淺談工業(yè)自動化發(fā)展趨勢

江凱　向思睿　潘嘯天　姚凱

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(jìn)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(yīng)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(fù)雜型控制網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行自動控制的機(jī)械裝置如水鐘等，并實(shí)現(xiàn)了蒸汽系統(tǒng)中溫度、壓力、機(jī)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用極大地改善了操作機(jī)構(gòu)與傳動機(jī)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(yīng)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(jìn)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(yīng)用促進(jìn)交通領(lǐng)域的發(fā)展，并為后期自動駕駛以奠定基礎(chǔ);負(fù)反饋概念的提出以及“標(biāo)準(zhǔn)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。總體上講，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(yīng)用。工業(yè)自動化的前期產(chǎn)業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了帶寬的擴(kuò)展，福克斯波羅公司研發(fā)設(shè)計(jì)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(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(yīng)用基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央控制機(jī)構(gòu)等性能全面提升，極大促進(jìn)了當(dāng)時工業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程。

在工業(yè)自動化數(shù)字化應(yīng)用階段，工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與通信系統(tǒng)及電子計(jì)算機(jī)的結(jié)合，促進(jìn)了控制系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展及應(yīng)用。其中，第一代工業(yè)控制系統(tǒng)即計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程終端單元（RTU）通信技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議及電力系統(tǒng)協(xié)議等。

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(dá)中等國際水準(zhǔn)，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(qiáng)、應(yīng)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(yīng)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(dá)1550億元，預(yù)計(jì)2017年將達(dá)1593億元，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(shí)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?duì)I收已達(dá)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(dǎo)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(luò)，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(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。伴隨FCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)及工程應(yīng)用，不斷地推動著工業(yè)控制系統(tǒng)的前進(jìn)。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(luò)技術(shù)的應(yīng)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(jìn)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(shí)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(jìn)。

4 結(jié)束語

伴隨經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，我國逐漸邁進(jìn)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(shí)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(biāo)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(jī)械作業(yè)過程而提出的，涵蓋了自動化控制、儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，指設(shè)備在沒有人力的直接干預(yù)仍能高效完成機(jī)械作業(yè)，包括機(jī)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(jī)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。

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