對"十一五"我國自動化技術發展的思考

中國的自動化技術在“十五”期間取得了長足的進展。那么在“十一五”期間，我國的自動化技術將如何發展，是當前從事自動化科研、教學、研發與生產的人們或企業都在思考的重大問題，也是想進入中國大陸市場的國外廠商在思考的重大問題。
1 . 從“需求牽引”看“十一五”我國自動化技術發展的機遇
目前，全國都在認真學習與貫徹“中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十一個五年規劃的建議”（以下簡稱“建議”），并努力從中尋求各行各業在“繼往開來的十一五”期間的工作重點和發展方向。
“十一五”時期能否繼續實現又快又好的發展，為下一個十年發展打下堅實基礎，對于能否實現十六大提出的國內生產總值到2020年比2000年翻兩番、全面建設小康社會的宏偉目標，具有決定性的意義。
面對這樣的戰略機遇期，耽誤不得；處于發展關鍵期，失誤不起。十六屆五中全會在深入分析今后一個時期我國經濟社會發展面臨的國際國內形勢后，突出強調我們正“站在一個新的歷史起點上”，“十一五”時期具有“承前啟后的重要歷史地位”。“關鍵時期的一次關鍵會議”—這是國內外廣大輿論界對于第十六屆五中全會的基本定位。對于關心我國工業自動化領域未來發展的人們來說，為了正確應對未來的機遇與挑戰，必須要正確理解“建議”的實質。
1.1 怎樣理解“十一五”經濟社會發展目標
“建議”提出的“‘十一五’發展目標的總要求”是：“實現國民經濟持續快速協調健康發展和社會全面進步，取得全面建設小康社會的重要階段性進展”！
“十一五”時期經濟社會發展的目標可以從兩個方面來理解：一是實現國民經濟持續快速協調健康發展；二是社會全面進步。
(1) 為實現國民經濟持續快速協調健康發展，“建議”要求：“在優化結構、提高效益和降低消耗的基礎上，實現2010年人均國內生產總值比2000年翻一番；資源利用效率顯著提高，單位國內生產總值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右，生態環境惡化趨勢基本遏制，耕地減少過多狀況得到有效控制；形成一批擁有自主知識產權和知名品牌、國際競爭力較強的優勢企業；社會主義市場經濟體制比較完善，開放型經濟達到新水平，國際收支基本平衡”。
在上述目標中，實現人均國內生產總值翻一番和單位國內生產總值能源消耗降低約20%這兩個具體數字指標，是一個嶄新的提法。“建議”根據“十五”時期經濟發展的實際情況，與時俱進地調整修訂了黨的十五大、十六大已經確定的目標，提出實現2010年人均國內生產總值比2000年翻一番的目標。考慮到人口增長的因素，“人均目標”比“總量目標”的要求更高。從GDP總量翻番改為人均翻番，意味著我國經濟增長潛力的不斷增強。
“建議”要求，“十一五”期末單位國內生產總值能源消耗比“十五”期末降低20%左右的目標是針對資源環境約束日益加重的問題而提出的，突出體現了建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展的要求，這樣才能有效化解人口資源環境與經濟發展之間的尖銳矛盾。
(2) “建議”提出的“十一五”規劃目標是全面體現了科學發展觀和構建社會主義和諧社會兩大戰略思想，突出了“立足科學發展，著力自主創新，完善體制機制，促進社會和諧”的總要求。
為實現社會全面進步，“建議”針對我國當前社會發展中存在的突出問題：教育問題、公共服務問題、社會保障體系問題、城鄉居民收入水平和生活質量問題、社會治安和安全生產等一系列問題，提出了應對舉措。“建議”把人民群眾的根本利益作為出發點和歸宿，著力體現“以人為本”的精神境界，著重就民主法制、精神文明、社會保障、社會治安和安全生產提出了目標要求。
1.2 怎樣理解“十一五”時期的主要任務
“建議”明確提出了今后五年我國經濟社會發展和改革開放的主要任務，并指明了奮斗目標和前進航向。具體如下：
(1) 著力破解“三農”重大難題
“三農”問題始終是制約我國經濟社會發展的根本性問題。我國能否實現全面建設小康社會的宏偉目標，關鍵和難點不在于城市和城市居民，而在于農村和農村居民。“三農”問題難在眾多的、而且不斷增長的農村人口與有限的農業生產資源的尖銳矛盾。因此，國家發改委提出，必須要有新的思想和思路，即：如何通過統籌城鄉發展來破解“三農”問題；如何通過工業反哺農業、城市支持農村來破解“三農”問題；如何通過明顯改善農村的整體面貌來破解“三農”問題；如何通過擴大公共服務覆蓋農村的范圍來破解“三農”問題。
(2) 增強中國企業自主創新能力
