对"十一五"我国自动化技术发展的思考

中国的自动化技术在“十五”期间取得了长足的进展。那么在“十一五”期间，我国的自动化技术将如何发展，是当前从事自动化科研、教学、研发与生产的人们或企业都在思考的重大问题，也是想进入中国大陆市场的国外厂商在思考的重大问题。
1 . 从“需求牵引”看“十一五”我国自动化技术发展的机遇
目前，全国都在认真学习与贯彻“中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议”（以下简称“建议”），并努力从中寻求各行各业在“继往开来的十一五”期间的工作重点和发展方向。
“十一五”时期能否继续实现又快又好的发展，为下一个十年发展打下坚实基础，对于能否实现十六大提出的国内生产总值到2020年比2000年翻两番、全面建设小康社会的宏伟目标，具有决定性的意义。
面对这样的战略机遇期，耽误不得；处于发展关键期，失误不起。十六届五中全会在深入分析今后一个时期我国经济社会发展面临的国际国内形势后，突出强调我们正“站在一个新的历史起点上”，“十一五”时期具有“承前启后的重要历史地位”。“关键时期的一次关键会议”—这是国内外广大舆论界对于第十六届五中全会的基本定位。对于关心我国工业自动化领域未来发展的人们来说，为了正确应对未来的机遇与挑战，必须要正确理解“建议”的实质。
1.1 怎样理解“十一五”经济社会发展目标
“建议”提出的“‘十一五’发展目标的总要求”是：“实现国民经济持续快速协调健康发展和社会全面进步，取得全面建设小康社会的重要阶段性进展”！
“十一五”时期经济社会发展的目标可以从两个方面来理解：一是实现国民经济持续快速协调健康发展；二是社会全面进步。
(1) 为实现国民经济持续快速协调健康发展，“建议”要求：“在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上，实现2010年人均国内生产总值比2000年翻一番；资源利用效率显着提高，单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右，生态环境恶化趋势基本遏制，耕地减少过多状况得到有效控制；形成一批拥有自主知识产权和知名品牌、国际竞争力较强的优势企业；社会主义市场经济体制比较完善，开放型经济达到新水平，国际收支基本平衡”。
在上述目标中，实现人均国内生产总值翻一番和单位国内生产总值能源消耗降低约20%这两个具体数字指标，是一个崭新的提法。“建议”根据“十五”时期经济发展的实际情况，与时俱进地调整修订了党的十五大、十六大已经确定的目标，提出实现2010年人均国内生产总值比2000年翻一番的目标。考虑到人口增长的因素，“人均目标”比“总量目标”的要求更高。从GDP总量翻番改为人均翻番，意味着我国经济增长潜力的不断增强。
“建议”要求，“十一五”期末单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20%左右的目标是针对资源环境约束日益加重的问题而提出的，突出体现了建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的要求，这样才能有效化解人口资源环境与经济发展之间的尖锐矛盾。
(2) “建议”提出的“十一五”规划目标是全面体现了科学发展观和构建社会主义和谐社会两大战略思想，突出了“立足科学发展，着力自主创新，完善体制机制，促进社会和谐”的总要求。
为实现社会全面进步，“建议”针对我国当前社会发展中存在的突出问题：教育问题、公共服务问题、社会保障体系问题、城乡居民收入水平和生活质量问题、社会治安和安全生产等一系列问题，提出了应对举措。“建议”把人民群众的根本利益作为出发点和归宿，着力体现“以人为本”的精神境界，着重就民主法制、精神文明、社会保障、社会治安和安全生产提出了目标要求。
1.2 怎样理解“十一五”时期的主要任务
“建议”明确提出了今后五年我国经济社会发展和改革开放的主要任务，并指明了奋斗目标和前进航向。具体如下：
(1) 着力破解“三农”重大难题
“三农”问题始终是制约我国经济社会发展的根本性问题。我国能否实现全面建设小康社会的宏伟目标，关键和难点不在于城市和城市居民，而在于农村和农村居民。“三农”问题难在众多的、而且不断增长的农村人口与有限的农业生产资源的尖锐矛盾。因此，国家发改委提出，必须要有新的思想和思路，即：如何通过统筹城乡发展来破解“三农”问题；如何通过工业反哺农业、城市支持农村来破解“三农”问题；如何通过明显改善农村的整体面貌来破解“三农”问题；如何通过扩大公共服务覆盖农村的范围来破解“三农”问题。
