工業(yè)自動化控制的探討

貢霰 北京工商大學(xué) 100037

工業(yè)自動化控制的探討

貢霰 北京工商大學(xué) 100037

本文從國際工業(yè)自動化控制技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢、我國工業(yè)自動化控制行業(yè)現(xiàn)狀、四方面入手解決工業(yè)自動化控制發(fā)展瓶頸問題、自主發(fā)展能力關(guān)系國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略等幾個方面進行了探討。

自動化控制；發(fā)展趨勢；共性技術(shù)

工業(yè)自動化控制標志著工業(yè)技術(shù)的進步，是實現(xiàn)機電一體化、把兩化融合作為基礎(chǔ)進行推進的工作”。但是，多年來由于缺少國家層面的關(guān)注與戰(zhàn)略性的安排，還比較落后，存在著重大的隱患。

一、工業(yè)自動化控制是：“用于連續(xù)流程的(電力、化工)即DCS，用于非連續(xù)過程的(冶金、造紙、紡織、機械加工等制造領(lǐng)域及環(huán)保等)為PLC。”PLC用途廣泛，既可以解決單機自控，也能夠提供流水線及工廠自動化的解決方案。

我國連續(xù)流程自動化(DCS)發(fā)展比較快，長期得到國家政策的支持，在工業(yè)內(nèi)部的認識及重視程度相當高，和國際先進水平的差距逐步縮短。在斷續(xù)流程自動化(國外通常說“工廠自動化”Factory Automation，簡稱FA)領(lǐng)域，面臨的問題將會卻越來越有緊迫感。

二、國際工業(yè)自動化控制技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

工業(yè)技術(shù)的重要方向是工業(yè)自動化控制，要通過解決效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、協(xié)調(diào)一致性與可靠性的基礎(chǔ)性的技術(shù)。使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的是普及工業(yè)自動化控制，促進兩化融合的基礎(chǔ)工作靠“信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”。最近十幾年，工業(yè)的自控系統(tǒng)與儀表儀器技術(shù)有了很大的進步，是因為ICT技術(shù)的飛速發(fā)展，它們的特點是：呈微型化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、只能話、集成化等。

一般認為，以過程（流體運動）控制技術(shù)支撐的流程自動化（PA）與運動控制技術(shù)支撐的工廠自動化（FA或離散型生產(chǎn)自動化）為工業(yè)自動化的兩個主要領(lǐng)域。前者是計算機工業(yè)控制系統(tǒng)的主流，通過傳統(tǒng)的模擬式回路儀表起步，綜合ICT控制技術(shù)，發(fā)展為分布式(或集散式)控制系統(tǒng)DCS。它具有很多有點，像高度的可靠性、方便的組態(tài)軟件、豐富的控制算法、開放的聯(lián)網(wǎng)能力。它應(yīng)用于如大型化工廠、火電廠這樣的大型、有較多的設(shè)備、工況復(fù)雜的流程型裝備的自動控制工廠。

可編程控制器(PLC)：電氣控制以繼電器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合ICT技術(shù)，以程序化方式實現(xiàn)設(shè)備。它是與DCS并駕齊驅(qū)的另一主流控制系統(tǒng) 以PLC結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性與可靠性好(耐振動、噪聲、灰塵、油污等)、抗干擾能力強、價格較低等特點。

工業(yè)自動控制技術(shù)路線的趨勢是相互滲透、相互融合。中小型過程控制系統(tǒng)、近程維護服務(wù)系統(tǒng)、節(jié)能監(jiān)控等領(lǐng)域是PI C主要范圍擴展的，DCS在某些應(yīng)用上也被它替代。DCS也應(yīng)用PLC與工業(yè)自動化控制計算機聯(lián)合組網(wǎng)。更加大膽(把分工合作做細)、標準化、產(chǎn)品化、集成化。

現(xiàn)場總線技術(shù)FCS迅速發(fā)展自上世界90年代。這是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字式智能化儀表與測控設(shè)備，與自動控制裝置或系統(tǒng)間的多點通信、全分散、開放式的底層控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

