淺談工業自動化發展趨勢

任紀翔

摘 要：工業自動化是工業現代化發展的基礎，在傳統產業改革及工業結構的調整優化中起到重要作用。文章對于工業自動化自七十年代至目前幾個發展階段進行詳盡分析的基礎上，概括了現階段國內外工業自動化的發展現狀，在此基礎上，提出對未來自動化控制發展展望，即無線控制儀表以及總線控制模式的發展及應用。

關鍵詞：工業自動化；發展；現狀；展望

1 工業自動化自七十年代至目前幾個發展的趨勢

現代工業控制系統即涵蓋上述功能性器件的子系統所組建的復雜型控制網絡，其發展經歷了以下幾個重要時期。

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

工業自動化發展階段，在現代化工業控制理論的基礎之上，不斷發展了工業自動化的應用。工業自動化的前期產業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進行了帶寬的擴展，福克斯波羅公司研發設計了第一款比例積分控制器用于系統反饋回路的控制；建設者鑄鐵公司在對于工業控制系統深入分析的基礎上，初步建立起工業自動化控制理論；麻省理工學院伺服機構實驗室進行了工業控制系統的模擬工作。經典控制理論極大豐富和發展了工業自動化控制系統，提升其可靠性。二戰期間對于軍事領域的控制技術逐漸轉化用于民用工業，在理論及應用基礎上，實現了工業控制系統的更新換代：執行機構、數據采集系統、中央控制機構等性能全面提升，極大促進了當時工業化的發展進程。

在工業自動化數字化應用階段，工業控制系統實現與通信系統及電子計算機的結合，促進了控制系統數字化發展及應用。其中，第一代工業控制系統即計算機集中控制系統，采用的是直接數字控制（Direct Digital Control：DDC）模式，其工業控制系統結構包括：用于替代繼電裝置的可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監控系統（SCADA）、遠程終端單元（RTU）、通信技術以及通信網絡傳輸協議及電力系統協議等。電子計算機以及現代化網絡通信技術的發展進步也促進了工業控制系統的結構優化及功能升級，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，集中式工業控制系統已初步形成，在計算機網絡通信系統的高速發展中，集中式數字控制系統逐漸形成，控制系統中應用數字控制電路，實現系統的全面數字化，且系統控制算法的升級以及控制協調性的優化也促進工業控制系統可靠性的提升；由于工業裝置大型化發展，且對于工藝流程的連續性要求逐漸上升，集中式數字控制系統逐漸被離散式控制系統所取代。到20世紀90年代后期，集計算機技術、網絡技術與控制技術為一體的全分散、全數字、全開放的工業控制系統——現場總線控制系統（FCS）應運而生，具有更高的可靠性、更強的功能、更靈活的結構、對控制現場更強的適應性以及更加開放的標準。

2 國內外工業自動化發展現狀

2.1國內發展現狀

目前國內工業自動化控制系統技術已達中等國際水準，具備一定的生產規模及開發能力。國內的自動化控制系統具有專業性強、應用廣泛、市場巨大的特性，在IPS、DCS、PLC等領域，外商仍占據著統治性地位，給國內產品的發展造成較大的競爭壓力，國內中低端產品占據主要地位，自主開發的產品包括中小型DCS、總線式測試系統等，高端市場被歐美供應商占據，如集散控制系統等目前國內DCS產品逐漸向國際水平發展，已具有自主知識產權，國產PLC 尚未形成產業化規模。國內工業自動化行業市場規模為：國內工業自動化控制設備在國際市場中占據較大份額，2016年國內市場規模已達1550億元，預計2017年將達1593億元，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。

2.2 國外發展現狀

依據IHS市場調研數據，在08-09年金融危機后期通過產業調整與優化，國際范圍內工業自動化已實現快速發展，近年來全球工業自動化行業營業收入，至2011年營收已達1，653億美元，在之后的幾年中，工業自動化增速有所減緩，且亞太地區仍占據著全球工業自動化行業的主導地位，引領自動化控制行業的穩定發展。

3 對未來自動化控制發展展望

3.1 現場總線控制系統

伴隨計算機網絡通信技術、電工電子技術等的發展，工業自動化控制系統也在不斷優化，更新換代，未來工業自動化控制系統將朝著現場總線控制系統方向發展，即FCS。FCS系統也稱現場底層設備控制網絡，是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡。伴隨FCS系統的設計研發及工程應用，不斷地推動著工業控制系統的前進。在該系統的基礎上，未來PLC發展的主流即為能遵循現場總線通信協議或能與其交換信息的可編程邏輯控制器。

3.2 管控一體化系統集成

伴隨網絡技術的應用不斷深入，管理系統與控制系統的集成已成為未來工業自動化控制系統的發展趨勢，即管控一體化系統集成。通過大數據分析，為工業過程配套最優解決方案，促進工業化效率以及綜合競爭能力，利用以太網以及Web技術實現的開放型分布式智能系統涵蓋多系統、多技術的集成，系統集成中，包括現場總線控制系統FCS與DCS的集成、現場總線控制系統FCS、DCS與PLC的集成以及FCS的集成三方面；技術集成方面包括操作技術、通用數據交換技術等的集成。因此，未來工業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 結束語

伴隨經濟社會的不斷發展，我國逐漸邁進了工業信息化以及科技化的嶄新時代，在時代的發展潮流中，工業自動化是工業現代化實現的重要基礎，也是工業現代化的重要核心以及標志。因此對于工業自動化的研究對于現階段工業化的發展有著關鍵性意義。工業自動化是針對機械作業過程而提出的，涵蓋了自動化控制、儀表、計算機網絡通信等領域，指設備在沒有人力的直接干預仍能高效完成機械作業，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。工業自動化裝置具有自動化程度高、工作效率高、生產流程穩定、適合批量生產等優勢，工業自動化程度的提升對于產業轉型升級、工業結構的調整以及企業競爭力的提升有著十分重要的意義，特別是現階段我國面臨著供給側結構改革，工業領域也逐漸朝人機互動、智能化方向發展，以提升工業企業全要素生產率。

參考文獻

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