工業(yè)控制自動化技術是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術，對工業(yè)生產過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。工業(yè)控制自動化技術作為20世紀現(xiàn)代制造領域中最重要的技術之一，主要解決生產效率與一致性問題。雖然自動化系統(tǒng)本身并不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產過程有明顯的提升作用。

我國工業(yè)控制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進成套設備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發(fā)和應用。目前我國工業(yè)控制自動化技術、產業(yè)和應用都有了很大的發(fā)展，我國工業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經形成。目前，工業(yè)控制自動化技術正在向智能化、網(wǎng)絡化和集成化方向發(fā)展。

一、 以工業(yè)PC為基礎的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流

從20世紀60年代開始，西方國家就依靠技術進步（即新設備、新工藝以及計算機應用）開始對傳統(tǒng)工業(yè)進行改造，使工業(yè)得到飛速發(fā)展。20世紀末世界上最大的變化就是全球市場的形成。全球市場導致競爭空前激烈，促使企業(yè)必須加快新產品投放市場時間（Time to Market）、改善質量（Quality）、降低成本（Cost）以及完善服務體系（Service），這就是企業(yè)的T.Q.C.S.。雖然計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）結合信息集成和系統(tǒng)集成，追求更完善的T.Q.C.S.，使企業(yè)實現(xiàn)“在正確的時間，將正確的信息以正確的方式傳給正確的人，以便作出正確的決策”，即“五個正確”。然而這種自動化需要投入大量的資金，是一種高投資、高效益同時是高風險的發(fā)展模式，很難為大多數(shù)中小企業(yè)所采用。在我國，中小型企業(yè)以及準大型企業(yè)走的還是低成本工業(yè)控制自動化的道路。

工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。

傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)，基礎自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進口的過程計算機或小型機組成，其硬件、系統(tǒng)軟件和應用軟件的價格之高令眾多企業(yè)望而卻步。

由于PC-based的工業(yè)計算機（簡稱工業(yè)PC）的發(fā)展，以工業(yè)PC、I/O裝置、監(jiān)控裝置、控制網(wǎng)絡組成的PC-based的自動化系統(tǒng)得到了迅速普及，成為實現(xiàn)低成本工業(yè)自動化的重要途徑。我國重慶鋼鐵公司這樣的大企業(yè)的幾乎全部大型加熱爐，也拆除了原來DCS或單回路數(shù)字式調節(jié)器，而改用工業(yè)PC來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法，獲得了良好效果。

由于基于PC的控制器被證明可以像PLC一樣可靠，并且被操作和維護人員接受，所以，一個接一個的制造商至少在部分生產中正在采用PC控制方案?；赑C的控制系統(tǒng)易于安裝和使用，有高級的診斷功能，為系統(tǒng)集成商提供了更靈活的選擇，從長遠角度看，PC控制系統(tǒng)維護成本低。由于可編程控制器（PLC）受PC控制的威脅最大，所以PLC供應商對PC的應用感到很不安。事實上，他們現(xiàn)在也加入到了PC控制“浪潮”中。

近年來，工業(yè)PC在我國得到了異常迅速的發(fā)展。從世界范圍來看，工業(yè)PC主要包含兩種類型：IPC工控機和CompactPCI工控機以及它們的變形機，如AT96總線工控機等。由于基礎自動化和過程自動化對工業(yè)PC的運行穩(wěn)定性、熱插拔和冗余配置要求很高，現(xiàn)有的IPC已經不能完全滿足要求，將逐漸退出該領域，取而代之的將是 CompactPCI-based工控機，而IPC將占據(jù)管理自動化層。國家于2001年設立了“以工業(yè)控制計算機為基礎的開放式控制系統(tǒng)產業(yè)化”工業(yè)自動化重大專項，目標就是發(fā)展具有自主知識產權的PC-based控制系統(tǒng)，在3(5年內，占領30%(50%的國內市場，并實現(xiàn)產業(yè)化。

