工业控制技术现状与趋势

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1、我国工业控制自动化技术现状与趋势我国工业控制自动化技术现状与趋势工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。 工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业 生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消 耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工 业控制自动化技术作为 20 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与 一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升 作用。我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，

2、然后进 行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国 工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向 发展。一、 以工业 PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流众所周知，从 20 世纪 60 年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以 及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。20 世纪末世界上最大的 变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市 场时间（Time to Market）、改善质量（Quality）、降低成本（Cost）以及完善服务体系 （Servi

3、ce），这就是企业的 T.Q.C.S.。虽然计算机集成制造系统（CIMS）结合信息集成和 系统集成，追求更完善的 T.Q.C.S.，使企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方 式传给正确的人，以便作出正确的决策”，即“五个正确”。然而这种自动化需要投入大量的 资金，是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。 在我国，中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自 动化，其核心是基础自动化和过程自动化。传统的自动化系统，基础自动化部分基本被 PLC 和 DCS 所垄断，过

4、程自动化和管理自 动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的 价格之高令众多企业望而却步。20 世纪 90 年代以来，由于 PC-based 的工业计算机（简称工业 PC）的发展，以工业 PC、I/O 装置、监控装置、控制网络组成的 PC-based 的自动化系统得到了迅速普及，成为 实现低成本工业自动化的重要途径。我国重庆钢铁公司这样的大企业的几乎全部大型加热 炉，也拆除了原来 DCS 或单回路数字式调节器，而改用工业 PC 来组成控制系统，并采用 模糊控制算法，获得了良好效果。由于基于 PC 的控制器被证明可以像 PLC 一样可靠，并且被操作和维护人员接

5、受，所以， 一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用 PC 控制方案。基于 PC 的控制系统易于安 装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC 控 制系统维护成本低。由于可编程控制器（PLC）受 PC 控制的威胁最大，所以 PLC 供应商对 PC 的应用感到很不安。事实上，他们现在也加入到了 PC 控制“浪潮”中。近年来，工业 PC 在我国得到了异常迅速的发展。从世界范围来看，工业 PC 主要包含 两种类型：IPC 工控机和 CompactPCI 工控机以及它们的变形机，如 AT96 总线工控机等。 由于基础自动化和过程自动化对工业 PC 的运行稳定性、热

6、插拔和冗余配置要求很高，现 有的 IPC 已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是 CompactPCI-based 工控机，而 IPC 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”工业自动化重大专项，目标就是发展具有自主知识产权的 PC-based 控制系统，在 3(5 年内，占领 30%(50%的国内市场，并实现产业化。几年前，当“软 PLC”出现时，业界曾认为工业 PC 将会取代 PLC。然而，时至今日工业 PC 并没有代替 PLC，主要有两个原因：一个是系统集成原因；另一个是软件操作系统 Windows NT 的原因。一

7、个成功的 PC-based 控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个 平台上的软件完成；二是向客户提供所需要的所有东西。可以预见，工业 PC 与 PLC 的竞 争将主要在高端应用上，其数据复杂且设备集成度高。工业 PC 不可能与低价的微型 PLC 竞争，这也是 PLC 市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于 工业 PC 和 PLC 之间，这些融合的迹象已经出现。和 PLC 一样，工业 PC 市场在过去的两年里保持平稳。与 PLC 相比，工业 PC 软件很便 宜。据 Frost & Sullivan 公司估计，全世界每年 7 亿美元工业 PC 市场里，大约 8500 万美

8、 元为控制软件，一亿美元为操作系统。到 2007 年会翻一番，工业 PC 市场变得非常可观。二、 PLC 在向微型化、网络化、PC 化和开放性方向发展长期以来，PLC 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备 提供非常可靠的控制方案，与 DCS 和工业 PC 形成了三足鼎立之势。同时，PLC 也承受着 来自其它技术产品的冲击，尤其是工业 PC 所带来的冲击。目前，全世界 PLC 生产厂家约 200 家，生产 300 多种产品。国内 PLC 市场仍以国外产 品为主，如 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE 的产品。经过多年的发展，国 内 PLC 生

9、产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说 PLC 在我国尚未形成制造产业化。在 PLC 应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。专 家估计，2000 年 PLC 的国内市场销量为 15(20 万套（其中进口占 90%左右），约 25(35 亿元人民币，年增长率约为 12%。预计到 2005 年全国 PLC 需求量将达到 25 万套左右， 约 35(45 亿元人民币。PLC 市场也反映了全世界制造业的状况，2000 后大幅度下滑。但是，按照 Automation Research Corp 的预测，尽管全球经济下滑，PLC 市场将会复苏，估计全球 PLC 市场在 2

