★综合自动化技术的现状与发展趋势

★综合自动化技术的现状与发展趋势

综述综合自动化技术的现状与进展趋势

（中国计算机学会工控机专业委员会，北京100080）刘鑫

术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。目前，PLC需要解决的主要问题依旧是新技术的采纳、系统的开放性和价格降低。

经过多年的进展，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力量和名牌产品，其中还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，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，近年来每年大约新安装10万台套产品，年销售额约30亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要进一步加强。

一个或若干PLC通过网络与PC机相联构成系统，并将现场总线技术引入到PLC中是将来PLC进展的主要方向。采纳PC技术，通过网络构造SoftPLC系统也将得到很大的进展，应当引起各方面的足够重视。在PLC基础上，融合各种新技术产生的可编程自动掌握器（PCA）概念已经形成，它是PLC进展的新动向。

3嵌入式操作系统、组态软件和先进掌握软件

3.1嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（Real-TimeEmbeddedOperatingSystem，RTOS）是一种实时的、多任务的、支持嵌入式系统应用的软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面以及标准化扫瞄器等。目前，嵌入式操作系统的品种较多，其中较为流行的有微软的嵌入式WindowsCE，3的PalmOS，FSMlabs的RT-Linux，WindRiverSystems的VxWorks，IntegratedSystems的pSOS，AcceleratedTechnology的Nucleus+，LynxTeal-timeSystems的LynxOS，Microware的OS-9，QNXSoftwareSystemsLtd的QNX，中国单片机公共试验室引进的CMX和RTXC，以及源码公开的μC/OS-II等。国内产品主要有北京科银京城技术有限公司的DeltaOS和中科红旗软件公司的嵌入式红旗Linux操作系统等。

由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特别性，一般要求供应系统源码层次上的支持，而嵌入式Linux恰好适应了这一需求，所以，目前各种嵌入式Linux操作系统得到了快速进展。

伴随着通用型嵌入式实时操作系统的进展，一个以面对Internet网络的和特定应用的嵌入式操作系统正日益引起业界的关注，成为重要的进展方向之一。嵌入式系统与Internet的结合、嵌入式操作系统与应用设备的结合代表着嵌入式操作系统进展的将来。3.2工控组态软件

计算机技术的进展，使得设计更加完善的掌握系统，获得更便利、牢靠、快速的掌握成为可能。工程技术人员对传统仪表掌握方式很熟识，但往往缺乏专业的计算机学问，而专业的计算机技术人员又缺乏实际的掌握阅历。这样在计算机与掌握之间就存在着一个巨大的障碍，而监控组态软件则成为了逾越这一障碍的桥梁。监控组态软件包括系统组态、过程掌握组

态、画面组态、报表组态等。

目前，自动化软件的进展趋势主要有两个方面，一方面是向大型的平台软件进展，直接由组态软件进展成大型的CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，计算机集成制造系统）、ERP（EnterpriseResourcePlanning，企业资源方案）等系统软件；另一方面是向小型化进展，由通用的组态软件演化成嵌入式组态软件。相对而言，组态软件向嵌入式进展，可以使大量的工业掌握设备或生产设备具有更多的自动化功能，推动了国家工业自动化程度的快速提高，应当是国内组态软件进展的主要方向。目前在嵌入式组态软件研制方面，国内的昆仑通态公司处于领先水平。组态软件向大型平台软件进展，需要与现有的大型平台软件结合，实现工业掌握领域的相关数据和信息共享。在这方面，国内的用友、金碟和神州数码等厂商已经走在了前头。

目前，国内工控组态软件行业已经形成“百花齐放，百家争鸣”的局面，在组态软件研制方面也取得了较大进展，如把Excel的报表功能集成到组态软件中；推出了基于Web扫瞄器的组态软件；推出了基于WindowsCE的嵌入式组态软件；推出了基于WindowsCE的嵌入式人机界面（HMI）产品。据统计，在国内从事组态软件研发的厂家达几十家，从事组态软件研制的人员超过两千人，而且，这些厂家都在高速的进展，不断的扩大。

嵌入式HMI产品是组态软件向软件和硬件相结合的一体化方向进展的产物，已经被市场广为接受和接受。今日的HMI软件将传统的操作员界面、过程的可视性、数据的采集和报警以及基于实时生产数据的企业完整解决方案结合在一起。这些产品不只是作为人机界面，同时也成为实时信息自动化系统和任何需要实时信息的系统之间的纽带和桥梁。人机界面（HMI）市场，2024年市场总额为4.14亿美元，在2024年将接近5.9亿美元，在今后5年内的平均年增长率（CAGR）将达到7.3%。