幾年前，當“軟PLC”出現(xiàn)時，業(yè)界曾認為工業(yè)PC將會取代PLC。然而，時至今日工業(yè)PC并沒有代替PLC，主要有兩個原因：一個是系統(tǒng)集成原因；另一個是軟件操作系統(tǒng)Windows NT的原因。一個成功的PC-based控制系統(tǒng)要具備兩點：一是所有工作要由一個平臺上的軟件完成；二是向客戶提供所需要的所有東西?？梢灶A見，工業(yè)PC與PLC的競爭將主要在高端應用上，其數(shù)據(jù)復雜且設備集成度高。工業(yè)PC不可能與低價的微型PLC競爭，這也是PLC市場增長最快的一部分。從發(fā)展趨勢看，控制系統(tǒng)的將來很可能存在于工業(yè)PC 和 PLC之間，這些融合的跡象已經出現(xiàn)。

和PLC一樣，工業(yè)PC市場在過去的兩年里保持平穩(wěn)。與PLC相比，工業(yè)PC軟件很便宜。據(jù)Frost & Sullivan公司估計，全世界每年7億美元工業(yè)PC市場里，大約8500萬美元為控制軟件，一億美元為操作系統(tǒng)。到2007年會翻一番，工業(yè)PC市場變得非常可觀。

二、 PLC在向微型化、網(wǎng)絡化、PC化和開放性方向發(fā)展

長期以來，PLC始終處于工業(yè)控制自動化領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供非?？煽康目刂品桨?，與DCS和工業(yè)PC形成了三足鼎立之勢。同時，PLC也承受著來自其它技術產品的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。

PLC市場也反映了全世界制造業(yè)的狀況，2000后大幅度下滑。但是，按照Automation Research Corp的預測，盡管全球經濟下滑，PLC市場將會復蘇，估計全球PLC市場在2000年為76億美元，到2005年底將回到76億美元，并繼續(xù)略微增長。

微型化、網(wǎng)絡化、PC化和開放性是PLC未來發(fā)展的主要方向。在基于PLC自動化的早期，PLC體積大而且價格昂貴。但在最近幾年，微型PLC（小于32 I/O）已經出現(xiàn)，價格只有幾百歐元。隨著軟PLC（Soft PLC）控制組態(tài)軟件的進一步完善和發(fā)展，安裝有軟PLC組態(tài)軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。

三、 面向測控管一體化設計的DCS系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）問世于1975年，生產廠家主要集中在美、日、德等國。我國從70年代中后期起，首先由大型進口設備成套中引入國外的DCS，首批有化纖、乙烯、化肥等進口項目。當時，我國主要行業(yè)（如電力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部進口。80年代初期在引進、消化和吸收的同時，開始了研制國產化DCS的技術攻關。

近10年，特別是“九五”以來，我國DCS系統(tǒng)研發(fā)和生產發(fā)展很快，崛起了一批優(yōu)秀企業(yè)，如北京和利時公司、上海新華公司、浙大中控公司、浙江威盛公司、航天測控公司、電科院以及北京康拓集團等。這批企業(yè)研制生產的DCS系統(tǒng)，不僅品種數(shù)量大幅度增加，而且產品技術水平已經達到或接近國際先進水平。在2001年全國應用的4426套DCS系統(tǒng)中，國產DCS系統(tǒng)為1486套，占35%。短短幾年，國外DCS系統(tǒng)在我國一統(tǒng)天下的局面從此不再出現(xiàn)。這些專業(yè)化公司不僅占據(jù)了一定的市場份額，積累了發(fā)展的資本和技術，同時使得國外引進的DCS系統(tǒng)價格也大幅度下降，為我國自動化推廣事業(yè)做出了貢獻。與此同時，國產DCS系統(tǒng)的出口也在逐年增長。

雖然國產DCS的發(fā)展取得了長足進步，但國外DCS產品在國內市場中占有率還較高，其中主要是Honeywell和橫河公司的產品。我國DCS的市場年增長率約為20%，年市場額約為30(35億元。由于近5年內DCS在石化行業(yè)大型自控裝置中沒有可替代產品，所以其市場增長率不會下降。據(jù)統(tǒng)計，到2005年，我國石化行業(yè)有1000多套裝置需要應用DCS控制；電力系統(tǒng)每年新裝1000多萬千瓦發(fā)電機組，需要DCS實現(xiàn)監(jiān)控；不少企業(yè)已使用DCS近15(20年，需要更新和改造。所以，今后5年內DCS作為自動化儀表行業(yè)主要產品的地位不會動搖。

