智能制造基础-工业控制系统的6大发展方向

展望|未来工业控制系统的6大发展方向

2017-09-22

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，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（TimetoMarket）、改善质量（Quality）、降低成本（Cost）以及完善服务体系（Service），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WindowsNT的原因。一个成功的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AutomationResearchCorp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2000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/PAC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32I/O）已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC（SoftPLC）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，PLC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。集散控制系统DCS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。

三、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展

由于3C技术的发展，过程控制系统将由DCS发展到FCS。FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（FieldDevice）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1IEC技术报告（FFH1）；

类型2Control-NET（美国Rockwell公司支持）；

类型3Profibus（德国Siemens公司支持）；

类型4P-NET（丹麦ProcessData公司支持）；

类型5FFHSE（原FFH2）高速以太网（美国FisherRosemount公司支持）；

类型6Swift-Net（美国波音公司支持）；

类型7WorldFIP（法国Alsto公司支持）；

类型8Interbus（美国PhoenixContact公司支持）。

除了IEC61158的8种现场总线外，IECTC17B通过了三种总线标准：SDS、ASI、DeviceNET。另外，ISO公布了ISO11898CAN标准。其中DeviceNET于2002年10月8日被中国批准为国家标准，并于2003年4月1日开始实施。

目前在各种现场总线的竞争中，以Ethernet为代表的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。其关注的焦点主要集中在两个方面：

(1)能否出现全世界统一的现场总线标准；

(2)现场总线系统能否全面取代现时风靡世界的DCS系统。

采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统的技术发展趋势。国家在“九五”期间为了加快现场总线技术在我国的发展，重点放在智能化仪表和现场总线技术的开发和工程化上，补充和完善工艺设备、开发装置和测试装置，建立智能化仪表和开发自动化系统的生产基地，形成适度规模经济。2000年，“九五”国家科技攻关计划“新一代全分布式控制系统研究与开发”和“现场总线智能仪表研究开发”两个项目相继完成。这两个项目以及先期完成的“现场总线控制系统的开发”项目，针对国际上已经出现的多种现场总线协议并存的局面，重点选择了HART协议和FF协议现场总线技术攻关。

总之，计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，但FCS发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程，同时DCS本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是，结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的地位。

四、数字化系统向开放性、网络窄带化、多态化方向发展

全面的智能制造要依赖于全面的数字化，工业制造通用工业信息通讯系统用于工业全流程的数据采集、存储、管理、发布与应用。奠定工业智能制造数字化基础。工业通用多态CPS系统支持广泛范围的传感器高速测量，实现与不同制造商的控制设备或其他自动化设备间实时工厂数据通讯及过程控制级、企业MES、ERP信息化系统数据的基于工业以太网和广域网的网络多态信息数据互联互通。

工业数据流驱动下的行业业态新模式

工业与ICT技术结合的重要性，早已被世界各国政府和企业界充分、深刻地认识到，德国工业4.0和美国工业互联网、中国制造2025等规划其本质都是信息通讯技术与工业的深度融合，实现以网络化、数字化为基础的智能制造。数据是各行各业普遍广泛关注的资源与技术，现代制造业、科研系统、航空航天、军工测控通信、城市生活等众多领域的数据汇集在一起呈现出“4V”的特征，即数据量巨大(Volume)、多样化(Variety)、快速化(Velocity)和价值化(Value)这对制造企业数据集成提出了新的数据通信需求。如何实现多态数据的采集、网络共架窄带传输与感知计算已成为工业企业转型升级必须要解决的关键共性问题。

工业CPS系统网络化、数字化的多态分布式感知能力为企业MES、ERP信息化系统提供系统性的精密感知能力。打通企业信息化最后一公里，完成工业企业生产经营深度数字化、信息化转型升级。工业CPS系统支撑基于前沿工艺研发成果的高端工业过程控制系统（APC系统）网络化应用部署。为生产高品质产品提供机理、装备、工艺、质量的保证，铸就企业核心竞争力以应对挑战、提质增效、完成流程工艺智能化转型升级。

图1 多态数据流驱动下的行业业态新模式

五、工业控制网络将向有线和无线相结合的数字化工厂

自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业

环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。

随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。

无线局域网（WirelessLAN）技术可以非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。无线局域网可以在不采用网络电缆线的情况下，提供以太网互联功能。在推动网络技术发展的同时，无线局域网也在改变着人们的生活方式。无线网通信协议通常采用IEEE802.3和802.11。802.3用于点对点方式，802.11用于一点对多点方式。无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站(AP)、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，以无线网卡使用最为普遍。无线局域网的未来的研究方向主要集中在安全性、移动漫游、网络管理以及与3G等其它移动通信系统之间的关系等问题上。

在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE802.11b和以太网络IEEE802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力。

计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。

六、工业控制软件正向先进控制方向发展

自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有20年的发展历史。工业控制软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。工业控制软件主要包括人机界面软件（HMI），基于PC的控制软件以及生产管理软件等。目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断格局。通过在化工、石化、造纸等行业的数百个企业（装置）中应用，促进了企业的技术改造，提高了生产过程控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益。

高端工业过程控制系统对于制造业的重要意义

现代工业生产过程的大型化、复杂化，对产品质量、产率、安全及对环境影响的要求越来越严格，许多复杂、多变量、时变的关键变量的控制，常规PID等开展策略已不能胜任，因此，先进过程控制受到了广泛关注。先进过程控制(Advanced Process Control)APC测控系统是指不同于常规开展算法，具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称。先进控制系统用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。