组态软件行业下一步的主要工作，应当是在完善已有嵌入式组态软件的同时，尽快推出基于Linux的嵌入式组态软件，并投放嵌入式系统市场。3.3面对对象的OPC技术

1996年8月，工业界的闻名厂商Fisher-Rosemount，Intellution，RockwellSoftware，Opto22以及IntuitiveTechnology联合成立了OPC基金会。其目标是制订一套针对于掌握对象和设备的公共接口标准，即“软总线”，它可以让任何OPC客户机去恳求和猎取OPC服务器的数据。这里的OPC客户机和服务器可以是任何厂商的任何产品。目前，OPC基金会的成员已进展到了200多家。标准将程序界面的定义作为独立的部分，分布式的组件对象模型（D）允许通过网络调用对象。和D是OPC标准的技术基础。

OPC的主要技术优势是硬件驱动程序开发单一化，应用软件接口统一化，用户设备选型自主化，以及掌握系统组态化。OPC技术的主要应用方向是用于多种现场总线间的数据共享，用于DCS、PLC、FCS（FieldbusControlSystem，现场总线掌握系统）系统的集成。

3.4先进掌握软件技术

流程模型、先进掌握和过程优化技术的讨论与应用是流程工业过程的一个重要方面，它已成为提高企业的经济效益、降低生产成本，提高在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综合竞争力的主要技术手段之一。开发具有我国自主学问产权的流程模型、先进掌握和过程优化技术及其产品，不仅具有宽阔的市场前景和巨大的经济效益，而且可以打破国外产品在技术和市场上的垄断，对于我国流程工业信息技术的健康进展具有非常重要的意义。这项工作的大力开展，有可能最终形成我国自主的流程模拟和过程优化技术产业，成为流程工业新的经济增长点。

对经济效益与投资比例的讨论分析表明：用DCS改造常规仪表，投资大约占总投资的70％，取得的经济效益约占总效益的10％；利用DCS实现常规的简单掌握，得到的效益和投资大约各占总的10％；在DCS基础上实现先进掌握（APC），增加约10％的成本，可取得约40％的效益。在先进掌握的基础上，实现装置的实时优化功能，成本增加约10％，又可获得约40％的效益。因此，过程模型技术、先进掌握技术和优化技术，特殊是在线优化技术，是将来流程工业领域重点进展的技术。

4现场总线、DCS与FCS

我国从70年月中后期起，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。在引进、消化和汲取同时，开头研制国产化的DCS。经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其产品应用于大中小各类过程工业，其中和利时、浙大中控、上海新华、浙江威盛已具有相当规模。目前国外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2024年，我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS掌握；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，但必需进一步改善其功能，兼容各种新技术，降低价格、提高应用水平。

目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS共享。今后小型DCS可能首先与这3种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到进展。

到目前为止，DCS所存在的问题主要有三个方面的问题，即系统开放性问题，与现场传感器、变送器、执行器的接线问题，价格较高问题。这些问题在新一代DCS中已开头得到解决。将来，DCS的现场接线繁杂问题、DCS掌握站掌握比较集中问题、FCS与DCS掌握站的相互关系问题、智能掌握、先进掌握与优化如何在DCS、FCS中实现等问题，都需要在技术创新和实践中逐步得到解决。

计算机掌握系统的进展在经受了基地式气动仪表掌握系统、电动单元组合式模拟仪表掌握系统、集中式数字掌握系统以及集散掌握系统（DCS）后，将朝着现场总线掌握系统（FCS）的方向进展。虽然以现场总线为基础的FCS进展很快，但FCS进展还有许多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统掌握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本身也在不断的进展与完善。可以确定的是，结合DCS、工业以太网、先进掌握等新技术的FCS将具有强大的生命力。

近几年，现场总线进展快速，处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出40多种现场总线，较流行的有5种，分别是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。今后在相当长一段时间内多种现场总线将并存，掌握网络的系统集成与信息集成会面临简单的局面。

