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浅谈工业自动化发展趋势

来源:首页 | 时间:2019-01-22

  摘 要:工业自动化是工业现代化发展的基础,在传统产业改革及工业结构的调整优化中起到重要作用。文章对于工业自动化自七十年代至目前几个发展阶段进行详尽分析的基础上,概括了现阶段国内外工业自动化的发展现状,在此基础上,提出对未来自动化控制发展展望,即无线控制仪表以及总线控制模式的发展及应用。

  现代工业控制系统即涵盖上述功能性器件的子系统所组建的复杂型控制网络,其发展经历了以下几个重要时期。

  工业自动化启蒙阶段,七十年代左右,工业领域内已经出现了利用浮动阀门进行自动控制的机械装置如水钟等,并实现了蒸汽系统中温度、压力、机械传动的控制,在工业革命热潮下,工业控制系统在航海、制造业、电力、交通、研究等行业均产生较大的影响:航海领域,伺服机构的设计及应用极大地改善了操作机构与传动机构间的配合性能;继电器装置在制造业领域的广泛应用改善了制造业控制模式;电厂内通过配置具有电力监控功能的中央控制室对于电站进行电力生产及调度控制,提升工作效率及可靠度;主动式平衡装置、陀螺仪的发明及应用促进交通领域的发展,并为后期自动驾驶以奠定基础;负反馈概念的提出以及“标准闭环”分析方法的建立对于新型控制系统的研发有着重要意义。总体上讲,由于该阶段经典控制理论尚未完全建立,所面临的问题即控制系统的可靠性及安全性问题。

  工业自动化发展阶段,在现代化工业控制理论的基础之上,不断发展了工业自动化的应用。工业自动化的前期产业及标准均由美国组织所建立:美国电话电报公司对于通信系统进行了带宽的扩展,福克斯波罗公司研发设计了第一款比例积分控制器用于系统反馈回路的控制;建设者铸铁公司在对于工业控制系统深入分析的基础上,初步建立起工业自动化控制理论;麻省理工学院伺服机构实验室进行了工业控制系统的模拟工作。经典控制理论极大丰富和发展了工业自动化控制系统,提升其可靠性。二战期间对于军事领域的控制技术逐渐转化用于民用工业,在理论及应用基础上,实现了工业控制系统的更新换代:执行机构、数据采集系统、中央控制机构等性能全面提升,极大促进了当时工业化的发展进程。

  在工业自动化数字化应用阶段,工业控制系统实现与通信系统及电子计算机的结合,促进了控制系统数字化发展及应用。其中,第一代工业控制系统即计算机集中控制系统,采用的是直接数字控制(Direct Digital Control:DDC)模式,其工業控制系统结构包括:用于替代继电装置的可编程逻辑控制器(PLC)、数据采集与监控系统(SCADA)、远程终端单元(RTU)、通信技术以及通信网络传输协议及电力系统协议等。电子计算机以及现代化网络通信技术的发展进步也促进了工业控制系统的结构优化及功能升级,使用模拟回路的反馈控制器逐渐替代了传统的单元组合式模拟装置,并逐渐由手动控制升级为使用模拟回路的反馈控制器,集中式工业控制系统已初步形成,在计算机网络通信系统的高速发展中,集中式数字控制系统逐渐形成,控制系统中应用数字控制电路,实现系统的全面数字化,且系统控制算法的升级以及控制协调性的优化也促进工业控制系统可靠性的提升;由于工业装置大型化发展,且对于工艺流程的连续性要求逐渐上升,集中式数字控制系统逐渐被离散式控制系统所取代。到20世纪90年代后期,集计算机技术、网络技术与控制技术为一体的全分散、全数字、全开放的工业控制系统——现场总线控制系统(FCS)应运而生,具有更高的可靠性、更强的功能、更灵活的结构、对控制现场更强的适应性以及更加开放的标准。

  目前国内工业自动化控制系统技术已达中等国际水准,具备一定的生产规模及开发能力。国内的自动化控制系统具有专业性强、应用广泛、市场巨大的特性,在IPS、DCS、PLC等领域,外商仍占据着统治性地位,给国内产品的发展造成较大的竞争压力,国内中低端产品占据主要地位,自主开发的产品包括中小型DCS、总线式测试系统等,高端市场被欧美供应商占据,如集散控制系统等目前国内DCS产品逐渐向国际水平发展,已具有自主知识产权,国产PLC 尚未形成产业化规模。国内工业自动化行业市场规模为:国内工业自动化控制设备在国际市场中占据较大份额,2016年国内市场规模已达1550亿元,预计2017年将达1593亿元,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。

  依据IHS市场调研数据,在08-09年金融危机后期通过产业调整与优化,国际范围内工业自动化已实现快速发展,近年来全球工业自动化行业营业收入,至2011年营收已达1,653亿美元,在之后的几年中,工业自动化增速有所减缓,且亚太地区仍占据着全球工业自动化行业的主导地位,引领自动化控制行业的稳定发展。

  伴随计算机网络通信技术、电工电子技术等的发展,工业自动化控制系统也在不断优化,更新换代,未来工业自动化控制系统将朝着现场总线控制系统方向发展,即FCS。FCS系统也称现场底层设备控制网络,是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。伴随FCS系统的设计研发及工程应用,不断地推动着工业控制系统的前进。在该系统的基础上,未来PLC发展的主流即为能遵循现场总线通信协议或能与其交换信息的可编程逻辑控制器。

  伴随网络技术的应用不断深入,管理系统与控制系统的集成已成为未来工业自动化控制系统的发展趋势,即管控一体化系统集成。通过大数据分析,为工业过程配套最优解决方案,促进工业化效率以及综合竞争能力,利用以太网以及Web技术实现的开放型分布式智能系统涵盖多系统、多技术的集成,系统集成中,包括现场总线控制系统FCS与DCS的集成、现场总线控制系统FCS、DCS与PLC的集成以及FCS的集成三方面;技术集成方面包括操作技术、通用数据交换技术等的集成。因此,未来工业自动化将朝着分布性、开放性程度不断提升以及信息化方向不断前进。

  伴随经济社会的不断发展,我国逐渐迈进了工业信息化以及科技化的崭新时代,在时代的发展潮流中,工业自动化是工业现代化实现的重要基础,也是工业现代化的重要核心以及标志。因此对于工业自动化的研究对于现阶段工业化的发展有着关键性意义。工业自动化是针对机械作业过程而提出的,涵盖了自动化控制、仪表、计算机网络通信等领域,指设备在没有人力的直接干预仍能高效完成机械作业,包括机械装置的操纵、信息化处理以及整体性智能化过程控制等方面。工业自动化装置具有自动化程度高、工作效率高、生产流程稳定、适合批量生产等优势,工业自动化程度的提升对于产业转型升级、工业结构的调整以及企业竞争力的提升有着十分重要的意义,特别是现阶段我国面临着供给侧结构改革,工业领域也逐渐朝人机互动、智能化方向发展,以提升工业企业全要素生产率。

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