(2) 增强中国企业自主创新能力
产业结构不合理是我国经济增长中资源消耗多、环境污染重、整体素质不高和运行不稳定的重要原因。产业结构不合理的主要表现是：从三次产业看，农业基础薄弱，工业大而不强，服务业发展滞后。产业结构不合理的重要原因是缺乏核心技术、缺乏自主知识产权、缺乏世界知名品牌，这三个“缺乏”集中起来就是自主创新能力不强。所以，“建议”把增强自主创新能力作为国家战略，摆在了经济社会发展的重要位置。为此，国家有关部门希望：一是要充分认识增强自主创新能力的必要性；二是要充分认识增强自主创新能力的紧迫性；三是要全面把握增强自主创新能力的内涵；四是要加快营造有利于自主创新的良好环境。
(3) 按照定位促进区域协调发展
“建议”完整地阐明了推进区域协调发展的总体战略布局，这就是推进西部大开发、振兴东北地区等老工业基地、促进中部崛起、鼓励东部地区率先发展。“建议”提出要通过健全市场机制、合作机制、互助机制和扶持机制等四大机制形成东中西互动、优势互补、相互促进、共同发展的新格局。“建议”中充分体现了以人为本谋发展、突破行政区谋发展、尊重自然规律谋发展的理念。
(4) 大力建设资源节约型的社会
“建议”从资源环境状况与经济发展的矛盾已经上升到现阶段我国现代化建设主要矛盾之一出发，提出了建设资源节约型和环境友好型社会的任务。
我国资源相对不足，维系人们基本生存的水和耕地资源人均占有量很低，许多矿产资源人均占有量不足世界人均水平的一半，且资源的地域分布不均衡。同时，我国目前粗放型的增长方式又进一步加剧了资源不足的矛盾。资源瓶颈约束若得不到有效缓解，我国经济发展将难以持续。
为此，“建议”提出大力发展循环经济是建设节约型社会和环境友好型社会的重要途径。循环经济是一种以资源的循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源化”为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征，符合可持续发展理念的经济增长模式，是对“大量生产、大量消费、大量废弃”的传统增长模式的根本变革。发展循环经济符合科学发展观的要求，是缓解我国资源约束矛盾的重大举措，是减轻环境污染的有效途径，也是应对贸易保护主义的迫切需要。“建议”还提出，要深化体制改革和提高对外开放水平，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，这既是“十一五”时期的重大战略任务，也是完成战略任务的重要保障。
从上所述可知，只有从“需求牵引”的战略发展的高度，才能比较透彻地理解撌晃鍞时期的主要任务。才能选准我国自动化技术与产业的发展方向。
2 从“技术推动”看“十一五”我国自动化技术发展的机遇
国外许多著名的工业自动化厂商都纷纷瞄准了“十一五”我国经济社会发展和改革开放的主要任务，特别是针对着节能、环保、安全与“以人为本”的理念研发或推销其新产品与新技术，目的在于抢占未来的中国市场。下面仅举一些重要的方面，加以概述：
2.1 仪器仪表将向“高档、节约、环保、安全”的理念方向发展
随着国际上数字化、智能化、网络化、微型化、虚拟化的产品正在逐渐成为主流，我国的仪器仪表与先进国家的仪器仪表之间的差距还将进一步加大。目前，我国高档、大型仪器设备大多依赖进口。我国仪器仪表行业产品大多属于中低档水平，我国自动化仪器仪表需要积极采用高新技术，努力向“高档、节约、环保、安全”的方向发展。
此外，仪器虚拟化正在迅速发展。它正在取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求，它将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。
需要强调的是：人们看到控制系统与仪器中实现功能安全正在成为热点！在一些论坛或展览会上，一个引人注目的亮点是，各大公司如ABB、FOXBORO、SIEMENS、横河电机等，纷纷展出其应对IEC61508（功能安全的基本标准）和IEC61511（过程的功能安全标准）的功能安全产品和实现办法及措施。典型案例如下：
案例一：ABB的Industrial IT 800xA广义自动化系统体现了ABB在油气/石化/化工和发电行业从事安全系统的设计、实现和维护的经验，可在IEC 61508/61511安全生命周期的各个阶段，在风险分析、安全规划及系统设计、运行以及维护等方面随时提供支持。800xA系统提供了一整套安全仪表系统（SIS）的解决方案，符合IEC 61508/61511 标准，其针对的范围不仅限于解决保证安全的逻辑和顺序问题，而且还包括整个安全回路，覆盖现场仪表、集中控制器和I/O模块，以及现场执行器。
