電氣自動化工控系統應用與發展探究

李 炳

（北京市工業技師學院,100023）

1 工業電氣自動化的特點

1.1 技術含量高

電氣自動化技術應用普遍，具有很強的實用價值，絕大部分工業生產部門都會或多或少與電氣自動化技術有聯系，再者，由于技術含量高，電氣自動化系統兼顧軟件和硬件設計，同時還要“對癥下藥”，根據不同行業的需求和特點量體裁衣，制定針對性較好的方案，這要求設計人員具備很寬廣的知識面。

1.2 高度依賴電子技術

現代電子科學技術日新月異，電氣自動控制系統的各大組成部分，諸如信號采集器、信號處理運算器、執行機構、傳感器，都與電子技術有著緊密聯系。沒有電子技術的進步，電氣自動化技術的革新也就成了空談。

2 我國工業電氣自動化的現狀

2.1 工業電氣自動化在我國的應用現狀

毋庸置疑的是，中國已躍居全球第一大電子制造基地。在新的發展機遇下，技術突飛猛進，運營成本壓力尤其是勞務成本的擴張，是企業面臨的一大挑戰，這也使得工業電氣自動化解決方案在電子產業鏈中的地位與日俱增。同時，中國正處于新一輪經濟轉型期，產業結構優化、經濟發展模式轉變、工業增長轉向技術密集型，工業化和信息化高度融合，新興產業如雨后春筍般成長，傳統產業仍保持旺盛活力。隨著“Made in China”走向全球，前所未有的激烈市場競爭迫使企業要盡快提高技術水平，這也推進了工業電氣自動化技術在中國的深入發展。我國的電氣自動化發展模式仍以引進消化吸收再創新為主，在購入成套設備的基礎上，進行二次開發改進。我國工控計算機系統行業已日趨成熟，工業自動化技術正朝著智能化、集成化、網絡信息化大步邁進。

2.2 我國工業自動化存在的問題

（1）工業自主創新能力一般，自主知識產權分量不夠。我國自主研發的高端工業自動化產品極少，在市場上屬于弱勢地位，市場占有率很低。尤其是關鍵零部件制造，例如專用控制單元，幾乎完全依賴進口。

（2）自動化產品性能和穩定性與發達國家相比差距明顯，不適用于大型精細化工程。無論是穩定性、可靠性和適應性，還是智能性和數字化程度，都凸顯出各種短板，這導致在重大工程裝備上，我國的自動化產品幾乎沒有用武之地。

（3）控制系統呈現“中間大，兩頭小”的局面。國產自動化系統中的主控部分，研發力量雄厚，有強有力的資金支持，也取得了豐碩的研究成果。但是，控制系統的兩端，變送器和執行器，長期以來未得到足夠重視，產品質量一般，我國自行研發的智能變送器市場占有率只有國外的十分之一，智能執行器幾乎沒占有率。高質量產品具備微型化、數字智能化、集成控制化等特色，并向著高精度、高穩定性、遠程監控一體化、低功耗的方向發展。我國的執行器和變送器距離此目標還有非常巨大的差距。

3 工業控制計算機發展策略與前景展望

工控計算機應用范圍迅速拓展，以往的工控機多用于過程控制，例如電力、煤炭、化工、石油加工的連續化和工藝流程化自動控制；制造自動化，機械設計加工、電子器件生產、汽車工業等離散加工；單機智能化，例如CNC數控機床、傳感器、步進電機、數字化家用電器、高端醫用器械等。今后，工控機將會在更多領域大放異彩，包括環保節能、道路交通、自動化樓宇、農業生產等。

3.1 集散控制系統

以現場總線為基礎的FCS發展迅速，并且已經在很多方面代替了DCS，但FCS系統架構相對麻煩，標準統一、儀表自動化等工作量繁重。傳統控制系統的維護改造仍舊離不開DCS，FCS想要完全取代DCS尚需時日。縱觀當今的工控計算機應用，仍以分散對象、大規模系統、連續生產過程為主，基于分散控制模型的分布式系統結構還處于發展期。得益于集成技術進步和開放結構革新，大型分散控制系統市場份額逐年增加。目前DCS年銷售額逾百億元。主要DCS廠商有：YOKOGAWA、山武霍納威爾、AB、EuRo、Westing、西屋電子等。DCS是工控機中受計算機技術影響最大的一種。今后的發展趨勢主要包含以下幾點：

（1）向綜合方向不斷挺進。標準化數據通信鏈路和計算網絡的普及，將各種回路調節器、可編程控制器、工業PC、NC等連為一體，構成一個大系統，滿足工廠各類復雜需求，開放程度日益提高。

（2）向智能化方向發展。數據庫技術、存儲技術的發展，也別是專家診斷技術和知識庫的應用，建立了諸如自學習控制、遠程狀態監測和故障診斷、自行尋優等多種先進模式，促進了DCS在各級的實現。類似于FF現場總線，智能輸入輸出設備的PID控制、智能變送器和執行器、多功能人機接口、可編程控制器逐漸嶄露頭角。

3.2 數控裝置

為了適應CAM、CIMS、FMC的發展，大規模集成電路在數控裝置中得到廣泛應用，改善了數控裝置功能，提高了設備運行效率，也增強了機組柔性。

（1）PC化：隨著大規模集成制造技術的進步，PC硬件在功能增強的基礎上體積反而越來越小，CPU運行速度逐漸加快，存儲量也呈幾何倍增長。PC機的量產化，壓低了成本，提高了可靠性。PC機開放性好，在Windows平臺上，更多技術人員可以進行二次技術開發，極大豐富了PC機軟件。PC機功能日益增強，各類CAD/CAM軟件層出不窮，諸如UG、Pro/E、AutoCAD等軟件已在工業領域得到了重要應用、PC機成為開發CNC系統的重要元素。

（2）交流伺服化

交流伺服系統的精度高、穩態性能優良，恒功率范圍已經做到1:4，調速范圍可達到1:2000，已經可以與直流伺服相媲美，而且交流伺服系統體積小、成本低，應用難度比直流系統要小得多。

（3）高功能數控系統綜合性能日益增強。為適應FMS、無人工廠的發展需求，并早日實現與機器人、自動化車輛、智能診斷系統的對接；發展管控一體化集成系統，已成為國際數控系統的大勢所趨。

（4）便捷化。簡化人機接口，采用更為易讀的編程語言，操作面板使用貼近感性思維的符號鍵，盡量實現對話方式等，已經得到了設計方的重視，人機交互性也是衡量工控系統性能的一個重要方面。

3.3 PLC

目前，PLC廠家在全球范圍內約有兩百多家，逾四百個品種。在汽車加工、糧食加工、化工制藥、礦山冶煉中都有大量應用。其主要發展趨勢為：

（1）加大模擬量處理靈活度，高速、多功能、大容量，與DCS形成競爭格局。

（2）PLC實現網絡通信是重要發展方向，目前已經實現了網絡以太化。網絡通信技術能夠將PLC的優勢擴展到更為廣闊的范圍。

（3）編程語言豐富。梯形圖、順序功能圖、功能塊圖、結構文本、指令表是常用的五種PLC編程語言，這其中尤以梯形圖使用最廣泛。為適應不同地區國家的使用習慣，同一個PLC程序可以借用多種編程語言。

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