四、 控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場總線（FCS）方向發(fā)展

由于3C（Computer、Control、Communication）技術的發(fā)展，過程控制系統(tǒng)將由DCS發(fā)展到FCS（Fieldbus Control System）。FCS可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設備（Field Device）中?；诂F(xiàn)場總線的FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對一的4(20mA模擬信號線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)體系結構帶來革命性的變化。

根據(jù)IEC61158的定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線使測控設備具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標準工作，走過了16年的艱難歷程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的標準制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現(xiàn)場總線國際標準子集有八種，分別為：

類型1 IEC技術報告（FFH1）；

類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；

類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；

類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；

類型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網(wǎng)（美國Fisher Rosemount公司支持）；

類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；

類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；

類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）。

除了IEC61158的8種現(xiàn)場總線外，IEC TC17B通過了三種總線標準：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準為國家標準，并于2003年4月1日開始實施。

目前在各種現(xiàn)場總線的競爭中，以Ethernet為代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技術正成為現(xiàn)場總線發(fā)展中新的亮點。其關注的焦點主要集中在兩個方面：

(1) 能否出現(xiàn)全世界統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準；

(2) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)能否全面取代現(xiàn)時風靡世界的DCS系統(tǒng)。

采用現(xiàn)場總線技術構造低成本的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，促進現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢。國家在“九五”期間為了加快現(xiàn)場總線技術在我國的發(fā)展，重點放在智能化儀表和現(xiàn)場總線技術的開發(fā)和工程化上，補充和完善工藝設備、開發(fā)裝置和測試裝置，建立智能化儀表和開發(fā)自動化系統(tǒng)的生產基地，形成適度規(guī)模經濟。2000年，“九五”國家科技攻關計劃“新一代全分布式控制系統(tǒng)研究與開發(fā)”和“現(xiàn)場總線智能儀表研究開發(fā)”兩個項目相繼完成。這兩個項目以及先期完成的“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的開發(fā)”項目，針對國際上已經出現(xiàn)的多種現(xiàn)場總線協(xié)議并存的局面，重點選擇了HART協(xié)議和FF協(xié)議現(xiàn)場總線技術攻關。

五、儀器儀表技術在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化方向發(fā)展

經過五十年的發(fā)展，我國儀器儀表工業(yè)已有相當基礎，初步形成了門類比較齊全的生產、科研、營銷體系?，F(xiàn)有各類儀器儀表企業(yè)6000余家，年銷售額約1000億元，成為亞洲除日本之外第二大儀器儀表生產國。據(jù)海關統(tǒng)計，除去隨成套工程項目配套引進的儀器儀表不計，去年進口各類儀器儀表近60億美元，約占我國儀器儀表工業(yè)總產值的50%。但目前我國儀器儀表行業(yè)產品大多屬于中低檔水平，隨著國際上數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化的產品逐漸成為主流，差距還將進一步加大。目前，我國高檔、大型儀器設備大多依賴進口。中檔產品以及許多關鍵零部件，國外產品占有我國市場60%以上的份額，而國產分析儀器占全球市場不到千分之二的份額。

儀器儀表行業(yè) “十五”規(guī)劃，確立了6項高技術產業(yè)化項目：

1. 基于現(xiàn)場總線技術的全開放分散控制系統(tǒng)及智能儀表；

2. 新型傳感器；

3. 智能化工業(yè)控制部件與執(zhí)行機構；

4. 環(huán)境與污染源監(jiān)測儀器及自動監(jiān)測系統(tǒng)；

5. 城市污水處理利用成套工藝設備中的儀表自動化控制系統(tǒng)；

6. 煉鋼轉爐煤氣凈化回轉成套裝置中的儀表自動化控制系統(tǒng)。

根據(jù)儀器儀表行業(yè)的預測，“十五”期間我國儀器儀表市場大致是：2002年1628億，2003年1790億，2004年1969億，2005年2165億。五年間，平均年市場容量為1806億（相當于220億美元），其中工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)占41%、科學測試儀器占25%、醫(yī)療儀器占17%、其它占17%，平均年增長率將不會低于10%。