10、000 年为 76 亿美元，到 2005 年底将回到 76 亿美元，并继续略微增长。微型化、网络化、PC 化和开放性是 PLC 未来发展的主要方向。在基于 PLC 自动化的早 期，PLC 体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型 PLC（小于 32 I/O）已经出现，价格 只有几百欧元。随着软 PLC（Soft PLC）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软 PLC 组态软件和 PC-based 控制的市场份额将逐步得到增长。当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是 Ethernet 技术的扩展，PLC 也不例外。 现在越来越多的 PLC 供应商开始提供 Ethernet 接口。可以相信，PL

11、C 将继续向开放式控制 系统方向转移，尤其是基于工业 PC 的控制系统。三、 面向测控管一体化设计的 DCS 系统集散控制系统 DCS（Distributed Control System）问世于 1975 年，生产厂家主要集中 在美、日、德等国。我国从 70 年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的 DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时，我国主要行业（如电力、石化、建材 和冶金等）的 DCS 基本全部进口。80 年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了研制 国产化 DCS 的技术攻关。近 10 年，特别是“九五”以来，我国 DCS 系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企

12、业，如北京和利时公司、上海新华公司、浙大中控公司、浙江威盛公司、航天测控公司、 电科院以及北京康拓集团等。这批企业研制生产的 DCS 系统，不仅品种数量大幅度增加， 而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。在 2001 年全国应用的 4426 套 DCS 系统中，国产 DCS 系统为 1486 套，占 35%。短短几年，国外 DCS 系统在我国一统天下的 局面从此不再出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市场份额，积累了发展的资本和技 术，同时使得国外引进的 DCS 系统价格也大幅度下降，为我国自动化推广事业做出了贡献。 与此同时，国产 DCS 系统的出口也在逐年增长。虽然国产 DCS 的发

13、展取得了长足进步，但国外 DCS 产品在国内市场中占有率还较高， 其中主要是 Honeywell 和横河公司的产品。我国 DCS 的市场年增长率约为 20%，年市场 额约为 30(35 亿元。由于近 5 年内 DCS 在石化行业大型自控装置中没有可替代产品，所以 其市场增长率不会下降。据统计，到 2005 年，我国石化行业有 1000 多套装置需要应用 DCS 控制；电力系统每年新装 1000 多万千瓦发电机组，需要 DCS 实现监控；不少企业已 使用 DCS 近 15(20 年，需要更新和改造。所以，今后 5 年内 DCS 作为自动化仪表行业主 要产品的地位不会动摇。根据中国仪器仪表行业协会

14、公布的调查数据显示，2002 年我国 DCS 市场状况如下：小型化、多样化、PC 化和开放性是未来 DCS 发展的主要方向。目前小型 DCS 所占有的 市场，已逐步与 PLC、工业 PC、FCS 共享。今后小型 DCS 可能首先与这三种系统融合， 而且“软 DCS”技术将首先在小型 DCS 中得到发展。PC-based 控制将更加广泛地应用于中 小规模的过程控制，各 DCS 厂商也将纷纷推出基于工业 PC 的小型 DCS 系统。开放性的 DCS 系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流 动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。四、 控制系

15、统正在向现场总线（FCS）方向发展由于 3C（Computer、Control、Communication）技术的发展，过程控制系统将由 DCS 发展到 FCS（Fieldbus Control System）。FCS 可以将 PID 控制彻底分散到现场设备 （Field Device）中。基于现场总线的 FCS 又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新 一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的 4(20mA 模拟信号线，给传统的工业自 动化控制系统体系结构带来革命性的变化。根据 IEC61158 的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、双

16、向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备 了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的 功能、性能。IEC/TC65 的 SC65C/WG6 工作组于 1984 年开始致力于推出世界上单一的现 场总线标准工作，走过了 16 年的艰难历程，于 1993 年推出了 IEC61158-2，之后的标准 制定就陷于混乱。2000 年初公布的 IEC61158 现场总线国际标准子集有八种，分别为：类型 1 IEC 技术报告（FFH1）；类型 2 Control-NET（美国 Rockwell 公司支持）；类型 3 Profibus（德国 Siemens 公司支持）；类型 4 P-NET（丹麦 Process Data 公司支持）；类型 5 FFHSE（原 FFH2）高速以太网（美国 Fisher Rosemount 公司支持）；类型 6 Swift-Net（美国波音公司支持）；类型 7 WorldFIP（法国 Alsto 公司支持）；类型 8 Interbus（美国 Phoenix Contact 公司支持）。除了 IEC61158 的 8