工业自动化控制的探讨

贡霰 北京工商大学 100037

工业自动化控制的探讨

贡霰 北京工商大学 100037

本文从国际工业自动化控制技术与产业的发展趋势、我国工业自动化控制行业现状、四方面入手解决工业自动化控制发展瓶颈问题、自主发展能力关系国家工业发展战略等几个方面进行了探讨。

自动化控制；发展趋势；共性技术

工业自动化控制标志着工业技术的进步，是实现机电一体化、把两化融合作为基础进行推进的工作”。但是，多年来由于缺少国家层面的关注与战略性的安排，还比较落后，存在着重大的隐患。

一、工业自动化控制是：“用于连续流程的(电力、化工)即DCS，用于非连续过程的(冶金、造纸、纺织、机械加工等制造领域及环保等)为PLC。”PLC用途广泛，既可以解决单机自控，也能够提供流水线及工厂自动化的解决方案。

我国连续流程自动化(DCS)发展比较快，长期得到国家政策的支持，在工业内部的认识及重视程度相当高，和国际先进水平的差距逐步缩短。在断续流程自动化(国外通常说“工厂自动化”Factory Automation，简称FA)领域，面临的问题将会却越来越有紧迫感。

二、国际工业自动化控制技术的产业发展趋势

工业技术的重要方向是工业自动化控制，要通过解决效率、提高产品质量、协调一致性与可靠性的基础性的技术。使产业结构优化升级的是普及工业自动化控制，促进两化融合的基础工作靠“信息技术改造传统产业”。最近十几年，工业的自控系统与仪表仪器技术有了很大的进步，是因为ICT技术的飞速发展，它们的特点是：呈微型化、数字化、网络化、只能话、集成化等。

一般认为，以过程（流体运动）控制技术支撑的流程自动化（PA）与运动控制技术支撑的工厂自动化（FA或离散型生产自动化）为工业自动化的两个主要领域。前者是计算机工业控制系统的主流，通过传统的模拟式回路仪表起步，综合ICT控制技术，发展为分布式(或集散式)控制系统DCS。它具有很多有点，像高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力。它应用于如大型化工厂、火电厂这样的大型、有较多的设备、工况复杂的流程型装备的自动控制工厂。

可编程控制器(PLC)：电气控制以继电器技术为基础，综合ICT技术，以程序化方式实现设备。它是与DCS并驾齐驱的另一主流控制系统 以PLC结构紧凑、响应快、现场环境适应性与可靠性好(耐振动、噪声、灰尘、油污等)、抗干扰能力强、价格较低等特点。

工业自动控制技术路线的趋势是相互渗透、相互融合。中小型过程控制系统、近程维护服务系统、节能监控等领域是PI C主要范围扩展的，DCS在某些应用上也被它替代。DCS也应用PLC与工业自动化控制计算机联合组网。更加大胆(把分工合作做细)、标准化、产品化、集成化。

现场总线技术FCS迅速发展自上世界90年代。这是安装在生产现场的数字式智能化仪表与测控设备，与自动控制装置或系统间的多点通信、全分散、开放式的底层控制网络系统。

世界工业自动化控制行业形成了少数跨国公司规模生产、对垄断全球市场进行瓜分的局面， 经过长期不断地发展。原来的几百个厂商经过不断的淘汰只剩10个，有些大厂商已经仪的了市场赞誉在质量、价格、售后服务等方面，其工业自动化控制产品均号称兼具DCS/PLC/FCS功能。最著名者如西门子、ABB、HONEYWELL、三菱、菲尼克斯等。

“电子通信技术(ICT)和先进的制造技术相融合，形成了设备可以人工控制、适用的测控设备以及优化信息的应用的综合成果的工业信息化。”现代工业装备和交通、能源、国防、重大公益设备等的神经中枢、运行中心和安全屏障是自控系统和仪表仪器的作用。实现高效优化是它监测控制整个生产流程和保证产品质量，保障工业重量级装备安全并且可靠运行的功能。

所以，提升我国工业竞争力的核心技术之一是使制造环节进一步自动化，是两化融合的基础。，当前振兴装备工业的一个核心问题是扭转目前仅仅依赖国外技术和受国外技术制约的被动局面，如何推进工业自动化控制技术自主创新，掌握工业自动化控制行业发展主导权是不能回避的战略任务。

三、我国工业自动化控制行业现状

20世纪80年代初，改革以来，工业自动化控制技术被引入中国， “PLC，变频器，触摸屏，伺服电机，工业自动化控制机”等产品被广泛应用到工业控制。中国的工业自动化进程被大力推广，对中国的现代化的建设贡献了力量。