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进展中新的亮点。其关注的焦点主要集中在两个方面：

(1)能否消失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。

5仪器与测控

经过五十年的进展，我国仪器仪表工业已有相当基础，初步形成了门类比较齐全的生产、科研、营销体系。由于仪表产品技术更新速度快、涉及高新技术多，我国仪表产品的品种、质量、技术水平都远远适应不了经济进展的需求，在国内外市场缺乏竞争力，很多企业，特殊是重点国有大中型企业处于比较困难的境地。

目前，仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向进展，产品性能向高精度、高牢靠性、高环境适应性方向进展。“十五”期间，基于现场总线技术的智能仪表及主控系统进展的主要内容有：

(1)研制基于现场总线技术的数字化的智能仪表，典型产品为智能变送器、智能阀门定位器、智能执行器等。

(2)智能仪表及精密科学测试仪器配套所需的新型传感器。

(3)基于现场总线技术的掌握网络软、硬件研制，实现系统的数字化、全开放、可互操作。

(4)网络集成技术的研制，数据网络和掌握网络相结合，实现远程掌握。

(5)改造和进展融入现场总线技术的DCS、PLC产品。

(6)研制和进展特种介质、恶劣环境、特别规格、行业专用等特种检测仪表。

网络化的虚拟仪器系统近几年进展快速。计算机网络技术与虚拟仪器技术的进展与结合，进一步拓宽了虚拟仪器的应用，使虚拟仪器在测试自动化、远程教学等方面得以进展和应用。

测控技术在当前信息技术突飞猛进的时代已成为主攻的关键技术之一，消失了微小化、集成化、智能化、网络化的基

于计算机的新型测控系统。

6数控系统

近10年来，随着计算机技术的飞速进展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，进展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型：

(1)传统数控系统；

(2)“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统；(3)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统；(4)SOFT型开放式数控系统。

我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八

五”

到现在“九五”的近20年的进展，基本上把握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培育了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业，也带动了机电掌握与传动掌握技术的进展。同时，具有中国特色的经济型数控系统经过这些年来的进展，产品的性能和牢靠性有了较大的提高，渐渐被用户认可。如上海开通数控有限公司的KT系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统等。这些产品的共同特点是数控功能较齐全、价格低、牢靠性较好。中国若大的经济型数控机床市场，吸引了众多国外厂商。近几年，Siemens公司推出802S数控系统，大连大森公司用OEM方式引进了日本OHM公司的ONC2102数控系统。尽管这些系统的技术性能一般，但由于其产品质量牢靠加上品牌和浩大的宣扬销售网络，打开了销路，赢得了市场。

由于开放式数控系统是当今数控技术进展的趋势，研制具有自主学问产权的开放式数控系统应当是今后的工作重点。

7管控一体化

随着Internet技术深化到企业管理和掌握过程之中，掌握系统与管理系统的结合成为必定，这使得工业自动化领域渴望已久的管控一体化、工业企业信息化、基于网络自动化的目标成为可能。管控一体化系统集成技术和系统可以使企业获得真正符合新经济时代的最佳解决方案，从而提高企业的生产效率，增加市场竞争力量。

实践证明，自动化技术特殊是与计算机及网络系统相结合，在产品的质量提高、增产挖潜、确保平安生产、改善和加强企业管理水公平方面都取得明显的经济效益，这也说明白管控一体化建设的重要性。完成了工业现场的从设备采集、工作站数据处理和掌握、到上位机网络管理和Web扫瞄的全部功能，是企业实现管控一体化的抱负选择。

在管控一体化结构中，一般包含数据采集、实时数据库建立、关系数据库的建立和一套先进的管控一体化软件等几个部分，而其中管控一体化软件是最主要的环节。建设数据库，通过管控一体化软件实现科学管理是今后流程型企业实施管

控一体化的必定道路，符合国际上的进展趋势，具有技术的前瞻性。

总之，自动化技术已经进入了一个新时代，其进展方向

主要是基于以太网和Web技术构造开放型分布式智能系统；基于以太网和TCP/IP协议的技术标准供应模块化、分布式、可重用的自动化方案。总的趋势是进展基于网络的工程化工业掌握与管理软件。

8机器人

随着世界机器人技术的进展和市场的形成，我国在机器人科学讨论、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。中国工业机器人讨论开头于70年月，但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种缘由，未能形成真正的产品。80年月中期，在国家科技攻关项目的支持下，中国工业机器人的讨论开发进入了一个新阶段，形成了中国工业机器人进展的一次高潮。

从80年月末到90年月，国家863方案把机器人列为自动化领域的重要讨论课题，系统地开展了