世界工業(yè)自動化控制行業(yè)形成了少數(shù)跨國公司規(guī)模生產(chǎn)、對壟斷全球市場進行瓜分的局面， 經(jīng)過長期不斷地發(fā)展。原來的幾百個廠商經(jīng)過不斷的淘汰只剩10個，有些大廠商已經(jīng)儀的了市場贊譽在質(zhì)量、價格、售后服務(wù)等方面，其工業(yè)自動化控制產(chǎn)品均號稱兼具DCS/PLC/FCS功能。最著名者如西門子、ABB、HONEYWELL、三菱、菲尼克斯等。

“電子通信技術(shù)(ICT)和先進的制造技術(shù)相融合，形成了設(shè)備可以人工控制、適用的測控設(shè)備以及優(yōu)化信息的應(yīng)用的綜合成果的工業(yè)信息化。”現(xiàn)代工業(yè)裝備和交通、能源、國防、重大公益設(shè)備等的神經(jīng)中樞、運行中心和安全屏障是自控系統(tǒng)和儀表儀器的作用。實現(xiàn)高效優(yōu)化是它監(jiān)測控制整個生產(chǎn)流程和保證產(chǎn)品質(zhì)量，保障工業(yè)重量級裝備安全并且可靠運行的功能。

所以，提升我國工業(yè)競爭力的核心技術(shù)之一是使制造環(huán)節(jié)進一步自動化，是兩化融合的基礎(chǔ)。，當前振興裝備工業(yè)的一個核心問題是扭轉(zhuǎn)目前僅僅依賴國外技術(shù)和受國外技術(shù)制約的被動局面，如何推進工業(yè)自動化控制技術(shù)自主創(chuàng)新，掌握工業(yè)自動化控制行業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)是不能回避的戰(zhàn)略任務(wù)。

三、我國工業(yè)自動化控制行業(yè)現(xiàn)狀

20世紀80年代初，改革以來，工業(yè)自動化控制技術(shù)被引入中國， “PLC，變頻器，觸摸屏，伺服電機，工業(yè)自動化控制機”等產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制。中國的工業(yè)自動化進程被大力推廣，對中國的現(xiàn)代化的建設(shè)貢獻了力量。

（一）工業(yè)自動化儀器儀表

1、 可編程序控制器PLC

①可以在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序，編程簡單； ②采用插入式模塊結(jié)構(gòu)，維護方便；③可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；④體積小于繼電器控制裝置；⑤數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機；⑥成本可與繼電器控制系統(tǒng)競爭； ⑦可直接用115V交流電壓輸入；⑧輸出量為115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥、接觸器等；⑨通用性強，易于擴展；⑩用戶程序存儲器容量至少4kB。

我國的PLC的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展較快，特別是在應(yīng)用方面尤為突出。在20世紀70年代末和80年代初，我國隨國外成套設(shè)備、專用設(shè)備引進了不少國外的PLC。從此以后， PLC在傳統(tǒng)設(shè)備改造和新設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用逐年增多，并取得顯著的經(jīng)濟效益，PLC在我國的應(yīng)用逐漸廣泛，提高了我國的工業(yè)自動化水平。

2、工業(yè)自動化控制PC

基于PC的控制器可以像PLC一樣，操作和維護人員已能夠接受，PC控制方案被制造商在部分生產(chǎn)中采用。易于安裝和使用的PC 的控制系統(tǒng)，有高級診斷的功能，為系統(tǒng)集成商提供了更靈活地選擇，維護成本低是PC控制系統(tǒng)的一大優(yōu)點。