案例二：横河电机的安全仪表系统ProSafe-RS实际上是一种运行在该公司主推的DCS系统Centum CS 3000系统平台上的软件系统，再加上专用的具有丰富的自诊断功能和高可靠性的CPU和I/O模块，即使选择非冗余配置，也达到了SIL3。据称，ProSafe-RS 是世界上首套符合IEC 61511功能安全标准，并已取得了安全认证（TUV、SIL3）的安全仪表系统，具有安全联锁保护功能、紧急停车ESD功能与DCS控制功能无缝集成，便于操作人员全面掌握DCS和SIS的信息。
案例三：SIEMENS在实现现场总线的功能安全方面，起着引领作用。PROFIsafe既可用在过程安全方面，又可用在机械安全方面的。PROFIsafe甚至还考虑了用于驱动和传动方面的功能安全。作为安全行规PROFIsafe还适用于PROFINET工业以太网。
2.2 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化仍将成为主流
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。今后，在我国，中小型企业以及准大型企业走的仍然会是低成本工业控制自动化的道路。
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。
2.3 DCS系统将朝面向测-控-管一体化设计方向发展
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。
2.4 PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展
PLC作为现代工业控制的三大支柱之一，是随着工厂自动化控制的发展而发展起来的。由于最初采用计算机的设计思想和适应各种现场应用的设计思路，因此随着电子事业的飞速发展，PLC已超越了传统逻辑控制的意义。
微型化、网络化、PC化和开放性将是PLC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。但近几年来，微型PLC（小于32 I/O）已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC（Soft PLC）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，PLC为适应市场需求，正在加强信息处理能力；执行多任务和程序互换；实现小型化、高速化，以及将信息技术渗入PLC；硬件上讲是采用多CPU模块的新型结构，实现小型化、高速化、提高I/O模块响应速度等；软件上讲则是采用与国际标准IEC?1131-3、通过软件提升PLC专用操作系统的水平等方向发展。而在应用方面的变化则是从传统的应用离散制造业向应用到连续的流程工业扩展，以数据引擎为核心的控制组态软件系统采用—高瑞PLC为硬件平台替代DCS系统、PLC维护管理与维护自动化等。
在所有过程控制领域，最大的发展趋势之一就是以太网技术的扩展。PLC也不例外，现在越来越多的PLC供应商开始提供以太网接口部件。在最近的几年间，发展比现有普通小型、快速、灵活的PLC更加强大的PLC已成为一种趋势。
2.5 向智能化、网络化、信息化、开放性发展的数控技术
国外数控系统技术发展的总体发展趋势将会是：(1) 新一代数控系统向PC化和开放式体系结构方向发展；(2)驱动装置向交流、数字化方向发展；(3) 通信功能向网络化发展；(4) 系统控制性能向智能化发展。
智能化、网络化、信息化、开放性成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势：(1) 向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展；(2) 向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展；(3) 向PC-based化和开放性方向发展；(4) 机械加工向虚拟制造的方向发展；(5) 信息技术（IT）与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展；(6) 纳米技术将形成新发展潮流，并带来数控系统和数控机床新的突破；(7) 节能环保机床将会加速发展；(8) 安全可靠的数控机床将得到用户的青睐。
2.6 工业以太网将与现场总线相结合共同发展