產業結構不合理是我國經濟增長中資源消耗多、環境污染重、整體素質不高和運行不穩定的重要原因。產業結構不合理的主要表現是：從三次產業看，農業基礎薄弱，工業大而不強，服務業發展滯后。產業結構不合理的重要原因是缺乏核心技術、缺乏自主知識產權、缺乏世界知名品牌，這三個“缺乏”集中起來就是自主創新能力不強。所以，“建議”把增強自主創新能力作為國家戰略，擺在了經濟社會發展的重要位置。為此，國家有關部門希望：一是要充分認識增強自主創新能力的必要性；二是要充分認識增強自主創新能力的緊迫性；三是要全面把握增強自主創新能力的內涵；四是要加快營造有利于自主創新的良好環境。
(3) 按照定位促進區域協調發展
“建議”完整地闡明了推進區域協調發展的總體戰略布局，這就是推進西部大開發、振興東北地區等老工業基地、促進中部崛起、鼓勵東部地區率先發展。“建議”提出要通過健全市場機制、合作機制、互助機制和扶持機制等四大機制形成東中西互動、優勢互補、相互促進、共同發展的新格局。“建議”中充分體現了以人為本謀發展、突破行政區謀發展、尊重自然規律謀發展的理念。
(4) 大力建設資源節約型的社會
“建議”從資源環境狀況與經濟發展的矛盾已經上升到現階段我國現代化建設主要矛盾之一出發，提出了建設資源節約型和環境友好型社會的任務。
我國資源相對不足，維系人們基本生存的水和耕地資源人均占有量很低，許多礦產資源人均占有量不足世界人均水平的一半，且資源的地域分布不均衡。同時，我國目前粗放型的增長方式又進一步加劇了資源不足的矛盾。資源瓶頸約束若得不到有效緩解，我國經濟發展將難以持續。
為此，“建議”提出大力發展循環經濟是建設節約型社會和環境友好型社會的重要途徑。循環經濟是一種以資源的循環利用為核心，以“減量化、再利用、資源化”為原則，以低消耗、低排放、高效率為基本特征，符合可持續發展理念的經濟增長模式，是對“大量生產、大量消費、大量廢棄”的傳統增長模式的根本變革。發展循環經濟符合科學發展觀的要求，是緩解我國資源約束矛盾的重大舉措，是減輕環境污染的有效途徑，也是應對貿易保護主義的迫切需要。“建議”還提出，要深化體制改革和提高對外開放水平，深入實施科教興國戰略和人才強國戰略，這既是“十一五”時期的重大戰略任務，也是完成戰略任務的重要保障。
從上所述可知，只有從“需求牽引”的戰略發展的高度，才能比較透徹地理解撌晃鍞時期的主要任務。才能選準我國自動化技術與產業的發展方向。
2 從“技術推動”看“十一五”我國自動化技術發展的機遇
國外許多著名的工業自動化廠商都紛紛瞄準了“十一五”我國經濟社會發展和改革開放的主要任務，特別是針對著節能、環保、安全與“以人為本”的理念研發或推銷其新產品與新技術，目的在于搶占未來的中國市場。下面僅舉一些重要的方面，加以概述：
2.1 儀器儀表將向“高檔、節約、環保、安全”的理念方向發展
隨著國際上數字化、智能化、網絡化、微型化、虛擬化的產品正在逐漸成為主流，我國的儀器儀表與先進國家的儀器儀表之間的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。我國儀器儀表行業產品大多屬于中低檔水平，我國自動化儀器儀表需要積極采用高新技術，努力向“高檔、節約、環保、安全”的方向發展。
此外，儀器虛擬化正在迅速發展。它正在取代測量技術傳統領域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性與經濟性，因而特別適應于當代科學技術迅速發展和科學研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求，它將會在科學技術的各個領域得到廣泛應用。
需要強調的是：人們看到控制系統與儀器中實現功能安全正在成為熱點！在一些論壇或展覽會上，一個引人注目的亮點是，各大公司如ABB、FOXBORO、SIEMENS、橫河電機等，紛紛展出其應對IEC61508（功能安全的基本標準）和IEC61511（過程的功能安全標準）的功能安全產品和實現辦法及措施。典型案例如下：
案例一：ABB的Industrial IT 800xA廣義自動化系統體現了ABB在油氣/石化/化工和發電行業從事安全系統的設計、實現和維護的經驗，可在IEC 61508/61511安全生命周期的各個階段，在風險分析、安全規劃及系統設計、運行以及維護等方面隨時提供支持。800xA系統提供了一整套安全儀表系統（SIS）的解決方案，符合IEC 61508/61511 標準，其針對的范圍不僅限于解決保證安全的邏輯和順序問題，而且還包括整個安全回路，覆蓋現場儀表、集中控制器和I/O模塊，以及現場執行器。