近幾年，工業(yè)PC在我國得迅猛地發(fā)展。從世界范圍來看，工業(yè)PC主要包含兩種類 型：IPC工業(yè)自動化控制機與它們的變形機。因為基礎(chǔ)自動化與過程自動化對工業(yè)PC的運行穩(wěn)定性、熱插拔和 冗余配置有較高的要求，現(xiàn)有的IPC已經(jīng)不能完全滿足要求，將逐漸退出該領(lǐng)域，被其他工業(yè)自動化控制機取而代之，而IPC最終將占據(jù)管理自 動化層。國家于2001年設(shè)立了“以工業(yè)控制計算機為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化”工業(yè)自動化這一重大專項，就是以發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PC-based控制系統(tǒng)為目標，在3-5年內(nèi)，占領(lǐng)30%至50%的國內(nèi)市場，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

（二）工業(yè)自動化控制行業(yè)儀器儀表發(fā)展

工業(yè)自動化控制儀表重點發(fā)展基于現(xiàn)場總線技術(shù)的主控系統(tǒng)裝置與智能化儀表、專用和特種自動化儀表；服務(wù)領(lǐng)域要全面擴大，儀器儀表系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化進一步推進，完成 了自動化儀表從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變，5年內(nèi)數(shù)字儀表比例達到了60%以上；自主版權(quán)自動化軟件的商品化得到了推進。

1、電工儀器儀表

重點發(fā)展了長壽命電能表、電子式電度表、特種專用電測儀表和電網(wǎng)計量自動管理系統(tǒng)等電工儀器儀表。在2005年，國內(nèi)市場的中低檔電工儀器儀表占有率要在95%；到2010年，國內(nèi)市場高中檔電工儀器儀表占有率在80%。

2、科學(xué)測試儀器

過程分析儀器、環(huán)保監(jiān)測儀器儀表、工業(yè)爐窯節(jié)能分析儀器以及圍繞基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)所需的汽車零部件動平衡、動力測試及整車性能檢測儀、大地測量儀器、電子速測儀、測量型全球定位系統(tǒng)以及其他試驗機、實驗室儀器等科學(xué)測試儀器新產(chǎn)品被重點發(fā)展。產(chǎn)品主要是技術(shù)含量較高的中檔產(chǎn)品。

3、環(huán)保儀器儀表

大氣環(huán)境、水環(huán)境的環(huán)保監(jiān)測儀器儀表、取樣系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)品等環(huán)保儀器儀表被重點發(fā)展，“2005年技術(shù)水平達到20世紀90年代后期國際先進水平，國內(nèi)市場占有率要達到50%～60%，到2010年國內(nèi)市場占有率要達到70%以上”。

4、儀器儀表

儀器儀表元器件“十五”和2010年前，盡快開發(fā)出一批市場效果好、適銷對路的產(chǎn)品，品種占有率達到70%～80%，高檔產(chǎn)品市場占有率達60%以上；通過新品開發(fā)、科技攻關(guān)，使產(chǎn)品質(zhì)量水平達到國際20世紀90年代末水平，某些產(chǎn)品接近國外同類產(chǎn)品先進水平。

5、信息技術(shù)電測儀器

信息技術(shù)電測儀器主要發(fā)展智能化技術(shù)、電測儀器軟件化，總線式自動測試技術(shù)，綜合自動化測試系統(tǒng)，新型元器件測量技術(shù)和測試儀器，在線測試技術(shù)，信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品測試技術(shù)，多媒體測量技術(shù)和相應(yīng)測試儀器，用電監(jiān)控管理技術(shù)等。

四、多方面入手解決工業(yè)自動化控制發(fā)展瓶頸問題

通過高度重視基礎(chǔ)科學(xué)支撐，重視共性技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)零部件的同步發(fā)展來振興裝備工業(yè)，由于發(fā)展階段的問題，我國目前比較重視有戰(zhàn)略性強度、可購買性差的和拉動性較大的產(chǎn)業(yè)，如核風電、電站、太陽能、汽、大飛機車等，這些產(chǎn)業(yè)都離不開PLC，需要一臺甚至多臺PLC來控制每一臺機器。第二層次是應(yīng)該控制系統(tǒng)，但是不能歸納它們的重要性也是第二層次。