高端过程控制系统工程平台底层应用德潽成熟稳定的工业通用ICT系统，基于网络化DEP-CPS架构，兼容第三方系统,无障碍融入原有自动化、信息化系统。完成APC模型系统与PLC/PAC/L1系统传感器及企业信息化系统的实时双工数据通讯；充分盘活企业存量自动化设备、信息自动化系统资源；最大限度降低企业产线改造、转型升级的成本和周期压力。

APC系统平台价值优势：

1、 通过工业过程控制工程平台便捷的应用开发接口，方便的维护调试工具，可以有效缩短项目开发周期，降低开发资源投入和技术成本，降低系统的实施维护成本。

2、 通过工业过程控制工程平台对异构系统的兼容能力，可以加强过程控制应用系统的可移植性，提高系统的可扩展性，方便用户对过程控制应用系统的升级和改造，降低系统后续维护的开发成本。

3、 通过工业过程控制工程平台为过程控制系统提供的技术框架和通用服务，可以提高过程控制系统的稳定性，降低系统的交付成本，提高最终客户的用户满意度。

4、工业过程控制工程平台为标准Client/Server结构，完备的工业数据链和开放式的过程系统开发架构及通用模块支持用户将资源专注于业务本身。驱动传统自动化系统向智能化系统进化。

基于计算机控制与仿真技术的高端过程控制系统平台是工业智能化的载体与工程实现平台。

工业过程控制系统软件作为工业制造系统的智能控制核心控制着制造业的核心工艺过程。某种程度上说决定着制造流程智能化的水准。随着制造业自身的发展和转型升级的需求，工业过程控制系统软件正在由人机界面和基本策略组态向先进过程控制方向发展。先进过程控制APC（Advanced Process Control）指基于数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为先进过程控制策略。如：自适应控制；预测控制；鲁棒控制；智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络）等。目前，国际上已经有几十家公司，推出了上百种先进过程控制系统产品，在世界范围内形成了一个强大的工业流程应用软件产业。APC系统由先进过程控制模型和高端通讯系统（实时数据通讯系统）组成，国外对实时通讯数据链和行业APC模型垄断十分严格。由此，自主知识产权的行业先进过程控制模型和配套的高端集成基础数据通讯对于增强工业行业自主创新能力、提升行业智能化水平、稳定高质量产品比率、培育企业核心市场竞争力具有十分重要的意义。

高端工业过程控制系统工程平台是复杂的通用工业过程控制系统工程平台，深入融合电子学、控制工程学、相关工业流程原理和计算机测控技术，集成相关工业流程工艺、现代测控技术、工业流程相关的硬件装备，通过数学方法和编程技术开发成高度集成的工业应用系统，APCEW开放式的架构实现工业化生产条件下不同行业工艺过程的动态智能控制。为不同工业流程工艺研发工作者研究工艺过程改进和新产品研发、制备奠定坚实的工程基础。

结束语

工业智能化是指在工业生产、管理、经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息的采集、信息的传输、信息的处理以及信息的综合利用等。国家用信息化带动工业化的工作重点有三个方面：一是以电子信息技术应用为重点，提高传统产业生产过程自动化、控制智能化和管理信息化水平；二是以先进制造技术应用为重点，推进制造业领域的优质高效生产，振兴装备制造业；三是改造提升重点产业的关键技术、共性技术及其相关配套技术水平、工艺和装备水平。国家实施高技术产业化的主要目标有两个：一是发展高技术，形成新兴产业，培育新的增长点；二是利用先进技术改造和优化传统产业，提高经济增长的质量。

高端工业过程控制系统工程平台（DEP-APCEW）是下一代工业智能模型及控制软件应用部署的载体。平台集成先进传感器、控制器、仿真建模、实时通讯技术到工业智能制造系统；丰富的高级数学功能模块用于构建不同行业的诸多高端复杂的关键控制模型, 通过DEP-APCEW架构平台集成为高端工业过程控制统；平台的开放性使得不同行业及领域的专家、学者及工程技术人员可以在同一平台上并行工作，充分发挥自身的极大优势。基础通用化平台+用户应用系统的高效模块化系统集成模式将数字化、智能化制造技术、新原理、新工艺从实验室原理概念和理论研发成果转化为高端智能控制系统在线应用部署于工业制造流程及产线。企业采用基于DEP-APCEW平台的智能化新技术系统改造升级传统产线自动化系统用以将优秀生产工艺研发成果和测控系统深度结合提高生产效率、降低能耗、稳定高质量产品比率，研发成果直接转化为企业生产力；应用DEP-APCEW平台的智能化控制模型设计与升级机载控制器系统赋予机载本体控制器系统高度智能化的大脑，大幅提高响应速度、测控系统精度和控制质量。支撑工业软装备引领和驱动未来工业发展，助力企业在日趋激烈的市场竞争中占据产业优势高地。踏实助力所属应用行业制造水平迈向中高端。

大力发展工业自动化和高端工业过程智能控制系统是加快传统产业改造提升、提高企业整体素质、提高国家整体国力、调整工业结构、迅速搞活大中型企业的有效途径和手段，国家将继续通过实施一系列工业过程自动化高技术产业化专项，用信息化带动工业化，推动工业自动化技术的进一步发展，加强技术创新，实现产业化，解决国民经济发展面临的深层问题，实现创新发展，进一步提高国民经济整体素质和综合国力。

编译整理：DEPSoftware