案例二：橫河電機的安全儀表系統ProSafe-RS實際上是一種運行在該公司主推的DCS系統Centum CS 3000系統平臺上的軟件系統，再加上專用的具有豐富的自診斷功能和高可靠性的CPU和I/O模塊，即使選擇非冗余配置，也達到了SIL3。據稱，ProSafe-RS 是世界上首套符合IEC 61511功能安全標準，并已取得了安全認證（TUV、SIL3）的安全儀表系統，具有安全聯鎖保護功能、緊急停車ESD功能與DCS控制功能無縫集成，便于操作人員全面掌握DCS和SIS的信息。
案例三：SIEMENS在實現現場總線的功能安全方面，起著引領作用。PROFIsafe既可用在過程安全方面，又可用在機械安全方面的。PROFIsafe甚至還考慮了用于驅動和傳動方面的功能安全。作為安全行規PROFIsafe還適用于PROFINET工業以太網。
2.2 以工業PC為基礎的低成本工業控制自動化仍將成為主流
工業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。今后，在我國，中小型企業以及準大型企業走的仍然會是低成本工業控制自動化的道路。
近年來，工業PC在我國得到了異常迅速的發展。從世界范圍來看，工業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PC的運行穩定性、熱插拔和冗余配置要求很高，現有的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。
2.3 DCS系統將朝面向測-控-管一體化設計方向發展
小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發展的主要方向。目前小型DCS所占有的市場，已逐步與PLC、工業PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先與這三種系統融合，而且"軟DCS"技術首先在小型DCS中得到發展。PC-based控制將更加廣泛地應用于中小規模的過程控制，各DCS廠商也將紛紛推出基于工業PC的小型DCS系統。開放性的DCS系統將同時向上和向下雙向延伸，使來自生產過程的現場數據在整個企業內部自由流動，實現信息技術與控制技術的無縫連接，向測控管一體化方向發展。
2.4 PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展
PLC作為現代工業控制的三大支柱之一，是隨著工廠自動化控制的發展而發展起來的。由于最初采用計算機的設計思想和適應各種現場應用的設計思路，因此隨著電子事業的飛速發展，PLC已超越了傳統邏輯控制的意義。
微型化、網絡化、PC化和開放性將是PLC未來發展的主要方向。在基于PLC自動化的早期，PLC體積大而且價格昂貴。但近幾年來，微型PLC（小于32 I/O）已經出現，價格只有幾百歐元。隨著軟PLC（Soft PLC）控制組態軟件的進一步完善和發展，安裝有軟PLC組態軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。
當前，PLC為適應市場需求，正在加強信息處理能力；執行多任務和程序互換；實現小型化、高速化，以及將信息技術滲入PLC；硬件上講是采用多CPU模塊的新型結構，實現小型化、高速化、提高I/O模塊響應速度等；軟件上講則是采用與國際標準IEC?1131-3、通過軟件提升PLC專用操作系統的水平等方向發展。而在應用方面的變化則是從傳統的應用離散制造業向應用到連續的流程工業擴展，以數據引擎為核心的控制組態軟件系統采用—高瑞PLC為硬件平臺替代DCS系統、PLC維護管理與維護自動化等。
在所有過程控制領域，最大的發展趨勢之一就是以太網技術的擴展。PLC也不例外，現在越來越多的PLC供應商開始提供以太網接口部件。在最近的幾年間，發展比現有普通小型、快速、靈活的PLC更加強大的PLC已成為一種趨勢。
2.5 向智能化、網絡化、信息化、開放性發展的數控技術
國外數控系統技術發展的總體發展趨勢將會是：(1) 新一代數控系統向PC化和開放式體系結構方向發展；(2)驅動裝置向交流、數字化方向發展；(3) 通信功能向網絡化發展；(4) 系統控制性能向智能化發展。
智能化、網絡化、信息化、開放性成為未來數控系統和數控機床發展的主要趨勢：(1) 向高速、高效、高精度、高可靠性方向發展；(2) 向模塊化、智能化、柔性化、網絡化和集成化方向發展；(3) 向PC-based化和開放性方向發展；(4) 機械加工向虛擬制造的方向發展；(5) 信息技術（IT）與機床的結合，機電一體化先進機床將得到發展；(6) 納米技術將形成新發展潮流，并帶來數控系統和數控機床新的突破；(7) 節能環保機床將會加速發展；(8) 安全可靠的數控機床將得到用戶的青睞。
2.6 工業以太網將與現場總線相結合共同發展