第一，對于PLC通用平臺，是應(yīng)該被重點關(guān)注的，不管它是作為信息化的產(chǎn)品還是控制技術(shù)產(chǎn)品或者是兩化融合的骨干產(chǎn)品。但是，國家的裝備制造業(yè)振興規(guī)劃中工業(yè)自動化控制系統(tǒng)只有在基礎(chǔ)零部件的最后一句被提到了，可是基礎(chǔ)零部件與工業(yè)自動化控制系統(tǒng)有一定的差別，技術(shù)的復(fù)雜性與非單一性和鑄件、鍛件等基礎(chǔ)零部件相比要強得多，將其歸入基礎(chǔ)零部件是不合理的。

研發(fā)、制造、應(yīng)用三個平臺是解決PLC的根本問題，缺一不可。這個大工程，可以分成好幾個階段，在一個五年計劃里可實現(xiàn)不了。可以列個項目，對國民經(jīng)濟有重大意義的關(guān)鍵產(chǎn)品進行組織研究。通過國家的支持，建立研發(fā)、制造和應(yīng)用這一平臺，并不是僅限于應(yīng)用平臺。至于怎么組織、組織誰還要進一步討論，我們首先要把它放對位置，只有這樣，才能保證整個斷續(xù)流程工業(yè)的發(fā)展和做大做強問題。

第二，以軟件帶動硬件發(fā)展，從市場細分著手。

僅僅依賴仿照和跟隨，照本宣科，如果這樣與國外優(yōu)勢企業(yè)正面競爭，中國企業(yè)的競爭力變?nèi)酢Ｎ覀冎挥信c國外企業(yè)較量從特點上、從市場細分等反面。因為在價格層面看，國外價格已經(jīng)很低，他們。從整套設(shè)備購進行考慮，就像PLC這一產(chǎn)品，我們就算再便宜20%，價格也不會有很大差別。

所以要做市場細分，公共平臺的開發(fā)要結(jié)合用戶，跟有實力的集成商結(jié)合必須使用PLC的大設(shè)備制造商。另外，要研究如控制算法等，一些相對技術(shù)含量比較高的，能夠提煉出來的技術(shù)，把這些成果提供給系統(tǒng)集成商，軟件變成我們獨有的擁有知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用軟件，并做PLC硬件在此基礎(chǔ)上。

第三，推廣可以借鑒國外的經(jīng)驗，共性技術(shù)的開發(fā)和所有權(quán)需歸國家

對于共性技術(shù)的開發(fā)，國家如果只撥一部分錢，企業(yè)自籌其他的，就會產(chǎn)生很多的問題：比如知識產(chǎn)權(quán)屬于誰？是不是所有企業(yè)都要花錢購買？技術(shù)成果什么價格？怎么推廣？成果的推廣是共性技術(shù)的關(guān)鍵，會產(chǎn)生各方的利益關(guān)系。

如果用一個小團體推廣共性技術(shù)，最后將導(dǎo)致搞科研的單位成為企業(yè)的競爭對手。最近美國提出幾個可以借鑒的意見，其中一個建議是：“也就是最基本的成果，也可以說是帶有共性技術(shù)的那部分成果，經(jīng)由國家負擔所有的支持資金，最后的成果要歸國家所有”。國家拿對這一成果進行公開招標，成果有沒有前途由企業(yè)自己分析，有沒有市場前景也由企業(yè)自己分析。產(chǎn)品招標的國家不承擔任何費用，企業(yè)認依據(jù)投資進去、產(chǎn)業(yè)化、做市場，最后一年能賣出多少這一指標來進行投標。企業(yè)得到這一技術(shù)，如果達到了預(yù)期的目標，國家可以用減稅的方式給予補助。現(xiàn)就是說，只有得到了推廣，企業(yè)才能從國家得到補助。沒有銷量不可能減稅，這也是新技術(shù)推廣的一種切實可行的辦法。

具體政策建議：

一是建議由國務(wù)院相關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)，儀器儀表行業(yè)協(xié)會進行牽頭，組織有關(guān)單位企業(yè)組成官產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的技術(shù)攻關(guān)組織，讓其承擔這一項目的責任主體。