今后儀器儀表技術的主要發(fā)展趨勢：

* 儀器儀表向智能化方向發(fā)展，產生智能儀器儀表；

* 測控設備的PC化，虛擬儀器技術將迅速發(fā)展；

* 儀器儀表網(wǎng)絡化，產生網(wǎng)絡儀器與遠程測控系統(tǒng)。

幾點建議：

* 開發(fā)具有自主知識產權的產品，掌握核心技術。

* 加強儀器儀表行業(yè)的系統(tǒng)集成能力。

* 進一步拓展儀器儀表的應用領域。

六、 數(shù)控技術向智能化、開放性、網(wǎng)絡化、信息化發(fā)展

從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過了51年的歷程。近10年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應運而生，發(fā)展很快。目前正朝著標準化開放體系結構的方向前進。就結構形式而言，當今世界上的數(shù)控系統(tǒng)大致可分為4種類型：

1. 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)；

2. “PC嵌入NC”結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)；

3. “NC嵌入PC”結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)；

4. SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)。

我國數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與生產，通過“七五”引進、消化、吸收，“八五”攻關和“九五”產業(yè)化，取得了很大的進展，基本上掌握了關鍵技術，建立了數(shù)控開發(fā)、生產基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產業(yè)，也帶動了機電控制與傳動控制技術的發(fā)展。同時，具有中國特色的經濟型數(shù)控系統(tǒng)經過這些年來的發(fā)展，產品的性能和可靠性有了較大的提高，逐漸被用戶認可。

國外數(shù)控系統(tǒng)技術發(fā)展的總體發(fā)展趨勢是：

* 新一代數(shù)控系統(tǒng)向PC化和開放式體系結構方向發(fā)展；

* 驅動裝置向交流、數(shù)字化方向發(fā)展；

* 增強通信功能，向網(wǎng)絡化發(fā)展；

* 數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上向智能化發(fā)展。

智能化、開放性、網(wǎng)絡化、信息化成為未來數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床發(fā)展的主要趨勢：

* 向高速、高效、高精度、高可靠性方向發(fā)展；

* 向模塊化、智能化、柔性化、網(wǎng)絡化和集成化方向發(fā)展；

* 向PC-based化和開放性方向發(fā)展；

* 出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備，機械加工向虛擬制造的方向發(fā)展。

* 信息技術（IT）與機床的結合，機電一體化先進機床將得到發(fā)展。

* 納米技術將形成新發(fā)展潮流，并將有新的突破。

* 節(jié)能環(huán)保機床將加速發(fā)展，占領廣大市場。

七、 工業(yè)控制網(wǎng)絡將向有線和無線相結合方向發(fā)展

在工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線局域網(wǎng)很難發(fā)揮作用，因此無線局域網(wǎng)技術得到了發(fā)展和應用。隨著微電子技術的不斷發(fā)展，無線局域網(wǎng)技術將在工業(yè)控制網(wǎng)絡中發(fā)揮越來越大的作用。

無線局域網(wǎng)（Wireless LAN）技術可以非常便捷地以無線方式連接網(wǎng)絡設備，人們可隨時、隨地、隨意地訪問網(wǎng)絡資源，是現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。無線局域網(wǎng)可以在不采用網(wǎng)絡電纜線的情況下，提供以太網(wǎng)互聯(lián)功能。在推動網(wǎng)絡技術發(fā)展的同時，無線局域網(wǎng)也在改變著人們的生活方式。無線網(wǎng)通信協(xié)議通常采用IEEE802.3和802.11。802.3用于點對點方式，802.11用于一點對多點方式。無線局域網(wǎng)可以在普通局域網(wǎng)基礎上通過無線Hub、無線接入站(AP)、無線網(wǎng)橋、無線Modem及無線網(wǎng)卡等來實現(xiàn)，以無線網(wǎng)卡使用最為普遍。無線局域網(wǎng)的未來的研究方向主要集中在安全性、移動漫游、網(wǎng)絡管理以及與3G等其它移動通信系統(tǒng)之間的關系等問題上。