與專門為工業控制而開發的現場總線相比較，工業以太網技術具有一系列的優點，具體表現在：以太網技術應用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與Internet連接，實現辦公自動化網絡與工業網絡的無縫連接；可持續發展的空間大等。
雖然工業以太網具有如此多的優點，但其技術要得到真正的應用，還需要解決以下關鍵技術問題：
(1) 通信的確定性：隨著快速以太網與交換式以太網的發展，為解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，并使這一應用成為可能。
(2) 工業以太網的可靠性和安全性：隨著網絡技術的發展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業應用領域和極端條件下網絡也能穩定工作的問題，美國Synergetic微系統公司和德國Hirschmann、PHOENIX CONTACT、Jetter AG等公司專門開發和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并配有冗余供電，接插件采用牢固的DB-9結構，而在IEEE802.3af標準中，對于Ethernet的總線供電規范也進行了定義。此外，在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以提高網絡的抗干擾能力和可靠性。另外，工業以太網實現了與Internet的無縫集成，實現了工廠信息的垂直集成，但同時也帶來了一系列的網絡安全問題，包括病毒、黑客的非法入侵與非法操作等網絡安全威脅問題。對此，一般可采用網關或防火墻等方法，將內部控制網絡與外部信息網絡相隔離。另外，還可以通過權限控制、數據加密等多種安全機制來加強網絡的安全管理。
目前，一些組織按照工業控制要求，開發了適當的應用層協議，使以太網和TCP/IP技術延伸至現場層，目前典型的工業以太網有：Ethernet/IP、HSE、Profinet、Modbus-IDA等。工業以太網技術是當前控制領域中的研究熱點，多家自動化公司已推出了自己的工業以太網解決方案。通過上述對典型的工業以太網的分析，不難發現，每一種工業以太網都必須有其互補的現場總線，如Ethernet/IP與DeviceNet和ControNet 互補；FF HSE與FF HI互補；Modbus-IDA 與 Modbus 互補；Profnet 與Profbus互補，可以斷定，在最近一段時間內，工業以太網的發展是與現場總線相結合的。
2.7 網絡化控制系統的興起
網絡化控制系統（Networked Control System, NCS），是網絡通訊技術、自動控制理論和計算機技術等多種技術融合的產物。NCS的興起是由于大量實際工程問題和軍事問題的出現，對研究網絡化控制系統提出了新的需求，如半導體和集成電路生產線的生產控制和調度；石油化工、冶金等連續流程工業的生產控制和調度；區域性供電網的遠程調度和監控；大城市交通系統的實時指揮和監控；現代飛機、高速列車、汽車以及巡航導彈中基于計算機和其它復雜信息處理裝置的決策控制操作和高精度實時控制等等對NCS的研究必然是一種跨學科的研究，從目前的研究成果來看，對網絡化控制系統的研究主要是從以下兩個不同的領域展開的：從網絡通訊技術領域對NCS的研究；從自動控制領域對NCS的研究。由此可見，NCS的開發與研究將會產生許多新的產品與新式系統。
2.8 工業控制軟件正向先進控制方向發展
應用先進控制技術是提高經濟效益的重要手段。先進控制技術包括的內容和算法有：過程變量的采集與處理；過程模型的辨識；軟測量技術；先進控制策略（預測控制和內模控制等）；故障檢測、預報、診斷與處理；產品化的軟件與技術服務。先進的控制方法特別是預估控制技術、組分推斷控制、模糊控制、神經網絡技術、自適應控制、故障診斷等已實用化并取得較好效果。目前，先進控制技術正在向軟化、智能、預測、模糊與增強魯棒性等方向進展。
綜上所述，在從戰略層次分析了“十一五”期間的“需求牽引，技術推動”之后，中國的自動化科技界與工業自動化企業更應當在“十五”期間已取得的良好業績的基礎上，在“十一五”期間取得更加輝煌的成績，為此，要徹底改變以“資源消耗”為代價的低端自動化技術與產品為主的現象，努力發展具有自主知識產權的中國的高端自動化技術與產品，同時向國民經濟與社會生活的各個領域擴展自動化技術的應用，并力求有一些中國的工業自動化領域中的明星企業，能夠躋身于世界名牌企業之列。為國人爭光！
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