二是項目的主體任務(wù)，對我國具有較廣泛通用性的工業(yè)自動化控制PLC平臺的建立。

三是建議國家“十二五”規(guī)劃中關(guān)于裝備工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)立“工廠自動化控制系統(tǒng)平臺的科研與產(chǎn)業(yè)化”項目，支持PLC共性平臺研發(fā)和重點領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

四是具有配套的政策，對首臺套要給以足夠的支持、資助與示范工程、試運行的改進、首臺套采購政策等。

五、自主發(fā)展能力關(guān)系國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略

工業(yè)自動化控制行業(yè)自主發(fā)展能力關(guān)系國家的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，其戰(zhàn)略規(guī)劃的眼光也被考驗。通過對工業(yè)自動化控制產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和問題的探討，我認為我國在工業(yè)的指導(dǎo)思想與體制政策方面，有若干值得思考之處。

(一)工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略指導(dǎo)思想。

我國在市場化的條件下，推動了加入世界產(chǎn)業(yè)分工體系的改革開放步伐。我國是用勞動密集型產(chǎn)品換取國外技術(shù)密集型產(chǎn)品，它關(guān)系著工業(yè)結(jié)構(gòu)中一直堅守的重要戰(zhàn)略(如工業(yè)自動化控制行業(yè))，一直遵循“國際分工”，對產(chǎn)業(yè)升級所產(chǎn)生的不利方面。

國外先進生產(chǎn)線的引進是在上世紀80年代，對單臺自動化技術(shù)感興趣可以節(jié)約外匯，能用人工的盡量用人工的指導(dǎo)思想。由于重點考慮效率，當時對工廠自動化的意義認識還不完整，，把自動生產(chǎn)線加工質(zhì)量與精度放在次要位置，工廠自動化國際標準的大好機遇被錯過了。

(二)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃中的傾向性。

在我國的各類發(fā)展規(guī)劃中，通常選擇利用重大產(chǎn)品帶動研發(fā)的方式，制定重點項目，這一原則本來是正確的。但在具體的執(zhí)行過程中，不公平的傾向卻容易發(fā)生。

一是工業(yè)的整體發(fā)展意識淡薄。工業(yè)結(jié)構(gòu)是“主機—控制—零部件—材料—工藝”的結(jié)構(gòu)。工業(yè)的“中間部門不斷進步使得各類主機品質(zhì)性能得以提高，同時也是工業(yè)競爭力的根基。如果在基礎(chǔ)階段長期依賴外來的技術(shù)，國家的工業(yè)發(fā)展的根基將會不牢固。

二是有形要比無形早，整機要比零部件重。傳統(tǒng)思維把“制造業(yè)”與“電子信息”分開，在現(xiàn)代裝備制造中，能夠基本實現(xiàn)控制系統(tǒng)與機電系統(tǒng)的融合。至今工業(yè)自動控制被我國的工業(yè)規(guī)劃置于不重要的地位。推進兩化融合，就要打破 “制造業(yè)”這一固有的思維定式。

(三) 國際通用模式是以建設(shè)企業(yè)為主體、官產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的創(chuàng)新體系與相應(yīng)的行業(yè)管理機制，還應(yīng)注意，企業(yè)規(guī)模越大、產(chǎn)業(yè)集中度高的行業(yè)與企業(yè)規(guī)模偏越小、產(chǎn)業(yè)集中度低的行業(yè)，兩者的技術(shù)進步機制有較大的不同。在工業(yè)自動化控制行業(yè)，DCS能在火電領(lǐng)域扎根，首先要得到壟斷發(fā)電力系統(tǒng)的用戶的支持。然而大多數(shù)企業(yè)小、競爭充分而散的機械企業(yè)，“以企業(yè)為主體”的研發(fā)體制，要以行業(yè)的組織力為前提。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.039

貢霰 （GongXian）女，出生年月：1990年1月17日，籍貫：北京，單位：北京工商大學(xué)