与专门为工业控制而开发的现场总线相比较，工业以太网技术具有一系列的优点，具体表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业网络的无缝连接；可持续发展的空间大等。
虽然工业以太网具有如此多的优点，但其技术要得到真正的应用，还需要解决以下关键技术问题：
(1) 通信的确定性：随着快速以太网与交换式以太网的发展，为解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，并使这一应用成为可能。
(2) 工业以太网的可靠性和安全性：随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域和极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、PHOENIX CONTACT、Jetter AG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并配有冗余供电，接插件采用牢固的DB-9结构，而在IEEE802.3af标准中，对于Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以提高网络的抗干扰能力和可靠性。另外，工业以太网实现了与Internet的无缝集成，实现了工厂信息的垂直集成，但同时也带来了一系列的网络安全问题，包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁问题。对此，一般可采用网关或防火墙等方法，将内部控制网络与外部信息网络相隔离。另外，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制来加强网络的安全管理。
目前，一些组织按照工业控制要求，开发了适当的应用层协议，使以太网和TCP/IP技术延伸至现场层，目前典型的工业以太网有：Ethernet/IP、HSE、Profinet、Modbus-IDA等。工业以太网技术是当前控制领域中的研究热点，多家自动化公司已推出了自己的工业以太网解决方案。通过上述对典型的工业以太网的分析，不难发现，每一种工业以太网都必须有其互补的现场总线，如Ethernet/IP与DeviceNet和ControNet 互补；FF HSE与FF HI互补；Modbus-IDA 与 Modbus 互补；Profnet 与Profbus互补，可以断定，在最近一段时间内，工业以太网的发展是与现场总线相结合的。
2.7 网络化控制系统的兴起
网络化控制系统（Networked Control System, NCS），是网络通讯技术、自动控制理论和计算机技术等多种技术融合的产物。NCS的兴起是由于大量实际工程问题和军事问题的出现，对研究网络化控制系统提出了新的需求，如半导体和集成电路生产线的生产控制和调度；石油化工、冶金等连续流程工业的生产控制和调度；区域性供电网的远程调度和监控；大城市交通系统的实时指挥和监控；现代飞机、高速列车、汽车以及巡航导弹中基于计算机和其它复杂信息处理装置的决策控制操作和高精度实时控制等等对NCS的研究必然是一种跨学科的研究，从目前的研究成果来看，对网络化控制系统的研究主要是从以下两个不同的领域展开的：从网络通讯技术领域对NCS的研究；从自动控制领域对NCS的研究。由此可见，NCS的开发与研究将会产生许多新的产品与新式系统。
2.8 工业控制软件正向先进控制方向发展
应用先进控制技术是提高经济效益的重要手段。先进控制技术包括的内容和算法有：过程变量的采集与处理；过程模型的辨识；软测量技术；先进控制策略（预测控制和内模控制等）；故障检测、预报、诊断与处理；产品化的软件与技术服务。先进的控制方法特别是预估控制技术、组分推断控制、模糊控制、神经网络技术、自适应控制、故障诊断等已实用化并取得较好效果。目前，先进控制技术正在向软化、智能、预测、模糊与增强鲁棒性等方向进展。
综上所述，在从战略层次分析了“十一五”期间的“需求牵引，技术推动”之后，中国的自动化科技界与工业自动化企业更应当在“十五”期间已取得的良好业绩的基础上，在“十一五”期间取得更加辉煌的成绩，为此，要彻底改变以“资源消耗”为代价的低端自动化技术与产品为主的现象，努力发展具有自主知识产权的中国的高端自动化技术与产品，同时向国民经济与社会生活的各个领域扩展自动化技术的应用，并力求有一些中国的工业自动化领域中的明星企业，能够跻身于世界名牌企业之列。为国人争光！
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