（一）工业自动化仪器仪表

1、 可编程序控制器PLC

①可以在现场修改和调试程序，编程简单； ②采用插入式模块结构，维护方便；③可靠性高于继电器控制系统；④体积小于继电器控制装置；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电器控制系统竞争； ⑦可直接用115V交流电压输入；⑧输出量为115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；⑨通用性强，易于扩展；⑩用户程序存储器容量至少4kB。

我国的PLC的研制、生产和应用发展较快，特别是在应用方面尤为突出。在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。从此以后， PLC在传统设备改造和新设备设计中的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC在我国的应用逐渐广泛，提高了我国的工业自动化水平。

2、工业自动化控制PC

基于PC的控制器可以像PLC一样，操作和维护人员已能够接受，PC控制方案被制造商在部分生产中采用。易于安装和使用的PC 的控制系统，有高级诊断的功能，为系统集成商提供了更灵活地选择，维护成本低是PC控制系统的一大优点。

近几年，工业PC在我国得迅猛地发展。从世界范围来看，工业PC主要包含两种类 型：IPC工业自动化控制机与它们的变形机。因为基础自动化与过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和 冗余配置有较高的要求，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，被其他工业自动化控制机取而代之，而IPC最终将占据管理自 动化层。国家于2001年设立了“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”工业自动化这一重大专项，就是以发展具有自主知识产权的PC-based控制系统为目标，在3-5年内，占领30%至50%的国内市场，并实现产业化。

（二）工业自动化控制行业仪器仪表发展

工业自动化控制仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置与智能化仪表、专用和特种自动化仪表；服务领域要全面扩大，仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化进一步推进，完成 了自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变，5年内数字仪表比例达到了60%以上；自主版权自动化软件的商品化得到了推进。

1、电工仪器仪表

重点发展了长寿命电能表、电子式电度表、特种专用电测仪表和电网计量自动管理系统等电工仪器仪表。在2005年，国内市场的中低档电工仪器仪表占有率要在95%；到2010年，国内市场高中档电工仪器仪表占有率在80%。

2、科学测试仪器

过程分析仪器、环保监测仪器仪表、工业炉窑节能分析仪器以及围绕基础产业所需的汽车零部件动平衡、动力测试及整车性能检测仪、大地测量仪器、电子速测仪、测量型全球定位系统以及其他试验机、实验室仪器等科学测试仪器新产品被重点发展。产品主要是技术含量较高的中档产品。

3、环保仪器仪表

大气环境、水环境的环保监测仪器仪表、取样系统和环境监测自动化控制系统产品等环保仪器仪表被重点发展，“2005年技术水平达到20世纪90年代后期国际先进水平，国内市场占有率要达到50%～60%，到2010年国内市场占有率要达到70%以上”。

4、仪器仪表

仪器仪表元器件“十五”和2010年前，尽快开发出一批市场效果好、适销对路的产品，品种占有率达到70%～80%，高档产品市场占有率达60%以上；通过新品开发、科技攻关，使产品质量水平达到国际20世纪90年代末水平，某些产品接近国外同类产品先进水平。

5、信息技术电测仪器

信息技术电测仪器主要发展智能化技术、电测仪器软件化，总线式自动测试技术，综合自动化测试系统，新型元器件测量技术和测试仪器，在线测试技术，信息产业产品测试技术，多媒体测量技术和相应测试仪器，用电监控管理技术等。

四、多方面入手解决工业自动化控制发展瓶颈问题

通过高度重视基础科学支撑，重视共性技术研发、基础零部件的同步发展来振兴装备工业，由于发展阶段的问题，我国目前比较重视有战略性强度、可购买性差的和拉动性较大的产业，如核风电、电站、太阳能、汽、大飞机车等，这些产业都离不开PLC，需要一台甚至多台PLC来控制每一台机器。第二层次是应该控制系统，但是不能归纳它们的重要性也是第二层次。

第一，对于PLC通用平台，是应该被重点关注的，不管它是作为信息化的产品还是控制技术产品或者是两化融合的骨干产品。但是，国家的装备制造业振兴规划中工业自动化控制系统只有在基础零部件的最后一句被提到了，可是基础零部件与工业自动化控制系统有一定的差别，技术的复杂性与非单一性和铸件、锻件等基础零部件相比要强得多，将其归入基础零部件是不合理的。

研发、制造、应用三个平台是解决PLC的根本问题，缺一不可。这个大工程，可以分成好几个阶段，在一个五年计划里可实现不了。可以列个项目，对国民经济有重大意义的关键产品进行组织研究。通过国家的支持，建立研发、制造和应用这一平台，并不是仅限于应用平台。至于怎么组织、组织谁还要进一步讨论，我们首先要把它放对位置，只有这样，才能保证整个断续流程工业的发展和做大做强问题。

