)議及電力系統(tǒng)協(xié)議等。電子計算機以及現(xiàn)代化網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展進步也促進了工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及功能升級，使用模擬回路的反饋控制器逐漸替代了傳統(tǒng)的單元組合式模擬裝置，并逐漸由手動控制升級為使用模擬回路的反饋控制器，集中式工業(yè)控制系統(tǒng)已初步形成，在計算機網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的高速發(fā)展中，集中式數(shù)字控制系統(tǒng)逐漸形成，控制系統(tǒng)中應用數(shù)字控制電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的全面數(shù)字化，且系統(tǒng)控制算法的升級以及控制協(xié)調(diào)性的優(yōu)化也促進工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性的提升；由于工業(yè)裝置大型化發(fā)展，且對于工藝流程的連續(xù)性要求逐漸上升，集中式數(shù)字控制系統(tǒng)逐漸被離散式控制系統(tǒng)所取代。到20世紀90年代后期，集計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)與控制技術(shù)為一體的全分散、全數(shù)字、全開放的工業(yè)控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）應運而生，具有更高的可靠性、更強的功能、更靈活的結(jié)構(gòu)、對控制現(xiàn)場更強的適應性以及更加開放的標準。

2 國內(nèi)外工業(yè)自動化發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)技術(shù)已達中等國際水準，具備一定的生產(chǎn)規(guī)模及開發(fā)能力。國內(nèi)的自動化控制系統(tǒng)具有專業(yè)性強、應用廣泛、市場巨大的特性，在IPS、DCS、PLC等領(lǐng)域，外商仍占據(jù)著統(tǒng)治性地位，給國內(nèi)產(chǎn)品的發(fā)展造成較大的競爭壓力，國內(nèi)中低端產(chǎn)品占據(jù)主要地位，自主開發(fā)的產(chǎn)品包括中小型DCS、總線式測試系統(tǒng)等，高端市場被歐美供應商占據(jù)，如集散控制系統(tǒng)等目前國內(nèi)DCS產(chǎn)品逐漸向國際水平發(fā)展，已具有自主知識產(chǎn)權(quán)，國產(chǎn)PLC 尚未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。國內(nèi)工業(yè)自動化行業(yè)市場規(guī)模為：國內(nèi)工業(yè)自動化控制設(shè)備在國際市場中占據(jù)較大份額，2016年國內(nèi)市場規(guī)模已達1550億元，預計2017年將達1593億元，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡化和集成化方向發(fā)展。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

依據(jù)IHS市場調(diào)研數(shù)據(jù)，在08-09年金融危機后期通過產(chǎn)業(yè)調(diào)整與優(yōu)化，國際范圍內(nèi)工業(yè)自動化已實現(xiàn)快速發(fā)展，近年來全球工業(yè)自動化行業(yè)營業(yè)收入，至2011年營收已達1，653億美元，在之后的幾年中，工業(yè)自動化增速有所減緩，且亞太地區(qū)仍占據(jù)著全球工業(yè)自動化行業(yè)的主導地位，引領(lǐng)自動化控制行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

3 對未來自動化控制發(fā)展展望

3.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

伴隨計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)、電工電子技術(shù)等的發(fā)展，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)也在不斷優(yōu)化，更新?lián)Q代，未來工業(yè)自動化控制系統(tǒng)將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方向發(fā)展，即FCS。FCS系統(tǒng)也稱現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡，是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡。伴隨FCS系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)及工程應用，不斷地推動著工業(yè)控制系統(tǒng)的前進。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，未來PLC發(fā)展的主流即為能遵循現(xiàn)場總線通信協(xié)議或能與其交換信息的可編程邏輯控制器。

3.2 管控一體化系統(tǒng)集成

伴隨網(wǎng)絡技術(shù)的應用不斷深入，管理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成已成為未來工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，即管控一體化系統(tǒng)集成。通過大數(shù)據(jù)分析，為工業(yè)過程配套最優(yōu)解決方案，促進工業(yè)化效率以及綜合競爭能力，利用以太網(wǎng)以及Web技術(shù)實現(xiàn)的開放型分布式智能系統(tǒng)涵蓋多系統(tǒng)、多技術(shù)的集成，系統(tǒng)集成中，包括現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與DCS的集成、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS、DCS與PLC的集成以及FCS的集成三方面；技術(shù)集成方面包括操作技術(shù)、通用數(shù)據(jù)交換技術(shù)等的集成。因此，未來工業(yè)自動化將朝著分布性、開放性程度不斷提升以及信息化方向不斷前進。

4 結(jié)束語

伴隨經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，我國逐漸邁進了工業(yè)信息化以及科技化的嶄新時代，在時代的發(fā)展潮流中，工業(yè)自動化是工業(yè)現(xiàn)代化實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，也是工業(yè)現(xiàn)代化的重要核心以及標志。因此對于工業(yè)自動化的研究對于現(xiàn)階段工業(yè)化的發(fā)展有著關(guān)鍵性意義。工業(yè)自動化是針對機械作業(yè)過程而提出的，涵蓋了自動化控制、儀表、計算機網(wǎng)絡通信等領(lǐng)域，指設(shè)備在沒有人力的直接干預仍能高效完成機械作業(yè)，包括機械裝置的操縱、信息化處理以及整體性智能化過程控制等方面。工業(yè)自動化裝置具有自動化程度高、工作效率高、生產(chǎn)流程穩(wěn)定、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，工業(yè)自動化程度的提升對于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及企業(yè)競爭力的提升有著十分重要的意義，特別是現(xiàn)階段我國面臨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，工業(yè)領(lǐng)域也逐漸朝人機互動、智能化方向發(fā)展，以提升工業(yè)企業(yè)全要素生產(chǎn)率。

參考文獻

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