在工業(yè)自動化領域，有成千上萬的感應器，檢測器，計算機，PLC，讀卡器等設備，需要互相連接形成一個控制網(wǎng)絡，通常這些設備提供的通信接口是RS-232或RS-485。無線局域網(wǎng)設備使用隔離型信號轉換器，將工業(yè)設備的RS-232串口信號與無線局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡信號相互轉換，符合無線局域網(wǎng)IEEE 802.11b和以太網(wǎng)絡IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議，有效的擴展了工業(yè)設備的聯(lián)網(wǎng)通信能力。

計算機網(wǎng)絡技術、無線技術以及智能傳感器技術的結合，產生了“基于無線技術的網(wǎng)絡化智能傳感器”的全新概念。這種基于無線技術的網(wǎng)絡化智能傳感器使得工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡上傳輸、發(fā)布和共享。無線局域網(wǎng)技術能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場設備、移動機器人以及各種自動化設備之間的通信提供高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網(wǎng)絡拓撲結構，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補了有線網(wǎng)絡的不足，進一步完善了工業(yè)控制網(wǎng)絡的通信性能。

八、 工業(yè)控制軟件正向先進控制方向發(fā)展

作為工控軟件的一個重要組成部分，國內人機界面組態(tài)軟件研制方面近幾年取得了較大進展，軟件和硬件相結合，為企業(yè)測、控、管一體化提供了比較完整的解決方案。在此基礎上，工業(yè)控制軟件將從人機界面和基本策略組態(tài)向先進控制方向發(fā)展。

先進過程控制APC（Advanced Process Control）目前還沒有嚴格而統(tǒng)一的定義。一般將基于數(shù)學模型而又必須用計算機來實現(xiàn)的控制算法，統(tǒng)稱為先進過程控制策略。如：

* 自適應控制；

* 預測控制；

* 魯棒控制；

* 智能控制（專家系統(tǒng)、模糊控制、神經網(wǎng)絡）等。

由于先進控制和優(yōu)化軟件可以創(chuàng)造巨大的經濟效益，因此這些軟件也身價倍增。國際上已經有幾十家公司，推出了上百種先進控制和優(yōu)化軟件產品，在世界范圍內形成了一個強大的流程工業(yè)應用軟件產業(yè)。因此，開發(fā)我國具有自主知識產權的先進控制和優(yōu)化軟件，打破外國產品的壟斷，替代進口，具有十分重要的意義。

在未來，工業(yè)控制軟件將繼續(xù)向標準化、網(wǎng)絡化、智能化和開放性發(fā)展方向。

工業(yè)信息化是指在工業(yè)生產、管理、經營過程中，通過信息基礎設施，在集成平臺上，實現(xiàn)信息的采集、信息的傳輸、信息的處理以及信息的綜合利用等。在“十五”期間，國家用信息化帶動工業(yè)化的工作重點有三個方面：一是以電子信息技術應用為重點，提高傳統(tǒng)產業(yè)生產過程自動化、控制智能化和管理信息化水平；二是以先進制造技術應用為重點，推進制造業(yè)領域的優(yōu)質高效生產，振興裝備制造業(yè)；三是改造提升重點產業(yè)的關鍵技術、共性技術及其相關配套技術水平、工藝和裝備水平。國家實施高技術產業(yè)化的主要目標有兩個：一是發(fā)展高技術，形成新興產業(yè)，培育新的增長點；二是利用先進技術改造和優(yōu)化傳統(tǒng)產業(yè)，提高經濟增長的質量。

由于大力發(fā)展工業(yè)自動化是加快傳統(tǒng)產業(yè)改造提升、提高企業(yè)整體素質、提高國家整體國力、調整工業(yè)結構、迅速搞活大中型企業(yè)的有效途徑和手段，國家將繼續(xù)通過實施一系列工業(yè)過程自動化高技術產業(yè)化專項，用信息化帶動工業(yè)化，推動工業(yè)自動化技術的進一步發(fā)展，加強技術創(chuàng)新，實現(xiàn)產業(yè)化，解決國民經濟發(fā)展面臨的深層問題，進一步提高國民經濟整體素質和綜合國力，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。