第二，以软件带动硬件发展，从市场细分着手。

仅仅依赖仿照和跟随，照本宣科，如果这样与国外优势企业正面竞争，中国企业的竞争力变弱。我们只有与国外企业较量从特点上、从市场细分等反面。因为在价格层面看，国外价格已经很低，他们。从整套设备购进行考虑，就像PLC这一产品，我们就算再便宜20%，价格也不会有很大差别。

所以要做市场细分，公共平台的开发要结合用户，跟有实力的集成商结合必须使用PLC的大设备制造商。另外，要研究如控制算法等，一些相对技术含量比较高的，能够提炼出来的技术，把这些成果提供给系统集成商，软件变成我们独有的拥有知识产权的应用软件，并做PLC硬件在此基础上。

第三，推广可以借鉴国外的经验，共性技术的开发和所有权需归国家

对于共性技术的开发，国家如果只拨一部分钱，企业自筹其他的，就会产生很多的问题：比如知识产权属于谁？是不是所有企业都要花钱购买？技术成果什么价格？怎么推广？成果的推广是共性技术的关键，会产生各方的利益关系。

如果用一个小团体推广共性技术，最后将导致搞科研的单位成为企业的竞争对手。最近美国提出几个可以借鉴的意见，其中一个建议是：“也就是最基本的成果，也可以说是带有共性技术的那部分成果，经由国家负担所有的支持资金，最后的成果要归国家所有”。国家拿对这一成果进行公开招标，成果有没有前途由企业自己分析，有没有市场前景也由企业自己分析。产品招标的国家不承担任何费用，企业认依据投资进去、产业化、做市场，最后一年能卖出多少这一指标来进行投标。企业得到这一技术，如果达到了预期的目标，国家可以用减税的方式给予补助。现就是说，只有得到了推广，企业才能从国家得到补助。没有销量不可能减税，这也是新技术推广的一种切实可行的办法。

具体政策建议：

一是建议由国务院相关部门的领导，仪器仪表行业协会进行牵头，组织有关单位企业组成官产学研用结合的技术攻关组织，让其承担这一项目的责任主体。

二是项目的主体任务，对我国具有较广泛通用性的工业自动化控制PLC平台的建立。

三是建议国家“十二五”规划中关于装备工业领域，设立“工厂自动化控制系统平台的科研与产业化”项目，支持PLC共性平台研发和重点领域的应用推广。

四是具有配套的政策，对首台套要给以足够的支持、资助与示范工程、试运行的改进、首台套采购政策等。

五、自主发展能力关系国家工业发展战略

工业自动化控制行业自主发展能力关系国家的工业发展战略，其战略规划的眼光也被考验。通过对工业自动化控制产业现状和问题的探讨，我认为我国在工业的指导思想与体制政策方面，有若干值得思考之处。

(一)工业发展的战略指导思想。

我国在市场化的条件下，推动了加入世界产业分工体系的改革开放步伐。我国是用劳动密集型产品换取国外技术密集型产品，它关系着工业结构中一直坚守的重要战略(如工业自动化控制行业)，一直遵循“国际分工”，对产业升级所产生的不利方面。

国外先进生产线的引进是在上世纪80年代，对单台自动化技术感兴趣可以节约外汇，能用人工的尽量用人工的指导思想。由于重点考虑效率，当时对工厂自动化的意义认识还不完整，，把自动生产线加工质量与精度放在次要位置，工厂自动化国际标准的大好机遇被错过了。

(二)工业发展规划中的倾向性。

在我国的各类发展规划中，通常选择利用重大产品带动研发的方式，制定重点项目，这一原则本来是正确的。但在具体的执行过程中，不公平的倾向却容易发生。

一是工业的整体发展意识淡薄。工业结构是“主机—控制—零部件—材料—工艺”的结构。工业的“中间部门不断进步使得各类主机品质性能得以提高，同时也是工业竞争力的根基。如果在基础阶段长期依赖外来的技术，国家的工业发展的根基将会不牢固。

二是有形要比无形早，整机要比零部件重。传统思维把“制造业”与“电子信息”分开，在现代装备制造中，能够基本实现控制系统与机电系统的融合。至今工业自动控制被我国的工业规划置于不重要的地位。推进两化融合，就要打破 “制造业”这一固有的思维定式。

(三) 国际通用模式是以建设企业为主体、官产学研用相结合的创新体系与相应的行业管理机制，还应注意，企业规模越大、产业集中度高的行业与企业规模偏越小、产业集中度低的行业，两者的技术进步机制有较大的不同。在工业自动化控制行业，DCS能在火电领域扎根，首先要得到垄断发电力系统的用户的支持。然而大多数企业小、竞争充分而散的机械企业，“以企业为主体”的研发体制，要以行业的组织力为前提。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.039

贡霰 （GongXian）女，出生年月：1990年1月17日，籍贯：北京，单位：北京工商大学